LTspice：最坏情况电路分析，仿真运行最少

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