PSpice Introduktion Kun til brug for undervisningsinstitutioner og studerende

Transkript

1 PSpice Introduktion 2008 Nordcad Systems A/S Rev. 3.00

2 Kursets målsætning At vise et simpelt designflow fra diagramtegning til simulering. At præsentere de nødvendige betjenings muligheder i Capture og PSpice. At give mulighed for at afprøve disse. At besvare DINE spørgsmål Kursusmaterialet består af powerpoint og opgaver.. Der er plads til dine egne noter Opgaverne findes bagerst, efter fanebladet Deltag aktivt!! 3

3 Program Introduktion Formiddag: Oprettelse af og navigering i projekter DC og bias simulering AC simulering Eftermiddag: Parametrisk analyse Tidsdomæne simulering (Transient) Model Editor, import af modelfil ØVELSE 1 ØVELSE 2 ØVELSE 3 ØVELSE 4 ØVELSE 5 ØVELSE 6 4

4 Web referencer Cadence PSpice information Nordcad service/ Hotline support: online hjælp Tilmeld dig via e-service er tekniske nyheder, tips og tricks Oversigt på service/e-service/ Tilmeld dig via 5

5 Help! Hvor finder man det? Hjælp I pspice-probe vælg: Help, AMS simulator/pspice help Eller tryk F1. Help, Documentation Åbner Cadence Help med links til forskellige dokumenter (lokalt). De fleste af disse kan også med fordel åbnes som pdf fra en stifinder. 6

6 Hvorfor simulere, når man kan eksperimentere? Billigere end prototyper Hurtigere at arbejde med Grundigere afprøvning temperatur, tolerancer, variationer Repeterbart brændte prototypen af? Lettere at dokumentere på PC Gladere og mere effektive designere!! data og diagrammer kan kopieres til dokumentation Mulighed for system-afprøvning med ABM blok opbygning, test af umulige konstruktioner Forfining og optimering efter behov 7

7 Arbejdsgang Formulér opgaven/problemstillingen Opbyg kredsløbet Capture Dokumentation Start PSpice evt. kaffepause Svarer resultaterne til forventningerne/kravene? Dokumentation Byg og test prototypen 8

8 Værktøjet Capture diagramtegning opsætning og start af simulatoren Biblioteker med parts (.OLB), bruges til at tegne diagrammer med med modeller (.LIB), bruges af simulatoren Stimulus editor grafisk visning af stimuli PSpice selve simulatoren Probe, sammebygget med PSpice til præsentation og analyse af resultaterne 9

9 Diagramtegning - Getting Started Start Capture (eller Capture CIS) Vælg File, New, Project(.opj) 10

10 Capture Project manager Design Diagram Side i diagram Design elementer Kopier fra *.olb Biblioteker,.olb PostProcess output Simulerings resourcer Lokale modeller.lib Simulerings profiler 11

11 File typer *.dsn *.opj *.olb *.lib *.ind *.cir *.net *.als *.out *.dat *.csd Capture design diagrammer Capture projekt opsætning Capture bibliotek komponenter PSpice bibliotek modeller Indeks til *.lib Kredsløb til simulatoren Netliste til simulator Alias navne til Probe Tekst fil fra simulator listfile Data fra simulator til Probe Data fra simulator i tekst format *.prb *.inc *.sim *.1op *.mrk *.stl *.dbk *.??? Opsætninger til Probe Include filer Simulerings profiler Bias punkter Markere til Probe Stimulus bibliotek Backup af dsn file andre kan forekomme... Det anbefales generelt at undgå Specielle karakterer i filnavne og stier. -æ,ø,å,%,&,^,@,~,*,?,#,!,( ),[ ],{ },, space,. 12

12 Main Toolbar Project manager og diagramside Diagramside Diagramside Project manager Diagramside Snap to Grid Setting Online Help Area Select Drag connected object View Project Manager 13

13 Diagramtegning - kommandoer Placer komponenter brug shortcut P Tegn forbindelser - W Giv net alias - N Placer junctions - J Place power - F Place ground - G Zoom ind - I Zoom out - O Zoom center - C prøv at holde C nede og flyt musen Afslut en kommando med ESC Net alias Junction 14

14 Diagramtegning - Place Part Part Search: Brug * som wildcard for streng, eller? for enkelt karakter. 15

15 Øvelse 1 - Capture Oprettelse af projekt til simulering samt navigering i projektet 16

16 Simpelt hierarki Page in Schematic Hierarki blok Driver Hierarki blok Filter Diagram Driver Diagram Filter Schematic Schematic 17

17 Komplekst hierarki Page in Schematic Hierarki blok Power Højre Kanal Venstre Kanal Diagram powersupply Diagram udgangsforstærker Schematic Schematic 18

18 Hierarkier Hierarkiblokke forsynes med navngivne pins med type Underliggende diagrammer forsynes med navngivne porte busser / scalare typer: input, output, bidirectional, passive etc. udseende er symboler fra biblioteker (capsym.olb) Parts kan bruges som blokke signaler overføres via pin-name (ikke nummer) Primitive: YES/NO (descendable) Counter1 CLK ENABLE RESET Count4 RESET Q[0..3] CARRY CARRY Implementation Type + Implementation Diagrammer kan gemmes i biblioteker (men normalt i samme design) 19

19 Signaludbredelse Globale, alle sider i alle diagrammer i ét design power / ground / pins med power type Lokale, kun på samme side wires og wire-stumper med alias (netnavn) Hierarkiske, fra en side til et diagram hierarkiblokke/pins og hierarki-porte Mellem sider i samme diagram offpage connectors (uden type) Specielt om skjulte power signaler kan synliggøres og forbindes isoleret power via hierarki-porte og offpage (PAS PÅ: power er ikke længere globalt!!!) VCC 0 Reset Reset VCC_Local My _local_power 20

20 Busser i Capture Busser A[0..15] eller A[15..0] busnavn A numre, fortløbende og uden huller, [0..15] eller [0:15] opsamler wires med alias Busnavn+Index, A12 Forbinder via plads i intervallet, ikke nummeret A[0..3] alias B[2..5], betyder at A0=B2, A1=B3 etc... pas på bizare alias som f.eks. A[0..3] alias A[1..4] Splitninger og delmængder i samme bus helt indeholdt i interval: nummer oversættelse ikke indeholdt: positions oversættelse Er du i tvivl: læs netliste i Telesis format! 21

21 Drillerier i hierakier Lower level reference D[0..21] D11 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D[0..21] U Y4 7 2Y3 9 2Y2 12 2Y1 14 1Y4 16 1Y3 18 1Y2 1Y1 74ALS244 GND 2G 1G 2A4 2A3 2A2 2A1 1A4 1A3 1A2 1A1 VCC B99 B_1 D[0..21] D[0..7] D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D17 B_1 B99 100K 100K 100K 100K 100K 100K 100K 100K 100K 100K 100K D[0..21] VCC R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 D17 R99 1k Upper Level Lower Level 22

22 Properties på parts En property er defineret ved et Navn (Name) en tilhørende værdi (Value) Eksempler på part properties Editering Dobbelt klik på property (f.eks. Value) Reference Værdi Tolerance Leverandør Varenummer Pcb footprint Implementation Type Implementation Dobbelt klik på part: Vælg reference, højreklik, Edit Synliggørelse af properties, højreklik, Display 23

23 Property Editor Properties kan editeres for alle objekter i et areal Vælg faneblad: Parts, Schematic nets, pins, titleblocks, globals, ports, aliases Vælg Filter bestemmer hvilke properties der vises. Filter Eksempler: Orcad-Layout Orcad-PSpice Allegro viser properties der kan anvendes med disse programmer 24

24 PSpice indbyggede komponenter R Modstand B GaAsFET C Kondensator D Diode L T K Spole Transmissionslinje, med eller uden tab Kobling, evt. til magnetisk materiale J M Q JFET MOSFET Bipolær transistor I Uafhængig strømkilde Z IGBT V Uafhængig spændingskilde U Digitalt primitiv E F Spændingsstyret spændingskilde Strømstyret strømkilde N O Digital input device Digitalt output device G H Spændingsstyret strømkilde Strømstyret spændingskilde X Subcircuit S Spændingsstyret switch W Strømstyret switch Alle komponenter er beskrevet i reference manualen under Analog devices og Digital devices 25

25 Model eksempel Modstand R e4 R_R1 0 N00212 {offset + 1/trim} R_load 0 out MCR10F 15kOhm.model MCR10F res r=1 dev/gauss=0.2% tc1=-100e-6 Temperatur afhængigheder: Støj TC1 1. orden TC2 2. orden TCE eksponentiel (% / grad C) enten TC1, TC2 eller TCE i*i = 4kBwT / R Husk at der kan være sammenfald mellem enheder og prefixes! se appendix Eks. C=1F er ikke 1 farad men 1 femto farad. PSpice er ikke casesensitiv! 26

26 Simulerings profil Oprettes i Capture: PSpice, New Simulation Profile kan arves fra tidligere profiler Analysis DC, AC, transient (tidsdomæne), bias Configuration Files simuleringsmodeller Options styrer simulatorens opsætning Data Collection begrænser datamængden Probe Window hvornår og hvordan starter Probe 27

27 Øvelse 2 - DC sweep Opsætning og kørsel af biaspunkt og DC simulering Lader en DC kilde gennemløbe et interval DC analysen beregner hvilepunktet Afbildes i Probe med kildens værdi som X-akse Flere DC-detaljer: brug BIAS simulering beregner hvilepunkt kan beregne DC-sensitivity kan beregne småsignals DC overføringsfunktion 28

28 Hvad sker der, når man trykker på knappen Før Capture starter simulatoren kredsløbet checkes for fejl netliste frembringes, knudepunkter og komponenter *.net cir filen frembringes opsætning af biblioteker og includes opsætning af simulator, options, analysetyper henvisning til *.net filen Simulatoren arbejder læser *.net, *.cir *.lib og foretager beregninger frembringer *.out og *.dat sender hvilepunkter tilbage til Capture Probe starter læser *.dat og *.prb 29

29 Indhold af *.cir og *.net Alle kredsløb skal have et knudepunkt 0 brug power objektet 0 fra source.olb navngiv med alias 0 Talangivelser almindelig e-notation, 1e3 0.01e e6 almindelige prefix fra f til T, efter prefix er kommentar lovlig Mega hedder meg, f.eks 10Meg Milli hedder m f.eks 100mV pas på Farad, 0.47F er en meget lille kapacitet er du i tvivl, brug e-notation PSpice er IKKE case-sensitive 30

30 PSpice filer Alle filer kan findes vha. en stifinder. De placeres efter en fast struktur: 31

31 PSpice / Probe, overblik Stop, start, pause Simulation manager Simulation Settings Axis settings Trace expression Forlænget køretid Cursor, vis/skjul 32

32 PSpice og Probe Tilføj flere y-akser til plot Tilføj flere plot til vinduet Alternate Display Giver mere plads til visning af grafer Kurverkontrol Højreklik på kurven Generel opsætning: Tools, Options 33

33 PSpice og Probe - Dataudveksling Dataudveksling via clipboard Udpeg kurvens navn Edit copy, giver data fra kurven (kurverne) Data til Regneark, MatLab, PWL file Window copy-to-clipboard Kopierer grafik Vektorformat Farvekonvertering 34

34 PSpice og Probe Display Control Display control indeholder plot templates Sammenkobler flere elementer En eller flere markers En display opsætning Mulighed for dokumentation Gemmes i *.prb file Bruges fra Capture PSpice, Markers, Plot Window Templates Dokumentationen vises Ved start Ved hver probe 35

35 Regneudtryk i Probe Add Trace menu indeholder regneudtryk som kan bruges i Trace Expression 36

36 Øvelse 3 - AC sweep/noise Opsætning og kørsel af AC simulering Generatorer DC til hvilepunkt AC til analyse, kan angives med fase og magnitude Profilen angiver start og slutfrekvens og antal punkter, lin / log AC analyse er en lineariseret småsignals analyse alle tidsvariante kilder nulstilles hvilepunkt beregnes (DC kilder) den lineariserede AC overføringsfunktion beregnes generatorerne påtrykkes eventuelt beregnes støj 37

37 Øvelse 4 - Parametrisk analyse Letter eksperimenter og dokumentation Muliggør parametrisk analyse (sweep) på: DC-kilder (arbejdspunkt), temperatur, modelparameter, komponentværdi Bygger altid på en basis analyse metode: DC sweep, AC sweep eller tidsdomæne analyse Capture brug en param komponent fra special.olb tilføj synlig property med eget valgt navn og default værdi Simuleringsprofil Vælg parametrisk og udfyld felterne... 38

38 Signalkilder i transient analyse Frie generatorer, spænding (V) og strøm (I) Typer Pulse (...) retlinet for og bagkant EXP (...) eksponentiel for og bagkant PWL (...) mulighed for data fra file, programmerings sprog SIN (...) SFFM (...) Single Frequency, FM Brug komponenter fra Source.olb eller Sourcstm.olb Styrede generatorer E spændingsstyret spændingsgenerator G spændingsstyret strømgenerator F Strømstyret strømgenerator H Strømstyret spændingsgenerator Brug komponenter fra Analog.olb 39

39 Opsætning af stimuli/påvirkning Ud fra symbol properties: Symbolerne hentes fra Source.olb Ud fra stimuli filer: Symbolerne hentes fra Sourcstm.olb VSIN VPWL VPWL kilderne findes i flere variationer eks. VPWL_RE_FOREVER VSTIM VSRC VPWL_FILE Stimuli definitionen opbevares i *.stl filer og refereres til ved navn: VEXP VSFFM.STIMULUS pules1m PULSE( n 1n 1m 2m ).STIMULUS Sinus SIN( 1 5 1K ) VDC Alle typer findes også i en strøm variant (I?). Se flere detaljer i PSpice Reference Guide under Analog Devices 40

40 Stimulus Editor (analog) Viser kurveformen grafisk Brug en VSTIM eller ISTIM navngiv generatoren Højreklik, Edit PSpice Stimulus Stimuli opbevares i biblioteker, *.stl Konfigureres i simulerings profilen PWL har et læsbart sprog, brug en teksteditor S VSTIM V1 Implementation = 41

41 Øvelse 5 - Transient analyse Analyse i tids domænet Bruger tidsvarierende generatorer (pulse, exp, pwl, sin, sffm) Starter altid ved t=0, ud fra bias-point (beregnet med DC kilder) I profilen sættes sluttiden. Kan senere forlænges i simulatoren Kan udelade dataopsamling i starten af simuleringen Simulatoren vælger selv time-step Brugeren kan begrænse timestep manuelt Printstep (.PRINT) data tabel i outfile interpoleret til konstant tidsafstand Brug Nodeset og Initial Condition på net IC på spoler og kondensatorer 42

42 Kobling mellem parts og modeller Parts fra *.olb anbringes på diagram i Capture Part har properties Implementation eller model indeholder model navnet ImplementationType er PSpice model PSpiceTemplate fortolkes og skriver netlisten Simulatoren finder modelnavnet i modelbiblioteker profilen henviser til *.lib filer under Configuration Files, Library biblioteker kan være globale eller lokale (project) 43

43 PSpiceTemplate PSpiceTemplate former netlisten eksempel: bliver til : R_R1 INPUT OUTPUT MCR10F 1k R: modstand ^: hierarki derefererer andre properties %: navnet på det net, der er forbundet med benet? xx yy hvis xx, så yy ~xx zz hvis ikke xx, så zz MODEL, er det samme som implemetation Modelfil.model MCR10F RES R=1 dev/gauss=1% Rækkefølge af ben er vigtig!!! 44

44 Model typer Overordnet kan PSpice modeller inddeles i to typer: indebyggede modeller,.model Bygger på de grundlæggende komponenttyper R, C, L, Q, M, Defineres ud fra et antal PSpice parametre afhængig af type Subcircuit modeller,.subckt Små stykker netlist / ækvivalentdiagrammer Er opbygget af standard modeller Kan i princippet være hvad som helst Hedder X i netlisten Se eksempel under Appendix 45

45 Model Editor Opretter og vedligeholder biblioteker og modeller i biblioteker Simulatoren arbejder med modelparametre Datablade viser Device kurver Modeltyper i Model Editor: Findes under OrCAD 16.2, PSpice Accesories: Dioder Bipolære transistore Magnetiske kerner IGBT JFET MOSFET Operationsforstærkere Spændings komperatorer Spændings regulator Spændings referencer Darlington transistor 46

46 Model valg i Model Editoren I Model Editoren vælges model typen Device Characteristic Curves Template based (Parametricerede) 47

47 Configuration Files Under Configuration Files konfigureres både model-biblioteker (.lib), include filer (.inc) og stimulus-biblioteker (.stl). Biblioteker kan konfigureres til en bestemt simuleringsprofil. Project Manager: NB: Kopieres til resultat-mappe. 48

48 Øvelse 6 - Model editor Diodemodel forward current junction capacity reverse leakage reverse breakdown reverse recovery Modeleditor kan lave part biblioteker ud fra modeller Export to Capture Part Library grafikken er baseret på...\capture\library\pspice\modeled.etc I Model Editor, vælg Tools, Options og indsæt evt. et Capture bibliotek med dine ønsker om grafisk udseende. Model Import Wizard [Capture] Udvælg symbol manuelt fra eksisterende part biblioteker (.olb) 49

49 Af andre analyse metoder kan nævnes Worst Case/Monte Carlo En Monte Carlo analyse viser kredsløbets forandringer over for en tilfældig ændring i alle modelparametre hvor der er angivet en tolerance. Monte Carlo analyse kan køres for DC analyse, AC analyse og tidsdomæne analyse. Worst-case analyse ændre modelparametre mest muligt, inden for den angivne tolerance, for at finde eksempelvis højeste eller laveste forstærkning. Forvrængning, brug af fourier Er utilsigtet signalbehandling. Måles ved at påtrykke en sinus og måle hvad der er output foruden den rene sinus. Fourier i Probe (oskilloscopet) transformerer udfra data i *.dat filen (FFT). Fourier i simulerings profilen beregner overtoner ved en periode efter steady state. Giver alle harmoniske med fase og amplitude. Kan ses i *.out filen. 50

50 Afslutning Spørgsmål, diskussion Hvordan kommer man videre? hårdt slid og kontrollerede eksperimenter workshops med kolleger eller andre internet support Tak fordi Du deltog, hvad kan gøres bedre eller anderledes? giv din mening til kende på vores spørgeskema 51

51 Appendix - Hvad er PSpice? 1973, SPICE udvikles på Berkeley University, skrevet i FORTRAN Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis 1982, IBM introducerer en Personal Computer (8088 / 4.77MHz) Prisen på en 10Mb Winchester disk falder til under kr Ca. et år senere har W. Blume flyttet SPICE til en PC MicroSim er en realitet OrCAD SDT bruges som frontend MicroSim kommer på Windows med egen Schematic frontend OrCAD køber MicroSim, Capture bliver frontend Cadence køber OrCAD, flere resourcer tilføres Nordcad Systems har forhandlet PSpice og OrCAD altid Salg, support, uddannelse, services 52

52 Appendix - Opsætning af Capture CIS ODBC Opsætning af ODBC link til databasen I Kontrolpanelet vælges Administration, Datakilder (ODBC) Vælg System DSN fanebladet og klik på tilføj I listen over datakilder vælges Microsoft Access Driver (*.mdb) I dialogboksen angives datakilde navnet til Phoenix og under Database trykkes på Vælg og filen c:\xxx\xxx.mdb vælges 53

53 Appendix - Place, Database Part 54

54 Appendix - Part manager Informationer omkring parts i designet. Viser Part Status vha. farvekodning, dvs. om alle informationer er up-to-date. 55

55 Appendix - AutoConverge Hjælper dig med at indstille Runtime Settings så kredsløbet konvergerer. 56

56 Appendix - AutoConverge 57

57 Appendix - Regneudtryk i PSpice Kopieret fra reference manualens Before You Begin ABS(x) ACOS(x ARCTAN(x) ASIN(x) ATAN(x) ATAN2(y,x) COS(x) COSH(x) DDT(x) EXP(x) IF(t, x, y) IMG(x) LIMIT(x,min,max) LOG(x) LOG10(x) M(x) MAX(x,y) MIN(x,y) P(x) PWR(x,y) PWRS(x,y) R(x) SDT(x) SGN(x) SIN(x) SINH(x) STP(x) SQRT(x) TAN(x) TANH(x) TABLE (x,x 1,y 1,x 2,y 2,...x n,y n ) 58

58 Appendix - Operatorer i PSpice + addition (or string concatenation) - subtraction * multiplication / division ** exponentiation ~ unary NOT boolean OR ^ boolean XOR & boolean AND == equality test!= non-equality test > greater than test >= greater than or equal to test < less than test <= less than or equal to test 59

59 Appendix - Value Multipliers Symbol Scale Name F femto- P pico- N 10-9 nano- U 10-6 micro- MIL 25.4*10-6 M 10-3 milli- K kilo- MEG mega- G giga- T tera- C Clock Cycle PSpice is not case-sensitive. M is treated the same as m Use MEG or meg or Meg for mega- 60

60 Subcircuit, eksempel * * connections: non-inverting input * inverting input * positive power supply * negative power supply * output *.subckt LM * c E-12 c E-12 -klip-... -klip-.model qx PNP(Is=800.0E-18 Bf=166.7).ends Knudepunkter efter.subckt refererer indre net i kredsløbet Der kan overføres parametre til subcircuit Subcircuits er ikke andet end netlister, der er pakket ind til genbrug. De refereres med komponent-type X i netlisten. De kan have vilkårligt mange forbindelser, og som i mange andre programmeringssprog kan de have navngivne parametre, der kan have defaultværdier. Subcircuits bruges til at bygge modeller ud fra de indbyggede modeller og andre subcircuits. Et subcircuit kan ikke referere sig selv... Knudepunkterne, der optræder på.subckt linjen er navne på de indre knudepunkter, der er tilgængelige udefra. Placeringen på linjen (IKKE navnet) skal matche placeringen i PSpiceTemplate. Opbygning af subcircuit-erklæringer kan ses i reference manualen under Commands,.SUBCKT 61

61 Capture parts Grafik Linjer, rektangler, tekster, cirkler, polygoner, billeder Implicit bounding-box Pins / pin-array Nummer Navn Type, input, output, power... Form, kort, lang, clock, invert... Bredde, scalar, bus Properties Antal / pakke, homogen / heterogen PCB footprint Views part / package 62

62 Appendix - Cadence Help Startes fra Help menuen Help, eller Documentation Vælg View, Show Library for at åbne hele databasen Vil man åbne manualerne som pdf skal man først angive hvilken applikation man ønsker at anvende til dette Edit, Settings: 63

63 Appendix - Magnetic Parts Editor Startes fra - Alle Programmer, OrCAD 16.0, PSpice Accessories, Magnetic Parts Editor Anvendes til oprettelse af produktions datablad og simulerings model for trafo eller DC Spole. Magnetic Parts Editor er et tillægsværktøj som følger med PSpice indstallationen og kører på en almindelig PSpice licens. 64