Elektrische Schaltungen simulieren mit SPICE-Simulation

Elektronik-Veteranen wissen wahrscheinlich eine ganze Menge über SPICE-Simulationen, aber selbst einige Ingenieure der alten Schule verlassen sich beim Entwurf von Schaltungen noch immer auf ihre Intuition und Erfahrung. SPICE-Simulationen sind wahrscheinlich das bekannteste Simulationstool für Elektronikdesign, sei es für das Design von Leiterplatten, integrierten Schaltungen oder anderer elektrischer Systeme. Aber was genau ist eine SPICE-Simulation, wie lassen sich damit elektrische Schaltungen simulieren und was sind bewährte Verfahren für die Verwendung von SPICE-Simulationen?

Sie kennen keine SPICE-Simulationen und haben als PCB-Designer noch nie einen Simulator für Elektro-Simulationen verwendet? Keine Sorge. Sie müssen kein Experte für elektrische Simulationen sein, aber zu wissen, wie man einen SPICE-Simulator benutzt und wie man die Ergebnisse interpretiert, hilft Ihnen genau zu entwerfen. Lesen Sie weiter und erfahren Sie, was eine SPICE-Simulation ist und wie Sie sie in Ihren Designs verwenden können.

Was ist eine SPICE-Simulation?

Das Akronym "SPICE" steht für "Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis" (Simulationsprogramm mit Schwerpunkt auf integrierten Schaltungen). Doch dieses Simulations-Framework für viel mehr als nur den Entwurf integrierter Schaltungen verwendet werden kann. Die ursprüngliche Berkeley SPICE-Simulationsanwendung wurde als Open Source veröffentlicht und bildet die Grundlage der heutigen SPICE-Tools.

Eine SPICE-Simulationsanwendung kann das elektrische Verhalten vieler Schaltungen mit analogen oder gemischten Signalen simulieren. Viele digitale Simulationsaufgaben können in einfachen SPICE-Simulationsanwendungen durchgeführt werden, während speziellere SPICE-Simulatoren Logiksimulationen für digitale Schaltungen ausführen können.

Mögliche Analysen mit SPICE

Es gibt einige grundlegende Analysen, die in typischen SPICE-Simulationsanwendungen durchgeführt werden. Dazu gehören:

• DC-Sweep: Eine grundlegende zeitunabhängige Simulation, bei der der Gleichstrom in einer Schaltung als Funktion der Eingangsgleichspannung berechnet wird. Für die Eingangsspannung wird eine Sweep-Messung durchgeführt und die Ergebnisse werden in einem Diagramm angezeigt.
• Transientenanalyse: Eine grundlegende Anwendung zur Simulation von Wechselstromkreisen, einschließlich Schaltungen mit nichtlinearen Bauteilen und Arbiträrsignalen. Die Ergebnisse werden im Zeitbereich angezeigt. 
• Frequenz-Sweep: Ein Frequenz-Sweep ist die konjugierte Simulation zur Transientenanalyse. Dabei wird die Schaltungsantwort im Frequenzbereich berechnet, wie Sie es z. B. bei einem Filter oder Impedanzanpassungsnetzwerk tun könnten.
• Parameter-Sweep: Ein Parameter in der Schaltung kann als Teil einer anderen Simulation durch verschiedene Werte gesweept werden. Der Parameter-Sweep wird häufig verwendet, um mit unterschiedlichen Komponentenwerten zu experimentieren und zu prüfen, wie sie das elektrische Verhalten beeinflussen.

Abgesehen von diesen grundlegenden Analysen enthalten kommerzielle SPICE-Anwendungen unterschiedliche Funktionen, Benutzeroberflächen und Befehle. Die verschiedenen SPICE-Simulatoren, die in kommerziellen Anwendungen oder als Open-Source-Programme im Internet zu finden sind, haben ihre eigenen Präfixe oder Suffixe (z. B. HSpice, LTSpice, etc.). Obwohl die Programme selbst in Bezug auf die Benutzerfreundlichkeit und die Funktionen sehr unterschiedlich sind, beruhen sie alle auf demselben grundlegenden Algorithmus zur Lösung von Schaltungsanalyseproblemen.

SPICE-Lösungsalgorithmus

Die primäre Lösungstechnik, die in SPICE verwendet wird, ist die Knotenspannungsanalyse. Diese liefert ein lineares Gleichungssystem (geschrieben als Matrix) und löst dieses System mithilfe der Matrixarithmetik. Während dieser Algorithmus für einfache Schaltungen von Hand implementiert werden kann, wird er bei großen Schaltungen schnell zu einem unlösbaren Problem. Stellen Sie sich eine Schaltung mit 100+ Bauteilen und einer ähnlichen Anzahl von Netzen vor: Sie müssten eine massive Matrixgleichung lösen, um die Spannung und den Strom in einer solchen Schaltung zu bestimmen.

Bei der Ableitung der Matrixgleichung für eine Schaltung erfordert die Knotenspannungsanalyse die Definition von Knoten in einem Schaltplan, und es wird ein Satz linearer Gleichungen für den Spannungsabfall über jeder Komponente abgeleitet. In der folgenden Abbildung haben wir 3 Knoten (beschriftet mit A, B und C) und GND als Referenzknoten. Mit "Referenzknoten" in der Knotenspannungsanalyse ist gemeint, dass die Spannung, die "an einem Knoten" gemessen wird, in Bezug auf GND gemessen wird. Sie können tatsächlich mehrere Referenzknoten haben, was gleichbedeutend mit mehreren galvanisch getrennten Massen auf unterschiedlichen Potentialen ist.

Matrix-Gleichung

In der obigen Schaltung hat die Matrixgleichung eine allgemeine Form, die eine Funktion der Spannungsabfälle zwischen benachbarten Knoten ist. In anderen Worten: Wir können eine Gleichung schreiben, die eine Funktion der Spannungsdifferenzen zwischen den Knoten (unter der Annahme, dass GND als Referenzknoten verwendet wird) und der Menge der Eingangsspannungen ist:

Die Spannungen (V), die in dieser Matrixgleichung berechnet werden müssen, können im Frequenzbereich liegen oder zeitabhängig sein. Durch Iteration dieser Gleichung für verschiedene Zeiten und Frequenzen werden die Spannung und der Strom an jedem Knoten berechnet. Auch hier könnte man dies von Hand machen, aber ein integrierter SPICE-Simulator automatisiert diesen langwierigen Prozess.

Sobald Sie eine Matrixgleichung in dieser Form haben, wird normalerweise eine Technik verwendet, die als Gauß-Jordan-Methode bekannt ist, um diese Gleichungen so weit zu reduzieren, dass sie iterativ gelöst werden können. Sie können im Internet nach den Details dieser Methode suchen, wenn Sie sie selbst programmieren wollen. Ein SPICE-Simulator kann die sich wiederholenden Berechnungen in der Gauß-Jordan-Methode jedoch sehr effizient durchführen.

Bleiben Sie produktiv – mit einem integrierten SPICE-Simulator

Als PCB-Designer konzentrieren Sie sich wahrscheinlich viel mehr auf das Routing als auf das Simulieren einer Schaltung. Die PCB-Layout-Designer von heute müssen jedoch auch die Rolle von Elektroingenieuren übernehmen, was bedeutet, dass sie wahrscheinlich Zeit damit verbringen, Schaltungen zu entwerfen – und sie müssen Simulationen dieser Schaltungen durchführen, um die korrekte Funktionalität sicherzustellen. Zudem müssen Designer auch andere Aufgaben wie Firmware-Entwicklung, Fertigungsvorbereitung, Beschaffung und mechanisches Design übernehmen.

Die besten PCB-Design-Anwendungen bieten Ihnen SPICE-Simulationstools, PCB-Layout-Funktionen und viele weitere Funktionen in einer einzigen Anwendung. Sobald Sie wissen, was eine SPICE-Simulation ist, können Sie das vollständige Design-Toolset in Altium Designer^® verwenden, um alle Aspekte Ihrer Schaltungen zu entwerfen und zu simulieren. Anschließend können Sie Ihre Bauteile in ein leeres PCB-Layout importieren, ohne ein externes Dienstprogramm für die Schaltplanerfassung verwenden zu müssen. Mit den branchenweit besten Design-Tools in Altium Designer übernehmen Sie die Kontrolle über alle Aspekte Ihrer Leiterplatte.

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