5 Simulation analoger Schaltungen

5.2-1
Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt
5 Simulation analoger Schaltungen
5.1 Aufgabe
Bestimmung des Verhaltens analoger Schaltungen vor der teuren Umsetzung in
Hardware.
Werkzeuge: EDA-Tools (Electronic-Design-Automation), Bsp.: PSPICE
5.2 Schaltungsbeschreibung:
R_RL
$N_0002
$N_0001 100
V_Uq
$N_0002 0 DC
0V AC 240V
+SIN 0V 240 50 0 0 0
L_LL
0 $N_0001 2H
Schematic
Netzliste
Analog Behavioral Modelling (ABM)
Abbildung 1: Varianten der Schaltungsbeschreibung: Schematic, Netzliste,
Verhaltensbeschreibung
a) Schematic:
5.2-2
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b) Netzliste:
c) Verhaltensbeschreibung:
Zusätzlich notwendig ist die Beschreibung der Eingangssignals (Stimuli):
Bsp.: Sinusförmiges Eingangssignal:
6
5
u(t)
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
t [ms]
Beschrieben durch einen Vektor aus zeitdiskreten Werten:
u(t)
t
0
1ms
2ms
3ms
4ms
5ms
...
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5.3 Beschreibung der Bauelemente
•
Lineare Bauelemente:
o Bsp: Widerstand
o Bsp.: Kondensator:
•
Nichtlineare Bauelemente: Beschreibung durch Kennlinie
o Beispiel Diode: 1N4001
5.3.1
Hinweis: Die Kennlinien der Bauteile sind in
Bauteilebibliotheken gespeichert.
5.3-3
5.4-4
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5.4 Analysearten
Analyseart
Gleichstromanalyse
Wechselstromanalyse
Transientenanalyse
Zweck
Gleichstromverhalten
Kleinsignaluntersuchung,
Untersuchung von
Schaltvorgängen
(Arbeitspunktbestimmung)
Wechselstromuntersuchung
Stimuli
Gleichspannungen- und
ströme
Sinusförmige
Wechselspannungen- und
ströme
Beliebige zeitveränderliche
Spannungen- und Ströme
Ergebnisse
U, I
U(ω). I(ω)
u(t),i(t)
Gleichungssystem
Beispielanwendung
•
algebraisch
•
algebraisch
•
nichtlinear1
•
linear2
•
reell
•
komplex
Messverstärker für
Gleichspannung
Messverstärker für kleine
Wechselspannungen (mV)
Stromversorgungsystem
•
Differentialgleichungssys
tem
•
nichtlinear
•
komplex
Rechtsignal an Gleichrichter
Ein- und Ausschalten eines
Verstärkers
1
Wenn nichtlineare Bauelemente verwendet werden.
2
Vereinfachung: Bei nichtlinearen Bauelementen wird die Kennlinie am Arbeitspunkt linearisiert.
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5.5-5
5.5 Transiente Analyse
•
Das Verhalten der elektronischen Schaltung wird in diskreten Zeitschritten
durchgerechnet (z. B. ∆t=1µs, t=1ms, also t=1µs, 2µs, 3µs, ... 1000µs).
•
Die zeitabhängigen Funktionen werden zeitdiskret (Wert für t=1µs, 2µs, 3µs
...) beschrieben
•
Bei nichtlinearen Bauelementen (Dioden, Transistoren, ...) ergibt sich ein
nichtlineares Gleichungssystem.
Um das Gleichungssystem lösen zu können wird es zuvor linearisiert. Dabei wird die
Taylorreihe mit Abbruch nach dem ersten Glied für das nichtlineare
Gleichungssystem gebildet.
5.5-6
Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt
Beispiel für eine Transiente Analyse:
Diode (nichtlinear!) an Wechselstromquelle
Die Diode hat folgende Strom-Spannungskennlinie:
Kennlinie Diode
1,80E-02
1,60E-02
1,40E-02
1,20E-02
i[A]
uD [V] iD [A]
0,2
2,25E-07
0,25
6,27E-07
0,3
1,73E-06
0,35
4,77E-06
0,4
1,31E-05
0,45
3,62E-05
0,5
9,95E-05
0,55
2,74E-04
0,6
7,53E-04
0,65
2,07E-03
0,7
5,70E-03
0,75
1,57E-02
1,00E-02
8,00E-03
6,00E-03
4,00E-03
2,00E-03
0,00E+00
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75
u[V]
Die Spannung der Spannungsquelle hat folgenden Verlauf:
uq(t)
0V
0,39V
0,78V
1,14V
1,5V
t
0
0,5ms
1ms
1,5ms
2ms
Zeitabhängige Funktion:
Gleichungssystem:
...
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Analyseschritte
I)
t=0
II)
Zeitabhängige Funktion
uq(t)=
III)
Linearisiertes Gleichungssystem
uD mit letztem Stromwert iD=
IV)
Berechnung (noch trivial):
V)
t=1ms
VI)
Zeitabhängige Funktion
uq(t)=
VII)
Linearisiertes Gleichungssystem
uD mit letztem Stromwert iD=
VIII)
Berechnung:
IX)
t=2ms
X)
Zeitabhängige Funktion
uq(t)=
XI)
Linearisiertes Gleichungssystem
uD mit letztem Stromwert iD=
XII)
Berechnung:
5.5-7
Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt
5.6-8
5.6 PSPICE-Studentenversion
o Kostenfreie Studentenversion, Download z. B:
o http://www-ibt.etec.uni-karlsruhe.de/linette/
o oder an anderen Internetadressen,
Suchstichwort „PSPICE 9.1 student version“
o Zahl der Bauelemente ist begrenzt auf 25.
o BUCH „PSPICE, Einführung in die Elektroniksimulation“ mit CD mit
Stromquellen- und Spannungsquellen nach EU-Norm ist erhältlich bei Hanser
Verlag.
o Installation siehe Buch PSPICE.
o Einführung siehe Ausdrucke von Buch PSPICE.
o Unterschiede: Zwischen Bauteilebibliothek (library)
EU-Norm (enthalten in Buch PSPICE) und US-Norm (kostenlose Version)
AGND