Simulieren mit PSPICE: Eine Einführung in die analoge und digitale Schaltkreissimulation

288 Pages·1995·7.28 MB·German

by  Dietmar Ehrhardt

Dietmar Ehrhardt
Jtirgen Schulte
Simulieren mit PSPICE
Aus dem Programm
N achrich tentechnik
Schaltungen der Nachrichtentechnik
von D. Stoll
Verstarkertechnik
von D. Ehrhardt
Berechnungs- und Entwurfsverfahren der Hochfrequenztechnik
von R. GeiBler, W. Kammerloher und H.W. Schneider
Entwurf analoger und digitaler Filter
von O. Mildenberger
Mobilfunknetze
von R. Eberhardt und W. Franz
Weitverkehrstechnik
von K. Kief
Signalanalyse
von W. Bachmann
Digitale Signalverarbeitung
von A. v. d. Enden und N. Verhoeckx
Analyse digitaler Signale
von W. Lechner und N. Lohl
Optoelektronik
von D. Jansen
Fernsehtechnik
von L. Krisch
Handbuch der Operatoren fUr die Bildbearbeitung
von R. Klette und P. Zamperoni
Vieweg
Dietmar Ehrhardt
Jiirgen Schulte
SilDuiieren lDit PSPICE
Eine Einfiihrung
in die analoge und digitale Schaltkreissimulation
2., iiberarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 182 Bildern
I I
VI.weg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Simulieren mit PSPICE: eine Einftihrung in die
analoge und digitale Schaltkreissimulation /
Dietmar Ehrhardt; Jtirgen Schulte. - Braunschweig;
Wiesbaden: Vieweg.
NE: Ehrhardt, Dietmar; Schulte, Jtirgen
Diskette. - 2., tiberarb. und erw. Auf!. - 1995
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irgendeiner Art verbunden. Der Autor Ubernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird
keine daraus folgende oder sonstige Haftung tibernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung
dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht.
I. Auf!age 1992
Nachdruck 1993
2., Uberarbeitete und erweiterte Auflage 1995
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1995
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rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
ISBN-13: 978-3-528-14921-5 e-ISBN-13: 978-3-322-86507-6
001: 10.1007/978-3-322-86507-6
v
Vorwort
Die heutige elektronische Schaltungsentwicklung kommt ohne die Simulation fast nicht
mehr aus. Sie hilft, insbesondere beim Entwurf und bei der Herstellung von integrierten
Schaltkreisen, enorme Entwicklungskosten zu sparen. In den letzten Jahren hat sich da
her das Simulationsprogramm SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit
Emphasis) etabliert. Das vorliegende Buch solI den Einstieg in das Programm PSPICE,
eine Weiterentwicklung von SPICE fur den Personal Computer-Bereich, ermoglichen.
Das Buch beginnt mit einer umfassenden Beschreibung des Programms. Dem Leser
werden von der Syntax einer Schaltungsbeschreibung tiber die verschiedenen Analyse
arten und die daraus resultierende Wahl der Signalquellen bis zur Auswertung der
Simulationsergebnisse all die Informationen gegeben, die er fur ein sinnvolles Arbeiten
mit dem Programm benotigt. Nach dies em ersten Einblick in die VieWiltigkeit von
PSPICE schlie13t sich ein umfangreiches Kapitel mit zahlreichen Beispielen aus dem
Gebiet der Elektrotechnik an. Es werden Simulationen anhand konkreter Schaltungen
durchgefiihrt und die Losung der dabei auftretenden Probleme dargelegt. DaB nicht nur
elektronische Schaltungen mit PSPICE simuliert werden konnen, zeigt eine Analogie
betrachtung zwischen der Elektronik und der Mechanik bzw. der Elektroakustik. Es
wird dabei sowohl die Radaufuangung eines Autos als auch eine Ba13retlexbox naher
untersucht. Weitere Themenpunkte sind die Erweiterung des "Grundelementevorrates"
durch z.B. spannungsabhangige Impedanzen bzw. Admittanzen sowie die Ermittlung
von Modellparametem aus den Datenblattem eines Bauteils. Konkret werden hier
Dioden, Bipolartransistoren, JFETs und MOSFETs betrachtet. Abschlie13end findet der
Leser einige Installations- und Bedienhinweise zur Demoversion von PSPICE und des
sen Zusatzprogrammen. Dieses Buch ist fur Studenten und Ingenieure der Elektrotech
nik sowie fur Hobbyelektroniker gedacht. Sie finden hier alle notigen Informationen
und die erforderlichen Mittel, die fur den Einstieg in die Simulation notwendig sind. An
dieser Stelle mochten wir uns beim Vieweg Verlag fur die Herausgabe dieses Buches
bedanken. Hierbei geht ein besonderer Dank an Herrn Edgar Klementz vom Verlag
Vieweg, der fur eine optimale Organisation sorgte und uns stets mit Rat und Tat zur
Seite stand.
Siegen, im Aprill992 Dietmar Ehrhardt
Jiirgen Schulte
Vorwort zur zweiten Auflage
Zwei Jahre nach Erscheinen der ersten Autlage ist es erforderlich, den Inhalt des
Buches der aktuellen Version von PSPICE anzupassen und einige Fehler und Ver
saurnnisse zu korrigieren bzw. zu ergiinzen. Die wichtigsten Erganzungen der zweiten
Autlage sind dabei die Beschreibung der digitalen Simulation sowie die Windows-Ver
sion von PSPICE, dem "Design Center".
VI Vorwort
Neben der Simulation analoger Schaltungen konnen mit PSPICE auch digitale Schal
tungen untersucht werden. Der Leser erhiilt hierzu in dem neu hinzugefiigten Kapitel 7
eine umfassende Beschreibung der einzelnen digitalen Bauelemente mit ihren Modell
parametem sowie der fUr die Simulation erforderlichen Signalquellen. Beispiele, die
dem Leser den Einstieg in die digitale Simulation erleichtem sollen, runden das Kapitel
abo
Der zunehmende Einsatz von WINDOWS 3.x hat auch vor PSPICE keinen Halt ge
macht. Diesem Sachverhalt haben wir in Kapitel 10 Rechnung getragen, in dem die
Windows-Version "Design Center" beschrieben wird. Ahnlich wie bei der Beschreibung
der DOS-Version werden auch hier die einzelnen Menus erkHirt. Eine Beispielsimula
tion stellt den Weg von der Eingabe des Schaltplanes bis zur Darstellung der Simulati
onsergebnisse dar.
Ein Hinweis uber die verwendeten Konventionen bei der Textdarstellung:
Die Bestandteile einer "Circuit"-Datei sind in der Schriftart Courier gesetzt, dabei
gilt folgende Syntax:
• Notwendige Parameter sind durch dreieckige Klammem gekennzeichnet, in denen
die Art der Eingabe spezifiziert ist.
• Optionale Parameter sind zusatzlich in rechteckigen Klammem eingeschlossen.
• Das Driicken spezieller Tasten wird durch den Tastennamen in GroBbuchstaben,
eingeschlossen in dreieckigen Klammem, angegeben, z.B. bedeutet <CRTL> die
Taste CRTL.
Siegen, im September 1994 Dietmar Ehrhardt
Jiirgen Schulte
VII
InhaItsverzeichnis
1 Einfiihrung .................................................................................................... .
2 Erstellung einer "Circuit"-Datei ................................................................... 5
2.1 Umsetzung eines Schaltplanes ........................ ........................... ....... .... ... 6
2.1.1 Schaltelemente...................................... ............... ......................... 7
2.1.2 Modelle......................................................................................... 13
2.1.3 Teilschaltungen............................................................................. 24
2.1.4 Makromodelle............................................................................... 28
3 Wahl der Analysearten ................................... .................................... ...... ..... 31
3.1 G leichstromanalyse........................ .......................................................... 31
3.1.1 Gleichstromiibertragungsfunktion......... ......................................... 31
3.1.2 Arbeitspunkt.................................................................................. 32
3.1.3 Empfindlichkeiten......................................................................... 32
3.1.4 Kleinsignal-Obertragungsfunktion................................................. 33
3.2 Analyse im Frequenzbereich.................................................................... 33
3.2.1 Frequenzgang................................................................................ 33
3.2.2 Rauschanalyse............................................................................... 34
3.3 Analyse im Zeitbereich............................................................................ 35
3.3.1 Transient-Analyse ......................................................................... 35
3.3.2 Spektralanalyse ............................................................................. 35
3.3.3 Verzerrungsanalyse ....................................................................... 36
3.4 Zusatzliche Moglichkeiten....................................................................... 36
3.4.1 Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse) ................................. 36
3.4.2 Worst-Case-Analyse (.WCASE).................................................... 37
3.4.3 Setzen von Startbedingungen ........................................................ 37
3.4.4 Temperaturanalyse ........................................................................ 37
3.4.5 Parametervariation ........................................................................ 38
3.4.6 Beobachten von Simulationsergebnissen ....................................... 38
3.4.7 Andem von Kontrollparametern.................................................... 38
4 Wahl der Signalquellen ................................................................................. 41
4.1 Gleichstromquellen.................................................................................. 41
4.2 Wechselstromquellen............................................................................... 42
4.3 Zeitabhangige Quellen............................................................................. 42
4.3.1 Sinusquelle.................................................................................... 42
4.3.2 Exponentialquelle ......................................................................... 45
4.3.3 Pulsquelle...................................................................................... 46
4.3.4 Polygonquelle ............................................................................... 47
4.3.5 Frequenzmodulierte Quelle ........................................................... 48
VIII InluUtsverzeicb[ris
4.4 Gesteuerte Quellen................................................................................... 49
4.4.1 Lineare Quellen........................ .................................................. ... 50
4.4.2 Nichtlineare Quellen ....... .............. ......... .... ... ................................ 50
5 Auswertung der Ergebnisse ........................................................................ ... 52
5.1 Textausgabe............................................................................................. 52
5.1.1 Ausgabe der Schaltungsbeschreibung... ......................................... 52
5.1.2 Ausgabe von Arbeitspunktinfonnation und die direkte Ausgabe
einiger Programmteile................................................................... 53
5.1.3 Ausgabe von tabellarischen Ergebnissen ................................... .... 53
5.1.4 Ausdruck von Zeilendruckerplots.................................................. 54
5.1.5 Ausgabe der Rechenstatistik.......................................................... 54
5.2 Graphische Auswertung (PROBE) ........................................................... 57
5.2.1 Auswahl vom Hauptmenii ............................................................. 58
5.2.2 Auswahl vom Abschnittsmenii ........................ ........................ ...... 59
5.2.3 Auswahl vom Plotmenii ................................................................ 59
6 Angewandte Beispiele fUr Simulationen ....... .............. .............................. .... 69
6.1 Differenzverstiirker ..................... ............................................................. 69
6.2 LC-Filter.................................................................................................. 81
6.3 Einfacher Operationsverstiirker ................................................................ 86
6.4 Einfacher Transistorverstiirker ............ ..................................................... 94
6.5 Oszillatoren ............................................................................................. 102
6.5.1 Oszillationsstimulus ...................................................................... 103
6.5.2 RC-Oszillator ................................................................................ 103
6.5.3 Meillneroszillator .......................................................................... 107
6.5.4 Wien-Robinson-Oszillator ............................................................. 111
6.6 Integrierter Breitbandverstiirker MSAOI04 ............................................... 115
6.7 LC-Filter .................................................................................................. 123
6.8 Mischerschaltung ..................................................................................... 128
6.9 Bandgap-Referenz ................................................................................... 133
7 Digitale Simulation ........................................................................................ 137
7.1 Grundbegriffe .......................................................................................... 137
7.1.1 Logische Pegel .............................................................................. 137
7.1.2 "Starke" eines digitalen Ausgangs ................................................. 137
7.1. 3 Globale digitale Knoten und Spannungsversorgung....................... 13 8
7.2 Digitale Bauelemente und ihre Modelle ................................................... 139
7.2.1 Allgemeine Syntax........... ................... .............. ............................ 139
7.2.2 Timing Model ............................................................................... 141
7.2.3 IIO-Model ..................................................................................... 142
7.2.4 Beschreibung der digitalen Bauelemente ....................................... 143
7.3 Digitale Signalquellen........................................ ................. .... ................. 166
7.3.1 Stimulus Generator ........................................................................ 167
IrUla1tsverzeiclunis IX
7.3.2 File Stimulus ................................................................................. 169
7 .4 Mixed-Mode Simulation.......................................................................... 171
7.5 Analysearten ................ ............................. ........... .................... ......... ....... 172
7.6 Beispiele fur digitale Simulationen .......................................................... 172
7.6.1 Bitmustererkenner ......................................................................... 172
7.6.2 Digitaler Funktionsgenerator ......................................................... 175
8 Beispiele aus anderen Disziplinen ................................................................. 179
8.1 Mechanik ................................................................................................. 179
8.1.1 Analogie zur Elektrotechnik .......................................................... 179
8.1.2 Ausfiihrungsbeispie1 (Radaufhangung) .......................................... 180
8.2 E1ektroakustik............................... ............ ............. ....... ............. ....... ....... 189
8.2.1 Ana10gie zur E1ektrotechnik.......................................................... 189
8.2.2 Ausfiihrnngsbeispiel (BaBreflexbox) ............................................. 190
9 Nachbildung von Bauelementen, die in SPICE direkt nicht vorkommen .... 195
9.1 Idea1er OP ................................................................................................ 195
9.2 Makromodelle .......................................................................................... 196
9.3 Spannungsabhangige Baue1emente ........................................................... 197
9.3.1 Spannungsgesteuerte Impedanz ..................................................... 197
9.3.2 Spannungsgesteuerte Admittanz .................................................... 199
9.4 "Analog Behavioral Modeling" ................................................................ 200
9.4.1 Beispiel: Phasenregelschleife (PLL) .............................................. 203
10 PSPICE unter Windows mit graphischer Schaltplaneingabe ...................... 208
10.1 Schematics ............................................................................................... 208
10.1.1 File-Menii ................................................................................... 209
10.1.2 Edit-Menii ................................................................................... 210
10.1.3 Draw-Menii ................................................................................. 212
10.1.4 Navigate-Menii ........................................................................... 214
10.1.5 View-Menii ................................................................................. 215
10.1.6 Options-Menii ............................................................................. 215
10.1.7 Analysis-Menii ............................................................................ 216
10.1.8 Too1s-Menii ................................................................................ 218
10.1.9 Markers-Menii ............................................................................ 219
10.1.10 Help-Menii .................................................................................. 219
10.2 Symbol-Editor ......................................................................................... 220
10.2.1 Fi1e-Menii ................................................................................... 220
10 .2.2 Edit-Menii ................................................................................... 221
10.2.3 Graphics-Menii ........................................................................... 223
10.2.4 Part-Menii ................................................................................... 224
10.2.5 Packaging-Menii ......................................................................... 225
10.2.6 View-Menii ................................................................................. 225
10.2.7 Options-Menii ............................................................................. 226
x
IrUnaltsverzeiclunis
10.2.8 Help-Menu .................................................................................. 226
10.3 Beispielsimulation LC-TiefpaBfilter ......................................................... 226
10.3.1 Das Plazieren von Bauelementen ................................................ 226
10.3.2 Die Speziftkation von Bauelementen .......................................... 227
10.3.3 Parametervariation ...................................................................... 229
10.3.4 Verdrahtung ................................................................................ 231
10.3.5 Bezeichnung der Knoten ............................................................. 231
10.3.6 Setzen eines Markers .................................................................. 232
10.3.7 Speziftkation der Analysen ......................................................... 233
10.3.8 Start der Simulation und Auswertung .......................................... 235
10.4 Beispiel mit dem Symbol-Editor. ............................................................. 237
11 Modellbestimmung........................................................................................ 242
ILl Aus den Datenblattern .............................................................................. 242
11.2 MitPARTS .............................................................................................. 248
12 Installations-und Bedienungshinweise zur Software ................................... 249
12.1 Installation unter DOS ............................................................................. 249
12.1.1 CONTROL SHELL (bis Version 5.4) ........................................... 249
12.1.2 CONTROL SHELL (Version 6.0) ................................................ 255
12.1.3 PSPICE ........................................................................................ 258
12.1.4 PROBE ........................................................................................ 259
12.1.5 PARTS ......................................................................................... 262
12.2 Installation unter Windows 3.x ................................................................. 262
MSIM.INI........................ .... .................................................................... 263
Literaturverzeichnis .............................................................................................. 264
Sachwort.............................................................. .................. ........ ......................... 266