Analoge CMOS-Schaltungen
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Analoge CMOS-Schaltungen PSPICE: ABM-Bauelemente Roland Pfeiffer 17. Vorlesung ABM Bauelemente Was versteht man unter "ABM Bauelemente" ? Name: Analog Behavioral Modeling (ABM) = analoge Verhaltensmodelle durch mathematische Ausdrücke oder sog. Look-Up-Tabelle beschrieben aus PSPICE-Librarie ABM.slb Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiele für "ABM Bauelemente" ABM1 Spannungsblock mit einem Eingang ABM2 Spannungsblock mit zwei Eingängen ABM3 Spannungsblock mit drei Eingängen verschiedene ABM1/I Stromblock mit einem Eingang Funktionen ABM2/I Stromblock mit zwei Eingängen s. Anhang ABM3/I Stromblock mit drei Eingängen ABS Betragsfunktion ARCTAN Arcustangensfunktion (im Bogenmaß) BANDPASS Bandpaßfilter CONST Konstante COS Kosinusfunktion (im Bogenmaß) DIFF Subtrahierer DIFFER Differenzierer EXP e-Funktion ....... Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Mittelwertsbildung durch ABM3 Bilden Sie von drei DC-Spanungen den Mittelwert durch "ABM3" !! Mittelwert der Spannungen = Defaultwert von ABM3 Holen des ABM3: durch "Draw/Get new Part/" "ABM3" Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Funktionseingabe in ABM3 Geben Sie die folgende Funktion ein: VOUT = V1 ⋅ V2 − V3 Funktionseingabe in ABM3: durch Doppelklick auf den Rahmen von "ABM3" erscheint dann Funktionseingabe unter EXP1-EXP4 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Funktionseingabe in ABM3 Probieren Sie für verschiedene Werte der drei DC-Spanungen die Funktion aus und beobachten Sie das Ergebnis !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Funktionseingabe in ABM3 Für unzulässige Eingaben z. Bsp. Wurzel aus (V3 > V2) wird der Betrag |(V3 > V2)| genommen !! VOUT = V1 ⋅ V2 − V3 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: TABLE-ABM-Bauelement TABLE Wertetabelle für eine Spannung in Abhängigkeit vom Wert einer Eingangsspannung Aufgabe: Geben die untenstehende Schaltung ein und machen Sie eine DC-Sweep, indem Sie VTEST von -1 Volt bis 5 Volt variieren !! Interpretieren Sie die Ausgabe !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente PSPICE-Simulation Ausgabe der DC-Sweep-Simulation: lineare Interpolation zwischen den angegebenen Werten VOUT VTEST=VIN Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Regelkreisen durch "Draw/Get new Part/" "Laplace" Beschreibung des Regelkreises durch Laplace-Funktion 1 z.Bsp. PT1-Glied Zeitkonstante T1=0,001s ⇒ H ( s ) = 1 + 0.001⋅ s Malzeichen nicht vergessen !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente PSPICE-Simulation Transienten Simulation mit VPULSE=0 Volt auf 1 Volt in 10ns VIN VOUT (verzögerte Antwort des PT1-Gliedes) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11 auch komplizierte Regelglieder in Laplace-Darstellung möglich !! Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiele für "ABM Bauelemente" Spannungssteuerung E und Stromsteuerung G durch E/GFREQ E/GLAPLACE E/GMULT E/GSUM E/GTABLE E/GVALUE Steuerung in Abhängigkeit einer Frequenz Steuerung mit Hilfe einer Laplace-Übertragungsfunktion Steuerung durch Multiplizierung zweier Eingangsspannungen Steuerung durch Summierung zweier Eingangsspannungen Steuerung anhand einer Wertetabelle Steuerung durch Angabe einer mathematischen Funktion Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren Thermistoren = (thermally sensitive resistor = temperaturempfindlicher Widerstand) Negative Thermal Coefficient (NTC)-Widerstand (Heißleiter) /Kaltleiters exponentielle Kennlinie der Thermistoren Positive Thermal Coefficient (PTC)-Widerstand (Kaltleiter) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von NTC-Widerstand Negative Thermal Coefficient (NTC)-Widerstand (Heißleiter) Modellgleichung R(T ) = R (T0 ) ⋅ e 1 1 B ⋅ − T T0 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14 = R(T0 ) ⋅ e − B⋅ T −T0 T ⋅T0 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren Aufgabe: Passen Sie den Thermistor an untenstehende Messergebnisse an !! Negative Thermal Coefficient (NTC)-Widerstand (Heißleiter) R(T ) = R (T0 ) ⋅ e Messergebnisse: 1 1 B ⋅ − T T0 = R(T0 ) ⋅ e − B⋅ T −T0 T ⋅T0 R(−25°C ) = 101300 kΩ R(0°C ) = 28538 kΩ R(25°C ) = 10 kΩ = R(T0 ) R(60°C ) = 2,964 kΩ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren Thermistor kann durch GVALUE simuliert werden Holen des GVALUE: durch "Draw/Get new Part/" "GVALUE" R1 aus Stabilitätserwägungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren Funktionseingabe in GVALUE: durch Doppelklick auf den Rahmen von "GVALUE" erscheint Achtung: PSPICE rechnet in Celsius, Vermeidung des Teilens durch 0°C: Umrechnung auf °K: 0°C=273,15 K Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren Geben Sie die folgende Funktion ein: I OUT = V (% IN +,% IN −) 10000 ⋅ e − B⋅ TEMP + 273.15− 298.15 (TEMP + 273.15 )⋅298.15 mit TEMP = aktuelle globale Temperatur und R (25°C ) = 10 kΩ = R (T0 ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren durch "Draw/Get new Part/" "PARAM" B parametrieren und verändern, bis Überstimmung mit den Messergebnissen erreicht ist R (−25°C ) = 101300 kΩ R (0°C ) = 28538 kΩ R (25°C ) = 10 kΩ = R (T0 ) R (60°C ) = 2,964 kΩ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren wenn zu vielen Libraries: durch "Options/EditorSettings/... Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Beispiel: Simulation von Thermistoren durch .../"Library Settings" Löschen usw. von Libraries möglich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente PSPICE-Simulation Ausgabe der DC-Sweep-Simulation über der Temperatur: mit B=3435 ungefähre Übereinstimmung mit Messergebnissen R (−25°C ) = 101300 kΩ R (0°C ) = 28538 kΩ R (25°C ) = 10 kΩ = R (T0 ) R (60°C ) = 2,964 kΩ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente Zusammenfassung "ABM Bauelemente" Name: Analog Behavioral Modeling (ABM) = analoge Verhaltensmodelle verschiedene Funktionen siehe Anhang Beispiele: -Funktionseingabe bei ABM-Bauelemente -Simulation von TABLE-Bauelement -Simulation von Regelkreisen -Simulation von Thermistoren Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente "ABM Bauelemente" ABM1 Spannungsblock mit einem Eingang ABM2 Spannungsblock mit zwei Eingängen ABM3 Spannungsblock mit drei Eingängen ABM1/I Stromblock mit einem Eingang ABM2/I Stromblock mit zwei Eingängen ABM3/I Stromblock mit drei Eingängen ABS Betragsfunktion ARCTAN Arcustangensfunktion (im Bogenmaß) BANDPASS Bandpaßfilter CONST Konstante COS Kosinusfunktion (im Bogenmaß) DIFF Subtrahierer DIFFER Differenzierer EXP e-Funktion FTABLE Wertetabelle für einen Strom bzw. eine Spannung in Abhängigkeit von der Frequenz eines Eingangsstrom- bzw. einer Eingangsspannung (Bauteil besitzt je 1 Pin am Eingang und Ausgang) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente "ABM Bauelemente" GAIN Verstärkung GLIMIT Begrenzer mit Verstärkung HIPASS Hochpaßfilter INTEG Integrierer LAPLACE Laplace-Glied LIMIT Begrenzer LOG natürlicher Logarithmus LOG10 Zehnerlogarithmus LOPASS Tiefpaßfilter MULT Multiplizierer PWR Potenzfunktion |x| n PWRS Potenzfunktion x n SIN Sinusfunktion (im Bogenmaß) SQRT Quadratwurzelfunktion SUM Summierer TABLE Wertetabelle für eine Spannung in Abhängigkeit vom Wert einer Eingangsspannung (Bauteil besitzt je 1 Pin am Eingang und Ausgang) TAN Tangensfunktion (im Bogenmaß) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25 Roland Pfeiffer ABM Bauelemente "ABM Bauelemente" FREQSteuerung in Abhängigkeit einer Frequenz ELAPLACESteuerung mit Hilfe einer Laplace-Übertragungsfunktion EMULTSteuerung durch Multiplizierung zweier Eingangsspannungen ESUMSteuerung durch Summierung zweier Eingangsspannungen ETABLESteuerung anhand einer Wertetabelle EVALUESteuerung durch Angabe einer mathematischen Funktion GFREQ Steuerung in Abhängigkeit einer Frequenz GLAPLACE Steuerung mit Hilfe einer Laplace-Übertragungsfunktion GMULT Steuerung durch Multiplizierung zweier Eingangsströme GSUM Steuerung durch Summierung zweier Eingangsströme GTABLE Steuerung anhand einer Wertetabelle GVALUE Steuerung durch Angabe einer mathematischen Funktion Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26 Roland Pfeiffer
