LTSpice Tutorial 1: Schemaeingabe, erste Simulationen

Transkript

1 LTSpice Tutorial 1: Schemaeingabe, erste Simulationen Starten Sie LTSpice. Hinweis: dieses Tutorial wurde mit Version 3 erstellt, die aktuelle Version 4 weicht jedoch davon nicht relevant ab (ausser wo genannt). Wählen Sie File, New Schematic. Wählen Sie File, Save As, «Tutorial 1.asc» (Endung muss eingegeben werden) Klicken Sie auf die unten bezeichnete Schaltfläche (Bilder der Version III, gültig auch für Version IV) Die Schaltfläche führt zum untenstehenden Dialog, wo alle einfügbaren Komponenten aufgeführt sind: Rechts am Rand steht Komponente «nmos». Klicken Sie auf «nmos». Der Dialog zeigt nun das Symbolbild und eine Beschreibung an. Klicken Sie auf «OK». Der Cursor verwandelt sich in das Symbolbild, d.h. Sie können eine Instanz dieser Komponente platzieren. Platzieren Sie eine Instanz dieser Komponente in die Mitte des Schemablattes, in dem Sie mit dem Cursor in die Mitte des Schemablattes fahren und Klicken. Sie könnten nun weitere Instanzen platzieren, das ist aber nicht notwendig, beenden Sie daher diesen Einfügemodus indem Sie auf die rechte Maustaste drücken. Ihr Schemablatt sollte nun so aussehen:

2 Klicken Sie nun auf die unten bezeichnete Schaltfläche zum Einfügen eines Widerstandes Der Cursor verwandelt sich in das (amerikanische) 1 Symbolbild eines Widerstandes, d.h. Sie können eine Instanz dieser Komponente platzieren. Platzieren Sie den Widerstand wie unten angezeigt, beenden Sie den Einfügemodus durch Rechtsklick (wird künftig nicht mehr erwähnt). Gefällt Ihnen die Position des Widerstandes nicht, klicken Sie auf Mit der «Hand» klicken Sie auf den Widerstand, verschieben ihn und platzieren ihn erneut mit einem Mausklick. Rechtsklick beendet den Verschiebe-Modus. Gruppen von Komponenten können selektiert werden, indem mit der «Hand» ins Leere geklickt und ein rechteckiger Selektions-Kasten aufgespannt wird. Klicken Sie nun auf die unten bezeichnete Schaltfläche zum Einfügen eines Kondensators Der Cursor verwandelt sich in das Symbolbild eines Kondensators, d.h. Sie können eine Instanz dieser Komponente platzieren. Platzieren Sie den Kondensator wie unten angezeigt. Dazu müssen Sie den Kondensator vor dem Platzieren um 90 drehen. Dies erreichen Sie, indem Sie die Tastenkombination «Ctrl - R» drücken. 1 Lässt sich nicht auf einfache Weise in das europäische Symbol ändern.

3 Klicken Sie erneut auf die Schaltfläche zum allgemeinen Einfügen einer Komponente Im untenstehenden Dialog geben Sie an der bezeichneten Stelle «v», dann «o» ein: Sie kommen so, ohne zu Suchen, auf die Komponente «voltage», d.h. eine Spannungsquelle (später einstellbar, ob DC, AC, Puls etc.). Platzieren Sie zwei Instanzen dieser Komponente wie unten angezeigt. Klicken Sie nun auf die unten bezeichnete Schaltfläche zum Einfügen des Masse-Bezugspunktes

4 Der Cursor verwandelt sich in das Symbolbild des Masse-Bezugspunktes, d.h. Sie können eine Instanz dieser Komponente platzieren. Platzieren zwei Masse-Bezugspunkte wie unten angezeigt. Klicken Sie auf die unten bezeichnete Schaltfläche Die Schaltfläche führt zum untenstehenden Dialog bezüglich einer Netzbezeichnung: Geben Sie «Out» ein und wählen Sie als Port Type «Output», klicken Sie auf Ok. Platzieren Sie das Kästchen wie untenstehend angezeigt (am Ort «Out»): Label können auch auf Verbindungen gesetzt werden (Port Type wird ignoriert). Alle Netze mit gleichem Label gelten als verbunden. Benützen Sie z.b. Label wie «VCC» um Spannungsversorgungen herzustellen, ohne dass Sie die Power-Leitung durch das ganze Schema ziehen müssen. Nun stellen wir die Verbindungen her. Klicken Sie auf

5 Das Cursor Fadenkreuz wird zu einem riesigen, gestrichelten Fadenkreuz. Klicken Sie jeweils auf Anfangs- und Endpunkt einer Verbindung, bis Sie untenstehendes Bild erhalten haben. Hinweis 1: wenn Sie Ecken einfügen wollen (z.b. untenstehend eingekreist), dann klicken Sie einfach am Ort der künftigen Ecke ins Leere. Möchten Sie Komponenten verschieben, ohne dass die Verbindungen gelöst werden, benützen Sie die «geschlossene» Hand: Nun müssen die Eigenschaften der platzierten Komponenten gewählt werden. Beginnen Sie, indem Sie mit dem Cursor auf den Kreis der Spannungsquelle «V1» fahren (der Cursor ändert sich zu einer Hand) und die rechte Maustaste klicken. Der folgende Dialog erscheint: Geben Sie bei «DC value[v]» den Wert 5 ein. Series Resistance lassen wir unbezeichnet (d.h. 0 ). Klicken Sie auf «Ok». Der Wert 5 wird jetzt im Schema angezeigt: Setzen Sie analog die Spannungsquelle V2 auf den Wert 1.

6 Fahren Sie mit dem Cursor auf den Widerstand (der Cursor ändert sich zu einer Hand) und klicken Sie die rechte Maustaste. Der folgende Dialog erscheint: Ersetzen Sie bei «Resistance» die Bezeichnung «R» durch den Wert «100». Klicken Sie auf «Ok». Fahren Sie mit dem Cursor auf den Kondensator und klicken Sie die rechte Maustaste. Der folgende Dialog erscheint: Ersetzen Sie bei «Capacitance» die Bezeichnung «C» durch den Wert «1u». Klicken Sie auf «Ok». Das «u» steht für «mikro», d.h. für den Ausdruck «10-6». Weitere solche Suffixe siehe Anhang am Ende dieses Tutorials. Fahren Sie mit dem Cursor auf den MOSFET und klicken Sie die rechte Maustaste. Der folgende Dialog erscheint: Klicken Sie auf «Pick New MOSFET». Ein weiteres Fenster erscheint:

7 Klicken Sie auf die Zeile des «BSH114», dann auf «Ok». Sie haben jetzt alle Komponenten spezifiziert und das Schema sollte jetzt wie folgt aussehen: Klicken Sie nun auf die unten bezeichnete Schaltfläche: Diese Schaltfläche startet die Simulation, da aber noch nicht angegeben wurde, was simuliert werden soll, erscheint der folgende Dialog: Klicken Sie auf «DC sweep»:

8 Geben Sie als «Name of 1st Source to Sweep» die Quelle «V2» ein, als «Start Value» den Wert 0, als «Stop Value» den Wert 5, als «Increment» den Wert «1m» (das «m» steht für «milli», d.h. «10-3»): Klicken Sie auf «Ok». Die Simulation wird sogleich ausgeführt und Sie sehen folgendes Bild: Es wurden zwei Fenster erzeugt, unten das mit dem Schema, oben ein Resultatefenster. Das Resultatefenster ist leer, da Sie noch nicht gewählt haben, was sie anschauen wollen. Fahren Sie nun im Schemafenster mit dem Cursor etwas über die Schaltung. Sie bemerken, dass der Cursor sich zu einer Sonde verändert, wenn Sie auf eine Leitung zeigen. Der Cursor verwandelt sich zu einer Stromzange, wenn Sie auf ein Element zeigen. Zeigen Sie nun mit dem Cursor auf den Knoten zwischen Widerstand und MOSFET, der Cursor verwandelt sich zu einer Sonde. Klicken Sie, um das untenstehende Bild zu erhalten:

9 Angezeigt wird die Spannung beim Knoten in Abhängigkeit von der Spannung V2. Der Knoten hat offenbar die Bezeichnung «n002» («Node 002») erhalten, denn in der Kopfzeile des Resultatfensters steht als Bezeichnung zur Kurve «V(n002)», d.h. Spannung am Knoten 002. Zoomen Sie in den Bereich V2 = 3 3.5V, indem Sie auf die Schaltfläche klicken, dann im Resultatefenster an folgende Punkte klicken: Sie erhalten als neues Bild: Wie Sie sehen, ist um 3.2V ein relativ linearer Verlauf der Kurve vorhanden. Dieser kann ausgenützt werden, um ein Signal zu verstärken. Ändern Sie nun die Quelle «V2» wie folgt: Rechtsklick auf die Quelle, es erscheint das Fenster

10 Klicken Sie auf «Advanced», das folgende Fenster erscheint: Wählen Sie links oben «SINE» und geben Sie wie unten spezifiziert die Parameterwerte ein: Klicken Sie auf «Ok»: Die neuen Spezifikationen der Quelle werden im Schema angezeigt. Unten am Rand sehen Sie eine Angabe, die halb abgeschnitten ist. Klicken Sie auf

11 Damit erreichen Sie, dass das Schemablatt vollständig angezeigt wird. Der Text am unteren Rande, «.dc V m» ist die Simulationsanweisung, welche wir über einen Dialog eingegeben haben. Gehen Sie nun auf «Simulate», «Edit Simulation Cmd», der folgende, bekannte Dialog öffnet sich: Klicken Sie auf den Tab «Transient» und geben Sie als «Stop Time» den Wert 1 ein: Klicken Sie auf «Ok». Der Cursor hat sich in eine Box verwandelt. Platzieren Sie die Box oberhalb des Simulationskommandos «.dc V m», das Resultat sieht so aus:

12 Wenn Sie genau hinsehen, stellen Sie fest, dass aus «.dc V m» die Angabe «;dc V m», also der Punkt durch einen Strichpunkt ersetzt wurde. Dies bedeutet, dass dieser Simulationsbefehl deaktiviert wurde. Pro Simulation kann jeweils nur ein Typ von Simulation durchgeführt werden, jetzt ist es die Simulation «.tran 1». Starten Sie die Simulation, indem Sie auf klicken. Sie sehen nun das Signal am Knoten 002: Klicken Sie nun auf das Label «Out». Es wird nun V(002) und die Spannung an «Out» angezeigt. Beachten Sie: das Gleichspannungspotential am Knoten «Out» ist eigentlich undefiniert. Die aktuelle LTSpice Version IV nimmt als Gleichspannungspotential 0 V (Masse) an (Bild der Version IV). Klicken Sie nochmals auf «Out». Jetzt wird die Spannung «Out» alleine angezeigt. Lassen Sie sich wieder V(n002) alleine anzeigen. Klicken Sie mit Rechtsklick in das Resultatefenster. Ein Menü erscheint:

13 Wählen Sie ganz unten «FFT»: Ändern Sie nichts und klicken Sie auf «OK». LTSpice zeigt Ihnen nun die Fourier-Transformierte des Signals an: Schalten Sie mit Rechtsklick, «Grid» das Gitter ein:

14 Man sieht, dass die erste Harmonische bei 200 Hz und die zweite Harmonische bei 300 Hz mit ca. 30 db gedämpft sind. Schliessen Sie das FFT-Fenster und lassen Sie sich wieder V(n002) alleine anzeigen. Gehen Sie mit dem Cursor zum Plus- Pol der Quelle V2 (bzw. Gate des Transistors), der Cursor verwandelt sich in eine Sonde und klicken Sie. Im Resultatefenster wird nun zusätzlich die Spannung der Quelle V2 angezeigt. Zoomen Sie nun die Knotenspannung V(n002) im Bereich 0.2 s bis 0.3 s (oder ein anderer Abschnitt der Länge 0.1 s), damit Sie folgendes Bild erhalten: Fahren Sie nun mit dem Cursor auf «V(n002)» in der Kopfzeile des Resultatfensters. Der Cursor verwandelt sich in eine Hand. Nach Rechtsklick erscheint der Dialog: Treffen Sie bei «Attached Cursor» die Wahl «1st» und klicken Sie auf «Ok». Sie erhalten nun ein Fadenkreuz im Resultatefenster:

15 Fahren Sie mit dem Cursor auf eine Linie des Fadenkreuzes. Der Cursor verwandelt sich in eine «1». Klicken Sie und fahren Sie mit der Maus hin und her. Wie Sie sehen, können sie aus dem kleinen Fenster links unten die Werte am Ort des Fadenkreuzes herauslesen. Man erhält die Spitzenwerte V und 1.594V. Anstelle die Differenz auszurechnen, gehen Sie nochmals auf «V(n002)», Rechtsklick, treffen jetzt als «Attached Cursor» die Wahl «1st & 2nd», «Ok» klicken und nun haben sie zwei Fadenkreuze im Resultatefenster: Unten links wird die Differenz angezeigt. Durch Verschieben der beiden Fadenkreuze können Sie nun den Spitze-Spitze Wert von V(n002) herauslesen, er beträgt V. Sie könnten nun berechnen, dass Sie 20 LOG(Vpp(n002)/V2pp) = 20 LOG ( /0.04) = db Verstärkung erreicht haben, dies lässt sich aber auch durch eine Simulation anzeigen. Schliessen Sie das kleine Fenster unten rechts mit den Angaben zu den Fadenkreuzen, damit verschwinden auch die Fadenkreuze. Klicken Sie in das Schemafenster. Gehen Sie auf «Simulation», «Edit Simulation Cmd» und wählen Sie den Tab «AC Analysis», und geben Sie ein: «200 Meg» bedeutet «200 Mega» also «10 6». Ein häufiger Fehler ist, «200 M» zu schreiben. SPICE beachtet Gross- und Kleinschreibung nicht.

16 Klicken Sie auf «Ok». Platzieren Sie den neuen Simulationsbefehl neben den alten: Starten Sie die Simulation. Es erscheint eine Fehlermeldung: «No AC stimulus found: Set the value of a current or voltage source to "AC 1"». Schliessen Sie das Fenster. Setzen Sie die Quelle V2 auf «AC 1», indem Sie einen Rechtsklick auf V2 ausführen und im Fenster bei AC eine 1 eingeben: Schliessen Sie das Fenster und starten Sie die Simulation erneut. Nun sehen Sie oben den Frequenzgang der Verstärkerschaltung.

17 Aktivieren Sie das Resultatefenster (ins Fenster hinein klicken). Sie können die 28.8 db nun mittels der Zoomfunktion direkt herauslesen. Stellen Sie die obige Anzeige wieder her, indem Sie auf die Schaltfläche mit der durchgekreuzten Lupe klicken. Die Anzeige der Spannung V(n003) stört. Drücken Sie auf die «Del» Taste Ihrer Tastatur. Der Cursor verwandelt sich in eine Schere. Zeigen Sie mit der Schere auf V(n003) und klicken Sie, damit haben Sie V(n003) von der Anzeige entfernt. Rechtsklick zum Beenden der Funktion. Zoomen Sie nun in den Bereich 100 khz bis 10 MHz. Wegen dem logarithmischen Massstab müssen Sie etwas nach 100 khz und etwas vor 10 MHz klicken. Fügen Sie die zwei Fadenkreuze wieder dazu, und verschieben Sie sie, um den -3 db Punkt zu finden (das eine Fadenkreuz in der Nähe von 100 khz setzen): Aus dem kleinen Fenster unten rechts lesen Sie, dass die -3 db Frequenz des Verstärkers bei 4.02 MHz liegt. Schliessen Sie das kleine Fenster, womit auch die Fadenkreuze verschwinden. Klicken Sie in das Schemabild. Gehen Sie auf «Simulate», «Edit Simulation Cmd», und wählen Sie den Tab «Noise». Geben Sie die untenstehenden Parameterbezeichnungen ein:

18 Erläuterungen: es genügt nicht, als Ausgang «Out» anzugeben, Sie müssen eine Spannung wie folgt spezifizieren «V(Knoten)». Man erhält also die Spannung am Punkt Out mit «V(Out)». Als Eingang müssen Sie die Eingangssignal- Spannungsquelle angeben. Klicken Sie auf «OK» und platzieren Sie den neuen Befehl auf dem Schemablatt. Starten Sie die Simulation. Klicken Sie auf den Port «Out». Sie erhalten: D.h. Rauschspannungsdichte in V/ Hz in Abhängigkeit der Eingangsfrequenz, bezogen auf den Ausgang. Klicken Sie nun ins Resultatefenster und zeigen Sie auf «V(onoise)». Drücken Sie nun «CTRL» und klicken Sie auf «V(onoise)». Das folgende Fenster erscheint: LTSPICE hat die Rauschspannungsdichte über das angezeigte Frequenzband integriert und daraus die Rauschspannung von nv RMS am Ausgang berechnet. Ein Eingangssignal von nv ( 28.8 db) = 6.6 nv RMS = 18.8 nvpp = würde dieselben AC-Spannungspegel am Ausgang generieren. Um z.b. 3 db über dem Rauschen zu sein, müsste man mindestens eine Eingangsspannung von 18.8 nvpp 3 db = 26.6 nvpp haben. Eine Quelle, z.b. ein Sensorsignal, ist kaum rauschfrei. Fügen Sie der Quelle V2 einen Innenwiderstand von 5 hinzu (Rechtsklick auf V2):

19 «OK» klicken, Simulation erneut starten und Rauschspannung berechnen lassen: Die Rauschspannung ist nun beträchtlich höher, nunmehr sind uvpp notwendig, um 3 db über dem Rauschen zu sein. Klicken Sie nun im Schemafenster auf R1 und auf V2. Sie sehen nun im Resultatefenster die Beiträge dieser Komponenten zum Gesamtrauschen: Es ist ersichtlich, dass das Ausgangsrauschen hauptsächlich vom Innenwiderstand von V2 bestimmt wird. Wegen der unterschiedlichen Skalierung der Y-Achse ist der Abfall von V(onoise) beginnend bei ca. 10 KHz nicht mehr sichtbar. Damit sind Sie am Ende des 1. Tutorials angelangt.

20 Anhang: Zulässige Skalierungsfaktoren in LTSPICE Tabelle 1. Zulässige Skalierungsfaktoren in LTSPICE. Man beachte die Schreibweise «MEG» für eine Million. Der Skalierungsfaktor muss der Zahl ohne Abstand folgen (also 1K und nicht 1 K) Weitere Buchstaben nach dem Skalierungsfaktor werden ignoriert, man kann also schreiben: 3KOhm Der Skalierungsfaktor kann auch in Kleinbuchstaben eingegeben werden, dies bedeutet jedoch auch, dass «1M» nicht «1 Megaohm», sondern «1 Milliohm» bedeutet («1MEG» für 1 Megaohm).