전류 펌프 회로의 정밀도 평가: 저항 공차와 자동차 온도 범위에서

이 글에서는 LTspice를 사용해 모든 저항이 비이상적이고 온도가 자동차 온도 범위에서 변할 때 전류 펌프 회로의 정밀도를 분석합니다.

지난주 저는 두 개의 오피앰프와 다섯 개의 저항으로 구성된 정전류 소스 회로에 관한 두 편의 글을 게시했습니다:

정밀 전류 펌프 회로도. 이미지 제공: Analog Devices

두 번째 글에서는 LTspice로 불완전한 저항 매칭이 회로 출력에 미치는 영향을 평가했습니다. 오차는 시뮬레이션된 부하 전류와 애플리케이션 노트의 해석적 표현으로 예측된 전류의 차이로 정의했습니다.

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

불완전한 매칭은 LTspice의 몬테카를로 함수로 R3와 R5를 지정된 공차 내에서 변화시키고 R1, R2, R4는 공칭값으로 고정해 시뮬레이션했습니다.

이 연구에서는 0.1% 저항 공차와 온도 변화를 고려한 포괄적 시뮬레이션을 수행합니다. 목표는 현실적인 조건에서 달성 가능한 정밀도를 정량화하는 것입니다.

특정 온도에서의 시뮬레이션

LTspice의 일부 오피앰프 모델은 온도 의존성을 보이고, 일부는 그렇지 않습니다. 시행착오 끝에 AD8606(저전압 고정밀용)이 매크로 모델에서 온도 민감성을 보이는 반면 LT1001A는 그렇지 않음을 발견했습니다.

온도는 LTspice의 .temp 지시어로 반영할 수 있습니다. 예: .temp -40 125는 -40°C와 +125°C에서 시뮬레이션을 실행합니다.

다음 회로도는 오피앰프 출력이 온도에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다.

테스트 케이스의 이론적 출력 전류는 (0.6V - 0.5V)/(100Ω) = 1mA입니다. .temp 지시어로 지정된 온도에서의 시뮬레이션 값은 아래와 같습니다:

온도 변화를 포함한 몬테카를로 시뮬레이션

저항에 몬테카를로 함수(mc)를 적용하고 .step param run …과 결합하면 LTspice는 여러 번 독립 실행하며 매번 공차 범위 내 새로운 저항값을 선택합니다.

회로가 전체 자동차 온도 범위(-40°C ~ +125°C, AD8606 사양)에서 동작해야 한다고 가정하고 .temp 지시어를 추가했습니다. 실행 횟수는 온도 포인트 수 × 온도당 몬테카를로 반복 횟수입니다.

시뮬레이션 시간을 합리적으로 유지하기 위해 오피앰프의 온도 응답이 단조롭고 미세하기 때문에 전체 범위를 아우르는 몇 가지 대표 온도만 선택했습니다.

공차+온도 연구에 사용된 회로도는 아래와 같습니다:

900회 실행(온도당 100회)의 부하 전류 결과 플롯:

성능 통계

시뮬레이션 데이터를 텍스트 파일로 내보내 엑셀로 가져와 분석했습니다. 가져온 원시 데이터 테이블은 다음과 같습니다:

데이터셋에서 평균 출력 전류는 0.9977mA로, 비이상적 오피앰프 거동으로 인한 0.0023mA(0.23%) 오프셋이 나타납니다. 표준편차는 2.86µA, 최댓값 1.0053mA, 최솟값 0.9899mA입니다.

모든 저항이 0.1% 공차이고 넓은 온도 변동에도 부하 전류는 양방향으로 ±5µA, 음방향으로 -10µA 이내에 머무릅니다. 인상적인 정밀도 수준입니다.

결론

몬테카를로 분석과 LTspice의 온도 지시어를 결합해, 2-오피앰프 정밀 전류원이 광범위한 자동차 온도 범위에서 뛰어난 정확도를 제공함을 입증했습니다. 통계 분석은 현실적인 부품 공차 하에서 10µA 미만 변동을 확인했습니다.