用容差和温度模拟电流泵性能

在本文中，我们使用 LTspice 来分析当所有电阻器都不理想且温度在整个汽车上变化时电流泵电路的精度温度范围。

上周，我写了两篇关于由两个运算放大器和五个电阻组成的恒流源电路的文章：

精密电流泵示意图。图片由 Analog Devices 提供

在这两篇文章的第二篇中，我使用 LTspice 来评估不完美的电阻匹配对电路误差的影响，其中误差计算为模拟负载电流与应用笔记中给出的公式预测的负载电流之间的差异。

\[I_{OUT}=\frac{V_{IN}\left(\frac{R4}{R2}\right)}{R1}\]

通过使用 LTspice 的 Monte Carlo 函数在指定容差内改变 R3 和 R5 的值来模拟不完美匹配。输出电流的大小与R1、R2和R4的值成正比，这三个电阻保持其标称值。

在本文中，我们将对现实生活与理论性能进行更全面的模拟。所有电阻器的容差为 0.1%，我们还将考虑工作温度的变化。这里的目标是真正了解在现实条件下我们可以从该电路中获得多少精度。

在特定温度下模拟

LTspice 中包含的一些运算放大器组件会随着温度的变化而变化，而有些则不会。如果有什么方便的方法来确定哪些是哪些，我一直找不到，所以我就用了猜猜的方法。

我们在之前的仿真中使用的 LT1001A 不属于温度相关性类别。在测试了一些不符合要求的其他运算放大器后，我发现 AD8606 是一款适用于低电压应用的精密运算放大器，在其宏模型的某处具有温度依赖性。

我们可以通过“temp”指令将温度纳入 LTspice 的电路计算。例如，“.temp -40 125”将在 –40°C 下执行模拟，在 +125°C 下执行另一个模拟。

下面的电路说明一个运放在不同温度下是否会产生不同的结果。

预期输出电流为 (0.6 V – 0.5 V)/(100 Ω) =1 mA。以下是在“temp”指令中指定的温度下获得的模拟输出电流值：

蒙特卡罗模拟与温度变化

当我们将 Monte Carlo 函数（LTspice 中的“mc”）应用于电阻值并使用“.step param run ...”指令时，模拟将包含多个独立运行，并且对于每次运行，mc函数将从指定容差确定的范围内选择一个新值。

我们假设预期应用需要在整个汽车温度范围内（–40°C 至 +125°C）的功能。这也恰好是 AD8606 的工作温度范围。如果我们添加一个“temp”指令，运行次数将乘以列表中的温度数。

在该范围内包含多个温度会导致模拟时间过长，而且很难想象需要这样做的场景。运算放大器不会随着工作温度的适度升高或降低而表现出严重的性能波动。

事实上，上图表明温度的影响是单调且非常微妙的。因此，我认为我们可以通过选择覆盖整个范围的几个温度来充分考虑温度影响。

这是我用于电阻容差加温度仿真的原理图：

这是 900 次运行（每个温度 100 次运行）的模拟负载电流图。

绩效统计

我首选的下一步是将结果导出为文本文件，然后将文本文件导入 Excel 以进行进一步分析。为此，右键单击绘图并选择文件 -> 将数据导出为文本。这是我将文本文件导入 Excel 后的数据：

现在我可以轻松计算我感兴趣的任何统计数据。平均值为 0.9977 mA，因此运算放大器中的一些非理想情况会产生一个小的偏移（0.0023 mA，或预期输出电流的 0.23%）。标准偏差为2.86 µA，最大值和最小值分别为1.0053 mA和0.9899 mA。

我发现最大和最小结果非常令人印象深刻：即使所有电阻器都具有 0.1% 的容差和温度在很宽的间隔内变化，我可以预期负载电流在正向上偏离所需电流不会超过 5 µA和 10 µA 在负方向。

结论

我们将蒙特卡罗方法与 LTspice 的“温度”指令相结合，以探索双运算放大器精密电流源的实际性能。仿真结果的统计分析表明，该电路在很宽的温度范围内都具有出色的精度。