Elektroniksimulation mit PSPICE: Analoge und digitale Schaltungen mit ausfuhrlichen Simulationsanleitungen

418 Pages·2008·5.34 MB·German

by  Bernhard Beetz (auth.)

Bernhard Beetz
Elektroniksimulation
mit PSPICE
Aus dem Programm
Elektronik
Sensorschaltungen
von P. Baumann
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Böhmer, D. Ehrhard und W. Oberschelp
Elemente der Elektronik –
Repetitorium und Prüfungstrainer
von E. Böhmer
Elektronik in der Fahrzeugtechnik
von K. Borgeest
Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation
herausgegeben von S. Hesse und G. Schnell
Hochfrequenztechnik
von H. Heuermann
Infotainmentsysteme im Kraftfahrzeug
von A. Meroth und B.Tolg
Bussysteme in der Automatisierungs-
und Prozesstechnik
von G. Schnell und B. Wiedemann
Grundkurs Leistungselektronik
von J. Specovius
Elektronik für Entscheider
von M. Winzker
Elektronik
von D. Zastrow
Bussysteme in der Fahrzeugtechnik
von W. Zimmermann und R. Schmidgall
vieweg
Bernhard Beetz
Elektroniksimulation
mit PSPICE
Analoge und digitale Schaltungen mit
ausführlichen Simulationsanleitungen
3., verbesserte und erweiterte Auflage
Mit 406 Abbildungen und 85 Tabellen
sowie 122 ausführlich beschriebenen
Übungsaufgaben mit Lösungen
Viewegs Fachbücher der Technik
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
Die 1. Auflage des Buches erschien unter dem Titel „Elektronik-Aufgaben mit PSPICE“ ebenfalls
im Vieweg Verlag.
1.Auflage 2000
2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage September 2005
3., verbesserte und erweiterte Auflage 2008
Alle Rechte vorbehalten
©Friedr. Vieweg & Sohn Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2008
Lektorat: Reinhard Dapper
Der Vieweg Verlag ist ein ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
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und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
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Technische Redaktion: FROMM MediaDesign GmbH, Selters
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0238-5
V
Vorwort zur 3. Auflage
Die große Akzeptanz, die das vorliegende Buch inzwischen am Markt erhalten hat und die
zahlreichen Leserzuschriften bestätigten das Konzept, die Anwendung von PSPICE anhand
von sehr vielen, ausführlich beschrieben Beispielen zu erklären.
Der völlig neu gestaltete Einführungsteil; der inzwischen vergriffenen zweiten Auflage, sowie
die detaillierte Beschreibung der Quellen wurden von den Lesern sehr positiv aufgenommen.
Damit ist es möglich, in die Simulation elektronischer Schaltungen mit PSPICE sehr rasch
einzusteigen. In vielen Hochschulen und berufsbildenden Schulen wird dieses Buch inzwi-
schen in der Lehre eingesetzt.
Eine sehr große Resonanz hat insbesondere auch das Kapitel zur Erstellung und Einbindung
von neuen Modellen gefunden. Durch die ausführliche Beschreibung der Vorgehensweise wird
dieses nicht ganz einfache Thema gerade auch für den beruftstätigen Praktiker verständlich
und leicht handhabbar. Denn in der praktischen Anwendungen müssen ständig Modelle neuer
Bauteile eingebunden werden.
Für die dritte Auflage wurde das Buch sorgfältig durchgesehen, Unklarheiten bereinigt, Tipp-
fehler beseitigt und mit dem Thema Analog Behavioral Modeling (ABM) erweitert. Besonde-
ren Dank gilt all jenen Lesern, die Hinweise zur Verbesserungen des Buches geliefert haben.
Für alle Anregungen möchte sich der Autor herzlich bedanken.
Mit der Anwendung der ABM-Elementen von PSPICE öffnen sich völlig neue Simulations-
möglichkeiten. Damit kann das Verhalten eines beliebigen technischen Systems, das mit Kenn-
linien, Gleichungen, Tabellen und/oder Übertragungsfunktionen beschrieben ist, simuliert und
untersucht werden. Besonders regelungstechnische Systeme werden gerne mit Hilfe der La-
place-Transformation beschrieben. Da es in der ABM-Bibliothek ein LAPLACE-Element gibt,
steht einer Simulation nichts im Wege. In dem neuen Kapitel erfährt der Leser, welche Ele-
mente in der ABM-Bibliothek verfügbar sind und wie er diese anwenden kann.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet, das mit den ABM-Elementen leicht zugänglich
wird, ist die Simulation von digitalen Filtern. Mit einfachen Beispielen wird erläutert, wie man
die Strukturen von IIR- und FIR-Filtern in PSPICE realisieren und simulieren kann. Ebenso
wird behandelt, wie die Filterkoeffizienten von Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- oder Band-
sperre-Filtern generiert und in der Filterstruktur eingesetzt werden können.
Der Autor hat durch zahlreiche Erfahrungen mit seinen Studierenden die berechtigte Hoff-
nung, dass der Leser nach dem Durcharbeiten der vorhandenen Beispiele in der Lage ist, selbst
komplexe Schaltungen mit neuen Bauelementen zu untersuchen. Um das Buch zu einem stu-
dentengerechten Preis anbieten zu können, wird auch weiterhin auf das Beilegen einer CD
verzichtet. Schnelle Internet-Anschlüsse sind inzwischen so weit verbreitet, dass das Herunter-
laden von der Webseite des Autors meist keine Probleme bereitet.

Esslingen, im November 2007

Bernhard Beetz
VI Vorwort
Vorwort zur 2. Auflage
Das vorliegende Buch wurde für die zweite Auflage vollständig überarbeitet. Aus den zahlrei-
chen positiven Leserzuschriften ging hervor, dass dieses Werk nicht nur als Übungsbuch,
sondern auch als Lehrbuch für den Einstieg in die Simulation mit PSPICE genutzt wird. Des-
halb haben sich Verlag und Autor entschlossen, den einführenden Teil des Buches zu erwei-
tern. Eine neu aufgenommene Anleitung für die Installation der PSPICE-Software auf dem PC
soll gleich zu Beginn evtl. auftretende Schwierigkeiten aus dem Weg räumen. In Kapitel
"Schneller Einstieg in CAPTURE und PSPICE" wurde die Erläuterung der Ausgabedatei (Out-
put-File) sowie die Anwendung von mehreren Simulationsprofilen zusätzlich aufgenommen.
Die Behandlung der Quellen in Kapitel 3 wurde ausführlicher gestaltet. Die Analysearten in
Kapitel 4 wurden vollständig überarbeitet und mit Beispielen verdeutlicht. Um die Neukonzep-
tion auch nach außen hin zu zeigen, wurde der Titel des Buches geändert.
Bei der Anwendung von PSPICE in der täglichen Praxis eines Ingenieurs bzw. in praktischen
Arbeiten von Studierenden werden häufig Bauelemente benötigt, die auch in den Bibliotheken
der Vollversion nicht enthalten sind. Meistens stellen die Halbleiterhersteller jedoch PSPICE-
Modelle ihrer Bauelemente frei zur Verfügung. Ein neues Kapitel befasst sich mit diesem
Thema und liefert dem Leser das erforderliche Wissen, um neue Modelle erfolgreich in die
Bibliotheken von PSPICE integrieren zu können. Dabei werden die Modelle von analogen und
digitalen Bauteilen behandelt. Es kann jedoch auch vorkommen, dass für ein bestimmtes Bau-
teil kein PSPICE-Modell verfügbar ist, insbesondere natürlich auch bei selbst realisierten Bau-
elementen. Dann muss zunächst ein neues Modell entwickelt werden. Auch hierzu wird das
notwendige Wissen geliefert.
Sämtliche Beispiele dieses Buches können weiterhin mit der Studentenversion 9.1 oder mit der
OrCAD Lite-Version. 9.2 bearbeitet werden. Um den Übergang in die aktuelle Vollversion
von PSPICE zu erleichtern, wurden die wesentlichen Besonderheiten der Version 10.0 in ei-
nem zusätzlichen Kapitel aufgenommen. Da die Demoversion 10.0 jedoch größere Einschrän-
kungen hat als die Vorgängerversion, wird für die Bearbeitung der Beispiele weiterhin die
Studentenversion 9.1 empfohlen, wenn die Vollversion nicht zur Verfügung steht.
Mit der Studentenversion 9.1 hat der Nutzer die Möglichkeit, für die Eingabe des Schaltplans
zwischen den Schaltplaneditoren SCHEMATICS oder CAPTURE zu wählen. Entsprechend
musste ich mich auch entscheiden, welcher Editor die Grundlage für dieses Buch bilden sollte.
Da sich bei der Betreuung von Studierenden in ihren praktischen Tätigkeiten gezeigt hat, dass
in den Firmen überwiegend der Schaltplaneditor CAPTURE verwendet wird, habe ich mich
für diesen Editor entschieden. CAPTURE hat insbesondere beim Entwurf von umfangreichen,
hierarchisch strukturierten Schaltplänen große Vorteile gegenüber SCHEMATICS. Außerdem
können zu einer Schaltung mehrere unterschiedliche Simulationsprofile angelegt werden.
Sämtliche Bilder dieses Buches wurden überarbeitet und in einer besser lesbaren Darstellung
aufgenommen. In vielen Fällen wurden dazu auch die Bauteilsymbole in CAPTURE verbes-
sert. Ein ausführliches Sachwortregister rundet jetzt die zweite Auflage ab und erleichtert die
Anwendung als Nachschlagewerk.

Esslingen, im Juli 2005
Bernhard Beetz
Vorwort VII
Vorwort zur 1. Auflage
Mit der breiten Verfügbarkeit leistungsfähiger und preisgünstiger Computer und grafischer
Betriebssysteme sind die Voraussetzungen zum Einsatz von Simulationsprogrammen gegeben.
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 Simulationspro-
gramm 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, ob
sie optimal zum gerade erläuterten Thema passen.
Das vorliegende Buch legt den Schwerpunkt auf das Verständnis analoger und digitaler Bau-
elemente 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 schnel-
ler und mit geringerem Aufwand zu Ergebnissen führen.
Dieses Buch besteht zum größten Teil aus Aufgaben mit analogen und digitalen Schaltungen,
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 Selbststudium
geeignet sind. Durch die große Anzahl von ca. 100 Schaltungen wird ein weites Gebiet behan-
delt.
Besonderer Wert wird auf ausführliche Beschreibung der Simulation der gestellten Aufgaben
gelegt, da Anfänger häufig bereits an Kleinigkeiten scheitern. Weiterhin genügt für alle Schal-
tungen die Demo-Software von PSPICE. Somit ist dieses Buch sowohl für Schüler in techni-
schen Leistungskursen und Berufsschulen als auch für Studierende der Fächer Elektronik und
Digitaltechnik an Fachhochschulen und Universitäten geeignet.
Die Aufgaben wurden in den Vorlesungen Elektronik und Digitaltechnik des Autors bereits
erprobt. Allen Studenten, deren Anregungen mit eingeflossen sind, sei an dieser Stelle ge-
dankt. Herzlichen Dank auch an Frau Grübel für das unermüdliche Korrekturlesen. Besonde-
ren Dank gilt der Firma OrCAD, deren großzügige Vergabe der Demo-Version (Evaluations-
Software) von PSPICE erst den erfolgreichen Einsatz dieses Simulationspakets in der Ausbil-
dung ermöglicht.

Esslingen, im März 2000
Bernhard Beetz
IX
Inhaltsverzeichnis
Vorwort V
1. Bevor Sie beginnen 1
1.1 Lernziele und Konzeption des Buches 1
1.2 Installation der PSPICE Demoversion 9.1 4

Teil 1
2 Schneller Einstieg in CAPTURE und PSPICE 7
2.1 Mit CAPTURE die Schaltung eingeben 7
2.2 Die Analyseart festlegen 16
2.3 Die Schaltung simulieren und in PROBE darstellen 18
2.4 Mit mehreren Simulationsprofilen arbeiten 20
2.5 Die Ausgabedatei von PSPICE (Output-File) 22
2.6 Zusammenfassung der wichtigsten Befehle 25

3 Die Quellen in PSPICE kurz und bündig 27
3.1 Quellen für analoge Schaltungen 27
3.1.1 Gleichspannungsquellen 28
3.1.2 Einfache Wechselspannungsquelle VAC 29
3.1.3 Sinusquelle VSIN 30
3.1.4 Quellen mit frequenzmoduliertem Signalverlauf 31
3.1.5 Impulsförmige Quelle VPULSE 32
3.1.6 Quellen mit stückweise linearem Verlauf 33
3.1.7 Quellen mit exponentiellem Signalverlauf 35
3.2 Quellen für digitale Schaltungen 36
3.2.1 Digitale Signalquelle für 1 Bit 37
3.2.2 Digitale Signalquelle für 4 und mehr Bits 38
3.2.3 Digitale Taktquelle DigClock 39
3.2.4 Digitale Signalverläufe in einer Datei 39
3.3 Stimulus-Quellen 40
3.3.1 Analoge Stimulus-Quelle VSTIM 40
3.3.2 Digitale Stimulus-Quelle DigStim 41

4 Kompaktkurs Analysearten 42
4.1 Arbeitspunktanalysen (Bias Point) 43
4.1.1 Bias-Point-Detail-Analyse 44
4.1.2 Transfer-Function-Analyse (Kleinsignal-Übertragungsfunktion) 44
4.1.3 DC-Sensitivity-Analyse (Empfindlichkeitsanalyse) 45
4.2 DC-Sweep-Analyse 45
4.2.1 Parametric-Sweep (Parameter-Analyse) 48
4.3 Analyse im Zeitbereich, Transienten-Analyse 49
X Inhaltsverzeichnis
4.4 Analysen im Frequenzbereich 50
4.4.1 Fourier-Analyse (Spektralanalyse) 50
4.4.2 Wechselstromanalyse und Frequenzgang (AC-Sweep) 52
4.4.3 Rauschanalyse 54
4.5 Weitere Analysen 55
4.5.1 Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse) 55
4.5.2 Worst-Case-Analyse 58
4.5.3 Temperaturanalyse 58

Teil 2
5 Analoge Schaltungen mit PSPICE simulieren 60
5.1 Statisches und dynamisches Verhalten von Dioden 61
5.1.1 Durchlass-Kennlinie einer Diode 61
5.1.2 Emissionskoeffizient und Bahnwiderstand einer Diode 63
5.1.3 Temperatureinfluss auf die Kennlinie einer Diode 67
5.1.4 Simulation des Umschaltverhaltens einer Diode 70
5.1.5 Einweggleichrichterschaltung ohne Ladekondensator 72
5.1.6 Einweggleichrichterschaltung mit Ladekondensator 73
5.1.7 Zweiweggleichrichterschaltung ohne und mit Ladekondensator 76
5.2 Statisches und dynamisches Verhalten von Z-Dioden 78
5.2.1 Durchlass- und Sperrkennlinie einer Z-Diode 78
5.2.2 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode 81
5.2.3 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode bei veränderlicher Last 84
5.2.4 Spannungsbegrenzung 86
5.2.5 Begrenzerschaltung mit zwei Z-Dioden 87
5.2.6 Sollspannungsmesser 89
5.3 Statisches und dynamisches Verhalten von Transistoren 91
5.3.1 Kennlinien eines Transistors 91
5.3.2 Kleinsignalverstärker in Emitterschaltung 94
5.3.3 Klirrfaktor eines Kleinsignalverstärkers in Emitterschaltung 96
5.3.4 Amplituden- und Phasengang eines Kleinsignalverstärkers 98
5.3.5 Rauschanalyse an einem Kleinsignalverstärker 100
5.3.6 Konstantstromquelle 102
5.3.7 Kollektorschaltung 104
5.3.8 Impedanzwandler mit Kollektorschaltung 106
5.3.9 Indikator für Widerstandsänderung 108
5.3.10 Blinkgeber für 24 V Wechselspannung 110
5.3.11 Schaltung eines einfachen Operationsverstärkers 112
5.3.12 Komplementäre Ausgangsstufe 116
5.4 Statisches und dynamisches Verhalten von Feldeffekttransistoren 118
5.4.1 Kennlinien eines Feldeffekttransistors 118
5.4.2 Kleinsignalverstärker in Source-Schaltung 121
5.4.3 Amplituden- und Phasengang eines Kleinsignalverstärkers 123
5.4.4 FET in Drain-Schaltung 126
5.4.5 FET als steuerbarer Widerstand 128
5.4.6 Mehrstufiger Verstärker in Source-Schaltung 132
Inhaltsverzeichnis XI
5.4.7 MOSFET als Schalter 134
5.4.8 Sample- and Hold-Schaltung 136
5.4.9 CMOS-Inverter 139
5.4.10 Konstantstromquelle mit JFET 141
5.5 Statisches und dynamisches Verhalten von Operationsverstärkern 143
5.5.1 Übertragungskennlinie, Offsetspannung und Eingangsströme 143
5.5.2 Frequenzgang eines Operationsverstärkers 146
5.5.3 Invertierender Verstärker 148
5.5.4 Nichtinvertierender Verstärker 150
5.5.5 Frequenzkennlinien des nichtinvertierenden Verstärkers 152
5.5.6 Subtrahierer 154
5.5.7 Addierer 157
5.5.8 Integrator 159
5.5.9 Differenzierer 163
5.5.10 Hochpass erster Ordnung 168
5.5.11 Tiefpass erster Ordnung 170
5.5.12 Bandpass 173
5.5.13 Fensterkomparator 176

6 Digitale Schaltungen mit PSPICE simulieren 179
6.1 Statisches und dynamisches Verhalten von Schaltnetzen 179
6.1.1 Simulation aller mit zwei Variablen möglichen Funktionen 179
6.1.2 Simulation eines einfachen Schaltnetzes 182
6.1.3 Distributives Gesetz 184
6.1.4 Das Gesetz von De Morgan 186
6.1.5 Ringoszillator 188
6.1.6 Hazards 190
6.1.7 1-Bit-Vergleicher 194
6.1.8 4-Bit-Vergleicher 199
6.1.9 4-Bit-Addierer 204
6.1.10 4-Bit-Multiplizierer 208
6.1.11 Digitaler Schmitt-Trigger 213
6.1.12 Pegelumsetzer analog zu digital 215
6.2 Statisches und dynamisches Verhalten von Kippschaltungen 220
6.2.1 RS-Flipflops 220
6.2.2 Zustandsgesteuertes RS-Flipflop 221
6.2.3 Taktflankengesteuertes RS-Flipflop 225
6.2.4 D-Flipflop 227
6.2.5 JK-Flipflop 229
6.2.6 Synchroner Schalter für Taktsignal 233
6.2.7 Synchrones Monoflop 234
6.2.8 Synchronisation von Impulsen 236
6.2.9 Synchroner Änderungsdetektor 240
6.2.10 Bewegungsrichtungs-Diskriminator 241
6.3 Statisches und dynamisches Verhalten von Zählern 244
6.3.1 Synchroner mod-5-Vorwärtszähler 244
6.3.2 Synchroner mod-5-Vorwärts-/Rückwärtszähler 247