Melko usein elektroniikka-alan projekteissa tulee eteen tilanne, jolloin edellinen asiakasprojekti on vasta päättynyt ja seuraava asiakasprojekti ei ole vielä alkanut. Mikäli työnantajalla ei ole osoittaa työtehtäviä kyseessä olevalle ajalle, kannattaa se hyödyntää kertaamalla elektroniikkasuunnittelun perusteita.

Elektroniikkasuunnittelun yleisimmillä komponenteilla elikkä mm. vastuksilla, kondensaattoreilla, keloilla, diodeilla, transistoreilla, operaatiovahvistimilla, lineaariregulaattoreilla sekä hakkureilla voidaan suunnitella hyvin erilaisia ja monimutkaisiakin elektronisia laitteita. Jotta kyseisiä laitteita pystyy suunnittelemaan, pitää suunnittelun perusteet olla kunnossa. Sekä yksittäisten komponenttien että näistä muodostettavien peruskytkentöjen toiminta kannattaa sisäistää hyvin ennen monimutkaisempien piirikytkentöjen suunnittelua.

Esimerkiksi jännitelähteen ja vastuksen muodostama suljettu virtapiiri noudattaa ohmin lakia elikkä vastuksen yli muodostuva jännite U = R*I, jossa R= resistanssi ja I= vastuksen läpi kulkeva virta. Kun edellä mainittuun virtapiiriin lisätään toinen sarjavastus niin Ohmin lain lisäksi tarvitaan myös Kirchoffin jännitelakia, jotta saadaan laskettua vastusten yli vaikuttavat jännitteet. Mikäli jomman kumman vastuksen rinnalle lisätään kolmas vastus, pitää edellä mainittujen lakien lisäksi käyttää vielä Kirchoffin virtalakia. Jos halutaan tietää kunkin vastuksen kuluttama teho niin kaavoja muodostuukin jo melkoinen määrä. Tämä on varsin aikaa vievä prosessi ja mitä enemmän laskemista niin sitä suurempi virheen mahdollisuus. Kun virtapiiriin otetaan mukaan kondensaattoreita, keloja, diodeja, transistoreita, operaatiovahvistimia tai regulaattoreita niin kytkentäkaavion oikean toiminnan varmistaminen vaikeutuu jo huomattavasti.

Mutta, nykyään kaikille elektroniikkasuunnittelusta kiinnostuneille on saatavilla erinomainen simulointiohjelmisto, LTSpice. Tämän ilmaisen ohjelmiston
voi kätevästi ladata jopa omalle kannettavalle tietokoneelle Analog Device:n verkkosivuilta. Nykyiset tietokoneet ovat jo varsin tehokkaita ja ohjelmamuistia on myös riittävästi, joten monimutkaistenkin piirikaavioiden simuloinnit toimivat varsin jouhevasti. Mark Engelhardt Linear Technology -yhtiöstä kehitti LTSpice simulointiohjeman 1990 -luvulla SPICE3 -simulointiohjelmasta.

LTSpice -simulointiohjelmalla edellä mainitusta jännitelähteestä ja vastuskytkennöistä on helppo piirtää piirikaaviot ja simuloida ko. kytkennät. Simulointituloksina saadaan nopeasti vastusten yli olevat jännitteet, vastusten läpi kulkevat virrat ja vastusten kuluttamat sähkötehot. Mitä
monimutkaisempi piirikaavio sitä enemmän simulointiohjelma auttaa piirikaavion toiminnan varmistamisessa. Simulointiohjelmalla voi arvioida myös ympäröivän lämpötilan sekä eri komponenttien toleranssien vaikutuksen piirikaaviokytkennän toimintaan.
Jälkimmäinenhän tarkoittaa niin sanottua tilastollista Monte Carlo -analyysia.

Elikkä LTSpice -ohjelman avulla voidaan ehkä nopeuttaa itse laiteprojektin suunnittelun aikataulua sekä varmistua siitä että piirikaaviosta suunniteltu piirilevy tulee toimimaan –> aikataulu- ja kustannushyöty. Toki piirikaavion simuloinneissa pitää huolehtia siitä että elektronisten
komponenttien simulointimallit vastaavat mahdollisimman hyvin oikeiden komponenttien toimintaa. LTSpice ohjelman kirjastossa on jo valmiina huomattava määrä komponentteja, mutta esimerkiksi operaatiovahvistimien, regulaattoreiden ja hakkureiden osalta kirjastossa on yleensä saatavilla vain Analog Device:n komponentit. Eri puolijohdevalmistajien nettisivuilta kannattaa varmistaa esimerkiksi diodien ja transistorien osalta että onko Spice -malleja saatavilla. Vastuksia, kondensaattoreita ja keloja voi mallintaa myös itse esimerkiksi datalehtien perusteella tai käyttää aluksi ideaalisia malleja. Lopuksi pitää kuitenkin huomauttaa että simulointi ei ota huomioon piirilevyn aiheuttamia hajasuureita eikä poista piirilevyn testauksen tarvetta.

Toinen ja ehkä jopa suurempi hyöty simulaattorin käytöllä on se että suunnittelijalla on nyt parempi mahdollisuus ymmärtää sekä yksittäisen komponentin että monista erilaisista komponenteista suunnitellun kytkennän toiminta. Esimerkiksi 0402 -kotelossa olevalla pintaliitoskondensaattorilla on käytännössä kapasitanssin lisäksi sarjaresistanssia (ESR) ja sarjainduktanssia (ESL). Toki muitakin hajasuureita ko. komponentilla on mutta yleensä niitä ei tarvitse ottaa huomioon. Edellä mainitut parametrit voidaan mallintaa RLC -sarjaresonanssipiirinä. Simuloitaessa ko. komponenttia sinimuotoisen jännitteen taajuuspyyhkäisyllä resistanssille ja induktanssille voi löytää sopivat arvot valmistajien antamien taajuuskuvaajien perusteella. Resonanssissa kondensaattorin ja kelan impedanssit ovat yhtä suuret elikkä kondensaattorin impedanssi on puhtaasti resistiivinen –> taajuuskäyrän impedanssin minimikohdalta voidaan arvioida sarjaresistanssin suuruus. Samalla nähdään että ko. resonanssitaajuutta pienemmillä taajuuksilla kondensaattori käyttäytyy kapasitiivisesti ja vastaavasti resonanssitaajuutta suuremmilla taajuuksilla induktiivisesti. Esimerkiksi käyttöjännitekondensaattorien toimivuutta piirilevyllä eri taajuisten häiriöiden suodatuksessa voidaan arvioida simuloimalla kun lisätään kondensaattorin kanssa sarjaan piirilevyjohdotuksesta tai läpiviennistä aiheutuva lisäinduktanssi (esim. 1nH-5nH). Lisäksi, kahden tai useamman rinnakkaisen käyttöjännitekondensaattorin rinnakkaiskytkentä voi aiheuttaa useita resonanssipiikkejä taajuuden funktiona mikäli ko. kondensaattorien arvot poikkeavat liian vähän toisistaan. Tämäkin on helpointa selvittää simuloimalla.

Elektroniikassa yleisesti käytettyjen vastus-kondensaattori (RC/CR) sekä vastus-kela (LR/RL) sarja- ja rinnakkaispiirien toiminta on myös vaivatonta ymmärtää simulointien avulla. Sinimuotoisella jännite- ja virtasignaalin taajuuspyyhkäisyllä saadaan selvitettyä tulo- ja lähtöjännitteen tai tulo- ja lähtövirran välinen taajuusvaste Bode -kuvaajan avulla. Ko. kytkennät kannattaa simuloida myös eri sinisignaalitaajuuksilla. Tällöin selviää konkreettisesti miten eri komponenttien jännite- ja virta-amplitudit sekä jännite- ja virtasignaalien väliset vaihe-erot muuttuvat taajuuden funktiona. Käyttämällä jännite tai virta askelfunktiota voidaan tutkia muutosilmiöitä edellä mainituissa kytkennöissä. Esimerkiksi jännite askelfunktiolla simuloidessa huomataan että RC -piirissä virta ja vastuksen yli oleva jännite saavuttavat maksiminsa kytkentähetkellä, jonka jälkeen edellä mainitut jännite- ja virtasuureet pienenevät eksponentiaalisesti nollaan. Vastaavasti kondensaattorin yli oleva jännite kasvaa eksponentiaalisesti 0V:sta askelfunktion DC -arvoon. Kondensaattorin jännitteestä saadaan RC -aikavakio, jonka avulla voidaan selvittää vastaavuus digitaalisignaaleille yleisesti käytetyn nousu- ja laskuajan (10%-90% signaalin amplitudista) sekä ylärajataajuuden F = 1/(2*Pii*R*C) välille.

Transistorikytkennästä voidaan käyttää esimerkkinä yhteisemitterikytkettyä yksiasteista AC -kytkettyä NPN -transistoriastetta. Aluksi määritellään sopiva
DC ja AC -toimintapiste sekä laskemalla että sen jälkeen simuloimalla. Yleensä pyritään maksimoimaan sinisignaaliamplitudi transistorin kollektorilla. Kun signaaligeneraattorilla on suoritettu jännitesignaalin taajuusvastesimulointi, saadaan mm. tulo- ja lähtösignaalin alarajataajuus, ylärajataajuus, vahvistus sekä vaihe-ero selvitettyä. Tämän jälkeen kannattaa tehdä simulointeja pelkästään eri taajuisilla sinisignaaleilla. Näistä tuloksista voidaan sen jälkeen analysoida mm. maksimi vääristymätön tulo/lähtösignaalitaso, alarajataajuuteen vaikuttavat komponentit, jännitteet ja virrat eri solmupisteissä, jännitteiden ja virtojen väliset vaihe-erot sekä kytkennän tuloimpedanssi ja lähtöimpedanssi. Esim. sinisignaalin positiivisella puolijaksolla tulo- ja lähtövirta kasvavat, jolloin transistorin kollektorivastus jännitelähteeseen ja kuormavastus transistorin kollektorilta kondensaattorin kautta maapotentiaaliin ovat virtasignaalin kannalta kytketty rinnakkain. Mutta vastaavasti sinisignaalin negatiivisella puolijaksolla tulovirta transistorin kannalle ja lähtövirta
transistorin kollektorille pienenevät, jolloin kuormavastus ja kollektorivastus ovat lähtövirran kannalta kytketty sarjaan.

Edellä mainittujen esimerkkien mukaisesti simulointeja voi jatkaa operaatiovahvistinkytkentöihin, kellojen taajuuskomponenttisimulointeihin, lineaariregulaattoreihin, hakkurikytkentöihin ja lopulta jopa siirtolinjoihin. Operaatiovahvistinkytkennöissä on tärkeintä varmistaa vahvistimen stabiilisuus valituilla kuorma- ja takaisinkytkentäkomponenteilla. Tällöin operaatiovahvistimen lähtönavan signaalin tai lähtönapojen signaalien sekä tulonapojen signaalin välinen vahvistus ja vaihe-ero taajuuden funktiona analysoidaan sekä taajuuspyyhkäisy- että transienttisimuloinneilla. Taajuuspyyhkäisyn tuloksena saadusta Bode -kuvaajasta on helppo määrittää operaatiovahvistinkytkennän tärkeimmät stabiilisuutta kuvaavat parametrit: vaihe- ja vahvistusvara. Vaihevaralla tarkoitetaan operaatiovahvistimen lähtönavan ja tulonapojen välisten signaalien vaihe-eroa kun vahvistimen vahvistus on pienentynyt taajuuden funktiona arvoon 1 (= 0dB). Transienttisimuloinneilla ja sinimuotoisella herätteellä kannattaa vielä varmistaa että vahvistinkytkentä toimii moitteettomasti suunnitelluilla tulo- ja lähtöamplitudeilla, vahvistuksella ja taajuuksilla. Myös jännite- ja virtasignaalien vaihe-erot on hyvä tarkistaa sillä näin oppii paremmin ymmärtämään takaisinkytketyn vahvistimen toimintaa. Lopuksi, pulssimuotoista herätettä voi käyttää varmistamaan operaatiovahvistinkytkennän lähdön nousunopeus ja asettumisaika sillä asettumisajan perusteella pystyy arvioimaan myös kytkennän stabiilisuutta.

Kellosignaalin taajuuskomponenttien (FFT = Fast Fourier Transform) simulointiin voi käyttää esimerkiksi yksinkertaista jännitesignaalilähteen ja vastuksen muodostamaa suljettua virtapiiriä. Vastuskuormaan syötettävän kanttiaallon taajuutta, nousu- ja laskuaikaa sekä pulssisuhdetta muuttamalla voidaan simulaattorin FFT -sovelluksella arvioida ko. kanttiaallon sinimuotoisia taajuuskomponentteja Fourier -sarjan avulla. 50% -pulssisuhteella -kanttiaallon taajuusspektrin siniaallot koostuvat lähinnä parittomista taajuuskomponenteista. Esim. jos kanttiaallon taajuus on 10MHz niin ko. kanttiaalto sisältää 10MHz, 30MHz, 50MHz, 70MHz, jne. taajuisia siniaaltoja. Kun kanttiaallon pulssisuhdetta muutetaan esim. 70/30 %:iin niin taajuusspektri sisältää myös parillisia siniaaltotaajuuksia. Lisäksi, kanttiaallon nousu- ja laskuajalla on selkeä vaikutus siniaaltotaajuusspektriin: mitä pienempi nousu- ja laskuaika sitä vähemmän siniaaltojen amplitudit vaimenevat taajuuden funktiona. Kanttiaallon nousu- ja laskuaika vaikuttavat taajuusspekstriin siten että kun normaalisti siniaaltotaajuuskomponentit vaimenevat 20 dB/dedekadi niin taajuuden 1/(Pii*tr) jälkeen taajuuskomponentit vaimenevat 40 dB/dekadi. Mikäli kanttiaallon amplitudi vaihtelee esim. 0:sta 1V:iin niin taajuusspektri sisältää myös DC -komponentin. Lopuksi voidaan mainita että mm. kellosignaalien mittauksia varten kannattaa ko. signaalista simuloida FFT -spektri, jonka jälkeen mittauksiin on helpompi valita kaistanleveydeltään riittävän nopea oskilloskooppi ja mittapää.

Lineaariregulaattorien, hakkureiden tai siirtolinjojen kykentäesimerkeistä kertominen vaatisi jo erillisen kirjoituksen, joten jätetään ne lukijoiden oman aktiivisuuden varaan. Lisäksi voidaan todeta että kaikki edellä mainitut elektroniikkakytkennät olivat vasta ns. ”pintaraapaisua” kaikista ko. komponenteilla suunnitelluista kytkennöistä. Toivottavasti kyseiset esimerkit kuitenkin herättävät lukijoiden mielenkiinnon sekä elektroniikkasuunnitteluun että LTSpice -simulointiohjelman käyttämiseen. Myös tämän blogi -tekstin kirjoittaja on vasta alkutaipaleella LTSpice -simulointiohjelman käyttämisessä sekä erilaisten elektroniikkakytkentöjen suunnittelussa ja toiminnan ymmärtämisessä. Simuloimisiin!

Artikkelin kirjoitti Ari Järvinen, elektroniikkasuunnittelija Conseptas Oy:ssä