Domine Seu Projeto de Circuito: Mergulhe na Análise de Pior Caso

Ao projetar qualquer circuito, é essencial garantir seu desempenho confiável sob várias condições, além do ambiente controlado de uma bancada de laboratório. Isso envolve considerar as tolerâncias dos componentes e variações de temperatura. Em aplicações críticas de segurança, como na área aeroespacial e militar, fatores adicionais como envelhecimento dos componentes e exposição à radiação também devem ser considerados. Embora configurar testes apropriados possa ser desafiador, uma análise minuciosa pode verificar efetivamente a robustez do seu design.

Este artigo irá guiá-lo na análise de um amplificador diferencial, ajudando-o a entender as fontes de erros e garantindo um desempenho confiável sob diferentes condições.

Circuito de Amplificador Diferencial para Medir Pequenas Correntes

Neste exemplo, examinamos uma configuração de amplificador diferencial projetada para medir pequenas correntes através de um resistor shunt. Nosso amplificador operacional escolhido é o ADA4084, que apresenta saída rail-to-rail e baixa tensão de offset. Vamos primeiro verificar a correta funcionalidade do nosso circuito.

Figura 1: Configuração do amplificador diferencial para medir pequenas correntes

Para verificar o circuito, realizamos uma simulação de varredura DC. A expressão de saída calcula a corrente a partir da tensão de saída dividindo-a pelo fator de amplificação (201) e pelo valor do resistor shunt (0,2Ω).

Figura 2: Resultados da simulação de varredura DC com parâmetros

Como mostrado pelo cursor A, nosso circuito funciona quase perfeitamente. Por exemplo, com uma carga real de 30,005mA, obtemos uma corrente calculada de 29,810mA. No entanto, o mundo real muitas vezes difere.

A seguir, incluímos vários parâmetros, como tolerâncias de resistores e parâmetros específicos do datasheet do ADA4084. Os parâmetros mais críticos a considerar são a tensão de offset de entrada, a corrente de offset de entrada e a corrente de polarização de entrada.

Figura 3: Parâmetros importantes a incluir na simulação e seus valores

Figura 4: Circuito incluindo corrente de offset de entrada, tensão de offset de entrada e corrente de polarização de entrada

Análise de Sensibilidade

A análise de sensibilidade nos permite determinar quais desvios de parâmetros afetam mais significativamente a saída. Resistores foram configurados para uma tolerância de 1% (10m na janela de sensibilidade), enquanto outros parâmetros foram configurados para 100% para avaliar seu impacto.

Figura 5: Configuração da simulação de sensibilidade

Figura 6: Resultados da análise de sensibilidade. A coluna de desvio relativo mostra o impacto na saída com a mudança de parâmetros

Como esperado, as tolerâncias dos resistores desempenham o papel mais significativo, enquanto as correntes de entrada (polarização e offset) são negligenciáveis. Para simplificar, esses parâmetros serão ignorados posteriormente neste caso específico.

Análise de Pior Caso (WCA)

Enquanto a análise de sensibilidade altera o valor de um componente de cada vez, a análise de pior caso examina o efeito combinado de todas as variações de parâmetros. Os valores mais altos provenientes de tolerâncias de 1% não necessariamente resultam no pior resultado; a interação dessas tolerâncias faz isso.

Análise de Monte Carlo é uma ferramenta útil para esse propósito. Ela cria valores aleatórios para componentes dentro de suas tolerâncias a cada iteração do algoritmo. Com simulações suficientes, podemos determinar valores de saída com probabilidades específicas. No entanto, a análise de Monte Carlo não garante que valores extremos sejam alcançados. Portanto, selecionar a opção de Análise de Pior Caso dentro da análise de Monte Carlo no Altium e definir o número de execuções para 2^5 (considerando cinco componentes) proporciona um exame minucioso. R10, que não afeta a saída, será excluído.

Figura 7: Parâmetros da análise de Monte Carlo. Neste caso específico, apenas alteramos resistores

A tolerância base foi definida como 1%. Para incluir o envelhecimento, poderíamos usar a lei de Arrhenius, conforme detalhado em ECSS-Q-HB-30-01A. Para simplificar, vamos pular os detalhes aqui e apenas adicionar uma tolerância adicional de 0,17%. A deriva de temperatura também pode ser incluída no cálculo da tolerância. Por exemplo, um resistor de 100 ppm a 50°C adiciona 0,5%, resultando em uma tolerância total de 1,67%.

A tensão de offset permanece inalterada. Foram preparadas duas simulações separadas, uma com uma tensão de offset de -300µV e outra com +300µV. Os resultados dessas simulações são mostrados abaixo.

Figura 8: Análise de varredura DC com diferentes variações dos valores dos componentes. Tensão de offset: 300u

Figura 9: Análise de varredura DC com diferentes variações dos valores dos componentes. Tensão de offset: -300u

Os cursores ilustram a diferença entre uma carga real de 60mA e a saída, com erros tão altos quanto 17%! Para explorar como esse valor muda com diferentes tolerâncias de resistores (por exemplo, 0,1%), você pode tentar você mesmo. Experimente hoje mesmo! Altium oferece uma avaliação gratuita para seus experimentos.

Conclusão

Ao analisar e simular circuitos, podemos projetar com confiança sistemas robustos e confiáveis capazes de suportar os desafios de seus ambientes pretendidos. Esse processo cuidadoso não apenas melhora o desempenho e a vida útil do circuito, mas também garante que ele funcione de maneira confiável em aplicações críticas onde a precisão e a confiabilidade são cruciais.