Der Einstieg in LTSpice

Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 19. Dezember 2012 um 11:43 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 05. Juni 2016 um 11:48 Uhr

// Der Einstieg in die Simulation elektronischer Schaltungen mitLTSpice

LTSpice ist ein in seiner uneingeschränkten Vollversion auf Spice basierenderSchaltungssimulator, welcher die Firma Linear Technology kostenlos zur Verfügungstellt. Das Programm erfreut sich unter Auszubildenden, Studenten und professionellenSchaltungsentwicklern wegen seiner vielfältigen Möglichkeiten immer größererBeliebtheit. Es besitzt eine graphische Schaltplaneingabe und läuft sowohl unterWindows als auch unter Ubuntu in Wine. Das meiste, was für Spice und LTSpice gilt,ist auch für PSpice zutreffend, da PSpice eine kommerzielle Variante von Spice ist. Das Simulieren elektronischer Schaltungen auf dem PC birgt viele Vorteile gegenüber einemrealen Versuchsaufbau und bietet damit ungeahnte Einblicke in das Verständnis einerSchaltung. Änderungen an einer Schaltung lassen sich dank einer Schaltplaneingabewesentlich schneller, bequemer und übersichtlicher vornehmen als auf einem Steckbrett odereinem anderen Laboraufbau. In Form von Modellen steht ein Vorrat an passiven und aktivenBauteilen zur Verfügung, welcher den Etat jeder Hobbykasse sprengen würde.Schätzungsweise 20.000 bis 30.000 Halbleiter-Modelle stehen für Spice und damit LTSpicekostenlos im Internet zum Herunterladen bereit. Ganz abgesehen davon wäre die realeEntsprechung des Messgeräteparks eines Spice-Simulators selbst für professionelleEntwicklungslabore eine finanzielle Herausforderung. Zudem können bestimmte Verfahren wiezum Beispiel die Toleranzanalyse, bei der Spice alle Bauteilewerte automatisch im Rahmenihrer Toleranzangabe verändert, nicht mit einem Laboraufbau in einem vernünftigen Zeitrahmendurchgeführt werden.

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Über die Anfänge von Spice: Um Spice besser zu verstehen, ist ein kurzer Rückblick in dieAnfänge von Spice angebracht. Die Abkürzung Spice steht für “Simulation Programm withIntegrated Circuit Emphasis”. Spice wurde Ende der 70er Jahre an der kalifornischenUniversität von Berkeley entwickelt, um, wie die Bezeichnung vermuten lässt, hauptsächlichintegrierte Schaltungen zu entwickeln. Die Entwickler sahen es deshalb als einen Vorteil an,dass im Gegensatz zu einem Versuchsaufbau Einflüsse der Verdrahtung entfallen, alleHalbleiter keine oder kaum Exemplarstreuungen untereinander aufweisen und die gleicheSperrschichttemperatur besitzen. Heutzutage ist Spice nicht mehr für die Entwicklung selbst

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einfacher Integrierter Schaltungen geeignet. Spice erfreute sich aber im Laufe der Jahre immergrößerer Beliebtheit bei der Entwicklung analoger Schaltungen. Im Laufe der Zeit haben sichdeshalb Methoden entwickelt, wie den verschiedenen Bauelementen unterschiedlicheToleranzen und Sperrschicht- oder Materialtemperaturen zugewiesen werden können. Für dieEntwicklung Integrierter Schaltung betrachtete man dies ursprünglich als nebensächlich.

Netzlisten und Spice-Befehle: Spice selbst ist zudem kostenlos und steht heute imQuellcode 3f5 zur allgemeinen Verfügung. Dieser Quellcode dient vielen Anbietern alsGrundlage für viele Spice-Programme mit unterschiedlich komfortablen Benutzeroberflächen.Meistens sind diese Programme dann kostenpflichtig. Dafür lässt sich die Simulation perMausklick starten, ohne sich um Netzlisten und Spice-Befehle kümmern zu müssen. Trotzdemist es sinnvoll sich damit zu beschäftigen, um die Bedienung von Spice besser zu verstehen.Besonders LTSpice verwendet eine teilweise gewöhnungsbedürftige Benutzerführung auslinken und rechten Mausklicks, Tastaturbefehlen und der Eingabe von einigen Spice-Befehlen.In der Anfangsphase von Spice waren alle Spice-Befehle umständlich über dieKommandozeilenebene einzutippen. Eine graphische Schaltplaneingabe gab es ebenfalls nicht.Die Schaltung musste als Netzliste eingegeben werden. Diese beschreibt auf der TextebeneZeile für Zeile, wie die Bauteile miteinander verknüpft sind. Die Parallelschaltung eines1,5nF-Kondensators C1 mit einem 1k-Ohm-Widerstand R1 würde wie folgt aussehen: C1 a b 1.5n R1 a b  1k Wobei „a“ und „b“ die Bezeichnungen der Knoten oder umgangssprachlich der Schaltdrähtedarstellen. C1 ist also mit den "Drähten" "a" und "b"verbunden. R1 ist dies ebenfalls auch. Das Dezimaltrennungszeichen muss wie nach deramerikanischen Schreibweise üblich, immer ein Punkt sein. Mit einem Komma käme eineFehlermeldung. Würden wir zu dieser Parallelschaltung noch eine Spuele L1 von 1mH in Serieschalten, sähe die Netzliste folgendenermaßen aus: C1 a b 1.5n R1 a b  1k L1 b c 1m Bei drei Bauteilen lässt sich die Schaltung sehr leicht rekonstruieren. Bei 90 Bauteilen mit 50Knoten ist dies allerdings sehr aufwändig und verwirrend, weil die Information über die Positionder Bauteile fehlt. Diese Lagebestimmungen der Bauteile benötigt der Simulator nicht. DerMensch ist es aber gewohnt Schaltungen mit Hilfe von Stromlaufplänen zu begreifen. Deshalbwurden Schaltplaneingaben entwickelt, die aus einem Schaltplan automatisch eine Netzlisteerzeugen. Dies geschieht bei LTSpice automatisch, wenn der Befehl zur Simulation gegebenwird. Simuliert wird immer die Netzliste und nicht der Stromlaufplan. Diese Verbindungsnetzliste reicht aber noch nicht aus, um eine Simulation ausführen zu

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können. Wir müssen noch eine Strom- oder Spannungsquelle hinzufügen. Außerdem muss ineiner weiteren Zeile ein mit einem Punkt eingeleiteter Spice-Befehl eingetragen werden, der diegewünschte Simulationsart festlegt. Ein Knoten muss noch als Bezugspunkt die Bezeichnung„0“ tragen. Ohne die „0“ kann Spice keine Simulation ausführen. Die vollständigeSimulationsnetzliste würde dann so aussehen: * fa1 C1 a b 1.5nF R1 a b 1k L1 b 0 1.8mH V1 a 0 SINE(0 1Volt 100kHz) .tran 0.1m .end Man beachte dabei, dass die erste Zeile eine mit einem „*“ eingeleitete Kommentarzeile seinmuss. Ohne diese Kommentarzeile würde die Netzliste nicht simuliert werden können. Die Zeile„V1 a 0 SINE(0 1Volt 100kHz)“ beschreibt eine Sinusquelle mit einer Spitzenspannung von 1Volt und einer Frequenz von 100 kHz, die zwischen den Knoten „a“ und „0“ angebracht ist. DerBefehl „.tran 0.1 m“ leitet eine Transientenanalyse ein, die nach 0,1 Mili-Sekunden endet. Mitder Transientenanalyse erhalten wir wie bei einem Oszilloskop Kurvenzüge im Zeitbereich. AllePSpice-Befehle beginnen am Zeilenfang mit einem leicht zu übersehenden Punkt. Ebenso fängtder zwingend notwendige End-Befehl mit einem Punkt an.   Diese Netzliste können wir als einfaches Textdokument in Notepad kopieren und als fa1.netabspeichern, um diese dann zu simulieren. Dazu schieben wir die fa1.net mit der Maus in dasgeöffnete LTSpice-Programm und starten danach die Simulation, indem wir auf dem Knopf mitdem springenden Männchen in der oberen Menüleiste klicken. In der Praxis werden keineNetzlisten editiert sondern die Schaltung mit der Schaltplaneingabe gezeichnet und danachsimuliert. Doch sind Kenntnisse über Netzlisten unverzichtbar, wenn man den Unterschiedzwischen Modellen und Unternetzwerken verstehen will.

Unternetzwerke (Subcircuits): Integrierte Schaltungen wie zum BeispielOperationsverstärker bestehen aus einer Vielzahl von elektronischen Bauteilen, also aus einereigenen elektronischen Schaltung. Diese Schaltungen können ihrerseits als Netzwerke in Formvon Netzlisten abgebildet werden. Wenn Bauteile durch Netzlisten beschrieben werden, sprichtman von Unternetzwerken. Ein Unternetzwerk fängt in seiner ersten Zeile immer mit .SUBCKTan und hört mit .ENDS auf.

Modelle: Im Gegensatz zu Unternetzwerken werden Halbleiter wie Dioden und Transistorenals Spice-Modelle beschrieben, wobei Parameter verwendet werden, die aus derHalbleiterphysik und Halbleiterfertigung stammen und in den Datenbüchern nicht zu finden sind.Die Spice-Modellierung ist ein sehr umfangreiches Thema, über das es im Internet sehr viel

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Literatur gibt. Der Anwender braucht sich in der Regel nicht um die Modellierung kümmern undgreift auf vorhandene Modelle zurück. Modelle werden immer mit .MODEL eingeleitet. EineAnweisung für das Ende des Modells gibt es nicht.

Modell-Bibliotheken: Modelle und Unternetzwerke können zusammen in textbasiertenTextdateien untergebracht werden, welche meistens die Endung LIB oder MOD tragen. In derAnfangszeit von Spice, als nur mit Netzlisten gearbeitet wurde, war es einfach solcheModell-Bibliotheken einzubinden. Dafür reichte es aus, wenn in der Netzliste der Befehl.INCLUDE Dateiname oder .LIB Dateiname vorkam.

Arbeitet man mit einer Schaltplaneingabe wird es undurchsichtiger, denn nun muss irgendwodie Information abgespeichert werden, welches Spice-Modell mit welchem Bauteile-Symbol derSchaltplaneingabe verknüpft wird. Dies geschieht aber nicht in der Netzliste, denn die Netzlistekennt keinen Schaltplan. Die Netzliste ist entweder von Hand erstellt oder wurde vomSchaltplan-Editor erstellt. Schaltbildsymbole kennt Spice ebenfalls nicht.

Simulation eines invertierenden Verstärkers mit LTSpice mit einem AC-Sweep für dieUntersuchung des Frequenzgangs. Der Kondensator C1 (22 pF) wurde mit Hilfe der Simulationexperimentell ermittelt, um die obere Grenzfrequenz nach oben zu verschieben. Mit einerSimulation lassen sich berechnete Schaltungen sehr gut optimieren.

Schaltplaneingabe: Die größte Hürde für den Anfänger ist die Schaltplaneingabe. ZumBeispiel müssen die Bauteilwerte so angegeben werden, das Spice die Anweisungen versteht.Mit "10 kOhm" kann Spice nichts anfangen, weil das Leerzeichen stört. Richtigwürde es "10k" heißen. 10M" würde Spice als 10 Mili-Ohm begreifen. 10

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Meg-Ohm sind in Spice 10Meg. Zwischen Groß- und Kleinschreibung unterscheidet Spice nicht.

Wie man Schaltpläne in LTSpice eingibt, lässt sich am besten mit Hilfe von Videos zeigen.Solche Videos habe ich unter http://elektronikbasteln.pl7.de/lernvideos-ltspice.html inmehreren Teilen abgelegt. Einmal klinge ich dort etwas außer Atem. Ich bitte darüberhinwegzusehen. Ich kam nämlich gerade vom Schneeräumen.

Simulationsarten: Nach der Schaltplaneingabe muss nun festgelegt werden, mit welchen"Messgeräten" wir die Schaltung untersuchen wollen. Wollen wir im Zeitbereichuntersuchen, wählen wir Transientenanalyse und wir sehen Kurvenzüge, wie sie einOszilloskop darstellen würden. Mit AC-Sweep können wir uns Frequenz- und Phasenverläufebetrachten. Mit DC-Sweep können wir den Bauteil eines Wertes verändern, und sehen, wie sichder Arbeitspunkt in der Schaltung verschiebt.

Mit der paramatetrischen Simulation kann der Parameter eines Bauteils automatischschrittweise verändert werden, um eine Kurvenschar zu erhalten. So können Sie zum Beispieldie Koppelkondensator eines Verstärkers "durchsteppen", um den optimalen Wertzu finden. Die parametrische Simulation kann sowohl beim AC-Swee als auch bei derTransientenanalyse eingesetzt werden.

Mit der FFT-Analyse können Sie sich aus den Kurvenzügen der Transientenanalyse diespektrale Darstellung errechnen lassen. Viele Funktionen, die das Simulationsergebnis durchUmrechnen anders darstellen, sind bereits von der Darstellung durch ein modernes, digitalesSpeicheroszilloskop vertraut.

Oszillatoren simulieren: Die Arbeitspunktberechnung wird immer vor einerTransientenanalyse ausgeführt. Bei Oszillatoren kann der von Spice vorgeschlageneArbeitspunkt so ungünstig liegen, dass der Oszillator nicht anschwingt. Dann können Sie dieArbeitspunktbestimmung abschalten, wobei zur Arbeitspunktbestimmgung der gesamteAnschwingvorgang simuliert werden muss. Wenn Sie mit PSpiceOszillatoren simulieren, müssen Sie die Arbeitspunktberechnung immer abschalten. Bei LTSpice ist dies automatisiert,da LTSpice speziell für die Simulation von Schaltnetzteilen entwickelt wurde. Schaltnetzteilesind ja auch Oszillatoren. Achten Sie auch dabei, dass Sie eine Rechenschrittweite wählen, dieso klein ist, das mindestens 10 Punkte für eine Periode berechnet werden. Eventuell müssenSie die maximale Rechenschrittweite verkleinern. Zu große Rechenschchrittweiten lassen die

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Kurvenzüge nicht nur zu zackig aussehen, weil die einzelnen, von Spice berechneten Punktedurch Geradenstücke verbunden werden (lineare Interpolation). Sie vereiteln auch dasAnschwingen eines Oszillators.

Konvergenzprobleme: Mathematisch betrachtet werden vom Spice-Simulator nichtlineareGleichungssysteme im komplexen Bereich durch Iterationsverfahren gelöst. Wenn keineLösung gefunden werden kann, bricht die Simulation ab. Dies kann zum Beispiel daran liegen,dass in der Schaltung besonders hohe und niedrige Ströme gleichzeitig vorkommen, oder dieAnstiegszeiten von Rechtecksignalen sehr kurz sind. Durch Verändern derKonvergenzeinstellungen können Sie Konvergenzprobleme überwinden. Meistens wird danndie geforderte Genauigkeit des Ergebnisses verkleinert.

LTSpice-Simulation in der Praxis: Im Internet gibt es bereits hervorragendedeutschsprachige Anleitungen, welche erklären, wie Sie Simulieren und Modelle einbinden. DieKenntnisse über den grundsätzlichen Aufbau von Netzlisten, Modellen und Unternetzwerkenhelfen ihnen dabei die Orientierung zu behalten. Eine Linksammlung wurde von mir unter

http://elektronikbasteln.pl7.de/linkliste-zu-ltspice.html

zusammengestellt. Undbedingt empfehlenswert sind die Tutorials von Gunthard Kraus,welche unter

http://www.gunthard-kraus.de/LTSwitcherCAD/index_LTSwitcherCAD.html

zu finden sind.

LTSpice-Download: http://www.gunthard-kraus.d ... LTSwitcherCAD/ oder http://www.linear.com ... software/#LTspice

LTSpice Yahoo Groups: http://tech.dir.groups.yahoo.com/group/LTspice/ ist unbedingt

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empfehlenswert, da hier sehr viele Modelle und Anleitungen abgespeichert sind.

Forum: http://www.ltspiceusers.ch/

LTSpice und PSpice: Manche Spice-Modelle funktionieren auf LTSpice und PSpicegleichermaßen, doch liefern sie auf beiden Simulatoren unterschiedliche Ergebnisse, die durchsprachliche Missverständnisse wesentlich abweichen. Wer sich in einen der beiden Simulatoreneingearbeitet hat, wird den anderen schnell verstehen. Die Lite-Versionen von PSpice habenmehr Komfortfunktionen und die Schaltplaneingabe geht meiner Ansicht nach in PSpice mitseiner Schaltplaneingabe Capture schneller von der Hand. Dafür haben die kostenlosenLite-Versionen eine Knotenbegrenzung, die in der Praxis Schaltungen mit maximal etwa 90Bauteilen zulassen. PSpice kann digitale Bausteine sowohl im digitalen als auch analogenBereich simulieren ( Mixed-Mode-Simulation ). PSpice hat mehrBausteine als LTSpice, mit denen mathematische Funktionen nachgebildet werden können (ABM-Blöcke), was die Modell-Erstellung auf der Basis von Unternetzwerken vereinfacht.  Viele Entwicklerarbeiten sowohl mit LTSpice als auch mit PSpice. Insbesondere funktioniert das Arbeiten mitBauteiletoleranzen (Monte-Carlo-Analyse) in PSpice wesentlich bequemer. Unter

online-tutorial-schaltungssimulation-mit-pspice.html

gibt es eine umfangreiche Einführung in PSpice, welche fast keine Fragen offen lässt.

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