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Introduccin a PSPICE

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Introduccin a OrCAD PSPICE AD con SCHEMATICS

1 Introduccin SPICE es una potente herramienta de simulacin de circuitos analgicos y mixtos que puede ser usada para

comprobar el diseo de circuitos y para predecir su funcionamiento. Esto tiene especial importancia en los circuitos integrados y por esta razn, SPICE fue originalmente desarrollado en el Electronic Research Laboratory of the University of California, Berkeley (1975). Su nombre es el acrnimo de Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis.

PSPICE es la versin para PC de SPICE y existen multitud de herramientas de anlisis de circuitos basadas en PSPICE. En concreto, OrCAD dispone de una versin de estudiante con funcionalidad limitada que puede ser usada libremente con propsitos acadmicos y de evaluacin. El paquete de instalacin contiene adems PSPICE Schematics que es una aplicacin para la descripcin grfica de los circuitos que se pretenden analizar, as como la aplicacin Probe que es la aplicacin que nos permite visualizar y analizar los resultados de los anlisis de los circuitos realizados con PSPICE.

Con PSPICE se pueden hacer diversos tipos de anlisis en funcin de las necesidades: AC Sweep DC Sweep BIAS Point Sensitivity Temperatura Transfer Function Transient Parametric

Adems PSPICE tiene libreras de componentes digitales ms comunes, de modo que se convierte en una herramienta muy til para la simulacin de una amplia gama de circuitos electrnicos. Todos los anlisis se pueden realizar a distintas temperaturas, siendo la de defecto 300K (27C). Algunos de los componentes que pueden usarse en un circuito para simualar con PSPICE son:

Fuentes independientes y dependientes de tensin y corriente Resistencias Condensadores Bobinas Inductancias acopladas Lneas de transmisin Amplificadores operacionales Interruptores Diodos Transistores Bipolares Transistores MOS JFET MESFET Puertas digitales Biestables Otros muchos componentes

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2 Uso de PSPICE con OrCAD PSPICE Schematics 9.1 Antes de simular un circuito, es necesario especificar su configuracin. Esto se puede hacer de muy diversos modos. Uno de

estos modos es mediante un archivo de texto en el que se especifican los componentes usados, las conexiones entre ellos, los modelos de los elementos, los valores de los parmetros de los modelos y el tipo de anlisis a realizar. Este ha sido durante muchos aos el mtodo clsico para la descripcin de un circuito en PSPICE, existen multitud de manuales de referencia que explican cmo redactar estos archivos que son las entradas a PSPICE para la realizacin de la simulacin.

Un modo alternativo, y mucho ms cmodo, que el anteriormente descrito, consiste en la utilizacin de OrCAD Schematics 9.1, que no es ms que una aplicacin grfica de descripcin de esquemas de circuitos, en la que una vez realizada la descripcin de modo grfico, automticamente genera el archivo de entrada para PSPICE. Este ser el modo elegido para los siguientes casos que sern usados para ilustrar la simulacin de circuitos mediante estas herramientas.

La Fig. 1 ilustra los pasos a seguir para la simulacin de un circuito con PSPICE. A continuacin se describirn cada uno de ellos con ms detalle con la ayuda de algunos ejemplos.

Creacin del circuito:* Crear nuevo esquema* Colocar componentes* Conectar los componentes* Especificar valores y nombres

Configurar Simulacin:* Seleccionar un tipo de simulacin* Configurar parmetros de simulacin* Ejecutar PSPICE

Visualizacin de los resultados:* Aadir curvas a la ventana de visualizacin* Usar los cursores para analizar las formas de onda* Guardar o imprimir los resultados

Paso 1 Paso 2

Paso 3

Fig. 1. Pasos a seguir para la simulacin de circuitos con PSPICE

Los valores de los componentes pueden ser especificados usando factores de escala, la Tabla 1 muestra dichos factores de escala. Hay que tener en cuenta que es indiferente el uso de la mayscula o minscula.

Tabla 1. Factores de escala para expresar los valores en PSPICE

Factor de escala Equivalencia Factor de escala Equivalencia T o Tera 1012 U o micro 10-6 G o Giga 109 N o nano 10-9 MEG o Mega 106 P o pico 10-12 K o kilo 103 F o femto 10-15 M o mili 10-3


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Fig. 2. Circuito usado para ilustrar el proceso de simulacin

Los pasos a seguir en el proceso de simulacin van a ser descritos con detalla basndose en la realizacin de algunos anlisis sobre el circuito de la Fig. 2.

2.1 Paso 1: Creacin del Circuito con Schematics 2.1.1 Creacin de un nuevo esquema

Para la creacin de un nuevo esquema seguir los siguientes pasos:

1) Arrancar la aplicacin Schematics.

2) Por defecto se abre una hoja en blanco donde poder dibujar nuestro circuito, salvar el circuito con el nombre deseado en la ubicacin deseada.

La pantalla que nos aparecer tendr un aspecto similar al mostrado en la Fig. 3. En la misma pueden verse los mens, las barras de botones agrupadas por funcin. Dejando el cursor del ratn encima de cada botn, se muestra el tool tip correspondiente al mismo, indicando abreviadamente la funcin que realiza el mismo.

2.1.2 Colocacin de los componentes Para colocar los componentes necesitamos conocer las herramientas de que dispone la aplicacin as como de las libreras de

componentes que acompaan a la versin que estamos tratando. En dichas libreras existen suficientes componentes como para enfrentarse a todos los diseos que vamos a realizar a lo largo del curso. Para colocar todos los componentes que hay en el circuito de la Fig. 2 es necesario seguir los siguientes pasos:

1) Para seleccionar un componente a ubicar en el esquema, seleccionar del men Draw->Get New Part. Los atajos de teclado y los botones en las barras de botones son alternativas interesantes a la hora de acelerar el proceso de descripcin del circuito completo. En este caso el atajo de teclado es la combinacin Ctrl+G. Aparecer una pantalla similar a la que puede observarse en la Fig. 4. En la misma se puede escribir en el campo de nombre parte del nombre del componente, disminuyendo as la lista de componentes coincidentes y facilitando por tanto la seleccin del mismo. Si est la ventana expandida, se ver tambin un esquema del componente que puede ayudar a su identificacin.


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Fig. 3. Pantalla de Schematics al arrancar la aplicacin

Fig. 4. Ventana emergente para la seleccin de un nuevo componente. Sin expandir (Basic) y expandida (Advanced)


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2) Al seleccionar el componente deseado se puede optar por varias opciones, normalmente, la ms conveniente es Place&Close que hace que la ventana de seleccin de componentes se cierre y aparece el componente seleccionado en el rea de dibujo de modo que podemos ubicarlo donde deseemos mediante el ratn. Una vez tengamos ubicado el componente en el lugar deseado se pulsa el botn principal del ratn para colocarlo definitivamente. Por defecto aparecer en pantalla un nuevo componente idntico a colocar, por lo que si necesitamos colocar varios componentes idnticos tan slo tendremos que ubicarlo y pulsar de nuevo el cotn principal del ratn. Cuando ya no deseemos colocar ms componentes del mismo tipo podremos salir del comando colocar pulsando el botn secundario del ratn.

3) Si necesitamos girar o reflejar el componente podemos hacerlo mediante los comandos correspondientes del men de edicin o los atajos de teclado correspondientes.

4) Si una vez colocado un componente, necesitamos moverlo, es posible hacerlo seleccionndolo con el cursor del ratn y el botn principal del mismo mientras arrastramos con el ratn.

2.1.3 Conexin de los componentes Una vez colocados todos los componentes en su lugar aproximado en el rea de dibujo de la aplicacin Schematics, hay que

proceder a su conexionado. El comando de conexionado est en el men de dibujo (Draw), y se selecciona mediante Draw->Wire. Tambin tiene atajo de teclado Ctrl+W y botn correspondiente en la barra de botones.

2.1.4 Especificacin de valores y nombres Cada componente tiene una serie de propiedades fijas y otras editables. Las propiedades editables ms importantes son el

nombre del componente y el valor del mismo. Haciendo doble clic sobre el dibujo del componente aparece una ventana como la de la Fig. 5. En dicha ventana aparecen marcadas con un asterisco las propiedades que no podemos modificar, siendo el resto editable. Evidentemente, las propiedades cambian de un componente a otro, ya que las mismas describen parmetros del modelo de estos.

Fig. 5. Ventana de propiedades de un componente

Los nudos del circuito son nombrados de modo secuencial, de modo que para la posterior visualizacin de los resultados resulta conveniente nominar los nodos con nombres especficos para facilitarnos posteriormente el proceso de identificacin de las seales. Para nombrar un nudo basta con hacer doble clic en un trozo de cable correspondiente a dicho nudo y escribir el nombre. Posteriormente en el listado de variables de los resultados de la simulacin aparecer dicho nudo con el nombre especificado por lo que nos ser mucho ms fcil su localizacin.


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2.2 Paso 2: Configuracin de la simulacin Como ya se ha comentado, PSPICE tiene la capacidad de realizar deferentes tipos de anlisis. Cada uno de ellos necesita de

una serie de parmetros para ser realizados del modo en que deseamos, siendo la configuracin de la simulacin, la especificacin de cada uno de esos parmetros.

2.2.1 BIAS o Punto de funcionamiento Este anlisis determina el punto de funcionamiento en DC de un circuito, es decir, determina el rgimen permanente de un

circuito DC. Su configuracin se realiza a travs del comando Analysis->Setup o mediante el botn correspondiente de la barra de botones. Al activar la configuracin de los anlisis, aparece una ventana como la de la Fig. 6, en la misma hay una casilla de habilitacin para cada anlisis, as como un botn para acceder a los parmetros de cada uno de ellos.

Fig. 6. Ventana de configuracin de los anlisis

El anlisis de punto de funcionamiento no tiene parmetros, por lo que si pulsamos el botn correspondiente no aparecer ninguna otra ventana que nos permitiese cambiar los mismos.

Una vez definido el anlisis, procedemos a la realizacin de la simulacin mediante Anlisis->Simulate o la tecla F11. Automticamente aparecer una ventana vaca al finalizar la simulacin. Esta ventana es la correspondiente a Probe, es decir, a aplicacin que nos permite visualizar todos las variables que han resultado de la simulacin, sin embargo, en el caso del anlisis de punto de funcionamiento, no podemos visualizar los datos mediante Probe, ya que no son curvas, sino valores numricos. En este caso el modo ms adecuado de hacerlo es mediante el propio editor de esquemas.

Fig. 7. Resultados del anlisis sobre el propio esquema


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La Fig. 7 muestra los resultados del anlisis sobre el propio esquema, estando en verde los resultados en tensin y en azul los resultados en corriente. Para visualizar dichos resultados se han pulsado los botones rodeados por un recuadro rojo. La visualizacin. Es importante puntualizar que la corriente slo se puede mostrar en un terminal de componente y que siempre indica la corriente que fluye hacia ese terminal.

2.2.2 DC SWEEP El barrido de continua es en realidad un anlisis paramtrico de DC, es decir, es un anlisis de DC para cada valor que toma

el parmetro, que en este caso es el valor de una fuente independiente de continua. Si abrimos la configuracin del anlisis DC SWEEP aparece una ventana como la que puede verse en la Fig. 8.

Fig. 8. Ventana de configuracin del anlisis DC SWEEP

Como se ver posteriormente, esta ventana es idntica a la de configuracin de cualquier anlisis paramtrico, la nica diferencia con el resto de anlisis paramtricos reside en que no es necesario activar el anlisis de punto de funcionamiento, este anlisis lo hace de modo automtico.

Una vez configurado el anlisis, se puede realizar la simulacin (F11) apareciendo de nuevo automticamente al ventana de la aplicacin Probe que nos permitir ver los resultados. Ahora s aparece un juego de ejes donde el eje de abcisa corresponde al rango de barrido del valor de la fuente de continua que hemos usado como parmetro, puesto que con este anlisis lo que pretendemos es ver cmo evoluciona el punto de funcionamiento en funcin del valor de la fuente que hemos usado como parmetro.

Fig. 9. Interfaz que permite aadir curvas a la ventana de visualizacin de Probe


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Existen varios modos de aadir variables a la ventana de visualizacin. Una opcin es mediante el men, Trace->Add Trace. Aparecer una ventana como la de la Fig. 9 en la que se puede ver resaltada con un recuadro en rojo la zona donde debemos escribir la expresin de la curva que queremos representar. El modo ms cmodo de hacerlo es mediante las dos ventanas que hay, seleccionando directamente de las variables o de la ventana de funciones aquellas variables u operaciones sobre las mismas.

Otro modo, muy cmodo, es indicar, sobre el esquema, la o las variables a representar mediante la ayuda de los marcadores. En la Fig. 10 se muestra dnde est el men, botones y el marcador ubicado a modo de ejemplo correspondientes.

Fig. 10. Indicacin de variables a visualizar directamente desde el esquema

Una vez visualizados los datos en la ventana de Probe, es posible usar los cursores para analizar de un modo ms cmodo y exacto los resultados. Los cursores se pueden activar desde el men, Trace->Cursores->Display, o mediante el botn de la barra correspondiente. Hay dos cursores, uno se maneja con el botn primario del ratn y el otro con el secundario. Tambin es posible especificar sobre qu curva se desplaza cada cursor usando el botn de ratn correspondiente sobre el marcador de la curva sobre la que deseemos colocar el cursor.

Fig. 11. Ventana de Probe con dos curvas y un cursor sobre cada curva


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En la Fig. 11 se observan dos curvas, el modo de activar los cursores y la ventana de indicacin numrica de la posicin de los cursores. A1 es el cursor principal y A2 el secundario. Para cada uno de ellos estn disponibles los valores de abcisa y ordenada del punto en el que se encuentran as como la diferencia entre las abcisas y ordenadas de los mismos. Existen utilidades de bsqueda para los cursores, con ellas podemos encontrar mximos locales y absolutos sobre las curvas, puntos de inflexin, pasos por cero, etc Estas utilidades nos ayudan a determinar medidas sobre las curvas con mayor precisin que la de la vista y es importante a la hora de reflejar resultados en los cuestionarios de las prcticas.

2.2.3 Anlisis transitorio (TRANSIENT) Cuando las variables del circuito son variables en el tiempo, es decir, no alcanzan un valor fijo que se mantiene, es necesario

la realizacin de un anlisis de este tipo para observar su evolucin en el tiempo. Esto ocurre de modo general en los circuitos de AC y en modo particular en los circuitos de DC donde cambia alguna condicin o configuracin del circuito.

Para la ilustracin de este anlisis vamos a usar el circuito de la Fig. 12, en el que se ha incluido un interruptor que se cierra en un instante determinado. Intentamos determinar la evolucin temporal de las formas de onda cuando cambia la configuracin del circuito debido a que se cierra el interruptor.

Fig. 12. Circuito usado para el anlisis transitorio

Tendremos que configurar los parmetros del anlisis, que a modo de ejemplo pueden verse en la Fig. 13, en la misma aparecen muchos campos vacos, debido a que no todos los parmetros son necesarios. Los parmetros principales para este tipo de anlisis son el Final Time y el Step Ceiling, el primero corresponde al periodo de tiempo que se va a simular, mientras que el segundo corresponde al paso de integracin de las ecuaciones a la hora de resolver el circuito.

Fig. 13. Configuracin de parmetros para el anlisis transitorio


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La Fig. 14 muestra el resultado del anlisis sobre la tensin Vout y la corriente por el condensador C2. Se observa que aparecen en grficas distintas. Esto es muy til cuando queremos visualizar simultneamente variables de muy distinto orden de magnitud. Es posible aadir nuevos grficos a la ventana de Probe mediante el men, Plot->Add Plot to Window, posteriormente se aaden las curvas deseadas al grfico que se seleccione.

Fig. 14. Visualizacin de los resultados del anlisis transitorio con dos grficos

Como se ha comentado, el anlisis transitorio ser el que naturalmente usemos cuando queramos estudiar el comportamiento de un circuito en AC, porque en el rgimen permanente senoidal, las variables no tienen valores constantes sino sinusoidales y van cambiando con el tiempo. Si al circuito de la Fig. 2 le cambiamos la fuente de tensin de continua por una de alterna, obtenemos el circuito de la Fig. 15. Un anlisis transitorio sobre el mismo arroja los resultados que pueden verse en la Fig. 16 para las ondas de tensin a la entrada y salida del circuito.

Fig. 15. Estudio de circuito AC mediante anlisis transitorio


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Fig. 16. Resultados del anlisis transitorio sobre el circuito AC

2.2.4 AC SWEEP En el ltimo ejemplo, se ha observado cmo un rgimen permanente senoidal se caracteriza por una influencia sobre la

amplitud de las seales as como sobre la fase respecto de una seal sinusoidal que se considera el estmulo del circuito. Puesto que en rgimen senoidal, las impedancias de los componentes dependen de la frecuencia, es fcil suponer que el efecto sobre la amplitud y la fase de las seales dependa de la frecuencia. El anlisis de barrido de AC, es bsicamente, un estudio en el que se analiza la influencia sobre la amplitud y la fase de las seales cuando se cambia la frecuencia. Por lo dicho anteriormente, ofrece la informacin necesaria del rgimen permanente senoidal para cada frecuencia. Puesto que analiza el comportamiento de un circuito haciendo un barrido en frecuencia, frecuentemente se le denomina a este anlisis Anlisis de respuesta en frecuencia y es muy comnmente usado en el anlisis de circuitos de aplicacin al filtrado de seales.

En la Fig. 17 se muestra la ventana de configuracin de este anlisis en el que se puede observar que el barrido se realiza por dcadas indicando el rango del mismo. No es necesario especificar la fuente sobre la que se hace el barrido, ya que las fuentes tienen un parmetro que especifica la amplitud a usar en este anlisis, de modo que si la tienen especificada, PSPICE entiende que es sobre dichas fuentes sobre las que se desea realizar el barrido.

Fig. 17. Configuracin del barrido en AC

Usando el circuito de la Fig. 15 y haciendo el barrido en la frecuencia de la fuente V3 se puede determinar la respuesta en frecuencia del mismo. Estos resultados se muestran el la Fig. 18. En la misma, se observa la escala logartmica del eje de abcisas como es habitual en estos casos. Se puede observar que la ganancia est expresada en decibelios. Desde el men Markers de Schematics es posible ubicar marcadores de este tipo que son los habituales en este tipo de estudio.


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Fig. 18. Respuesta en frecuencia del circuito

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