TINA SPICE – Analoge Schaltungssimulation

TINA SPICE ist ein kostenloses, analoges Entwicklungs- und Simulationstool auf SPICE-Basis von DesignSoft. Es können typische SPICE-Simulationen (AC-, DC-, Transienten- und Rauschanalyse) durchgeführt werden. TINA-TI (gemeinsam entwickelt von DesignSoft und Texas Instruments) enthält darüber hinaus zahlreiche Makromodelle von Texas Instruments sowie Modelle aktiver und passiver Komponenten.

Texas Instruments hat dieses Simulationswerkzeug aus anderen SPICE-Simulatoren eigenen Angaben zufolge deswegen ausgewählt, weil es leistungsstarke Analysemöglichkeiten mit einer einfach und intuitiv zu bedienenden Schnittstelle sowie einfacher Handhabung kombiniert.

Aktuell ist die Version TINA-TI 9.1. Diese Version des kostenlosen Softwareprogramms erreicht im Schnitt die 5-fache Simulationsgeschwindigkeit gegenüber der Version 7.0. Entwickler können damit verschiedene elementare und erweiterte analoge Schaltungen einschließlich komplexer Architekturen ohne Beschränkungen der Knoten- und Bauteilzahl entwickeln und testen sowie auf Fehler untersuchen.

Es sollen jegliche in der Branche verwendete SPICE-Modelle (PSPICE, HSPICE, IBIS) unterstützt werden. Die Modellsammlung wird ständig erweitert und auf der Homepage monatlich aktualisiert. Die Software umfasst rund 500 Bauelementmodelle und Referenzdesigns sowie ca. 130 neue Spannungsversorgungsmodelle.

TINA-TI 9.1 ist in den Sprachen Chinesisch (Lang- und Kurzzeichen), Japanisch, Russisch und Englisch erhältlich und bietet neben den SPICE üblichen Analysen umfassende Möglichkeiten zum Postprocessing, mit denen die Simulationsergebnisse den Anforderungen des Benutzers angepasst werden können. Anhand von virtuellen Signalgeneratoren und Messgeräten können Benutzer verschiedene Eingangssignale auswählen sowie Knotenspannungen und Signalformen ihrer Schaltung untersuchen.

Zum Download von TINA-TI 9.1 im WEBENCH-Design-Center von Texas Instruments.

 

Circuit Lab – Web basierter Schaltungssimulator

Über ein geschlossenes Forum lassen sich die eigenen Schaltungen mit Gleichgesinnten diskutieren. Schaltungen kann man ebenfalls mit der Community teilen.

Circuit Lab richtet sich nach Angaben der Gründer Humberto Evans und Mike Robbins (beide sind Absolventen des MIT) an Bastler, Studenten, aber auch an Elektronikentwickler, die schnell eine einfache Schaltung erstellen und drucken wollen.

Die Software läuft komplett im Browser, das bietet zwei wesentliche Vorteile: Der Simulator ist Plattform unabhängig und arbeitet somit unter Windows, Mac und Linux und ist als App auch auf dem iPhone und iPad nutzbar. Es werden darüber hinaus auch Mac-spezifische Tastaturkürzel unterstützt.

Zum Schaltungssimulator auf Circuitlab.com

 

iSim – Entwicklungswerkzeug für Power Management

iSim V4 ist die aktuelle Version des kostenlosen, Web basierten Entwicklungswerkzeugs für Power-Management-Produkte von Intersil.

Zur Vorgängerversion für integrierte FETs (V3) wurden Funktionen zur Auswahl, Simulation und Optimierung von einphasigen PWM-Controllern mit externen FETs hinzugefügt.

Der Fokus wurde auf leichte Bedienbarkeit gelegt. Anwender können Anforderungen an die Stromversorgung eingeben und das Schaltbild für die gewünschte Schaltfrequenz, Soft-Start und weitere Optionen konfigurieren. Es lässt sich ein vollständiger Prototyp erstellen, ohne Datenblätter und Anwendungsbeispiele zu durchforsten oder eine Reihe von iterativen Optimierungsschritten durchzuführen. Automatisiert können für Stromversorgungen die elektrische Leistung, Steuerschleifenstabilität und der Wirkungsgrad simuliert werden.

Darüber hinaus gibt es einen Bereich „Custom Design“, in dem spezifische Leistungsziele der Stromversorgung eingegeben werden können. Automatisch werden die entsprechenden Industriestandard-Komponentenwerte ausgewählt. Hier kann man auch Leistungs-MOSFETs selektieren, die weiter optimiert werden können, um den besten Gesamtwirkungsgrad der Stromversorgung und die geringste Sperrschichttemperatur im System zu erzielen. Das Ergebnis ist ein robustes Design und eine vollständige Stückliste von DigiKey für die Online-Bestellung.

Weitere Optionen sind:

  • Anwender können die Kompensationskomponenten modifizieren und das Werkzeug zeigt Änderungen im geschlossenen Regelkreis unmittelbar (on-the-fly) an.
  • Entwickler können Wirkungsgradkurven und Stromverteilungsverluste an den Komponenten bewerten.
  • Die Darstellung der Hauptseite des Schaltbilds fasst die Schlüsselleistungsparameter der Lösung zusammen: Wirkungsgrad, Bandbreite, Phasenbereich, Kosten und Gesamtplatzbedarf.

iSim V4 profitiert von der Auswahl an Modellen von Intersil, die mit dem Simulator SIMPLIS für die Entwicklung für Schaltnetzteile erstellt wurden. Schaltpläne können ebenfalls herunter geladen werden und auf dem Desktop-Simulator iSim.PE ablaufen, einem kostenfreien Offline-Schaltplanerfassungs- und Simulationswerkzeug.

Zum Entwicklungswerkzeug auf www.intersil.com.

ADI DiffAmpCalc – Werkzeug zur Auslegung von Verstärkern

Dieses kostenfreie Werkzeug von Analog Devices hilft bei der Auslegung von differentiellen Verstärkern. Das Entwicklungstool ist einfach zu bedienen und stellt durch ein interaktives Userinterface sicher, dass der Entwickler schnell zu Ergebnissen gelangt.

Es beinhaltet zeitoptimierte automatische Berechnungsroutinen, die Verstärkung, Abschlusswiderstände, Verlustleistung, Rauschen und Gleichtaktspannung ausgeben.

Ein eingebauter Algorithmus verhindert gängige Fehler beim Verstärkerdesign gleich bei der Eingabe. Das Tool liefert unbegrenzte „Was-wäre-wenn“-Szenarios für die Echtzeitanalyse. Verstärker, Lasten und Widerstandstoleranzen lassen sich einfach durch Klicken auswählen.

Zum Download des Entwicklungswerkzeuges bei Analog Devices.

ADIsimPower Voltage Regulator Design Tool

Dieser Simulator liefert gängige Schaltungen mit DC/DC-Wandlern innerhalb einer Minute. Der Nutzer gibt 5 Werte ein und optimiert diese hinsichtlich der Effizienz, Leiterplattenplatz, Kosten oder Teilenummer. Ausgegeben wird ein komplettes Blockschaltbild, BOM und ein Effizienzdiagramm. Für Verifikation und Fast Prototyping wird eine Zusammenfassung und eine leere Leiterplatte zur Verfügung gestellt.

Zur Website:
ADIsimPower Voltage Regulator Design Tool

ADIsimOpAmp

Dieses Werkzeug hilft bei Auswahl, Evaluierung und Fehleranalyse von Operationsverstärkern mit Spannungsrückkopplung. Es verwendet typische Verhaltensmodelle des ausgewählten Operationsverstärkers und konfiguriert eine Schaltung, stellt ein Signal zur Verfügung und evaluiert die Leistungsfähigkeit. Es ist hilfreich, um Spezifikationen wie Bandbreite, Anstiegsrate, Eingangs-/Ausgangsbereich, Verstärkungsfehler, Laststrom, Stabilität und DC-Fehler des Verstärkers zu überprüfen.

Zur Website:
ADIsimOpAmp

Entwicklungs-Tools von Analog Devices

Hier finden Sie eine Übersicht zu hilfreichen Tools für die Schaltungsentwicklung aus den Bereichen Datenwandler, Verstärker, Filter, Dioden, HF, Power, Taktgeber, PLL, DDS u.v.a.m.

Accelerometer FIFO Calculator
Sigma Delta Register Configuration   Assistant
In-Amp Error Calculator
Digital Filter Model Spreadsheets
DDS Configuration Assistant
CCD Pll Settings
TMP01 Setpoint Calculator
Download files for ADIsimPower™ Voltage Regulator   Design ToolThe individual Excel-based voltage regulator design tools used in ADIsimPower™.
In-Amp Common Mode Calculator
PLL Register Configuration Assistants

Sigma-Delta ADC Tutorial
An interactive illustration showing the behavior of an idealized sigma-delta   A/D converter.
ADI DiffAmpCalc™ADI’s new ADI DiffAmpCalc™ is a free, downloadable calculator for designing   differential amplifier circuits. The tool is easy to use and features an   interactive user interface to quickly get you up and running.

ADIsimRF
ADI’s ADIsimRF design tool provides calculations for the most important parameters   within the RF signal chain, including cascaded gain, noise figure, IP3, P1dB,   and total power consumption.

RF Impedance Matching Tool
This calculator matches a known complex load to a desired impedance at a   given frequency. Computes component values and displays a sample circuit of   the matching network.
ADIsimCLK™ADIsimCLK is the design tool developed specifically for Analog Devices‘ range   of ultra-low jitter clock distribution and clock generation products. Whether   your application is in wireless infrastructure, instrumentation, networking,   broadband, ATE or other areas demanding predictable clock performance,   ADIsimCLK will enable you to rapidly develop, evaluate and optimize your   design.

ADIsimOpAmp™
This tool will help with the selection, evaluation and troubleshooting of   voltage feedback Op-Amps. It uses typical data to model the behavior of a   selected amplifier. It allows a user to select an amplifier, configure a circuit,   apply a signal and evaluate the performance. It is useful for checking an   amplifier’s spec’s such as Bandwidth, Slew Rate, Input/Output Range, Gain   Error, Load Current, Stability Issues and DC Errors in a given circuit.

AD8158 Power Calculator
(pdf, 74 kB)This spreadsheet will assist the user in calculating power supply   requirements and total device power dissipation.

ADIsimDDS™
The purpose of this tool is to assist a user in selecting and evaluating   Analog Devices, Direct Digital Synthesis (DDS) IC’s. It allows a user to   select a device, enter the desired operating conditions and evaluate it’s   general performance.
ADIsimSRD Design Studio

ADIsimPLL™
ADIsimPLL enables the rapid and reliable evaluation of new high performance   PLL products from ADI. It is the most comprehensive PLL Synthesizer design   and simulation tool available today. Simulations performed include all key   non-linear effects that are significant in affecting PLL performance.   ADIsimPLL removes at least one iteration from the design process, thereby   speeding the design- to-market.

ADIsimPower™ Voltage Regulator Design Tool
This expert design tool produces custom DC-DC converter designs in about a   minute. The user enters 5 inputs and chooses to optimize for efficiency, PCB   space, cost, or part count. Output is a complete schematic, BOM, efficiency   plot, and performance summary. A PDF summary and a blank PCB is offered for   each design to facilitate fast prototyping to verify the design.

AD5933/4 Demonstration and   Design Tool
A tool for demonstrating use of the AD5933/4 Impedance Converter / Network   Analyzer.

AD650 Component Selection Calculator
This tool calculates values for Cint, Rint, and Cos for frequency-to-voltage   and voltage-to-frequency applications of the AD650. Calculated values may be   adjusted to see the effect on the outputs.

ADIsimThermocouple™
This tool will calculate output voltage based on thermocouple type and   temperature for the AD594/AD595 thermocouple amplifiers.
Analog Photodiode Wizard
Analog Filter Wizard™ v1.0Design & Product Selection Tool

Analog Bridge Wizard
SigmaStudio™ Graphical Development Tool
Impedance Matching TutorialThis tutorial examines the Smith Chart and its application to transmission   line impedance matching.
AD8304 Log Amp – Raise or Lower   InterceptCalculates component values to change the AD8304 slope and intercept. This   tool graphs the new curve showing the output voltage vs input current and the   schematic.
AD849x Thermocouple Nonlinearity   Error Calculator

VRMS / dBm / dBu / dBV   calculator
A utility to convert between standard units of power measurement and signal   strength.
SNR/THD/SINAD CalculatorThis calculator converts SNR, THD, and SINAD into ENOBs and noise. It also   computes one of SNR, THD, or SINAD from the other two.
Power Dissipation vs Die TempThis tool estimates die temperature and power dissipation based on the supply   voltages, ambient temperature, load characteristics, and package thermal   data.

Sigma-Delta ADC Tutorial
An interactive illustration showing the behavior of an idealized sigma-delta   A/D converter.
Impedance Matching TutorialThis tutorial examines the Smith Chart and its application to transmission   line impedance matching.
Photodiode Preamp Error Budget   TutorialAn online tool to illustrate range, gain and accuracy issues in photodiode   preamplifiers.

 

Auf diese Bits kann man verzichten!

Angenommen eine qualitativ hochwertige Wägezelle besitzt eine Ausgangs-Übertragungsfunktion von 2 mV/V. Sie liefert also pro Volt Anregungsspannung ±2 mV Ausgangssignal. Bei einer Anregungsspannung von 4,096 V und voller Sensorauslenkung ergibt sich eine maximale Ausgangsspannung von ±8,192 mV.

In einer 12-Bit-Anwendung – beispielsweise einer Haushalts-Personenwaage – könnte die Hälfte des Endwertes einem Gewichtsmessbereich von Null bis 113 kg entsprechen. Soll die Waage eine Auflösung von 113 g erreichen, so werden dafür 1000 Ausgangsmesspunkte benötigt. Um nun ein Tausendstel des vollen Messbereichs aufzulösen, muss eine Änderung der Sensorausgangsspannung um 8,192 µV erkannt werden können. Dies ist möglich, wenn man dafür sorgt, dass der Spitze-Spitze-Wert des Sensorrauschens für 99,999 % der Zeit geringer als 8,192 µV ist (unter Ansatz eines Crest-Faktors von 4.4, siehe [1]). Mit dieser Definition entspricht ein LSB (Least Significant Bit) auf der Sensorseite einer Spannung von 8,192 μV oder 931 nV (eff).

Bild 1: 12-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit von 113 g Bild 1: 12-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit von 113 g

Die Wägezellen-Messbrücke in Bild 1 wird mit einer Spannung von 4,096 V angeregt. Der Instrumentenverstärker INA326 verstärkt die Spannung der Lastzelle mit einem Faktor von 250 V/V. Somit erzeugt das System bei Vollausschlag eine Spannung von 250 x ±8,192 mV = ±2,048 V. Der 12-Bit-Wandler ADS7822 digitalisiert das Analogsignal.

Dieses 12-Bit-Wandlersystem benötigt ein aktives analoges Filter, das hier mit einem OPA333 aufgebaut ist. Der Zweck dieses Tiefpassfilters ist in erster Linie, die hochfrequenten Signalkomponenten am Eingang des A/D-Wandlers zu unterdrücken [2]. Da die Wägezelle in unserer Schaltung quasi im DC-Bereich arbeitet, begrenzen wir die Bandbreite auf 10 Hz. Die Bauelemente in Bild 1 kosten hierbei weniger als 6,00 US-Dollar.

Sehen wir uns nun zum Vergleich eine Wägezellenmessung mit einem 24-Bit-System an. In Bild 2 können wir das Wägezellensignal einfach über ein Tiefpassfilter erster Ordnung dem Delta-Sigma-A/D-Wandler zuführen. Das Tiefpassfilter erster Ordnung in dieser Schaltung eliminiert hochfrequentes Rauschen im Bereich um die Abtastfrequenz des Wandlers [3]. Den Widerstandsanteil des R-C-Filters steuert der Sensor bei.

Bild 2: 24-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit besser als 113 g Bild 2: 24-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit besser als 113 g

Betrachtet man die Fehlergrößen des 24-Bit-Delta-Sigma-Systems in Bild 2, erkennt man, dass der ADS1232 eine Rauschspannung von 3,7 µVs-s produziert (bei einem angenommenen Crest-Faktor von 4,4). Dieser Wert liegt deutlich unter der LSB-Größe des Sensors. Der Vollausschlagsbereich des Delta-Sigma-Wandlers beträgt zudem 4,096 V, während der gesamte Sensor-Ausgangsspannungsbereich nur ±8,192 mV umfasst. Wie man sieht, bleiben die meisten Ausgangsbits des Delta-Sigma-Wandlers ungenutzt. Die Bauelemente in Bild 2 kosten weniger als 4,00 US-Dollar.

Fazit: Das 12-Bit-Wandlersystem ist letztlich teurer, nimmt mehr Platz auf der Leiterplatte in Anspruch und ist in der Dimensionierung kritischer als das alternative 24-Bit-System.

Bonnie C. Baker, Texas Instruments

Literatur

[1] “RMS and peak-to-peak noise trade-off“, Baker, Bonnie, EDN (15. Mai 2008)

[2] ”What’s in your SAR-ADC application?“ Baker, Bonnie, EDN (15. Dez. 2008)

[3] “Analog filter eases delta-sigma-converter design“, Baker, Bonnie, EDN (12. Juni 2008)

Die Langzeitstabilität von Präzisionsverstärkern – Oder: Wie man sicher stellt, dass ICs würdevoll altern und keinen plötzlichen Tod sterben

Die Lebensdauer vieler Produkte beträgt 20 Jahre. Wie gut wird ihre Kalibrierung während dieser Zeit durchhalten?

Eigentlich recht gut. Vorausgesetzt Sie schützen Ihr Produkt vor Missbrauch.

Mein englischer Kollege mag gute Einzeiler recht gerne. Wenn er also gefragt wurde, wie Präzisions-Analog-ICs altern, antwortete er meistens „würdevoll“ oder „365 Tage im Jahr“. Obwohl diese Antworten richtig sind, sind sie nicht immer sehr hilfreich.

Präzisions-Analog-ICs sind sehr stabile Bauteile. Im Gegensatz zu Wein werden Präzisions-Analog-ICs mit zunehmendem Alter aber nicht wirklich besser. Stattdessen weisen sie normalerweise altersbedingte Änderungen von etwa 1 ppm/1.000 h auf (der genaue Wert steht eventuell im Datenblatt). Es ist wichtig zu wissen, dass sich dieser Alterungsprozess nicht einfach summiert, sondern vergleichbar mit dem Gang eines Betrunkenen ist. Falls Sie an der Mathematik interessiert sind, mit der sich der Weg eines Betrunkenen beschreiben lässt, sollten Sie die Referenz [1] lesen. Im Wesentlichen verläuft jeder seiner nächsten Schritte jedoch in einer zufälligen oder wahlfreien Richtung. Für den eindimensionalen Gang eines Betrunkenen bedeutet dies, dass die Entfernung vom Ursprung etwa proportional der Quadratwurzel der Anzahl der Schritte ist.

Übertragen auf ein Bauteil heißt dies, dass, wenn ein Bauteil mit 1 ppm/1.000 h altert, es mit √2 ppm/2.000 h altert usw. Da das Jahr 8.766 Stunden hat (durchschnittlich; 8.760 in einem normalen und 8.784 in einem Schaltjahr) ist 1 ppm/1.000 h = 2,96 ppm/Jahr = 9,36 ppm/Dekade und 13,24 ppm/2 Dekaden.

Diese Werte gelten weitgehend unabhängig davon, ob ein Bauteil im Dauerbetrieb arbeitet, gelagert wird oder vernünftigen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist. Da dies ein statistischer Prozess ist, sind die Abweichungen zwischen Bauteilen genau so groß wie der Effekt selber. Hohe Temperaturen beschleunigen den Prozess, jedoch nicht sehr extrem. Und die Charakteristika ändern sich bei verschiedenen Prozessen.

Sofern Ihre Schaltung den Großteil ihrer Zeit bei Temperaturen unter 100 °C verbringt, kann eine Alterung entsprechend den Werten im Datenblatt veranschlagt werden.

Allerdings gibt es einen anderen Effekt, der bei Bauteilen plötzliche Änderungen der Genauigkeit hervorruft und auch den darauf folgenden Alterungsprozess beschleunigen kann: Elektrostatische Entladung (ESD). Meist wird angenommen, dass ESD den plötzlichen Tod für einen IC bedeutet. Dies stimmt auch oft. Eine elektrostatische Entladung kann jedoch kleine Schäden verursachen, die das Bauteil nicht zerstören, sich aber auf seine Leistungsfähigkeit auswirken (und zu einem späteren Zeitpunkt zum plötzlichen Ausfall führen können). Eine solche Beschädigung ist oft einmalig, kann sich aber addieren. Einmal hatten wir einen Kunden aus Finnland, der sich beschwerte, dass einer unserer Operationsverstärker im Laufe der Jahre immer stärker rauschte. Genauere Untersuchungen ergaben, dass über die Jahre in den Sommermonaten nicht viel passierte. In den Wintermonaten jedoch begünstigte die trockene Luft des finnischen Winters die Entstehung statischer Elektrizität.

Fazit: Soll ein IC würdevoll altern, ist ein angemessener ESD-Schutz notwendig.

[1]  http://de.wikipedia.org/wiki/Zufallsbewegung
Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

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