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33. Unternetzwerke (Makro-Modelle, Subcircuits)

Aufbau von Unternetzwerken
Erzeugen eines Unternetzwerkes aus einem Schaltbild heraus

In diesem Abschnitt lernen Sie den prinzipiellen Aufbau von Unternetzwerken im Vergleich zu den bisher bekannten Modellen kennen und wie Sie eine Schaltung, welche Sie in Capture eingegeben haben, in ein Unternetzwerk umwandeln können. Im nachfolgenden Abschnitt erfahren Sie außerdem, wie Sie ein Symbol für ein Unternetzwerk erzeugen können.

Aufbau von Unternetzwerken

Unternetzwerke haben große Ähnlichkeit mit Modellen.Während Modelle z.B. diskrete Halbleiter mit Hilfe von Modell-Parametern beschreiben, beinhalten Unternetzwerke Verbindungsnetzlisten, welche komplette Schaltungen oder Schaltungsteile beschreiben. So können Sie zum Beispiel die komplizierte Innenbeschaltung eines Operationsverstärkers in ein einziges Unternetzwerk unterbringen und dieses Unternetzwerk zusammen mit anderen Modellen in einer Modell-Bibliothek (LIB-Datei) abspeichern. Später können Sie dann zu diesem Unternetzwerk ein passendes Operationsverstärker-Symbol erzeugen. Dann können Sie mit diesem Symbol in der Schaltplaneingabe einen ganzen Schaltungsteil so einsetzen, als ob es ein einziges Bauelement wäre.

Nachfolgend finden Sie ein Beispiel eines Unternetzwerkes. Es stellt einen Operationsverstäerker dar. Zur besseren Verdeutlichung sind die mit einem Sternchen eingeleiteten Kommentarzeilen blau, die mit einem Punkt eingeleiteten Anweisungs-Zeilen sind rot und die eigentliche Verbindungsnetzliste ist schwarz. Die Erklärung entnehmen Sie den Kommentarzeilen:

* Die Anweisung .SUBCKT leitet immer ein Unternetzwerk ein.
* Danach steht der Name (
Implementation, hier opamp) des Unternetzwerkes.
* Dann folgen die Anschlussbezeichnungen (AUSGANG, EINMINUS u.s.w.)
* Achten Sie darauf, dass vor dem SUBCKT ein Punkt stehen muss.

.SUBCKT opamp AUSGANG EINMINUS EINPLUS MASSE VMINUS VPLUS

* Nach der Einleitungszeile, welche mit .SUBCKT beginnt, folgt die
* Verbindungsnetzliste, welche die innere Beschaltung des Unternetzwerkes beschreibt.

Q_Q1 N00281 N00311 N000032 Q2N3904
R_R12 N00361 VPLUS 8k
Q_Q2 N00361 N00287 MASSE Q2N3904
Q_Q3 N00305 N00311 N000272 Q2N3904
Q_Q4 N00293 N00291 MASSE Q2N3904
Q_Q5 VPLUS N00305 AUSGANG Q2N3904
R_R1 N00291 N00293 2k
R_R2 N00293 VPLUS 8k
R_R3 N00287 N00293 2k
R_R4 N00305 N00303 3.4k
R_R5 VMINUS N000032 2.4k
R_R6 VMINUS N001130 470
R_R7 N00299 N000272 240
R_R8 N00299 AUSGANG 2.6k
Q_Q6 N00287 EINPLUS N00281 Q2N3904
Q_Q7 N00311 N00311 N001130 Q2N3904
Q_Q8 VPLUS N00361 N00303 Q2N3904
R_R9 VMINUS N00299 240
Q_Q9 N00291 EINMINUS N00281 Q2N3904
R_R11 N00311 MASSE 2.4k
* Mit der Anweisung .ENDS endet das Unternetzwerk.
* Achten Sie auch hier darauf, dass auch diese Anweisung
* mit einem Punkt eingeleitet werden muss.

.ENDS

Erzeugen eines Unternetzwerkes aus einem Schaltbild heraus

Unternetzwerke könnten Sie wie die Modelle mühevoll von Hand editieren und dazu einen beliebigen ASCII-Editor verwenden. Es geht aber bequemer. Die Schaltplaneingabe Capture bietet die Möglichkeit eine Schaltung in ein Unternetzwerk umzuwandeln.

Als Beispiel dient die nachfolgend abgebildete Schaltung. Die neun Transistoren sind zu einem Operationsverstärker zusammengeschaltet, welcher an seinem nichtinvertierenden Eingang von der Wechselspannungsquelle VSIN gespeist wird. Neben den beiden Gleichspannungsquellen V2 und V3 (VDC) stellen noch die beiden Widerstände R13 und R10 die einzige externe Beschaltung dar. Diese Widerstände sorgen für die Gegenkopplung:


Stromlaufplan eines diskret augebauten Operationsverstärkes, welcher extern als nichtinvertierender Verstärker beschaltet ist (das vorbereitete Projekt befindet sich unter unet oder unet.zip).

Die Schaltung ist trotz ihres Umfangs mit der Lite- und Studentversion simulierbar. Das Projekt besitzt vorbereitete Simulationsprofile für AC-, Transienten- und Arbeitspunktanalyse.

Der diskret aufgebaute Operationsverstärker hat folgende Anschlüsse:
minus: Minus-Anschluss für die Spannungsversorgung
plus: Plus-Anschluss für die Spannungsversorgung
inminus: invertierender Eingang
inplus: nichtinvertierender Eingang
aus: Ausgang
Emitter des Transistors Q4 oder Q2: Masseanschluss

Sie sollen nun den diskret aufgebauten Operationsverstärker in ein Unternetzwerk verwandeln. Um das ursprüngliche Projekt nicht zu zerstören, kopieren Sie die vollständige Schaltung in ein neues, leeres Projekt um, welches Sie "unet1.opj" nennen können. Entfernen Sie dann alle Bauelemente und Verbindungen, die nicht zum eigentlichen Operationsverstärker gehören:


Übrig bleibt der eigentliche Operationsverstärker, nachdem Sie die externe Beschaltung entfernt haben.

Damit Capture für das Erzeugen eines Unternetzwerkes die Anschlüsse des Operationsverstärkers erkennen kann, müssen Sie diese mit besonderen Anschluss-Symbolen versehen, welche sich "Hierachical Ports" nennen. Aufrufen können Sie diese entweder über die "Menüleiste von Capture" - "Place" - "Hierachical Port" oder über den Knopf "Place Port" in der rechten, senkrechten Werkzeugleiste von Capture:


Rot umkreist ist der Knopf zum Aufrufen der "Hierarchical Ports", welche Sie in der Symbol-Bibliothek Capsym finden.

Es spielt keine Rolle, welches der Symbole Sie aus der Capsym.olb auswählen. In unserem Beispiel kommt das Symbol "PORTBOTH-L zur Anwendung. Setzen Sie dieses Symbol an die freien Anschlüsse des Operationsverstärkers:


Setzen Sie die "Hierarcial Ports" an die freien Anschlüsse des Operationsverstärkers.

Vergeben Sie nun den einzelnen Ports neue Namen. Dazu klicken Sie doppfelt auf die Beschriftung "PORTBOTH-L". Es öffnet sich ein kleines Fenster, in welchem Sie unter "Value" die neuen Namen für die Anschlüsse eintragen:


So vergeben Sie den Ports neue Namen. Doppelklick auf die Beschriftung "PORTBOTH-L" öffnet ein neues Fenster. Dort tragen Sie unter "Value" den neuen Namen ein.

Achten Sie bei der Vergabe der Namen darauf, dass innerhalb der Schaltung nicht eventuell dieselben Namen bereits für einen Knoten vergeben wurden. Sie hätten dann eine ungewollte Verbindung und somit einen Kurzschluss erzeugt. Nach der Namensvergabe sieht dann Ihre Schaltung wie folgt aus:


So sieht Ihre Schaltung aus, nachdem Sie den Ports neue Namen vergeben haben.

Wählen Sie wie im Beispiel folgende Anschluss-Bezeichungen: Masse = Masseanschluss, Einminus = invertierender Eingang, Einplus = nichtinvertierender Eingang, Ausgang = Ausgang, Vplus = positive Spannungsversorgung, Vminus = negative Spannungsversorgung.

Nach diesen Vorbereitungen ist Ihre Schaltung bereit, das Unternetzwerk zu erzeugen. Doch zuvor ist es ratsam, dem Schaltbild einen anderen Namen zu vergeben. Diesen Namen besitzt dann später Ihr neues Bauteil. Öffnen Sie dazu Ihr Projektfenster:


Vergeben Sie im Projektfenster dem Schaltbild einen anderen Namen. Dort, wo im Normalfall "SCHEMATIC1" steht, tragen Sie "opamp" ein. Diesen Namen trägt dann Ihr zukünftigen Bauteils.

Als Name oder Implementation des Unternetzwerkes wählt das Programm nämlich den Namen des Schaltbildes.

Bleiben Sie nun in Ihrem Projektfenster und wechseln Sie dort von der Registerkarte "File" in die Registerkarte "Hierarchy". Dort markieren Sie dann den neuen Namen des Schaltbildes, welches Sie "opamp" genannt haben:


Wechseln Sie im Projektfenster auf die Registerkarte "Hierarchy" und markieren Sie per Mausklick die Beschriftung "opamp".

Nur wenn Sie dies gemacht haben, können Sie in die Menüleiste von Capture gehen und dort unter "Tools" "Create Netlist..." aufrufen:


Rufen Sie dann in der Capture-Menüleiste "Tools" - "Create Netlist..." auf.

Dann öffnet sich ein weiteres Fenster "Create Netlist":


So starten Sie den Vorgang, welcher das gewünschte Unternetzwerk erzeugt.

Mit diesem Fenster erzeugen Sie eine LIB-Datei (PSpice-Bibliothek), in welcher sich Ihr Unternetzwerk befinden wird. Dazu gehen Sie in die Registerkarte "PSpice". Dann haken Sie "Create SubCircuit Format Netlist" ab. Automatisch müsste dann "Descend" markiert sein. Unter "Browse" finden sie die vollständige Pfadangabe der neuen LIB-Datei, welche in unserem Beispiel den Namen "unet1-opamp.lib" besitzt.Sie wird im gleichen Pfad entstehen, in der sich auch das PSpice-Projekt befindet. Nur noch auf "OK" klicken und Capture erzeugt diese LIB-Datei, welche das neue Unterneztwerk enthält.

Diese LIB-Datei können Sie aufrufen und betrachten. Klicken Sie dazu im Projektfenster unter "Outputs" "unet1-opamp.lib" an:


Wenn Sie im Projektfenster unter "Outputs" "unet1-opamp.lib" anklicken, erhalten Sie Einsicht in das neu geschaffene Unternetzwerk (siehe auch unet1 oder unet1.zip)

Im nächsten Abschnitt erfahren Sie, wie Sie zu diesem Unternetzwerk ein Symbol erzeugen, welches Sie dann ein- oder mehrfach in ein Schaltbild einsetzen können, um anschließend eine Simulation auszuführen.

Weiter zum nächsten Abschnitt.