anÁlisis y diseÑo de circuitos por ordenador

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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.

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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.

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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.

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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.

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• 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.

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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

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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.

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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).

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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.

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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.

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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 :

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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 :

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Fuentes independientes

V1 1 0 DC 5

I1 2 3 DC 1m

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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.

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V1 1 0 DC 5

I1 2 3 DC 1m

V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)

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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 tensiónLa declaración comprende cuatro campos.


Nodos de conexión.

Nodos de control.

Ganancia o transconductancia.

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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).

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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

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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:


Nodos de conexión.

Generador de control.

Ganancia o Transresistencia.

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Generador de tensión controlado por

corriente

Generador de corriente controlados por corriente

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V1 1 0 DC 5

I1 2 3 DC 1m

V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)


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

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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.

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V1 1 0 DC 5

I1 2 3 DC 1m

V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)


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 3Resistores

R1 1 2 100

R2 3 AMP 500

R3 4 5 1K

R4 6 5 1K

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2.1.5 Amplificadores operacionales

PSPICE ofrece 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.

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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

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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>.

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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.

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.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

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2.2 Sentencias 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.

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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

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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.

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2.3 Sentencia .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>

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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

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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 CONCLUDEDTOTAL JOB TIME .17

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Ejemplo 2 :

En el circuito del a figura hallar Va-b.

Sí V1 = V2 = 1 y a = 50.

36

EJEMPLO 2R1 1 2 500R2 3 4 20 R3 4 5 20 R4 7 6 500 R5 0 4 1k R6 0 8 2k ** Generadores* independientesV1 1 0 DC 1 V2 7 0 DC 1V3 2 3 DC 0V4 6 5 DC 0** Generadores *dependientesF1 0 3 V3 50F2 8 5 V4 50.op.end

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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


JOB CONCLUDEDTOTAL 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.

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Ejemplo 3

R1 1 2 5R2 0 2 40 R3 2 3 8 R4 1 3 32V1 1 0 DC 0 ***amperímetroV2 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

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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.

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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

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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


**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(7)/V1 = -1.998E+03

INPUT RESISTANCE AT V1 = 1.001E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(7) = 0.000E+00

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*** 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


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.

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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.

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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 TD11 TD2 2)

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3. 7 Generador de lineal por tramos:

Vxxx N+ N- PWL(T1 V1 T2 V2 . . . Tn Vn)

v1 1 0 pwl(0,1,0.25,1,.5,-1,.9,2.5,1.3,2.5,1.5,1,2,1,2.5,0)

52

Ejemplo 5:

En el siguiente circuito hallar l a tensión en R2, para t= 5 y 20 mseg,

suponiendo que C1 se encuentra inicialmente descargado y que V1

es un pulso de 1 voltio de amplitud y duración de 0.01 segundos.

Respuesta: Vo (t=5ms)= -39 V; Vo (t=20ms)= -23.02V.

53

EJEMPLO 5

R1 1 2 100

R2 3 0 100

C1 2 3 1u IC=0

*Generador exponencial

* (V1 V2 td1 tr td2 tf)

V1 1 0 EXP 0 1 0 1E-4 .01

1E-4

F1 3 2 VS_F1 .99

*Amperímetro

VS_F1 2 0 0

.TRAN .001 .04 0 1e-6 UIC

.PROBE

.END

54

Pulso de entrada

Tensión de salida

55

Tensión de salida

56

4102

22

1441 3102 3

xetVo x sen)(

Ejemplo 6: En el siguiente circuito hallar la tensión en Vo para t > 0, sí V1 = 30 V y V2 = sen (2x103t).

Respuesta:

57

Análisis transitorio

R1 1 2 1k R2 2 3 1k R3 3 0 1k V1 1 0 DC 30 C1 3 0 1u IC=10 V2 2 0 SIN (0 1 318.309886 0 0 0)

** configuración del análisis **.TRAN .001 .05 0 1E-6 UIC.PROBE.END

58

Ejemplo 7:

En el siguiente circuito, encuentre I1 e I2 para t > 0.

I1 (0-)= 6.66667

320

2

320

1

55505

66615t

eI

teI

.

.

59

Análisis en el dominio del

tiempo

R1 1 2 5

R2 2 3 10

R3 3 0 10

V1 1 0 DC 100

L1 3 0 2 IC=6.6666

.TRAN 20m 1 0 20m UIC

.PROBE

.END

61

Análisis en Régimen Permanente Sinusoidal

Generadores AC

Vxxx N+ N- AC AMP DESFASEIxxx N+ N- AC AMP DESFASE

Sentencia .AC

.AC TIPO NP FINICIO FFINAL

Sentencia .PRINT .PRINT AC Vm(3) Vp(3) Ir(r3) I1(r3)

62

Ejemplo 8:

En el circuito de la figura 1 encontrar el equivalente de Thevenin a la izquierda de las

terminales A y B, y utilice el resultado obtenido para calcular el fasor asociado a la tensión

V3 en el circuito de la figura 2.

63

Para la segunda parte del ejemplo, el circuito es el siguiente

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