MICROSWISS-ZentrumRapperswil

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Rapperswil

Einführung inCapture und PSpice 9.1

von OrCAD

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Inhaltsverzeichnis

1. Einführung - Schema zeichnen....................................................................................21.1. Einführungsbeispiel..............................................................................................21.2. Arbeitsschritte.......................................................................................................21.3. Bauteile aus der Library holen und plazieren.......................................................31.4. Verwendete Librarys im Beispiel..........................................................................31.5. Schemabefehle....................................................................................................41.6. Bauteile, Quellen einstellen und Leitungen beschriften.......................................41.7. Wichtige Einstellungen im Schemaeditor.............................................................4

2. Einführung - Simulieren...............................................................................................52.1. Arbeitsschritte.......................................................................................................52.2. Simulator für die DC-Simulation einstellen...........................................................52.3. Simulator starten..................................................................................................52.4. Netzliste und Ausgabefile.....................................................................................62.5. Probe Die grafische Ausgabefenster...................................................................62.6. AC-Simulation.......................................................................................................82.7. Transienten-Simulation........................................................................................9

3. Bibliotheken und Signalquellen..................................................................................113.1. Bibliotheken........................................................................................................113.2. Gleich- und Wechselstrom Signalquellen...........................................................123.3. Transienten Signalquellen..................................................................................12

4. Gleichstromanalyse...................................................................................................144.1. Gleichstromübertragungsfunktion (DC Sweep)..................................................14

5. Analyse im Frequenzbereich.....................................................................................165.1. Frequenzgang (AC-Sweep)................................................................................165.2. Rauschanalyse (Noise Analysis)........................................................................17

6. Analyse im Zeitbereich..............................................................................................196.1. Transienten-Analyse...........................................................................................196.2. Spektralanalyse..................................................................................................21

7. Zusätzliche Möglichkeiten..........................................................................................237.1. Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse)......................................................237.2. Worst-Case-Analyse..........................................................................................247.3. Parameter-Analyse.............................................................................................25

8. Librarys, Symbole, Subcircuits und Modelle..............................................................268.1. Erstellen einer neuen Library und eines Modells................................................26

9. Schemazeichnen mit Hierarchien..............................................................................289.1. Schema mit Hierarchie und Blöcken..................................................................289.2. Umwandeln eines Blocks in ein Symbol.............................................................309.3. Erzeugen eines Symbols für ein bestehendes Schema.....................................31

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1. Einführung - Schema zeichnen

1.1. Einführungsbeispiel

Als Einführungsbeispiel wird eine DC- / AC- und eine Transientenanalyse gezeigt. Inden weiteren Kapiteln werden die Bibliotheken, die Signalquellen, die Analyseartenund der Umgang mit Librarys genauer beschrieben.Als Beispiel eine Operationsverstärkerschaltung mit einem Tiefpass.

1.2. Arbeitsschritte

Beim Schemazeichnen gibt es folgende Arbeitsschritte:

p Bauteile aus der Library holen, plazieren, einstellen und eventuell verschiebenp Bauteile miteinander verbindenp Quellen einstellen

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1.3. Bauteile aus der Library holen und plazieren

Auf Symbolliste rechts oder im Menu Place - Part (Shift P)

Man kann ein Element aus einer vorhandenen Libary auswählen oder mit Add Libraryeine neue Library hinzufügen.

Die Elemente für Masse und Speisung werden entweder in der Symbolliste rechtsoder im Menu Place - Power / Ground ausgewählt.

1.4. Verwendete Librarys im Beispiel

Jedes Schema braucht einen Knoten 0 als Referenzpunkt (z.B. bei agnd enthalten).

p Nat_semi.olb: Operationsverstärker LM324p Analog.olb: Widerstand R, Kondensator Cp Capsym.olb: Masse GND_signal, Anschlusspin Vcc_circlep Source.olb: Spannungsquelle vsrc

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1.5. Schemabefehle

Mit den folgenden Befehlen werden Operationen mit den Elementen gemacht:

p Bauteile verbinden: Place - Wire Shift W Symbol rechtsp Bauteil rotieren: Edit - Rotate Ctrl Rp Bauteil spiegeln: Edit - Mirrorp Neuzeichnen: View - Zoom - Redraw F5p Anzeige: View - Zoom Symbole oben

1.6. Bauteile, Quellen einstellen und Leitungen beschriften

p Allgemeiner Hinweis: In OrCAD gilt m für Milli und Meg für Mega.p Widerstände und Kondensator: Doppelklick auf den R bzw. Cp Quellen und Anschlusspin: Doppelklick auf das Bauelement

Den DC-Wert wird unter DC eingegeben. Die anderen Quellen sind im Abschnitt Signal- quellen beschrieben.

p Leitungen: Doppelklick auf Leitungen

1.7. Wichtige Einstellungen im Schemaeditor

p Papiergrösse: Options - Schematic Page Propertiesp Anzeige: Options - Design Template

Wahl der Beschriftung (z.B. Name, Nummer)p Rubberband: Die Verbindungen werden automatisch mitgezogen

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2. Einführung - Simulieren

2.1. Arbeitsschritte

Beim Simulieren gibt es folgende Arbeitsschritte:p Simulator einstellen (Analyseart und Optionen)p Simulator startenp Resultat im Ausgabefenster und auf dem Schema anzeigen lassen.

2.2. Simulator für die DC-Simulation einstellen

p Unter PSpice - New Simulation Profile - Create - Analysis - DC Sweepaktivieren

p Unter Data Collection - All voltage, current, and digital states einstellen.

2.3. Simulator starten

Den Simulator starten mit PSpice - Run

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2.4. Netzliste und Ausgabefile

Zwei Files werden bei der Simulation automatisch gemacht:

p Auf PSpice - View Simulation Results klicken. Dieses File zeigt die Netzliste vomgezeichneten Schema an, wenn keine Fehler gemacht wurden.

p Auf PSpice - View Output File klicken. Dieses File zeigt alle Abläufe bei derSimulation an. Es ist vorallem dann wichtig, wenn die Simulation nicht startet (z.B.fehlende Bibliotheken, nicht gesetzte Werte, keinen Arbeitspunkt oder 0 Knoten).

2.5. Probe Die grafische Ausgabefenster

p Unter PSpice - Markers - Voltage Level kann man den Spannungs-Marker wählenund die Spitze an den Ausgang und an den Eingang legen.

p Mit dem Element Current Into Pin sieht man den DC-Arbeitspunkt (Iprobe fürStröme).

p Im Fenster Probe unter Trace - Add Trace kann man auch ein Signal wählen,sowie mathematische Funktionen (z.B. MAX (V(OUT)) ).

p Mit Plot - Add Plot to Windows erscheint ein weiteres Diagramm.p Der Cursor befindet sich im Menu Tools - Customize - Keyboard (Kurve-Symbol).

Mit der linken bzw. der rechten Maustaste hat man je ein Cursor zur Verfügung.

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2.6. AC-Simulation

p Bei der Eingangsquelle AC=1 eingeben (Doppelklick auf Quelle).p Die AC-Analyse einstellen (PSpice - Edit Simulation Settings - AC Sweep/Noise)

p Den Simulator (Run) startenp Den dB Magnitude of Voltage benutzen und den Phase of Voltage - Marker im

Menu Markers - Advanced und an den Ausgang der Schaltung setzen.p Der gewünschte Bereich der X bzw. Y-Achse kann mit einem Doppelklick auf die

Beschriftung der Achsen eingestellt werden.

p Kommentar zur Simulation:Das Resultat zeigt die erwartete Verstärkung von 40db = 100. Die AC-Simulationlinearisiert die Schaltung im DC-Arbeitspunkt d.h. aus diesem Grund kann dieGrösse der AC-Quelle frei gewählt werden. Wenn man am Eingang 1 wählt erhältman direkt die Verstärkung der Schaltung.

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2.7. Transienten-Simulation

p Unter Eingangsquelle die Vpulse Quelle auswählen und einstellen:

p DieTransienten-Analyse einstellen und den Simulator starten:

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p Das Resultat der Transienten-Analyse: Operationsverstärker mit Offset

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3. Bibliotheken und Signalquellen

3.1. Bibliotheken

Die folgende Übersicht zeigt einen Teil der Bibliothek von OrCAD:

Bibliothek Beschreibung

abm.olb Mathematische FunktionenBANDPASS, DIFFER, ETABLE, GAIN, GTABLE, HIPASS, INTEG,LAPLACE, SUM

analog.olb Kondensator, gesteuerte Quellen, Iduktivität, Widerstand, TrafoC, E, F, G, H, L, R, T

bipolar.olb BipolartransistorenDH.., MM.., MPS.., MRH.., NS.., PN.., Q2N.., TN..

cd4000.olb7400.olb74HC.olb

Digitale CMOS-Schaltungen

diode.olb DiodenCR.., D1N.., J.., JR.., MBR.., MLL.., MR.., MUR.., MV..

ebipolar.olb Bipolartransistoren BC.., BS..

ediode.olb DiodenBA.., 1N..

nat_semi.olb Operationsverstärker LF.., LM..

source.olb Spannungs- und Strom-Quellen V.., I..VDC, VAC, VSRC, VSIN, VPLUSE, FILESTIM, DIGCLOCK

special.olb Spezielle SymboleIC1 (Vorgabe einer Spannung bei Konvergenzpoblemen),PARAM (Einstellen der Variablen der Parameteranalyse)INCLUDW (lokales Einbinden von Files wie Libraries)

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3.2. Gleich- und Wechselstrom Signalquellen

Die Parameter dieser Quellen sind auch in jeder Quelle für die Transientenanalyseenthalten.

p VSRC Gleich- und Wechselstromquellep VDC Gleichstromquellep VAC Wechselstromquelle

Jede Quelle hat die folgenden zwei Parameter:

p Mit dem Parameter DC wird der Gleichstromarbeitspunkt bestimmt. Mit den beidenParametern Viewpont und Iprobe können diese Werte abgefragt werden.

p Der Parameter AC ist nur bei der AC-Analyse aktiv.

3.3. Transienten Signalquellen

Die folgende Grafik zeigt alle Signalquellen. Die Parameter der einzelnen Quellen sindauf der folgenden Seite erklärt.

Sinusquelle VSIN

Exponentialquelle VEXP

Pulsquelle VPULSE

Polygonquelle VPWL

Frequenzmodulierte QuelleVSFFM

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pp VSIN SinusquelleParameter Bedeutung Beispiel

VOFFVAMPLFREQTDDFPHASE

Offsetspannung [V]Amplitude [V]Frequenz [Hz]Verzögerungszeit [s]Dämpfungsfaktor [1/s]Phasenverschiebung [Grad]

01120.230

p VEXP ExponentialquelleParameter Bedeutung Beispiel

V1V2TD1TC1TD2TC2

Startwert der Spannung [V]Spitzenwert der Spannung [V]Anstiegsverzögerung [s]Anstiegszeitkonstante [s]Abfallverzögerung [s]Abfallzeitkonstante [s]

1510.220.5

pp VPULSE PulsquelleParameter Bedeutung Beispiel

V1V2TDTRTFPWPER

Startwert der Spannung [V]Spitzenwert der Spannung [V]Initialverzögerung [Hz]Anstiegszeit [s]Abfallzeit [s]Pulsbreite [s]Periodendauer [s]

1510.10.40.52

pp VPWL PolygonquelleParameter Bedeutung Beispiel

T1 T2 T3 TnV1 V2 V3 Vn

Zeitpunkt [s]Amplitude [V]

0.0 1.0 1.2 1.4 2.0 3.00.0 0.0 5.0 2.0 4.0 1.0

pp VSFFM Frequenzmodulierte QuelleParameter Bedeutung Beispiel

VOFFVAMPLFCMODFM

Offsetspannung [V]Amplitude [V]Trägerfrequenz [Hz]ModulationsindexSignalfrequenz [Hz]

21841

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4. Gleichstromanalyse

4.1. Gleichstromübertragungsfunktion (DC Sweep)

Die Gleichstomanalyse erlaubt das Durchlaufen eines bestimmten Wertebereicheseiner Quelle, eines Modelparameters, eines globalen Parameters oder desTemperatur. Dabei werden Kondensatoren als Unterbruch und Induktivitäten alsKurzschluss bezeichnet.

p Das Beispiel zeigt eine Diodenkennlinie:

In der Probe kann man auch eine andere X-Achse als Eingangs-spannung wählen.Dies geschieht durch Plot - Axis Settings und durch ein Klick auf Axis Variable.

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p Einstellungen für eine Gleichstromübertragungsfunktion Simulation:

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5. Analyse im Frequenzbereich

5.1. Frequenzgang (AC-Sweep)

Die Analysen im Frequenzbereich sind generell Kleinsignal-Analysen mit linearisiertenBauelementgleichungen und berücksichtigen keine Übersteuerung oder Arbeitspunkt-verschiebungen während der Analyse. Der Arbeitspunkt wird mittels den DC-Parametern der Quellen berechnet.

p Das Beispiel zeigt den Frequenz-gang eines RC-Tiefpass:In der Spannungsquelle (VSRC) muss eine AC-Spannung und meist auch eine DC-Spannung eingestellt sein.

Im Menu Plot - Axis Settings wählt man eine lineare bzw. eine logarithmischeDarstellung bzw. den Bereich.

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p Einstellungen für eine Frequenzgang Simulation:

5.2. Rauschanalyse (Noise Analysis)

Die Rauschanalyse berechnet die Rauschbeiträge von jedem Bauelement in derSchaltung und bildet die Summe der Effektivwerte am spezifizierten Ausgangsknoten. Das Resultat wird in Volt pro Wurzel Hertz angegeben.Das kumulierte Rauschen be-rechnet sich im Menu Trace - Add Trace in TraceExpression: SQRT(S(V(ONOISE)*V(ONOISE)))

p Das Beispiel zeigt das Rauschen eines RC-Tiefpass:

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p Einstellungen für eine Rauschanalyse:

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6. Analyse im Zeitbereich

6.1. Transienten-Analyse

Eine Transienten-Analyse berechnet das Verhalten eines Schaltkreises über einenangegebenen Zeitraum.

p Das Beispiel zeigt das Einschaltverhalten eines RC-Tiefpass:

Die Quelle diese Beipiels heisst Vpulse.Parameter VPULSE: V1=0; V2=1; TD=2m; TR=1n; TF=1n; PW=1m; PER=2m

p Einstellungen bei der Transienten-Analyse:

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6.2. Spektralanalyse

Zusätzlich zur Transienten-Analyse kann noch eine Spektralanalyse des Signales ausder Zeitanalyse dargestellt werden. In der Probe kann zwischen der Zeit- undSpektraldarstellung unter Plot - Axis Settings (X) umgeschaltet werden. Je mehrSchwingungen bei der Zeitanalyse vorhanden sind, desto genauer die Analyse und jekleiner der Wert bei Pront Step, desto breiter der Analysierte Frequenzbereich.

p Das Beispiel zeigt das Spektrum der Eingangsquelle und des Ausgangs:

Parameter für VPULSE: V1=-1; V2=1; TD=0; TR=1n; TF=1n; PW=1m; PER=2m

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p Einstellungen für eine Spektralanalyse:

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7. Zusätzliche Möglichkeiten

7.1. Statistische Analyse (Monte-Carlo-Analyse)

Bei der statistischen Analyse werden mehrfache Rechenvorgänge einer Simulationsartdurchgeführt und dabei die toleranzbehafteten Bauteile zufällig variiert, die mit denModelanweisungen DEV (unabhängig) und LOT (in der Gruppe) angegeben werden.

p Für diese Simulation wurde ein Widerstand Rtol mit Toleranz gemacht (sieheKapitel 8).

p Unter Pspice - New Simulation Profile - Create - Analysis - AC-Sweep/Noise -Monte Carlo gibt man ein:

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7.2. Worst-Case-Analyse

Die Worst-Case-Analyse sucht die maximale Abweichung vom Nominalwert. Sie wirdimmer zusammen mit einer anderen Analyseart (Frequenz-, Zeitanalyse) verwendet.

p Das Beispiel zeigt den Nominal- und den Maximalwert der Ausgangsspannung:

p Einstellungen für die Worst-Case-Analyse:Unter Analysis wählt man Monte Carlo/Worst Case und stellt folgendes ein:

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7.3. Parameter-Analyse

Eine Parameter-Analyse ist eine verschachtelte Analyse. Sie wird immer zusammenmit einer anderen Analyseart (Frequenz-, Zeitanalyse) verwendet. Dabei muss derWert des Bauelementes mit einer Variablen z.B. {CVAL} beschriftet sein. DieseVariable muss mit dem Element PARAM auf einen festen Wert, z.B. 1u, initialisiertwerden. Unter Place - Part das Element PARAM holen, Doppelklick auf das Element,unter New - cval eingeben und unter Display - Name and Value anwählen.

p Das Beispiel zeigt die Ausgabe der Paramter-Analyse eines RC-Tiefpasses:

p Einstellungen für eine Parameter-Analyse:

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8. Librarys, Symbole, Subcircuits und Modelle

In OrCAD gibt es folgende Files-Erweiterungen:

p .lib Modellbeschreibung von einem oder mehreren Modellen

p .olb File mit den Symbolen der Modelle

p .dsn Schema

Es empfiehlt sich ein eigenes Verzeichnis für .lib und .olb Files zu machen (z.B.c:\mylib) und auch für die Schemas (z.B. c:\work\projekte).

8.1. Erstellen einer neuen Library und eines Modells

1. Den Pspice Model Editor starten. Am einfachsten es es unter Model - CopyFrom.. ein bestehendes Model aus der Pspice-Library auswählen undüberschreiben.

Folgende Beschreibung im Editor eingeben und das File speichern:

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2. In Capture die Library öffnen und im Projektmanager mit der rechten Maustaste aufRtol Edit Part wählen.

3. Auf Options - Package Properties und Attach Implementation...

und den Pfad auswählen:

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9. Schemazeichnen mit Hierarchien

Schemas kann man auf drei verschiedene Arten zeichnen:

p Schema ohne Hierarchie, d.h. es gibt ein Schema - gut für kleine Schaltungen.p Schema mit Hierarchie und Blöcken - Diese Methode ist gut bei grösseren

Schaltungsblöcken, bei denen die Anschlüsse noch ändern können.p Schema mit Hierarchie und Symbolen - wenn Anschlüsse nicht mehr wechseln z.B.

bei einem Operationsverstärker. Bei dieser Methode kann man mit der Top-Downbzw. mit der Buttom-Up - Methode arbeiten.

9.1. Schema mit Hierarchie und Blöcken

Bei dieser Methode gibt es mehrere Hierarchien, d.h. es gibt auch mehrere Schemas.In der Design-Struktur wird das dargestellt. Mit Design - New Schematic werdenmehrere Schemas gebildet.

1. Im Schemaeditor wird mit Place - Hierarchical Block (Symbol rechts Viereck) einBlock gezeichnet. Mit Shift - linke Maustaste kann die Grösse verändert werden.

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2. Die Schaltung wird mit Place - Wire verdrahtet und mit Place - Hirarchical Pinwerden die Anschlüsse beschriftet.

3. Den nächsten Schemaeditor öffnen und mit Place - Hirarchical Port dieAnschlüsse einfügen. (Die Bezeichnungen müssen mit den Pin-Namenübereinstimmen.) Dann wird das Schema dazu gezeichnet.

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9.2. Umwandeln eines Blocks in ein Symbol

Dieser Weg ist ein sehr schneller und auch praktischer Weg, wenn man einSchaltungsteil, bei dem man die Anschlüsse definiert hat, als Symbol in einer Libraryhaben möchte.

1. In Capture Tools - Generate Part anwählen, Symbolnamen und eine neue oderbestehende Library angeben.

Im Projektmanager wird das neue Symbol angezeigt.

2. Im Projektmanager neues Symbol anwählen - rechte Maustaste - New Part unddanach New Symbol.

Das neue Symbol ist somit fertig.

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9.3. Erzeugen eines Symbols für ein bestehendes Schema

Hier wird gezeigt, wie man aus einem bestehenden Schema ein Symbol macht.

1. Im Projektmanager wird das gewünschte Schema angewählt und kopiert.

2. Dann muss man die Library öffnen, bei der man das neue Symbol einfügen möchte.Im Projektmanager wird das Schema mit Paste eingefügt. Mit Tool - GeneratePart gehen und dann gleich vorgehen wie in Kapitel 9.2.

3. Wenn man das Symbol verändern möchte, im Projektmanager mit der rechtenMaustaste auf den entsprechenden Namen klicken und Edit Part anwählen.

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