Schaltungssimulation
Die Schaltungssimulation mit Computern und entsprechenden Schaltungssimulationsprogrammen ist heute bei der Entwicklung elektronischer Geräte (sowie in der Ausbildung) akzeptierter Standard. Die Funktionsweise einfacher und komplexer analoger und digitaler Schaltungen kann mit den entsprechenden Programmen – je nach Umfang des Simulationsmodells – entsprechend simuliert, verifiziert und getestet werden, ohne dass man die gewünschte Schaltung tatsächlich realisieren muss. Voraussetzung für ein späteres korrektes Arbeiten der Schaltung des Simulations-Schaltungsentwurfs (nach einer entsprechenden praktischen Leiterplattenmontage oder einer Realisierung in einem Chip) ist allerdings, dass die realen Bauelemente bei der Implementierung der Simulationssoftware hinreichend genau nachgebildet worden sind. Im Ergebnis erspart dies dann zum einen Zeit und Kosten für die Entwicklung elektronischer Schaltungen und hilft zum anderen, die Elektronik und deren Probleme besser zu verstehen.
Arten von Schaltungssimulationen
Je nach Einsatzgebiet wird zwischen verschiedenen Schaltungssimulationen und deren Methoden unterschieden:
- Die zeit- und wertkontinuierlichen Schaltungssimulation von meistens analogen Schaltungen bzw. Schaltungsteilen. Typisch ist, dass Schaltungen und deren Bauelemente mit den zugrundeliegenden physikalischen Parametern beschrieben und die Funktion einzelner Schaltungselemente beispielsweise mittels Differentialgleichungen beschrieben werden. Da die zu simulierenden Schaltungen meist nicht allzu umfangreich, sondern nur reduzierte Ersatzschaltungen oder Teile von komplexeren Schaltungen darstellen, wird die eigentliche Schaltung direkt als Netzliste, beispielsweise in Form eines Schaltplanes, in den Simulator eingegeben. Alternativ ermöglichen viele Programme auch die Verwendung einer Hardwarebeschreibungssprache.
- Die zeit- und wertdiskrete Schaltungssimulation von digitalen, getakteten Schaltungen. Wesentlicher Unterschied ist, dass dabei nur zu bestimmten Zeitpunkten, meistens sind das die Taktzeitpunkte, die Simulation ausgewertet wird. Zustände zwischen diesen Zeitpunkten werden im Simulator „übersprungen“. Typische Anwendungsbereiche solcher Simulationen sind der Test und Verifikation komplexer digitaler Schaltungen, wie sie mittels Hardwarebeschreibungssprachen in VHDL oder Verilog beschrieben werden.
Analoge Schaltungssimulation
Zur analogen Schaltungssimulation werden die elektronischen Bauteile (z. B. Widerstände, Kondensatoren, Halbleiter, logische und arithmetische Schaltkreise, etc.) als mathematische Modelle dargestellt. Indem mittels Netzwerkgleichungen Werte für die Knotenpunkte (Nodes) der Schaltung berechnet werden, entsteht eine umfassende Datenmatrix zur simulierten Schaltung. Grundlage des Gleichungssystems sind die Kirchhoffschen Regeln.
Die Auswertung dieser Daten kann während der Simulation mit virtuellen Mess- und Anzeigeinstrumenten angezeigt werden.
Neben der reinen Prüfung auf Funktionalität können die simulierten Schaltungen ebenso unter folgenden Aspekten analysiert werden:
- DC-Analyse (z. B. Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung)
- AC-Analyse (z. B. Ausgangsspannung als Funktion der Frequenz)
- Transientenanlyse (z. B. Verhalten der Schaltung bei kurzen Spannungsspitzen)
- Fourieranalyse (z. B. Frequenzspektrum)
- Sensivitätanalyse (Verhalten der Schaltung bei Variation der Bauteilparameter)
- Monte-Carlo-Analyse (stochastisches Verfahren)
Etwa seit 1970 wurde an der University of California in Berkeley intensiv an der ersten Schaltungssimulation gearbeitet. 1972 wurde dann die erste Version von SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) veröffentlicht. Das Programm ist in FORTRAN geschrieben und läuft auf Großrechnern. Für Industrie und Hochschulen wurde SPICE zum Standard in der Schaltungssimulation. In den folgenden Jahren wurde SPICE stetig weiterentwickelt und die Hersteller von Bauteilen und Komponenten stellten eigene mathematische Modelle ihrer Produkte zur Verfügung. Einige Softwarehersteller erwarben Lizenzen am Quellcode von SPICE und entwickelten daraus eigene Programme zur Schaltungssimulation. Als Konsequenz daraus erschien 1980 PSpice als erstes Simulationsprogramm für PCs auf dem Markt.
Es folgten weitere Programme wie MULTISIM von Electronics Workbench, MICROCAP, LTspice und viele andere. Ab 1985 wurden neue Versionen von SPICE in C programmiert. Viele der Programme zur Schaltungssimulation können heute als freie Software (GPL), Shareware oder kostenlose Studentenversion aus dem Internet heruntergeladen werden. Allen ist jedoch gemeinsam, dass im Hintergrund eine mehr oder weniger aktuelle Version von SPICE arbeitet.
Erweiterungen in diesem Bereich bestehen darin, statt Netzlisten bzw. Schaltplänen auch Hardwarebeschreibungssprachen zur Modellierung der zu simulierenden Schaltung auf höherem Abstraktionsniveau einzusetzen. So wird mit VHDL-AMS versucht, die ursprünglich nur für die Modellierung von diskreten, digitalen Schaltungen vorgesehene Sprache VHDL auf die analoge Schaltungssimulation zu erweitern. Derzeit (2007) gibt es bereits Simulatoren für VHDL-AMS, die in direkter Konkurrenz zu den meist auf SPICE basierenden Schaltungssimulatoren stehen.
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