Schaltungs-Analyse mit TINA

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Schaltungs-Analyse mit TINA
Dieses Skript gibt eine Einführung in die Schaltungs-Analyse mit dem Elektronik-SimulationsTool TINA. Das Zeichnen eines Schemas wird hier nicht behandelt.
Wenn eine Schaltung in der Simulation funktioniert, ist noch nicht garantiert, dass der reale
Aufbau ebenfalls funktionieren wird. Trotzdem ist die Simulation ein Zeit-sparendes Hilfsmittel
beim Entwurf und später bei den Tests an der realen Schaltung.
Diese
Anleitung
finden
sie
im
Web
unter
folgender
https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/TINA_Einfuehrung.pdf
URL:
Link zur TINA-Webseite der Firma DesignSoft: http://www.tina.com/German/tina/
© Hanspeter Hochreutener, [email protected] , 18. September 2009
Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik, zsn.zhaw.ch
School of Engineering www-t.zhaw.ch
Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften www.zhaw.ch
TINA_Einfuehrung.doc
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H. Hochreutener, SoE@ZHAW
Inhaltsverzeichnis
1.
Signale und Instrumente ..................................................................................................... 3
1.1.
Speisespannungen ....................................................................................................... 3
1.2.
Signal-Quellen (= Eingänge/Speisespannungen)......................................................... 3
1.2.1.
1.3.
2.
3.
4.
Signal-Quelle anpassen........................................................................................ 3
Schaltung instrumentieren (= Ausgänge/Prüfpunkte)................................................... 4
DC-Analyse (= Arbeitspunkt-Pegel) .................................................................................... 4
2.1.
DC-Knotenspannungen ................................................................................................ 5
2.2.
Tabelle mit allen DC-Grössen....................................................................................... 5
2.3.
DC-Transfer-Funktion (Uaus = f(Uein) ......................................................................... 6
2.4.
Temperatur-Drift (Uaus = f(T) ....................................................................................... 7
AC-Analyse (= Kleinsignal-Verhalten)................................................................................. 8
3.1.
AC-Knotenspannungen (= Effektivwert, DC und AC) ................................................... 9
3.2.
Tabelle mit allen AC-Grössen (= nur AC-Signale)...................................................... 10
3.3.
AC-Transfer-Funktion (Uaus = f(Uein)........................................................................ 10
Transienten-Analyse (= zeitliche Simulation).................................................................... 11
4.1.
Transienten-Analyse................................................................................................... 11
4.1.1.
Oszillatoren und Anfangsbedingungen ............................................................... 12
4.1.2.
Zeitliche Auflösung der Simulation erhöhen ....................................................... 13
4.1.3.
Simulations-Abbruch........................................................................................... 14
5.
Schaltungs-Varianten vergleichen .................................................................................... 14
6.
Diagramme........................................................................................................................ 17
6.1.
Cursor-Funktionen ...................................................................................................... 17
6.2.
Fourier-Analyse und Klirrfaktor ................................................................................... 18
6.3.
Kurven sammeln, separieren, löschen und einfügen.................................................. 19
6.4.
Achsen skalieren und beschriften............................................................................... 19
6.5.
Legenden und Kurvenbeschriftung............................................................................. 20
6.6.
Diagramme speichern und kopieren........................................................................... 20
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1. Signale und Instrumente
Wie bei einer realen Schaltung muss man auch für eine Simulation die Schaltung speisen,
geeignete Signale an den Eingängen anlegen und an wichtigen Stellen Instrumente
anschliessen.
1.1. Speisespannungen
Klicken
in
der
Component
Bar
auf
Sources
zeigt
diese
Leiste:
= lineare DC-Spannungs-Quelle.
= lineare DC-Strom-Quelle
= Speise-Spannung gegenüber Ground (ideale Spannungsquelle für DigitalSchaltungen). Vorteil: kein zweiter Verbindungsdraht nötig, da die Spannung automatisch
bezogen ist auf das Potenzial des Ground-Symbols. Nachteil: Bei der AC-Analyse werden diese
Spannungen auf 0V gesetzt, falls in der Schaltung sonst keine lineare DC-Quelle vorhanden ist.
1.2. Signal-Quellen (= Eingänge/Speisespannungen)
Klicken
in
der
Component
Bar
auf
Sources
zeigt
diese
Leiste:
= AC/Puls-Signal-Spannungs-Quelle
= AC/Puls-Signal-Strom-Quelle
1.2.1.
Signal-Quelle anpassen
Doppelklicken auf die Signal-Quelle öffnet dieses Fesnter:
Der DC-Offset lässt sich durch eine Zahleneingabe rechts von DC Level [V] einstellen.
Klicken auf Signal und anschliessend auf ... öffnet ein Fenster zum ändern von Signalform,
Amplitude, Frequenz und Phasenlage.
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1.3. Schaltung instrumentieren (= Ausgänge/Prüfpunkte)
Klicken in der Component Bar auf Meters zeigt diese Leiste:
Spannung gegenüber Ground: Das erste Symbol anklicken und den Prüfpunkt
im
Schema platzieren und anschliessen. Sofort umbenennen auf einen sprechenden Namen, wie
, erspart bei komplexeren Schaltungen viel Verwirrung bei der Interpretation der
z.B.
Simulationsresultate.
Spannungen direkt am Bauteil: Das vierte Symbol Volt Arrow wählen, etc.
Strom durch einen Leiter: Das sechste Symbol Current Arrow anklicken.
2. DC-Analyse (= Arbeitspunkt-Pegel)
Zeichnen Sie das unten gezeigte Schema oder öffnen Sie die TINA-Schema-Datei
https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Verstaerker_DC.TSC .
Dieser Mikrofon-Vorverstärkers wird als Beispiel für die Methodik der Analyse und die daraus
abgeleiteten Konsequenzen für den Schaltungs-Entwurf verwendet. Das Mikrofon wird mit der
linearen Quelle Uein und Rein modelliert, der Verstärker ist ein nicht-invertierender Op-AmpVerstärker mit Verstärkung 1+R3/R2 = 101. Als Testsignal wird, wo nichts anderes angegeben,
ein 1kHz Sinus mit 1mV Amplitude verwendet.
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2.1. DC-Knotenspannungen
Mit dem Menupunkt Analysis => DC Analysis => Calculate nodal voltages werden alle
Gleichspannungs-Pegel der Ausgänge berechnet und die Maus sieht nun aus wie eine
Prüfspitze. Wenn man mit dieser auf einen Knoten klickt kann man im modalen Fenster die
Spannung ablesen. Die Spannungen beziehen sich alle auf Ground
.
Im Beispiel ist Uaus = 106.9mV und die Spannung am Knoten beim invertierenden Op-AmpEingang = 951.47μV.
Aufgaben
•
Wie gross ist die Spannung am nicht-invertierenden Eingang des Op-Amps?
Resultat
951.47μV gemessen gegenüber Ground
2.2. Tabelle mit allen DC-Grössen
Der Menupunkt Analysis => DC Analysis => Table of DC results berechnet alle Spannungen
und Ströme und zeit sie in Tabellenform an.
Wenn man mit der Mausprüfspitze auf einen nummerierten Knoten oder einen Bauteilanschluss
klickt, wird die entsprechende Spannung in der Tabelle rot markiert. Wenn auf ein Bauteil
geklickt wird, sieht man dort Spannung und Strom.
Im Beispiel findet man an R3, mit Pfeilrichtung Knoten 1 => 5, -105.95mV resp. -588.59nA
Aufgaben
•
Wie gross ist der Strom durch den Widerstand R2?
Resultat
-528.59nA von Knoten 0 nach 1
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•
Wie gross ist der Strom in den invertierenden Eingang des Op-Amps?
Resultat
Das ist in der Tabelle nicht direkt ersichtlich.
Via Knotensatz berechnen: I_n = I_R2 – I_R3 = -528.59nA - -588.59nA = 60nA
Alternativ könnte man, wie oben beschrieben, auch ein Ampèremeter in die Verbindung
einfügen.
2.3. DC-Transfer-Funktion (Uaus = f(Uein)
Der Menupunkt Analysis => DC Analysis => DC Transfer Characteristc... berechnet die
Ausgangsgrössen in Funktion einer Eingangsgrösse.
Bei Input kann die Eingangsgrösse gewählt werden, welche variiert werden soll, um die
Ausgangsgrössen zu berechnen. Alle anderen Eingangsgrössen behalten den eingestellten
Wert.
Beispiel
T
13.25
Voltage (V)
Im
0.00
wurde
-13.25
-1.00
die
Spannung
Uaus
als
0.00
Input voltage (V)
Funktion
von
Uein
aufgetragen.
1.00
Wie im Diagramm mit Cursorn gemessen werden kann, und wie die Achsen, Beschriftungen,
Legenden etc. angepasst werden können, erfahren Sie weiter hinten im Abschnitt Diagramme.
Aufgaben
•
Interpretieren Sie den Verlauf der obigen Kurve.
Resultat
Zwischen -0.13V und +0.13V arbeitet der Verstärker linear mit Verstärkung 101. Bei
grösseren Eingangssignalen ist die Ausgangsspannung begrenzt durch die
Speisespannungen von ±15V und dem Spannungsabfall an den Op-Amp-AusgangsTransistoren.
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2.4. Temperatur-Drift (Uaus = f(T)
T
415.57m
Voltage (V)
Der Menupunkt Analysis => DC Analysis => Temperature Analysis... berechnet die
Ausgangsgrössen in Funktion der Temperatur.
222.79m
30.01m
-20.00
30.00
Temperature (C)
80.00
So kann überprüft werden, ob der Arbeitspunkt der Schaltung über den gewünschten
Temperaturbereich im erlaubten Bereich liegt.
Aufgaben
•
Ändern Sie den Innenwiderstand der Quelle auf 1.8kΩ = R2||R3. Man würde also einen
1.2kΩ-Widerstand zusätzlich in die Mikrofon-Leitung einschlaufen. Interpretieren Sie das
neue Resultat der Temperatur-Analyse.
Resultat
Der Temperatur-Einfluss auf den Ausgang ist etwa 3-mal kleiner.
Erklärungs-Hypothese: Die Eingangsströme des Operations-Verstärkers sind
Temperatur-abhängig. Wenn der durch sie verursachte Spannungsabfall bei beiden
Eingängen gleich ist, hebt sich dieser Einfluss teilweise auf.
•
Messen Sie die beiden Eingangs-Ströme, indem Sie die Zuleitungen je mit einem
instrumentieren. Stimmt die obige Hypothese?
Strompfeil
Tipp: Da die Zahlenwerte für die Ströme etwa 100'000 mal kleiner sind, als jene für die
Spannung, liegen die Ströme praktisch auf der Nulllinie. Mit dem Menupunkt View =>
Separate curves, können Sie einzeln mit passendem Massstab dargestellt werden.
Resultat
Der Temperatur beeinflusst die beiden Ströme tatsächlich in gleicher Weise.
Der Effekt auf die Ausgangsspannung konnte durch das Anpassen der
Eingangswiderstände aber nicht restlos eliminiert werden.
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3. AC-Analyse (= Kleinsignal-Verhalten)
Die AC-Analyse berechnet das Kleinsignal-Verhalten, indem sie zuerst den DCArbeitspunkt der Schaltung ermittelt und anschliessend das Modell linearisiert. Es
werden also keine Einschwingvorgänge, nicht-lineare Verzerrungen, Begrenzungen
durch die Speisespannungen, etc. berücksichtigt. Das leistet nur die TransientenAnalyse mit dem Menupunkt Analysis => Transient... .
Zeichnen Sie das unten gezeigte Schema oder öffnen Sie die TINA-Schema-Datei
https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Verstaerker_AC.TSC .
Ein Mikrofon-Vorverstärker muss/soll den DC-Offset nicht mitverstärkern. Bei AC-Kopplung (=
DC-Entkopplung) vereinfacht sich der Schaltungsentwurf, da die Arbeitspunkt- und die OffsetProblematik für jede Verstärkerstufe separat betrachtet und gelöst werden können.
Gegenüber vorheriger Schaltung wurde mit C1 eine DC-Entkopplung hinzugefügt. Der
Arbeitspunkt für den nicht-invertierenden Eingang des Operations-Verstärkers wird mit R1
gegen Ground gezogen. C1 wird dimensioniert auf Grenzfrequenz fg = 1/(2⋅π⋅R1⋅C1) ~ 10Hz.
Bevor sichergestellt ist, dass der DC-Arbeitspunkt i.O. ist, ist es sinnlos mit der ACAnalyse zu beginnen. Wenn also eine Schaltung modifiziert wurde, muss zuerst mittels
DC-Analyse sichergestellt werden, dass alle Werte im erlaubten Bereich sind.
Aufgaben
Folgende DC-Analysen mit der modifizierten Schaltung müssen wiederholt werden:
•
Mit Analysis => DC Analysis => Calculate nodal voltages überprüfen, ob der OpAmp-Ausgang Uaus auf einem vernünftigen DC-Niveau liegt.
Resultat
Uaus = -1.34V, damit beträgt der Offset bereits 10% der maximalen
Ausgangsspannung!
•
Mit Analysis => DC Analysis => Temperature Analysis... überprüfen, wie sich der
Offset bei Uaus über den ganzen Temperaturbereich verhält.
Resultat
Offset bis zu -13V. Schaltung ist so unbrauchbar!
Die Exemplarstreuung bei der Fabrikation wird dafür sorgen, dass ein bedeutender
Anteil der Schaltungen bereits bei Umgebungstemperatur nicht funktionieren wird.
Die Schaltung muss so modifiziert werden, dass der Offset wesentlich kleiner wird.
•
Überprüfen folgender Hypothese:
Falls der Offset vor allem durch die Op-Amp-Eingangsströme verursacht wird, könnte
die Lösung, analog zum obigen Beispiel, lauten R1 = R2||R3 = 1.8kΩ
Resultat
Der Offset ist nun über den ganzen Temperaturbereich klein und die AC-Analyse kann in
Angriff genommen werden.
Damit die Grenzfrequenz bei 10Hz bleibt, muss C1 auf 10μF vergrössert werden.
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3.1. AC-Knotenspannungen (= Effektivwert, DC und AC)
Mit Analysis => AC Analysis => Calculate nodal voltages können die Spannungen an den
Knoten gemessen werden. Es wird der Effektivwert, der DC-Anteil, die AC-Amplitude und die
AC-Phasenlage ausgegeben.
Aufgaben
•
Wie gross sind die Spannungen an der Quelle Uein und am Ausgang Uaus (mit R1 =
1.8kΩ und C1 = 10μF)? Und wie gross ist die Verstärkung? Vergleichen sie diesen Wert
mit der Erwartung von 101-facher Verstärkung.
Resultat
Uein = 707.11μV und Uaus = 53.27mV => Verstärkung = Uaus/Uein = 75 ≠ 101!
•
Suchen sie die Ursache der Abweichung in der Verstärkung
Resultat
Die Spannung am Op-Amp-Eingang ist 530.32μV. Der Op-Amp verstärkt also 100-fach.
Das Signal geht am Widerstand Rein verloren: Rein und R1 bilden einen
Spannungsteiler.
Entweder muss die Verstärkung erhöht werden oder der Widerstand R1.
Signalverlust und anschliessende höhere Verstärkung verschlechtert das Signal-zuRausch-Verhältnis (= SNR = signal-to-noise-ration).
Und vergrössern von R1 führt zu den oben erwähnten Offset-Problemen, weil der Offset
wie das Signal ca. 100-fach verstärkt wird.
•
Modifizieren Sie die Schaltung so, dass R1 = 180kΩ beträgt, das Signal 101-fach und
der Offset unverstärkt am Ausgang erscheint.
Resultat
https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Verstaerker.TSC
Für das Signal hat C2 eine kleine Impedanz; die Verstärkung beträgt ca. 1+R3/R2
Für den DC-Offset wirkt C2 wie ein Unterbruch (DC-Entkopplung) und der Offset wird
ca. 1-fach verstärkt.
C2 wird so gewählt, dass die Grenzfrequenz fg = 1/(2⋅π⋅R2⋅C2) ~ 10Hz beträgt.
R1 = R3 bewirkt, dass sich die Offset-Ströme etwa aufheben (siehe Test oben).
•
Wiederholen sie die Tests betreffend Knotenspannungen: Offset in Funktion der
Temperatur und Signal-Verstärkung. Sind die Werte nun i.O.?
Resultat
Der Offset ist über den ganzen Temperaturbereich kleiner als 1% des
Aussteuerbereichs und die Signal-Verstärkung ist 100-fach.
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3.2. Tabelle mit allen AC-Grössen (= nur AC-Signale)
Der Menupunkt Analysis => DC Analysis => Table of AC results berechnet alle Spannungen
und Ströme und zeit sie in Tabellenform an.
Im Gegensatz zum obigen Calculate nodal voltages werden hier nur die AC-Anteile ohne den
DC-Arbeitspunkt angezeigt.
Aufgaben
•
Die Schaltung https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Verstaerker.TSC ist
ein nicht-invertierender Verstärker. Die Phasenverschiebung zwischen Uaus und Uein
müsste somit 0° sein. Stimmt das?
Resultat
∠Verstärker = ∠Uaus - ∠Uein = -94.77° - -90° = -4.77°
3.3. AC-Transfer-Funktion (Uaus = f(Uein)
Der Menupunkt Analysis => AC Analysis => AC Transfer Characteristc... berechnet die
Übertragungs-Funktion in Abhängigkeit der Frequenz.
Gain (dB)
T 40.05
18.52
-3.01
1.00
1.00k
Frequency (Hz)
1.00M
Phase [deg]
162.07
13.68
-134.71
1.00
1.00k
Frequency (Hz)
1.00M
Wie im Diagramm mit Cursorn gemessen werden kann, und wie die Achsen, Beschriftungen,
Legenden etc. angepasst werden können, erfahren Sie weiter hinten im Abschnitt Diagramme.
Aufgaben
•
Wo liegen die -3dB-Grenzfrequenzen des Verstärkers. Sind diese für einen MikrofonVorverstärker passend?
Resultat
Bei 1kHz ist die Verstärkung 40dB. 37dB werden erreicht bei 14Hz und bei 10kHz. Der
Audio-Frequenzbereich umfasst 20Hz bis 20kHz. Bei 20kHz beträgt die Verstärkung
allerdings nur noch 33dB. Ist das für einen Mikrofon-Vorverstärker tolerierbar?
•
In welchem Frequenzbereich ist die Phasenverschiebung < 45°?
Resultat
Zwischen 21Hz und 9.8kHz. Da das menschliche Gehör unempfindlich ist für
Phasenverschiebungen ist das bei einem Mikrofon-Vorverstärker kein wichtiges
Kriterium.
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4. Transienten-Analyse (= zeitliche Simulation)
Bei der Transienten-Analyse werden ausgehend von einem Anfangszustand für jeden
Zeitschritt alle Spannungen und Ströme jeweils fortlaufend neu berechnet. Nichtlineare BauteilKennlinien, Begrenzungen durch die Speisespannungen, parasitäre Kapazitäten und
Induktivitäten in den Halbleitern, Verzögerungszeiten, etc. werden berücksichtigt. Damit ist auch
das Einschwingverhalten beobachtbar.
4.1. Transienten-Analyse
Der Menupunkt Analyse => Transient... öffnet dieses Fenster:
Start display ist die Zeit, wo die Diagramm-Achse links beginnt. Die Berechnung startet in
jedem Fall beim Zeitpunkt 0.
End display ist die Zeit, wo die Diagramm-Achse rechts endet.
Calculate operating point sucht zuerst den DC-Arbeitspunkt ohne Berücksichtigung von ACQuellen. Dieser Arbeitspunkt wird als Anfangsbedingung zum Zeitpunkt 0 angenommen und die
Simulation mit den DC- und AC-Quellen gestartet.
Use initial conditions berücksichtigt Anfangs-Ladungen bei Kondensatoren und AnfangsStröme bei Induktivitäten. Das ist besonders nützlich beim Simulieren von Oszillatoren, welche
sonst oft nicht anschwingen. Siehe dazu das folgende Unterkapitel.
Zero initial values setzt alle Spannungen und Ströme (ausser den Quellen) auf 0. Damit kann
das Einschwingverhalten beobachtet werden.
T
185.28m
Uaus
-491.00m
1.00m
Uein
-1.00m
0.00
5.00m
Time (s)
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10.00m
Draw exitation gibt an, ob die Quellen ebenfalls geplottet werden sollen oder nicht.
Integration method lässt die Wahl zwischen zwei numerischen Verfahren zur Berechnung von
Integralen. Falls selten einmal die Rechenresultate instabil sind, kann mit der anderen Methode
ein Versuch gemacht werden. Gear liefert mehr Details, Euler konvergiert eher.
Aufgaben
•
Wie gross ist die Signalverstärkung?
Resultat
Transienten-Analyse mit calculate operating point ergibt Uein = 2mVpp und Uaus =
196.6mVpp. Die Verstärkung beträgt also 98.
•
Wie lange dauert der Einschwingvorgang, bis der Ausgangs-Arbeitspunkt nur noch
maximal 10mV vom Endwert abweicht?
Resultat
Amplitude von Uein auf 0 setzen und Transienten-Analyse mit use initial values und 1s
Dauer ergibt Endwert = -2.6mV und -12.6mV bei 124ms.
•
Was passiert, wenn die Amplitude bei Uein auf 0.2V erhöht wird?
Resultat
Transienten-Analyse mit calculate operating point zeigt dass die Spitzen des Sinus bei
±13.25V geclippt werden, weil die Speisespannung ±15V beträgt und fast 2V an den
Ausgangstransistoren des Op-Amps abfallen.
4.1.1.
Oszillatoren und Anfangsbedingungen
Da TINA immer versucht einen stabilen Betriebspunkt zu finden, schwingen Oszillatoren oft
nicht von selbst an. Der tiefere Grund ist, dass ein Oszillator mit Signal-Amplitude 0 sich in
einem labilen Gleichgewichtszustand befindet. Ein real aufgebauter Oszillator wird, wegen dem
unvermeidlichen Rauschen schnell aus diesem Zustand finden und zu schwingen beginnen, bei
der Simulation ist das nicht unbedingt der Fall.
Veranschaulicht
werden
soll
das
mit
diesem
https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Oszillator.TSC
einfachen
Oszillator
und der Transienten-Analyse und den verschiedenen Optionen für den Anfangszustand beim
Start-Zeitpunkt der Simulation:
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Calculate operating point
Use initial conditions
nur numerisches Rauschen startet sofort mit Uc = 1V
Zero initial values
verzögert, startet via Op-Amp-Offset
Als Kondensator wurde der TINA-Spezialtyp mit Anfangs-Spannung ausgewählt mit
Component Bar => Special => Charged capacitor. Dem Kondensator wurde eine
Anfangsspannung von 1V zugewiesen, damit der Oszillator sofort zu schwingen beginnt.
Achtung: Charged capacitor funktioniert nur, falls der – Anschluss an Ground liegt.
Andersrum eingebaut sind die Resultate komplett falsch (TINA-Bug)!
Analog funktioniert der Energy storing inductor in der Component Bar rechts vom Charged
Capacitor, wobei ein Anfangsstrom statt einer Anfangsspannung vorgegeben wird.
Tipp: Oszillatoren mit idealen Op-Amps funktionieren meist nicht, da ohne Begrenzung der
Ausgangsspannung diese ins unendliche wächst. Also sollen reale Op-Amps statt ideale
verwendet werden.
Variante: Statt einen Kondensator mit Anfangsladung zu verwenden, kann man den Oszillator
auch anwerfen mit einem Start-Impuls von ungefähr der halben Periodendauer. Die Impulsquelle wird z.B. in eine Ground-Verbindung eingeschlauft. Schaltung und Kurvenverläufe:
4.1.2.
Zeitliche Auflösung der Simulation erhöhen
Die zeitliche Auflösung, die Tina für die Berechnung verwendet, hängt davon ab, wie komplex
die Signale der verwendeten Quellen sind. D.h. bei Rechteck und Dreieck ist die Zeitauflösung
viel kleiner als bei einem Sinus.
Falls ein Rechteck-Signal als Eingang für die oben verwendete Verstärker-Schaltung
https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Verstaerker.TSC eingesetzt wird, sieht man
im linken Bild die relativ grobe Auflösung mit Geradenabschnitten beim Ausgangssignal Uaus.
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T
T
0.10
Uaus
97.07m
Uaus
-111.74m
0.00
1.00m
Time (s)
2.00m
-107.46m
0.00
1.00m
Time (s)
2.00m
Im rechten Bild wurde die Zeitauflösung für die Berechnung um ca. den Faktor 100 verfeinert,
was man am Kurvenverlauf deutlich sieht. Das wurde erreicht indem eine Clock-Quelle mit
100kHz ins Schema aufgenommen, aber nicht angeschlossen wurde:
4.1.3.
Simulations-Abbruch
Electric Rules Check prüft vor dem Start der Simulation auf Verdrahtungs-Fehler, wie nicht
angeschlossene Bauteile oder Drähte mit Länge 0.
Bauteile mit Wert = 0 sind oft die Ursache für Simulations-Abbrüche. Es ist darum ratsam
Potentiometer auf den Wert 1% statt auf 0%, resp. auf 99% statt auf 100% zu stellen. Beim
Varianten-Studium soll Bauteilen jeweils ein kleiner Wert statt dem Wert 0 zugewiesen werden.
Operating point not found oder Irregular circuit treten zu Beginn der Simulation auf und
deuten
auf
kurzgeschlossene
Spannungsquellen,
leerlaufende
Stromquellen,
parallelgeschaltete Spannungsquellen oder in Serie geschaltete Stromquellen hin.
Numerische Konvergenzfehler infolge nicht-linearer Kennlinien treten oft erst im Verlauf der
Rechnung auf und können eine andere Ursache für den Abbruch der Simulation sein. Hier hilft
es oft, wenn die Dauer der Simulation, die Zahlenwerte von Quellen oder Bauteilen leicht
verändert werden.
5. Schaltungs-Varianten vergleichen
Oft ist es nützlich die Auswirkungen eines Bauteil-Wertes auf die Schaltung zu simulieren.
Beim Verstärker https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Verstaerker.TSC
untersucht werden, wie sich die Verstärkung auf den Frequenzgang auswirkt.
soll
Die Verstärkung berechnet sich zu 1+R3/R2. Der Widerstand R2 soll variiert werden, weil für
den Offset R3 = R1 optimal ist.
In der Tool Bar
dazu Select Control Object
wird
oder im Menu Analysis => Control Object gewählt.
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Mit dem Mauszeiger auf das gewünschte Bauteil R2 klicken, öffnet dieses Fenster:
Nun wird mit der Maus auf die Eigenschaft, die variiert werden soll geklickt. In unserem Fall ist
das Resistance [Ohm]. Anschliessend Select... anklicken.
Im erscheinenden Fenster die gewünschten Werte eingeben.
Der Stern * rechts vom R2-Label markiert, dass dieses Objekt für die Variation ausgewählt
wurde.
Nun können die Analysen ganz normal durchgeführt werden. Zum Beispiel zeigt der Menupunkt
Analysis => AC Analysis => AC Transfer Characteristc... nun eine Kurve für jede Variante.
Gain (dB)
T 59.92
28.44
Gain :
-3.04
1.00
Uaus[1] 180[Ohm]
Uaus[2] 1.8k[Ohm]
Uaus[3] 18k[Ohm]
16.43
-134.97
1.00
1.00M
Phase :
167.83
Phase [deg]
Uaus[1] 180[Ohm]
Uaus[2] 1.8k[Ohm]
Uaus[3] 18k[Ohm]
1.00k
Frequency (Hz)
1.00k
Frequency (Hz)
1.00M
Wie die Legende eingeblendet werden kann, erfahren Sie im Kapitel Diagramme.
Aufgaben
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•
Bestimmen sie die Verstärkung bei 1kHz, sowie die untere und die obere 3dBGrenzfrequenz bezogen auf den Wert bei 1kHz für jede Variante
Resultat
180Ω:
v = 57dB = 708
fgu = 53Hz
fgo = 1.7kHz
1.8kΩ:
v = 40dB = 100
fgu = 14Hz
fgo = 10kHz
18kΩ:
v = 21dB = 11
fgu = 9Hz
fgo = 98kHz
Kommentar
Mit 180Ω wäre die Verstärkung mit einem idealen Op-Amp 1001-fach. Der μA741 bringt
das bei 1kHz offensichtlich nicht.
Die untere Grenzfrequenz wird durch das RC-Glied R2⋅C2 bestimmt und kann durch
Vergrössern von C2 beliebig gesenkt werden.
Die obere Grenzfrequenz wird durch die verfügbare Verstärkung des Op-Amps
begrenzt. Falls diese zu tief ist muss entweder ein schnellerer Op-Amp eingesetzt
werden oder zwei Verstärker in Serie geschaltet werden.
•
Überprüfen Sie die Thesen, indem Sie C2 auf 1000μF erhöhen und den Op-Amp μA741
durch den LM318 ersetzen.
Resultat
Gain (dB)
T 59.92
30.88
1.84
1.00
1.00k
Frequency (Hz)
1.00M
Phase [deg]
124.76
11.71
-101.35
1.00
•
1.00k
Frequency (Hz)
1.00M
Welchen Einfluss hat R2 auf den Temperatur-Verlauf der Offset-Spannung?
Resultat
Kein Einfluss: alle drei Kurven liegen übereinander.
Um die Variation wieder auszuschalten, in der Tool Bar den Punkt Select Control Object
oder im Menu Analysis => Control Object wählen und auf das mit * markierte Bauteil klicken.
Die Eigenschaft mit dem * anklicken, Select... und im nächsten Fenster Remove.
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6. Diagramme
Anhand des Oszillators https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Oszillator.TSC und
dem zugehörigen Kurvenverlauf sollen die Diagramm-Funktionen erläutert werden.
T
12.72
Uaus
-12.71
6.33
Uc
-6.32
6.36
Us
-6.36
0.00
15.00m
Time (s)
30.00m
6.1. Cursor-Funktionen
Die beiden Cursor Knöpfe
in der Tool Bar erzeugen Cursor, welche mit der Maus auf
eine Kurve gesetzt werden können.
Die Anstiegszeit des „Dreieck“-Signals dauert also 2.06ms und die Spannung steigt um 12.57V.
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6.2. Fourier-Analyse und Klirrfaktor
Rechtsklicken auf die gewünschte Kurve und
wählen von Fourier Series... erlaubt das
Berechnen des Spektrums eines Signals.
Als Sampling start time soll ein Zeitpunkt
gewählt werden, wo die Einschwing-Vorgänge
abgeklungen sind. Beim Oszillator z.B. 25ms.
Als Base Frequency ist jene der Quelle mit der
tiefsten Frequenz voreingestellt. Im Falle des
Oszillators gibt es keine Quelle und wir müssen
die Frequenz mit Hilfe der Cursor zwischen
zwei ansteigenden Flanken des Rechtecks
selbst bestimmen => T = 4.07ms => f = 246Hz.
Number
of
samples
beeinflusst
die
Rechengenauigkeit und Number of harmonics
die Anzahl Oberwellen, also die höchste
Frequenz welche berücksichtigt wird.
Calculate liefert das Resultat:
Der DC-Anteil (k=0) ist 11.64mV
Für die Amplitude der Grundschwingung (k=1)
wird 7.97V angegeben. Dieser Wert bezieht
sich auf das zweiseitige Spektrum und muss
verdoppelt werden, um die Signalamplitude
von 15.9V zu erhalten.
Die Phasenlage der Grundschwingung ist 110.08°.
Wie erwartet gibt es beim Rechteck keine
geraden Oberwellen => Amplitude ~0.
Die Amplitude der
nehmen mit 1/k ab.
ungeraden
Oberwellen
Harmonic distortion gibt den Klirrfaktor an.
Das ist die Summer der Oberwellen-Leistungen
dividiert durch die Grundwellen-Leistung und ist
ein Mass für die Verzerrung eines Verstärkers
bei sinus-förmigem Eingangssignal.
Draw zeigt das Resultat grafisch an:
Amplitude [V]
T 7.97
3.99
0.00
0
2
3
5
6
8
10
Base frequency 246[Hz]
11
13
14
16
14
16
Phase [deg]
173.04
9.05
-154.94
0
2
3
5
6
8
10
Base frequency 246[Hz]
11
13
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Aufgaben
•
Bestimmen sie für sinus-förmige 1kHz-Eingangssignale den Klirrfaktor des Verstärkers
https://home.zhaw.ch/~hhrt/EK2/TINA_Einfuehrung/Verstaerker.TSC für die EingangsAmplituden 1mV und 200mV im Frequenzbereich bis 20kHz = 20 Harmonische.
Resultat
Beim 1mV ist der Klirrfaktor 0.026% und bei 200mV 15%, weil der Ausgang clippt.
•
Bestimmen Sie den Klirrfaktor für sinus-förmige Eingangssignale 100mV Amplitude und
Frequenzen von 1kHz und 10kHz im Frequenzbereich bis 20kHz.
Resultat
Bei 1kHz ist der Klirrfaktor 0.026% und bei 10kHz noch 0.000%. Das kommt daher, dass
der Op-Amp relativ langsam ist und darum keine Oberwellen produzieren kann.
6.3. Kurven sammeln, separieren, löschen und einfügen
View => Collect curves legt die Kurven übereinander,
12.72
Uaus
Uc
Us
Voltage (V)
T
-12.71
0.00
15.00m
Time (s)
30.00m
was z.B. in diesem Fall den Zusammenhang zwischen Uc und Us anschaulich darstellt.
View => Separate curves stellt die Kurven einzeln dar.
Löschen einer Kurve durch Rechtsklick auf die Kurve und Delete.
Einfügen einer Kurve in ein anderes Diagramm: Zu kopierende Kurve anklicken, Ctrl+C
kopiert sie, Kurve am Zielort anklicken und mit Ctrl+V einfügen.
Properties... nach Rechtsklick auf eine Kurve erlaubt das Anpassen der Erscheinungsbildes.
6.4. Achsen skalieren und beschriften
Doppelklicken auf eine Achse öffnet das Eigenschaften-Fenster. Das Diagramm wird lesbarer.
T
15
Uaus 0
Uc
Us
-15
10
5
0
-5
-10
10
5
0
-5
-10
0
5m
10m
15m
Time (s)
20m
25m
30m
Um einen Kurvenausschnitt anzuzeigen, kann man bei den betreffenden Achsen einfach die
entsprechenden Werte eingeben.
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6.5. Legenden und Kurvenbeschriftung
In der Tool Bar
wählen und die Legende platzieren. Editieren der Legende durch Doppelklicken.
Legend
Text
erzeugt eine Textbox, die beliebig platziert werden kann.
erzeugt einen Pfeil von einer Textbox zu einem Signal. Zuerst die Textbox
Pointer
erzeugen, dann mit dem Pointer auf die Textbox klicken und anschliessend auf die gewünschte
Stelle beim zugehörigen Signal.
Auto label
erzeugt eine Textbox mit dem Signal-Namen. mit Pfeil auf die Kurve
Line
zeichnet einen Polygonzug. Start und Eckpunkte durch Klicken der linken Maustaste,
Beenden mit der rechten Maustaste.
zeichnet eine Ellipse. Maus drücken auf linke obere Ecke, zur rechten unteren Ecke
Circle
fahren und Maus loslassen.
Alle diese Zeichenelemente können durch anklicken verschoben, mit Delete gelöscht oder mit
Doppelklicken editiert werden.
6.6. Diagramme speichern und kopieren
Diagramme können im Diagram Window mit File => Save oder Save as... normal gespeichert
und für spätere Analysen oder Bearbeitungen mit File => Open... auch wieder eingelesen
werden.
File => Export => ... verwende ich nicht, da alle Möglichkeiten problembehaftet oder fehlerhaft
sind.
Wenn ich Diagramme in ein Dokument kopieren möchte, passe ich die Darstellung auf dem
Bildschirm an, bis die Ansicht meinen Wünschen entspricht. Anschliessend verwende ich zwei
Methoden:
Edit => Copy oder Ctrl+C kopiert das Diagramm ohne Fensterrahmen. Mit Ctrl+V
Screenshot mit einem Bildbearbeitungs-Programm erstellen. Ich verwende oft im FreewareProgramm IrfanView http://www.irfanview.com/ den Menupunkt Optionen => Fotografieren... .
Der Screenshot kann bearbeitet werden und dann mit Copy-Paste einfach z.B. in ein WordDokument kopiert werden.
Schaltungs-Schemata fotografiere ich ebenfalls mit den Screenshot-Verfahren.
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Schaltungs-Analyse mit TINA

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