Simulando uma variação de tensão de compensação de amp op

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Neste artigo, criaremos um circuito LTspice para analisar o efeito da tensão de deslocamento imprevisível no desempenho de um circuito de fonte de corrente de precisão.

Hoje em dia, podemos freqüentemente encontrar amplificadores operacionais com tensão de deslocamento típica que é muito baixa em relação aos requisitos do sistema. Se um desses amplificadores operacionais se encaixar no orçamento do projeto, teremos pouca ou nenhuma necessidade de considerar a tensão de compensação durante o processo de design.

Às vezes, porém, este aspecto não ideal da operação do amplificador operacional pode influenciar o desempenho de um circuito de maneiras perceptíveis. Meu objetivo neste artigo é apresentar um método de análise dos efeitos da tensão de deslocamento por meio da simulação SPICE.

O circuito que usarei como exemplo é a bomba de corrente de precisão que explorei em outros artigos. O diagrama abaixo fornece o esquema para este circuito e a relação teórica de entrada-saída.

Diagrama de uma bomba de corrente de precisão.

 

O que é tensão de compensação de entrada?

Inevitáveis ​​incompatibilidades de componentes dentro de um amplificador operacional fazem com que uma entrada diferencial de 0 V produza uma tensão de saída positiva ou negativa diferente de zero. A tensão de deslocamento de entrada é a tensão que você deve aplicar a um dos terminais de entrada para compensar as incompatibilidades e, assim, obter 0 V de saída para 0 V de entrada.

A tensão de deslocamento é problemática porque faz com que um amplificador operacional se desvie do modelo idealizado que produz melhores resultados e é mais amigável. Além disso, a gravidade desse desvio não pode ser prevista com alta precisão: uma folha de dados pode descrever a tensão de deslocamento usando um único número apenas se estiver se referindo à tensão de deslocamento máxima ou típica.

Para obter uma imagem mais completa do comportamento da tensão de deslocamento, você precisa olhar para a distribuição obtida quando vários dispositivos (com o mesmo número de peça) são caracterizados.

No artigo anterior sobre a simulação do desempenho da bomba de corrente com tolerância e temperatura, usei o amplificador operacional AD8606 para minhas simulações de bomba de corrente. A folha de dados AD8606 fornece o seguinte gráfico para nos ajudar a entender a distribuição dos valores de tensão de deslocamento para este número de peça:

A forma da distribuição se assemelha à forma da distribuição normal (também conhecida como Gaussiana), e isso não é surpreendente, porque esperamos uma distribuição normal quando um valor medido é influenciado por vários parâmetros que variam aleatoriamente.

 

Modelagem de tensão de compensação de entrada

Se quisermos incorporar a tensão de deslocamento em nossa análise de circuito, adicionamos uma fonte de tensão DC em série com o terminal de entrada positivo ou negativo do amplificador operacional. O resultado é um modelo de circuito semelhante a este:

O op-amp laranja é um op-amp ideal, ou pelo menos um op-amp sem tensão de deslocamento. O op-amp vermelho representa o op-amp “mais realista” que criamos combinando o op-amp ideal com uma fonte de tensão DC.

O valor da fonte de tensão normalmente seria a tensão de compensação típica ou a tensão de compensação máxima – se você tiver que escolher um único valor. Em uma simulação SPICE, podemos escolher muitos valores diferentes.

 

Simulando o efeito da tensão de compensação

Usamos a função Monte Carlo da LTspice (abreviado como mc) para produzir variações nos valores de resistência correspondentes à tolerância de um resistor. A função mc, entretanto, produz números aleatórios de acordo com a distribuição uniforme. Queremos números aleatórios com uma distribuição normal, então usaremos a função gauss. Aqui está o circuito:

Minha intenção aqui é analisar apenas o efeito da tensão de deslocamento. Todos os resistores são ajustados para seus valores nominais sem tolerância, e o op-amp é o op-amp unipolar ideal do LTspice, em vez de um macromodelo correspondente a um componente real.

Quero que as tensões de deslocamento reflitam a variação que podemos ver em um amplificador operacional real e, como usei o AD8606 em uma simulação anterior, decidi projetar esta simulação de acordo com as características de tensão de deslocamento do AD8606. Em outras palavras, tentei aproximar a distribuição de compensação de tensão transmitida pelo histograma que examinamos anteriormente neste artigo.

A folha de dados do AD8606 fornece 20 μV como um valor de tensão de compensação típico, então usei isso como o valor nominal para as fontes de tensão que representam a tensão de compensação. O argumento passado para a função gauss é o desvio padrão dos números gerados aleatoriamente. Assim, meus valores de tensão de deslocamento são definidos como {20μ + gauss (50μ)}, o que significa uma distribuição gaussiana com uma média de 20 μV e um desvio padrão de 50 μV.

Como veremos no próximo artigo, esta combinação de média e desvio padrão resulta em uma distribuição que é razoavelmente consistente com o histograma relatado para o AD8606. Essa mesma técnica pode ser usada para aproximar as especificações de tensão de deslocamento de qualquer número de peça do amplificador operacional que tenha uma distribuição aproximadamente normal de valores de tensão de deslocamento – basta alterar a média e/ou o desvio padrão conforme necessário.

 

Conclusão

Preparamos um esquema LTspice que nos permitirá prever a influência da tensão de deslocamento na precisão de um circuito de fonte de corrente constante.

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