1. Eröffnen eines neuen Projekts

s
Daniel Brugger
Einführung
Cadence OrCAD Capture und PSpice
Version 10.0
Version 10.0
03.09.2007
Building Technologies
Inhaltsverzeichnis
1.
Eröffnen eines neuen Projekts ......................................................................3
2.
Einführung Schemazeichnen ........................................................................5
2.1
Arbeitsschritte ...............................................................................................5
2.2
Bauteile aus der Library holen und platzieren ...............................................6
2.3
Verwendete Librarys im Beispiel ...................................................................7
2.4
Schemabefehle .............................................................................................7
2.5
Bauteile, Quellen einstellen und Leitungen beschriften ................................7
2.6
Wichtige Einstellungen im Schemaeditor ......................................................7
3.
Einführung – Simulieren ................................................................................8
3.1
Arbeitsschritte ...............................................................................................8
3.2
Simulator für die DC-Simulation einstellen ....................................................8
3.3
Simulator starten ...........................................................................................9
3.4
Netzliste und Ausgabefile ..............................................................................9
3.5
Grafische Ausgabe ......................................................................................10
3.6
Diverse Funktionen des grafischen Ausgabefensters .................................11
3.7
AC-Simulation .............................................................................................12
3.8
Transienten-Simulation ...............................................................................13
4.
Bibliotheken und Signalquellen ...................................................................14
4.1
Gleich- und Wechselstrom Signalquellen ...................................................15
4.2
Transienten Signalquellen ...........................................................................15
5.
Gleichstromanalyse .....................................................................................17
5.1
Gleichstromübertragungsfunktion (DC-Sweep) .........................................17
6.
Analyse im Frequenzbereich .......................................................................19
6.1
Frequenzgang (AC-Sweep) ........................................................................19
6.2
Rauschanalyse (Noise-Analysis) ................................................................20
7.
Analyse im Zeitbereich ................................................................................22
7.1
Transienten-Analyse ...................................................................................22
7.2
Spektral-Analyse .........................................................................................23
8.
Zusätzliche Möglichkeiten ...........................................................................25
8.1
Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse) ...............................................25
8.2
Worst-Case-Analyse ...................................................................................27
8.3
Parameter-Analyse .....................................................................................28
9.
Librarys, Symbole, Subcircuits und Modelle ...............................................30
9.1
Erstellen eines neuen Bauteils bzw. einer neuen Library ...........................30
10.
Schemazeichnen mit Hierarchien ...............................................................33
10.1
Schema mit Hierarchie und Blöcken ...........................................................33
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Inhaltsverzeichnis
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1.
Eröffnen eines neuen Projekts
Zum Eröffnen eines neuen Projekts wählt man folgendes:
Nun öffnet sich folgendes Fenster:
Es wird ein Name für das Projekt eingegeben (z.B. Test) und der Pfad soll angegeben
werden. Noch auf „Analog or Mixed A/D“ klicken, falls nicht eingestellt, und OK.
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Nach Bestätigung öffnet sich nun erneut ein Fenster:
Einstellungen so übernehmen und OK. Anschliessend sollte dies ersichtlich sein:
Durchklicken bis PAGE 1 und Doppelklick. Jetzt ist alles bereit um anzufangen.
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2.
Einführung Schemazeichnen
Als Einführungsbeispiel wird eine DC- / AC- und eine Transientenanalyse gezeigt. In
den weiteren Kapiteln werden die Bibliotheken, die Signalquellen, die Analysearten
und der Umgang mit Librarys genauer beschrieben.
Als Beispiel eine Operationsverstärkerschaltung mit einem Tiefpass.
2.1
Arbeitsschritte
Beim Schemazeichnen gibt es folgende Arbeitsschritte:
 Bauteile aus der Library holen, platzieren, einstellen und eventuell verschieben
 Bauteile miteinander verbinden
 Quellen einstellen
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2.2
Bauteile aus der Library holen und platzieren
Auf Symbolliste rechts oder im Menu Place - Part (Shift P)
Daraus folgt:
Man kann ein Element aus einer vorhandenen Libary auswählen oder mit Add-Library
eine neue Library hinzufügen.
Die Elemente für Masse und Speisung werden entweder in der Symbolliste rechts
oder im Menu Place - Power / Ground ausgewählt.
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2.3
Verwendete Librarys im Beispiel
Jedes Schema braucht einen Knoten 0 als Referenzpunkt.




Nat_semi.olb:
Analog.olb:
Capsym.olb:
Source.olb:
2.4
Operationsverstärker LM324
Widerstand R, Kondensator C
Masse 0, Anschlusspin Vcc_circle
Spannungsquelle VSRC
Schemabefehle
Mit den folgenden Befehlen werden Operationen mit den Elementen gemacht:
 Bauteile verbinden:
 Bauteil rotieren:
 Bauteil spiegeln:
 Neuzeichnen:
Place - Wire; Shift W; W; Symbolleiste rechts
Edit - Rotate; Ctrl R; R; Rechtsklick – Rotate
Vertically: Edit - Mirror-Vertically; V
Horizontally: Edit - Mirror-Horizontally; H
View - Zoom - Redraw; F5
 Anzeige:
View - Zoom; Symbole oben
2.5
Bauteile, Quellen einstellen und Leitungen
beschriften
Allgemeiner Hinweis: In OrCAD gilt:
 m für Milli
 Meg für Mega
 u für Mikro
 Widerstände und Kondensator:
 Quellen und Anschlusspin:
 Leitungen:
2.6
Doppelklick auf den R bzw. C
Doppelklick auf das Bauelement
Den DC-Wert wird unter DC eingegeben.
Die anderen Quellen sind im Abschnitt
Signalquellen beschrieben.
Doppelklick auf Leitungen
Wichtige Einstellungen im Schemaeditor
 Papiergrösse:
 Anzeige:
Options - Schematic Page Properties
Options - Design Template
Wahl der (z.B. Name, Nummer)
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3.
Einführung – Simulieren
3.1
Arbeitsschritte
Beim Simulieren gibt es folgende Arbeitsschritte:
 Simulator einstellen (Analyseart und Optionen)
 Simulator starten
 Resultat im Ausgabefenster und auf dem Schema anzeigen lassen.
3.2
Simulator für die DC-Simulation einstellen
Unter PSpice - New Simulation Profile oder Symbol oben
anklicken:
Nun noch einen Namen eingeben, z.B. Test, oder bereits vorhandene Einstellungen
laden.
 Create
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Obige Einstellungen übernehmen und unter Data Collection - All -voltage, -current,
and -digital states einstellen.
Das aktuelle Simulation Profile kann jederzeit abgeändert werden unter PSpice - Edit
Simulation Profile oder dem Symbol oben
3.3
.
Simulator starten
Nun kann der Simulator gestartet werden. Dies erfolgt entweder durch PSpice - Run,
F11 oder dem Symbol oben
.
Automatisch öffnet sich ein neues Fenster mit der grafischen Ausgabe, auf welches
jedoch später noch eingegangen wird.
3.4
Netzliste und Ausgabefile
Nach dem Starten des Simulators werden automatisch folgende zwei Files generiert.
 Die Netzliste findet man unter PSpice - View Netlist. Dieses File zeigt die Netzliste
vom gezeichneten Schema an, wenn keine Fehler gemacht wurden.
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 Das Ausgabefile findet man unter PSpice - View Output File Dieses File zeigt alle
Abläufe bei der Simulation an. Es ist vor allem dann wichtig, wenn die Simulation
nicht startet (z.B. fehlende Bibliotheken, nicht gesetzte Werte, keinen Arbeitspunkt
oder 0 Knoten).
3.5
Grafische Ausgabe
Zunächst holt man sich die unter PSpice - Markers lassen sich verschiedene Marker
auswählen. Für diesen Versuch wird der Marker Voltage Level ausgewählt. Dieser
kann auch schneller in der obigen Symbolleiste geholt werden
Anschliessend wird dieser an den gewünschten Punkten gesetzt.
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Startet man nun den Simulator erscheint folgende grafische Ausgabe:
3.6
Diverse Funktionen des grafischen
Ausgabefensters
 Mit Plot - Add Plot to Window erscheint ein neuer Plot. Nun kann man neue
Funktionen hinzufügen oder die zwei Funktion je in einem Plot darstellen lassen.
Man klickt unten auf die Funktion (z.B.
) und kopiert (CTRL + C) oder
schneidet sie aus (CTRL + X) und fügt sie im neuen Plot ein (CTRL +V).
 Neue Funktionen lassen sich mit Trace - Add Trace… oder der Taste Insert oder in
der obigen Symbolleiste mit
hinzufügen.
 Die verschiedenen Cursor lassen sich mit
aktivieren:
Man findet noch mehr unter Tools - Customize...
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3.7
AC-Simulation
 Bei der Eingangsquelle AC=1 eingeben (Doppelklick auf Quelle).
 Die AC-Analyse einstellen (PSpice - Edit Simulation Settings - AC Sweep/Noise)
 Den Simulator (Run) starten
 Den Phase of Voltage-Marker und den dB Magnitude of Voltage-Marker im
Menu Markers - Mark Advanced benutzen und beide an den Ausgang der
Schaltung setzen.
 Der gewünschte Bereich der X bzw. Y-Achse kann mit einem Doppelklick auf die
Beschriftung der Achsen eingestellt werden.
Kommentar zur Simulation:
Das Resultat zeigt die erwartete Verstärkung von 40db = 100. Die AC-Simulation
linearisiert die Schaltung im DC-Arbeitspunkt d.h. aus diesem Grund kann die
Grösse der AC-Quelle frei gewählt werden. Wenn man am Eingang 1 wählt erhält
man direkt die Verstärkung der Schaltung.
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3.8
Transienten-Simulation
Als Erstes in der Bibliothek SOURCE.OLB die VPULSE Quelle auswählen und damit
die Eingangsquelle ersetzen.
Stellen Sie die Transienten-Analyse ein und starten Sie den Simulator:
Das Resultat der Transienten-Analyse: Operationsverstärker mit Offset
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4.
Bibliotheken und Signalquellen
Diese Tabelle zeigt die wichtigsten Bibliotheken mit ihren Inhalten:
Bibliothek
Inhalt
ABM.OLB
Mathematische Funktionen
BANDPASS, DIFFER, ETABLE, GAIN, GTABLE, HIPASS,
INTEG,LAPLACE, SUM
ANALOG.OLB
Kondensator, gesteuerte Quellen, Induktivität, Widerstand, Trafo
C, E, F, G, H, L, R, T
BIPOLAR.OLB
Bipolartransistoren
DH.., MM.., MPS.., MRH.., NS.., PN.., Q2N.., TN..
CD4000.SLB
7400.SLB
74HC.SLB
Digitale CMOS-Schaltungen
DIODE.OLB
Dioden
CR.., D1N.., J.., JR.., MBR.., MLL.., MR.., MUR.., MV..
EBIPOLAR.OLB
Bipolartransistoren
BC.., BS..
EDIODE.OLB
Dioden
BA..
NAT_SEMI.OLB
Operationsverstärker
LF.., LM..
PORT.OLB
Anschlusssymbole
AGND (Masse),
BUBBLE (Bezeichnung eines Anschlusses),
INTERFACE, IF_IN, IF_OUT (Subcircuit-Anschluss Bezeichnungen)
SOURCE.OLB
Spannungs- und Strom-Quellen V.., I..
VDC, VAC, VSRC, VSIN, VPULSE, FILESTIM, DIGCLOCK
SPECIAL.OLB
Spezielle Symbole
IC1 (Vorgabe einer Spannung bei Konvergenzproblemen),
IPROBE (Messung des DC-Stromes),
PARAM (Einstellen der Variablen der Parameteranalyse),
VIEWPOINT (Messung der DC-Spannung),
INCLUDE (Lokales Einbinden von Files wie Libraries)
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4.1
Gleich- und Wechselstrom Signalquellen
Die Parameter dieser Quellen sind auch in jeder Quelle für die Transientenanalyse
enthalten.
 VSRC Gleich- und Wechselstromquelle
 VDC Gleichstromquelle
 VAC Wechselstromquelle
Jede Quelle hat die folgenden zwei Parameter:
 Mit dem Parameter DC wird der Gleichstromarbeitspunkt bestimmt.
 Der Parameter AC ist nur bei der AC-Analyse aktiv.
4.2
Transienten Signalquellen
VSIN
Sinusquelle
Parameter
VOFF
VAMPL
FREQ
TD
DF
PHASE
VEXP
Parameter
V1
V2
TD1
TC1
TD2
TC2
Bedeutung
Offsetspannung [V]
Amplitude [V]
Frequenz [Hz]
Verzögerungszeit [s]
Dämpfungsfaktor [1/s]
Phasenverschiebung [Grad]
Beispiel
0
2.5
100
0
0
0
Bedeutung
Startwert der Spannung [V]
Spitzenwert der Spannung [V]
Anstiegsverzögerung [s]
Anstiegszeitkonstante [s]
Abfallverzögerung [s]
Abfallzeit konstante [s]
Beispiel
0.5
4
1m
0.5m
5m
0.5m
Exponentialquelle
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VPULSE Pulsquelle
Parameter
V1
V2
TD
TR
TF
PW
PER
VPWL
Parameter
VOFF
VAMPL
FC
MOD
FM
Beispiel
1
3
1m
0.5m
0.5m
2m
4m
Bedeutung
Zeitpunkt [s]
Amplitude [V]
Beispiel
0.0 1.0 1.5 3.0 3.5
0.0 4.0 0.5 2.5 0.0
Polygonquelle
Parameter
T1 T2 T3 Tn
V1 V2 V3 Vn
VSFFM
Bedeutung
Startwert der Spannung [V]
Spitzenwert der Spannung [V]
Initialverzögerung [Hz]
Anstiegszeit [s]
Abfallzeit [s]
Pulsbreite [s]
Periodendauer [s]
Frequenzmodulierte Quelle
Bedeutung
Offsetspannung [V]
Amplitude [V]
Trägerfrequenz [Hz]
Modulationsindex
Signalfrequenz [Hz]
Beispiel
2
1
10
7
1
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5.
Gleichstromanalyse
5.1
Gleichstromübertragungsfunktion
(DC-Sweep)
Die Gleichstromanalyse erlaubt das Durchlaufen eines bestimmten Wertebereiches
einer Quelle, eines Modellparameters, eines globalen Parameters oder der
Temperatur. Dabei werden Kondensatoren als Unterbruch und Induktivitäten als
Kurzschluss bezeichnet.
Das Beispiel zeigt eine Diodenkennlinie:
Einstellungen:
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Im grafischen Ausgabefenster kann man auch eine andere X-Achse als die
Eingangsspannung wählen. Dies kann man unter Plot - Axis Settings und durch einen
Klick auf Axis – Variable einstellen.
Diodenkennlinie 1N4148:
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6.
Analyse im Frequenzbereich
6.1
Frequenzgang (AC-Sweep)
Die Analysen im Frequenzbereich sind generell Kleinsignal-Analysen mit linearisierten
Bauelementgleichungen und berücksichtigen keine Übersteuerung oder
Arbeitspunktverschiebungen während der Analyse. Der Arbeitspunkt wird mittels den
DC-Parametern der Quellen berechnet.
Das Beispiel zeigt den Frequenzgang eines RC-Tiefpass:
In der Spannungsquelle (VSRC) müssen eine AC-Spannung und meist auch eine DCSpannung eingestellt sein.
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Im Menu Plot – Axis Settings wählt stellt man noch bei X-/Y-Grid logarithmisch bzw.
den Bereich ein. Klick auf diese Symbole stellt automatisch logarithmisch ein:
X-Achse:
Y-Achse:
6.2
Rauschanalyse (Noise-Analysis)
Die Rauschanalyse berechnet die Rauschbeiträge von jedem Bauelement in der
Schaltung und bildet die Summe der Effektivwerte am spezifizierten Ausgangsknoten.
Das Resultat wird in Volt pro Wurzel Hertz angegeben.
Das kumulierte Rauschen berechnet sich im Menu Trace – Add Trace –
Trace Expression:
sqrt(S(V(ONOISE)*V(ONOISE)))
Widerstand:
PNoise 
VNoise 2
 4 * k * T * B  1.6 *10 20 * B ; wobei B = Bandbreite
R
Das Beispiel zeigt das Rauschen eines RC-Tiefpass:
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7.
Analyse im Zeitbereich
7.1
Transienten-Analyse
Eine Transienten-Analyse berechnet das Verhalten eines Schaltkreises über einen
angegebenen Zeitraum.
Das Beispiel zeigt das Einschaltverhalten eines RC-Tiefpasses:
Die Quelle dieses Beispiels heisst Vpulse.
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7.2
Spektral-Analyse
Zusätzlich zur Transienten-Analyse kann noch eine Spektralanalyse des Signales aus
der Zeitanalyse dargestellt werden. In der Probe kann zwischen der Zeit- und
Spektraldarstellung unter Plot - Axis Settings X Axis (oder das FFT-Symbol
)
umgeschaltet werden. Je mehr Schwingungen bei der Zeitanalyse vorhanden sind,
desto genauer die Analyse und je kleiner der Wert bei Print Step, desto breiter der
analysierte Frequenzbereich.
Das Beispiel zeigt das Spektrum der Eingangsquelle und des Ausganges:
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8.
Zusätzliche Möglichkeiten
8.1
Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse)
Bei der statistischen Analyse werden mehrfache Rechenvorgänge einer
Simulationsartdurchgeführt und dabei die toleranzbehafteten Bauteile zufällig variiert,
die mit den Modelanweisungen DEV (unabhängig) und LOT (in der Gruppe)
angegeben werden. Für diese Simulation wurde ein Widerstand Rtol mit Toleranz
gemacht (siehe Kapitel 9).
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8.2
Worst-Case-Analyse
Die Worst-Case-Analyse sucht die maximale Abweichung vom Nominalwert. Sie wird
immer zusammen mit einer anderen Analyseart (Frequenz-, Zeitanalyse) verwendet.
Das Beispiel zeigt den Nominal- und den Maximalwert der Ausgangsspannung:
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8.3
Parameter-Analyse
Eine Parameter-Analyse ist eine verschachtelte Analyse. Sie wird immer zusammen
mit einer anderen Analyseart (Frequenz-, Zeitanalyse) verwendet. Dabei muss der
Wert des Bauelementes mit einer Variablen z.B. {CVAL} beschriftet sein. Diese
Variable muss mit dem Element PARAM auf einen festen Wert, z.B. 1u, initialisiert
werden. Unter Place - Part das Element PARAM holen, Doppelklick auf das Element,
unter New Column - cval eingeben und unter Display - Name and Value anwählen.
Das Beispiel zeigt die Ausgabe der Parameter-Analyse eines RC-Tiefpasses:
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Einstellungen für eine Parameter-Analyse:
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9.
Librarys, Symbole, Subcircuits und
Modelle
In OrCAD gibt es folgende Files-Erweiterungen:
 .lib Modellbeschreibung von einem oder mehreren Modellen
 .olb File mit den Symbolen der Modelle
 .dsn Schema
Es empfiehlt sich ein eigenes Verzeichnis für .lib und .olb Files zu machen.
Die Parameter dieser Quellen sind auch in jeder Quelle für die Transientenanalyse
enthalten.
 VSRC Gleich- und Wechselstromquelle
9.1
Erstellen eines neuen Bauteils bzw. einer
neuen Library
Den Model Editor Starten. Dann unter FILE - New ein neues File generieren. Nun unter
Model - Copy From... ein bestehendes Model aus der Pspice-Library auswählen und
überschreiben.
Folgende Zeile eingeben und das File abspeichern (am besten neuen Ordner für
eigene Library erstellen.
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Nun noch das .olb – File generieren unter File – Export to Capture Part Library
Orcad Capture starten und die Library (Rechtsklick auf Library)hinzufügen.
Das vorherig generierte .olb - File auswählen und ok. Nun kann die Library auch über
Place Part - Add Library… geholt werden:
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Anschliessend wird das Bauteil noch bearbeitet:
Auf Options - Package Properties und Attach Implementation...
und den Pfad auswählen:
Jetzt noch auf Options – Part Properties… und folgendes einstellen:
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10. Schemazeichnen mit Hierarchien
Man kann auf drei verschiedene Arten Schemas zeichnen:
 Schema ohne Hierarchie, d.h. es gibt ein Schema.  Gut für kleine Schaltungen.
 Schema mit Hierarchie und Blöcken gemacht.  Diese Methode ist bei grösseren
Schaltungsblöcken gut bei denen die Anschlüsse noch ändern können.
 Schema mit Hierarchie und Symbolen gemacht.  Diese Methode ist gut, wenn die
Anschlüsse nicht mehr wechseln z.B. bei einem Operationsverstärker. Bei dieser
Methode kann man mit der Top-Down bzw. mit der Buttom-Up Methode arbeiten.
10.1 Schema mit Hierarchie und Blöcken
Um einen Hierachical Block zu platzieren, geht man entweder über Place Hierarchical… Block oder über die Symbolleiste
folgendes Fenster:
. Danach öffnet sich automatisch
Infos eingeben in OK. Nun kann angefangen werden zu zeichnen. Mit Place –
Hierarchical Pin oder
können die benötigten Pins gesetzt werden.
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Nun Rechtsklick auf den Block und Descend Hierachy. Es öffnet sich ein Fenster wo
man den Name des neuen Schemafensters eingeben muss. Anschliessend öffnet sich
das Schema und die vorher definierten Anschlüsse erscheinen. Nun noch die
Schaltung zeichnen.
Öffnet sich das Fenster jedoch nicht bzw. es kommt überhaupt zu keinem
Eingabefenster sondern zu einer Fehlermeldung, dann muss beim Block (Doppelklick)
der Implementation Path gelöscht werden. Nun sollte es funktionieren.
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