Warum Sie integrierte Schaltungssimulation benötigen

| Erstellt: April 4, 2017 | Aktualisiert am: December 18, 2020

Ausschnitt aus einer integrierten Circuit Simulation

Circuit Simulation: ein integrierter Simulator oder Simulation von ICs? Zwar Sie sind kein Anfänger mehr, aber aus folgendem Grund sagen wir: Belassen Sie die integrierte Simulation in Ihrem Werkzeugkasten. Im Laufe Ihrer Karriere werden Sie immer selbstbewusster; Sie neigen dazu, Schaltungen zu sammeln, von denen Sie wissen, dass sie in unterschiedlichen Designs gut funktionieren (z. B. Stromversorgungen, Filter, Oszillatoren). Normalerweise funktionieren diese wiederverwendbaren Blöcke in jeder Umgebung, in der Sie sie verwenden möchten. Simulation kann Ihnen dennoch die Haut retten.

Integrierte Schaltungssimulation – Ihr Assistent für den zweiten Blick

Ich treffe mich mit Elektronikentwicklern unterschiedlichster Karrierephasen und Qualifizierungen. Seit mehr als einem Jahrzehnt bietet mir meine Beschäftigung mit EDA-Marketing und -Unterstützung die Möglichkeit, mit erfahrenen professionellen PCB-Designern, jungen Ingenieuren, PCB-Designspezialisten, Universitätsstudenten und sogar Hobbyisten Designs aller Art zu diskutieren.

In Bezug auf nicht lineare Schaltungen ist es offensichtlich, dass Konstrukteure in den Anfangsjahren ihrer Karriere stark auf Simulationssoftware angewiesen sind. Im Laufe ihrer Karriere neigen sie dann dazu, diese Gewohnheit abzulegen.

Jedoch gibt es gute Gründe, die Nutzung von Daten aus der Circuit Simulation nicht zu vernachlässigen. Schauen wir uns deshalb einige hier an:

Zeitersparnis beim PCB-Prototyping

In der Regel kann nicht jeder Schaltungsteil simuliert werden. Zudem ist bei modernen Mixed-Signal-Designs mit großen Mikrocontrollern oder digitalen Sektionen, die meist softwaregesteuert sind, die Einrichtung von Teststimuli nicht praktikabel.

Allerdings gibt es immer ein paar kleinere kritische Designelemente – normalerweise im analogen Bereich – bei denen Sie sicherstellen müssen, dass Ihre Schaltungskomponenten funktionieren. Simulieren Sie nur die Designelemente, die analoge Signale und Stromversorgung beinhalten oder neue Funktionen ausschließlich in Hardware ausführen, sparen Sie viel Zeit. Sie bekommen schnell Klarheit, ob die erforderliche Logik oder das analoge Verhalten in Ihrem Teilschaltkreis das erfüllt, was Sie beabsichtigen.

Sparen Sie Geld bei Bauelementen und PCB-Revisionen

Zeit ist Geld. Daneben wird der Einsatz des integrierten Schaltungssimulators für Tests und „virtuelles Prototyping“ definitiv Kosteneinsparungen bei verwendeten Komponenten und PCB-Revisionen bringen. Das steht fest.

Ein Grund, warum viele Ingenieure das Simulieren aufgeben, ist, dass sie glauben, für die Circuit Simulation ein anderes Software-Werkzeug verwenden zu müssen als für den Schaltplanentwurf. In diese Falle kann man leicht tappen: Es gibt eine Reihe „kostenloser“ Werkzeuge, um elektrische schaltungen simulieren, welche von Halbleiterherstellern heruntergeladen werden können, wie z. B. LTSpice und TI-Tina. Doch es ist mühsam, alles an zwei verschiedenen Stellen neu zeichnen zu müssen; in der Regel werden spezielle SPICE-Simulationstools mit schlanken Schaltplan-Editoren geliefert, die für das PCB-Design weniger gut geeignet sind.

Ein professioneller Schaltplanentwurf mit vereinheitlichten Komponentenmodellen bedeutet, dass Sie SPICE-, XSPICE-, Digital Simcode- (für den gemischten Modus) und PSPICE-Modelle direkt zu den Komponenten in Ihrem Entwurf hinzufügen können. Dann ist die SPICE-Simulation aus demselben Schaltplaneditor heraus einsatzbereit. Es muss nichts mehr neu gezeichnet werden.

Das ist, was ich unter integrierter Circuit Simulation verstehe. Möglicherweise denken Sie aber dabei auch an die Simulation von ICs. ;-)

Werfe einen zweiten Blick, mein Freund

Die mystische Natur der Elektronik könnte Sie glauben lassen, ein integrierter Circuit Simulator würde sich in einer bestimmten Weise verhalten, obwohl er sich in Wirklichkeit anders verhält. Bevor Sie sich die Mühe machen, überhaupt etwas zu bauen, kann eine Simulation eine Art Plausibilitätsprüfung sein.

Screenshot von einer integrierten Schaltungssimulation — Screenshot von einer integrierten Circuit Simulation

When I am designing analog circuits in particular (usually audio related; I am a musician and an engineer after all), I like to use the simulator to check:

DC biases and conditions around the circuit (particularly needed with discrete transistor and JFET based designs).
Frequency responses (A.K.A. AC small signal analysis).
Clipping levels and non-linearity characteristics (using transient analysis).
Device power dissipation, voltages and currents (DC analysis and Transient).
The effects of component manufacturing variances (monte-carlo analysis).

More than anything, running these allows me to quickly see if something doesn’t work as I had intended. If the simulator provides me with an unexpected result, it prompts me to check everything and look for circuit design errors, incorrect component values, or bad part choices.

This may seem obvious - but it’s worth discussing. Many people, once they’ve gained more experience, see simulators as a learning tool they used in school. But really, they are here to help in all designs.

Designing with Simulation

Circuit simulation is a very powerful tool for design as well. Not just for testing your theoretically calculated component values, but also for trying out an array of “what-if” scenarios.

For example, let’s say I’m designing a second-order high-pass filter for an speaker crossover:

Ich versuche, den besten Wertebereich für Widerstände und Kondensatoren herauszufinden, der unter Beibehaltung einer Butterworth- (maximal flachen) Bandpass-Charakteristik und einer vom Benutzer mit einem Schalter wählbaren Grenzfrequenz zu verwenden ist. Ich kann Global Parameters im Abschnitt XSPICE-Simulationseinrichtung in CircuitStudio^® verwenden, um mehrere Parameterdurchläufe mit aus den Butterworth-Formeln berechneten Komponentenwerten zu erstellen:

Mit der Option Parameters Sweep kann ich die Global Parameters CUTOFF_FREQ und DAMING_COEFF variieren, aus denen die Komponentenwerte für die Butterworth-Antwort berechnet werden. Das Ergebnis ist eine Antwortkurvenschar:

Meine persönliche Vorliebe ist ein dunkler Hintergrund für den Signalform-Editor. Ich verwendete die Dokumentoptionen, um die Vorder- und Hintergrundfarben zu vertauschen. Dann formatiere ich die Signalverläufe so, dass Amplitude in dB und Phase in Grad angezeigt werden. Sobald diese Einstellungen auf das Dokument angewendet und gespeichert sind, werden sie dauerhaft hinterlegt. Auf diese Weise kann ich eine beliebige Anzahl von Simulationen mit verschiedenen Variationen des Dokuments durchführen, und es merkt sich meine Präferenzen für die Darstellung.

Dieser Parameters Sweep und die Möglichkeit, Global Parameters zu verwenden, haben mir geholfen, den klassischen „Boogie“-Grafikentzerrer zu analysieren und „virtuell zu erproben“. In diesem Fall habe ich ein Mehrkanal-Design mit einer Induktivität-Kondensator-Reihenresonanz, die für alle Filterfrequenzbänder zwischen 32 Hz und 16 kHz verwendet wird. Ich wollte den Effekt simulieren, der entsteht, wenn man jedes Verstärkungs-Potenziometer zwischen normaler, voller Absenkung und voller Anhebung variiert. Jede Position für jedes Band wird simuliert, wobei die Potenziometerstellungen als globale Parameterformeln eingestellt werden:

In diesem Fall benutze ich einen Haufen von „IF“ Anweisungen im PSPICE-Stil. Wenn der Parameters Sweep den „POTS“-Parameter variiert, bewirkt er, dass jeder der Potenziometer-Widerstandswerte an verschiedenen spezifischen Punkten abwechselnd die Extrem- und Mittelstellung einstellt. Die resultierende AC-Analyse ist unten angegeben:

Nun kann ich einen Prototyp dieses Equalizer-Bausatzes bauen, weil ich weiß, dass er mit meiner E-Gitarre fantastisch klingen wird.

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Embeded Video: https://play.vidyard.com/tehkkuMqDo1qcGMGbhhz5T

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Über den Autor / über die Autorin

Ben ist ein Ingenieur für Computersysteme und Leiterplatten mit über 20 Jahren Erfahrung in den Bereichen Embedded-Systeme, FPGA und Leiterplatten-Design. Er ist ein begeisterter Bastler und begeistert sich für die Entwicklung elektronischer Geräte aller Art. Ben hat einen Bachelor of Engineering (CompSysEng) mit Auszeichnung von der University of Southern Queensland und ist derzeit Director of Community Tools and Content.

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