Simulation von Analogschaltungen Roland Küng, 2011 1
Wozu Schaltungssimulation? Erlaubt automatische Analyse von Schaltungen aus Literatur Erlaubt vereinfachte Handrechnung beim Design Erlaubt sehr einfach das Frequenzverhalten zu ermitteln Erlaubt sehr einfach das Einschwingverhalten zu ermitteln Bringt mehr Information zu Effekten zweiter Ordnung wie Einfluss von Störquellen Einfluss der Temperatur Einfluss Ersatzkomponenten Signalverzerrungen Erlaubt Einfluss von Bauteil Toleranzen zu ermitteln Erlaubt Parameter Analyse Idee Entwurf Dimensionierung von Hand Simulation Bread Board 2
Wozu Schaltungssimulation? 3
Wozu Schaltungssimulation? 4
Wozu Schaltungssimulation? Var C4 5
Preiswertes Tool Die Schaltungsdiagramme können mit einem einfach bedienbaren Schaltungseditor erzeugt werden. Enhält umfangreiche Bibliotheken mit Spice und S Parameter -Modellen, von verschiedenen Halbleiterherstellern. DC-Analyse berechnet den gleichstrommäßigen Arbeitspunkt und die Transfercharakteristiken analoger Schaltungen. Transienten-Analyse erlaubt die Reaktion des Schaltkreises auf die Eingangs-Signalformen zu berechnet. Weitere: Fourieranalyse, Netzwerk-Analyse, Rauschanalyse, Worst-Case Analyse Übertragungsfunktionen, Schaltungsoptimierung. 6
Tool Ansicht Das passende Tutorial finden sie unter https://home.zhaw.ch/~kunr/ek2.html Nachfolgend die wichtigsten Handgriffe 7
Speisungen mit Innenwiderstand mit Innenwiderstand Schaltungen). Vorteil: kein zweiter Verbindungsdraht nötig, da die Spannung automatisch bezogen auf das Potenzial des Ground-Symbols ist. Nachteil: Bei der AC-Analyse werden diese Spannungen auf 0V gesetzt, falls in der Schaltung sonst keine lineare DC-Quelle vorhanden ist. Bei den linearen Quellen wird jedoch die DC-+AC-Amplitude angezeigt. Für Berechnung des Frequenzgang ist dies belanglos. 8
Signale 9
Strom/Spannung messen Spannung gegen Masse: und auf die beiden Anschlüsse ausrichten und in die Leitung schieben 10
Elemente anordnen Bauteile auswählen, ev. drehen, spiegeln (Edit) Eigene Namen geben, Wert zuweisen (Doppelclick) Vertikal spiegeln mit spiegeln, drehen, drehen 11
Elemente anordnen Beim Anschluss linke Maustaste drücken und halten ( Stift erscheint), nun zum 2. Anschluss fahren, dann loslassen Knicke: kurz loslassen und weiterfahren in gewünschte Richtung Löschen falscher Leistungen: anklicken, delete 12
Übung: 1. Schema zeichnen 13
2. DC-Analyse 14
DC-Analyse Wie gross ist der Strom in den invertierenden Eingang des Op-Amps? 15
DC-Analyse 16
DC-Analyse Ausgangsgrössen Ändern Sie den Innenwiderstand der Quelle auf 1.8kΩ = R2 R3. Also einen 1.2kΩ-Widerstand zusätzlich in die Mikrofon-Leitung eingeschlauft. 17
3. AC-Analyse Die AC-Analyse berechnet das Kleinsignal-Verhalten, indem sie zuerst den DC-Arbeitspunkt der Schaltung ermittelt und anschliessend das Modell linearisiert. Es werden also keine Einschwingvorgänge, nicht-lineare Verzerrungen, Begrenzungen durch die Speisespannungen, etc. berücksichtigt. 18
Option: DC-Analyse DC-Analysen mit der modifizierten Schaltung : Mit Analysis => DC Analysis => Calculate nodal voltages überprüfen, ob der Op-Amp-Ausgang Uaus auf einem vernünftigen DC-Niveau liegt. Mit Analysis => DC Analysis => Temperature Analysis... überprüfen, wie sich der Offset bei Uaus über den ganzen Temperaturbereich verhält. Überprüfen folgender Hypothese: Falls der Offset vor allem durch die Op-Amp- Eingangsströme verursacht wird, muss man R1 = R2 R3 = 1.8kΩ wählen. Damit die Grenzfrequenz bei 10Hz bleibt, muss nun C1 auf 10µF vergrössert werden. 19
AC-Analyse 10u 1.8k Aufgabe: Anpassen C1 und R1 Eingangssignal sei z.b. von einem Mikrophon mit f = 1 khz und 1 mv Amplitude. Wie gross ist das Spannungsverhältnis Ausgang Uaus zu Quelle Uein? Und wie gross ist also die Verstärkung? Vergleichen sie diesen Wert mit der Erwartung von 101-facher Verstärkung. Suchen sie die Ursache für die Abweichung in der Verstärkung 20
AC-Analyse Neuer Ansatz: 100 n 180 k option Ist nun alles okay? 21
AC-Transferfunktion 22
4. Transienten - Analyse Bei der Transienten-Analyse werden ausgehend von einem Anfangszustand für jeden Zeitschritt alle Spannungen und Ströme jeweils fortlaufend neu berechnet. Nichtlineare Bauteil-Kennlinien, Begrenzungen durch die Speisespannungen, parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten in den Halbleitern, Verzögerungszeiten, etc. werden berücksichtigt. Damit ist auch das Einschwingverhalten beobachtbar. 23
Transienten - Analyse Calculate operating point sucht zuerst den DC-Arbeitspunkt ohne Berücksichtigung von AC-Quellen. Dieser Arbeitspunkt wird als Anfangsbedingung zum Zeitpunkt 0 angenommen und die Simulation mit den DC- und AC-Quellen gestartet. Use initial conditions berücksichtigt Anfangs-Ladungen bei Kondensatoren und Anfangs-Ströme bei Induktivitäten. Das ist besonders nützlich beim Simulieren von Oszillatoren, welche sonst oft nicht anschwingen. Zero initial values setzt alle Spannungen und Ströme (ausser den Quellen) auf 0. Damit kann das Einschwingverhalten beobachtet werden. 24
Variante TINA: Transienten Analyse Oszillatoren Dem Kondensator wurde eine Anfangsspannung von 1V zugewiesen, damit der Oszillator sofort zu schwingen beginnt. Anfangswerte verwenden in Transientensimulation. Vorsicht funktioniert nicht immer richtig. 25
Simulationsmethode R.Küng: Transienten Analyse Oszillatoren Tipp: Oszillatoren mit idealen Op-Amps funktionieren meist nicht richtig. Also sollen reale Op-Amps statt ideale verwendet werden. 26
Hohe Auflösung Zeitbasis Trick: Einfügen eines Hilfs-Clock erlaubt dem Designer die Zeitbasis frei zu wählen 100 khz 27
Simulation mit Parameter Im Analysis Menü Control Object wählen Zu parametrisierendes Element anklicken (* im Schema) Fenster ausfüllen * Applikation: Variable Verstärkung (wie mit Poti): R2 variieren Was passiert mit dem Frequenzgang? 28
Simulation mit Parameter Aufgabe: Verwenden sie einen schneller OpAmp: AD811 29
Diagramm Bearbeitung Bei mehreren Plots werden diese teilweise übereinander dargestellt. Darstellung der Plots einzeln angeordnet: Im Resultatfenster: Leiste Ansicht / Kurven separieren anwählen (Alle Kurve übereinander: Kurven zusammenfassen) Jede Simulation generiert ein neues Tab im Resultatfenster. Ein-Ausschalten : Leiste Ansicht / Ergebnisse merken setzen 30
Diagramm Bearbeitung 31
Diagramm Bearbeitung Achsen können linear, linear in db oder logarithmische eingeteilt werden. Um Kurven separat im Schema darzustellen: copy / paste funktioniert! 32
Fourierreihe (Schaltung Oszillator) Weitere Simulationen Zuerst ist eine Transientensimulation durchzuführen! 33
Weitere Simulationen Fourierreihe Bestimmung des Signalspektrums, v.a. bei repetitiven Signalen Frequenz Harmonische = k*basisfrequenz 34
Weitere Simulationen Fourier-Transformation Zuerst ist eine Transientensimulation durchzuführen! Bestimmung des Signalspektrums, v.a. bei nicht repetitiven Signalen Mehr zu Spektrum und Fouriertransformation: Fächer DSV, ASV 4./5. Sem. 35
Weitere Simulationen Symbolische Analyse Im Schema sind ideal (aktive) Bauelemente zu verwenden! Alle Bauelemente müssen symbolische Namen tragen z.b. R2 Für die Frequenz wird die komplexe Grösse s = jω benutzt Semi-symbolic Analysis setzt die Werte der Bauelemente numerisch ein Transferfunktion ist wichtigste Applikation: Filter, Regelkreise, Stabilität.. Mehr zu Transfer Functions: Fach ASV 4. Sem. 36
Weitere Simulationen Rauschanalyze Widerstände und Halbleiter rauschen TINA fügt die korrekte Rauschquellen ein und berechnet das Rauschen TINA OpAmps sind rauschfrei nur Spice Makro Opamp rauschen Rauschen wird dargestellt als Dichte oder als Gesamtrauschen am Ausgang Anfangs- und Endfrequenz muss angegeben werden Ablesen Gesamtrauschen beim x-wert entsprechend Anwendungsbandbreite (Schema ohne Steuerungsobjekte) Mehr zu Rauschen: Fach ASV 4. Sem. 37
Weitere Simulationen OpAmp Daten verändern / anpassen Doppelclick auf Symbol Typenwahl und Click auf Anpassen Nichtidealitäten wie: Offsetspannungen Offsetströme Bandbreite Slew Rate 38
Praktische Übung A Sie kennen die Theorie noch nicht, können jedoch nun eine Analyse machen lassen. Analysieren sie von der folgenden Schaltung: Arbeitspunkt DC-Analyse, wie gross ist I E Verstärkung Transienten-Analyse 0 2ms, Vergleichen sie mit dem Wert (R C / R E ) Frequenzgang AC: Frequency Response 10 Hz 10 MHz, Welches ist die höchste Frequenz (3 db unter Verstärkung in Bandmitte) BJT Verstärker VS1 15 Cein 4.7u RB1 15k RC 1k Caus 4.7u T 2N2219 RE 100 Uaus Ub = 15 V Uqein = 0.1 V, Sinus 10 khz + + Uein Rq 100 RL 100k Uqein RB2 2k Lösung: Av = -9, fmax = 7.5 MHz 39
Praktische Übung B Sie kennen die Theorie noch nicht, können jedoch nun eine Analyse machen lassen. Analysieren sie von der folgenden Schaltung: Verstärkung Transienten-Analyse, vergleiche mit (R2 / R1) Frequenzgang AC: Frequency Response begrenzt durch OpAmp: Set C2 = 1 pf Frequenzgang AC: Frequency Response mit C2 = 220 pf Bestimme die Frequenzen mit 3 db Amplitudenabfall gegenüber 2 khz und vergleiche mit f = 1 / 2πR 1 C 1 und f = 1 / 2πR 2 C 2 Filterschaltung C2 220p C1 1u R1 1k R2 40k + U1 - + + + + OP1 TL081C U2 VS1 10 VS2 10 V ++ = 10 V, V -- = -10 V U1 = 0.1 V, Sinus 2 khz OpAmp TL081 C Lösung: Av = -40, fop = 72 khz, fmin = 160 Hz, fmax = 14.5 40 khz
Option: Praktische Übung C T1 Wunsch MOS-FET erzeugen: i 2 D = K(vGS Vt ) Gleichung (EK1) Doppelclick auf FET Symbol anpassen T1 modifiziert K= 0.5 k W/L Vt = 3 V Vt ist in der Spice Tabelle Zeile 1 k, L, W sind in der Spice Tabelle Zeile 2, 11 und 12 k= 30u L=2u W=33u Ähnliche Anpassung JFET: V p in Zeile 1 und BETA in Zeile 2 I DSS = BETA V p 2 41