ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS POR ORDENADOR

1. ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS POR ORDENADOR • En los últimos años se han automatizado los procesos de diseño y fabricación de los circuitos electrónicos mediante herramientas de software (CAD, CAE, CAM). • Esto reduce notablemente los costos y tiempos fabricación. • Los softwares de simulación son programas que reproducen el comportamiento de un circuito basándose en los modelos de teoría de circuitos. • El simulador nos permite realizar pruebas virtuales (cambio del valor de los componentes, excitaciones, condiciones iniciales) hasta llegar a obtener las especificaciones de diseño requeridas.

2. El Simulador Eléctrico • Se necesita una descripción simbólica del circuito: información de los componentes, excitaciones. • Señales de entrada del circuito. • Tipo de análisis (AC, DC, Transitorio, RPS) • Otros programas que complementan el simulador • Programas de representación gráfica. • Editores de esquemáticos • Diseños de placas de circuito impreso a partir de conexiones.

3. El Simulador PSPICE • Es una versión para PC del simulador SPICE (Simulated Program with Integrated Circuit Emphasis). • Ofrece la simulación de circuitos electrónicos análogos, digitales o mixtos. Se basa en el método de análisis por nudos (Resuelve el sistema de ecuaciones). • PSpice incorpora: • PROBE: Programa para visualizar formas de onda y gráficas. • Librerías con las características eléctricas de muchos de los dispositivos existentes en el mercado. • Facilidad para creación de modelos propios. • Efecto de variación de temperatura de los componentes. • Efectos de las tolerancias de los componentes: análisis de sensibilidades.

4. Características generales de PSpice • El procedimiento general para la simulación de circuitos utilizando PSpice consta de tres pasos básicos. • Creación del fichero fuente • Correr el programa • Indicar al programa la manera de presentar los resultados. • Comentarios generales sobre el fichero fuente: • Cada sentencia en el fichero fuente consta de varias partes, denominadas campos. • En algunas ocasiones se pueden utilizar signos de igual “=”, o paréntesis “()” como separadores. • Una sentencia en un fichero fuente no puede contener más de 80 caracteres por línea.

5. PSpice no hace distinción entre letras mayúsculas y minúsculas. • Un asterisco “*” al inicio de una línea indica un comentario. • El campo correspondiente al nombre de un elemento debe iniciar con una letra de la “A”  “Z”. • Los nombres pueden contener un máximo de 131 caracteres, pero se recomienda la utilización de 8 como máximo. • Los campos pueden contener números enteros o números reales. • La primera línea de un fichero fuente es el título, el cual puede contener cualquier texto. • La última sentencia en un fichero fuente debe ser la sentencia .END.

6. En la siguiente tabla se presentan los factores de escala utilizados por PSpice y sus respectivas formas exponenciales. • FACTORES DE ESCALA DE PSPICE • SÍMBOLO EXPONENCIAL VALOR • F (f) 1e-15 10-15 • P (p) 1e-12 10-12 • N (n) 1e-9 10-9 • U (u) 1e-6 10-6 • M (m) 1e-3 10-3 • K (k) 1e3 103 • MEG (meg) 1e6 106 • G (g) 1e9 109 • T (t) 1e12 1012

7. 1. Creación de un fichero fuente en PSpice • Para crear un fichero fuente en PSpice es necesario seguir los siguientes pasos: • Se describe el circuito que se desea analizar; • Se establece el tipo de análisis que se va a realizar; • Se determina el tipo de presentación para los resultados. • Los ficheros fuente se subdividen en tres partes: • Declaración de las sentencias de datos; • Declaración de las sentencias de control; • Declaración de las sentencias de salida. • El fichero puede ser creado en cualquier editor de texto, siempre que el editor no introduzca ningún tipo de caracteres especiales o de control. El mismo debe guardarse con una extensión .CIR.

8. Sentencias de datos • PSpice se basa en el método de análisis nodal. • El primer paso en la descripción de un circuito en PSpice es enumerar todos los nodos • Identificar cada uno de los elementos conectados a los nodos, además de especificar sus características numéricas. • Sentencias de control • Las sentencias de control son comandos de PSpice que describen los parámetros del tipo de análisis que se desea realizar a un determinado circuito (.DC, .AC, .FOUR, .OP, .TF, .SENS).

9. Sentencias de salida • Las sentencias de salida se utilizan para controlar la manera de presentar los resultados, ya sea en forma de gráficas, en tablas o mediante el visualizador PROBE. Los resultados de los análisis realizados, es almacenado por PSpice en un ficheros con extensión .OUT y .DAT, con el mismo nombre que el fichero fuente. • El fichero de resultados se puede dividir en tres partes: • Copia del fichero fuente; • Resultados de algunos tipos de análisis como .TF, .OP, .SENSE; • Gráficas y tablas.

10. 2. Análisis de circuitos resistivos • Generadores de tensión y corriente (dependientes e independientes). • Elementos resistivos, • Amplificadores operacionales, • SENTENCIA DE CONTROL • .DC Estado permanente de las corrientes y voltajes del circuito. • .OP Se obtiene el punto de operación de cada elemento del circuito. • .SENS Se obtiene la sensibilidad de algún parámetro del circuito con respecto a cambios en los valores nominales de los elementos del circuito. • .TF Se obtiene la relación salida / entrada del circuito y resistencias de entrada y salida del circuito.

11. 2.1 Sentencias de introducción de datos 2.1.1 Generadores DC independientes La declaración utilizada para especificar generadores independientes consta de cuatro campos. • Nombre del generador. • Nodos de conexión. • Tipo de generador. • Valor. La sintaxis para la declaración de un generador de tensión es la siguiente :

12. En el caso de los generadores de de corriente las diferencias consisten en que la primera letra del nombre debe ser la letra I, y además el nodo positivo se define como el nodo de extracción, y el nodo negativo, como nodo de inyección, de la siguiente manera :

13. Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3 DC 1m

14. 2.1.2 Generadores sinusoidales: • PSpice nos ofrece la opción de crear señales sinusoidales, ya sean puras o amortiguadas. La sintaxis para la introducción de un generador sinusoidal es la siguiente: • Vxxx N+ N- SIN(Vo VA FREQ TD ) • Vxxx es el nombre del generador; • N+ y N- son las terminales de conexión del generador; • Vo indica la tensión inicial del generador; • VA indica la amplitud de la señal, • FREQ indica su frecuencia en hertz; • TD es el tiempo de retardo de la señal , •  representa el factor de amortiguamiento •  es el desfase en grados.

15. Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3 DC 1m V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)

16. 2.1.3 Generadores dependientes Los generadores dependientes se dividen en dos tipos : A. Generadores controlados por tensión. B. Generadores controlados por corriente. A. Generadores controlados por tensión La declaración comprende cuatro campos. • Nombre del generador. • Nodos de conexión. • Nodos de control. • Ganancia o transconductancia.

17. Generador de tensión controlado por tensión La sintaxis para la declaración es la siguiente : Generadores de corriente controlados por tensión la sintaxis es de manera similar, exceptuando el inicio del nombre el cual debe ser con la letra G y teniendo en cuenta lo explicado en las fuentes independientes, en relación a los nodos de extracción (1) e inyección (2).

18. Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3 DC 1m V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0) Fuentes controladas por tensión E1 5 0 3 0 2 G1 7 6 4 5 2.5

19. B. Generadores controlados por corriente. Cuando la variable de control de una fuente controlada es una corriente, PSPICE requiere la inserción de una fuente de tensión continua de 0 V, que actúa como amperímetro. Es importante tener en cuenta la fuente sensora, debe ser colocada de tal manera que la corriente de control entre por la terminal positiva. La declaración de este tipo de generadores cuenta con cuatro campos: • Nombre del generador. • Nodos de conexión. • Generador de control. • Ganancia o Transresistencia.

20. Generador de tensión controlado por corriente Generador de corriente controlados por corriente

21. Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3 DC 1m V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0) Fuentes controladas por tensión E1 5 0 3 0 2 G1 7 6 4 5 2.5 Fuentes controladas por corriente H1 2 5 V1 0.5 F1 2 4 V_AMP 3

22. 2.1.4 Elementos resistivos Para la inserción de elementos resistivos, se utiliza una sintaxis que consta de tres campos : La definición de la polaridad de los nodos se hace teniendo en cuenta el sentido de la corriente.

23. Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3 DC 1m V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0) Fuentes controladas por tensión E1 5 0 3 0 2 G1 6 7 4 5 2.5 Fuentes controladas por corriente H1 2 3 V_AMP 0.5 F1 2 4 V_AMP 3 Resistores R1 1 2 100 R2 3 AMP 500 R3 4 5 1K R4 6 5 1K

24. 2.1.5 Amplificadores operacionales • PSPICEofrece tres opciones para describir un amplificador operacional en un archivo fuente. • Utilizando un circuito equivalente con resistencias y una fuente de tensión controlada por tensión. • La segunda opción es similar a la anterior, pero en este caso el amplificador es modelado mediante un subcircuito, el cual puede ser utilizado como otro elemento de PSPICE. • La tercera alternativa es utilizar los modelos incorporados en la librería de elementos que contiene el programa. Estos modelos son más complejos y sofisticados, por lo cual se hace más lento el análisis del circuito.

25. A. Modelo utilizando resistencias y una fuente controlada por tensión. El circuito utilizado para modelar el amplificador operacional se muestra en la siguiente figura. Ri 1 2 valor Exxx 3 5 2 1 A Ro 3 4 valor

26. B. Modelo utilizando subcircuitos. Para definir un subcircuito en un archivo fuente de PSPICE es necesario utilizar la sentencia de control SUBCKT, cuya sintaxis general es la siguiente : • SUBNAM corresponde al nombre del subcircuito, • N1, N2, N3,.... corresponden a los nodos externos, • Luego de la sentencia .SUBCKT se hace la descripción del subcircuito y por último se finaliza con la sentencia .ENDS <SUBNAME>.

27. Después de hacer la descripción en un subcircuito, la sentencia utilizada para incluirlo dentro de un circuito global es la siguiente : • Xyyy describe el nombre del subcircuito, • Nodos indica las conexiones externas entre el subcircuito y el circuito global, • SUBNAME hace referencia al nombre de la descripción de subcircuito utilizada.

28. .SUBCKT AMPO 1 2 4 5 R1 1 2 1E10 E1 3 5 2 1 1E6 Ro 3 4 1K .ENDS AMPO Para incluirlo en el circuito global X1 2 0 3 0 AMPO X2 4 6 5 0 AMPO

29. 2.2Sentencias de control • 2.2.1 Sentencia .OP • Esta sentencia de control indica a PSPICE que calcule el punto de operación DC para el circuito que se va a analizar • Voltajes en cada nodo. • Corrientes en cada fuente de tensión y la potencia total disipada. • Punto de operación para cada dispositivo. El análisis básico que PSpice realiza incluye los valores que caen dentro de las dos primeras categorías. Con la opción de análisis .OP podemos calcular la corriente y el voltaje a través de cualquier otro dispositivo presente en el circuito.

30. 2.2.2 Sentencia .DC La sentencia de control .DC permite incrementar el valor de una fuente independiente (tensión o corriente), especificando el rango de valores y el tamaño del incremento. El formato general de la sentencia .DC es el siguiente : Por ejemplo para variar un generador V1 entre 10 y 5 voltios, a razón de .5 voltios de incremento, se utilizaría la siguiente línea de comando : .DC V1 -5 10 0.5 Esta sentencia también nos permite variar dos generadores de manera simultanea. .DC FUENTE1 INICIO1 FIN1 INCR1 FUENTE2 + INICIO2 FIN2 INCR1 .DC V1 0 10 1 I1 0 3 .25

31. 2.2.3 Sentencia .TF • La sentencia de control .TF permite calcular tres características de los circuitos: • La razón entre una variable de salida y otra de entrada. • La impedancia de entrada con respecto al generador. • La impedancia de salida con respecto a las terminales de la carga. • La sintaxis general de esta sentencia es la siguiente : • .TF Variable de salida Variable de entrada • 2.2.4 Sentencia .SENSE • La sentencia .SENSE nos permite obtener la sensibilidad de una determinada variable con respecto a los cambios en los valores nominales en cualquiera de los elementos del circuito. • La sintaxis es muy simple : .SENSE Variable.

32. 2.3Sentencia .PRINT Esta sentencia genera tablas de datos con el valor de una o más variables, los cuales dependen de una sentencia .DC previa . Su sintaxis general es la siguiente: PRINT DC VARIABLE 1 <VARIABLE 2> <VARIABLE 3>

33. Ejemplo 1 : En el circuito de la figura, calcule V1 y Vo , sí Vg = Ig = g = 1. Problema 1.6 *Descripción de los elementos *nombre n+ n- valor R1 1 2 1 R2 2 3 1 R3 3 4 0.5 R4 4 5 0.5 R5 0 2 1 R6 6 4 1 R7 6 5 0.5 R8 0 6 1 *nombre n+ n- tipo valor Vg 1 0 DC 1 I1 3 0 DC 1 *nombre n+ n- nc+ nc- gan G1 3 6 2 0 1 .end

34. El fichero de salida que produce P-SPICE es el siguiente : **** 03/16/98 13:23:58 ********* NT Evaluation PSpice (July 1997) ************ **** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C ***************************************************************************** NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) 1.0000 ( 2) .1250 ( 3) -.6250 ( 4) -.4375 ( 5) -.3438 ( 6) -.2500 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT Vg -8.750E-01 TOTAL POWER DISSIPATION 8.75E-01 WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME .17

35. Ejemplo 2 : En el circuito del a figura hallar Va-b. Sí V1 = V2 = 1 y a = 50.

36. EJEMPLO 2 R1 1 2 500 R2 3 4 20 R3 4 5 20 R4 7 6 500 R5 0 4 1k R6 0 8 2k ** Generadores * independientes V1 1 0 DC 1 V2 7 0 DC 1 V3 2 3 DC 0 V4 6 5 DC 0 ** Generadores *dependientes F1 0 3 V3 50 F2 8 5 V4 50 .op .end

37. Fichero de salida **** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C ************************************************* NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) 1.0000 ( 2) .9952 ( 3) .9952 ( 4) .9853 ( 5) .9952 ( 6) .9952 ( 7) 1.0000 ( 8) -.9660 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V3 9.660E-06 V4 9.660E-06 V2 -9.660E-06 V1 -9.660E-06 TOTAL POWER DISSIPATION 1.93E-05 WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME .25

38. Ejemplo 3: En el siguiente circuito, varíe la fuente de corriente I1 de 0 a 3 A (en pasos de 1A). Para cada valor de corriente, obtenga el valor de V12 , si el generador V1 varía de 0 100 V en pasos de 20 voltios.

39. Ejemplo 3 R1 1 2 5 R2 0 2 40 R3 2 3 8 R4 1 3 32 V1 1 0 DC 0 ***amperímetro V2 0 4 DC 0 I1 4 3 DC 0 **Sentencia DC anidada .DC V1 0 100 20 I1 0 5 1 **tipo de análisis .PRINT DC V(1,2) I(V2) .PROBE .END

40. Fichero de salida

41. Ejemplo 4 : En el circuito de la figura hallar VO,VO1, la relación VO / Vin y la sensibilidad del circuito. Sí Vin = 10-3 + 0.5cos(106 t), R1 = 100, R2 = 100K, R3 = R4 1K, R5 = R6 = 2.2K.

42. EJEMPLO 4 V1 1 0 SIN(1m 0.5 1.591E5 0 0 90) R1 1 2 100 R2 2 4 100k R3 3 0 1k R4 4 5 1k R5 6 0 2.2k R6 7 6 2.2k .SUBCKT AMPO 1 2 3 4 Ri1 1 2 10e9 E1 3 4 2 1 1e5 .ENDS AMPO X1 2 3 4 0 AMPO X2 5 6 7 0 AMPO .TF V(7) V1 .SENS V(7) .TRAN 1E-6 1E-4 .PROBE .END

43. FICHERO DE SALIDA ** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION ** TEMPERATURE = 27.000 DEG C ************************************************ NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) .0010 ( 2) 999.0E-09 ( 3) 99.90E-15 ( 4) -.9990 ( 5) -.9990 ( 6) -.9990 ( 7) -1.9980 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V1 -9.990E-06 TOTAL POWER DISSIPATION 9.99E-09 WATTS **** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS V(7)/V1 = -1.998E+03 INPUT RESISTANCE AT V1 = 1.001E+02 OUTPUT RESISTANCE AT V(7) = 0.000E+00

45. *** 04/13/98 15:26:06 ********* NT Evaluation PSpice (July 1997) ************ **** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C ******************************************************************* NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) .5010 ( 2) 500.5E-06 ( 3) 50.05E-12 ( 4) -500.5000 ( 5) -500.5000 ( 6) -500.5000 ( 7)-1001.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V1 -5.005E-03 TOTAL POWER DISSIPATION 2.51E-03 WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME .10

46. 3. Análisis en el dominio del tiempo 3.1 Inductores: Para la declaración de inductores en un circuito se necesitan cuatro campos. La sintaxis completa de la sentencia de introducción de inductores es la siguiente: 3.2 Condensadores: En el caso de los condensadores la sintaxis es prácticamente igual a la de los inductores con la excepción de que la letra inicial es C.

47. 3.3 Sentencia .TRAN: • La sentencia de control .TRAN indica a PSpice que realice el análisis del circuito en el dominio del tiempo. • Su sintaxis completa es la siguiente : • .TRAN TSTEP TSTOP TSTART TMAX UIC • TSTEP indica es el incremento entre cada valor generado por los comandos .PRINT o .PLOT. • TSTOP indica el tiempo total que dura el análisis, • TSTART indica el punto de inicio del análisis, • TMAX es el intervalo de tiempo máximo entre cada valor generado en el análisis realizado por PSpice. • TMAX = ((TSTOP – TSTART) / 50). • UIC indica a PSpice que utilice las condiciones iniciales de corriente y tensión.

48. 3.4 Sentencias .PLOT y .PRINT: La sentencia .PLOT nos permite realizar gráficos en función del tiempo de cualquiera de las cantidades obtenidas en el análisis transitorio. La sintaxis de este comando es la siguiente: <opcionales> .PLOT TRAN VARIABLE 1 <MIN MAX>......... <VARIABLE 8 <MIN MAX>> En el análisis transitorio también se puede utilizar la sentencia .PRINT, la cual tiene siguoente sintaxis .PRINT TRAN VARIABLE 1 <VARIABLE 2> <VARIABLE 3>

49. 3.5 Sentencia .PROBE: La sentencia .PROBE, indica a PSpice que genere un archivo de datos (*.DAT), el cual contiene los resultados del análisis realizado, los cuales pueden ser visualizados gráficamente utilizando el trazador de gráficos Probe que se incluye con el PSpice.

50. 3. 6 Generador de pulsos exponenciales: PSpice provee generadores de tensión y corriente que dependen del tiempo. Con los cuales se pueden generar pulsos cuadrados o exponenciales tal como el que se muestra en la siguiente figura: Vxxx N+ N- exp(V1 V2 TD11 TD2 2)