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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LTspice - Analyse einer Leiterbahn


Autor: Klaus R. (klara)
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Hallo,
ich versuche eine Leiterbahn in LTspice zu simulieren. Die Frage ist, 
genügt es mit der Transmissionline zu simulieren oder muß doch noch die 
Leitungskapazität und die Leitungsinduktivität zusätzlich mit in die 
Simulation. Diese beiden Parameter sind ja eigentlich schon in der 
Impedanz enthalten.

Konkret. Die Impedanz habe ich mit dem Tool von Leiton berechnet.
https://www.leiton.de/leiton-tools-impedanz-kapazitaets-kalkulator.html

Es ist ein Microstrip.
Breite    = 0,245 mm
Höhe (h)  = 0,36 mm
Dicke (t) = 18 µm
εr        = 3,8

Die Länge beträgt 200 mm.

Die Frequenz beträgt 10 MHz. Bei Lambda = 200.000 km/s und 10 MHz haben 
wir eine Wellenlänge von 20 m. Lambda/4 beträgt dann 5 m. Damit treten 
bei der Grundfrequenz Wellenphänomene noch nicht richtig auf. Aber bei 
Oberwellen mit >= 250 MHz haben wir schon Lambda/4 erreicht.

Ich tendiere deshalb zur zweiten, unteren Lösung der Simulation. Ist das 
korrekt oder nur praktikabel?
mfg Klaus

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hallo Klaus,

ich habe dir mal dein Beispiel korrigiert. Dabei habe ich eine 
Ausbreitungsgeschwindigkeit von 0,2m/ns angenommen. Mit Luft als 
Dielektrikum wären es 0,3m/ns. Schneller geht es nicht. Meinen 
Schätzwert kannst du ja noch anpassen, aber weit daneben kann ich da 
nicht liegen.

Mit C2=30p sieht das besser aus.

Gruß
Helmut

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Autor: Klaus R. (klara)
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Vielen Dank Helmut,
die Laufzeitverzögerung habe ich vom Tool der Firma Leiton erhalten und 
εr vom Leiterplattenhersteller. Das sind natürlich auch nur Richtwerte. 
Beide Quellen weisen auch darauf hin.

Demnach bist Du der Meinung das die Transmissionline allein schon zur 
Simulation der Leitung genügt. Zusätzlich noch die Belänge der Kapazität 
und Induktivität in Summe mit anzuhängen wäre dann nicht korrekt?
mfg Klaus

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Zusätzlich noch die Belänge der Kapazität und Induktivität in Summe mit 
anzuhängen wäre dann nicht korrekt?

So ist es. Die TLine enthält bereits L' und C'. Außerdem stimmt meine 
Tpd=1ns vermutlich recht genau für die 200mm.

v = (0,3m/s)/sqrt(er_eff)

er_eff ist vielleicht 2,5 bis 3 falls das eine Microstrip-Leitung ist. 
Die Zahl bekommt man aus dem Programm mit dem die Impedanz berechnet 
wurde.

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Autor: Klaus R. (klara)
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Helmut S. schrieb:
> Außerdem stimmt meine
> Tpd=1ns vermutlich recht genau für die 200mm.

Tpd = 0,2 m x 5,25 ns/m = 1,05 ns
Es ist nur ein anderer Rechenweg.

Helmut S. schrieb:
> Die TLine enthält bereits L' und C'

Da war ich mir eben nicht sicher ob das auch für kurze Leitungen schon 
gilt.
Prima!
mfg Klaus

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Z^2 = L'/C'      (1)

v^2 = 1/(L'*C')  (2)

Aus 1:
L' = C'*Z^2

In 2 einsetzen
v^2 =  1/(Z^2*C'^2)

C' = 1/(v*Z)
-----------

L' = Z/v
--------

C' = (5,25ns/m)/(93V/A)
C' = 56,45pF/m
--------------

L' = 93V/A*(5,25ns/m)
L' = 488,25nH/m
---------------

Autor: HildeK (Gast)
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Was einen noch näher an die Realität bringt, wäre die Berücksichtigung 
einer verlustbehafteten Leitung.
Die von euch verwendete Leitung ist eine verlustfreie Leitung. Es gibt 
in LTSpice auch die andere Variante, allerding muss man da ein Modell 
angeben; ich hab es selber nie versucht ...
Dort fließt der ohmsche Leiterwiderstand sowie der Isolationswiderstand 
mit ein.
Einen relevanten Einfluss wird man aber eher in der Nähe von 1GHz und 
darüber bei längeren Leitungen feststellen.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hier noch ein Vergleich mit 10L und 11C als Ersatz für die T-Line.
Am Anfang und am Ende ist nur ein halb so großer C.
Man sieht fast keinen Unterschied bei 1,5ns Anstiegsszeit.
Bei 100ps Anstiegszeit sieht das dann bestimmt anders aus. Da müsste man 
dann mehr LC-Stücke nehmen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Klaus R. (klara)
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Danke Helmut!
Du schaffst es immer wieder mich zu verblüffen.
Dieser Beitrag kommt wieder in meine Sammlung.

mfg
Klaus

Autor: Klaus R. (klara)
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Hallo Helmut,
noch eine Frage zu den 30 pF der Terminierung. Ist der Wert berechnet 
oder hast Du probiert bis der Rechteck gut aussah?

Den Widerstand sollte man sicher in der Größenordnung der 
Leitungsimpedanz wählen. Mit dem zusätzlichen Kondensator in Reihe 
reduziert man die Verlustleistungen. Er hat eigentlich für die 
Terminierung selber keine Bedeutung.
mfg Klaus

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> noch eine Frage zu den 30 pF der Terminierung.

Den habe ich einfach probiert. Die Simulation dauert ja nur ganz kurz. 
Da ist man schnell am Ziel.

> Dre Kondnesator hat eigentlich für die Terminierung selber keine Bedeutung.

So sollte man das nicht sagen. Die Größe hat schon eine Auswirkung auf 
die Pulsform. Man möchte da nicht 100nF reinmachen um wirklich mit 
100Ohm abzuschließen, weil dann die Amplitude kleiner würde.

Autor: DCDC (Gast)
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Helmut S. schrieb:
> Hier noch ein Vergleich mit 10L und 11C als Ersatz für die T-Line.
> Am Anfang und am Ende ist nur ein halb so großer C.
> Man sieht fast keinen Unterschied bei 1,5ns Anstiegsszeit.
> Bei 100ps Anstiegszeit sieht das dann bestimmt anders aus. Da müsste man
> dann mehr LC-Stücke nehmen.

Hallo,

bloß eine kurze Frage, macht vermutlich keinen großen Unterschied in der 
Simulation , aber sollte in der Netzliste in der letzten Zeile nicht 
stehen: C20 20 0 {C/20}. Die Kapazität soll ja vom Knoten 20 nach Masse 
gehen oder?

Gruß DC/DC

Autor: Klaus R. (klara)
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Helmut S. schrieb:
>> Dre Kondnesator hat eigentlich für die Terminierung selber keine Bedeutung.
>
> So sollte man das nicht sagen. Die Größe hat schon eine Auswirkung auf
> die Pulsform. Man möchte da nicht 100nF reinmachen um wirklich mit
> 100Ohm abzuschließen, weil dann die Amplitude kleiner würde.

In so einem Applikationsleitfaden sprach man von 60 pF bis 240 pF als 
gängige Werte. In der Tat sind die Flanken wichtig. Und wenn 30 pF einen 
sauberen Rechteck bewirken, dann ist das eben OK.
mfg Klaus

Autor: Helmut S. (helmuts)
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@DCDC

> Die Kapazität soll ja vom Knoten 20 nach Masse gehen oder?


Danke für den Hinweis. Das war ein Tippfehler.

Die korrigierte Version ist im Anhang. Jetzt sind die Ausgangsspannungen 
der Schaltungen praktisch deckungsgleich.

Gruß
Helmut

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Autor: Helmut S. (helmuts)
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Klaus R. schrieb:
> Helmut S. schrieb:
>>> Dre Kondnesator hat eigentlich für die Terminierung selber keine Bedeutung.
>>
>> So sollte man das nicht sagen. Die Größe hat schon eine Auswirkung auf
>> die Pulsform. Man möchte da nicht 100nF reinmachen um wirklich mit
>> 100Ohm abzuschließen, weil dann die Amplitude kleiner würde.
>
> In so einem Applikationsleitfaden sprach man von 60 pF bis 240 pF als
> gängige Werte. In der Tat sind die Flanken wichtig. Und wenn 30 pF einen
> sauberen Rechteck bewirken, dann ist das eben OK.
> mfg Klaus

Wenn die Leitung doppelt so lang wäre oder nur dei halbe Impedanz hätte, 
dann benötigt man vermutlich die doppelte Kapazität.

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Autor: Klaus R. (klara)
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Danke.
mfg Klaus

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hallo,

> Die von euch verwendete Leitung ist eine verlustfreie Leitung. Es gibt
in LTSpice auch die andere Variante, allerding muss man da ein Modell
angeben; ich hab es selber nie versucht ...

Habe mal das Modell (lossy transmission line LTRA) von (LT)SPICE gegen 
TLINE und LC antreten lassen. Zumindest in diser Anwendung sind die 
Ergebnisse praktisch gleich. Übrigens kann LTRA unter Umständen nicht 
kausale Ergebnisse liefern. Ich benutze eigentlich nie LTRA, weil die 
Simulation mit LTRA unter Umständen mehrere Dekaden länger dauern kann.

Helmut

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