Овладейте проектированием схем: Погружение в анализ худшего случая

При проектировании любой схемы крайне важно обеспечить ее надежную работу в различных условиях, выходящих за пределы контролируемой среды лабораторного стола. Это включает в себя учет допусков компонентов и температурных изменений. В приложениях, критичных к безопасности, таких как аэрокосмическая отрасль и военное дело, также необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как старение компонентов и воздействие радиации. Хотя настройка соответствующих тестов может быть сложной, тщательный анализ может эффективно проверить надежность вашего проекта.

Эта статья поможет вам проанализировать дифференциальный усилитель, помогая понять источники ошибок и обеспечивая надежную работу в различных условиях.

Схема дифференциального усилителя для измерения малых токов

В этом примере мы рассматриваем конфигурацию дифференциального усилителя, предназначенную для измерения малых токов через шунтирующий резистор. Наш выбранный операционный усилитель - ADA4084, который обладает выходом с рельса на рельс и низким смещением напряжения. Давайте сначала проверим правильность функционирования нашей схемы.

Рисунок 1: Конфигурация дифференциального усилителя для измерения малых токов

Для проверки схемы мы проводим симуляцию постоянного тока. Выходное выражение рассчитывает ток из выходного напряжения, деленного на коэффициент усиления (201) и значение шунтирующего резистора (0.2 Ом).

Рисунок 2: Результаты симуляции постоянного тока с параметрами

Как показывает курсор A, наша схема работает почти идеально. Например, при реальной нагрузке 30.005 мА мы получаем рассчитанный ток 29.810 мА. Однако реальный мир часто отличается.

Далее, мы включаем различные параметры, такие как допуски резисторов и специфические параметры из даташита ADA4084. Наиболее критичные параметры для учета - это входное смещение напряжения, входной смещенный ток и входной ток смещения.

Рисунок 3: Важные параметры для включения в симуляцию и их значения

Рисунок 4: Схема, включающая входной смещенный ток, входное смещение напряжения и входной ток смещения

Анализ чувствительности

Анализ чувствительности позволяет нам определить, какие отклонения параметров наиболее значительно влияют на выходные данные. Резисторы были установлены с допуском 1% (10м в окне чувствительности), в то время как другие параметры были установлены в 100%, чтобы оценить их влияние.

Рисунок 5: Настройка симуляции чувствительности

Рисунок 6: Результаты анализа чувствительности. Колонка относительного отклонения показывает влияние на выход при изменении параметров

Как и ожидалось, допуски резисторов играют наиболее значительную роль, в то время как входные токи (смещение и смещенный) незначительны. Для упрощения, эти параметры будут игнорироваться в данном конкретном случае.

Анализ худшего случая (WCA)

В то время как анализ чувствительности изменяет значение одного компонента за раз, анализ худшего случая рассматривает совместное влияние всех вариаций параметров. Наивысшие значения с допуском 1% не обязательно приводят к худшему результату; важно взаимодействие этих допусков.

Анализ методом Монте-Карло является полезным инструментом для этой цели. Он создает случайные значения для компонентов в пределах их допусков на каждой итерации алгоритма. С достаточным количеством симуляций мы можем определить выходные значения с определенными вероятностями. Однако анализ методом Монте-Карло не гарантирует достижения крайних значений. Поэтому выбор опции Анализа худшего случая в рамках анализа методом Монте-Карло в Altium и установка числа прогонов равным 2^5 (учитывая пять компонентов) обеспечивает тщательное исследование. R10, который не влияет на результат, будет исключен.

Рисунок 7: Параметры анализа методом Монте-Карло. В данном случае мы меняем только резисторы

Базовое допуск было определено как 1%. Чтобы учесть старение, мы могли бы использовать закон Аррениуса, как это подробно описано в ECSS-Q-HB-30-01A. Для простоты мы пропустим детали здесь и просто добавим дополнительный допуск 0,17%. Температурный дрейф также может быть включен в расчет допуска. Например, резистор на 100 ppm при 50°C добавляет 0,5%, что в результате дает общий допуск 1,67%.

Напряжение смещения остается неизменным. Были подготовлены два отдельных прогона симуляции, один с напряжением смещения -300µV и один с напряжением смещения +300µV. Результаты этих симуляций показаны ниже.

Рисунок 8: Анализ постоянного тока с различными вариациями значений компонентов. Напряжение смещения: 300u

Рисунок 9: Анализ постоянного тока с различными вариациями значений компонентов. Напряжение смещения: -300u

Курсоры иллюстрируют разницу между реальной нагрузкой 60мА и выходом, с ошибками до 17%! Чтобы исследовать, как это значение меняется с разными допусками резисторов (например, 0,1%), вы можете попробовать сами. Попробуйте сегодня! Altium предлагает бесплатную пробную версию для ваших экспериментов.

Заключение

Анализируя и моделируя схемы, мы можем с уверенностью проектировать надежные и устойчивые системы, способные выдерживать вызовы предназначенных для них сред. Этот тщательный процесс не только улучшает производительность и срок службы схемы, но и гарантирует ее надежную работу в критически важных приложениях, где точность и надежность имеют решающее значение.