Simulazione di una variazione della tensione di offset dell'amplificatore operazionale

un giorno fa p Robert Keim Al giorno d'oggi, possiamo spesso trovare amplificatori operazionali con una tensione di offset tipica che è molto bassa rispetto ai requisiti di sistema. Se uno di questi amplificatori operazionali rientra nel budget del progetto, non avremo bisogno di considerare la tensione di offset durante il processo di progettazione. A volte, tuttavia, questo aspetto non ideale del funzionamento dell'amplificatore operazionale può influenzare le prestazioni di un circuito in modi evidenti.
Il mio obiettivo in questo articolo è presentare un metodo per analizzare gli effetti della tensione di offset mediante la simulazione SPICE. Il circuito che userò come esempio è la pompa di corrente di precisione che ho esplorato in tre articoli precedenti. Il diagramma seguente fornisce lo schema di questo circuito e la relazione teorica ingresso-uscita.
I disadattamenti inevitabili dei componenti all'interno di un amplificatore operazionale fanno sì che un ingresso differenziale di 0 V produca una tensione di uscita positiva o negativa diversa da zero. La tensione di offset in ingresso è la tensione che è necessario applicare a uno dei terminali di ingresso per compensare le discrepanze e quindi ottenere un'uscita 0 V per l'ingresso 0 V. La tensione di offset è problematica perché fa deviare un amplificatore operazionale dal modello idealizzato che produce risultati migliori ed è più facile da usare.
Inoltre, la gravità di questa deviazione non può essere prevista con alta precisione: una scheda tecnica può descrivere l'offset tensione utilizzando un numero unico solo se riferito alla tensione di offset tipica o massima. Per ottenere un quadro più completo del comportamento della tensione di offset, è necessario esaminare la distribuzione ottenuta quando vengono caratterizzati numerosi dispositivi (dello stesso codice articolo). Nell'articolo precedente sulla simulazione delle prestazioni della pompa di corrente con tolleranza e temperatura, ho utilizzato l'amplificatore operazionale AD8606 per le mie simulazioni di pompa di corrente.
La scheda tecnica di AD8606 fornisce il grafico seguente per aiutarci a comprendere la distribuzione dei valori di tensione di offset per questo numero di parte: La forma della distribuzione assomiglia alla forma della distribuzione normale (nota anche come gaussiana), e ciò non sorprende, perché ci aspettiamo una distribuzione normale quando un valore misurato è influenzato da più parametri variabili casualmente. Se vogliamo incorporare la tensione di offset nella nostra analisi del circuito, aggiungiamo una sorgente di tensione CC in serie con il terminale di ingresso positivo o negativo dell'amplificatore operazionale. Il risultato è un modello di circuito che sarà simile a questo: L'amplificatore operazionale arancione è un amplificatore operazionale ideale, o almeno un amplificatore operazionale senza tensione di offset.
L'amplificatore operazionale rosso rappresenta l'amplificatore operazionale "più realistico" che abbiamo creato combinando -ampada con una sorgente di tensione CC. Il valore della sorgente di tensione sarebbe solitamente la tipica tensione di offset o la tensione di offset massima, se è necessario scegliere un valore singolo. In una simulazione SPICE, possiamo scegliere molti valori diversi.
Negli articoli precedenti, abbiamo utilizzato la funzione Monte Carlo (abbreviato mc) di LTspice per produrre variazioni nei valori di resistenza corrispondenti alla tolleranza di un resistore. La funzione mc, tuttavia, produce numeri casuali secondo la distribuzione uniforme. Vogliamo numeri casuali con una distribuzione normale, quindi utilizzeremo invece la funzione gauss.
Ecco il circuito: La mia intenzione qui è di analizzare solo l'effetto della tensione di offset. Tutti i resistori sono impostati sul loro valore nominale senza tolleranza e l'amplificatore operazionale è l'amplificatore operazionale unipolare ideale di LTspice piuttosto che un macromodello corrispondente a un componente reale. Voglio che le tensioni di offset riflettano la variazione che potremmo vedere in un amplificatore operazionale reale e, poiché ho utilizzato l'AD8606 in una simulazione precedente, ho deciso di progettare questa simulazione in base alle caratteristiche di tensione di offset dell'AD8606.
In in altre parole, ho tentato di approssimare la distribuzione della tensione di offset trasmessa dall'istogramma che abbiamo visto in precedenza in questo articolo. Il foglio dati AD8606 fornisce 20 μV come un tipico valore di tensione di offset, quindi l'ho usato come valore nominale per le alimentazioni di tensione che rappresentano la tensione di offset. L'argomento passato alla funzione gauss è la deviazione standard dei numeri generati casualmente.
Pertanto, i miei valori di tensione di offset sono definiti come {20μ + gauss (50μ)}, che significa una distribuzione gaussiana con una media di 20 μV e una deviazione standard di 50 μV. Come vedremo nel prossimo articolo, questa combinazione di media e deviazione standard produce una distribuzione ragionevolmente coerente con l'istogramma riportato per AD8606. Questa stessa tecnica può essere utilizzata per approssimare le specifiche di tensione di offset di qualsiasi numero di parte dell'amplificatore operazionale che ha una distribuzione approssimativamente normale dei valori di tensione di offset: basta modificare la media e / o la deviazione standard secondo necessità.
Abbiamo preparato uno schema LTspice che ci consentirà di prevedere l'influenza della tensione di offset sulla precisione di un circuito sorgente di corrente costante. Continueremo questa discussione e esamineremo alcuni risultati della simulazione nel prossimo articolo ..