作者:Joseph Spencer and Gabino Alonso
在LTspice中设计电路时,您可能希望评估元件容差的影响。例如,运算放大器电路中非理想电阻引入的增益误差。本文介绍了一种方法,该方法可减少所需的模拟数量,从而加快获得结果的时间。
改变参数
LTSpice 提供了几种改变参数值的方法。其中一些是:
.步参数;用户定义变量的参数扫描
高斯(X);来自高斯分布的随机数,西格玛为 x
平(x);介于 -x 和 x 之间的随机数,分布均匀
MC(x,y);介于 x*(1+y) 和 x*(1-y) 之间的随机数,分布均匀。
这些函数非常有用,特别是当我们想从分布的角度查看结果时。但是,如果我们只想查看最坏的情况,它们可能不是获得结果的最快方法。例如,使用gauss(x),flat(x)和mc(x,y)将需要模拟运行统计上显着的次数。从那里,可以查看分布,并根据标准差计算最坏情况值。但是,对于最坏情况分析,我们不希望使用分布方法,而是在计算中使用与每个分量标称值的最大偏差。
运行最小模拟
假设我们想看看容差为1%的R1 = 22.5kΩ电阻的最坏情况影响。在这种情况下,我们实际上只想运行R1 = 22.5kΩ * (1 - 0.01)和22.5kΩ * (1 + 0.01)的仿真。使用理想的22.5kΩ电阻进行第三次运行也很方便。
.step param R1 列表 22.5k*(1-.01) 22.5k*(1+.01) 22.5k
如果我们只是改变一个电阻值,“.step 参数”方法将非常有效。但是,如果我们拥有更多呢?经典差动放大器有4个电阻。
图1.差动放大器配置 (来自 LT1997-3 的产品手册)
如果要设计分立差动放大器,每个差动放大器都有一定的容差(例如1%或5%)。
例如,让我们以 LT1997-3 数据手册中所示的首页应用为例,并在 LTspice 中采用一个分立式 LT6015 运放和一些非理想电阻器来实现该应用。
图2.LT1997-3 首页应用示例
图3.LT6015 具有非理想电阻器的差动放大器
请注意,电阻R1、R2、R3和R4的值被函数调用wc(标称值、容差、指数)所取代,该函数在仿真中由 .函数声明:
.func wc(nom,tol,index) if(run==numruns,nom,if(binary(run,index),nom*(1+tol),nom*(1-tol)))
此函数与下面的二进制(run,index)函数结合使用,在最大值和最小值之间改变每个组件的参数,并在最后一次运行中改变标称值。
.func binary(run,index) floor(run/(2**index))-2*floor(run/(2**(index+1)))
二进制函数在模拟中切换每个索引组合,以便模拟 nom*(1+tol) 和 nom*(1-tol) 的所有可能组合。请注意,组件索引应以 0 开头。下表突出显示了 binary() 函数的操作以及每个索引和运行的结果,其中 1 表示 nom*(1+tol),0 表示 nom*(1-tol)。
跑 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
索引 0 (R4) | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
索引 1 (R1) | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
索引 2 (R2) | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
索引 3 (R3) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
运行次数确定买入2N+1,其中 N 等于索引组件的数量,以涵盖器件的所有最大和最小组合加上标称值。在我们的例子中,我们需要运行 17 个模拟,我们可以使用 .step 命令和 .param 语句来定义它:
.step param run 0 16 1
.param numruns=16
最后,我们需要通过 定义用于仿真的 tola 和 tob。参数语句:
.param tola=.01 .param tolb=.05
您可以在帮助 (F1) 和 . 参数部分详细介绍了 if(x,y,z) 和 floor(x) 函数。
正在绘制 .分步结果
如果运行瞬态分析模拟,请参阅 WorstCase_LT6015.asc 文件,我们可以观察我们的结果。对于250mA测试电流,我们预计Vout网络将稳定至250mV。但是现在有了我们的wc()函数,我们得到了从235mV到265mV的扩展。
图4.差动放大器瞬态分析
正在绘制 .踩踏 .测量声明
此时,我们可以放大并查看峰值到峰值的传播。但是,让我们从另一个LTspice博客中吸取教训:
绘制参数与时间以外的其他因素(例如电阻)
本博客介绍了如何多次运行模拟,以及如何针对时间以外的其他内容绘制参数。在本例中,我们要绘制 V(out) 与模拟运行指数。请参阅 WorstCase_LT6015_meas.asc 文件。
在此模拟中,我们添加了一个 .MEAS语句来计算输出的平均电压。
.meas VoutAvg avg v(out)
要绘制 V(out) 与运行参数,我们可以查看 SPICE 错误日志 (Ctrl-L),右键单击并选择绘制 .step'ed .meas 数据。
图5.香料错误日志接口
我们的 .step'ed 的绘图结果 .测量数据。
图6.输出电压与仿真运行的关系
跟踪告诉我们,结果从最大最差情况265mV(运行9)到最小最差情况235mV(运行6)或大约±6%误差不等。这很直观,因为在这个例子中,我们同时使用了1%和5%的电阻。最后一次运行(16)显示了理想结果(250mV),这是理想的电阻。回想一下LTspice绘制的结果。MEAS 语句作为分段线性图。
处理此特定电路的另一种更快方法是使用 .运算仿真(而不是 .trans)来执行直流工作点解决方案,该解决方案将绘制我们的步进结果。直接测量数据。
匹配电阻的值
在设计差动放大器时,不仅需要合适的运算放大器,而且电阻的匹配同样重要。以下参考文献很好地详细解释了这个主题(和相关数学):
LT5400 (四通道匹配电阻器网络) 数据表
设计说明 DN1023
设计说明 DN502
但是,如果没有适当匹配的电阻,则无法实现良好的共模抑制比(CMRR)或增益误差。
凌力尔特现为ADI公司的一部分,拥有许多精密放大器产品,其中还包括匹配电阻。最近发布的一个示例是 LT1997-3 - 精准、宽电压范围增益可选放大器。两个关键规格是:
91dB 最小直流共模抑制比(增益 = 1)
0.006% (60ppm) 最大增益误差(增益 = 1)
这些规格确实非常出色。根据 DN1023,仅由 1% 电阻(使用理想运算放大器)引起的 CMRR 会将 CMRR 限制在 34dB。当然,增益误差比LT1997-3所实现的误差差几个数量级。
总结
使用上述方法,可以在几个参数的最小值/最大值下运行简单的最坏情况分析。在本例中,我们研究了经典差动放大器中电阻容差的影响,并说明了LT1997-3中匹配电阻的值。
审核编辑:郭婷
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