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Genauigkeit von Spice-Programmen?Hallo Zusammen, ich hab da mal eine allgemeine Frage zu den Spice-Programmen, wie PSpice, LTspice, ngspice, SIMetrix und Multisim, etc. Wie genau sind die errechneten Werte dieser Programme, gerade im Bezug auf Frequenzgang, Klirrfaktor. etc. Damit meine ich, um wieviel % weicht eine dann gebaute reelle Schaltung (auf Platine) letztendlich von den vorher berechneten Werten ab? MfG Ingo S.
Das ist die komplett falsche Fragestellung. Die richtige Fragestellung wäre genau anders herum: wie genau muss ich die Realität in Spice abbilden, um Ergebnisse zu bekommen, die den realen für meine konkreten Anforderungen hinreichend genau entsprechen werden.
Nun vielleicht sollte ich den Grund der Frage erläutern... nehmen wir mal den Entwurf eines NF-Verstärkers mit MosFet-Transistoren in Spice.. wenn mir das Programm dort bei einer Frequenz von 200 kHz und bei einer Verstärkung von ca. 30dB, sowie einer Ausgangsleistung von 100 Watt, sagt der Klirrfaktor sei nur 0,004%. Dann frage ich mich ob das ein reales Ergebnis sein kann, bzw. ob sich das auch als Platinenlayout realisieren lässt.
Um so viel, wie deine simulierten Bauteilwerte nicht den realen entsprechen, und dazu hättest du nicht bloss die reale Kapazität des Kondensators statt dem aufgedruckten Wert, sondern diesen abhängig von der Frequenz, den ESL und ESR und dielektrischen Absorptionswert erfassen müssen, sondern auch die Induktivitât, Leitungswiderstand, kapazitive Kopplung mit Nachbarleitungen der Leiterbahnen erfassen müssen, und bei Halbleitern die Betriebstemperatur. Die Rechenfehler sind dann vernachlässigbar wenn der time step kurz genug gewählt wird.
Klirr in Spice ist meist übertrieben gut, weil Spice von konstantem Verstärkungsfaktor des Transistors über den Strom ausgeht und alle baugleichen Transistoren bei ihm exakt gleich sind.
Vielen Dank für die ausführliche Antwort, genau das war das was ich wissen wollte. Wenn ich mal unterstelle, dass im Programm selber keine Fehler sind, so würde ich sagen: Das ist zu 100% von den verwendeten Modellen abhängig. Da allerdings wird gerne mal geschludert. Allerdings gibt es auch eine Grenze, an der das Projekt bereits veraltet ist, wenn Herr oder Frau "Übergenau" die Modelle fertig gestellt haben. Audio-Verstärker in LTSpice zu simulieren mit unsinnig niedrigen THD-Werten ist ja Volkssport bei DIYaudio.com, dem ich zugegebenermaßen auch schon gefrönt habe. Mit LTSpice bestand die erste Hürde darin, an allen möglichen Einstellungen herum zu spielen, bis die besten Ergebnisse herauskamen. 3 Nullen hinter dem Komma sollten zu schaffen sein. Bei der Realisation besteht die Herausforderung darin, annähernd gute Werte auch meßtechnisch nach zu weisen. Hier kommen diverse parasitäre Effekte des Aufbaus ins Spiel, die Spice nicht abbildet, da sie nicht in die Simulation hinein gesteckt worden sind. So sind in der Simulation 2 beliebige Transistoren eines Typs exakt gleich in sämtlichen Parametern, alle Bauteile haben exakt die gleiche Temperatur, sämtliche Verbindungen untereinander haben Null Ohm, Null nano-Henry und null pf untereinander. Wenn man das einmal verstanden hat, sucht man die Abweichungen nicht mehr in den Tiefen des Simulators, sondern in der stets unvollständigen Nachbildung der Simulationsschaltung. Kleines Beispiel aus der Praxis: Der angesprochene Verstärker zeigte abweichend von der Simulation, in der Realität leichte K2,k4,k6... Verzerrungen, die mit der Belastung des Ausganges zunahmen. Ursache war eine kleine Imperfektion im Platinen-layout: Bei einer klassischen AB-Endstufe werden pos. und neg Halbwelle miteinander verbunden und zum Lautsprecher geleitet. In diesem Falle war der Anschlußpunkt des Gegenkoppelnetzwerkes ein wenig versetzt gegenüber der Auskopplung des Lautsprechers. Das dazwischen entstehende minimale Spannungsgefälle reichte aus um eine meßbare Unsymmetrie zu erzeugen. Eine punktgenaue Verlegung der Lautsprecherauskopplung führte zum Ziel. Resüme: Ein perfektes Simulationsergebnis ist notwendige, aber keinesfalls hinreichende Bedingung für ein perfektes Design.
Nun viele Schaltungen sind zum Zeitpunkt der Veröffentlichung schon veraltet, weil man die verwendeten Transistoren, gerade im Audio-Bereich dann schon gar nicht mehr erhält. Übergenau wäre es wenn man in der Schaltungssimulation auch noch die Alterung der Bauelemente berücksichtigen würde.
Diesen Klirrfaktor bei 200kHz und 100W wirst Du nicht mal in der Simulation annähernd hin bekommen.
Hab ich schon erreicht, sonst hätte ich es ja nicht geschrieben. Deswegen ja, die Frage ob das ein reales Ergebnis sein kann.
Gut das zum Thema des gern verwendeten LTspice, was kann man dahin gehend zu PSice, SIMetrix oder Multisim sagen. Im Bezug auf die Abbildbarkeit parasitärer Effekte (Temperaturverhalten, ESL, ESR, dielektrischen Absorptionswert, etc.). Bzw. wie viele von Euch benutzen diese Funktionen, wenn sie vorhanden sind?
Diese Technik hatte ihren Zenith in den 80-er Jahren erreicht, ist also in jedem Falle reine Nostalgie.
Hast recht und hatte mich verschaut, war nur 0,036% Klirr. Denoch scheint mir das zu niedrig? Gut das zum Thema des gern verwendeten LTspice, was kann man dahin gehend zu PSice, SIMetrix oder Multisim sagen. Im Bezug auf die Abbildbarkeit parasitärer Effekte (Temperaturverhalten, ESL, ESR, dielektrischen Absorptionswert, etc.). Bzw. wie viele von Euch benutzen diese Funktionen, wenn sie vorhanden sind?
Nostalgie, ist mein anderes Projekt, einen reinen MosFet-Verstärker mit Röhreneingangsstufe. Sorry, aber ich halte nicht so viel von D-Klasse Verstärkern, da ihr Klirrfaktor zumindest bei den IC's deutlich über dem von analogen Verstärkern liegt, bei der selben Ausgangsleistung. Bin da mehr so der Fan von darTZeel, Leach Amp, etc.
Womit wir bei den Religionskriegen angekommen sind....
Mir auch. Einstelliger Prozent-Bereich an der Stelle ist schon exzellent.
Naja eher nicht, wenn Du mir ein Klasse-D Verstärker nennen kannst, der bei 100 bis 200W Ausgangsleistung bei 20 kHz einen Klirr von kleiner 0,5 % schafft? Ich hab zumindest noch keinen gesehen. Ob man das bei der Leistung braucht, sei mal dahin gestellt. ;)
Das interessiert mich natürlich schon. Kannst Du bitte das Simulations-file hier hoch laden? klirrfaktor-Messungen bei 200kHz bis zu 10.Harmonischen würden sich also bie 2MHz erstrecken. Bei meinem realen Aufbau sehe ich schon auf dem Oszilloskop Verformungen bei ein paar 100kHz Sinus. Ist also weit entfernt von meiner Realität.
Simulationsfile Multisim ist angehängt.
Offenbar hast Du noch nichts von Bruno Putzeys gehört. Der baut sowas. Schon länger.
Danke für den Hinweis, werde mich dahin gehend mal schlau machen. :) Gut habe nachgeschaut und das gefunden... P421 MONO-BLOCK POWER AMPLIFIER THD + N – 0.00018% / -115dB @ 100 Watts, 4 Ohms, 20Hz-20kHz Frequency Response – 10Hz to 60kHz (+0/-3dB) Öhem... ja... klingt von den Werten her Klasse nur die untere Grenzfrequenz könnte etwas niedriger sein?
Das stimmt nicht. In guten Modellen ist die Stromabhängigkeit der Stromverstärkung auch brauchbar abgebildet. Siehe hier: Beitrag "Re: DC B-Kennlinie in LTspice" Leider sind die meisten Modellparameter aber Müll und geben das Verhalten der Transistoren nicht gut wieder. Z.B. Early-Spannungen von über 1kV, Basisbahn-Widerstände von fast durchweg 10R, usw.. Gute Modelle sind entscheidend für das Simulationsergebnis.
Offenbar hast Du noch nichts von Bruno Putzeys gehört. Der baut sowas. Schon länger.
Ein Koppelkondensator für 0,1Hz Grenzfrequenz sollte noch ins DHL-Paket hinein passen.
Da gebe ich Dir recht, oft hat man ja mehrere Hersteller zur Auswahl und somit wie ich vermute auch leicht unterschiedliche Modelle.
Naja... muss ja keine Gleichspannung sein, dachte so an 3-5 Hz... aber 10 Hz sind bei den anderen Werten auch okay ;) Wenn dann auch der Klang stimmt, ist alles perfekt. Aber nochmals Danke für den Tip. Wenn ich das jetzt richtig verstanden habe, kann man das auch als Module (PURIFI 1ET400A) kaufen? Auf dem Oszillogramm 40Vpp @500kHz sind die Verzerrungen schon mit bloßem Auge erkennbar.Die Hauptursache sehe ich in der begrenzten Bandbreite der Treiber-BJTs.
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ich glaube ja, manche davon werden aber auch nur an OEMs geliefert.
Wir sprachen von 200 kHz... bei 500 kHz, sind wir in der Phasenverschiebung bei bzw. über 45 Grad. Frequenzgang laut Bode-Diagramm -3 db von ca. 2 Hz bis 245 kHz. Ja, bei 200kHz sieht man es natürlich noch nicht so stark, aber auch dort sind keine Wunder an THD mehr zu erwarten. Aussagefähig erscheint mir in diesem Kontext die Messung der transienten Intermodulation.
Anbei mal das Bode-Diagramm. Dort sieht man, das die Phase ab der unteren bzw. oberen Grenzfrequenz extrem abdriftet.
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Anbei ein Intermodulationsdiagramm mit 1 kHz + 10 kHz + 100 kHz. Wobei sich bei 90 KHz ein Spike mit -47 dB befindet.
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Damit könnte ich gerade noch leben, stammen meine Ohren doch noch aus dem Röhrenzeitalter. Interessant sind eher die Mischprodukte im Hörbereich.
Anbei das Intermodulationsdiagramm (linear) der 3 Frequenzen und das zugehörige Oszillogramm. Meine Ohren sind auch noch mit dem Röhrensound eines Nordmende-Radios groß geworden. Deswegen auch mein nächstes Projekt Röhrendifferenzverstärker mit ECC83CC bzw. 12AX7WA (2024 Upgrade) und MosFet-Ausgangsstufe. Übrigens die MosFet-Verstärkerschaltung von Edwin-Paij, macht 0,004% Klirr @20khz und 100 Watt (zumindest in der überarbeiteten Version mit dem LME49710 am Eingang).
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Hm. Oliver
Gast
#7741282
Was er eventuell meint, ist in der Tat die Rechengenauigkeit von Spice. Die hängt von der Iterationgüte und damit von den Modellen ab. Es gibt unterschiedliche Modelle und Beschaltungsoptionen. Besonders Schwingkreise in Analogtechnik weichen oft stark von der Realität ab, weil Verluste nicht ausreichend berücksichtigt wurden. Das kann dazu fühen, dass man ein ungewolltes Schwingen einer Schaltung nicht in der Simulation erklären kann und umgekehrt, die Simulation schwingt oder kein Ergebnis liefert, auch wenn die reale Schaltung zufriedenstellend arbeitet. Will man das einfangen, muss man die ganzen Randbedingungen auf die Schaltung loslassen und z.B. mehrere Ansätze verfolgen. Das ist ähnlich der Wettervorhersage. Antwort schreibenBitte melde dich an, um einen Beitrag zu schreiben. |
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