회로 설계 마스터하기: 최악의 경우 분석에 뛰어들기

회로를 설계할 때, 실험실 책상의 통제된 환경을 넘어 다양한 조건에서의 신뢰성 있는 성능을 보장하는 것이 필수적입니다. 이는 구성 요소의 허용 오차와 온도 변화를 고려하는 것을 포함합니다. 항공우주 및 군사와 같은 안전 중요 응용 분야에서는 구성 요소의 노화와 방사선 노출과 같은 추가적인 요소도 고려해야 합니다. 적절한 테스트를 설정하는 것이 도전적일 수 있지만, 철저한 분석을 통해 설계의 견고함을 효과적으로 검증할 수 있습니다.

이 글은 여러분을 차동 증폭기 분석을 안내하며, 오류의 원인을 이해하고 다양한 조건에서 신뢰성 있는 성능을 보장하는 데 도움을 줄 것입니다.

소량의 전류를 측정하기 위한 차동 증폭기 회로

이 예에서는 션트 저항을 통한 소량의 전류를 측정하기 위해 설계된 차동 증폭기 구성을 검토합니다. 우리가 선택한 연산 증폭기는 레일-투-레일 출력과 낮은 오프셋 전압을 특징으로 하는 ADA4084입니다. 먼저 우리 회로의 올바른 기능을 확인합시다.

그림 1: 소량의 전류를 측정하기 위한 차동 증폭기 구성

회로를 검증하기 위해 DC 스윕 시뮬레이션을 수행합니다. 출력 표현식은 출력 전압을 증폭 계수(201)와 션트 저항 값(0.2Ω)으로 나누어 전류를 계산합니다.

그림 2: 매개변수를 사용한 DC 스윕 시뮬레이션 결과

커서 A가 보여주듯이, 우리의 회로는 거의 완벽하게 동작합니다. 예를 들어, 실제 부하가 30.005mA일 때, 우리는 29.810mA의 계산된 전류를 얻습니다. 하지만, 실제 세계는 종종 다릅니다.

다음으로, 저항 허용 오차와 ADA4084 데이터시트에서의 특정 파라미터와 같은 다양한 파라미터를 포함합니다. 고려해야 할 가장 중요한 파라미터는 입력 오프셋 전압, 입력 오프셋 전류, 그리고 입력 바이어스 전류입니다.

그림 3: 시뮬레이션에 포함할 중요한 파라미터와 그 값들

그림 4: 입력 오프셋 전류, 입력 오프셋 전압 및 입력 바이어스 전류를 포함한 회로

민감도 분석

민감도 분석은 어떤 파라미터의 변동이 출력에 가장 큰 영향을 미치는지 결정할 수 있게 해줍니다. 저항은 1% 허용 오차(민감도 창에서 10m)로 설정되었고, 다른 파라미터는 그 영향을 평가하기 위해 100%로 설정되었습니다.

그림 5: 민감도 시뮬레이션 설정

그림 6: 민감도 분석 결과. 상대적 편차 열은 파라미터 변경 시 출력에 미치는 영향을 보여줍니다

예상대로, 저항 허용 오차가 가장 중요한 역할을 하며, 입력 전류(바이어스 및 오프셋)는 무시할 수 있습니다. 간단함을 위해, 이 특정한 경우에는 이러한 파라미터들을 나중에 무시할 것입니다.

최악의 경우 분석 (WCA)

민감도 분석이 한 번에 하나의 구성 요소 값을 변경하는 반면, 최악의 경우 분석은 모든 매개변수 변화의 결합된 효과를 검토합니다. 1% 허용 오차에서 가장 높은 값이 반드시 최악의 출력을 초래하는 것은 아니며, 이러한 허용 오차의 상호 작용이 그렇게 합니다.

몬테카를로 분석은 이 목적에 유용한 도구입니다. 이는 각 알고리즘 반복에서 구성 요소의 허용 오차 내에서 무작위 값을 생성합니다. 충분한 시뮬레이션을 통해, 우리는 특정 확률로 출력 값을 결정할 수 있습니다. 그러나 몬테카를로 분석은 극단적인 값이 도달되었다는 것을 보장하지 않습니다. 따라서 Altium 내에서 몬테카를로 분석의 최악의 경우 분석 옵션을 선택하고 실행 횟수를 2^5(다섯 개의 구성 요소를 고려)로 설정하면 철저한 검토를 제공합니다. 출력에 영향을 주지 않는 R10은 제외될 것입니다.

그림 7: 몬테카를로 분석 매개변수. 이 특정 경우에는 저항기만 변경합니다

기본 허용 오차는 1%로 정의되었습니다. 노화를 포함시키기 위해, ECSS-Q-HB-30-01A에 자세히 설명된 아레니우스 법칙을 사용할 수 있습니다. 간단히 하기 위해 여기서는 세부 사항을 생략하고 추가로 0.17%의 허용 오차만을 더하겠습니다. 온도 드리프트도 허용 오차 계산에 포함될 수 있습니다. 예를 들어, 50°C에서 100 ppm 저항기는 0.5%를 추가하여 총 허용 오차를 1.67%로 만듭니다.

오프셋 전압은 변하지 않습니다. -300µV 오프셋 전압과 +300µV 오프셋 전압을 가진 두 개의 별도 시뮬레이션 실행이 준비되었습니다. 이 시뮬레이션의 결과는 아래에 나와 있습니다.

그림 8: 구성 요소 값의 다양한 변화를 가진 DC 스윕 분석. 오프셋 전압: 300u

그림 9: 구성 요소 값의 다양한 변화를 가진 DC 스윕 분석. 오프셋 전압: -300u

커서는 60mA 실제 부하와 출력 사이의 차이를 보여주며, 오차는 최대 17%까지 높습니다! 다른 저항 허용 오차(예: 0.1%)로 이 값이 어떻게 변하는지 탐색하려면, 직접 시도해 볼 수 있습니다. 오늘 시도해 보세요! Altium은 실험을 위한 무료 체험판을 제공합니다.

결론

회로를 분석하고 시뮬레이션함으로써, 우리는 그들이 의도된 환경의 도전을 견딜 수 있는 강력하고 신뢰할 수 있는 시스템을 자신 있게 설계할 수 있습니다. 이러한 주의 깊은 과정은 회로의 성능과 수명을 향상시킬 뿐만 아니라, 정밀도와 신뢰성이 중요한 중요 응용 분야에서 신뢰성 있게 기능하도록 보장합니다.