Opanuj projektowanie obwodów: Zanurz się w analizie najgorszego przypadku

Podczas projektowania dowolnego obwodu niezbędne jest zapewnienie jego niezawodnego działania w różnych warunkach, wykraczających poza kontrolowane środowisko laboratorium. Obejmuje to uwzględnienie tolerancji komponentów oraz zmian temperatury. W aplikacjach krytycznych dla bezpieczeństwa, takich jak lotnictwo i wojskowość, należy również wziąć pod uwagę dodatkowe czynniki, takie jak starzenie się komponentów i ekspozycja na promieniowanie. Chociaż przygotowanie odpowiednich testów może być wyzwaniem, dokładna analiza może skutecznie zweryfikować solidność projektu.

W tym artykule przeprowadzimy Cię przez analizę wzmacniacza różnicowego, pomagając zrozumieć źródła błędów i zapewnić niezawodne działanie w różnych warunkach.

Obwód wzmacniacza różnicowego do pomiaru małych prądów

W tym przykładzie badamy konfigurację wzmacniacza różnicowego zaprojektowaną do pomiaru małych prądów przez rezystor szeregowy. Wybrany przez nas wzmacniacz operacyjny to ADA4084, który charakteryzuje się wyjściem typu rail-to-rail i niskim napięciem offsetu. Sprawdźmy najpierw poprawność działania naszego obwodu.

Rysunek 1: Konfiguracja wzmacniacza różnicowego do pomiaru małych prądów

Aby zweryfikować obwód, przeprowadzamy symulację zmiatania DC. Wyrażenie wyjściowe oblicza prąd z napięcia wyjściowego, dzieląc je przez współczynnik wzmocnienia (201) i wartość rezystora szeregowego (0,2Ω).

Rysunek 2: Wyniki symulacji zmiatania DC z parametrami

Jak pokazuje kursor A, nasz obwód działa prawie doskonale. Na przykład, przy rzeczywistym obciążeniu 30,005mA, otrzymujemy obliczony prąd 29,810mA. Jednak rzeczywistość często różni się.

Następnie uwzględniamy różne parametry, takie jak tolerancje rezystorów i specyficzne parametry z karty katalogowej ADA4084. Najważniejszymi parametrami do rozważenia są napięcie przesunięcia wejściowego, prąd przesunięcia wejściowego i prąd polaryzacji wejściowej.

Rysunek 3: Ważne parametry do uwzględnienia w symulacji i ich wartości

Rysunek 4: Obwód uwzględniający prąd przesunięcia wejściowego, napięcie przesunięcia wejściowego i prąd polaryzacji wejściowej

Analiza wrażliwości

Analiza wrażliwości pozwala nam określić, które odchylenia parametrów mają największy wpływ na wynik. Rezystory zostały ustawione na tolerancję 1% (10m w oknie wrażliwości), podczas gdy inne parametry zostały ustawione na 100%, aby ocenić ich wpływ.

Rysunek 5: Ustawienia symulacji wrażliwości

Rysunek 6: Wyniki analizy wrażliwości. Kolumna odchylenia względnego pokazuje wpływ na wynik przy zmieniających się parametrach

Jak można było się spodziewać, tolerancje rezystorów odgrywają najważniejszą rolę, podczas gdy prądy wejściowe (polaryzacja i przesunięcie) są znikome. Dla uproszczenia, te parametry zostaną później zignorowane w tym konkretnym przypadku.

Analiza najgorszego przypadku (WCA)

Podczas gdy analiza wrażliwości zmienia wartość jednego komponentu za każdym razem, analiza najgorszego przypadku bada łączny efekt wszystkich wariacji parametrów. Najwyższe wartości z tolerancji 1% niekoniecznie prowadzą do najgorszego wyniku; interakcja tych tolerancji ma znaczenie.

Analiza Monte Carlo jest przydatnym narzędziem w tym celu. Tworzy losowe wartości dla komponentów w ramach ich tolerancji przy każdej iteracji algorytmu. Przy wystarczającej liczbie symulacji możemy określić wartości wyjściowe z określonymi prawdopodobieństwami. Jednak analiza Monte Carlo nie gwarantuje osiągnięcia wartości skrajnych. Dlatego wybranie opcji Analizy Najgorszego Przypadku w analizie Monte Carlo w Altium i ustawienie liczby przebiegów na 2^5 (biorąc pod uwagę pięć komponentów) zapewnia dokładne badanie. R10, który nie wpływa na wynik, zostanie wykluczony.

Rysunek 7: Parametry analizy Monte Carlo. W tym konkretnym przypadku zmieniamy tylko rezystory

Podstawowa tolerancja została zdefiniowana jako 1%. Aby uwzględnić starzenie, moglibyśmy użyć prawa Arrheniusa, jak szczegółowo opisano w ECSS-Q-HB-30-01A. Dla uproszczenia pominęliśmy tutaj szczegóły i dodaliśmy dodatkową tolerancję 0,17%. Dryf temperatury może być również uwzględniony w obliczeniu tolerancji. Na przykład, rezystor 100 ppm przy 50°C dodaje 0,5%, co skutkuje całkowitą tolerancją 1,67%.

Napięcie offsetu pozostaje niezmienione. Przygotowano dwie oddzielne symulacje, jedną z napięciem offsetu -300µV, a drugą z +300µV. Wyniki tych symulacji są pokazane poniżej.

Rysunek 8: Analiza przebiegu stałoprądowego z różnymi wariantami wartości komponentów. Napięcie offsetu: 300u

Rysunek 9: Analiza przebiegu stałoprądowego z różnymi wariantami wartości komponentów. Napięcie offsetu: -300u

Kursory ilustrują różnicę między rzeczywistym obciążeniem 60mA a wyjściem, z błędami sięgającymi nawet 17%! Aby zbadać, jak ta wartość zmienia się przy różnych tolerancjach rezystorów (np. 0,1%), możesz spróbować sam. Wypróbuj już dziś! Altium oferuje darmowy okres próbny na Twoje eksperymenty.

Wnioski

Analizując i symulując obwody, możemy z pewnością projektować solidne i niezawodne systemy zdolne do wytrzymania wyzwań ich zamierzonych środowisk. Ten staranny proces nie tylko poprawia wydajność i żywotność obwodu, ale także zapewnia jego niezawodne działanie w krytycznych aplikacjach, gdzie precyzja i niezawodność są kluczowe.