5 Simulation analoger Schaltungen

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Emma Peters
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1 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt Simulation analoger Schaltungen 5.1 Aufgabe Bestimmung des Verhaltens analoger Schaltungen vor der teuren Umsetzung in Hardware. Werkzeuge: EDA-Tools (Electronic-Design-Automation), Bsp.: PSPICE 5.2 Schaltungsbeschreibung: R_RL $N_0002 $N_ V_Uq $N_ DC 0V AC 240V +SIN 0V L_LL 0 $N_0001 2H Schematic Netzliste Analog Behavioral Modelling (ABM) Abbildung 1: Varianten der Schaltungsbeschreibung: Schematic, Netzliste, Verhaltensbeschreibung a) Schematic:

2 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt b) Netzliste: c) Verhaltensbeschreibung: Zusätzlich notwendig ist die Beschreibung der Eingangssignals (Stimuli): Bsp.: Sinusförmiges Eingangssignal: u(t) t [ms] Beschrieben durch einen Vektor aus zeitdiskreten Werten: u(t) t 0 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms...

3 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt Beschreibung der Bauelemente Lineare Bauelemente: o Bsp: Widerstand o Bsp.: Kondensator: Nichtlineare Bauelemente: Beschreibung durch Kennlinie o Beispiel Diode: 1N Hinweis: Die Kennlinien der Bauteile sind in Bauteilebibliotheken gespeichert.

4 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt Analysearten Analyseart Gleichstromanalyse Wechselstromanalyse Transientenanalyse Zweck Gleichstromverhalten (Arbeitspunktbestimmung) Kleinsignaluntersuchung, Wechselstromuntersuchung Untersuchung von Schaltvorgängen Stimuli Gleichspannungen- und ströme Sinusförmige Wechselspannungen- und ströme Beliebige zeitveränderliche Spannungen- und Ströme Ergebnisse U, I U(ω). I(ω) u(t),i(t) Gleichungssystem algebraisch nichtlinear 1 reell algebraisch linear 2 komplex Differentialgleichungssys tem nichtlinear komplex Beispielanwendung Messverstärker für Gleichspannung Messverstärker für kleine Wechselspannungen (mv) Stromversorgungsystem Rechtsignal an Gleichrichter Ein- und Ausschalten eines Verstärkers 1 Wenn nichtlineare Bauelemente verwendet werden. 2 Vereinfachung: Bei nichtlinearen Bauelementen wird die Kennlinie am Arbeitspunkt linearisiert.

Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt 5.5-5 5.5 Transiente Analyse Das Verhalten der elektronischen Schaltung wird in diskreten Zeitschritten durchgerechnet (z. B. t=1µs, t=1ms, also t=1µs, 2µs, 3µs,.

5 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt Transiente Analyse Das Verhalten der elektronischen Schaltung wird in diskreten Zeitschritten durchgerechnet (z. B. t=1µs, t=1ms, also t=1µs, 2µs, 3µs, µs). Die zeitabhängigen Funktionen werden zeitdiskret (Wert für t=1µs, 2µs, 3µs...) beschrieben Bei nichtlinearen Bauelementen (Dioden, Transistoren,...) ergibt sich ein nichtlineares Gleichungssystem. Um das Gleichungssystem lösen zu können wird es zuvor linearisiert. Dabei wird die Taylorreihe mit Abbruch nach dem ersten Glied für das nichtlineare Gleichungssystem gebildet.

6 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt Beispiel für eine Transiente Analyse: Diode (nichtlinear!) an Wechselstromquelle Die Diode hat folgende Strom-Spannungskennlinie: u D [V] i D [A] 0,2 2,25E-07 0,25 6,27E-07 0,3 1,73E-06 0,35 4,77E-06 0,4 1,31E-05 0,45 3,62E-05 0,5 9,95E-05 0,55 2,74E-04 0,6 7,53E-04 0,65 2,07E-03 0,7 5,70E-03 0,75 1,57E-02 i[a] 1,80E-02 1,60E-02 1,40E-02 1,20E-02 1,00E-02 8,00E-03 6,00E-03 4,00E-03 2,00E-03 0,00E+00 Kennlinie Diode 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 u[v] Die Spannung der Spannungsquelle hat folgenden Verlauf: u q (t) 0V 0,39V 0,78V 1,14V 1,5V t 0 0,5ms 1ms 1,5ms 2ms... Zeitabhängige Funktion: Gleichungssystem:

7 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt Analyseschritte I) t=0 II) Zeitabhängige Funktion u q (t)= III) Linearisiertes Gleichungssystem u D mit letztem Stromwert i D = IV) Berechnung (noch trivial): V) t=1ms VI) Zeitabhängige Funktion u q (t)= VII) Linearisiertes Gleichungssystem u D mit letztem Stromwert i D = VIII) Berechnung: IX) t=2ms X) Zeitabhängige Funktion u q (t)= XI) Linearisiertes Gleichungssystem u D mit letztem Stromwert i D = XII) Berechnung:

8 Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt PSPICE-Studentenversion o Kostenfreie Studentenversion, Download z. B: o o oder an anderen Internetadressen, Suchstichwort PSPICE 9.1 student version o Zahl der Bauelemente ist begrenzt auf 25. o BUCH PSPICE, Einführung in die Elektroniksimulation mit CD mit Stromquellen- und Spannungsquellen nach EU-Norm ist erhältlich bei Hanser Verlag. o Installation siehe Buch PSPICE. o Einführung siehe Ausdrucke von Buch PSPICE. o Unterschiede: Zwischen Bauteilebibliothek (library) EU-Norm (enthalten in Buch PSPICE) und US-Norm (kostenlose Version) AGND

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