LTspice / SwitcherCad III Info und Kurz-Tutorial

Transkript

1 LTspice / SwitcherCad III - Info 1 LTspice / SwitcherCad III Info und Kurz-Tutorial Diese Notiz enthält eine kurze Zusammenstellung wichtiger Informationen zum Simulationsprogramm LTspice / SwitcherCad3 der Firma Linear Technology Corporation. 1 Die Notiz richtet sich an Anwender, die bereits Grundkenntnisse in der Anwendung von SPICE-Programmen besitzen. 1. Zweck LTspice/SwitcherCad III ist ein Netzwerksimulationsprogramm; im Kern eine SPICE-Variante. Die Firma Linear Technology Corporation (LTC) stellt dieses Programm jedem interessierten Anwender ohne Lizenzgebühren zur Verfügung. Es handelt sich um ein voll funktionsfähiges Programm (keine Demo), ohne Beschränkung der Bauelementezahl oder der Schaltungsgröße. Das Programm wird regelmäßig aktualisiert: etwa jeden Monat wird ein Update angeboten. Rechtliche Details siehe Lizenzvereinbarung. Vorrangiger Zweck des Programms ist die Simulation von Schaltnetzteilen auf dem Board-Level. Steuerbausteine für Schaltnetzteile sind einer der Geschäftszweige von LTC. Das Programm kann aber wegen seiner hohen Flexibilität auch für viele andere Anwendungen als Netzwerksimulationsprogramm (Circuit Simulator) eingesetzt werden. Besondere Vorteile dieses Programms sind eine einfache, intuitiv erlernbare Benutzeroberfläche und die einfache Implementierbarkeit von Modell- und Parameterbibliotheken. 2. Quelle und Installation Das Programm ist unter dem URL: zu finden. Die Größe der zu transferierenden Datei LTspiceIV.exe beträgt derzeit etwa 9 MB. Für die Installation sind Administratorrechte erforderlich! Durch Aufruf der exe -Datei installiert sich das Programm in ein anzugebendes Directory. Im Desktop wird ein Icon installiert, mit dem sich das Programm aufrufen lässt. Es empfiehlt sich, für die Benutzerdaten ein eigenes Directory anzulegen. Das Programm kommt mit einer umfangreichen Sammlung von Beispieldateien, Modell- und Parameterbibliotheken. Mittlerweile gibt es unter dem angegebenen URL auch einen LTspice Users Guide und einen LTspice Getting Started Guide - beide in Englisch. 3. Hauptmenü Bild 1 zeigt das Hauptmenü und die Bedeutung der wichtigsten Symbole. Edit Simulation Cmd Open Control Panel Zoom-Funktionen Run = Element Simulation starten löschen Bild 1. Hauptmenü 1 LTspice is a trademark of Linear Technology Corporation. wire Ground Label Net Component R C L Diode Move Drag Undo Redo Rotate Mirror Text SPICE Directive

2 LTspice / SwitcherCad III - Info 2 Wichtige Hinweise zur Erstellung eines Schaltbilds Vorbereitung: Im Hauptmenü: File / New Schematic auswählen; Empfehlenswert: Symbol Hammer = Control Panel anklicken und bei Drafting Options die Option Draft with thick lines aktivieren (sieht besser aus). Im Hauptmenü View Show Grid einstellen! Bauelemente auswählen: R, L, C, Diode und Ground-Symbol können direkt ausgewählt werden durch Anklicken im Hauptmenü (Bild 1); alternativ können diese Elemente auch unter dem Befehl Edit gefunden werden. andere Elemente werden nach dem Anklicken des Symbols Component (Bild 1) und der Auswahl aus einer Elementebibliothek gewählt. Die Symbole hängen dann am Cursor. Bauelemente oder Symbole platzieren, drehen, spiegeln, verschieben: Symbol wird platziert durch Anklicken mit der linken Maustaste; Element vor dem Platzieren Drehen bzw. Spiegeln: Strg R (= Rotate) bzw. Strg E eingeben; Mehrfache Platzierung ist möglich, mit jedem Mausklick (linke Taste) wird ein Symbol platziert; mit der ESC-Taste kann dieser Modus beendet werden; mit Move und Drag (Bild 1) können platzierte Elemente verschoben werden; bei Drag bleiben die Verbindungen erhalten. Unter Edit (im Hauptmenü) sind die Funktionstasten aufgeführt, die den einzelnen Editierbefehlen zugeordnet sind, wichtig ist z. B. F9 für Undo! Undo funktioniert auch mehrfach! Bauelementen individuelle Namen und Werte zuordnen oder ändern: Cursor auf Elementsymbol setzen und rechte Maustaste klicken: im Fenster den Wert ändern; Cursor auf Elementnamen setzen und rechte Maustaste klicken: Element umbenennen (R1 RL); Cursor auf Elementewert setzen und rechte Maustaste klicken: Elementewert ändern. Achtung: Zahlen mit Dezimalpunkt (nicht Komma) eingeben! (Häufige Fehlerursache)! Skalierfaktoren (Tab. 1) können unmittelbar an die Zahl angehängt werden, z. B. 1.8n 3.3k 2.7meg Häufiger Fehler nicht nur bei Anfängern: Verwechslung von m (Milli) und meg (Mega)! Suffix f p n u m k meg (!) G T Name Femto Pico Nano Mikro Milli Kilo Mega Giga Tera Wert Tabelle 1. Skalierfaktoren Elemente verbinden: Symbol wire (Bild 1) anklicken oder Funktionstaste F3 drücken und im Schematic die Elemente verbinden (einfach anklicken); mit der ESC-Taste kann dieser Modus wieder beendet werden. Knoten / Ein- und Ausgänge mit Namen versehen: Symbol Label Net im Hauptmenü anklicken; im Feld ABC einen Namen oder eine Nummer für den Knoten eingeben und bei OK bestätigen; im Schematic erscheint ein kleines Rechteck, das man an die entsprechende Leitung hängt. Die Namensvergabe ist sinnvoll zur Kennzeichnung von Knoten, deren Spannungsverläufe man sich später ansehen möchte! Eingaben löschen: Symbol Cut ( Schere, Element löschen, s. Bild 1) im Hauptmenü anklicken und mit dem zur Schere mutierten Cursor die zu löschenden Einträge (Symbole, Verbindungsleitungen) anklicken; mit der ESC-Taste kann dieser Modus beendet werden. Wichtig bei der Erstellung von Schaltungen: Mindestens ein Knoten der Schaltung muss mit Masse (Ground) verbunden sein; Maschen aus Spannungsquellen und/oder Induktivitäten sind unzulässig;

3 LTspice / SwitcherCad III - Info 3 Jedes Bauelement muss an allen Klemmen angeschlossen sein (keine floatenden Knoten). 4. Wahl des Simulationsmodus Die Wahl des Simulationsmodus erfolgt unter dem Menüpunkt Simulate / Edit Simulation Cmd. Es erscheint ein Auswahlmenü, in dem man alle in SPICE verfügbaren Simlationsmodi ansprechen kann. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine DC sweep Simulation. Nach dem Ausfüllen des Menüs und der Bestätigung mit OK hängt am Cursor ein schwarzes Rechteck, das am besten unter dem Schematic platziert werden sollte. Der darin enthaltene Spice-Befehl erscheint dann als Text im Schematic! Die häufig benutzten Simulationsmodi sind Bild 2. Simulationsmodus DC sweep Beispiel DC op pnt - DC operating point Arbeitspunktberechnung (nichtlinear). DC sweep - Folge einzelner Arbeitspunktberechnungen für die Berechnung statischer Kennlinien; dazu muss mindestens eine Quelle (1st Source) mit einer Reihe von Werten definiert werden (siehe Beispiel in Bild 2). Mit zwei Quellen können Kennlinienfelder, z. B. für Transistoren, dargestellt werden. (Beispiel für Ausgangskennlinienfeld: Quelle 1 variiert U DS, Quelle 2 variiert U GS ). AC analysis - Kleinsignal(!)-Wechselstrom-Simulation; typischer Simlationsmodus für Frequenzgänge (BODE-Diagramme). Dazu muss eine Spannungs- oder Stromquelle in der Frequenz variiert werden. Kleinsignal-Simulation bedeutet: im Arbeitspunkt linearisierte Schaltung; nichtlineare Effekte wie Spannungsbegrenzungen etc. sind hier nicht zu sehen! Empfehlungen für Bode-Diagramme: Type of Sweep = Decade / Number of Points per Decade = 20 bis 50; Start- und Stop-Frequenzen ergeben sich aus der Anwendung. Tip: Es ist sinnvoll, im Schematic den Spannungswert der AC-Quelle auf 1 V zu setzen! (Warum?) Transient Transient-Simulation, nichtlineare Simulation von Einschwingvorgängen. Es ist mindestens zu setzen: Stop Time = Zeit, bis zu der simuliert werden soll. Wichtig: Mindestens eine Quelle muss ein zeitabhängiges Signal liefern! Für Fortgeschrittene: Mit Time to Start Saving Data (Default = 0) kann man das Abspeichern der Daten erst zu einem späteren Zeitpunkt beginnen z. b. zur Unterdrückung von anfänglichen Einschwingvorgängen. Bei manchen kritischen Schaltungen (z. B. solche mit besonders steilen Spannungs-/Strom-Flanken, Oszillatoren) ist es nötig, den Parameter Maximum Timestep zu belegen. Er sollte in solchen Fällen deutlich kleiner sein als die zu erwartenden rise-/fall-zeiten bzw. 1/20 bis 1/50 der zu erwartenden Oszillatorfrequenz. Die Rechenzeit wird dadurch aber meist massiv verlängert. Alle anderen Einstellungsmöglichkeiten in diesem Menü haben nur in Sonderfällen Bedeutung.

4 LTspice / SwitcherCad III - Info 4 5. Simulation starten Starten Sie die Simulation durch Anklicken des Symbols Run (Bild 1) oder durch Aktivierung des Befehls Simulate / Run im Hauptmenü. 6. Ergebnisse darstellen Im Simulationsmodus DC op pnt erscheint eine Tabelle mit allen Spannungen und Strömen; empfehlenswert ist es deshalb, die wichtigen Knoten im Schematic zu benennen (Label Net in Bild 1)! bei allen anderen Simlationsmodi erscheint zunächst ein leeres Plotfenster; Sie können Spannungsverläufe darstellen, indem Sie im Schematic mit dem Cursor auf einen Knoten zeigen, Stromverläufe, indem Sie im Schematic auf ein Bauelement zeigen. Der Cursor mutiert dabei zum Tastkopf bzw. zur Strom-Messzange. 7. Aktionen in der graphischen Darstellung Empfehlungen: im Graphikfenster rechte Maustaste betätigen: es erscheint ein Auswahlmenü für Aktionen im Gra - phikfenster, z. B. Zoom, Add Trace, Delete Trace, Grid, Add Plot Pane (2. Diagramm öffnen), usw.; Cursor an Achse führen: Cursor mutiert zu einem Kamm; linke Maustaste öffnet Menü zur Änderung der Achsenskalierung; Cursor oben auf Namen der Kurve setzen und rechte Maustaste drücken: es erscheint das Expressi - on Editor-Fenster, dort Attached Cursor 1st & 2nd wählen: mit zwei Cursorpunkten läßt sich die Kurve vermessen. 8. Für Fortgeschrittene Eigene Modellparameter einbinden Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten: a) Modellparametersatz (.model-statement nach Spice-Sprachkonventionen) als Spice-Directive (Bild 1), also als Textblock direkt in das Schematic einfügen; b) Modellparametersätze als Textdatei mit einem NamenSuffix lib (z. B. cmos130nm.lib ) im Arbeitsverzeichnis bereitstellen, in dem das Schematic abgelegt wird, und im Schematic eine Spice-Directive (im obigen Beispiel.lib cmos130nm.lib ) als Verweis einfügen (Der Punkt vor lib ist wichtig)! Wichtig: Jedes Bauelement, für das ein individueller Parametersatz gilt, muss den richtigen Verweis auf seinen Modellparametersatz haben! (Prüfen)! Beispiel: siehe Datei tutorial_dcsweep. Parametervariation Gelegentlich möchte man mehrere Simulationen durchführen und dabei einen Parameter (z. B. Bauelementewert oder Modellparameter) verändern. Dies ist möglich durch Verwendung einer Variablen, die man z. B. einem Bauelement zuweist und einem.step param Befehl, in dem man diese Variable nach bestimmten Regeln verändert. Näheres siehe die nachfolgend erwähnte Beispieldatei tutorial_ninv_real.asc. 9. Help-Funktion Im Hauptmenü Help Help Topics auswählen oder Funktionstaste F1 drücken! LTSpice hat eine hervorragende Help-Funktion! 10.Beispieldateien (Tutorials) Als Übungsbeispiele werden fünf einfache Simulationsbeispiele zur Verfügung gestellt. Diese sollen den Umgang mit dem Programm demonstrieren und als Basis für eigene weitere Übungen dienen. Die Beispieldatein sind in der Datei LTspice_tutorials.zip zusammengefasst und können von der Website des Labors Schaltungstechnik heruntergeladen werden. URL: tutorial_dc.asc tutorial_dcsweep.asc tutorial_ac.asc Arbeitspunktberechnung einer Brückenschaltung (DC operating point); Kennlinie einer Diode (DC sweep), zugleich Beispiel für den Anschluss eines eigenen Parametersatzes; Kleinsignal-AC-Simulation eines RC-Hochpasses;

5 LTspice / SwitcherCad III - Info 5 tutorial_tran.asc tutorial_ninv_real.asc Transientsimulation des RC-Hochpasses bei Anregung mit einem Rechteckpuls. AC-Simulation eines nichtinvertierenden Spannungsverstärkers unter Verwendung eines Modells für einen realen Operationsverstärker (OPV), zugleich Beispiel für eine Parametervariation (wie unter Punkt 9 beschrieben. Schlussbemerkung Diese Zusammenstellung wichtiger Informationen ist bewusst kurz gehalten. Probieren geht über's Studieren! Nutzen Sie die sehr gute Help-Funktion (Funktionstaste F1 )! Viel Erfolg! * * *