Schaltungssimulation im Amateurfunk mit · PDF fileLTSpice Portierung von SPICE3 kompatibel zu...

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2008

Schaltungssimulation im Amateurfunk mit SPICE

Uwe Neibig, DL4AAE

OV-Abend P51

14.11.2008

1. Einleitung

2. Das Programm SPICE

3. Ablauf einer Simulation

4. Anwendungsbeispiele

5. Literatur

DL4AAE SPICE im Afu (01) 14.11.2008

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Einleitung

Was ist Schaltungssimulation?

• Berechnung von Spannungen und Stromen

• in elektr. Schaltungen (Netzwerken)

• zur Nachbildung der Realitat.

R

C

1 2

U1

I1

U2


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Einleitung

Was ist mit Schaltungssimulation m oglich?

• Berechnung des elektr. Verhaltens einer gegebenen Schaltung (Analyse):Spannung, Strom, Impedanz, Leistung, Dampfung, S-Parameter, ...

• Optimierung von Bauelement-Werten einer gegebenen Schaltung,um gewunschtes elektr. Verhalten zu erreichen

• Beispiele: siehe Kap. 4


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Einleitung

Was ist mit Schaltungssimulation nicht moglich?

• Entwurf einer Schaltung (Synthese): ”Ideen finden im Kopf statt!”

• Nachbildung der Realitat, wenn Bauelement-Modelle nicht vorhanden / nichtgeeignet sind

• Beispiel: ”Entwurf einer Sommerzeit-Umschaltung”


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Das Programm SPICE

Was ist SPICE?

• Abkurzung fur: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(historisch bedingt)

• Ursprunglich entwickelt an der University of California at Berkeley(SPICE1, 1972)

• Programm zur Analyse von (nahezu) beliebigen Schaltungen(Berechnung der Knotenspannungen)

• Analysearten: nicht-linear DC, linear AC, nicht-linear transient

• Mogliche Schaltungselemente: Widerstand, Kondensator, Spule, Ubertrager,Spannungs-/Stromquellen, Leitungen, Schalter,Halbleiter (Diode, Bipolar-/Feldeffekt-Transistoren)


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Das Programm SPICE

Ubersicht der Varianten (Auswahl)

Variante Beschreibung Vorteile Nachteile Quelle

SPICE3 letzte Version des C-Quelltext frei Schaltungs-Eingabe nur als [2]Berkeley-Projekts (1985) verfugbar Netzliste (SPICE-Input-File)

WinSpice Portierung von SPICE3 kompatibel zu SPICE3 wie SPICE3 [3]auf Windows

PSpice Erste PC-Version von weite Verbreitung max. 64 Knoten bei [4]SPICE (1984), GUI, (Quasi-Standard), freier Demo-Version,zusatzliche Modell-Vielfalt, nicht vollkommen kompatibelSchaltungselemente grafische Schaltplan- zu SPICE3

Eingabe

LTSpice Portierung von SPICE3 kompatibel zu SPICE3, (keine) [5]auf Windows + GUI (von IC- grafische Schaltplan-Hersteller Linear Techn.) Eingabe


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Ablauf einer Simulation

Ubersicht

1. Schaltung und Analyseart sind bekannt

2. Bauteil-Modelle beschaffen

3. Schaltung in SPICE-lesbares Format umsetzen

4. Analyse-Parameter festlegen

5. Analyse durchfuhren

6. Ergebnisse darstellen und uberprufen


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Ablauf einer Simulation (Beispiel)

1. Schaltung und Analyseart sind bekannt

• Schaltung: RC-Tiefpass

• Gesucht: Frequenzgang der Uber-tragungsfunktion U2/U1

• ⇒ lineare AC-Analyse

R = 1 kW

C = 100 nF

1

0

2

U1 U2


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2. Bauteil-Modelle beschaffen⇒ in diesem Beispiel nicht erforderlich

Quellen fur Bauteil-Modelle:

• SPICE-Modell-Bibliothek (PSpice, LTSpice)

• Bauteil-Hersteller (Internet)

• Literatur

• aus Datenblatt-Angaben

• aus Messungen


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3. Schaltung in SPICE-lesbares Format umwandeln

Netzliste (SPICE-Input-File)

.

.

V1 1 0 DC 0.0 AC 1.0

R1 1 2 1k

C1 2 0 100n

.

.

”Schematic” (LTSpice)

R1

1k C1

100nV1

0.0AC 1.0

21

RC-TiefpassDL4AAE, 25.09.2008


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Netzliste ⇔ Schematic

Netzliste Schematic

Vorteile bei kleinen Schaltungen oft schneller, grafische Eingabe,automatisch erstellbar, Dokumentation inbegriffenbei vielen Modellen oft einzige Form

Nachteile bei großen Schaltungen unuber- nicht fur alle Modelle verfugbarsichtlich und fehlertrachtig

⇒ Schematic bevorzugen, aber Netzliste verstehen!


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4. Analyse-Parameter festlegen

Netzliste (SPICE-Input-File)

RC-Tiefpass

* Autor: DL4AAE

* Datum: 25.09.2008

V1 1 0 DC 0.0 AC 1.0

R1 1 2 1k

C1 2 0 100n

.AC DEC 100 1 1MEG

.END

”Schematic” (LTSpice)

R1

1k C1

100nV1

0.0AC 1.0

21

.ac dec 100 1 1MEG

RC-TiefpassDL4AAE, 25.09.2008


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5. Analyse durchfuhren

mit Netzliste (alle 4 SPICE-Varianten)

• Programm starten

• SPICE-Input-File laden

• Rechnung starten

• warten...

mit ”Schematic” (LTSpice)

• LTSpice starten

• ”Schematic” laden

• Rechnung starten

• warten...


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6. Ergebnisse darstellen und uberprufen

• v(2) darstellen(da v(1) = 1 gewahlt)

• mit Theorie vergleichen:|U2

U1

| = 1√1+(2·π·f ·R·C)2

• hier identisch!

−60

−50

−40

−30

−20

−10

0

1 10 100 1000 10000 100000 1e+06

20 lo

g (v

(2))

f/Hz


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Anwendungsbeispiele

Ubersicht

Nr. Schaltung Analyseart Besonderheiten1 Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode DC2 Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode DC PARAMETER, .STEP3 HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-Transceiver AC S-Parameter4 ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver AC Quarz-Modellierung,

Impedanz-Berechnung,S-Parameter, .MEAS

5 Antennen-Tuner AC Impedanz-Berechnung,Leistungs-Berechnung

6 70-cm-Notchfilter AC S-Parameter, .MODEL,.PARAM

7 VFO mit Colpitts-Oszillator TRAN Start einer Schwingung,FFT

8 Breitband-HF-Vorverstarker TRAN .MODEL, .PARAM,FFT


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Anwendungsbeispiele (1)

Spannungs-Stabilisierung mit Zener-Diode

• Beispiel fur nicht-lineareDC-Analyse

• Zener-Diode D1 ausLTSpice-Modell-Bibliothek

• Gesucht: AusgangsspannungV(OUT) in Abhangigkeit von derEingangsspannung V1

R2

365V1

12

D1

1N750

RL

1k

OUT

.dc V1 0 20 0.1

Spannungs-Stabilisierung mit Zener-DiodeBeispiel für DC-Analyse

DL4AAE, 26.09.2008


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• fur V 1 oberhalb ≈ 7 Vist V (OUT ) konstantbei ≈ 4,7 V

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

V(O

UT

)/V

V1/V


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• Beispiel fur nicht-lineareDC-Analyse mit Parameter

• Gesucht: AusgangsspannungV(OUT) in Abhangigkeit von derEingangsspannung V1und vom Last-Widerstand RL

R2

365V1

12

D1

1N750

RL

RL

OUT

.dc V1 0 20 0.1

.STEP PARAM RL LIST 1k 500 250

Spannungs-Stabilisierung mit Zener-DiodeBeispiel für DC-Analyse mit Parameter

DL4AAE, 29.09.2008


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• Knick-Spannung, ab derV (OUT ) konstant ist,steigt mit kleinerem RL

• fur V 1 oberhalb ≈ 14 Vist V (OUT ) fur allebetrachteten Lastfallekonstant bei ≈ 4,7 V

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

V(O

UT

)/V

V1/V

RL = 1000 ΩRL = 500 ΩRL = 250 Ω


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HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-Transceiver [6]

• Beispiel fur lineare AC-Analyse

• Gesucht: S-Parameter |S11| und |S21|

AC 1 0

V1

AC 1 0

V2

R1

50

C1

1650p

C2

605p

L1

4.5µ

L2

27µ

R2

1m

L3

4.5µ

C3

605pC4

1650p

L4

1.2µ

C5

390p

R3

50

S21

S11

.ac dec 1000 0.1MEG 100MEG

HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-TransceiverQuelle: K3 schematics, www.elecraft.com

DL4AAE, 24.07.2008


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HF-Bandpass-Filter, Elecraft K3-Transceiver

• Geringe Dampfung undgute Anpassungzwischen 3,5..4,0 MHz(80-m-US-Band)

• Dampfung beifSPIEGEL = 3,5 MHz +2 · fZF = 19,928 MHz:≈ 87 dB

−160

−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

0

0.1 1 10 100

20 lo

g (S

11),

20

log

(S21

)

f/MHz

fSPIEGEL

|S11||S21|


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ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver [6]


• Gesucht: Durchlasskurve, 6-dB-Bandbreite

XTAL1

15.017265f

C1

470p

L1

2.8µ

C2

120p

AC 1 0

V1

AC 1 0

V2

R1

500

XTAL2

15.017265f

C3

390p

XTAL3

15.017265f

C4

470p

XTAL4

15.017265f

C5

470p

XTAL5

15.017265f

C6

390p

C7

470p

L2

2.8µ

C8

120p

R2

500

S11

S21

ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-TransceiverQuelle: K3 schematics www.elecraft.com

DL4AAE, 26.09.2008


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ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-TransceiverQuarz-Modellierung

Angaben im K3-schematic:

• fRES = 8,214 MHz

• LS = 25 mH

• CP < 4 pF

• Q > 100000

daraus berechnete Werte:

• CS = 15,017265 fF

• RS = 12,9 Ω (fur Q = 100000)

CS

15.017265f

CP

4p

RS

12.9

RP

1MEG

LS

25m

AC 1.0

I1

0.0

1

.ac lin 4001 8.20MEG 8.24MEG

Modell für ZF-Quarz, Elecraft K3-TransceiverQuelle: K3 schematics www.elecraft.com

DL4AAE, 30.09.2008


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ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-TransceiverQuarz-Modellierung

• Dargestellt:Eingangs-Impedanz Z= U1/I1=V (1)

• Serien-Resonanz bei8,214 MHz

• Parallel-Resonanz bei8,229 MHz(Ursache: CP )

10

100

1000

10000

100000

1e+06

8.200 8.205 8.210 8.215 8.220 8.225 8.230 8.235 8.240

|Z|/Ω

f/MHz


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ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver

• 6-dB-Bandbreite manuell mit Cursor im S21-Frequenzgang bestimmen

• 6-dB-Bandbreite von LTSpice mit .MEAS-Befehl bestimmen lassen

XTAL1

15.017265f

C1

470p

L1

2.8µ

C2

120p

AC 1 0

V1

AC 1 0

V2

R1

500

XTAL2

15.017265f

C3

390p

XTAL3

15.017265f

C4

470p

XTAL4

15.017265f

C5

470p

XTAL5

15.017265f

C6

390p

C7

470p

L2

2.8µ

C8

120p

R2

500

S11

S21

.ac lin 1001 8.212MEG 8.216MEG

.MEAS AC tmp max mag(V(s21))

.MEAS AC 6dB-BW trig mag(V(s21))=tmp/2.0 rise=1+ targ mag(V(s21))=tmp/2.0 fall=last

ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-TransceiverQuelle: K3 schematics www.elecraft.com

DL4AAE, 26.09.2008


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ZF-Quarzfilter, Elecraft K3-Transceiver

manuell (mit Cursor):

• Max. suchen: -6,33 dB

• Eck-Frequenzen mit -6 dB vomMaximum suchen:8,21405 MHz und 8,21450 MHz

• Differenz ist Bandbreite: 450 Hz

mit .MEAS-Befehl in LTSpice:

Auszug aus ”SPICE Error Log”:.

.

tmp: MAX(mag(v(s21)))=(-6.32962dB,00)

6db-bw=453.22 from...

.

.

−110

−100

−90

−80

−70

−60

−50

−40

−30

−20

−10

0

8.2120 8.2125 8.2130 8.2135 8.2140 8.2145 8.2150 8.2155 8.2160

20 lo

g (S

21)

f/MHz

6−dB−Bandbreite


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Antennen-Tuner


• Gesucht: Werte von L und C fur 50-Ω-Anpassung, Verluste im Tuner

LC

TX Tuner ANT

7 MHz100 W

EndgespeisterDraht, 20 m lang


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Antennen-TunerAbgleich

• RANT und LANT ausNEC-2-Rechnung

• Berechnung der Eingangs-Impedanz Z = U1/I1=V (1)

• Abgleich von L1 und C1 so,dass Z = (50 + j 0) Ω

• ⇒ L1 = 12,56 µH, C1 = 45,444 pF

L1

12.560µ

C1

45.444p

LANT

68.2µ

RANT

2.4k

I1

0.0AC 1.0

1

.ac lin 1 7MEG 7MEG

Antennen-TunerAnpassung bei 7 MHzDL4AAE, 29.09.2008


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Antennen-TunerVerluste

• RS: Summe der Verluste in L1,berechnet mit ”SOLNOID3.exe” [7]

• RP : Verluste im Drehko C1 unterAnnahme einer Gute von 300

• in Tuner eingespeiste Leistung:100 W auf 7,000 MHz

• Gesucht: Verluste im Tuner,Leistung in Antenne

AC 141.42 0

V1

RI

50

L1

12.132µ

RS

1.4

C1

46.88p

RP

150k

LANT

68.2µ

RANT

2.4k

TX-OUT

ANT

OUT

.ac lin 1 7MEG 7MEG

Antennen-TunerVerluste bei 7 MHz

DL4AAE, 29.09.2008


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Antennen-TunerLeistungsbilanz

Leistung in Bauteil Formel Zahlenwert Ergebnisaus LTSpice )1

Spule RS (I(RS))2 · RS (1, 4141)2 · 1, 4 2,80 W

Drehko RP (V (OUT ))2/RP (757, 71)2/150000 3,83 W

Antenne RANT (V (ANT ))2/RANT (473, 38)2/2400 93,37 W

Summe 100,00 W

)1: bei AC-Analyse mit nur einer Frequenz gibt LTSpice alle Spannungen und Strome als Text aus


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70-cm-Notchfilter


• Gesucht: Dampfung bei 432 MHz, Reflexion (SWR) bei 144 MHz

C C

l/4-Leitung

offener /4-Stubl offener /4-Stubl


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70-cm-NotchfilterModellierung der Koaxialkabel

• Verwendung des .MODEL-Befehls zur Definition eines LTRA-Leitungsmodells

• Vorgabe Leitungsimpedanz, Verkurzungsfaktor und Widerstandsbelag mit .PARAM-Befehl

• LTSpice berechnet sich mit .PARAM-Befehl die notwendigen Werte fur LTRA-Modell selbst

TLMOD2

O2

AC 1 0

V1

AC 1 0

V2

R1

50

C1 4p

O1

TL

MO

D1

O3

TL

MO

D1

R2

1MEG

R3

1MEG

C2 4p

R4

50

S11

S21

.MODEL TLMOD1 LTRA R=R_BELAG L=L_BELAG C=C_BELAG len=192.7m

.MODEL TLMOD2 LTRA R=R_BELAG L=L_BELAG C=C_BELAG len=114.5m

.ac lin 801 100MEG 500MEG

.PARAM ZL=50 verk=0.66 c0=2.99792e8

.PARAM R_BELAG=2.6; fuer RG213 mit 14.8 dB/100m @ 432 MHz

.PARAM L_BELAG=ZL/(verk*c0)

.PARAM C_BELAG=1/(ZL*verk*c0)

70-cm-Notchfilter mit KoaxialkabelnDL4AAE, 30.09.2008


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70-cm-NotchfilterRechenergebnis |S11| und |S21|

• Dampfung bei 432 MHz: 58 dB

• Reflexions-Dampfung bei144 MHz: 17,8 dB = SWR von 1,3

−60

−50

−40

−30

−20

−10

0

100 150 200 250 300 350 400 450 500

20 lo

g(S

11),

20

log(

S21

)

f/MHz

|S11||S21|


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VFO mit Colpitts-Oszillator

• Beispiel fur nicht-linearetransiente Analyse (Zeitbereich)

• Gesucht: AusgangsspannungV(OUT)

• Diode D1 und JFET J1aus LTSpice-Modell-Bibliothek

J1

2N4416

R2

33k

C1

680p

C2

680p

C4

80p

C3

410p

L2

3.9µ5

V1

L1

10µ

D1

1N914

OUT

VDD

.tran 0 50u 0 1n

VFO mit Colpitts-OszillatorDL4AAE, 30.09.2008


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VFO mit Colpitts-OszillatorBerechnete Ausgangsspannung V (OUT )

• Oszillator schwingtnicht an!

• Grund: es fehlt der ”Kick”

-1

-0.5

0

0.5

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

V(O

UT

)/V

t/µs


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VFO mit Colpitts-OszillatorStart der Schwingung durch Einschalten der Betriebsspannu ng V DD [1]

J1

2N4416

R2

33k

C1

680p

C2

680p

C4

80p

C3

410p

L2

3.9µPULSE(0 5 1u 100n)

V1

L1

10µ

D1

1N914

OUT

VDD

.tran 0 50u 0 1n

VFO mit Colpitts-OszillatorDL4AAE, 30.09.2008


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VFO mit Colpitts-OszillatorBerechnete Ausgangsspannung V (OUT )

• Oszillator schwingt!

• Schwingung erreichtnach etwa 40 µsstabilen Endwert

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

V(O

UT

), V

(VD

D)

/ V

t/µs

V(VDD)V(OUT)


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VFO mit Colpitts-OszillatorBerechnung des Spektrums von V (OUT ) mit FFT-Funktion in LTSpice

• Anwendung der FFT aufdie letzten 10 µs(Schwingung stabil)

• VFO-Frequenz: 5,0 MHz

• Oberwellen hier sichtbar(im Zeitbereich kaum)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

1 10 100

V(O

UT

)/dB

V

f/MHz

5


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Breitband-HF-Vorverst arker

• Beispiel fur nicht-linearetransiente Analyse (Zeitbereich)

• Gesucht: Intercept-Punkt3. Ordnung (IP3, Maß furGroßsignalfestigkeit)

• IP3 = 12 · IM + PIN

• Bestimmung mit 2-Ton-Signal

f1 f1f2 f2 2f -f2 12f -f1 2

PIN

POUT

IM

IN OUT


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Breitband-HF-Vorverst arker [8]

• Transistor 2N5179:Fairchild-Modell

• V (IN): 2-Ton-Signalmit 9 MHz und 10 MHz

• Berechnung V (OUT )im Zeitbereich

• PIN = -40 dBm

RE1

7RB3

1k

C2

10n

V1

12

RL

50

Q1

2N5179

L1

20µ

L2

20µ

RC

56C3

10n

RB2

560

RB1

3.3k

V2

SINE(0 VIN 9MEG)

AC 0

V3

SINE(0 VIN 10MEG)

RE2

100

CE

100n

RI

50

C1

10n

C4

10n

OUT

IN

.tran 0 10u 0 1n

.PARAM PIN=-40; Eingangsleistung/dBm

.PARAM P_W=10**((PIN-30)/10); Eingangsleistung/W

.PARAM VIN=2.0*sqrt(2.0*50*P_W); Quellen-Spannung (Spitzenwert)

.MODEL 2N5179 NPN (+ Is=69.28E-18 Xti=3 Eg=1.11 Vaf=100 Bf=282.1 Ne=1.177 Ise=69.28E-18+ Ikf=22.03m Xtb=1.5 Br=1.176 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=4 Cjc=1.042p+ Mjc=0.2468 Vjc=0.75 Fc=0.5 Cje=1.52p Mje=0.3223 Vje=0.75 Tr=1.588n+ Tf=135.6p Itf=0.27 Vtf=10 Xtf=30 Rb=10)

K12 L1 L2 0.99+; 4:1-Trafo

HF-Vorverstärker mit 2N5179Quelle: ARRL-Handbuch 1989, p. 12-12

Geändert: RE1 von 10R auf 7R, CE von 10n auf 100nBestimmung IP3

DL4AAE, 21.10.2008


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L4A

AE

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Breitband-HF-Vorverst arkerBerechnete Eingangsspannung V (IN)

• Schwebung mitDifferenzfrequenzvon 1 MHz

• Amplitude: 6,3 mV(Spitzenwert)

• Kontrolle:PIN = -40 dBm = 0,1 µW= 2,24 mV an 50 Ω(Effektivwert einesTones) −8

−6

−4

−2

0

2

4

6

8

8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0

V(I

N)/

mV

t/µs


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Breitband-HF-Vorverst arkerBerechnete Ausgangsspannung V (OUT )

• Amplitude: 55,2 mV(Spitzenwert)

• Verstarkung:V (OUT )V (IN)

= 55,2 mV6,3 mV

≈ 19 dB

• Intermodulationenhier kaum sichtbar!

−60

−40

−20

0

20

40

60

8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0

V(O

UT

)/m

V

t/µs


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Breitband-HF-Vorverst arkerBerechnung des Spektrums von V (OUT ) mit FFT-Funktion in LTSpice

• Anwendung der FFT aufdie letzte µs (9 µs..10 µs,Schwingung stabil)

• IntermodulationsabstandIM = 95 dB

• IP3 = 12· 95 + (-40 dBm)

= +7,5 dBm

−220

−200

−180

−160

−140

−120

−100

−80

−60

−40

−20

6 7 8 9 10 11 12 13

V(O

UT

)/dB

V

f/MHz

IM = 95 dB


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Literatur

[1] Vladimirescu, A.: The SPICE Book. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1994(ca. 50 EUR, aber empfehlenswert)

[2] ”The Spice Home Page”: http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE(Zu Berkeley-SPICE3, mit Link zu Download des Source-Codes)

[3] URL von WinSpice: http://www.ousetech.co.uk/winspice2/

[4] URL zum Anfordern einer CD mit Demo-Version von PSpice:http://www.flowcad.de/DemoCD.php

[5] URL zum Download von LTSpice: http://www.linear.com/designtools/software/

[6] Homepage Elecraft Inc.: http://www.elecraft.com(Schaltplane fur HF-Bandpass-Filter und ZF-Quarzfilter aus K3-Transceiver)

[7] Edwards, R.J., G4FGQ (SK): Program SOLNOID3.exe, May 2003,Download unter http://zerobeat.net/G4FGQ/

[8] The American Radio Relay League: ARRL Handbook, Newington, CT, 1989, p. 12-12


http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Classes/IcBook/SPICE

http://www.ousetech.co.uk/winspice2/

http://www.flowcad.de/DemoCD.php

http://www.linear.com/designtools/software/

http://www.elecraft.com

http://zerobeat.net/G4FGQ/

Schaltungssimulation im Amateurfunk mit · PDF fileLTSpice Portierung von SPICE3 kompatibel zu...

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