Schaltungssimulation im Amateurfunk mit SPICE

Schaltungssimulation im Amateurfunk mit SPICE
Uwe Neibig, DL4AAE
OV-Abend P51
14.11.2008
1. Einleitung
2. Das Programm SPICE
3. Ablauf einer Simulation
4. Anwendungsbeispiele
© DL4AAE 11/2008
5. Literatur
DL4AAE
SPICE im Afu (01)
14.11.2008
Einleitung
Was ist Schaltungssimulation?
• Berechnung von Spannungen und Strömen
• in elektr. Schaltungen (Netzwerken)
• zur Nachbildung der Realität.
I1
1
2
R
C
U2
© DL4AAE 11/2008
U1
DL4AAE
SPICE im Afu (02)
14.11.2008
Einleitung
Was ist mit Schaltungssimulation möglich?
• Berechnung des elektr. Verhaltens einer gegebenen Schaltung (Analyse):
Spannung, Strom, Impedanz, Leistung, Dämpfung, S-Parameter, ...
• Optimierung von Bauelement-Werten einer gegebenen Schaltung,
um gewünschtes elektr. Verhalten zu erreichen
© DL4AAE 11/2008
• Beispiele: siehe Kap. 4
DL4AAE
SPICE im Afu (03)
14.11.2008
Einleitung
Was ist mit Schaltungssimulation nicht möglich?
• Entwurf einer Schaltung (Synthese): ”Ideen finden im Kopf statt!”
• Nachbildung der Realität, wenn Bauelement-Modelle nicht vorhanden / nicht
geeignet sind
© DL4AAE 11/2008
• Beispiel: ”Entwurf einer Sommerzeit-Umschaltung”
DL4AAE
SPICE im Afu (04)
14.11.2008
Das Programm SPICE
Was ist SPICE?
• Abkürzung für: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
(historisch bedingt)
• Ursprünglich entwickelt an der University of California at Berkeley
(SPICE1, 1972)
• Programm zur Analyse von (nahezu) beliebigen Schaltungen
(Berechnung der Knotenspannungen)
• Mögliche Schaltungselemente: Widerstand, Kondensator, Spule, Übertrager,
Spannungs-/Stromquellen, Leitungen, Schalter,
Halbleiter (Diode, Bipolar-/Feldeffekt-Transistoren)
DL4AAE
SPICE im Afu (05)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
• Analysearten: nicht-linear DC, linear AC, nicht-linear transient
Das Programm SPICE
Übersicht der Varianten (Auswahl)
Variante
Beschreibung
Vorteile
Nachteile
SPICE3
letzte Version des
Berkeley-Projekts (1985)
C-Quelltext frei
verfügbar
Schaltungs-Eingabe nur als
Netzliste (SPICE-Input-File)
[2]
WinSpice Portierung von SPICE3
auf Windows
kompatibel zu SPICE3
wie SPICE3
[3]
PSpice
Erste PC-Version von
SPICE (1984), GUI,
zusätzliche
Schaltungselemente
weite Verbreitung
(Quasi-Standard),
Modell-Vielfalt,
grafische SchaltplanEingabe
max. 64 Knoten bei
freier Demo-Version,
nicht vollkommen kompatibel
zu SPICE3
[4]
LTSpice
Portierung von SPICE3
kompatibel zu SPICE3, (keine)
auf Windows + GUI (von IC- grafische SchaltplanHersteller Linear Techn.)
Eingabe
DL4AAE
SPICE im Afu (06)
Quelle
© DL4AAE 11/2008
[5]
14.11.2008
Ablauf einer Simulation
Übersicht
1. Schaltung und Analyseart sind bekannt
2. Bauteil-Modelle beschaffen
3. Schaltung in SPICE-lesbares Format umsetzen
4. Analyse-Parameter festlegen
5. Analyse durchführen
© DL4AAE 11/2008
6. Ergebnisse darstellen und überprüfen
DL4AAE
SPICE im Afu (07)
14.11.2008
Ablauf einer Simulation (Beispiel)
1. Schaltung und Analyseart sind bekannt
• Schaltung: RC-Tiefpass
R = 1 kW
1
• Gesucht: Frequenzgang der Übertragungsfunktion U2/U1
• ⇒ lineare AC-Analyse
2
U1
C = 100 nF
U2
© DL4AAE 11/2008
0
DL4AAE
SPICE im Afu (08)
14.11.2008
Ablauf einer Simulation (Beispiel)
2. Bauteil-Modelle beschaffen
⇒ in diesem Beispiel nicht erforderlich
Quellen für Bauteil-Modelle:
• SPICE-Modell-Bibliothek (PSpice, LTSpice)
• Bauteil-Hersteller (Internet)
• Literatur
• aus Datenblatt-Angaben
© DL4AAE 11/2008
• aus Messungen
DL4AAE
SPICE im Afu (09)
14.11.2008
Ablauf einer Simulation (Beispiel)
3. Schaltung in SPICE-lesbares Format umwandeln
Netzliste (SPICE-Input-File)
RC-Tiefpass
DL4AAE, 25.09.2008
1
R1
1k
V1
AC 1.0
0.0
2
C1
100n
© DL4AAE 11/2008
.
.
V1 1 0 DC 0.0 AC 1.0
R1 1 2 1k
C1 2 0 100n
.
.
”Schematic” (LTSpice)
DL4AAE
SPICE im Afu (10)
14.11.2008
Ablauf einer Simulation (Beispiel)
Netzliste ⇔ Schematic
Netzliste
Vorteile
Schematic
bei kleinen Schaltungen oft schneller, grafische Eingabe,
automatisch erstellbar,
Dokumentation inbegriffen
bei vielen Modellen oft einzige Form
Nachteile bei großen Schaltungen unübersichtlich und fehlerträchtig
nicht für alle Modelle verfügbar
DL4AAE
SPICE im Afu (11)
© DL4AAE 11/2008
⇒ Schematic bevorzugen, aber Netzliste verstehen!
14.11.2008
Ablauf einer Simulation (Beispiel)
4. Analyse-Parameter festlegen
Netzliste (SPICE-Input-File)
”Schematic” (LTSpice)
RC-Tiefpass
* Autor: DL4AAE
* Datum: 25.09.2008
RC-Tiefpass
DL4AAE, 25.09.2008
1
R1
1k
DL4AAE
V1
AC 1.0
0.0
C1
100n
.ac dec 100 1 1MEG
© DL4AAE 11/2008
V1 1 0 DC 0.0 AC 1.0
R1 1 2 1k
C1 2 0 100n
.AC DEC 100 1 1MEG
.END
2
SPICE im Afu (12)
14.11.2008
Ablauf einer Simulation (Beispiel)
5. Analyse durchführen
mit Netzliste (alle 4 SPICE-Varianten)
mit ”Schematic” (LTSpice)
• Programm starten
• LTSpice starten
• Rechnung starten
• Rechnung starten
• SPICE-Input-File laden
• warten...
© DL4AAE 11/2008
• warten...
• ”Schematic” laden
DL4AAE
SPICE im Afu (13)
14.11.2008
Ablauf einer Simulation (Beispiel)
6. Ergebnisse darstellen und überprüfen
0
• v(2) darstellen
(da v(1) = 1 gewählt)
1+(2·π·f ·R·C)
• hier identisch!
−20
20 log (v(2))
• mit Theorie vergleichen:
1
| UU21 | = √
2
−10
−30
−40
−50
1
10
100
1000
10000
100000
1e+06
f/Hz
DL4AAE
SPICE im Afu (14)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
−60
Anwendungsbeispiele
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
DL4AAE
Schaltung
Analyseart Besonderheiten
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
DC
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
DC
PARAMETER, .STEP
HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-Transceiver
AC
S-Parameter
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver
AC
Quarz-Modellierung,
Impedanz-Berechnung,
S-Parameter, .MEAS
Antennen-Tuner
AC
Impedanz-Berechnung,
Leistungs-Berechnung
70-cm-Notchfilter
AC
S-Parameter, .MODEL,
.PARAM
VFO mit Colpitts-Oszillator
TRAN
Start einer Schwingung,
FFT
Breitband-HF-Vorverstärker
TRAN
.MODEL, .PARAM,
FFT
SPICE im Afu (15)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
Übersicht
Anwendungsbeispiele (1)
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
• Beispiel für nicht-lineare
DC-Analyse
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
Beispiel für DC-Analyse
DL4AAE, 26.09.2008
• Zener-Diode D1 aus
LTSpice-Modell-Bibliothek
R2
• Gesucht: Ausgangsspannung
V(OUT) in Abhängigkeit von der
Eingangsspannung V1
V1
12
OUT
365
D1
1N750
RL
1k
© DL4AAE 11/2008
.dc V1 0 20 0.1
DL4AAE
SPICE im Afu (16)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (1)
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
• für V 1 oberhalb ≈ 7 V
ist V (OU T ) konstant
bei ≈ 4,7 V
5.0
4.5
4.0
V(OUT)/V
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
V1/V
DL4AAE
SPICE im Afu (17)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
0.0
Anwendungsbeispiele (2)
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
• Beispiel für nicht-lineare
DC-Analyse mit Parameter
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
Beispiel für DC-Analyse mit Parameter
DL4AAE, 29.09.2008
• Gesucht: Ausgangsspannung
V(OUT) in Abhängigkeit von der
Eingangsspannung V1
und vom Last-Widerstand RL
R2
V1
12
OUT
365
D1
1N750
RL
{RL}
.STEP PARAM RL LIST 1k 500 250
© DL4AAE 11/2008
.dc V1 0 20 0.1
DL4AAE
SPICE im Afu (18)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (2)
Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode
• Knick-Spannung, ab der
V (OU T ) konstant ist,
steigt mit kleinerem RL
4.5
4.0
3.5
V(OUT)/V
• für V 1 oberhalb ≈ 14 V
ist V (OU T ) für alle
betrachteten Lastfälle
konstant bei ≈ 4,7 V
5.0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.0
0
DL4AAE
2
4
SPICE im Afu (19)
6
8
10
V1/V
12
14
16
18
20
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
RL = 1000 Ω
RL = 500 Ω
RL = 250 Ω
0.5
Anwendungsbeispiele (3)
HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-Transceiver [6]
• Beispiel für lineare AC-Analyse
• Gesucht: S-Parameter |S11| und |S21|
HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-Transceiver
Quelle: K3 schematics, www.elecraft.com
DL4AAE, 24.07.2008
L4
S21
1.2µ
V2
AC 1 0
C3
605p
R1
50
V1
AC 1 0
605p
C1
L2
R2
C4
C5
1650p
27µ
1m
1650p
390p
L1
L3
4.5µ
4.5µ
R3
50
© DL4AAE 11/2008
S11
C2
.ac dec 1000 0.1MEG 100MEG
DL4AAE
SPICE im Afu (20)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (3)
HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-Transceiver
• Dämpfung bei
fSP IEGEL = 3,5 MHz +
2 · fZF = 19,928 MHz:
≈ 87 dB
0
|S11|
|S21|
−20
20 log (S11), 20 log (S21)
• Geringe Dämpfung und
gute Anpassung
zwischen 3,5..4,0 MHz
(80-m-US-Band)
−40
−60
−80
−100
fSPIEGEL
−120
−140
0.1
1
10
100
f/MHz
DL4AAE
SPICE im Afu (21)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
−160
Anwendungsbeispiele (4)
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver [6]
• Beispiel für lineare AC-Analyse
• Gesucht: Durchlasskurve, 6-dB-Bandbreite
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver
Quelle: K3 schematics www.elecraft.com
DL4AAE, 26.09.2008
L1
2.8µ
V1
C1
XTAL1
470p 15.017265f
XTAL2
XTAL3
XTAL4
XTAL5
C7
L2
15.017265f
15.017265f
15.017265f
15.017265f
470p
2.8µ
S21
AC 1 0
S11
R1
500
C2
C3
C4
C5
C6
120p
390p
470p
470p
390p
V2
C8
120p
R2
500
© DL4AAE 11/2008
AC 1 0
DL4AAE
SPICE im Afu (22)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (4)
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver
Quarz-Modellierung
Angaben im K3-schematic:
• fRES = 8,214 MHz
• LS = 25 mH
Modell für ZF-Quarz, Elecraft K3-Transceiver
Quelle: K3 schematics www.elecraft.com
DL4AAE, 30.09.2008
1
CS
• CP < 4 pF
15.017265f
• Q > 100000
I1
daraus berechnete Werte:
LS
25m
0.0
AC 1.0
• CS = 15,017265 fF
CP
4p
RP
1MEG
RS
12.9
• RS = 12,9 Ω (für Q = 100000)
DL4AAE
SPICE im Afu (23)
© DL4AAE 11/2008
.ac lin 4001 8.20MEG 8.24MEG
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (4)
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver
Quarz-Modellierung
• Dargestellt:
Eingangs-Impedanz Z
= U 1/I1=V
ˆ (1)
10000
1000
100
10
8.200 8.205 8.210 8.215 8.220 8.225 8.230 8.235 8.240
f/MHz
DL4AAE
SPICE im Afu (24)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
• Parallel-Resonanz bei
8,229 MHz
(Ursache: CP )
100000
|Z|/Ω
• Serien-Resonanz bei
8,214 MHz
1e+06
Anwendungsbeispiele (4)
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver
• 6-dB-Bandbreite manuell mit Cursor im S21-Frequenzgang bestimmen
• 6-dB-Bandbreite von LTSpice mit .MEAS-Befehl bestimmen lassen
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver
Quelle: K3 schematics www.elecraft.com
DL4AAE, 26.09.2008
L1
2.8µ
V1
AC 1 0
S11
R1
500
C1
XTAL1
470p 15.017265f
XTAL2
XTAL3
XTAL4
15.017265f
15.017265f
15.017265f
XTAL5
C7
15.017265f 470p
C2
C3
C4
C5
C6
120p
390p
470p
470p
390p
V2
AC 1 0
L2
S21
2.8µ
C8
120p
R2
500
© DL4AAE 11/2008
.ac lin 1001 8.212MEG 8.216MEG
.MEAS AC tmp max mag(V(s21))
.MEAS AC 6dB-BW trig mag(V(s21))=tmp/2.0 rise=1
+
targ mag(V(s21))=tmp/2.0 fall=last
DL4AAE
SPICE im Afu (25)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (4)
ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver
manuell (mit Cursor):
0
• Max. suchen: -6,33 dB
−10
• Eck-Frequenzen mit -6 dB vom
Maximum suchen:
8,21405 MHz und 8,21450 MHz
−30
Auszug aus ”SPICE Error Log”:
.
.
tmp: MAX(mag(v(s21)))=(-6.32962dB,00)
6db-bw=453.22 from...
.
.
DL4AAE
−40
−50
−60
−70
−80
−90
−100
−110
8.2120 8.2125 8.2130 8.2135 8.2140 8.2145 8.2150 8.2155 8.2160
f/MHz
SPICE im Afu (26)
© DL4AAE 11/2008
mit .MEAS-Befehl in LTSpice:
−20
20 log (S21)
• Differenz ist Bandbreite: 450 Hz
6−dB−Bandbreite
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (5)
Antennen-Tuner
• Beispiel für lineare AC-Analyse
• Gesucht: Werte von L und C für 50-Ω-Anpassung, Verluste im Tuner
TX
Tuner
ANT
7 MHz
100 W
Endgespeister
Draht, 20 m lang
L
© DL4AAE 11/2008
C
DL4AAE
SPICE im Afu (27)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (5)
Antennen-Tuner
Abgleich
Antennen-Tuner
Anpassung bei 7 MHz
DL4AAE, 29.09.2008
• RAN T und LAN T aus
NEC-2-Rechnung
1
• Berechnung der EingangsImpedanz Z = U 1/I1=V
ˆ (1)
L1
12.560µ
I1
• Abgleich von L1 und C1 so,
dass Z = (50 + j 0) Ω
• ⇒ L1 = 12,56 µH, C1 = 45,444 pF
0.0
AC 1.0
C1
45.444p
LANT
68.2µ
RANT
2.4k
© DL4AAE 11/2008
.ac lin 1 7MEG 7MEG
DL4AAE
SPICE im Afu (28)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (5)
Antennen-Tuner
Verluste
• RS : Summe der Verluste in L1,
berechnet mit ”SOLNOID3.exe” [7]
• RP : Verluste im Drehko C1 unter
Annahme einer Güte von 300
Antennen-Tuner
Verluste bei 7 MHz
DL4AAE, 29.09.2008
RI
TX-OUT
50
L1
RS
12.132µ
1.4
OUT
V1
AC 141.42 0
C1
• in Tuner eingespeiste Leistung:
100 W auf 7,000 MHz
• Gesucht: Verluste im Tuner,
Leistung in Antenne
RP
46.88p 150k
LANT
68.2µ
ANT
RANT
2.4k
© DL4AAE 11/2008
.ac lin 1 7MEG 7MEG
DL4AAE
SPICE im Afu (29)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (5)
Antennen-Tuner
Leistungsbilanz
Leistung in Bauteil Formel
Zahlenwert
Ergebnis
aus LTSpice )1
Spule
RS
(I(RS))2 · RS
(1, 4141)2 · 1, 4
2,80 W
Drehko
RP
(V (OU T ))2/RP
(757, 71)2/150000
3,83 W
Antenne
RAN T
(V (AN T ))2/RAN T (473, 38)2/2400
100,00 W
© DL4AAE 11/2008
Summe
93,37 W
)1 : bei AC-Analyse mit nur einer Frequenz gibt LTSpice alle Spannungen und Ströme als Text aus
DL4AAE
SPICE im Afu (30)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (6)
70-cm-Notchfilter
• Beispiel für lineare AC-Analyse
• Gesucht: Dämpfung bei 432 MHz, Reflexion (SWR) bei 144 MHz
l/4-Leitung
C
offener l/4-Stub
DL4AAE
© DL4AAE 11/2008
C
offener l/4-Stub
SPICE im Afu (31)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (6)
70-cm-Notchfilter
Modellierung der Koaxialkabel
• Verwendung des .MODEL-Befehls zur Definition eines LTRA-Leitungsmodells
• Vorgabe Leitungsimpedanz, Verkürzungsfaktor und Widerstandsbelag mit .PARAM-Befehl
• LTSpice berechnet sich mit .PARAM-Befehl die notwendigen Werte für LTRA-Modell selbst
70-cm-Notchfilter mit Koaxialkabeln
DL4AAE, 30.09.2008
O2
C1
AC 1 0
R2
1MEG
O3
O1
R1
50
V1
4p
TLMOD2
TLMOD1
S11
C2
4p
AC 1 0
TLMOD1
V2
S21
.PARAM ZL=50 verk=0.66 c0=2.99792e8
R4 .PARAM R_BELAG=2.6; fuer RG213 mit 14.8 dB/100m @ 432 MHz
50 .PARAM L_BELAG=ZL/(verk*c0)
.PARAM C_BELAG=1/(ZL*verk*c0)
R3
1MEG
© DL4AAE 11/2008
.MODEL TLMOD1 LTRA R={R_BELAG} L={L_BELAG} C={C_BELAG} len=192.7m
.MODEL TLMOD2 LTRA R={R_BELAG} L={L_BELAG} C={C_BELAG} len=114.5m
.ac lin 801 100MEG 500MEG
DL4AAE
SPICE im Afu (32)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (6)
70-cm-Notchfilter
Rechenergebnis |S11| und |S21|
0
• Dämpfung bei 432 MHz: 58 dB
• Reflexions-Dämpfung bei
144 MHz: 17,8 dB =
ˆ SWR von 1,3
|S11|
|S21|
20 log(S11), 20 log(S21)
−10
−20
−30
−40
−50
150
200
250
300
350
400
450
500
© DL4AAE 11/2008
−60
100
f/MHz
DL4AAE
SPICE im Afu (33)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (7)
VFO mit Colpitts-Oszillator
• Beispiel für nicht-lineare
transiente Analyse (Zeitbereich)
VFO mit Colpitts-Oszillator
DL4AAE, 30.09.2008
VDD
• Gesucht: Ausgangsspannung
V(OUT)
• Diode D1 und JFET J1
aus LTSpice-Modell-Bibliothek
J1
2N4416
C3
410p
C1
680p
L2
3.9µ
R2
33k
D1
1N914
V1
C4
OUT
80p
C2
L1
10µ
680p
5
© DL4AAE 11/2008
.tran 0 50u 0 1n
DL4AAE
SPICE im Afu (34)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (7)
VFO mit Colpitts-Oszillator
Berechnete Ausgangsspannung V (OU T )
• Oszillator schwingt
nicht an!
1
• Grund: es fehlt der ”Kick”
V(OUT)/V
0.5
0
-0.5
0
DL4AAE
5
10
SPICE im Afu (35)
15
20
25
t/µs
30
35
40
45
50
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
-1
Anwendungsbeispiele (7)
VFO mit Colpitts-Oszillator
Start der Schwingung durch Einschalten der Betriebsspannung V DD [1]
VFO mit Colpitts-Oszillator
DL4AAE, 30.09.2008
VDD
J1
2N4416
C3
410p
C1
680p
D1
1N914
V1
C4
OUT
80p
C2
L1
10µ
680p
PULSE(0 5 1u 100n)
© DL4AAE 11/2008
L2
3.9µ
R2
33k
.tran 0 50u 0 1n
DL4AAE
SPICE im Afu (36)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (7)
VFO mit Colpitts-Oszillator
Berechnete Ausgangsspannung V (OU T )
• Oszillator schwingt!
V(VDD)
V(OUT)
5
4
V(OUT), V(VDD) / V
• Schwingung erreicht
nach etwa 40 µs
stabilen Endwert
6
3
2
1
0
-1
-3
0
DL4AAE
5
10
SPICE im Afu (37)
15
20
25
t/µs
30
35
40
45
50
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
-2
Anwendungsbeispiele (7)
VFO mit Colpitts-Oszillator
Berechnung des Spektrums von V (OU T ) mit FFT-Funktion in LTSpice
• Anwendung der FFT auf
die letzten 10 µs
(Schwingung stabil)
• Oberwellen hier sichtbar
(im Zeitbereich kaum)
0
-10
-20
V(OUT)/dBV
• VFO-Frequenz: 5,0 MHz
10
-30
-40
-50
-60
-70
-90
1
DL4AAE
SPICE im Afu (38)
5
10
f/MHz
100
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
-80
Anwendungsbeispiele (8)
Breitband-HF-Vorverstärker
• Beispiel für nicht-lineare
transiente Analyse (Zeitbereich)
IN
• Gesucht: Intercept-Punkt
3. Ordnung (IP3, Maß für
Großsignalfestigkeit)
• IP 3 = 12 · IM + PIN
OUT
POUT
PIN
IM
• Bestimmung mit 2-Ton-Signal
2f1-f2 f1 f2 2f2-f1
© DL4AAE 11/2008
f1 f2
DL4AAE
SPICE im Afu (39)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (8)
Breitband-HF-Vorverstärker [8]
• Transistor 2N5179:
Fairchild-Modell
C4
10n
• Berechnung V (OU T )
im Zeitbereich
L2
20µ
OUT
10n
L1 K12 L1 L2 0.99
RL
50
20µ +; 4:1-Trafo
3.3k
RB2
560
IN
C1
Q1
2N5179
10n
V2
SINE(0 {VIN} 9MEG)
V3
SINE(0 {VIN} 10MEG)
AC 0
RB3
1k
.MODEL 2N5179 NPN (
+ Is=69.28E-18 Xti=3 Eg=1.11 Vaf=100 Bf=282.1 Ne=1.177 Ise=69.28E-18
+ Ikf=22.03m Xtb=1.5 Br=1.176 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=4 Cjc=1.042p
+ Mjc=0.2468 Vjc=0.75 Fc=0.5 Cje=1.52p Mje=0.3223 Vje=0.75 Tr=1.588n
+ Tf=135.6p Itf=0.27 Vtf=10 Xtf=30 Rb=10)
RE1
7
CE
RE2
100 100n
.PARAM PIN=-40;
Eingangsleistung/dBm
.PARAM P_W=10**((PIN-30)/10); Eingangsleistung/W
.PARAM VIN=2.0*sqrt(2.0*50*P_W); Quellen-Spannung (Spitzenwert)
© DL4AAE 11/2008
50
HF-Vorverstärker mit 2N5179
Quelle: ARRL-Handbuch 1989, p. 12-12
Geändert: RE1 von 10R auf 7R, CE von 10n auf 100n
Bestimmung IP3
DL4AAE, 21.10.2008
C2
RB1
RI
12
10n
• V (IN ): 2-Ton-Signal
mit 9 MHz und 10 MHz
• PIN = -40 dBm
V1
RC
56
C3
.tran 0 10u 0 1n
DL4AAE
SPICE im Afu (40)
14.11.2008
Anwendungsbeispiele (8)
Breitband-HF-Vorverstärker
Berechnete Eingangsspannung V (IN )
8
• Schwebung mit
Differenzfrequenz
von 1 MHz
2
0
−2
−4
−6
−8
8.0
8.2
8.4
8.6
8.8
9.0
9.2
9.4
9.6
9.8
10.0
t/µs
DL4AAE
SPICE im Afu (41)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
• Kontrolle:
PIN = -40 dBm = 0,1 µW
=
ˆ 2,24 mV an 50 Ω
(Effektivwert eines
Tones)
4
V(IN)/mV
• Amplitude: 6,3 mV
(Spitzenwert)
6
Anwendungsbeispiele (8)
Breitband-HF-Vorverstärker
Berechnete Ausgangsspannung V (OU T )
60
• Amplitude: 55,2 mV
(Spitzenwert)
• Intermodulationen
hier kaum sichtbar!
20
V(OUT)/mV
• Verstärkung:
V (OU T )
55,2 mV
=
≈ 19 dB
V (IN )
6,3 mV
40
0
−20
−60
8.0
8.2
8.4
8.6
8.8
9.0
9.2
9.4
9.6
9.8
10.0
t/µs
DL4AAE
SPICE im Afu (42)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
−40
Anwendungsbeispiele (8)
Breitband-HF-Vorverstärker
Berechnung des Spektrums von V (OU T ) mit FFT-Funktion in LTSpice
−20
• Anwendung der FFT auf
die letzte µs (9 µs..10 µs,
Schwingung stabil)
• IP3 = 12 · 95 + (-40 dBm)
= +7,5 dBm
−60
−80
V(OUT)/dBV
• Intermodulationsabstand
IM = 95 dB
−40
IM = 95 dB
−100
−120
−140
−160
−180
−200
6
7
8
9
10
11
12
13
f/MHz
DL4AAE
SPICE im Afu (43)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
−220
Literatur
[1] Vladimirescu, A.: The SPICE Book. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994
(ca. 50 EUR, aber empfehlenswert)
[2] ”The Spice Home Page”: http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE
(Zu Berkeley-SPICE3, mit Link zu Download des Source-Codes)
[3] URL von WinSpice: http://www.ousetech.co.uk/winspice2/
[4] URL zum Anfordern einer CD mit Demo-Version von PSpice:
http://www.flowcad.de/DemoCD.php
[5] URL zum Download von LTSpice: http://www.linear.com/designtools/software/
[6] Homepage Elecraft Inc.: http://www.elecraft.com
(Schaltpläne für HF-Bandpass-Filter und ZF-Quarzfilter aus K3-Transceiver)
[8] The American Radio Relay League: ARRL Handbook, Newington, CT, 1989, p. 12-12
DL4AAE
SPICE im Afu (44)
14.11.2008
© DL4AAE 11/2008
[7] Edwards, R.J., G4FGQ (SK): Program SOLNOID3.exe, May 2003,
Download unter http://zerobeat.net/G4FGQ/
...auf den
(SPICE-)Geschmack
© DL4AAE 11/2008
gekommen?
DL4AAE
SPICE im Afu (45)
14.11.2008