Elektronik-Aufgaben mit PSPICE: Analoge und digitale Schaltungen mit ausführlichen Lösungen für OrCAD Capture

303 Pages·2000·17.71 MB·German

by  Bernhard Beetz (auth.)

Bernhardt Beetz
Elektronik-Aufgaben
mit PSPICE
Aus dem Programm ______________
Elektronik
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Böhmer
Rechenübungen zur angewandten Elektronik
von E. Böhmer
Digitaltechnik
von K. Fricke
Digitale Schaltungstechnik
von W. Groß
Elektronik-Aufgaben mit PSPICE
von B. Beetz
Integrierte analoge Schaltungstechnik
von D. Ehrhardt
Elektronik
von B. Morgenstern
Elektronik Aufgaben
von B. Morgenstern
Englisch für Elektroniker
von A. und R. Ja yendran
vieweg __________________ __"
Bernhard Beetz
Elektronik-Aufgaben
mit PSPICE
Analoge und digitale Schaltungen mit
ausführlichen Lösungen für OrCAD Capture
Mehr als 100 Aufgaben
Mit 335 Bildern und 33 Tabellen
Herausgegeben von atto Mildenberger
~
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
der Deutschen Bibliothek erhältlich.
Herausgeber:
Prof Dr.-Ing. Otto Mildenberger lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen
Elektrotechnik und Informatik.
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Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-03919-6 ISBN 978-3-663-01108-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01108-8
v
Vorwort
Mit der breiten Verfügbarkeit leistungsfähiger und preisgünstiger Computer und grafischer
Betriebssysteme sind die Voraussetzungen zum Einsatz von Simulationsprogrammen gege
ben. Praktisch in allen Bereichen unseres Lebens von der Technik, Medizin und Umwelt bis
hin zur Finanzwelt werden heute komplexe Vorgänge durch Simulation nachgebildet und
gestaltet.
Für die Simulation von analogen und digitalen Schaltungen steht mit dem Simulator
PSPICE ein leistungsfähiges Entwicklungspaket zur Verfügung.
Zahlreiche Lehrbücher beschäftigen sich mit der Anwendung und Bedienung dieses Pro
gramms. Dabei wurden die behandelten Schaltungsbeispiele meistens danach ausgesucht,
dass sie optimal zum gerade erläuterten Thema passen.
Das vorliegende Buch legt den Schwerpunkt auf das Verständnis analoger und digitaler
Bauelemente und Schaltungen. Die Simulation mit PSPICE soll lediglich ein nützliches
Werkzeug zur Verbesserung des Verständnisses sein. Sie soll zumindest ein Stück weit dem
Studierenden den praktischen Aufbau von elektronischen Schaltungen im Labor ersparen und
somit schneller und mit geringerem Aufwand zu Ergebnissen führen.
Dieses Buch besteht zum größten Teil aus Aufgaben mit analogen und digitalen Schaltun
gen, die durch Simulation näher zu untersuchen sind. Die Aufgaben sind so gewählt, dass sie
als Begleitung für Vorlesungen über Elektronik und Digitaltechnik oder für das Selbststudi
um geeignet sind. Durch die große Anzahl von ca. 100 Schaltungen wird ein weites Gebiet
behandelt. Um rasche Erfolge sicherzustellen, werden alle Schaltungen auf der Basis des
Schaltplaneditors OrCAD CAPTURE Version 9 besprochen. Auf die wenig verständliche
Circuit-Datei wird verzichtet.
Besonderer Wert wird auf ausführliche Beschreibung der Simulation der gestellten Auf
gaben gelegt, da Anfänger häufig bereits an Kleinigkeiten scheitern. Weiterhin genügt für alle
Schaltungen die Evaluations-Software von PSPICE. Somit ist dieses Buch sowohl für Schüler
in technischen Leistungskursen und Berufsschulen als auch für Studierende der Fächer Elek
tronik und Digitaltechnik in Fachhochschulen und Universitäten geeignet.
Diese Aufgabensammlung ist kein Lehrbuch über PSPICE. Der Leser sollte deshalb be
reits über bescheidene Grundkenntnisse verfugen, wie sie beispielsweise in einer zweistündi
gen Einführungsvorlesung oder mit einem kurzen Selbststudium mit einem Lehrbuch erlangt
werden können. In Kapitel 2 kann dann das erlangte Wissen über CAPTURE und PROBE
nochmals aufgefrischt werden. Die Kapitel 3 und 4 sind als Nachschlagewerk für die in
PSPICE verwendeten Quellen und Analysearten gedacht.
Die Aufgaben wurden in den Vorlesungen Elektronik und Digitaltechnik des Autors be
reits erprobt. Allen Studenten, deren Anregungen mit eingeflossen sind, sei an dieser Stelle
gedankt. Herzlichen Dank auch an Frau Grübel fur das unermüdliche Korrekturlesen. Beson
deren Dank gilt der Firma OrCAD, deren großzügige Vergabe der Demo-Version (Evalua
tions-Software) von PSPICE erst den erfolgreichen Einsatz dieses Simulationspakets in der
Ausbildung ermöglicht.
Esslingen, im März 2000 Bernhard Beetz
VI Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Bevor Sie mit den Übungsaufgaben beginnen ................ ........................... ......... 1
2. Schneller Einstieg in CAPTURE und PSPICE. .......................... ........................ 3
2.1 Mit CAPTURE die Schaltung eingeben.... .................. ................................ 3
2.2 Die Analyseart festlegen....................................... .... ....................... ...... ..... 11
2.3 Die Schaltung simulieren und in PROBE darstellen .................................... 12
2.4 Mit melrreren Simulationsprofilen arbeiten ................................................. 14
3. Die Quellen in PSPICE kurz und bündig ........................................................... 16
3.1 Quellen fiir analoge Schaltungen................................................................ 17
3.1.1 Gleichspannungsquellen .............................................................. 17
3.1.2 Einfache Wechselspannungsquelle VAC ...................................... 18
3.1.3 Sinusquelle VSIN........... ....... ................... ....................... ........ ..... 19
3.1.4 Quellen mit frequenzmoduliertem Signalverlauf ............ ........ ...... 20
3.1.5 Quelle VPULSE fiir impulsfönnigen Signalverlauf ...... ....... ......... 20
3.1.6 Quellen mit stückweise linearem Signalv erlauf ............ ............ .... 21
3.1. 7 Quellen mit exponentiellem Signalverlauf. .. ............. ......... ..... ...... 22
3.2 Quellen fiir digitale Schaltungen................................................................. 22
3.2.1 Digitale Signalquelle für 1 Bit ..................................................... 23
3.2.2 Digitale Signalquelle fiir 4 und mehr Bits..................................... 24
3.2.3 Digitale Taktquelle DigClock ...................................................... 24
3.2.4 Digitale Signalverläufe in einer Datei .......................................... 25
3.3 Stimulus-Quellen ....................................................................................... 25
3.3.1 Analoge Stimulus-Quelle VSTIM................................................ 25
3.3.2 Digitale Stimulus-Quelle DigStim ............................................... 26
4. Die Analysearten in Kurzfassung.................. ........... ................................ ........... 27
4.1 Gleichstromanalyse.. ................ .............................. .............. ................. ...... 28
4.1.1 Bias-Point-Detail-Analyse........................................................... 28
4.1.2 Transfer-Function-Analyse (Kleinsignal-Übertragungsfunktion) .. 28
4.1.3 DC-Sensitivity-Analyse (Empfindlichkeitsanalyse)...................... 28
4.1.4 DC-Sweep-Analyse..................................................................... 29
4.1.5 Parametric-Sweep (parameter-Analyse) ....................................... 30
4.2 Analyse imZeitbereich, Transienten-Analyse ............................................. 30
4.3 Analysen im Frequenzbereich.......................................................... ........... 31
4.3.1 Fourier-Analyse (Spektralanalyse) ............................................... 31
4.3.2 Wechselstromanalyse und Frequenzgang (AC-Sweep) ................. 32
4.3.3 Rauschanalyse............................................................................. 33
4.4 Weitere Analysen....................................................................................... 34
4.4.1 Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse) ................................ 34
VII
I~tsverzeichrüs
4.4.2 Worst -Case-Analyse............. ..... .................................................. 35
4.4.3 Temperaturanalyse ...................................................................... 35
5. Analoge Schaltungen mit PSPICE simulieren.................................................... 37
5.1 Statisches und dynamisches Verhalten von Dioden ..................................... 38
5.1.1 Durchlass-Kennlinie einer Diode ................................................. 38
5.1.2 Emissionskoeffizient einer Diode................................................. 40
5.1.3 Bahnwiderstand einer Diode........................................................ 42
5.1.4 Temperatureinfluss auf die Kennlinie einer Diode........................ 44
5.1.5 Simulation des Umschaltverhaltens einer Diode........................... 47
5.1.6 Einweggleichrichterschaltung ohne Ladekondensator................... 49
5.1.7 Einweggleichrichterschaltung mit Ladekondensator ..................... 50
5.1.8 Zweiweggleichrichterschaltung ohne und mit Ladekondensator ... 53
5.2 Statisches und dynamisches Verhalten von Z-Dioden.................................. 54
5.2.1 Durchlass-und Sperrkennlinie einer Z-Diode............................... 54
5.2.2 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode .......................................... 58
5.2.3 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode bei veränderlicher Last....... 60
5.2.4 Spannungsbegrenzung................................................................. 62
5.2.5 Begrenzerschaltung mit zwei Z-Dioden ....................................... 64
5.2.6 Sollspannungsmesser.. ....... ..... ..................................................... 66
5.3 Statisches und dynamisches Verhalten von Transistoren.............................. 67
5.3.1 Kennlinien eines Transistors........................................................ 67
5.3.2 Kleinsignalverstärker in Emitterschaltung.................................... 70
5.3.3 Klirrfaktor eines Kleinsignalverstärkers in Emitterschaltung ........ 71
5.3.4 Amplituden-und Phasengang eines Kleinsignalverstärkers .......... 73
5.3.5 Rauschanalyse an einem Kleinsignalverstärker ............................ 75
5.3.6 Frequenzgang eines zwei stufigen Verstärkers .............................. 78
5.3.7 Konstantstromquelle.................................................................... 79
5.3.8 Kollektorschaltung ................... ................................................... 82
5.3.9 Impendanzwandler mit Kollektorschaltung .................................. 84
5.3.10 Indikator für Widerstandsänderung .............................................. 86
5.3.11 Blinkgeber für 24 V Wechselspannung... ............... ................. ..... 88
5.3.12 Schaltung eines einfachen Operationsverstärkers ......................... 90
5.3.13 Komplementäre Ausgangsstufe.................................................... 93
5.4 Statisches und dynamisches Verhalten von Feldeffekttransistoren ............... 96
5.4.1 Kennlinien eines Feldeffekttransistors.......................................... 96
5.4.2 Kleinsignalverstärker in Source-Schaltung................................... 99
5.4.3 Amplituden-und Phasengang eines Kleinsignalverstärkers .......... 101
5.4.4 FET in Drain-Schaltung............................................................... 104
5.4.5 FET als steuerbarer Widerstand ................................................... 107
5.4.6 Mehrstufiger Verstärker in Source-Schaltung ............................... 110
5.4.7 Simulation der Kennlinien eines MOSFET .................................. 112
5.4.8 MOSFET als Schalter.................................................................. 114
5.4.9 Sample-and Hold-Schaltung ....................................................... 117
VIII Inhaltsverzeiclmis
5.4.10 CMOS-Inverter ........................................................................... 119
5.4.11 Konstantstromquelle mit JFET .................................................... 121
5.5 Statisches und dynamisches Verhalten von Operationsverstärkern ............... 124
5.5.1 Übertragungskennlinie, Offsetspannung und Eingangsströme....... 124
5.5.2 Frequenzgang eines Operationsverstärkers ................................... 126
5.5.3 Invertierender Verstärker ............................................................. 128
5.5.4 Nichtinvertierender Verstärker ..................................................... 130
5.5.5 Frequenzkennlinien des nichtinvertierenden Verstärkers .............. 132
5.5.6 Subtrahierer ................................................................................ 134
5.5.7 Addierer ...................................................................................... 136
5.5.8 Integrator .................................................................................... 138
5.5.9 Differenzierer.............................................................................. 142
5.5.10 Tiefpass erster Ordnung ............................................................... 145
5.5.11 Hochpass erster Ordnung ............................................................. 148
5.5.12 Bandpass.... ................................................................................. 151
5.5.13 Fensterkomparator ....................................................................... 153
6. Digitale Schaltungen PSPICE simulieren ........................................................... 155
6.1 Statisches und dynamisches Verhalten von Schaltnetzen .................... ......... 155
6.1.1 Simulation aller mit zwei Variablen möglichen Funktionen.......... 155
6.1.2 Simulation eines einfachen Schaltnetzes ...................................... 158
6.1.3 Distributives Gesetz .................................................................... 159
6.1.4 Das GesetzvonDeMorgan ......................................................... 161
6.1.5 Ringoszillator.............................................................................. 162
6.1.6 Hazards ....................................................................................... 165
6.1.7 I-Bit-Vergleicher ........................................................................ 168
6.1.8 4-Bit-Vergleicher ........................................................................ 173
6.1.9 4-Bit-Addierer ............................................................................. 178
6.1.10 4-Bit-Multiplizierer ..................................................................... 182
6.1.11 Digitaler Schmitt- Trigger.......... . . .................. .. . . .................. . ....... 186
6.1.12 Pegelumsetzer analog zu digital................................................... 189
6.2 Statisches und dynamisches Verhalten von Kippschaltungen ....................... 193
6.2.1 RS-Flipflops................................................................................ 193
6.2.2 Zustandsgesteuertes RS-Flipflop .................................................. 195
6.2.3 Taktflankengesteuertes RS-Flipflop.. ............................... ............ 198
6.2.4 D-Flipflop.. .............. ......................... ...... ..... ................ ... ....... ..... 200
6.2.5 JK-Flipflop .................................................................................. 202
6.2.6 Synchroner Schalter für Taktsignal .............................................. 205
6.2.7 Synchrones Monoflop... .... ............................................... ............ 207
6.2.8 Synchronisation von Impulsen..................................................... 209
6.2.9 Synchroner Änderungsdetektor. ................................................... 212
6.2.10 Bewegungsrichtungs-Diskriminator ............................................. 214
6.3 Statisches und dynamisches Verhalten von Zählern ..................................... 216
6.3.1 Synchroner mod-5-Vorwärtszähler .............................................. 216
Inhaltsverzeichnis IX
6.3.2 Synchroner mod-5-Vorwärts-/Rückwärtszähler ............................ 219
6.3.3 Synchroner mod-8-Rückwärtszähler ............................................ 222
6.3.4 Synchronermod-12-Vorwärtszähler ............................................ 224
6.3.5 Synchroner BCD-Vorwärtszähler im 8-4-2-1-Kode ...................... 226
6.3.6 Synchroner BCD-Rückwärtszähler im Aiken-Kode ...................... 227
6.3.7 Synchroner4-Bit-Vorwärtszähler ................................................ 229
6.3.8 Synchroner8-Bit-Vorwärtszähler ................................................ 231
6.3.9 Asynchroner mod-5-Vorwärtszähler im Dualkode ........................ 235
6.3.10 Asynchroner mod-5-Rückwärtszähler im Dualkode ...................... 237
6.3.11 Asynchronermod-8-VorwärtszählerimDualkode ........................ 239
6.4 Statisches und dynamisches Verhalten von Schieberegistern ....................... 241
6.4.1 4-Bit-Parallel-Serien-Umsetzer .................................................... 241
6.4.2 4-Bit-Serien-Parallel-Umsetzer .................................................... 243
6.4.3 4-Bit-Universal-Schieberegister ................................................... 245
6.4.4 8-Bit-Serien-Parallel-Umsetzer .................................................... 248
6.4.5 8-Bit-Schieberegister ................................................................... 250
6.4.6 8-Bit-FIFO .................................................................................. 252
6.4.7 4-Bit-Umlaufregister ................................................................... 254
6.4.8 6-Bit-Umlaufregister mit zwei verschiedenen Schrittweiten ......... 256
6.4.9 8-Bit-Johnson-Zähler. .................................................................. 254
6.4.10 Mod-8-Zähler mit einem 3-Bit-Schieberegister ............................ 261
6.4.11 4-Bit-Schieberegister als Zufallsgenerator.................................... 263
6.4.12 Verschlüsselungsschaltung mit Zufallsgenerator .......................... 265
6.5 Schaltungen mit Halbleiterspeichern............ ........................................... .... 267
6.5.1 ROM mit vier logischen Funktionen ............................................ 267
6.5.2 ROM fiir 4x4-Bit-Multiplikation.................................................. 269
6.5.3 Sinus-Signalgenerator mit 16 Stützstellen .................................... 273
6.5.4 Signalgenerator fiir Sinus und Dreieck mit 32 StützsteIlen ............ 276
6.5.5 4-Bit-Vorwärts-/Rückwärtszähler im BCD-Kode ......................... 279
6.6 Schaltwerke ................................................................................................ 281
6.6.1 Gesteuerter Oszillator .................................................................. 281
6.6.2 Automat zum Testen auf gerade oder ungerade Parität ....... .......... 284
7. Anhang: Überblick über die in den Aufgaben verwendeten Analysearten
Bauteile und Quellen.. ..... ... ............. .................................................... 288
8. Literaturverzeichnis ................................................................. ;. ......................... 292
1 Bevor Sie mit den Übungsaufgaben beginnen
Um den optimalen Nutzen von dieser Aufgabensammlung zu haben, sollten Sie sich ein we
nig Zeit zum Lesen der folgenden Abschnitte nehmen.
Lernziele:
In Ihren Händen befindet sich ein Buch, das Ihnen durch Simulation mit PSPICE das Ver
ständnis von Aufgaben aus der Elektronik und Digitaltechnik erleichtern und verdeutlichen
soll. Ganz nebenbei erlangen Sie dabei auch tiefere Kenntnisse über das Simulationspro
gramm PSPICE. Dabei soll diese Aufgabensammlung kein Lehrbuch über PSPICE sein oder
ein solches ersetzen. Vielmehr wird PSPICE als ein Werkzeug zum Verständnis analoger und
digitaler Schaltungen eingesetzt. Die Aufgaben sind deshalb auch so ausgelegt, dass sie die
typischen Sachverhalte und Zusammenhänge in der Elektronik und Digitaltechnik durch
Simulation verdeutlichen. Es war nicht das Ziel, mit diesen Aufgaben sämtliche Möglichkei
ten von PSPICE aufzuzeigen.
Lernvoraussetzungen:
Die Aufgaben wurden so ausgewählt, dass sie nach einer ca. zweistündigen Einruhrungsvor
lesung in PSPICE bzw. nach einem kurzen Selbststudium mit einem Lehrbuch leicht durch
fiihrbar sind. Um den Einstieg in PSPICE zu erleichtern, wurden den Aufgaben drei Kapitel
mit kurzen Beschreibungen zu den Programmteilen CAPTURE (früher SCHEMATICS) und
PROBE sowie mit den wichtigsten Informationen über die Quellen und Analysearten voran
gestellt. Diese Kapitel sind bewusst kurz gehalten, da sie kein Lehrbuch bilden sollen, son
dern vielmehr ein Nachschlagewerk rur das Bearbeiten der Übungen. Dennoch wird es rur
Studierende möglich sein, mit dieser Kurzbeschreibung in die Simulation mit PSPICE einzu
steigen.
Weiter wird vorausgesetzt, dass der Leser Grundkenntnisse im Umgang mit den Betriebs
systemen WINDOWS 95, 98 oder NT besitzt. Ebenso sollte er Grundkenntnisse in den Fä
chern Elektronik und Digitaltechnik, wie sie in entsprechenden Vorlesungen und Lehrbü
chern vermittelt werden, mitbringen, damit die Aufgaben auch inhaltlich verstanden und nicht
nur blind simuliert werden.
Zum Aufbau und Konzeption des Buches:
Schwerpunkt dieses Buches bilden die Kapitel 5 und 6 mit den Übungsaufgaben. Jede Auf
gabe besteht aus zwei Teilen, der Aufgabenstellung und dem Lösungsteil. Um Ihnen die Ar- A
beit mit dieser Aufgabensammlung zu erleichtern, wurde die Aufgabenstellung stets am äuße-
ren Rand, in der Marginalspalte, mit einem großen A versehen und der Lösungsteil entspre- L
chend mit einem L.
Große Aufmerksamkeit wurde auf ausruhrliche Lösungen gelegt. Beim Einsatz dieser
Aufgaben in den Vorlesungen und Übungen des Autors zeigt sich immer wieder, dass viele
PSPICE-Anfänger gerade an unscheinbaren Kleinigkeiten scheitern, da die Fehlermeldungen
oft nicht genügend Hinweise auf die Ursache mitteilen.
Bei der Konzeption dieses Buches wurde davon ausgegangen, dass der Leser, im Gegen
satz zu einem Lehrbuch, nicht von vorne nach hinten durcharbeitet, sondern sich die ihn
interessierenden Aufgaben heraussucht. Da sich andererseits viele Simulationen ähneln,
musste folgerichtig eine gewisse Redundanz von Anfang an mit eingeplant werden. Um aber
den Umfang dieses Werkes nicht zu groß werden zu lassen, wurden einfachere Sachverhalte
B. Beetz, Elektronik-Aufgaben mit PSPICE
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden 2000