Praktikum Elektronik WS12/13 Versuch 1 Einführung in P-Spice

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1 FRITZ-HÜTTINGER-PROFESSUR FÜR MIKROELEKTRONIK PROF. DR.-ING. YIANNOS MANOLI ALBERT-LUDWIGS- UNIVERSITÄT FREIBURG Praktikum Elektronik WS12/13 Versuch 1 Einführung in P-Spice Betreuer Dipl.-Ing. Christian Moranz Gruppe... Name Matrikelnummer Datum des Versuchs... Mit Abgabe des Protokolls erklären die Verfasser, dass sie das Protokoll in Eigenarbeit angefertigt und darin enthaltenes Fremdmaterial entsprechend gekennzeichnet haben. Darüber hinaus sind alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus anderen Schriften entnommen wurden, als solche kenntlich gemacht. Diese Arbeit ist nicht - auch nicht auszugsweise - bereits für andere Prüfungen angefertigt worden. Des Weiteren ist den Verfassern bekannt, dass eine Zuwiderhandlung als Täuschungsversuch gewertet wird und zum Ausschluss aus dem Praktikum führt. Dies hat eine Verwehrung der Zulassung zur Klausur Elektronik zu Folge. Bewertung Prozente erreicht:...% Datum... Unterschrift... Keine Bewertung ohne dieses Deckblatt!

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3 - 3 - Einführung in PSpice Betreuer: Dipl.-Ing. Christian Moranz Christian.Moranz@imtek.uni-freiburg.de 0761 / Geb

4 - 4 - Vorbereitende Aufgaben Komplexe Schaltungen werden in der Elektronik üblicherweise zunächst mit Hilfe eines Schaltungssimulators entworfen und getestet. Hierdurch soll die Produktion von Schaltungen vermieden werden, die sich später als fehlerhaft bzw. nicht funktionsfähig herausstellen. Die grundlegende Aufgabe eines Simulators liegt also darin, die Funktionalität der geplanten Schaltung sicherzustellen. Darüber hinaus können mit Hilfe eines Simulators aber auch eine Vielzahl verschiedener Schaltungen derselben Funktion entworfen, simuliert und in Bezug auf die Anzahl der benötigten Bauteile sowie der damit verbundenen Kosten verglichen werden. Mögliche Einflüsse verschiedener Parameter (Temperatur, Herstellungstoleranzen, ) auf die Funktion der Schaltung können ebenfalls untersucht werden, ohne dass ein Prototyp vorliegen muss. Aus diesen Gründen ist der Einsatz eines solchen C(omputer) A(ided) D(esign)-Tools in der modernen Elektronik und Mikroelektronik nicht mehr wegzudenken. Bereits im Praktikum der Elektrotechnik haben Sie den Schaltungssimulator PSpice ansatzweise kennen gelernt, der auch in diesem Praktikum weiter zur Anwendung kommen soll. Verwendet wird ausschließlich das Programmpacket Cadence Allegro SPB 16.2 welches unter anderem PSpice enthält. Es werden keine anderen Programmversionen von unserer Seite unterstützt! Falls Sie diese Version auf Ihrem Laptop installieren wollen, können Sie sich beim Betreuer dieses Versuchs eine Installations-CD ausleihen. Sofern Sie sich auf dem Universitätsgelände befinden und eine Netzwerkanbindung über das WLAN und VPN haben läuft die Software als Vollversion. Ohne Anbindung an das Netzwerk der Universität ist das Programm zwar lauffähig, allerdings nur in einer leistungsreduzierten Demo-Version. Der Funktionsumfang von dieser ist für die Durchführung dieses und der nächsten Versuche ausreichend. Der erste Versuch soll dazu dienen, Ihnen die Handhabung sowie grundlegende Eigenschaften von PSpice vorzustellen bzw. wieder in Erinnerung zu rufen. Die Aufgaben sind aus diesem Grund bewusst einfach gehalten. Da alle folgenden Versuche ebenfalls Simulationen mit PSpice sowohl in den vorbereitenden Aufgaben als auch in der Versuchsdurchführung beinhalten, sollten Sie sich intensiv mit dem Simulator beschäftigen und auch zu Hause Simulationen durchführen, um mit PSpice vertraut zu werden. Ferner versteht man viele Dinge oftmals besser, wenn man sie selbst einmal simuliert und sich die Ergebnisse angesehen hat.

5 - 5 - Vorbereitende Aufgaben Aufgabe 1: Bias-Punkt, DC-Sweep, Parametersimulation a) Wie lautet die Übertragungsfunktion U out /U in der in Abbildung 1(a) zu sehenden Schaltung? b) Berechnen Sie U out für U in =1V, 2V 10V und R 1 =R 2 =1k! c) Berechnen Sie U out für U in =5V, R 1 =1k und R 2 =1k, 2k 10k! Aufgabe 2: Transientenanalyse, AC-Analyse a) Wie lautet die Übertragungsfunktion U out /U in der in Abbildung 1(b) zu sehenden Schaltung? Berechnen Sie Betrag und Phase der Übertragungsfunktion! b) Wie ist die -3dB Grenzfrequenz definiert? Berechnen Sie diese, wenn R=1k und C=100pF betragen! c) Skizzieren Sie u out (t) und u in (t) füru in (t)=2v sin(2 π 1,6MHz t)! Abbildung 1: Schaltungen zu Aufgabe 1 und 2.

6 - 6 - Vorbereitende Aufgaben Aufgabe 3: Knotenanalyse - Knotenpotentialverfahren Sowohl die Knotenanalyse als auch die Maschenanalyse dienen beide dem Zweck, alle zunächst unbekannten Spannungen und Ströme in einem Netzwerk zu berechnen. Im Folgenden soll ein einfaches und effizientes Verfahren für die Knotenanalyse aufgezeigt werden, welches ein sehr schnelles Aufstellen der Knotenadmittanzmatrix und somit die Bestimmung der gesuchten Potentiale ermöglicht. Hierzu muss ein Bezugsknoten bestimmt werden. Generell ist es dabei sinnvoll, den Bezugsknoten stets so zu wählen, dass alle Knoten sternförmig mit diesem verbunden sind. Eine solche Wahl des Bezugsknotens ist immer möglich, auch wenn die dabei definierten Verbindungen ursprünglich im Netzwerk gar nicht vorhanden sind. Sie werden einfach hinzugefügt und mit Null-Leitwerten ( G=1/R=0 ) versehen. Für die nachfolgenden Aufgaben ist der Bezugsknoten (Masse) sowie der vollständige Baum (dick gezeichnet) in Abbildung 2 bereits gegeben! Abbildung 2: Netzwerk mit den Baumzweigen (dick) und den Verbindungszweigen (dünn). a) Wie viele Knoten beinhaltet das Netzwerk in Abbildung 2? Stellen Sie ALLE Knotengleichungen auf, wobei die auf einen Knoten zufließenden Ströme als positiv gezählt werden! Legen Sie hierfür zunächst für die verbleibenden Bauelemente willkürlich die Spannungs- und Stromzählpfeile nach dem Verbraucherzählpfeilsystem fest! Zeichnen Sie diese eindeutig in die Schaltung ein. Zeigen Sie, dass die aufgestellten Gleichungen linear abhängig sind! Was folgt aus dieser Tatsache?

7 - 7 - Vorbereitende Aufgaben b) Um die fehlenden linear unabhängigen Gleichungen zur Berechnung des Netzwerkes zu erhalten, müssen Sie die Maschengleichungen aufstellen. Zur Hilfe ist schon ein Baum (dick) in die Schaltung eingezeichnet. Zeichnen Sie hierzu Maschen welche die Baumzweige (dick eingezeichnet) mit Hilfe der Verbindungszweige (dünn eingezeichnet) zu geschlossenen Maschen verbinden in die Schaltung aus Abbildung 2 ein. Definieren Sie hierzu zunächst einen positiven Maschenumlaufsinn (links oder rechts herum), den Sie bei ALLEN Maschen beibehalten. Zeichnen Sie diesen in die Schaltung ein. Formulieren Sie aus den gewonnenen Maschengleichungen die Spannungen der Verbindungszweige (dünn eingezeichnet) in Abhängigkeit von den Spannungen der Baumzweige (dick eingezeichnet). Tipp: Ein geschicktes Vorgehen hierbei ist, wenn eine Masche immer nur einen Verbindungszweig (dünn eingezeichnet) enthält! Warum? c) Ersetzen Sie in den Knotengleichungen aus Aufgabenteil 3 a) die Ströme durch Leitwerte und den gerade gewonnen Spannungen! d) Bringen Sie schließlich dieses Gleichungssystem in folgende Matrixform: (G1 G 2) ( ) U5 Ix ( ) ( ) U 3 Achten Sie auf die Vorzeichen der Formel. Ist ein Bildungsgesetz erkennbar? Was wird mit Hilfe der Knotenanalyse berechnet? e) Stellen Sie sich vor, dass das Netzwerk eine Stromquelle enthält, welche parallel zu R 6 geschaltet ist (Stromflussrichtung beliebig). Wie würde diese Stromquelle bei der Aufstellung der Knotenadmittanzmatrix bzw. des Gleichungssystems zur Bestimmung der gesuchten Spannungen berücksichtigt werden?

8 - 8 - Versuchsdurchführung Aufgabe 1: Bias-Punkt, DC-Sweep, Parametersimulation Bei den folgenden Aufgabenteilen sind jeweils das Eingangssignal sowie das Ausgangssignal zu simulieren und der Ausarbeitung beizufügen. a) Bauen Sie die Schaltung der Abbildung 1(a) unter PSpice auf. Als Anregung soll eine Sinusquelle VSIN aus der Bibliothek Source dienen! Ändern Sie die Parameter dieser Quelle mehrmals beliebig und führen Sie jeweils eine Bias Point Analyse durch! Was wird durch diese Analyse berechnet? b) Führen Sie nun eine DC-Sweep Simulation für die Eingangsspannung mit den Werten aus den vorbereitenden Aufgaben 1(b) durch, indem Sie die Quelle VSIN durch eine Quelle VDC ersetzen. Vergleichen Sie das Ergebnis mit Ihrer Berechnung! c) Führen Sie schließlich eine Parametersimulation für den Widerstand R 2 analog den vorbereitenden Aufgaben 1(c) durch. Vergleichen Sie auch dieses Ergebnis mit Ihrer Berechnung! Aufgabe 2: Transientenanalyse, AC-Analyse Bei den folgenden Aufgabenteilen sind jeweils das Eingangssignal sowie das Ausgangssignal zu simulieren und der Ausarbeitung beizufügen. a) Bauen Sie die Schaltung der Abbildung 1(b) auf und regen Sie diese mit einer Quelle VAC der Bibliothek Source an. Führen Sie eine AC Sweep/Noise Simulation durch! Was können Sie mit dieser Simulationsart untersuchen? Bestimmen und markieren Sie die -3dB Grenzfrequenz im Simulationsergebnis mit Hilfe eines Labels bzw. Markers. Fügen Sie weitere Label bzw. Marker ein, so dass das Abfallen des Ausgangssignals abgelesen werden kann. Simulieren Sie hierzu einen sinnvollen Frequenzbereich (groß genug!!!). b) Führen Sie eine Transienten Simulation durch, indem Sie die Schaltung mit einer Quelle VSIN analog den vorbereitenden Aufgaben 2(c) anregen. Wozu dient die Transienten-Analyse? c) Zum Schluss soll das Verhalten des Tiefpasses bei Anregung durch einen beliebigen Sprung am Eingang simuliert werden (Sprungantwort). Benutzen Sie dazu eine Quelle VPULSE der Bibliothek Source! Wie können Sie mit dieser einen Sprung realisieren? Wie lange sollten Sie simulieren, um den interessanten Bereich der Sprungantwort zu sehen? Denken Sie hierzu an die Zeitkonstanten von RC Schaltungen.

9 - 9 - Versuchsdurchführung Aufgabe 3: Simulation einer komplexeren Schaltung Abbildung 3: Schaltung zur Erzeugung einer Amplitudenmodulation a) Bauen Sie die Schaltung der Abbildung 3 unter PSpice auf und führen Sie eine Transienten-Analyse für U out durch (R=100Ω, C=100nF, R 1 =1 Ω, R 2 =1M Ω). Die Schaltung wird von einer sinusförmigen Spannungsquelle 5 sin sowie einer sinusförmigen Stromquelle 8 sin 2 10 angeregt. b) Was wird durch u(t) und R 1 modelliert, was durch i(t) und R 2? Erklären Sie kurz, warum die Widerstände solche Werte aufweisen? c) Ersetzen Sie u(t) zusammen mit R 1 durch eine äquivalente Stromquelle! Erklären Sie die Äquivalenz der Stromquelle anhand einer Kurzschluss- und Leerlaufbetrachtung im Vergleich zu der ursprünglichen Spannungsquelle! Verifizieren Sie die Äquivalenz der beiden Quellen durch eine Kurzschluss- und Leerlaufsimulation mit Hilfe von PSpice! Tipp: Wie können Sie mit Hilfe eines Widerstandes einen Leerlauf bzw. einen Kurzschluss nachbilden? d) Stellen Sie für die neue Schaltung die Knotenadmittanzmatrix sowie das Gleichungssystem zur Bestimmung der gesuchten Spannungen auf, wobei als Bezugsknoten der mit * gekennzeichnete Knoten dienen soll. Gehen Sie dabei davon aus, dass beide Quellen Signale gleicher Frequenz erzeugen! Wie müssten Sie vorgehen, wenn die Quellen verschiedene Frequenzen aufweisen? Zeichnen Sie in die Schaltung alle Ströme und Spannungen ein.

10 Versuchsdurchführung e) Lösen Sie das Gleichungssystem für die gesuchten Spannungen nach Betrag und Phase einmal unter der Annahme, dass beide Stromquellen eine Frequenz von 100Hz und einmal unter der Annahme, dass beide Stromquellen eine Frequenz von 10kHz aufweisen! Hinweis: Hier bietet sich der Einsatz von mathematischen Software Programmen wie Maple oder Mathematica 1 an! Da es sich jedoch nur um eine 2x2 Matrix handelt, kann das System aber auch ohne Probleme von Hand gelöst werden! f) Verifizieren Sie Ihre berechneten Ergebnisse durch entsprechende PSpice Simulationen! Achten Sie dabei auf einen korrekten Anschluss des Bezugsknotens entsprechend Ihrer Berechnung! Welchen Simulationstyp verwenden Sie für die Verifizierung? Allgemeine Hinweise zur Ausarbeitung: Alle Spannungen und Ströme müssen eindeutig in Schaltungen eingezeichnet werden (Pfeile!). Alle Graphen müssen eindeutig beschriftet werden (X- und Y-Achse mit Einheiten). Variablen in Formeln werden kursiv geschrieben, Indizes werden nicht kursiv geschrieben. 1 Es gibt eine Mathematica Campus-Lizenz an der Universität Freiburg. Weitere Infos können auf der Seite des Rechenzentrums gefunden werden: