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

Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt 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

...

Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt

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

Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt

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.

Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt

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:

...

Grundgebiete der Elektronik I, Bohn, Arndt

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