Simulación de circuitos con ordenador. Introducción a ESpice.

Simulación de circuitos con ordenador. Introducción a ESpice.
Fundamentos Tecnológicos de los Computadores 1º de Ingeniería de Informática Universidad de Granada Andrés Roldán Aranda Manuel J. Espín Milla

Índice Introducción. Descripción de un circuito. Ficheros .cir
Componentes básicos. Pasivos. Fuentes. Activos. Tipos de análisis. Análisis punto de operación. Análisis transitorio. Análisis AC (.AC SWEEP). Análisis DC (.DC SWEEP). Instrucciones de salida.

1. Introducción. Un poco de historia.
Spice: “Simulation program with integrated circuit emphasis”. Inicialmente desarrollado en la Universidad de Berkley en los años 70 por el profesor Donald O. Pederson. Herramienta de estudio de ICS en la Industria y Universidades. Más información: “The life of Spice”. Laurence W. Nagel.

Introducción. ¿Cómo funciona Spice?
Spice incluye un conjunto de aplicaciones que cubren las diferentes fases del diseño, simulación y análisis de circuitos. Estas aplicaciones constituyen trabajan conjuntamente en un entorno EDA (Electronics Design Automation), constituido por: Schematics (Editor gráfico de circuitos). Spice A/D (Simulador de circuitos). PCBoards (Edición de placas de circuitos impresos). PSpice Optimizer. Parts. Probe. Editor de Estímulos. TextEdit.

Introducción. ¿Por qué ESpice?
Hoy en día hay varias versiones, como: HSPICE (Para Unix) ESPICE (Versión desarrollada en la UGR) PSPICE (Desarrollada por Microsim. Hoy en el paquete ORCAD, de CADENCE). Nosotros usaremos ESPICE: Código libre. Ocupa muy poco espacio. Pueden simularse circuitos muy grandes. Se trabaja a nivel de script. Mayor interactividad. Resultados intermedios. Uso de un único programa que trabaja con todo el circuito.

Introducción: ¿Cómo se diseña un circuito en Spice?
Schematics librerías .slb Ejemplo.sch Schematics Ejemplo.cir Puede contener Llamadas a otros ficheros.INC fichero.net ESPICE fichero.net Etapa gráfica Programa Fichero

Introducción. ¿Cómo se diseña un circuito en ESpice?
librerías .lib fichero.net (no es necesario) SPICE Ejemplo.cir Programa Fichero

2. Descripción de un circuito. Ficheros .cir.
Estructura de un fichero .cir. Título Descripción del circuito Fuentes de tensión/corriente Componentes Modelos .control Análisis requerido Resultados requeridos .endc .end

2. Descripción de un circuito. Ficheros .cir.
Reglas generales: La primera línea del código (el título o un comentario sobre el circuito) es ignorada por ESpice. La última línea será la sentencia .end (de final). Pueden añadirse comentarios empezando la línea con un asterisco (*). Una línea no puede contener más de 80 caracteres. Se puede completar una sentencia en varias líneas comenzando las líneas adicionales con el signo +. Todas las instrucciones en minúscula. Para separar los distintos parámetros de una sentencia podemos utilizar indistintamente espacios o comas.

3. Componentes básicos. Pasivos: Resistencias, R. Condensadores, C.
Inductancias, L. Fuentes: Independientes: V, I. Dependientes: E, F, G, H. Activos: Diodos, D. Transistores bipolares de unión (BJT), Q. Transistores de efecto campo (FET), M.

nombre nodo1 nodo2 … valor/es o modelo
3. Componentes básicos. nombre nodo1 nodo2 … valor/es o modelo La primera letra del nombre indica el tipo de componente. Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres que identifican al elemento. Nodos entre los que se conecta el elemento. Siempre debe existir en un circuito un nodo 0 (tierra), como referencia de todas las tensiones. Valores de los parámetros que determinan su comportamiento o nombre del modelo usado para su simulación. El valor puede indicarse usando los sufijos.

3. Componentes básicos. Pasivos: Rnombre n+ n- valor.
Resistencias, R. Rnombre n+ n- valor. Capacidades, C. Cnombre n+ n- valor [voltaje inicial] Inductancias, L Lnombre n+ n- valor [corriente inicial] Aunque son componentes sin polaridad, se les asigna una para establecer el signo de la corriente R C L

3. Componentes básicos. Ejemplo 1: Ejemplo 1 Circuito RC
* Descripción del circuito R KOhm C nF ¿Y la fuente? .control * Análisis requerido * Salida requerida .endc * Final del fichero .end 1 2

3. Componentes básicos. Fuentes independientes. Nodos entre los que se conecta la fuente. Se define la corriente como positiva cuando va de N+ a N-. Tipo de señal: continua, o variable con el tiempo. La primera letra (V ó I) indica el tipo de fuente (de tensión o corriente). Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres para identificar la fuente. Valores de los parámetros característicos de la fuente. DC: tensión continua (análisis DC y punto de polarización). Valor: tensión continua en voltios. AC: tensión de frecuencia variable (sólo para análisis AC). Valores: amplitud (en voltios) y fase (en grados). Fuentes independientes. Tipos.

3. Componentes básicos. Ejemplo 2: Ejemplo 2 *Descripción del circuito
V1 1 0 DC 10V V2 3 0 DC 5V R K R K R K .control * Análisis requerido * Salida requerida .endc * Final del fichero .end 2 1 3

3. Componentes básicos. SIN: formas de onda sinusoidales
NOTA: esta fuente, como las siguientes, sólo se emplea para análisis transitorios. No tiene ningún efecto con análisis de respuesta en frecuencia (.AC) SIN: formas de onda sinusoidales Sintaxis: SIN(off ampl freq td fase) Fuentes independientes. Tipos.

3. Componentes básicos. Volvamos al Ejemplo 1: * Ejemplo 1 Circuito RC
* Descripción del circuito V1 1 0 SIN (0V 2V 1KHz 0s 0s) R KOhm C nF .control * Análisis requerido * Salida requerida .endc * Final del fichero .end 1 2

3. Componentes básicos. Fuentes independientes. Tipos (continuación).
PULSE: formas de onda cuadradas Sintaxis: PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)

3. Componentes básicos. Ejemplo 3. Simular la carga y descarga del condensador del circuito. La señal de entrada es de tipo cuadrado, oscila entre 0 y 5 V y su periodo es 1ms. Permanece el mismo tiempo en los dos niveles de tensión. Ejemplo 3 *Carga y descarga de un condensador *Descripción del circuito V1 1 0 PULSE (0V 5V 0s 0s 0s 0.5ms 1ms) R KOhm C uF .control * Análisis requerido * Salida requerida .endc * Final del fichero .end

3. Componentes básicos. Fuentes independientes. Tipos (continuación):
EXP: formas de onda exponenciales Sintaxis: EXP(V1 V2 TD1 TAU1 TD2 TAU2 ) NOTA: no es periódica

3. Componentes básicos. Fuentes independientes. Tipos (continuación):
PWL: ondas definidas a trozoos (piecewise linear waveform) Sintaxis: PWL(T1 V1 <T2 V2 T3 V3 T4 V4 >).

3. Componentes básicos. Una misma fuente puede ser de varios tipos. En ese caso, dependiendo del tipo de análisis requerido, la fuente actuará de distinto modo: DC: Punto de polarización Análisis DC. AC: Análisis AC. SIN, PULSE, EXP, PWL: Análisis transitorio. Entonces, la sintaxis para nombrar la fuente es: Vnombre N+ N- [DC valor] [AC amplitud fase] +[especificaciones transitorias] Ejemplos: VSIG 10 5 SIN(2V 2V 5Hz 1s 1s). Fuente de voltaje. Análisis transitorio. Vfuente 1 0 DC 2V AC 2V 0. Fuente de tensión. Punto de Polarización. Análisis DC y AC. ISW 10 5 DC 2A AC 2A 0 PULSE(1A 5A 1sec .1s .4s .5s 2s). Fuente de tensión. Punto de Polarización. Análisis DC y AC. Análisis transitorio.

3. Componentes básicos. Fuentes dependientes. Ejemplo: Fuente de tensión controlada por tensión. Enombre nudo+ nudo- nudocontrol+ nudocontrol- ganancia La tensión entre nudo+ y nudo- es la tensión entre nudocontrol+ y nudocontrol- multiplicada por la ganancia. En el lugar de E, las siguientes letras indican los otros posibles tipos de fuentes dependientes: E: tensión controlada por tensión. G: intensidad controlada por tensión. F: intensidad controlada por intensidad. H: tensión controlada por intensidad. Existen otras posibilidades para la relación entre la fuente dependiente y la señal de control (ver manual de ESpice)

Una vez definido un circuito,
¡Qué lío! ¡No sé qué es lo más importante! RESUMEN CHULETERO. Componentes pasivos (R, L, C). R/L/C/nombre n+ n- valor. Fuentes dependientes. Fuentes independientes. Dependiendo del tipo de análisis. Análisis DC o punto de polarización ( V(I) o unico V(I)). V/Inombre n+ n- DC valor. Análisis AC ( frecuencias). V/Inombre n+ n- AC valor fase. Análisis transitorio (f(tiempo)). V/Inombre n+ n- SIN/PULSE/EXP/SFFM/PWL ( ). Ejemplo.cir Una vez definido un circuito, ¿qué queremos simular?

dentro del bloque .control - .endc, las instrucciones no llevan punto.
4. Tipo de análisis. Tipos de análisis: Barrido de frecuencia Diagramas de Bode Barrido de voltaje Punto de funcionamiento Barrido de tiempo NOTA IMPORTANTE: dentro del bloque .control - .endc, las instrucciones no llevan punto.

4. Tipo de análisis. Análisis del Punto de Operación.
Calcula las corrientes y voltajes en un circuito, es decir, el punto de operación. Se ejecuta antes de cualquier otro análisis. Sintaxis:

4. Tipo de análisis. Análisis del Punto de Operación.
Ejemplo 2: Calcular las tensiones y corrientes en este circuito. Ejemplo 2 *Descripción del circuito V1 1 0 DC 10V V2 3 0 DC 5V R K R K R K .control * Análisis requerido OP * Salida requerida Print all Print all>>ejemplo2.txt .endc * Final del fichero .END Circuito: Ejemplo 2 Análisis de punto de trabajo realizado a TEMP = 27.0 ºC y TNOM = 27.0 ºC v(1) = e+01 v(2) = e+00 v(3) = e+00 v1#branch = e-03 v2#branch = e-04 2 1 3

4. Tipo de análisis. Análisis Transitorio.
Esta sentencia pide a ESpice un análisis de la respuesta del circuito en función del tiempo Sintaxis: TRAN TSTEP TSTOP <TSTART <TMAX>><UIC> Paso mínimo de tiempo en los cálculos del simulador. Sobreescribe el valor por defecto que tenga el simulador Tiempo final de la simulación Tiempo inicial (por defecto 0). Es el incremento de tiempo para los resultados generados por los comandos .PRINT o .PLOT. No afecta a la discretización del tiempo realizada para el análisis. Indica a ESpice que use las condiciones iniciales de corriente y tensión especificadas para capacidades e inductores y se salte el cálculo del punto de polarización

4. Tipo de análisis. Análisis Transitorio.
Volmamos al ejemplo 3. Simular la carga y descarga del condensador del circuito. La señal de entrada es de tipo cuadrado, oscila entre 0 y 5 V y su periodo es 1ms. Permanece el mismo tiempo en los dos niveles de tensión. Ejemplo 3 *Carga y descarga de un condensador *Descripción del circuito V1 1 0 PULSE(0V 5V 0s 0s 0s 0.5ms 1ms) R KOhm C uF .control *Análisis requerido TRAN 0.01ms 5ms 0 *Resultados requeridos. Print all>>results.txt Plot V(1) v(2) .endc .END

4. Tipo de análisis. Análisis AC.
Análisis de la respuesta del circuito ante señales sinusoidales de diferentes frecuencias (dentro de un intervalo seleccionado). Sintaxis: AC SweepType PoitsValue StartFrequency EndFrequency Tipo de barrido: LIN (barrido lineal) DEC (barrido por décadas) OCT (barrido por octavas) Frecuencia inicial Frecuencia final Número de puntos: Número total de puntos, frecuencias (Barrido LIN). Número de puntos por década (Barrido DEC). Número de puntos por octava (Barrido OCT). Se puede establecer como AC cualquier fuente variable en el circuito. Las que son DC se anulan al hacer el análisis AC. Recuérdese que SIN es una especificación para análisis transitorio.

4. Tipo de análisis. Análisis AC.
Volmamos al circuito del ejemplo 1. Obtener el diagrama de Bode del filtro RC paso bajo mostrado en la figura Ejemplo 1 Filtro RC paso bajo *Descripción del circuito V1 1 0 DC 0V AC 1V SIN(3V 2V 1KHz) *solo se usa AC convencional R KOhm C nF .control *Análisis requerido AC DEC 10 10Hz 10KHz *Resultados requeridos Print all>>ejemplo1.txt Plot V(2)/V(1) .endc .END

4. Tipo de análisis. Análisis DC.
Análisis en DC en el que se realiza un barrido de una variable especificada, que puede ser el valor de una fuente de tensión, de corriente o la temperatura dentro de un intervalo de valores previamente seleccionado. El análisis puede ser anidado, es decir, se pueden cambiar dos variables o parámetros. Sintaxis (dos posibilidades): DC SRCNAM VSTART VSTOP VINCR [SRC2 START2 STOP2 INCR2] Nombre de la fuente independiente de la tensión o corriente a barrer. Valor inicial, final e incremento, Respectivamente. Por cada valor de la variable anidada se hace un barrido de la principal. También hay que indicar los parámetros de este barrido.

4. Tipo de análisis. Análisis DC.
Ejemplo 4. Dado el siguiente circuito, ¿para qué valor de Vg comprendido entre 0 y 20 V la corriente que atraviesa RL es igual a 150 µA? Ejemplo 4 *Descripción del circuito Vg 1 0 DC 1 R R K R K R K R K RL .control *Análisis requerido DC Vg 0V 20V 0.1V *Resultados requeridos Print all>>ejemplo4.txt Print (v(3)-v(4))/600 Plot (v(3)-v(4))/600 .endc .END

NUEVO RESUMEN CHULETERO.
Ejemplo.cir Análisis transitorio. TRAN TSTEP TSTOP <TSTART <TMAX>><UIC> Análisis AC. AC SweepType PoitsValue StartFrequency EndFrequency Análisis DC. DC SRCNAM VSTART VSTOP VINCR [SRC2 START2 STOP2 INCR2] Una vez definido un circuito y simulado, ¿cómo obtenemos los resultados?

5. Instrucciones de salida. Identificación de variables de salida.
Tras la simulación, las variables de salida son: Vn#branch/In#branch Ln#branch Intensidad a través de la fuente de tensión o correinte Vn/In o la inductancia Ln Además, con el análisis AC, se pueden añadir los siguientes sufijos para realizar distintas operaciones:

5. Instrucciones de salida. Resultados requeridos.
PRINT Se usa para presentar y grabar en un fichero los resultados de un análisis en forma de tabla de datos. Sintaxis: .PRINT variables u operaciones .PRINT variables>>fichero.txt .PRINT all>>fichero.txt Ejemplos: .PRINT V(3) V(2)-V(3) .PRINT VM(2) VP(2) VR(5) VDB(5)

5. Instrucciones de salida. Resultados requeridos.
PLOT Posteriormente, estos resultados se pueden representar gráficamente. Sintaxis: plot exprs ylimit ylo yhi xlimit xlo xhi xlog ylog loglog xlabel “word” ylabel “word” title “word” linear linplot|pointplot Ejemplos: .PLOT V(4) V(5) V(1) .PLOT V(17)-V(5) V(17) .PLOT VM(5) VM(31, 24) VDB(5) VP(5)

5. Instrucciones de salida. Otros comandos y utilidades.
GUARDAR LOS ARCHIVOS .CIR Y LOS GRÁFICOS OBTENIDOS. Para crear un punto .cir, editar con el bloc de notas. Guardar como-> Elegir la opción “Todos los archivos” y guardar el archivo con el nombre “fichero.cir”. Para copiar un gráfico o la interfaz de usuario, se hace una captura de pantalla.

Para el circuito del ejemplo 2, crear un fichero .cir que calcule su punto de operación. Obtener, además, un fichero de salida .txt con los resultados y copiar en la interfaz con los resultados. Ejemplo 2 *Descripción del circuito V1 1 0 DC 10V V2 3 0 DC 5V R K R K R K .control * Análisis requerido OP * Salida requerida Print all Print all>>ejemplo2.txt .endc * Final del fichero .END

Pero, ¿y la intensidad por R3?

NOTA IMPORTANTE: ESpice sólo da las intensidades de corriente que pasan por fuentes de tensión o corriente e inductancias. Por tanto, para calcular las corrientes hay 2 opciones: Opción 1 (más rápida pero hay que pensar). Obtener la intensidad que circula por un elemento sabiendo la tensión entre sus extremos mediante la ejecución de un comando print de una operación. 2 1

NOTA IMPORTANTE: ESpice sólo da las intensidades de corriente que pasan por fuentes de tensión o corriente e inductancias. Por tanto, para calcular las corrientes hay 2 opciones: Opción 2 (requiere modificar .cir, por tanto, más lenta). Colocar una fuente de tensión de prueba DC de 0 V en serie con el elemento. Ejemplo 2b *Descripción del circuito V1 1 0 DC 10V V2 3 0 DC 5V Vp 4 0 DC 0V R K R K R K .control * Análisis requerido OP * Salida requerida Print all Print all>>ejemplo2b.txt .endc * Final del fichero .END

Además, se puede hacer uso del comando: Plot/print i(nombrefuentetension) Recuerda, por tanto, los únicos usos de print/plot Plot/print i(nombrefuentetension)/i(nombreinductancia) Plot/print v(nodo)

Supongamos que tenemos más de un análisis en un mismo .cir. Para cambiar de un análisis a otro se usa: Setplot o setprint

Ejemplo 1b. Obtener el diagrama de Bode (V(2)/V(1)) del filtro RC paso bajo mostrado en la figura y su respuesta transitoria (V(2)) ante una señal sinusoidal de frecuencia 1KHz, amplitud 2 V y 3 V de offset. En cada caso, guardar los datos en un archivo .txt y capturar el gráfico y la interfaz correspondientes. Ejemplo Filtro RC paso bajo *Descripción del circuito V1 1 0 AC 1V SIN(3V 2V 1KHz) R KOhm C nF .controlc *Análisis requerido TRAN 0.01ms 5ms ms AC DEC 10 10Hz 10KHz *Resultados requeridos .endc .END

Primero averiguo cuál de las dos simulaciones está activada. Uso el comando setplot. Vemos que está activada la simulación tran. Nos quedamos ahí (pongo tran).

Análisis tran. Respuesta a una señal sinusoidal.

Ahora, cambio al análisis AC, con setplot.

Diagrama de Bode.

Supongamos que tenemos más de un archivo .cir cargado (distintos circuitos). Para cambiar de uno a otro se usa: Setcirc

RESUMEN CHULETERO FINAL.
Ejemplo.cir Fuentes dependientes. Fuentes independientes. Dependiendo del tipo de análisis. Análisis DC V/Inombre n+ n- DC valor. Análisis AC V/Inombre n+ n- AC valor fase. Análisis transitorio (f(tiempo)). SIN/PULSE/EXP/SFFM/PWL. Componentes pasivos (R, L, C). Componentes activos (D, Q, M). Listado de datos. PRINT/PRINT >> .TXT Representación de datos. PLOT Dibujo de corriente.. PLOT V/R PONGO FUENTE TENSION O V. PLOT I(FUENTETENSION) Cambio de análisis. SETPLOT/SETPRINT Cambio de circuitos. SETCIRC Punto de operación. Análisis AC. Análisis DC. Análisis transitorio.

EJERCICIOS. Ejercicio 1. Dado el circuito de la figura, obtener:
El punto de operación cuando la entrada es una fuente de continua de 2 V. Obtener la caída de tensión en todos los nodos y la corriente que circula por cada elemento del circuito. Representar la corriente que circula por R2 cuando la entrada varía su valor en continua entre 0 y 10 V con un paso de 1 V. Representar el módulo y la fase de la función de transferencia (Vout / Vin) en función de la frecuencia (desde 10 Hz hasta 1 MHz, con 10 puntos por década). Represente también la respuesta (Vout) y la corriente que circula por R2 para una señal de entrada (Vin) de tipo exponencial, entre 0 y 5V, donde el tiempo en el que la señal permanece en alto es 10 ms (a partir de 0s) y las constantes de subida y caída son 1 ms. Nota: El ejercicio 1 debe realizarse en un único fichero .cir y con una única fuente dependiente. Debe extraerse para cada apartado un fichero .txt con todas las variables y mostrarse en pantalla las capturas pedidas.

EJERCICIOS. Ejercicio 1. Fichero .cir. Ejercicio 1
*Descripción del circuito Vin 1 0 DC 2V AC 3V exp (0V 5V 0ms 1ms 10ms 1ms) R kOhm L uH C nF L uH C nF R kOhm .control *Análisis OP DC Vin 0V 10V 1V AC DEC 10 10Hz 10MegHz TRAN 0.1ms 30ms 0ms 0.1ms *resultados .endc .end

EJERCICIOS. Ejercicio 1. Punto de operación (opción 1).

EJERCICIOS. Ejercicio 1. Punto de operación (opción 2). .end
Ejercicio 1b *Descripción del circuito Vin 1 0 DC 2V AC 3V exp (0V 5V 0ms 1ms 10ms 1ms) R kOhm Vp1 2 3 DC 0V L uH C nF L uH C nF Vp2 5 6 DC 0V R kOhm Vp3 7 0 DC 0V .control *Análisis OP DC Vin 0V 10V 1V AC DEC 10 10Hz 10MegHz TRAN 0.1ms 30ms 0ms 0.1ms *resultados .endc .end

EJERCICIOS. Ejercicio 1. Barrido DC.

EJERCICIOS. Ejercicio 1. Diagrama de Bode.

EJERCICIOS. Ejercicio 1. Transitorio.

EJERCICIOS. Ejercicio 2. Dado el circuito de la figura, obtener:
Obtenga la respuesta en función del tiempo ante una señal cuadrada en la entrada (Vin) de periodo 10KHz, entre 0V y 5V y que permanezca el mismo tiempo en ambas tensiones. La ganancia de la fuente de corriente dependiente de tensión es 1 A/V. Muestre las intensidades de corriente que circulan por la resistencias R1 y el condensador C2. Nota: Deben extraerse todas las tensiones e intensidades en un único fichero .txt con todas las variables y mostrarse en pantalla las capturas pedidas. Además, todos los resultados debe extraerse directamente del fichero .cir.

EJERCICIOS. Ejercicio 2. Fichero .cir: Ejercicio 2
*Descripción del circuito Vin 1 0 DC 0V AC 0V pulse (0V 5V 0ms 0ms 0ms 0.05ms 0.1ms) Rs Ohm Vprs 2 3 DC 0V R kOhm Vpr1 4 0 DC 0V C pF Vpc1 5 0 DC 0V L uH G C nF Vpc2 6 7 DC 0V R kOhm Vpr2 8 0 DC 0V .control *Análisis *atención: el paso en tran debe ser lo suficientemente pequeño TRAN 0.01ms 1.5ms 0ms 0.01ms *resultados plot v(1) title "Tensión de entrada" plot V(7) title "Tensión de salida" plot i(vpr1) title "Intensidad de corriente por R1" plot i(vpc2) title "Intensidad de corriente por C2" print all>>ejer2tran.txt .endc .end

EJERCICIOS. Ejercicio 2. Capturas.

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