Parametrische Analyse elektronischer Schaltungen mit uSimmics (ehemals QucsStudio) [2026]

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2024.11.03

Die parametrische Analyse in uSimmics (ehemals QucsStudio) erlaubt es, ausgewählte Parameter einer Schaltung systematisch zu variieren und deren Auswirkungen quantitativ zu bewerten. In diesem Artikel wird anhand einer LC-Serienschaltung – Induktivität und Kondensator in Reihe – gezeigt, wie die Kapazität in mehreren Schritten variiert und die resultierende Spannungscharakteristik als Frequenzgang grafisch dargestellt wird.

Was Sie lernen werden

  • Konzept der parametrischen Analyse (Parameter Sweep) und ihr Nutzen im Schaltungsdesign
  • Einrichtung des Parameter-Sweep-Blocks in uSimmics (ehemals QucsStudio)
  • Dynamische Zuweisung von Bauteilwerten über Variablen
  • Workflow zur Frequenzgangbewertung durch Kombination von AC-Analyse und Parameter Sweep
  • Interpretation der Ergebnisdiagramme und Anwendung für die Optimierung

Was ist parametrische Analyse?

Bei der parametrischen Analyse (Parametric Analysis) wird ein bestimmter Parameter der Schaltung – z. B. Widerstandswert, Kapazität oder Versorgungsspannung – systematisch variiert und das Verhalten der Schaltung unter den verschiedenen Bedingungen verglichen. Im Ingenieuralltag wird diese Methode für folgende Zwecke eingesetzt:

Anwendungsgebiete

  1. Sensitivitätsanalyse
    Quantifizierung des Einflusses einzelner Parameter auf das Gesamtverhalten der Schaltung (Verstärkung, Bandbreite, Resonanzfrequenz usw.).

  2. Optimierung
    Suche nach dem optimalen Parameterwert, der Ausgangsleistung, Wirkungsgrad oder Bandbreite maximiert bzw. minimiert.

  3. Robustheitsbewertung (Robust Design)
    Bewertung der Empfindlichkeit des Systems gegenüber Parameterstreuungen und Fertigungstoleranzen – zur Überprüfung, ob das Design ausreichend tolerant gegenüber Abweichungen ist.

Schritt-für-Schritt-Anleitung zur parametrischen Analyse in uSimmics (ehemals QucsStudio)

Im folgenden Beispiel wird eine Schaltung aus einer festen Induktivität (10 nH) und einem variablen Kondensator betrachtet. Die Kapazität wird in vier Stufen variiert (10 pF, 33 pF, 56 pF, 100 pF), und der resultierende Spannungsfrequenzgang wird simuliert.

Schritt 1: Schaltung aufbauen

  1. Starten Sie uSimmics (ehemals QucsStudio) und legen Sie ein neues Projekt an.
  2. Wählen Sie im Tab „Components“ Inductor (Spule) und Capacitor (Kondensator) aus und platzieren Sie beide im Arbeitsbereich.
  3. Verbinden Sie Spule und Kondensator in Reihe. Der Induktivitätswert wird für dieses Beispiel auf 10 nH festgelegt.
  4. Fügen Sie eine Signalquelle (Power Source) und Masse (GND) hinzu, um die Schaltung zu vervollständigen.
  5. Setzen Sie am Eingang der Spule einen Testpoint als Spannungsmessstelle.

Schritt 2: Variable für den Kondensator definieren

  1. Doppelklicken Sie auf den Kondensator, um dessen Eigenschaften zu öffnen, und geben Sie im Feld für den Kapazitätswert (C) den Variablennamen Cvar ein.
  2. Damit wird der Kapazitätswert als Variable behandelt, die später vom Parameter-Sweep-Block gesteuert werden kann.
  3. Der Variablenname ist frei wählbar; es empfiehlt sich ein eindeutiger alphanumerischer Name.

Schritt 3: AC-Analyse konfigurieren

  1. Fügen Sie über den Tab „Simulations“ einen AC Simulation-Block in das Schaltungsdiagramm ein.
  2. Nehmen Sie folgende Einstellungen vor:
  3. Startfrequenz: 10 MHz
  4. Endfrequenz: 1 GHz
  5. Frequenzschritte: Anzahl der Punkte oder logarithmischer Sweep nach Bedarf wählen.

Schritt 4: Parameter Sweep konfigurieren

  1. Fügen Sie über den Tab „Simulations“ einen Parameter Sweep-Block in das Schaltungsdiagramm ein.
  2. Wählen Sie Cvar als den zu variierenden Parameter aus.
  3. Wählen Sie den Sweep-Typ:
Typ Beschreibung
Linear Parameter wird in gleichmäßigen Schritten variiert
Logarithmic Parameter wird logarithmisch variiert
List Beliebige Werteliste wird angegeben
  1. Verwenden Sie für dieses Beispiel den Typ List mit folgenden Einstellungen:
  2. Type: list
  3. Value: 10p; 33p; 56p; 100p

Damit wird die Simulation für vier Kapazitätswerte – 10 pF, 33 pF, 56 pF und 100 pF – durchgeführt.

Schritt 5: Simulation starten

  1. Klicken Sie auf die Schaltfläche „Simulate“, um die Simulation zu starten.
  2. Ein Cartesian Plot zur Ergebnisanzeige wird automatisch hinzugefügt (oder manuell einfügen).
  3. Tragen Sie testpoint.v (Spannung am Testpoint) in den Graphen ein.

Schritt 6: Ergebnisse auswerten

  1. Analysieren Sie den erzeugten Graphen und bewerten Sie, wie die verschiedenen Kapazitätswerte die Spannungscharakteristik beeinflussen.
  2. Die Resonanzfrequenz der LC-Serienschaltung ($f_r = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$) hängt von der Kapazität C ab; bei jedem Kapazitätswert erscheint ein Spannungsmaximum (Peak) bei einer anderen Frequenz.

  3. Bei 10 pF liegt die höchste Resonanzfrequenz, bei 100 pF die niedrigste.

  4. Bestimmen Sie auf Basis der Ergebnisse den optimalen Kapazitätswert. Passen Sie bei Bedarf die Sweep-Bedingungen an und führen Sie die Simulation erneut durch.

Weiterführende Anwendungen der parametrischen Analyse

Die parametrische Analyse beschränkt sich nicht auf die Resonanzfrequenzbewertung von LC-Schaltungen. Weitere typische Einsatzbereiche sind:

  • Filterdesign: Suche nach dem optimalen C- oder L-Wert zur Definition der Grenzfrequenz
  • Verstärkerdesign: Bewertung des Einflusses von Biaswiderständen auf Verstärkung und Arbeitspunkt
  • Stromversorgungsdesign: Analyse des Einflusses der Ausgangskondensatorkapazität auf die Laststransientantwort
  • RF-Schaltungsdesign: Optimierung von Impedanzanpassungsparametern in Matching-Netzwerken

Fazit

Die parametrische Analyse ist ein unverzichtbares Werkzeug für Optimierung und Leistungsbewertung in der Entwurfsphase. Mit dem Parameter-Sweep-Block in uSimmics (ehemals QucsStudio) lassen sich mehrere Bauteilwertkombinationen in einem einzigen Simulationslauf effizient auswerten. Der Schlüssel zu einer präzisen parametrischen Analyse liegt in der korrekten Zusammenarbeit von Variablenzuweisung an Komponenten, AC Simulation und Parameter Sweep. Nutzen Sie die hier beschriebene Vorgehensweise als Ausgangspunkt für parametrische Analysen Ihrer eigenen Schaltungen.

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