Simulation komplexer analoger Schaltungen mit PSpice für TI

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Spice ist ein verbreiteter Schaltungssimulator. TI hat gemeinsam mit Cadence „PSpice für TI“ für die Bereiche Power und Signalkette entwickelt. Wir werfen einen Blick hinter die Kulissen.

Von Hardwareentwicklern wird häufig erwartet, in eng gesteckten Projekt-Zeitplänen zu Ergebnissen zu kommen. Schaltungs- und Systemdesigner müssen deshalb alle ihnen zur Verfügung stehenden Hilfsmittel nutzen, um Schaltungen zu entwickeln, die präzise und betriebssicher sind und gleich auf Anhieb einwandfrei funktionieren. Zusammen mit den heutigen, sich dynamisch verändernden Arbeitsumgebungen sind die Hilfsmittel, die man heute von zu Hause oder aus der Ferne für die Simulation und Verifikation von Schaltungen nutzen kann, wertvoller sind als jemals zuvor.

Wir haben bei TI festgestellt, dass die Entwickler dabei sind, die Prototyping- und Evaluierungsphase ihrer Designs abzukürzen. In einigen Fällen wird sogar umgehend auf die finale Leiterplatte übergegangen, obwohl doch jeder bestrebt ist, das Risiko von Schaltungsfehlern zu reduzieren.

Wir registrierten deshalb einen wachsenden Bedarf an einer leistungsfähigen analogen Simulationsplattform. TI stellte deshalb in Zusammenarbeit mit Cadence das Produkt PSpice für TI vor, bei dem es sich um eine Vollversion der als Industriestandard etablierten PSpice-Umgebung von OrCAD handelt, die das Simulieren kompletter Subsysteme zum Evaluieren und Verifizieren von Bauelementen einfacher macht.

Was spricht für eine SPICE-Simulation?

SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis; dt.: Simulationsprogramm mit Schwerpunkt auf integrierte Schaltungen) wird von Ingenieuren schon seit Jahrzehnten zur Lösung von Problemen beim Hardwaredesign verwendet. Es gibt in erster Linie drei Anwendungsfälle für die Schaltungssimulation:

• Evaluierung von Bauelementen – Man hat die Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit bestimmter Produkte in bestimmten Anwendungen zu messen – oftmals sogar, bevor Bauelemente oder Anwendungsschaltungen in realer Form zur Verfügung stehen.

• Designverifikation – Der Bau und die Simulation komplexer Leiterplatten- und Systemdesigns vor dem Anfertigen realer Prototypen verleiht Entwicklern Vertrauen in ihre Schaltungen und verkürzt die Designzeit. Bestandteil der Designverifikation ist die Möglichkeit zum Simulieren der Schaltungsfunktion unter Worst-Case-Bedingungen, um die einwandfreie Funktion auch dann sicherzustellen, wenn sich Parameter wie etwa Temperaturen, Spannungs-Extreme und Bauelemente-Toleranzen nach Einführung des Produkts verändern.

• Debugging von Designs – Laufen die Dinge nicht wie geplant, greifen Entwickler oftmals auf die Simulation zurück, um Probleme oder Schwachstellen in ihrem System zu beseitigen. Anstatt Nacharbeiten und Tests an realen Leiterplatten vorzunehmen, bietet SPICE die Möglichkeit, Abhilfemaßnahmen zu finden und einem ersten Test zu unterziehen.

Indem man mithilfe von PSpice für TI die Schaltungssimulation für eine oder mehrere dieser Aufgaben nutzt, lassen sich die Entwicklungszeiten verkürzen und Produkte schneller auf den Markt bringen. Überdies bringt die Tatsache, dass sich die Simulation auf Computer stützt, prinzipbedingte Vorteile mit sich. Da beispielsweise das Arbeiten von zu Hause aus inzwischen mehr Verbreitung gefunden hat, schafft die Simulation die Möglichkeit, mit der Arbeit an einem Projekt von beliebigen Orten aus erhebliche Fortschritte zu machen. Man muss nicht auf Bauteile, Leiterplatten oder Labor-Equipment warten, sondern kann sich einfach seinen Simulations-Versuchsaufbau zusammenstellen und starten.

Schaltungssimulationen lassen sich außerdem einfach auf elektronischem Weg mit anderen Teammitgliedern teilen, wenn es um größere Systeme geht oder Peer Reviews gefragt sind. Komplexere Tests wie etwa Parameter- oder Temperatur-Sweeps, Empfindlichkeitsanalysen oder Analysen von Bauelemente-Toleranzen lassen sich außerdem jetzt auf eine Weise testen, die in der realen Welt sehr kosten- und zeitaufwändig wäre.

Hierzu soll nun ein Beispiel in PSpice für TI beschrieben werden. Die in Bild 1 dargestellte Simulation erzeugt die AC-Übertragungsfunktion eines RC-Filternetzwerks mit einer Polstelle, wobei der Kapazitätswert des Kondensators schrittweise verändert wird.

Bild 2 gibt die daraus resultierenden Diagramme wieder, zusammen mit einer automatischen Messung der –3-dB-Bandbreite und der Verstärkung bei f = 1 MHz. Mit diesen leistungsfähigen Analysefunktionen kann sich die Designoptimierung erheblich beschleunigen.

An dieser Stelle sei eine wichtige Anmerkung eingeschoben: Das Erzeugen korrekter Simulationsresultate setzt selbstverständlich voraus, dass die Bauelemente-Modelle präzise sind schnell konvergieren (was in diesem Kontext heißt, dass sie schnell zu einem Ergebnis führen). Dankenswerterweise verfügt TI über einige der präzisesten und konvergenzfreundlichsten Modelle in der Halbleiterindustrie und arbeitet fortlaufend an der Entwicklung neuer Modelle und der Weiterentwicklung seiner allgemeinen Modellierungs-Fähigkeiten.

Was spricht für die Verwendung von PSpice für TI?

PSpice für TI unterstützt sowohl die Schaltplanerfassung als auch die Simulation analoger Schaltungen. Es handelt sich hier keineswegs um eine Testversion mit eingeschränkter Funktionalität, sondern es sind viele fortschrittliche Features der kommerziellen Ausgabe des Tools vorhanden – von automatischen Messungen und Post-Processing bis zur Monte-Carlo- und Worst-Case-Analyse. Das Tool basiert auf dem neuesten PSpice-Release, lässt sich offline nutzen, ist kompatibel zu Projekten, die in der kommerziellen Version entwickelt wurden, und unterstützt bei Verwendung von TI-Bauelementen unbegrenzt viele Knoten und Messungen.

Apropos TI-Bauelemente: Abgesehen von einer Standardausstattung an Bauelemente-Modellen ist die gesamte Bibliothek aus nahezu 6.000 analogen Power- und Signalketten-Modellen von TI vollständig in PSpice for TI integriert. Es sind also nur wenige Klicks nötig, um TI-Bauteile zu Ihren Projekten hinzuzufügen. Ein manuelles Importieren von TI-Modellen ist somit überflüssig, und außerdem wird die rapide wachsende Bibliothek automatisch aktualisiert.

Für die meisten Bauelementemodelle gibt es ein umfassend geprüftes und voll funktionsfähiges Schaltungsbeispiel sowie in vielen Fällen auch ein komplettes Referenz-Design, aus dem man Elemente per Cut-and-Paste übernehmen kann. Dies ist eine hervorragende Möglichkeit, schnell mit einem Design zu beginnen und rasch Informationen über die Funktionsweise und die Leistungsfähigkeit eines Bauelements zu bekommen. Mit nur wenigen Klicks kann man in dem Tool ein Bauteil platzieren und ein zugehöriges Referenzdesign öffnen. Bild 3 zeigt ein solches, zum Modifizieren und Simulieren bereites Designbeispiel. Im Bild sind auch der neue Dark-Modus und das individuell anpassbare Farbschema der Applikation zu sehen, das den Energieverbrauch verringert und zur Schonung der Augen beitragen kann.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 20/2020 (Download PDF)

Um zusätzliche Hilfestellung beim Fällen schnellerer Design-Entscheidungen zu leisten, bietet das Tool eine einfache Zugriffsmöglichkeit auf Details und Datenblätter zu einem Produkt.

* Ian Williams ist geschäftsführender Direktor „low-voltage LDOs and linear Power“ bei Texas Instruments in Dallas / USA.

* Bob Hanrahan ist Leiter Technik bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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