Nắm Vững Thiết Kế Mạch Điện: Tìm Hiểu Phân Tích Trường Hợp Xấu Nhất

Khi thiết kế bất kỳ mạch nào, điều cần thiết là đảm bảo hiệu suất làm việc đáng tin cậy của nó dưới các điều kiện khác nhau ngoài môi trường kiểm soát của một bàn làm việc trong phòng thí nghiệm. Điều này bao gồm việc xem xét đến sự chênh lệch của các thành phần và sự biến đổi nhiệt độ. Trong các ứng dụng quan trọng về an toàn, như hàng không vũ trụ và quân sự, các yếu tố bổ sung như lão hóa thành phần và phơi nhiễm bức xạ cũng cần được xem xét. Mặc dù việc thiết lập các bài kiểm tra phù hợp có thể là một thách thức, nhưng một phân tích kỹ lưỡng có thể hiệu quả xác minh độ robust của thiết kế của bạn.

Bài viết này sẽ hướng dẫn bạn phân tích một khuếch đại vi sai, giúp bạn hiểu các nguồn gốc của lỗi và đảm bảo hiệu suất làm việc đáng tin cậy dưới các điều kiện khác nhau.

Mạch Khuếch Đại Vi Sai Để Đo Dòng Điện Nhỏ

Trong ví dụ này, chúng tôi xem xét một cấu hình khuếch đại vi sai được thiết kế để đo dòng điện nhỏ qua một điện trở shunt. Bộ khuếch đại hoạt động mà chúng tôi chọn là ADA4084, có đặc điểm là đầu ra rail-to-rail và điện áp lệch thấp. Hãy trước tiên xác minh chức năng đúng của mạch của chúng tôi.

Hình 1: Cấu hình khuếch đại vi sai để đo dòng điện nhỏ

Để xác minh mạch, chúng tôi tiến hành một mô phỏng quét DC. Biểu thức đầu ra tính toán dòng điện từ điện áp đầu ra bằng cách chia cho hệ số khuếch đại (201) và giá trị điện trở shunt (0.2Ω).

Hình 2: Kết quả của mô phỏng quét DC với các tham số

Như được chỉ ra bởi con trỏ A, mạch của chúng tôi hoạt động gần như hoàn hảo. Ví dụ, với tải thực tế là 30.005mA, chúng tôi thu được dòng điện tính toán là 29.810mA. Tuy nhiên, thế giới thực thường khác biệt.

Tiếp theo, chúng tôi bao gồm các tham số khác nhau, như dung sai của điện trở và các tham số cụ thể từ bảng dữ liệu ADA4084. Các tham số quan trọng nhất cần xem xét là điện áp lệch đầu vào, dòng điện lệch đầu vào, và dòng điện thiên vị đầu vào.

Hình 3: Các tham số quan trọng cần bao gồm trong mô phỏng và giá trị của chúng

Hình 4: Mạch bao gồm dòng điện lệch đầu vào, điện áp lệch đầu vào và dòng điện thiên vị đầu vào

Phân Tích Độ Nhạy

Phân tích độ nhạy cho phép chúng tôi xác định những sai lệch tham số nào ảnh hưởng đáng kể nhất đến đầu ra. Các điện trở được thiết lập dung sai 1% (10m trong cửa sổ độ nhạy), trong khi các tham số khác được thiết lập 100% để đánh giá ảnh hưởng của chúng.

Hình 5: Cài đặt mô phỏng độ nhạy

Hình 6: Kết quả của phân tích độ nhạy. Cột độ lệch tương đối cho thấy ảnh hưởng đến đầu ra với sự thay đổi của các tham số

Như dự đoán, dung sai của điện trở đóng vai trò quan trọng nhất, trong khi dòng điện đầu vào (thiên vị và lệch) là không đáng kể. Để đơn giản, các tham số này sẽ được bỏ qua sau này trong trường hợp cụ thể này.

Phân Tích Trường Hợp Xấu Nhất (WCA)

Trong khi phân tích độ nhạy thay đổi giá trị của một thành phần tại một thời điểm, phân tích trường hợp xấu nhất xem xét ảnh hưởng kết hợp của tất cả các biến thể tham số. Các giá trị cao nhất từ độ chính xác 1% không nhất thiết dẫn đến kết quả tồi tệ nhất; sự tương tác của các sai số này mới là yếu tố quyết định.

Phân tích Monte Carlo là một công cụ hữu ích cho mục đích này. Nó tạo ra các giá trị ngẫu nhiên cho các thành phần trong phạm vi sai số của chúng tại mỗi lần lặp của thuật toán. Với đủ số lần mô phỏng, chúng ta có thể xác định các giá trị đầu ra với các xác suất cụ thể. Tuy nhiên, phân tích Monte Carlo không đảm bảo rằng các giá trị cực đoan được đạt tới. Do đó, việc chọn tùy chọn Phân tích Trường Hợp Xấu Nhất trong phân tích Monte Carlo trong Altium và thiết lập số lần chạy là 2^5 (xem xét năm thành phần) cung cấp một cuộc kiểm tra kỹ lưỡng. R10, không ảnh hưởng đến kết quả đầu ra, sẽ được loại bỏ.

Hình 7: Các tham số phân tích Monte Carlo. Trong trường hợp cụ thể này chúng ta chỉ thay đổi các điện trở

Độ chịu đựng cơ bản được xác định là 1%. Để bao gồm sự lão hóa, chúng ta có thể sử dụng định luật Arrhenius, như được chi tiết trong ECSS-Q-HB-30-01A. Để đơn giản, chúng ta sẽ bỏ qua các chi tiết ở đây và chỉ thêm một độ chịu đựng bổ sung là 0.17%. Sự biến đổi nhiệt độ cũng có thể được bao gồm trong tính toán độ chịu đựng. Ví dụ, một điện trở 100 ppm ở 50°C thêm vào 0.5%, dẫn đến tổng độ chịu đựng là 1.67%.

Điện áp lệch không thay đổi. Hai lần mô phỏng riêng biệt đã được chuẩn bị, một với điện áp lệch -300µV và một với điện áp lệch +300µV. Kết quả của những mô phỏng này được hiển thị dưới đây.

Hình 8: Phân tích quét DC với sự biến đổi khác nhau của giá trị linh kiện. Điện áp lệch: 300u

Hình 9: Phân tích quét DC với sự biến đổi khác nhau của giá trị linh kiện. Điện áp lệch: -300u

Các con trỏ minh họa sự khác biệt giữa tải thực 60mA và đầu ra, với lỗi cao tới 17%! Để khám phá giá trị này thay đổi như thế nào với các độ chịu đựng điện trở khác nhau (ví dụ, 0.1%), bạn có thể tự thử nghiệm. Hãy thử ngay hôm nay! Altium cung cấp một phiên bản dùng thử miễn phí cho các thí nghiệm của bạn.

Kết luận

Bằng cách phân tích và mô phỏng mạch, chúng ta có thể tự tin thiết kế các hệ thống vững chắc và đáng tin cậy, có khả năng chịu đựng được những thách thức của môi trường dự định. Quá trình cẩn thận này không chỉ cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của mạch mà còn đảm bảo nó hoạt động một cách đáng tin cậy trong các ứng dụng quan trọng nơi mà độ chính xác và độ tin cậy là rất quan trọng.