Elektronik 3

SPICE

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Numerische Berechnung: SPICE Simulation

Was ist SPICE?

Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis

Installation
Netzliste
Simulationsbeispiele
Modell und Simulation
Numerische und analytische Berechnungen

Programmvorstellung
Schaltkreiseingabe
Berechnung
Wechselspannungsquelle

Ziele

Sie laden LTSPICE herunter und installieren es.
Sie können in LTSPICE eine Schaltung eingeben.
Sie können eine Simulationsart zur Berechnung des Arbeitspunktes auswählen.
Sie können eine Simulation starten.
Sie können eine Netzliste lesen und die zugehörige Schaltung zeichnen.
Sie können das Ergebnis einer Simulation interpretieren und dokumentieren/abspeichern.

Literatur SPICE, Heinemann

PSPICE
Einführung in die Elektroniksimulation.
Mit CD, Robert Heinemann 30.-
Amazon
www.spicelab.de/index.htm

Bezugsquellen SPICE

PSPICE (Frei 60 Bauelemente)
Cadence
www.orcad.com

LTSPICE (Frei)
Linear Technology
Google suche

Multisim
National Instruments
Look and feel like real devices and measurement equipment

SPICE

Schaltungssimulator

Graphische Eingabe von Schaltungselementen (Schematic)
Erzeugung einer Netzliste (Netlist)
Berechnung von Spannungen und Strömen
Nichtlineare Elemente (Transistor/Diode)
Zeitlicher Verlauf von Spannungen und Strömen
Frequenzabhängige Amplitude und Phase

Iterative Lösung mit Hilfe vom Computer

Knotenpotenzialverfahren

LTSPICE für Windows

www.linear.com/designtools/software/

LTSPICE Netzliste

View, SPICE netlist

* C:\Programme\LTC\LTspiceIV\Draft1.asc
V1 N001 0 1
R1 N002 N001 50
R2 N002 0 50
.dc V1 0 2 0.1
.backanno
.end

V ist eine Spannungsquelle
N001, N002 Knotennamen
.dc Simulationsanweisung

SPICE Elemente der Netzliste

Spannungsquelle

Gleichspannung: V<name> <Knoten1> <Knoten2> <Wert>
Wechselspannung hat weitere Parameter:
SIN <offset> <amplitude> <frequenz> [<Verzögerung>]
LTSPICE: Menü Edit, Component, voltage

Stromquelle

Analog zur Spannungsquelle aber vorne ein I

Widerstand

R<name> <Knoten1> <Knoten2> <Wert>

Kapazität

C<name> <Knoten1> <Knoten2> <Wert>

Induktivität

L<name> <Knoten1> <Knoten2> <Wert>

Einheiten: m (10^-3), u(10^-6), k(10³), MEG(10⁶)

SPICE Simulationsanweisungen

Arbeitspunkt (Spannung, Strom)

.op

Variation einer Quelle

.dc <Quellenname> <startwert> <Endwert> <Schrittweite>

Variation mehrer Parameter

.dc Anweisung mit mehreren Elementen

Zeitliche Simulation

.tran <tstep> <tstop> [<tstart> <tmax>]

Übertragungsfunktion

.TF V(<Knoten1>,<Knoten2>) Vin
.TF I(<Elementname>)

Frequenzgang, Bodediagramm

.ac <dec> <Npoints> <startfrequenz> <EndFreq>

LTSPICE: Erste Schritte

File, New Schematic
Edit, Place Ground
Edit, Component, Voltage
< ESC >: Stop drawing
Edit, Resistor
Werte zuweisen: Rechtsklick auf die Komponente
50 Ohm, 1V Werte eingeben ohne Einheit
Edit, Draw Wire
Simulate, Edit Simulation Command (Tab DC Sweep)
1st Source, Name V1, Start 0, Stop 2, Step 0.1
Simulate, Run
Maus: Rechtsklick, Add Trace
Info: Links unten

LTSPICE: Konfiguration

Weisser Hintergrund

Tools, Color Preferences, Background

Dicke Linien

Tools, Control Panel
Waveforms, data trace width
Drafting options, pen thickness

Ströme und Spannungen von Subcircuits

Tools, Control Panel, Save Defaults
Erzeugt grosse Dateien auf der Festplatte: Tools, Control Panel, Operation, Automatically delete

Dokumentation

Help
Tools, Copy bitmap to clipboard

Beispiel: Widerstandsspannungsteiler , Arbeitspunkt: .op

Schaltplan

Spannungsquelle: Vin
Widerstände: R1, R2
(Orientierung-> Strom)
Knoten: Vin, Vout, 0
Analyseart: .op Arbeitspunkt
Vorsatzzeichen: k

Netzliste

* Widerstandsspannungsteiler.asc
V1 Vin 0 2
R1 Vout Vin 1k
R2 Vout 0 4k
.op
.backanno
.end

Ausgabe

--- Operating Point ---
V(vin): 2 voltage
V(vout): 1.6 voltage
I(R2): 0.0004 device_current
I(R1): -0.0004 device_current
I(V1): -0.0004 device_current

Beispiel: Widerstandsspannungsteiler Download

Schaltplan

Widerstandsspannungsteiler.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 160 32 80 32
WIRE 272 32 240 32
WIRE 304 32 272 32
WIRE 80 64 80 32
WIRE 272 64 272 32
WIRE 80 160 80 144
WIRE 176 160 80 160
WIRE 272 160 272 144
WIRE 272 160 176 160
WIRE 176 176 176 160
FLAG 176 176 0
FLAG 304 32 Vout
FLAG 80 32 Vin
SYMBOL voltage 80 48 R0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 2
SYMBOL res 256 16 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res 256 48 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 4k
TEXT 72 184 Left 2 !;op
TEXT 32 -16 Left 2 !.dc V1 0 5 0.2

Alle Schaltungen auf der Webseite kann man herunter laden.
Klick auf den Schaltplan
Lokales Abspeichern der Dateien
Start von LTSPICE und Laden der Datei

Parametervariation: .dc Vin 0 1 1m

Schaltplan

Netzliste

* Spannungsteiler.asc
V1 Vin 0 2
R1 Vout Vin 1k
R2 Vout 0 4k
;op
.dc V1 0 5 0.2
.backanno
.end

SPICE: Sinusförmige Wechselspannung

Rechtsklick auf die Quelle
und Advanced wählen
SINE

Simulate Edit
Simulate Cmd
.tran 0 2m 0m 0.01

Zeitliche Simulation: .tran 1n 3u

WiderstandsspannungsteilerSin.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 160 32 80 32
WIRE 304 32 240 32
WIRE 336 32 304 32
WIRE 80 64 80 32
WIRE 304 64 304 32
WIRE 80 160 80 144
WIRE 176 160 80 160
WIRE 304 160 304 144
WIRE 304 160 176 160
WIRE 176 176 176 160
FLAG 176 176 0
FLAG 336 32 Vout
FLAG 80 32 Vin
SYMBOL voltage 80 48 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 2 1MEG)
SYMBOL res 256 16 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 1k
SYMBOL res 288 48 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 4k
TEXT 72 184 Left 2 !;op
TEXT 32 -16 Left 2 !;dc V1 0 5 0.2
TEXT 216 184 Left 2 !.tran 0 4u 0

* WiderstandsspannungsteilerSin.asc
V1 Vin 0 SINE(0 2 1MEG)
R1 Vout Vin 1k
R2 Vout 0 4k
.tran 0 4u 0
.backanno
.end

Beispiel: LTSPICE AC Simulation RL

$\frac{U_{out}}{U_E} = \frac{R2 + j \omega L1}{R1 + R2 + j \omega L1}$
R1 = 80 Ω
R2 = 8 Ω
L1 = 15 µH
AC Simulation:
Spannungsquelle: AC 1
Simulation .AC

Kopfhoerer.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 176 112 112 112
WIRE 320 112 256 112
WIRE 400 112 320 112
WIRE 496 112 480 112
WIRE 496 144 496 112
WIRE 112 176 112 112
WIRE 112 288 112 256
WIRE 496 288 496 224
FLAG 112 288 0
FLAG 320 112 Uout
FLAG 496 288 0
SYMBOL voltage 112 160 R0
WINDOW 123 24 124 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value2 AC 1
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 0.27 1k)
SYMBOL res 272 96 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 80
SYMBOL res 496 96 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 8
SYMBOL ind 480 128 R0
SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 15�
TEXT 240 168 Left 2 !;tran 4m
TEXT 224 200 Left 2 !.ac dec 10 1 1G

$\omega_{1 3dB} = \frac{R2}{L1} = 533E3 s^{-1}$

$f_{1 3dB} = \frac{\omega_{1 3dB}}{2 \pi } = 84 Hz$

$\omega_{2 3dB} = \frac{R1 + R2}{L1} = 5866E3 s^{-1}$

$f_{2 3dB} = \frac{\omega_{2 3dB}}{2 \pi } = 933 Hz$
Mit der Normierung auf s^-1 kann man den 10er Logarithmus berechnen:

$20 log (\frac{R2}{L1}) = 135 dB$

$20 log (\frac{R1 + R2}{L1}) = 114 dB$
Die durchgezogene Linie gehört zur linken Achse und ist das Mass.
Die gestrichelte Linie ist die Phase und gehört zur rechten Achse.
Bei der Eckfrequenz hat sich der Betrag um 3dB geändert und die Phase ist 45 °.
|jω| = Re
Betrag:

$20 log \sqrt{2} = 3 dB$
Phase: arctan(jω/Re) = 45°.

Spannungsverläufe und Messung

Spannungsverlauf
VA A 0 PWL file=a.txt
VB B 0 PWL file=B.txt
VC Ci 0 PWL file=C.txt

a.txt
0n 0
9n 0
10n 1
19n 0
20n 1
29n 1
30n 0

Anzeige von Mittelwert und Effektivwert

Die Legende der Kurve im Waveformfenster anwählen.
< strg > Maus Linksclick

Messungen von Zeiten

.Measure TAX00 WHEN V(ax)=0.5 FALL=1
.Measure TY101 WHEN V(y1)=0.5 RISE=1
.Measure DY101 PARAM (TY101-TAX00)*1E12

Name des Ergebnisses TAX00
Spannung vom Knoten ax von 0.5V
bei einer fallenden Flanke

Hilfe LTSPICE für Temperaturvariation: Suchbegriff R, TEMP

Temperaturvariation

R1 N001 0 200 tc=0.01
V1 N001 0 2
.dc v1 0 1 0.1 TEMP 27 127 100
.end

Die Spannungsquelle V1 wird variiert
Die Temperatur wird variiert.
Ist das Ergebnis sinnvoll?
Eine Temperaturänderung von 100K bewirkt eine Widerstandsänderung mit dem Faktor 2.

Variation von Bauteileigenschaften

Erzeuge einen Parameter durch geschweifte Klammern.
{R2}
Setze einen Wert
.param R2 100
Variiere den Parameter:
.step parameter <name> <start> <stop> <step>
.step parameter R2 100 300 100

LTSPICE: HELP Rules of Hierarchy

Create a schematic with Pins:

Edit->Label Net

Port Type

Create a symbol: preamp.asy for preamp.asc

Edit->Add Pinport
Make visible (TOP RIGHT BOTTOM LEFT)

Place Instance

Edit->Component
Select correct directory

Hierarchie

Eine Schaltung kann als Block definiert werden, um Sie öfters zu verwenden.

Dazu müssen Knoten als Eingänge und Ausgänge definiert werden: Label net
Dazu muss ein Symbol erzeugt werden: Hierarchy, Open this Sheets symbol
Diese Schaltungen können dann mit Edit, Components nach Auswahl des lokalen Verzeichnisses eingefügt werden.

Netzliste

XX1 IN D7 IN1 pipestageinv

* block symbol definitions
.subckt pipestageinv In Dout Vout
M1 N001 In 0 0 CN
…
ends pipestageinv

SPICE Texte in der Schaltung (Netlist)

.model CN NMOS(LEVEL=1 KP=11m VT0=1 LAMBDA=0.018 CGDO=400n)
.global VDD

Diese Spannung (Knoten) ist überall verfügbar

.include cmosedu_models.txt

Einfügen von Modellen oder Schaltkreisblöcken (Subcircuits)

.options plotwinsize=0

Wichtig für eine FFT, damit nicht nur mit angezeigten Werten gerechnet wird.

.ic v(n001) = 0

Bei Speicherzellen wird dies für die schnelle Berechnung des DC Arbeitspunktes benötigt.
Kann dies auch in Subcircuits gesetzt werden?

Warum müssen Schaltungen noch analytisch Berechnet werden?

Das Verständnis von Ursache und Wirkung ist besser:

Strom- oder Spannungsteiler
Phasengang

Analytisch ist eine direkte Optimierung möglich.
Numerisch müssen alle Variationen ausprobiert werden.

Iteration

Bsp. Spannungsteiler für halbe Spannung:

Analytisch: U2= R1/(R1+R2) U1 = ½ U1 -> R1=R2
Numerisch: Starte mit gegebenem R1,R2 ändere R1 bis Spannung die Hälfte.

Analytische Abschätzung fördern das Verständnis für Schaltungen

SPICE Zusammenfassung

Mit SPICE lassen sich Rechenergebnisse kontrollieren.
SPICE ist das wichtigste Werkzeug um Schaltungen zu entwerfen.
Elemente von SPICE

Schaltplan
Netzliste
Simulationsanweisung
Graphische Ausgabe der Ergebnisse

Anwendung

Statische Spannungen und Ströme berechnen
Zeitliche Verläufe berechnen
Effektivwerte berechnen

Leicht erlernbar mit einfachen Beispielen.

SPICE kann noch viel mehr!!!

Fragen: SPICE

Was ist SPICE?

Was ist eine Netzliste?

Wie stellen sie Quellen, Widerstände und Spulen in SPICE dar?

Welche Analysearten von SPICE kennen Sie?

Wozu wird SPICE verwendet?

Beispiel: SPICE Netlist

* C:\Program Files (x86)\LTC\LTspiceIV\Draft3.asc
V1 N001 0 PWL(0 2 1m 2 2m 3 3m 1 4m 3 6m 2)
R2 Vout N001 10
R3 Vout 0 20
.dc V1 0 2 0.1
.end

Zeichnen Sie den Schaltkreis und die Spannung Vout.

Nächste Vorlesung:

Elektronik 1: 14 Schaltungsentwurf

Grundlagen Elektrotechnik 2: 5 Zeigerdarstellung

2020 09 07 Elektronik 3 01 SPICE Prof. Dr. Joerg Vollrath

Elektronik 3

SPICE

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Numerische Berechnung: SPICE Simulation

Ziele

Literatur SPICE, Heinemann

Bezugsquellen SPICE

SPICE

LTSPICE Netzliste

SPICE Elemente der Netzliste

SPICE Simulationsanweisungen

LTSPICE: Erste Schritte

LTSPICE: Konfiguration

Beispiel: Widerstandsspannungsteiler , Arbeitspunkt: .op

Beispiel: Widerstandsspannungsteiler Download

Parametervariation: .dc Vin 0 1 1m

SPICE: Sinusförmige Wechselspannung

Zeitliche Simulation: .tran 1n 3u

Beispiel: LTSPICE AC Simulation RL

Spannungsverläufe und Messung

Hilfe LTSPICE für Temperaturvariation: Suchbegriff R, TEMP

Temperaturvariation

Variation von Bauteileigenschaften

LTSPICE: HELP Rules of Hierarchy

Hierarchie

SPICE Texte in der Schaltung (Netlist)

Warum müssen Schaltungen noch analytisch Berechnet werden?

SPICE Zusammenfassung

Fragen: SPICE

Beispiel: SPICE Netlist

Nächste Vorlesung: