Simulieren mit PSPICE

Die Personalcomputer und ihre Software sind im Laufe der Zeit so leistungsfähig und preisgünstig geworden, daß sie zunehmend im Bereich der Entwicklung analoger elektrischer Schaltungen eingesetzt werden. Vor zehn Jahren hat der typische Entwickler von analogen Schaltkreisen die meiste Zeit am Schreibtisch mit Papier, Bleistift und Taschenrechner verbracht. Hin und wieder ging er in das Labor, um seine Arbeit zu überprüfen.

Wie oben erwähnt, enthält die „Circuit“-Datei die vollständige Beschreibung der zu simulierenden Schaltung, die Art und Spezifikation der zur Anwendung kommenden Analysen und die zur Auswertung der Simulation benötigten Anweisungen. Bei der Erstellung dieser „Circuit“-Datei sind die nun folgenden Regeln zu beachten.

PSPICE erlaubt eine Vielzahl von Analysen. Im wesentlichen kann man jedoch die Analysearten in zwei grundsätzliche Bereiche einordnen, und zwar in die Großsignalanalyse und in die Kleinsignalanalyse. Bei der Großsignalanalyse werden zur Berechnung die vollständigen (meist nichtlinearen) Bauelementgleichungen benutzt. Die Großsignalanalyse stellt somit ein echtes Abbild des Schaltungsverhaltens dar. Bei der Kleinsignalanalyse wird erst die Schaltung im Arbeitspunkt linearisiert und dann sämtliche Analysearten mit dieser linearisierten Schaltung durchgeführt. Das hat zur Folge, daß eventuelle Arbeitspunktveränderungen, bedingt durch einen Analyseparameter nicht berücksichtigt werden (z. B. wenn der Arbeitspunkt einer Schaltung frequenzabhängig ist). Im Zweifelsfalle beschreibt demnach die Großsignalanalyse das Schaltungsverhalten am exaktesten.

PSPICE erlaubt eine Vielzahl von Signalquellen. Die primäre Unterscheidung ist die nach Spannungsquellen und Stromquellen. Daneben unterscheidet PSPICE unabhängige und abhängige Quellen. Die unabhängigen Quellen müssen entsprechend der gewählten Analysearten spezifiziert werden, wobei es auch möglich ist, eine Quelle für alle vorkommenden Analysearten in einer Anweisung festzulegen. Unabhängige Spannungsquellen ohne Angabe einer Analyseart und ohne Spannungsangabe lassen sich als Amperemeter in einer Schaltung einsetzen (z. B. beschreibt Vmess 5 4 eine Spannungsquelle mit einer Spannung von 0 V zwischen den Knoten 5 und 4, deren Strom über. Print,. Plot oder. Probe abgerufen werden kann). Um die Spezifikation der unabhängigen Quellen zu erleichtern, bietet PSPICE einen „Stimulus Editor“, der eine bequeme Eingabe und eine optische Kontrolle des gewählten Signalverlaufs gestattet. In der Demonstrationsversion von PSPICE erlaubt der „Stimulus Editor“ leider nur das Editieren von Sinusquellen, daher kann die Behandlung dieses nützlichen Hilfsmittels nur beispielhaft erfolgen.

Die bei PSPICE anfallenden Ergebnisse einer Simulation fallen in zwei Kategorien, und zwar in solche, die nur in Textform darstellbar sind und solche, die wahlweise in Textform oder in graphischer Form darstellbar sind· Zu den Ergebnissen, die nur in Textform darstellbar sind, gehören die Schaltungsbeschreibung, die Arbeitspunktinformation, detaillierte Rauschergebnisse, Monte-Carlo- und Worst-Case-Ergebnisse und Laufzeitstatistiken· Knotenspannungen und Bauelementströme sind wahlweise über spezielle Befehle (· Print und · Plot) in Textform abrufbar oder über den Befehl · Probe durch einen nachfolgenden Postprozessor graphisch auswertbar.

In diesem Kapitel soll anhand von Mustersimulationen gezeigt werden, wie man Problemstellungen aus der elektronischen Schaltungstechnik mit Hilfe von PSPICE bewältigen kann. Dabei soll auch gezeigt werden, wie man für bestimmte Anwendungsfälle die relevanten Meßgrößen ermitteln kann, wie z.B. die Rauschzahl oder den „3rd order intercept point“ (Kennzahl zur Charakterisierung von Verzerrungsprodukten 3. Ordnung) eines Verstärkers.

PSPICE ist neben der Simulation analoger Schaltungen auch in der Lage, als Logiksimulator zu fungieren. Dabei ist es nicht erforderlich, daß die „Circuit“-Datei aus rein digitalen Komponenten besteht. Es können auch analoge Bauelemente eingesetzt werden (Mixed-Mode Simulation). Anders als bei anderen Simulationsprogrammen, die hierfür oftmals zwei getrennte, im Multitasking-Verfahren arbeitende Simulatoren besitzen, die ihre Ergebnisse ständig gegenseitig austauschen, ist die digitale Simulation bei PSPICE Teil der analogen Simulation. Daher besteht auch zwischen der Syntax einer analogen und einer digitalen „Circuit“-Datei prinzipiell kein Unterschied.

Die Vorgänge in anderen Disziplinen, wie z. B. in der Mechanik, werden oft mit Gleichungssystemen beschrieben, bei denen sich eine direkte Entsprechung in der Elektrotechnik findet. Diese Entsprechung läßt sich ausnutzen, um z. B. mechanische Vorgänge mittels PSPICE zu simulieren, indem man die äquivalenten elektrischen Bauelemente verwendet. In diesem Kapitel soll vorwiegend auf die mechanisch-elektrische Analogie eingegangen werden, vertieft durch Beispiele aus der Automobiltechnik und Audiotechnik.

In der Elektrotechnik ist der Operationsverstärker ein häufig benutztes Bauelement. Aufgrund seiner internen Komplexität ist er kein Grundelement von SPICE, so daß man sich ihn selbst erzeugen muß. Je nach Anwendung genügt jedoch schon ein ganz simples Modell. So kann z. B. ein idealer OP durch eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle ersetzt werden, wie das folgenden Beispiel zeigt.

Seit der Version 5.0 von PSPICE liefert Microsim für die graphische Benutzeroberfläche „Windows“ ein Schaltplaneingabemodul, genannt „Schematics“. Es erlaubt das Zeichnen eines Schaltplanes für die zu simulierende Schaltung, prüft die Schaltung auf Eingabefehler, extrahiert aus dem Schaltplan die Netzliste für PSPICE, startet den Simulator und ruft nach der Simulation PROBE auf. Schematics war anfangs ein eigenständiges Modul, das aus Windows heraus die DOS-Programme PSPICE und PROBE aufrief. Ab der Version 5.1 hat Microsim das „Design Center“ eingeführt, in dem neben Schematics spezielle Windows-Applikationen von PSPICE und PROBE eingebunden sind. Die Programme „Parts“ und „Stimulus Editor“ waren nach wie vor DOS-Applikationen geblieben. Im Design Center sind die eigentlich eigenständigen drei Programme Schematics, PSPICE und PROBE durch einen im Hintergrund weilenden „Design Manager“ verbunden. Er koordiniert die Datenflüsse zwischen den einzelnen Programmen. So ist es zum Beispiel möglich, nach erfolgter Simulation in den Schaltplan zu gehen und dort „Marker“ an Signalleitungen zu setzen, die man näher analysieren möchte. Direkt darauf läßt sich dann der dazugehörigen Kurvenzug in PROBE betrachten.

Um realistische Simulationen zu erhalten, müssen die Modelle der einzelnen Bauelemente möglichst gut spezifiziert sein. Kann man bei den passiven Elementen „Widerstand“, „Kapazität“ und „Induktivität“ noch auf ein Modell verzichten, ist dies bei den Halbleiterbauelementen nicht mehr möglich. Um an die notwendigen Parameter zu gelangen, könnte man die Bauelemente elektrisch vermessen. Dies ist jedoch sehr aufwendig und zeitintensiv. Werden lediglich die voreingestellten Default-Werte benutzt, ergibt sich nur ein einfaches Standardmodell, das weder strom- noch frequenzabhängig ist. Als dritte Alternative bietet sich das Programm PARTS an. Die Demoversion von PSPICE erlaubt jedoch nur die Modellierung einer Diode. Näheres hierzu soll in Kapitel 11.2 beschrieben werden.

Mit der Bestellkarte, die diesem Buch beiliegt, kann bei der Firma Thomatronik die aktuelle Demoversion des Programms PSPICE bezogen werden. Für den Betrieb der Software sind die folgenden Hardware-Anforderungen notwendig: