Analisi delle prestazioni di LTspice di una pompa corrente di precisione

un giorno fa p Robert Keim\n\nL'articolo precedente ha introdotto un circuito a cui mi riferisco come sorgente di corrente a due amplificatori operazionali (o pompa di corrente).\n\nHo presentato un'implementazione LTspice di questa topologia e abbiamo esaminato i risultati di una simulazione di base. Tuttavia, vorrei saperne di più su questo circuito, soprattutto perché è descritto come una pompa di corrente di precisione. \u003cbr\u003e Che tipo di precisione possiamo davvero aspettarci da questo circuito?\n\nIn questo articolo, eseguiremo simulazioni intese a rispondere a tre domande.\n\nQuesto è il circuito che utilizzeremo per la prima simulazione:\n\nLa tensione applicata allo stadio di ingresso differenziale cambia da –250 mV a 250 mV durante un intervallo di 100 ms. La formula che mette in relazione la tensione di ingresso con la corrente di uscita ci dice che la corrente che scorre attraverso il carico dovrebbe essere VIN / 100. \u003cbr\u003e\n\nPer vedere quanto la corrente di carico generata corrisponde alla previsione teorica, tracceremo la differenza tra la corrente di carico simulata e la corrente di carico calcolata matematicamente.\n\nL'errore è estremamente piccolo e la sua entità varia in proporzione all'entità della corrente di carico.\n\nQuando parliamo di un regolatore di tensione, la regolazione del carico si riferisce alla capacità del regolatore di mantenere una tensione costante nonostante le variazioni nella resistenza del carico. \u003cbr\u003e Possiamo applicare questo stesso concetto a una sorgente di corrente: quanto bene il circuito mantiene il valore specificato corrente di uscita per diversi valori di RLOAD?\n\nPer questa simulazione, forniremo una tensione di ingresso fissa di 250 mV e utilizzeremo una direttiva \"step\" per variare il carico da 1 Ω a 1000 Ω in passi di 10 Ω.\n\nUna direttiva di \"misura\" ci consente di tracciare l'errore rispetto al parametro a gradini (ad esempio \u003cbr\u003e, la resistenza di carico) piuttosto che rispetto al tempo; ciò si ottiene aprendo il registro degli errori (Visualizza -\u003e Registro degli errori di SPICE), facendo clic con il pulsante destro del mouse e selezionando \"Traccia i dati .meas.\n\nPer resistenze di carico maggiori, l'errore della corrente di uscita aumenta in modo significativo, da circa 50 nA a 800 nA. Tuttavia, 800 nA è ancora un errore molto piccolo.\n\nQuanto cambierà la regolazione del carico se sostituiamo l'amplificatore operazionale ideale con un macromodello destinato ad approssimare le prestazioni di un amplificatore operazionale reale? Diamo un'occhiata. \u003cbr\u003e\n\nLa percentuale di variazione dell'errore di output è abbastanza simile. Nella prima simulazione, l'errore è aumentato di un fattore 15.7 nell'intervallo di resistenza al carico. \u003cbr\u003e Nella seconda simulazione, dove ho utilizzato il macromodello per l'LT1001A, è aumentato di un fattore 12.1.\n\nLa cosa interessante è che l'LT1001A ha funzionato meglio dell '\"amplificatore operazionale unipolare ideale\" LTspice: l'entità dell'errore era molto inferiore su tutta la gamma e l'errore era più stabile rispetto alla resistenza di carico. \u003cbr\u003e Sto non sono sicuro di come spiegarlo. Forse l'amplificatore operazionale unipolare ideale non è così ideale come pensavo.\n\nNon abbiamo bisogno di simulazioni per determinare l'effetto delle variazioni nella resistenza di R1; la relazione matematica tra tensione di ingresso e corrente di uscita ci dà un'idea chiara di quanto errore verrà introdotto da un valore R1 che devia dal valore nominale. \u003cbr\u003e\n\nInoltre, lo schema del circuito tratto dalla nota dell'app indica come il rapporto tra R4 e R2 influenzerà la corrente di uscita, poiché questo rapporto determina AV e IOUT è direttamente proporzionale a VIN moltiplicato per AV.\n\nMeno chiaro, tuttavia, è l'effetto di una corrispondenza imperfetta tra le resistenze. Lo schema del circuito indica che R2 e R3 dovrebbero essere abbinati e che R4 e R5 dovrebbero essere abbinati. \u003cbr\u003e Possiamo indagare su questo eseguendo una simulazione Monte Carlo in cui i valori dei resistori sono variati entro il loro intervallo di tolleranza.\n\nSe la simulazione include un numero elevato di esecuzioni Monte Carlo, gli errori massimi e minimi riportati nei risultati della simulazione possono essere interpretati come l'errore del caso peggiore associato alla tolleranza del resistore.\n\nPer questa simulazione, lasceremo R2 e R4 fissi a 100 kΩ; questo impedisce variazioni in AV. \u003cbr\u003e degraderemo la corrispondenza del circuito applicando la funzione Monte Carlo ai valori di R3 e R5.\n\nCome indicato dalla direttiva SPICE \"step\", una simulazione consiste di 100 corse. Il valore “mc (100k, 0. \u003cbr\u003e 01)” specifica una resistenza nominale di 100 kΩ con una tolleranza dell'1%.\n\nDi seguito è riportato un grafico dell'errore della corrente di uscita per le 100 analisi.\n\nL'errore medio è 15. \u003cbr\u003e 6 µA, che è lo 0,6% della corrente di uscita di 2,5 mA prevista e, nelle condizioni peggiori, la corrente di uscita effettiva devia dalla corrente prevista di circa 40 µA. \u003cbr\u003e\n\nLa definirei una precisione molto buona. Vediamo come migliora la situazione quando utilizziamo una tolleranza dello 0,1% invece dell'1%. \u003cbr\u003e\n\nOra l'errore medio è 1,6 µA, che è solo lo 0,06% della corrente di uscita prevista, e l'errore nel caso peggiore è diminuito nell'intervallo di 4 µA. \u003cbr\u003e\n\nAbbiamo eseguito simulazioni LTspice che hanno fornito informazioni preziose sulle prestazioni della pompa di corrente a due amplificatori operazionali.\n\nLa tolleranza resistiva dell'1%, con le resistenze che determinano il guadagno in ingresso fissate al loro valore teorico, consente un'elevata precisione. Una tolleranza dello 0,1% applicata a tutti i resistori fornirebbe buone prestazioni e poiché le resistenze dello 0,1% sono prontamente disponibili e non costose, sono d'accordo con l'autore della nota dell'app quando raccomanda una tolleranza dello 0,1% anziché dell'1% tolleranza. \u003cbr\u003e.