Elektroniksimulation mit PSPICE

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1 Bernhard Beetz Elektroniksimulation mit PSPICE Analoge und digitale Schaltungen mit ausfuhrlichensimulationsanleitungen 3. ; verbesserte und erweiterte Auflage Mit 406 Abbildungen und 85 Tabellen sowie 122 ausfiihrlich beschriebenen Ubungsaufgaben mit Losungen Viewegs Fachbiicher der Technik Vieweg

2 IX Inhaltsverzeichnis Vorwort V 1. Bevor Sie beginnen 1_ 1.1 Lemziele und Konzeption des Buches Installation der PSPICE Demoversion Teill 2 Schneller Einstieg in CAPTURE und PSPICE Mit CAPTURE die Schaltung eingeben Die Analyseart festlegen Die Schaltung simulieren und in PROBE darstellen Mit mehreren Simulationsprofilen arbeiten Die Ausgabedatei von PSPICE (Output-File) Zusammenfassung der wichtigsten Befehle 25 3 Die Quellen in PSPICE kurz und biindig TT_ 3.1 Quellen fur analoge Schaltungen Gleichspannungsquellen Einfache Wechselspannungsquelle VAC Sinusquelle VSIN Quellen mit frequenzmoduliertem Signalverlauf Impulsformige Quelle VPULSE Quellen mit stiickweise linearem Verlauf Quellen mit exponentiellem Signalverlauf Quellen fur digitale Schaltungen Digitale Signalquelle fiir 1 Bit Digitale Signalquelle fur 4 und mehr Bits Digitale Taktquelle DigClock Digitale Signalverlaufe in einer Datei Stimulus-Quellen Analoge Stimulus-Quelle VSTIM Digitale Stimulus-Quelle DigStim 41 4 Kompaktkurs Analysearten Arbeitspunktanalysen (Bias Point) Bias-Point-Detail-Analyse Transfer-Function-Analyse (Kleinsignal-Ubertragungsfunktion) DC-Sensitivity-Analyse (Empfindlichkeitsanalyse) DC-Sweep-Analyse Parametric-Sweep (Parameter-Analyse) Analyse im Zeitbereich, Transienten-Analyse 49

3 4.4 Analysen im Frequenzbereich Fourier-Analyse (Spektralanalyse) Wechselstromanalyse und Frequenzgang (AC-Sweep) Rauschanalyse Weitere Analysen Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse) Worst-Case-Analyse Temperaturanalyse 58 Teil2 5 Analoge Schaltungen mit PSPICE simulieren 60^ 5.1 Statisches und dynamisches Verhalten von Dioden 61.1 Durchlass-Kennlinie einer Diode 61.2 Emissionskoeffizient und Bahnwiderstand einer Diode 63.3 Temperatureinfluss auf die Kennlinie einer Diode 67.4 Simulation des Umschaltverhaltens einer Diode 70.5 Einweggleichrichterschaltung ohne Ladekondensator 72.6 Einweggleichrichterschaltung mit Ladekondensator 73.7 Zweiweggleichrichterschaltung ohne und mit Ladekondensator Statisches und dynamisches Verhalten von Z-Dioden Durchlass-und Sperrkennlinie einer Z-Diode Spannungsstabilisierung mit Z-Diode Spannungsstabilisierung mit Z-Diode bei veranderlicher Last Spannungsbegrenzung Begrenzerschaltung mit zwei Z-Dioden Sollspannungsmesser Statisches und dynamisches Verhalten von Transistoren Kennlinien eines Transistors Kleinsignalverstarker in Emitterschaltung IClirrfaktor eines Kleinsignalverstarkers in Emitterschaltung Amplituden- und Phasengang eines Kleinsignalverstarkers Rauschanalyse an einem Kleinsignalverstarker Konstantstromquelle Kollektorschaltung Impedanzwandler mit Kollektorschaltung Indikator fur Widerstandsanderung Blinkgeber fur 24 V Wechselspannung Schaltung eines einfachen Operationsverstarkers Komplementare Ausgangsstufe Statisches und dynamisches Verhalten von Feldeffekttransistoren Kennlinien eines Feldeffekttransistors Kleinsignalverstarker in Source-Schaltung Amplituden-und Phasengang eines Kleinsignalverstarkers FET in Drain-Schaltung FET als steuerbarer Widerstand Mehrstufiger Verstarker in Source-Schaltung 132

4 5.4.7 MOSFET als Schalter Sample- and Hold-Schaltung CMOS-Inverter Konstantstromquelle mit JFET 5.5 Statisches und dynamisches Verhalten von Operationsverstarkern Ubertragungskennlinie, Offsetspannung und Eingangsstrome Frequenzgang eines Operationsverstarkers Invertierender Verstarker Nichtinvertierender Verstarker Frequenzkennlinien des nichtinvertierenden Verstarkers Subtrahierer Addierer Integrator Differenzierer Hochpass erster Ordnung Tiefpass erster Ordnung Bandpass Fensterkomparator XI Digitale Schaltungen mit PSPICE simulieren 6.1 Statisches und dynamisches Verhalten von Schaltnetzen Simulation aller mit zwei Variablen moglichen Funktionen Simulation eines einfachen Schaltnetzes Distributives Gesetz Das Gesetz von De Morgan Ringoszillator Hazards Bit-Vergleicher Bit-Vergleicher Bit-Addierer Bit-Multiplizierer Digitaler Schmitt-Trigger Pegelumsetzer analog zu digital Statisches und dynamisches Verhalten von Kippschaltungen RS-Flipflops Zustandsgesteuertes RS-Flipflop Taktflankengesteuertes RS-Flipflop D-Flipflop JK-Flipflop Synchroner Schalter fur Taktsignal Synchrones Monoflop Synchronisation von Impulsen Synchroner Anderungsdetektor Bewegungsrichtungs-Diskriminator Statisches und dynamisches Verhalten von Zahlern Synchroner mod-5-vorwartszahler Synchroner mod-5-vorwarts-/riickwartszahler

5 6.3.3 Synchroner mod-8-ruckwartszahler Synchroner mod-12-vorwartszahler Synchroner BCD-Vorwartszahler im Kode Synchroner BCD-Ruckwartszahler im Aiken-Kode Synchroner 4-Bit-Vorwahlzahler Synchroner 8-Bit-Vorwartszahler Asynchroner mod-5-vorwartszahler im Dualkode Asynchroner mod-8-vorwartszahler im Dualkode Statisches und dynamisches Verhalten von Schieberegistern Bit-Parallel-Serien-Umsetzer Bit-Serien-Parallel-Umsetzer Bit-Universal-Schieberegister Bit-Serien-Parallel-Umsetzer Bit-Schieberegister Bit-FIFO Riickgekoppeltes Schieberegister (4-Bit-Umlaufregister) Ruckgekoppeltes 6-Bit-Schieberegister mit zwei verschiedenen Schrittweiten Bit-Johnson-Zahler Mod-8-ZShler mit einem 3-Bit-Schieberegister Linear ruckgekoppeltes Schieberegister (LFSR) Verschliisselungsschaltung mit Zufallsgenerator Schaltungen mit Halbleiterspeichern ROM mit vier logischen Funktionen ROM fur 4x4-Bit-Multiplikation Signalgenerator fur Sinus und Dreieck Bit-Vorwarts-/Ruckwartszahler im BCD-Kode Schaltwerke Gesteuerter Oszillator Automat zum Testen auf gerade oder ungerade Paritat 309 Teil3 7 Wie man neue Modelle in CAPTURE einbindet Modelle von neuen Bauteilen einbinden Typen von Modellbeschreibungen Einbinden eines neuen Bauteils mit vorhandenem Modell Integration eines neuen Transistors Integration eines Modells fur eine rote Leuchtdiode Einbindung eines Bauteils mit zwei Einheiten im Gehause Erstellen einer neuen Schaltzeichenbibliothek Ein Bauteil in eine Bibliothek kopieren Eigene Modelle erstellen Modell einer Frequenzweiche eines Lautsprechers Erstellen der Modellbibliothek fur die Frequenzweiche Herstellen des Symbols der Frequenzweiche Test des neuen Bauteils 344

6 XIII Modelle von logischen Schaltkreisen erstellen Modelle mit dem Modell-Editor erstellen Aufgaben Analog Behavioral Modeling (ABM) Gesteuerte Quellen Modell eines JFET-Transistors mit gesteuerter Quelle Modell einer nichtlinearen Kapazitat mit gesteuerter Quelle Beschreibung der ABM-Modell Basisfunktionen Amplitudenmoduliertes Signal Begrenzer (Limiter) Begrenzung der Ausgangsspannung eines idealen Operationsverstarkers Tschebyscheff Filter Beispiel mit Tschebyscheff-Bandpass Integral- und Differentialfunktionen Wertetabellen Bandpass mit Tabellen Kennlinie einer LED Laplace-Funktion Tiefpass 1. Ordnung Allgemeine ABM-Funktionen Mathematische Funktionen IF-THEN-Ausdriicke Simulation digitaler Filter Simulation eines Tschebyscheff-Tiefpasses zweiter Ordnung Simulation eines Bessel-Hochpasses dritter Ordnung QrCAD Demoversion ^ 9.1 Installation der OrCAD Demoversion Veranderungen in der Demoversion Anhang 386 Al Uberblick iiber die verwendeten Analysearten, Bauteile und Quellen 386 A2 Antworten auf haufig gestellte Fragen 390 A3 Funktionen im Trace-Menu von PROBE 393 A4 Berechnung der Filterkoeffizienten im Internet 395 Literaturverzeichnis 396 Sachwortverzeichnis 397