Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik 3       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

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


Literatur SPICE, Heinemann

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


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


SPICE Simulationsanweisungen


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

  • 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
  • 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

\( \omega_{1 3dB} = \frac{R2}{L1} = 533E3 s^{-1} \)
\( f_{1 3dB} = \frac{\omega_{1 3dB}}{2 \pi } = 84 Hz \)
\( \omega_{2 3dB} = \frac{R1 + R2}{L1} = 5866E3 s^{-1} \)
\( f_{2 3dB} = \frac{\omega_{2 3dB}}{2 \pi } = 933 Hz \)
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

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)


Warum müssen Schaltungen noch analytisch Berechnet werden?


SPICE Zusammenfassung

Fragen: SPICE

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.