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LTSPICE精密电流泵的性能分析

10月20日,2020年经过罗伯特·凯

在本文中,我们将使用模拟来评估基于OP-AMP的电流源的性能的重要方面。

前一篇文章介绍了一个我指代的电路双运算放大器电流源(或电流泵)

这是原理图:

精密电流泵的图。使用的图像礼貌模拟设备

我介绍了一个ltspice.实施这种拓扑,我们研究了基本模拟的结果。但是,我想了解更多关于这个电路的信息,特别是因为它被描述为一个精确电流泵。我们真的可以从这个电路中真正预期哪种精度?

在本文中,我们将执行旨在回答三个问题的模拟。

  1. 在理想条件下的输出电流如何精确?
  2. 如何受到负载变化影响的输出电流的精度?
  3. 考虑到电阻容差时的典型和最坏情况的精度是多少?

基线精确度

这是我们将用于第一次模拟的电路:

在100ms间隔期间,施加到差分输入级的电压从-250 mV变为250 mV。将输入电压与输出电流相关的公式告诉我们流过负载的电流应该是v/ 100。

要了解所生成的负载电流与理论预测匹配的程度,我们将绘制模拟负载电流与数学计算的负载电流之间的差异。

误差非常小,其幅度与负载电流的大小成比例变化。

负载调节

当我们在谈论一个电压调节器,负载调节是指监管机构尽管负载电阻变化,但仍然能够保持恒定电压。我们可以将此相同的概念应用于电流源:电路如何保持指定的输出电流,以实现不同的r值加载

对于此模拟,我们将提供250 mV的固定输入电压,我们将使用“步骤”指令以10Ω步长将负载从1Ω变为1000Ω。

“测量”指令允许我们绘制误差与阶梯式参数(即,负载电阻)而不是与时间;这是通过打开错误日志(查看 - > spice错误日志),右键单击和选择“绘图.Step'ed .meas数据”来实现。

对于较大的负载电阻,输出电流误差确实从约50纳到800 NA增加。但是,800 NA仍然是一个非常小的错误。

如果我们用Macromodel替换旨在接近真实OP-AMP的性能的Macromodel替换理想的OP-AMP,您认为负载调节将改变多少?让我们来看看。

输出误差变化的百分比非常相似。在第一次仿真中,在负载电阻范围内,误差增加了15.7倍。在第二仿真中,在我使用Macromodel的LT1001a的情况下,它增加了12.1系数。

有趣的是,LT1001a比LTSPICE“理想单极运算放大器”更好地执行 - 在整个范围内误差的幅度远低得多,而误差相对于负载电阻更稳定。我不确定如何解释这一点。也许理想的单极OP-AMP并不像我想象的那样理想。

电阻器公差的影响

我们不需要模拟来确定R1电阻的变化的影响;输入电压和输出电流之间的数学关系使我们清楚地了解将通过偏离标称值的R1值引入多少误差。

此外,从App Note拍摄的电路图表示R4与R2的比率如何影响输出电流,因为该比率决定了一个V., 和我出去与v成正比乘以A.V.

然而,不太清楚,是电阻之间不完美匹配的影响。电路图表示应匹配R2和R3,并且应匹配R4和R5。我们可以通过执行蒙特卡罗模拟来调查这一点,其中电阻值在其公差范围内变化。

如果模拟包括大量蒙特卡罗运行,则模拟结果中报告的最大值和最小误差可以被解释为与电阻容差相关的最坏情况误差。

对于此模拟,我们将在100kΩ处离开R2和R4;这可以防止变化V.。我们将通过将蒙特卡罗函数应用于R3和R5的值来降低电路的匹配。

如“步骤”SPICE指令所示,一个仿真由100个运行组成。值“MC(100k,0.01)”指定100kΩ的标称电阻,其公差为1%。

这是100个运行的输出电流误差的曲线图。

平均误差为15.6μA,为预期的2.5 mA输出电流的0.6%,在最坏情况下,实际输出电流偏离预期电流约为40μA。

我称之为非常好的精度。当我们使用0.1%容差而不是1%时,让我们看看情况如何改善。

现在,平均误差为1.6μA,只有0.06%的预期输出电流,最坏情况会减少到4μA范围内。

结论

我们已经执行了LTSPICE模拟,该模拟提供了有价值的洞察力,以对双运算放大器电流泵的性能提供了有价值的洞察。

电阻容差为1%,电阻器确定在其理论值下固定的输入增益,允许高精度。适用于所有电阻器的0.1%的公差将提供良好的性能,并且由于0.1%的电阻器容易获得并且不昂贵,我同意应用程序的作者,当他建议宽容而不是1%的容忍度时。

4评论
  • 一种
    模拟_tim. 2020年10月26日

    目前的来源始终是一个有趣的文章。非常感谢分享这一点。是1%电阻蒙特卡罗的剧情右转 - 它看起来与0.1%的电阻运行相同?

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    • RK37. 10月27日,2020年
      感谢您指出了这一点!当制备出版时,有一些图像混合。现在一切都是解决的。
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  • 一种
    APKEMU. 11月01日,2020年

    在我看来,output_Error根据指令测量在NV而不是NA中测量。output_error avg(v ... -v ......),这正在改变所有内容...除输出_error avg(i)之外

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