Dietmar Ehrhardt Jtirgen Schulte. Simulieren mit PSPICE

Transkript

1 Dietmar Ehrhardt Jtirgen Schulte Simulieren mit PSPICE

2 Aus dem Programm N achrich tentechnik Schaltungen der Nachrichtentechnik von D. Stoll Verstarkertechnik von D. Ehrhardt Berechnungs- und Entwurfsverfahren der Hochfrequenztechnik von R. GeiBler, W. Kammerloher und H.W. Schneider Entwurf analoger und digitaler Filter von O. Mildenberger Mobilfunknetze von R. Eberhardt und W. Franz Weitverkehrstechnik von K. Kief Signalanalyse von W. Bachmann Digitale Signalverarbeitung von A. v. d. Enden und N. Verhoeckx Analyse digitaler Signale von W. Lechner und N. Lohl Optoelektronik von D. Jansen Fernsehtechnik von L. Krisch Handbuch der Operatoren fur die Bildbearbeitung von R. Klette und P. Zamperoni Vieweg

3 Dietmar Ehrhardt Jiirgen Schulte SilDuiieren ldit PSPICE Eine Einfiihrung in die analoge und digitale Schaltkreissimulation 2., iiberarbeitete und erweiterte Auflage Mit 182 Bildern II VI.weg

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Simulieren mit PSPICE: eine Einftihrung in die analoge und digitale Schaltkreissimulation / Dietmar Ehrhardt; Jtirgen Schulte. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg. NE: Ehrhardt, Dietmar; Schulte, Jtirgen Diskette. - 2., tiberarb. und erw. Auf! Das in diesem Buch enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Der Autor Ubernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird keine daraus folgende oder sonstige Haftung tibernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. I. Auf!age 1992 Nachdruck , Uberarbeitete und erweiterte Auflage 1995 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1995 Der Verlag Vieweg is! ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschlieblich aller seinerteile ist urheberrechtlich geschti!zt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes is! ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere flir Vervielfliltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. ISBN-13: : / e-isbn-13:

5 v Vorwort Die heutige elektronische Schaltungsentwicklung kommt ohne die Simulation fast nicht mehr aus. Sie hilft, insbesondere beim Entwurf und bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen, enorme Entwicklungskosten zu sparen. In den letzten Jahren hat sich daher das Simulationsprogramm SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) etabliert. Das vorliegende Buch soli den Einstieg in das Programm PSPICE, eine Weiterentwicklung von SPICE fur den Personal Computer-Bereich, ermoglichen. Das Buch beginnt mit einer umfassenden Beschreibung des Programms. Dem Leser werden von der Syntax einer Schaltungsbeschreibung tiber die verschiedenen Analysearten und die daraus resultierende Wahl der Signalquellen bis zur Auswertung der Simulationsergebnisse all die Informationen gegeben, die er fur ein sinnvolles Arbeiten mit dem Programm benotigt. Nach dies em ersten Einblick in die VieWiltigkeit von PSPICE schlie13t sich ein umfangreiches Kapitel mit zahlreichen Beispielen aus dem Gebiet der Elektrotechnik an. Es werden Simulationen anhand konkreter Schaltungen durchgefiihrt und die Losung der dabei auftretenden Probleme dargelegt. DaB nicht nur elektronische Schaltungen mit PSPICE simuliert werden konnen, zeigt eine Analogiebetrachtung zwischen der Elektronik und der Mechanik bzw. der Elektroakustik. Es wird dabei sowohl die Radaufuangung eines Autos als auch eine Ba13retlexbox naher untersucht. Weitere Themenpunkte sind die Erweiterung des "Grundelementevorrates" durch z.b. spannungsabhangige Impedanzen bzw. Admittanzen sowie die Ermittlung von Modellparametem aus den Datenblattem eines Bauteils. Konkret werden hier Dioden, Bipolartransistoren, JFETs und MOSFETs betrachtet. Abschlie13end findet der Leser einige Installations- und Bedienhinweise zur Demoversion von PSPICE und dessen Zusatzprogrammen. Dieses Buch ist fur Studenten und Ingenieure der Elektrotechnik sowie fur Hobbyelektroniker gedacht. Sie finden hier alle notigen Informationen und die erforderlichen Mittel, die fur den Einstieg in die Simulation notwendig sind. An dieser Stelle mochten wir uns beim Vieweg Verlag fur die Herausgabe dieses Buches bedanken. Hierbei geht ein besonderer Dank an Herrn Edgar Klementz vom Verlag Vieweg, der fur eine optimale Organisation sorgte und uns stets mit Rat und Tat zur Seite stand. Siegen, im Aprill992 Dietmar Ehrhardt Jiirgen Schulte Vorwort zur zweiten Auflage Zwei Jahre nach Erscheinen der ersten Autlage ist es erforderlich, den Inhalt des Buches der aktuellen Version von PSPICE anzupassen und einige Fehler und Versaurnnisse zu korrigieren bzw. zu ergiinzen. Die wichtigsten Erganzungen der zweiten Autlage sind dabei die Beschreibung der digitalen Simulation sowie die Windows-Version von PSPICE, dem "Design Center".

6 VI Vorwort Neben der Simulation analoger Schaltungen konnen mit PSPICE auch digitale Schaltungen untersucht werden. Der Leser erhiilt hierzu in dem neu hinzugefiigten Kapitel 7 eine umfassende Beschreibung der einzelnen digitalen Bauelemente mit ihren Modellparametem sowie der fur die Simulation erforderlichen Signalquellen. Beispiele, die dem Leser den Einstieg in die digitale Simulation erleichtem sollen, runden das Kapitel abo Der zunehmende Einsatz von WINDOWS 3.x hat auch vor PSPICE keinen Halt gemacht. Diesem Sachverhalt haben wir in Kapitel 10 Rechnung getragen, in dem die Windows-Version "Design Center" beschrieben wird. Ahnlich wie bei der Beschreibung der DOS-Version werden auch hier die einzelnen Menus erkhirt. Eine Beispielsimulation stellt den Weg von der Eingabe des Schaltplanes bis zur Darstellung der Simulationsergebnisse dar. Ein Hinweis uber die verwendeten Konventionen bei der Textdarstellung: Die Bestandteile einer "Circuit"-Datei sind in der Schriftart Courier gesetzt, dabei gilt folgende Syntax: Notwendige Parameter sind durch dreieckige Klammem gekennzeichnet, in denen die Art der Eingabe spezifiziert ist. Optionale Parameter sind zusatzlich in rechteckigen Klammem eingeschlossen. Das Driicken spezieller Tasten wird durch den Tastennamen in GroBbuchstaben, eingeschlossen in dreieckigen Klammem, angegeben, z.b. bedeutet <CRTL> die Taste CRTL. Siegen, im September 1994 Dietmar Ehrhardt Jiirgen Schulte

7 VII InhaItsverzeichnis 1 Einfiihrung Erstellung einer "Circuit"-Datei Umsetzung eines Schaltplanes Schaltelemente Modelle Teilschaltungen Makromodelle Wahl der Analysearten G leichstromanalyse Gleichstromiibertragungsfunktion Arbeitspunkt Empfindlichkeiten Kleinsignal-Obertragungsfunktion Analyse im Frequenzbereich Frequenzgang Rauschanalyse Analyse im Zeitbereich Transient-Analyse Spektralanalyse Verzerrungsanalyse Zusatzliche Moglichkeiten Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse) Worst-Case-Analyse (.WCASE) Setzen von Startbedingungen Temperaturanalyse Parametervariation Beobachten von Simulationsergebnissen Andem von Kontrollparametern Wahl der Signalquellen Gleichstromquellen Wechselstromquellen Zeitabhangige Quellen Sinusquelle Exponentialquelle Pulsquelle Polygonquelle Frequenzmodulierte Quelle... 48

8 VIII InluUtsverzeicb[ris 4.4 Gesteuerte Quellen Lineare Quellen Nichtlineare Quellen Auswertung der Ergebnisse Textausgabe Ausgabe der Schaltungsbeschreibung Ausgabe von Arbeitspunktinfonnation und die direkte Ausgabe einiger Programmteile Ausgabe von tabellarischen Ergebnissen Ausdruck von Zeilendruckerplots Ausgabe der Rechenstatistik Graphische Auswertung (PROBE) Auswahl vom Hauptmenii Auswahl vom Abschnittsmenii Auswahl vom Plotmenii Angewandte Beispiele fur Simulationen Differenzverstiirker LC-Filter Einfacher Operationsverstiirker Einfacher Transistorverstiirker Oszillatoren Oszillationsstimulus RC-Oszillator Meillneroszillator Wien-Robinson-Oszillator Integrierter Breitbandverstiirker MSAOI LC-Filter Mischerschaltung Bandgap-Referenz Digitale Simulation Grundbegriffe Logische Pegel "Starke" eines digitalen Ausgangs Globale digitale Knoten und Spannungsversorgung Digitale Bauelemente und ihre Modelle Allgemeine Syntax Timing Model IIO-Model Beschreibung der digitalen Bauelemente Digitale Signalquellen Stimulus Generator

9 IrUla1tsverzeiclunis IX File Stimulus Mixed-Mode Simulation Analysearten Beispiele fur digitale Simulationen Bitmustererkenner Digitaler Funktionsgenerator Beispiele aus anderen Disziplinen Mechanik Analogie zur Elektrotechnik Ausfiihrungsbeispie1 (Radaufhangung) E1ektroakustik Ana10gie zur E1ektrotechnik Ausfiihrnngsbeispiel (BaBreflexbox) Nachbildung von Bauelementen, die in SPICE direkt nicht vorkommen Idea1er OP Makromodelle Spannungsabhangige Baue1emente Spannungsgesteuerte Impedanz Spannungsgesteuerte Admittanz "Analog Behavioral Modeling" Beispiel: Phasenregelschleife (PLL) PSPICE unter Windows mit graphischer Schaltplaneingabe Schematics File-Menii Edit-Menii Draw-Menii Navigate-Menii View-Menii Options-Menii Analysis-Menii Too1s-Menii Markers-Menii Help-Menii Symbol-Editor Fi1e-Menii Edit-Menii Graphics-Menii Part-Menii Packaging-Menii View-Menii Options-Menii

10 x IrUnaltsverzeiclunis Help-Menu Beispielsimulation LC-TiefpaBfilter Das Plazieren von Bauelementen Die Speziftkation von Bauelementen Parametervariation Verdrahtung Bezeichnung der Knoten Setzen eines Markers Speziftkation der Analysen Start der Simulation und Auswertung Beispiel mit dem Symbol-Editor Modellbestimmung ILl Aus den Datenblattern MitPARTS Installations- und Bedienungshinweise zur Software Installation unter DOS CONTROL SHELL (bis Version 5.4) CONTROL SHELL (Version 6.0) PSPICE PROBE PARTS Installation unter Windows 3.x MSIM.INI Literaturverzeichnis Sachwort