Simulation

Simulation von elektronischen Schaltungen

Die Simulation von elektronischen Schaltungen ist früher wie auch heute ein wichtiges und in meinen Augen auch ein notwendiges Thema, mit dem sich Hardware Entwickler und Reviewer auseinander setzen dürfen. Dieser und die nächsten Blogposts beschäftigen sich mit dem Thema Simulation und der Software LTSpice von Linear Technology (zugehörig zu Analog Devices).

Einleitung

Das Thema Simulation hatte ich schon in einem anderen Blogpost beschrieben, jedoch möchte ich nun mehr in die Tiefe gehen.

Schaltungssimulation

Simulationen gehören zu den notwendigen Entwicklungsschritten. Vorher stehen natürlich Berechnungen und die Erfahrung bei dem Auslegen von Schaltungen. Da die heutige Technik jedoch auch komplexer wird, sollte eine Schaltung noch vor einem Musterbau simuliert werden, damit die Eigenschaften getestet werden können. So lässt sich abschätzen und testen, ob der Entwurf den Vorgaben entspricht, oder ob Fehler vorliegen.

Externe vs. interne Simulation

Simulationen können innerhalb eines ECAD Tools durchgeführt werden (z.B. in Pulsonix oder auch in Orcad), es kann jedoch ebenfalls auch ein externes Tool (z.B. LTSpice) eingesetzt werden. Es gibt für beides Vor- und Nachteile und für diese habe ich einen kurzen Vergleich aufgestellt:

 VorteileNachteile
Interne Simulation+ Schaltplan ist vorhanden
+ Bauteile schon ausgewählt
+ Nur ein Tool notwendig
- Simulationsmodelle müssen hinterlegt sein
- Simulation bezieht sich auf ganze Schaltung
- Bauteilanlage notwendig
- Bedienung komplizierter
Externe Simulation+ unabhängig vom ECAD
+ Simulation von Teilschaltungen
+ Keine Bauteilanlage notwendig
+ Bedienung einfacher
- zusätzliches Tool notwendig
- Einarbeitung in ECAD und in Simulationsprogramm
- Abzeichnen des Schaltplans erforderlich

Natürlich kann man nun sagen, dass es eine Frage des Geschmacks ist. Meiner Meinung nach haben externe Tools den Vorteil der Unabhängigkeit. Hier können recht einfach Teile von Schaltungen vorab schon getestet werden, ohne das im Produktivsystem etwas hinzugefügt oder geändert werden muss.

Für die verschiedenen Simulationen werden auch Quellen benötigt, die im eigentlichen Schaltplan nichts zu suchen haben. Diese müssten dann wieder entfernt werden.

Notwendigkeiten von Simulationen

Simulationen dienen zum Einen der Verifikation schon Schaltungsteilen und können zum Anderen zusätzlich bei der Betrachtung von Toleranzen und Temperaturverhalten eingesetzt werden. Als Reviewer können Schaltungen auch ohne das Vorhandensein von Prototypen gegengeprüft werden.

Hintergrund zu SPICE

SPICE ist eine Abkürzung und steht für “Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis”. Es ist ein Softwarekern mit Berechnungsverfahren zum Finden von Näherungslösungen der beschreibenden Gleichungen.

Grundlagen

SPICE kennt verschiedene Bauteilarten (z.B. Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Dioden) und Quellenarten (z.B. Spannungsquelle, Stromquelle, gesteuerte Quellen). Daraus lassen sich dann entsprechend auch komplexere Bauteile wie Operationsverstärker erstellen. Beschrieben werden diese Bauteile entweder direkt als Netzliste oder indirekt über einen grafischen Schaltplaneditor. Das Ergebnis ist jedoch immer eine Netzliste. Diese Netzliste dient als Quelle für die Simulation.

Die Simulation der Spannungs- und Stromverläufe der einzelnen Netze beginnt mit der Berechnung des DC-Startpunkts. Also was machen die Netze, wenn der Zustand eingeschwungen ist. Erst danach wird ausgewertet, was über den Zeitverlauf, also z.B. bei einer sinus- oder pulsförmigen Quelle innerhalb der Schaltung passiert.

Grenzen

SPICE ist nur so genau wie seine Modelle. Das bedeutet, physische Modelle lassen sich nur mit einer begrenzten Genauigkeit darstellen und somit auch simulieren. Weiterhin ist auch die Schrittweite, mit der z.B. ein Sinussignal einer Quelle simuliert wird, nicht unendlich klein. Hier wird anhand verschiedener Parameter vom Simulationssystem entschieden, welche maximale Schrittweite zulässig ist. Das entscheidet wiederum darüber, wie lange eine Simulation benötigt.

In LTSpice lassen sich sowohl die maximale Schrittweite, als auch die Rechengenauigkeit einstellen.

Entstehung von LTSpice

CANCER und SPICE

Noch bevor an der Berkeley Universität der SPICE Kern entwickelt wurde, entstand in den 1960er Jahren die Software CANCER (Computer Analysis of Nonlinear Circuits Excluding Radiation) zur Simulation von elektronischen Schaltungen. Diese beinhaltete auch schon Modelle für Halbleiter wie Dioden und Transistoren, konnte jedoch nur einfache Signale als Erregung nutzen.

Später entstand ebenfalls an der Berkeley Universität die Software SPICE. Diese wurde um verschiedene Rechenmodelle z.B. für MOSFET Transistoren ergänzt und erweitert. Seit 1990 ist SPICE in der Version 3.0 gemeinfrei und der Kern vieler Simulationsprogramme.

SwitcherCAD als Ursprung

Linear Technology entwickelte zu der Zeit eine grafische Oberfläche für die Schaltplaneingabe und nutzte den SPICE Kern innerhalb ihrer Software. SwitcherCAD sollte anfangs für die Simulation von Schaltreglern benutzt werden und war zunächst nur als interne Software gedacht.

1996 hat Linear Technology das Programm auch seinen Kunden zur Verfügung gestellt.

LTSpice heute

Ende 2008 erschien LTSpice als Nachfolger von SwitcherCAD in der Version 4 (LTSpice IV) und beinhaltete zu diesem Zeitpunkt diverse Simulationsmodelle für die Bausteine von Linear Technology. Seit 2016 ist die LTSpice Version XVII im Umlauf und bietet weitere Verbesserungen und höhere Performance, als die Vorgängerversion.

Ausblick

Es geht im nächsten und den danach folgenden Blogposts richtig los. Hier ein kurzer Ausblick

Konkretes Vorgehen bei der Simulation

In den nächsten Teilen dieser Blogpost Serie werde ich einen Einblick in die Software LTSpice geben, wie man die ersten Schaltungen aufbaut und simuliert und wie man die Ergebnisse interpretiert.

Ich zeige, wie externe Modelle eingebunden und Hierarchie Ebenen eingesetzt werden.

Weitere Spezialthemen in LTSpice

Spezialthemen werden sein:

  • Toleranzsimulationen
  • Temperaturverhalten von Bauteilen
  • EMV-Simulationen

Und noch einige andere Themen, die ich jetzt noch nicht verraten möchte 😉

Fragen an Dich

Als Feedback wünsche ich mir eine Antwort auf die zwei folgenden Fragen, gerne per Mail oder über das Frageformular.

Was sind deine Top 2 Fragen zu LTSpice?

Deine 2 Top Fragen zu LTSpice

Kleiner Hinweis auf meinen Gruppenkurs

Zum Schluss möchte ich gerne meinen LTSpice Gruppenkurs ankündigen. Dieser startet Ende November 2017 und in den nächsten Wochen werde ich weitere Informationen dazu herum schicken. Wenn Du dabei sein möchtest, dann kannst Du Dich gerne in meine Vormerkliste eintragen

Jetzt in die Vormerkliste eintragen und als erste dabei sein.

Es gibt auch einen kleinen Bonus für die Frühanmelder 🙂

Abschluss

Für diesen Blogpost ist nun das Ende erreicht, gleichzeitig ist es der Anfang meiner Mini-Serie zu LTSpice. Also bleib neugierig, was kommen wird.

Solltest du Fragen oder Anmerkungen haben, dann bitte gerne per Mail, in den Kommentaren oder über die sozialen Medien. Ich freue mich über jede Nachricht und über das Teilen meines Blogposts.