Práctica Spice I - Departamento de Ingeniería Electrónica

Práctica Spice I
1
2
3
4
Introducción .............................................................................................................. 1
Sufijos métricos ........................................................................................................ 2
Numeración de los nodos de un circuito .................................................................. 3
Sintaxis SPICE de elementos básicos....................................................................... 3
4.1
Lista de elementos básicos ............................................................................... 4
5
Sintaxis de un circuito básico con baterías y resistencias ........................................ 5
5.1
Bloque 1. Descripción del circuito ................................................................... 5
5.2
Bloque 2. Especificación del tipo de análisis. .................................................. 6
5.3
Bloque 3. Selección de las curvas que se verán en pantalla. ............................ 6
6
Simulación del punto de operación (análisis .OP).................................................... 7
7
Ejercicios de simulación del punto de operación ..................................................... 8
7.1
Ejercicio 1. Circuito con batería y una resistencia. .......................................... 9
7.2
Ejercicio 2. Circuito con batería y tres resistencias. ......................................... 9
7.3
Ejercicio 3. Circuito con baterías en paralelo. ............................................... 10
1
Introducción
Las etapas que requiere el diseño de un circuito electrónico son, básicamente, tres:
•
•
•
Papel y lápiz. El ingeniero diseña el circuito y evalúa su comportamiento
con modelos muy simplificados de los componentes. Estos modelos -tan
simples- permiten realizar un cálculo manual del circuito. El
comportamiento obtenido es una primera aproximación y da una idea de
cómo funcionará el circuito.
Simulación. El ingeniero simula el circuito con un ordenador. Los modelos
de los componentes son muy complejos y, por tanto, realistas. Cada
componente incluye muchos parámetros que permiten al simulador
contemplar múltiples efectos que le puedan afectar como son la
temperatura, frecuencia de trabajo,… El simulador permite mostrar el
funcionamiento del circuito mediante curvas gráficas. El resultado obtenido
es prácticamente igual al comportamiento del circuito real sin necesidad de
construirlo.
Laboratorio. Montaje del circuito en el laboratorio y validación del mismo
con los instrumentos disponibles: osciloscopios, fuentes de alimentación,
multímetros,…
En las prácticas de este curso se seguirán estas tres etapas del diseño de un circuito:
(a) desarrollo teórico -papel y lápiz-, (b) simulación en el centro de cálculo, y (c)
montaje y validación del circuito en el laboratorio.
1
Práctica Spice 1
El programa SPICE es universalmente conocido y utilizado como un estándar en la
simulación de circuitos analógicos y digitales (más en analógicos que en digitales).
SPICE1 son las siglas de “Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis”
(Programa de Simulación con Énfasis en Circuitos Integrados). Existen varias versiones
de este simulador orientadas a funcionar en distintos tipos de ordenadores y procedentes
de distintas marcas comerciales. El lenguaje es básicamente el mismo en todos ellos,
excepto algunas instrucciones muy específicas que no trataremos siquiera en este
manual, pues no es común usarlas. Los simuladores SPICE más conocidos son los
siguientes:
•
SPICE 2G.6: Es el simulador original, desarrollado por la Universidad de California
en Berkeley a principio de los años 70. Se distribuyó de forma gratuita por todo el
mundo, de ahí su aumento de popularidad.
•
HSPICE: Se trata de un simulador adaptado a máquinas que permiten proceso
paralelo mediante el sistema operativo.
•
PSPICE, WINSPICE, MICROCAP: Programas diseñados para plataformas PC. Cada
uno de ellos lo comercializa una empresa diferente. Todos disponen de una versión
DEMO totalmente funcional pero con ciertas restricciones. En este curso se utilizará
el programa Microcap 9.0 -en modo texto- para simulaciones analógicas y en
segundo curso se utilizará -en modo gráfico- para simulaciones digitales.
2 Sufijos métricos
El valor que toma un dispositivo se mide en la unidad correspondiente: resistencia
en ohmios, condensador en faradios, bobina en henrios, fuente de alimentación en
voltios o fuente de intensidad en amperios. Estos valores admiten números decimales.
Si se desea puede utilizarse un formato exponencial. Por ejemplo, serían equivalente los
valores 0.0045 ó 4.5E-3.
En la práctica se aconseja utilizar un sufijo métrico ya que facilita la legibilidad del
fichero. En la siguiente tabla se muestran los sufijos métricos de SPICE.
Sufijo
F
P
N
U
M
K
MEG
G
T
1
Descripción
Femto
Pico
Nano
Micro
Mili
Kilo
Mega
Giga
Tera
En inglés significa picante, y se pronuncia [spais].
2
Valor
10-15
10-12
10-9
10-6
10-3
103
106
109
1012
Práctica Spice 1
Un sufijo métrico acompaña a un número que le precede. Son insensibles a
mayúsculas o minúsculas y se les puede añadir cualquier cadena a su derecha. Ésta será
considerada como un comentario.
Ejemplos de sufijos métricos:
10mSeg :
-0.75V :
47uFarad:
10x10-3= 10-2
-0.75
47µ
(no lleva sufijo métrico)
3 Numeración de los nodos de un circuito
En un fichero SPICE todos los nodos del circuito deben estar numerados. Se
muestra un ejemplo en la figura 1. En dicho circuito todas las resistencias son de 500
ohmios pero están expresadas con diferentes formatos y sufijos métricos.
Figura 1. Circuito con sus nodos numerados.
La numeración de un circuito está sujeta a ciertas reglas:
ƒ
ƒ
ƒ
No puede haber dos nodos con un mismo número.
El nodo de tierra siempre es el número 0. El programa Microcap no lo
muestra cuando el circuito se diseña gráficamente.
Los nodos del circuito no tienen por qué constituir una serie de números
consecutivos. Por ejemplo, el nodo 2 del circuito de la figura 1 podría
haberse numerado como 5 y el diseño seguiría siendo válido.
4 Sintaxis SPICE de elementos básicos
Cada elemento del circuito se expresa mediante una línea del fichero SPICE y de
la siguiente forma:
< Nombre del componente > < Nodos de conexión > < Valor >
Para elementos que almacenan energía se pueden añadir las condiciones iniciales:
< IC = Condición inical >. La palabra IC viene del inglés Initial Condition.
3
Práctica Spice 1
El nombre del componente es unívoco y empieza por una letra que lo identifica:
Rxxx para las resistencias, Lxxx para las bobinas, Cxxx para los condensadores, Vxxx
para las fuentes independientes de tensión, Ixxxx para las fuentes independientes de
intensidad,…
Los nodos de conexión de un componente son los nodos del circuito
correspondientes a sus terminales. Algunos dispositivos requieren que los nodos se
escriban en un determinado orden y otros no. Las resistencias, en particular, no
requieren ningún orden en la numeración de sus nodos. Por ejemplo los nodos de la
resistencia R3 del circuito de la figura 1 se podrían describir como el 2 y 0, o bien, el 0
y el 2.
El último elemento necesario para especificar un dispositivo es su valor. Éste se
entiende que está expresado en la unidad correspondiente: ohmios para las resistencias,
faradios para los condensadores,…
4.1
Lista de elementos básicos
¾ Resistencia:
Rxxx
N1
N2 VALOR
Ej.: Rcc 4 3 1k
¾ Condensador: Cxxx
N+ N- VALOR [IC=Tensión Inicial]
Ej.: C5 5 6 1uF IC=3V
¾ Inductancia: Lxxx
N+ N- VALOR [IC=Intensidad Inicial]
Ej.: L1 7 8 1mH IC=30mA
¾ Batería:
Vxxx
N+ N- VALOR
Ej.: V1
1 2 5V
4
Práctica Spice 1
5 Sintaxis de un circuito básico con baterías y resistencias
Los elementos que constituyen un fichero SPICE son los siguientes:
1. Una primera línea con un título descriptivo del circuito (se puede dejar
en blanco).
2. Bloque 1: Descripción de los elementos del circuito -una línea por cada
elemento del circuito-.
3. Bloque 2: Especificación del tipo de análisis que se va a realizar
4. Bloque 3: Selección de las curvas que se verán en pantalla como
resultado de la simulación.
5. Líneas comentario (son opcionales). Comienzan por el carácter ‘*’.
6. Una última línea con la sentencia .END
CIRCUITO DE LA FIGURA 1
*------------------------------------------------------------* Bloque 1: Descripción del circuito (el nodo 0 es tierra)
*------------------------------------------------------------V1 1 0 5V
R1 1 2 5E+2
R2 2 0 0.5Koh
R3 2 0 500
R4 2 3 50E+1
R5 3 0 500ohm
*---------------------------------------------------------* Bloque 2: Análisis: temporal y punto de operación
*---------------------------------------------------------.TEMP 27
.TRAN
0.01MS 1MS 0
.OP
*------------------------------------------------------------* Bloque 3: Curvas de las tensiones de los nodos 1,2,3
*------------------------------------------------------------.PLOT TRAN V(1) V(2) V(3)
.END
Los 3 bloques que constituyen el fichero SPICE pueden ponerse en cualquier
orden. Incluso se podrían mezclar líneas de un bloque con las de otro. Por ejemplo, la
descripción de V1 y R1 se podría ubicar al final del fichero, justo antes de la sentencia
.END. Obviamente diseñar el fichero de forma desordenada dificulta su legibilidad.
Además, el simulador reordena las sentencias del fichero una vez realizada la
simulación.
5.1
Bloque 1. Descripción del circuito
En este primer bloque se describen todos los elementos del circuito y la
interconexión entre ellos. Cada elemento del circuito se especifica en una línea. En el
ejemplo que nos ocupa hay 6 componentes (una batería y 5 resistencias) por lo que
dicho bloque ocupa 6 líneas en el fichero. Es importante tener presente que los nombres
de los componentes son unívocos y todos deben empezar por la letra característica del
dispositivo que representan -V para la batería y R para las resistencias-. Es muy común
escribir los nombres de aquellos componentes de un mismo tipo de forma enumerada
5
Práctica Spice 1
aunque no es necesario. En el circuito se aprecia que las resistencias se llaman R1, R2,
R3, R4 y R5 pero podrían haberse llamado Rfuente, Rparalelo1, Rparalelo2, Rserie1 y
Rserie2.
5.2
Bloque 2. Especificación del tipo de análisis.
En esta primera práctica se está interesado en el análisis del Punto de Operación
que se especifica con la sentencia .OP (en inglés, Operation Point). Este análisis permite
obtener un fichero de texto (no es un resultado gráfico) con los siguientes datos:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Tensiones en todos los nudos.
Intensidades que atraviesan las fuentes de tensión y las resistencias. Éstas
se consideran positivas si van desde el primer nodo al segundo nodo de la
declaración del dispositivo en el fichero SPICE. En el caso de las
resistencias los nodos se pueden poner en cualquier orden pero la
intensidad calculada cambiaría de signo. La batería solo permite declarar
sus nodos en un orden -primero el polo positivo y después el negativo-. La
corriente fluye en el sentido contrario normalmente, por lo que tendría
signo negativo.
Potencia generada por la fuente y la potencia consumida por cada uno de
los dispositivos. Se recuerda que la potencia se calcula como el producto
V·I de la tensión V e intensidad I que hay entre los nodos del mismo.
Tensiones que atraviesan las fuentes de intensidad (no hay en el ejemplo).
Punto de trabajo de elementos no lineales (no hay en el ejemplo).
Hay simuladores que permiten realizar el análisis OP de forma directa. No es el
caso de Microcap que necesita realizar un análisis temporal o transitorio (el eje X es el
tiempo) para llevar a cabo el análisis del punto de operación. Por este motivo se ha
incluido la sentencia .TRAN 0.01MS 1MS 0 ,que le indica al simulador que simule el
circuito durante 1ms partiendo del instante 0 y presentando resultados en pantalla cada
0.01ms. En el circuito de la figura 1 el resultado de esta simulación temporal daría como
resultado valores constantes para tensiones e intensidades en cualquier instante del
tiempo ya que el estímulo -tensión de la batería- es constante y las resistencias son
elementos lineales.
La sentencia .TEMP 27 le indica al simulador que la simulación se realizará a la
temperatura estándar de 27º. Algunos simuladores no necesitan esta sentencia y toman
el valor de 27º por defecto. Microcap no la necesita pero la incluye en el fichero
después de realizar la simulación, en el caso de que se hubiera omitido.
5.3
Bloque 3. Selección de las curvas que se verán en pantalla.
El análisis del punto de operación no muestra curvas a la salida. Sin embargo, este
análisis requiere la realización de un análisis transitorio (TRAN) que sí presenta curvas.
En el circuito descrito anteriormente se especifica que se dibuje las curvas de los nodos
1, 2 y 3, que serán valores constantes (líneas horizontales).
6
Práctica Spice 1
6 Simulación del punto de operación (análisis .OP)
Una vez cargado el fichero SPICE con el programa Microcap (el fichero debe tener
extensión *.ckt) se pulsa la combinación de teclas ALT+1 para que comience la
simulación temporal -también se pueden usar los menús “Analysçis”->”Transient…”-.
Nos aparecerá la ventana de la figura 2 con los parámetros especificados para la
simulación temporal así como una casilla activada con la opción “Operating Point”.
Figura 2. Ventana con los parámetros de la simulación a realizar.
Se pulsa el botón Run y se obtienen las curvas del análisis temporal que, como
se dijo anteriormente, son líneas horizontales (valores constantes). El resultado sería:
Figura 3. Ventana con las curvas de las tensiones de los nodos 1, 2 y 3.
Finalmente, para conseguir ver el resultado del análisis .OP solo basta pulsar la
que aparece en la ventana de la derecha de la figura
tecla F5 o bien picar en el botón
3. El fichero de texto con los resultados del análisis .OP son los siguientes:
7
Práctica Spice 1
********************************************************************************
***
Micro-Cap 9.0.1.0 Evaluation Version
***
***
Rafael Millán
***
***
Dpto. Ingeniería Electrónica
***
***
Transient Analysis of figura1_nodos
***
********************************************************************************
Limits
======
Time Range
1MS
Maximum Time Step
0
Number of Points
101
Temperature
List 27
Run Options
Normal
State Variables
Zero
Operating Point
On
Operating Point Only Off
*****************************************************
***
Temperature=27
***
*****************************************************
Temperature=27
DC Operating Point Voltages
===========================
Node
Voltage Node
1
5.000
2
Voltage
1.429
Node
3
Voltage
714.286m
Operating point for devices of type Resistor
============================================
Instance:
R1
R2
DC Power Terms:
PD
25.510m
4.082m
R3
R4
R5
4.082m
1.020m
1.020m
DC Pin Currents:
Ir
2.857m
1.429m
1.429m
7.143m
2.857m
Operating point for devices of type SPICE Source
================================================
Instance:
V1
DC Power Terms:
PG
35.714m
DC Pin Currents:
ISource
-7.143m
La interpretación de los datos que nos aparecen en pantalla es bastante simple.
Debajo del dato de la temperatura (Temperature=27) aparecen 3 bloques:
1. Tensiones en los nodos del circuito (DC Operating Point Voltages).
2. Puntos de operación para dispositivos de tipo resistor (Operating point for
devices of type Resistor). Muestra una línea con la potencia consumida o
disipada (PD) en las resistencias. Debajo aparece otra línea con la intensidad que
circula a través de cada resistencia (Ir).
3. Puntos de operación para dispositivos de tipo fuente (Operating point for devices
of type SPICE Source). Muestra una línea con la potencia generada por la fuente
(PG). Debajo hay otra línea con la intensidad que circula por la misma
(ISource). Como se indicó esta intensidad siempre es negativa ya que circula en
sentido contrario al orden en que se describen los nodos de este componente en
el fichero SPICE.
7 Ejercicios de simulación del punto de operación
8
Práctica Spice 1
En este apartado se propone la simulación de ciertos ejercicios ya resueltos de
forma manual en la práctica anterior. Para cada ejercicio se muestra el circuito con los
nodos numerados y el resultado de la simulación .OP del mismo. El alumno debe
realizar el diseño en modo texto del circuito y comprobar que la simulación coincide
con los resultados que se proponen. También sería interesante comprobar que los datos
obtenidos son los mismos que los ya calculados de forma manual en la práctica anterior
aplicando las leyes de Kirchhoff y la ley de Ohm.
7.1
Ejercicio 1. Circuito con batería y una resistencia.
Este ejercicio es el ejemplo 3 del apartado 6 de la práctica anterior. Se demostró
que la intensidad que circula tanto por la fuente como por la resistencia es de 5mA.
Resultado (resumido):
*****************************************************
***
Temperature=27
***
*****************************************************
Temperature=27
DC Operating Point Voltages
===========================
Node
Voltage
1
5.000
Operating point for devices of type Resistor
============================================
Instance:
R1
DC Power Terms:
PD
25.000m
DC Pin Currents:
Ir
5.000m
Operating point for devices of type SPICE Source
================================================
Instance:
V1
DC Power Terms:
PG
25.000m
DC Pin Currents:
ISource
7.2
-5.000m
Ejercicio 2. Circuito con batería y tres resistencias.
Este ejercicio es el ejemplo 4 del apartado 6 de la práctica anterior. Se demostró
que las intensidades del circuito eran i1=2mA, i2=1.5mA, i3=0.5mA; y la tensión del
nodo 2 era de 3V.
9
Práctica Spice 1
Resultado (resumido):
*****************************************************
***
Temperature=27
***
*****************************************************
Temperature=27
DC Operating Point Voltages
===========================
Node
Voltage Node
1
5.000
2
Voltage
3.000
Operating point for devices of type Resistor
============================================
Instance:
R1
R2
DC Power Terms:
PD
4.000m
4.500m
DC Pin Currents:
Ir
2.000m
-1.500m
R3
1.500m
-500.000u
Operating point for devices of type SPICE Source
================================================
Instance:
V1
DC Power Terms:
PG
10.000m
DC Pin Currents:
ISource
7.3
-2.000m
Ejercicio 3. Circuito con baterías en paralelo.
Este ejercicio es el ejemplo 5 del apartado 6 de la práctica anterior. Se demostró
que no era correcto conectar dos fuentes de tensión en paralelo.
Resultado:
10