OrCAD 9.1 Análisis y Diseño de Circuitos Analógicos Asistido por Computadora

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1 OrCAD 9.1 Análisis y Diseño de Circuitos Analógicos Asistido por Computadora Mauricio Espinoza B. Versión

2 Contenido 1 Consideraciones Técnicas Obtención del Software Límites de la Versión para Estudiantes de OrCAD/PSpice Instalación del Software Agregado de Archivos de Librerías Convención Sobre Unidades y Factores de Conversión 9 2 Creación de Circuitos con Capture Inicio del Proyecto Paleta de Herramientas de Capture Instalación de Librerías Librerías más Comunes Elección de Partes Edición de Propiedades de los Dispositivos Fuentes de Voltaje Dispositivos Especiales Amplificadores Acopladores Magnéticos Bloques Aritméticos Transformadores Interruptores Controlados por Tiempo Manipulación de Componentes Conexión de Partes Potencial de Referencia Variación de Parámetros Optimización de Diseños Pines de Tensión Pines de Conexión entre Páginas Uso de Etiquetas 29 3 Simulación de Circuitos con PSpice Barra de Simulación de Capture Análisis Primarios Análisis en el Dominio del Tiempo: Barras de Herramientas de PSpice y Manipulación del Área de Simulación Barrido de DC: Definición de Parámetros y Trazado de Gráficas Barrido de Frecuencia: Marcadores Avanzados (Gráficas de Bode), Uso de Cursores y Copiado a Textos Análisis del Punto de Polarización Análisis Secundarios Monte Carlo/Worst Case: Definición de Tolerancias y Uso de Etiquetas Barrido Paramétrico y Análisis Rápido de Fourier 57 4 Referencias Bibliográficas 62 2

3 Índice de Figuras Figura 1: Extracción de los archivos de OrCAD/PSpice 7 Figura 2: Selección de los archivos a instalar 8 Figura 3: Ruta de la instalación 8 Figura 4: Datos finales de la instalación 9 Figura 5: Ventana inicial de Capture 10 Figura 6: Ventana de proyecto nuevo 11 Figura 7: Ventana de datos de un proyecto 12 Figura 8: Ventana de diseño de OrCAD Capture 12 Figura 9: Ventana de partes sin librerías instaladas. 14 Figura 10: Ventana del editor de propiedades 16 Figura 11: Ventana de propiedades de exhibición 17 Figura 12: Fuentes de voltaje más comunes 19 Figura 13: Amplificadores ideales de Capture 19 Figura 14: Acoplador magnético 20 Figura 15: Componentes aritméticos de Capture 20 Figura 16: Transformador conectado correctamente 21 Figura 17: Interruptores controlados por tiempo 22 Figura 18: Cableado falso en un circuito 23 Figura 19: Conexión del cableado verdadera 23 Figura 20: Ventana de potencial de referencia 24 Figura 21: Parte de potencial de referencia 24 Figura 22: Editor de modelos OrCAD/PSpice 25 Figura 23: Curva vi del 2N3819 para VTO = Figura 24: Curva vi del 2N3819 para VTO = -3 (Valor nominal) 26 Figura 25: Circuito no optimizado 28 Figura 26: Circuito optimizado por medio de pines de tensión 29 Figura 27: Circuito pasa banda pasivo 30 Figura 28: Circuito resistivo 30 Figura 29: Ventana de nueva simulación 31 Figura 30: Opciones de simulación 32 Figura 31: Opciones de simulación en el dominio del tiempo 33 Figura 32: Ventana de simulación PSpice 35 Figura 33: Marcador de nivel de potencial 35 Figura 34: Voltaje de entrada del circuito pasa banda 36 Figura 35: Medición de dos variables en un mismo circuito 36 Figura 36: Corriente y voltaje de entrada del circuito pasa banda 37 Figura 37: Variables eléctricas de un mismo circuito en dos ejes distintos 38 Figura 38: Variables eléctricas de un mismo circuito en dos impresiones distintas 38 Figura 39: Definiendo opciones de simulación en el barrido de DC 40 Figura 40: Corriente en la resistencia en función del voltaje de entrada 41 Figura 41: Nuevo divisor de voltaje 41 Figura 42: Parte PARAM 41 Figura 43: Circuito resistivo para barrido en DC 42 Figura 44: Opciones de simulación para un barrido en DC 42 Figura 45: Ventana de añadido de trazas 43 Figura 46: Potencia en la resistencia R4 en función de la resistencia R3 44 Figura 47: Circuito pasa banda para análisis en frecuencia 45 Figura 48: Opciones del barrido en frecuencia 46 Figura 49: Salida del circuito pasa banda en función de la frecuencia de entrada 47 Figura 50: Ventana de simulación con cursores activos 47 Figura 51: Valor máximo del voltaje de salida en el circuito pasa banda 48 Figura 52: Magnitud en decibelios del voltaje de salida en el circuito pasa banda 49 Figura 53: Diagrama de Bode completo del circuito pasa banda 49 3

4 Figura 54: Ventana de copiado a texto 50 Figura 55: Copiado a texto de un diagrama de Bode en magnitud 51 Figura 56: Polarización de un circuito resistivo 52 Figura 57: Movilización de las señales de polarización 52 Figura 58: Circuito pasa banda para análisis de tolerancias 54 Figura 59: Opciones de simulación para el análisis Monte Carlo 55 Figura 60: Ventana de habilitación de curvas 56 Figura 61: Variación de las frecuencias de corte en bajo a partir de la tolerancia de los dispositivos 56 Figura 62: Circuito resistivo para análisis paramétrico 57 Figura 63: Opciones de simulación del barrido paramétrico 58 Figura 64: Salida del circuito resistivo en función de R3 59 Figura 65: Pantalla de información 59 Figura 66: Espectro de frecuencia de una onda cuadrada 60 Figura 67: Aproximación de una onda cuadrada por medio de ondas senoidales superpuestas 61 4

5 Índice de Tablas Tabla 1: Factores de conversión 10 Tabla 2: Componentes de la paleta de herramientas de OrCAD Capture 13 Tabla 3: Siglas de partes importantes 15 Tabla 4: Parámetros de los semiconductores de OrCAD/PSpice 27 Tabla 5: Botones de la barra de simulación de Capture 31 Tabla 6: Botones de las Barras de Herramientas Especiales de PSpice 34 Tabla 7: Funciones matemáticas de PSpice 44 5

6 1 Consideraciones Técnicas Antes de comenzar con el proceso de creación y simulación de circuitos electrónicos es necesario leer esta sección, de lo contrario se pueden tener algunos problemas al momento de utilizar el paquete de software o al seguir el orden que se utilizará para exponer los temas en este documento. 1.1 Obtención del Software Aunque existen versiones más avanzadas del paquete de software OrCAD, en su adaptación de evaluación, todo este documento se basará en la versión 9.1. Esto se debe a que es esta versión la disponible en la página electrónica de la Escuela de Ingeniería Eléctrica. Las versiones actuales de este programa están disponibles en la página sin embargo, estas no tienen diferencias significativas con la versión 9.1. La versión 9.1 puede ser hallada en la página en la sección de recursos/software. El archivo a bajar se llama 91pspstu y tiene un tamaño de 27.2Mb. También es necesario adquirir las librerías de PSpice en la página Web groups.google.co.cr/group/electroucr. Estas librerías incluyen gran cantidad de componentes que se utilizarán para las prácticas de simulación que la versión 9.1 para estudiantes no posee. Las librerías están contenidas en el archivo Librerías de PSpice 1 Ambos archivos deben ser copiados en una misma carpeta (se recomienda hacerlo en la carpeta OrCAD y PSpice ). 1.2 Límites de la Versión para Estudiantes de OrCAD/PSpice El paquete de software de OrCAD/PSpice es sumamente funcional en comparación con otros programas de simulación de circuitos en su versión demo (TINA y Circuit Maker, por ejemplo), ya que permite guardar los proyectos de simulación y realizar gráficas de varios tipos de análisis de una forma muy fácil y rápida. Además, sabiéndolos usar, Capture y PSpice pueden ser utilizados como herramientas en otros campos que tienen que ver nada o poco con la simulación de circuitos, como por ejemplo; análisis de sistemas y como simuladores de funciones matemáticas. Los principales límites de la versión demo para estudiantes son: Para la simulación de circuitos analógicos y digitales: o No se pueden simular circuitos con más de 64 nodos. o No se pueden utilizar más de 8 transistores. o Los circuitos digitales no pueden sobrepasar los 65 dispositivos digitales. o Se tiene un máximo de 10 líneas de transmisión (no es lo mismo que el cableado) Para la creación de circuitos analógicos y digitales: 1 Mi más sincero agradecimiento al profesor Peter Zeledón Méndez por permitirme utilizar tan valioso material. 6

7 o o o Las librerías incluyen 39 componentes analógicos y 134 componentes digitales (Con esta guía se incluirán dos librerías que incluyen mucho más componentes) Sólo se pueden salvar archivos con un máximo de 60 componentes. No se pueden salvar librerías con más de 15 componentes. En la mayoría de los casos estas restricciones no intervienen en el proceso de diseño. 1.3 Instalación del Software Una vez obtenido el archivo 91pspstu éste debe ser colocado en la carpeta en la que se desea instalar el software (Aquí se hará en una carpeta llamada OrCAD y PSpice ). Luego de abrirlo aparecerá la ventana presentada en la Figura 1, esta ventana ya tiene una ruta preestablecida para extraer los archivos de instalación. Figura 1: Extracción de los archivos de OrCAD/PSpice Si no se conoce, o no se entiende la ruta ya establecida es posible copiar y pegar una nueva ruta. Si esto se hace, se recomienda copiar la ruta en donde se colocó el archivo 91pspstu (por ejemplo; C:\Archivos de programa\orcad y PSpice ) y pegarla en el espacio brindado para ello. Al presionar la opción Unzip de inmediato se descomprimirán los archivos de instalación en la ruta seleccionada. Abriendo el archivo Setup comenzará el proceso de instalación. Se solicitará que cualquier antivirus sea deshabilitado (esto no suele ser necesario), luego, se preguntará si se es el administrador del equipo, es imprescindible elegir la opción Sí, de lo contrario el proceso se cancelará. Al elegir la opción Sí se desplegará la ventana que se muestra en la Figura 2, se puede seleccionar sólo la primera casilla para que la instalación sea liviana pero funcional 2. 2 Al elegir la segunda casilla también se instalará un programa especial para dibujar circuitos, sin embargo, lo mismo se puede hacer instalando Capture. 7

8 Figura 2: Selección de los archivos a instalar Seleccionando Next y presionando la opción Browse en la próxima pantalla, se debe pegar de nuevo la ruta de la carpeta en donde se desea que se lleve a cabo la instalación, tal y como se aprecia en la Figura 3. Presionando OK y luego Next aparecerá otra pantalla, al completar la información que se solicita (nombre del acceso directo y cosas por el estilo) y seleccionando Next, debe aparecer la pantalla de la Figura 4. Figura 3: Ruta de la instalación 8

9 Figura 4: Datos finales de la instalación Al seleccionar Next comenzará el proceso de instalación, esto durará alrededor de un minuto. Cuando el proceso haya finalizado se desplegará una última pantalla. Para leer el documento de Notas aclaratorias selecciónese la opción Finish, o deshabítese la casilla de selección y presiónese Finish para no hacerlo (La mayoría de la información que se presenta en estas notas no es relevante y la que sí lo es se a incluido en esta guía). 1.4 Agregado de Archivos de Librerías Junto con el software se deben instalar las librerías que se suministraron. Las librerías son conjuntos de partes con alguna característica en común (por ejemplo: una librería puede contener todos los componentes creados por un mismo fabricante). El primer paso para la instalación de librerías (de una forma ordenada) es el agregado de los archivos que las conforman, para ello se debe acceder a la carpeta en donde fue colocada la carpeta Librerías. Al abrirla y descomprimir los dos archivos que se encuentran en ella (Librerías_1 y Librerías_2) aparecerán los archivos que conforman las librerías. Éstos deben ser cortados y pegados en la siguiente ruta: C:\Archivos de programa\ OrCAD y PSpice \Capture\ Library\PSpice. Con ello, se consultará si se desean reemplazar los archivos ya existentes por los archivos nuevos, se debe presionar Si a todo para que los archivos nuevos se copien. Con esto se ha finalizado el proceso de agregado (no de instalación) de librerías. 1.5 Convención Sobre Unidades y Factores de Conversión Todos los programas que forman el paquete de simulación OrCAD/PSpice cuentan con una propiedad en común: no es necesario especificar el valor de las unidades que definen el tipo 9

10 de variable eléctrica. Por ejemplo; si en una determinada casilla, destinada para colocar el valor de un de voltaje, corriente resistencia etc., se introduce solamente el número 1, automáticamente todos los programas de OrCAD/PSpice tomarán ese valor y lo transformarán al valor de 1V, 1A, 1Ω según sea el caso. Sin embargo, no existe problema alguno si el valor del número que se ingresa está acompañado de su respectiva unidad, pero si se debe tener la precaución del cómo se escribe esa variable. Por otra parte, en lo que respecta a la versión 9.1 de OrCAD/PSpice, la notación de los factores de conversión es como se muestra en la Tabla 1. Tabla 1: Factores de conversión Nombre Símbolo Conversión Nombre Símbolo Conversión Femto f Kilo k 3 10 Pico p Mega Meg Nano n 9 10 Giga G 9 10 Micro µ 6 10 Tera T Mili m Creación de Circuitos con Capture De todos los programas que incluye la versión para estudiantes de OrCAD/PSpice es Capture el más importante, puesto que en él se realizan todos los circuitos a simular, se modifican parámetros y se crean nuevas partes. Éste programa puede ser activado abriendo el menú inicio y seleccionando PSpice Student y luego Capture Student, de inmediato aparecerá la pantalla que se muestra en la Figura 5. En ella aparece una ventana interna llamada Session Log esta ventana no se puede cerrar, ni funciona directamente en la creación de circuitos, pero si es muy útil cuando ocurre algún error en la simulación, ya que en ella se presentan ciertas causas de éste. Figura 5: Ventana inicial de Capture 3 Las versiones de OrCAD posteriores a la 9.1 utilizan el símbolo M en lugar de Meg para denotar este factor. 10

11 2.1 Inicio del Proyecto Para iniciar un proyecto de simulación se debe presionar en el menú superior File/New/Proyect, desplegándose con ello la ventana que se muestra en la Figura 6. Figura 6: Ventana de proyecto nuevo Es importante asegurarse que la opción Analog or Mixed A/D esté seleccionada, de lo contrario no se podrá simular el circuito a realizar. Después de darle nombre al proyecto en la casilla Name (el cual no debe incluir letras tildadas, puesto que éstas no son reconocidas por el programa de simulación) se debe determinar adónde se guardarán los archivos que se crearán en la celda titulada Location, como son varios archivos, se recomienda que cada proyecto sea guardado en una carpeta aparte. Después de completar el nombre y la locación del proyecto se preguntará si éste debe ser basado en un proyecto anterior o en uno ya existente (en ese caso el proyecto nuevo será una copia del proyecto base, la única diferencia es que éste tendrá otro nombre establecido por el usuario), como no se cuenta con algún proyecto previo se debe elegir la opción Create a blank project y presionar OK. Posteriormente aparecerá la ventana de datos del proyecto, extendiéndola tal y como se muestra en la Figura 7 y presionando dos veces la casilla PAGE 1 aparecerá la ventana de diseño de OrCAD Capture, la cual se muestra en la Figura 8. 11

12 Figura 7: Ventana de datos de un proyecto Figura 8: Ventana de diseño de OrCAD Capture 12

13 2.2 Paleta de Herramientas de Capture Todas las barras de herramientas de Capture son semejantes a las que se utilizan en los programas convencionales, a excepción de la paleta de herramientas y la paleta de simulación. En este momento se tratará sólo la paleta de herramientas, ya que ésta se utiliza en la creación de circuitos, dejando la paleta de simulación para ser tratada más adelante. En la Tabla 2 se presenta un resumen de la función que cumplen los principales botones de esta paleta, la cual se encuentra en la sección derecha del área de diseño. Si ésta paleta no aparece al abrir el área de diseño ésta debe ser presionada con el botón izquierdo del mouse. Tabla 2: Componentes de la paleta de herramientas de OrCAD Capture Símbolo Nombre 4 Selección Función Rápida Selección -- Cumple las mismas funciones de un Mouse estándar. Parte P Abre la ventana de partes, este botón se utiliza también para instalar las librerías. Cableado W Coloca un sólo cable de conexión. Etiqueta N Crea Etiquetas para el análisis gráfico. Unión J Crea un nuevo nodo en cables que se cruzan. Pin -- Crea diferentes tipos de pines de conexión de Potencial. Referencia G Planta una referencia de potencial a tierra. Interconexión -- Interconecta páginas diferentes del mismo proyecto. Dibujo y Texto -- Insertan diferentes figuras geométricas además texto. 2.3 Instalación de Librerías Al construir un dispositivo electrónico es necesario elegir los componentes a utilizar, para ello se presiona el botón Parte (ver Tabla 2) apareciendo la ventana mostrada en la Figura 9. Como se mencionó anteriormente, todos los componentes con los que se cuenta para construir un circuito son divididos en archivos llamados librerías. Si es la primera vez que Capture es utilizado no aparecerán datos referentes a las librerías instaladas en la lista titulada Libraries a excepción de la librería Design Cache. Esta librería contiene las partes que se utilizan en un diseño y no puede ser desinstalada. Para instalar las librerías se debe presionar el botón Add Library. Así, se abrirá una nueva ventana, al elegir todos los archivos presentes en ésta y seleccionar Abrir la lista titulada Libraries se llenará de datos que representan el nombre de todas las librerías instaladas. 4 Este es el nombre con el que se hará referencia al respectivo botón en este texto. 13

14 Sólo es necesario realizar el proceso de instalación de librerías una vez, por lo que no es requiere repetirlo cada vez que se crea un diseño. Figura 9: Ventana de partes sin librerías instaladas Librerías más Comunes Este paquete de Software cuenta con la muy útil capacidad de poder aumentar la cantidad de partes con las que se cuenta para los diseños agregando librerías nuevas. De hecho ya se ha hecho uso de esta capacidad al instalar las librerías que se brindaron. Entre las librerías más comunes y útiles se encuentran: ABM: Cuenta con varios bloques de construcción para diagramas de bloques (Función semejante a la que cumple Simulink, VisSim o Scilab) además de filtros para señales y bloques que permiten la manipulación algebraica de impulsos tales como multiplicación, suma y funciones trigonométricas. ADV_LIN, ANLG_DEV, APEX, BURR_BRN, COMLINR, JOPAMP: Todas estas librerías tiene gran cantidad de amplificadores operacionales. ANALOG: Contiene los principales componentes de construcción de circuitos lineales, tales como: capacitores, inductores, amplificadores ideales, transformadores, resistencias entre otros. BIPOLAR, CEL, DARLNGTN, EPWRBJT, JBIPOLAR: Cuenta con varios tipos de transistores BJT y configuraciones de estos. JFET, JJFET, JPWRMOS: Contiene gran cantidad de transistores FET. 14

15 DIODE: Varios diodos de distintos tipos se encuentran en esta librería. BREAKOUT: En ella se encuentran varios dispositivos que se hallan en otras librerías, la diferencias es que estos se suelen utilizar para variar sus parámetros. 2.4 Elección de Partes Los dispositivos en Capture son nombrados a partir de una inicial que los distingue, luego sigue el nombre comercial del componente si es que lo tiene. En la Tabla 3 se muestran algunas siglas de los componentes más importantes. Algunos dispositivos que son meramente comerciales que estén incluidos en esta tabla pueden tener siglas distintas, por ejemplo, el código de parte del diodo comercial BA204 no comienza con la letra D. Para seleccionar una parte y colocarla en el área de diseño sólo se debe escribir su código en el apartado Part (Figura 9) y presionar OK. También es posible seleccionar la parte en la lista de partes utilizando el mouse y presionando doble clic. Además, en la esquina inferior derecha de la ventana de partes aparecerá una ilustración de la parte seleccionada. Cuando se coloque una parte en el área de diseño ésta se presentará con su símbolo y su respectiva sigla, en el caso de que dos o más elementos con la misma sigla sean colocados en el área de trabajo se diferenciaran automáticamente, puesto que Capture coloca un número después de la sigla del dispositivo, así, cuando una fuente de voltaje sea colocada su nombre será V1 y cuando otra sea también colocada su nombre será V2. Tabla 3: Siglas de partes importantes Nombre del Dispositivo Clave Tipo de Modelo 5 Fuente de voltaje V -- Fuente de corriente I -- Resistencia R RES Capacitor C CAP Inductor L IND Transformador X -- Amplificador de voltaje E -- Amplificador de corriente F -- Amplificador de transconductancia G -- Amplificador de transimpedancia H -- Diodo D D BJT Q PNP, NPN MOSFET M PMOS, NMOS JFET J PJF, NJF Acoplamiento magnético K -- Definidor de parámetros PARAM -- Interruptores controlados por tiempo SW -- 5 Véase la sección para mayor información. 15

16 2.4.1 Edición de Propiedades de los Dispositivos Cada componente está definido por una serie de propiedades (valor de capacitancia, amplitud de una señal, periodo de un pulso, etc.), las cuales pueden ser modificadas para que el dispositivo desempeñe distintas funciones. En caso de que estas propiedades se muestren cuando el dispositivo se incluye en el área de diseño sólo es necesario presionar doble clic sobre la propiedad y cambiar su valor en la ventana que se abrirá. Por ejemplo, el valor predeterminado de una resistencia es de 1kΩ (1k), para cambiar este valor sólo se le debe presionar con doble clic cambiarlo por el valor deseado en la pequeña pantalla que aparecerá. Para modificar las propiedades de un dispositivo que no se muestran cuando éste es colocado basta con seleccionar todo el dispositivo con doble clic, con ello se abrirá la ventana del editor de propiedades (Figura 10). Por lo general, son los campos que tienen un achurado de rayas inclinadas los que se pueden modificar o llenar (dependiendo de la modificación que se la haga a los campos puede que el dispositivo no funcione correctamente). Además, si se desea, se pueden desplegar las columnas de propiedades en el área de trabajo. Para llevar a cabo esta operación se abre la ventana del editor de propiedades, se selecciona la columna que se quiere desplegar con el botón izquierdo del mouse y se vuelve a seleccionar con el botón derecho, en el pequeño menú que se abrirá se debe seleccionar Display, de esta manera se abrirá la ventana de propiedades de exhibición (Figura 11), en ella se debe cambiar la opción Do Not Display por la opción más conveniente dependiendo de los requerimientos del diseño o del diseñador. Figura 10: Ventana del editor de propiedades 16

17 Figura 11: Ventana de propiedades de exhibición Fuentes de Voltaje Las fuentes de voltaje de Capture son capaces de realizar una gran cantidad de ondas de voltaje, y en su mayoría están reunidas en la librería Source. Como es de esperar, todas estas fuentes cumplen con la convención activa y responden a la sigla V. Aquí se verán los principales tipos de fuentes de tensión y sus propiedades, las cuales, pueden modificarse seleccionando la parte, colocándola en el área de diseño y dando doble clic sobre la propiedad respectiva, si es que aparece, o accediendo al menú del editor de propiedades y cambiarla directamente. Fuente de onda senoidal: Nombre de parte vsin. Crea una onda de voltaje de la forma: Ae α ( t β ) Sin[ 2πf ( t β ) + θ ] + B, t 0 De todas sus propiedades sólo tres son mostradas automáticamente. Estas son: VOFF: Indica el nivel de voltaje DC de la onda ( B ). VAMPL: Determina la amplitud de la onda senoidal ( A ). FREQ: Establece la frecuencia de la onda ( f ). Como se mencionó antes, las otras tres propiedades se pueden modificar en la ventana del editor de propiedades (Figura 10). Estas propiedades tiene un valor predeterminado de 0 y no existe problema alguno si no se modifican (en la mayoría de los casos no se hace). Ellas son: TD: Indica el tiempo de retardo (inactividad) que tiene la onda a partir del tiempo 0 ( β ). PHASE: Establece la fase de la onda. A partir de esta propiedad se pueden obtener tanto ondas seno como coseno (θ ). 17

18 DF: Indica la constante de frecuencia de la envolvente exponencial de la onda. Esta propiedad es el inverso de la constante de tiempo en una exponencial normal. Si su valor es cero se obtiene una onda senoidal pura (α ). Fuente de voltaje DC: Nombre de parte vdc. Crea una señal de voltaje meramente constante. Sólo tiene una propiedad: Vdc: Nivel DC de la onda de voltaje (Predeterminado 0Vdc) Fuente de pulsos: Nombre de parte vpulse. Crea ondas cuadradas, rectangulares, diente de sierra, trapezoidales, entre otras. Sus propiedades son: V1: Voltaje de estado alto. V2: Voltaje de estado bajo. TD: Tiempo que se mantiene el estado alto antes de comenzar a oscilar. TR: Tiempo que tarda la onda en subir. TF: Tiempo que tarda la onda en bajar. PW: Tiempo que tarda la onda en el estado alto (Con el voltaje V1). PER: Periodo de la onda. Para obtener ondas cuadradas se recomienda: TR = TF = PER /1000 Fuente de voltaje a frecuencia variable: Nombre de parte vac. Esta fuente entrega una onda con amplitud constante (su forma no esta definida) pero que varía su frecuencia. Se utiliza para conocer la respuesta en frecuencia de un determinado circuito realizando un barrido de frecuencia. Sus propiedades son: Vac: Amplitud de la onda AC (Predeterminado 1Vac). Vdc: Nivel de DC de la onda (Predeterminado 0Vdc). Por lo general no es necesario cambiar estas propiedades. Fuente de voltaje de par ordenado: Nombre de parte vpwl. Es bastante útil puesto que su forma de onda de salida se define por medio de una serie de pares ordenados unidos por líneas rectas. Sus propiedades son: V i 6 : Valor del potencial en un punto determinado. T i : Tiempo respectivo al valor V i. Las dos propiedades de esta fuente de potencial no son desplegadas automáticamente, por lo que su modificación debe ser realizada en la ventana del editor de propiedades. 6 En donde i = 1, 2,, n. 18

19 En la Figura 12 se encuentran las fuentes de tensión aquí citadas en el mismo orden en que fueron expuestas. Por lo general, las fuentes de corriente tienen el mismo nombre de las fuentes de voltaje, su única diferencia es que se intercambia la letra v por la letra i. De esta manera manipulando correctamente las fuentes de tensión se pueden manipular correctamente las fuentes de corriente. VOFF = VAMPL = FREQ = V1 0Vdc V2 V1 = V2 = TD = TR = TF = PW = PER = V3 1Vac 0Vdc Figura 12: Fuentes de voltaje más comunes V4 V5 2.5 Dispositivos Especiales Este software contiene una cantidad bastante considerable de dispositivos especiales, por lo que sería imposible nombrarlos a todos. Aquí se entenderá por dispositivos especiales los dispositivos que son idealizados o que representan algún fenómeno físico (inducción magnética, por ejemplo) y que dependen de otros componentes para funcionar. En éste apartado se listarán sólo la clase de dispositivos y no cada dispositivo en específico, el lector sin lugar a duda puede conocer todas las aplicaciones de estos dispositivos con un poco de dedicación Amplificadores Estos dispositivos toman un valor de entrada (voltaje o corriente) y lo multiplican por una constante llamada Gain, obteniendo una variable de salida (voltaje o corriente) que depende de las unidades de la constante de multiplicación. Estos dispositivos responden a los nombres de E, F, G, H. Para definir el valor de la ganancia del amplificador éste se elige de la lista de partes, se coloca sobre el área de diseño y se abre la ventana del editor de propiedades, luego se busca la propiedad Gain y se le da el valor deseado (sin incluir unidades). Estos dispositivos son útiles para modelar los transistores en su modelo de pequeña señal o para la amplificación ideal de alguna variable. Los amplificadores se presentan en la Figura 13. E1 + - E + - F1 F G1 + - G H1 Figura 13: Amplificadores ideales de Capture H Acopladores Magnéticos El fenómeno de la inducción magnética ha revolucionado la distribución de la energía eléctrica. Este fenómeno también es posible de realizar con ayuda de este software eligiendo el componente k_linear de la lista de partes. Este componente es capas de acoplar 19

20 magnéticamente dos o más inductores, lo cual resulta muy útil cuando se quieren realizar simulaciones de transformadores con derivación central. Es muy importante destacar que este componente no puede ser conectado a ninguna otra parte, él realiza su función con el simple hecho de ser colocado en el área de diseño y especificar los inductores que debe acoplar. Éste dispositivo se presenta en la Figura 14. Para determinar cuales inductores se deben acoplar magnéticamente basta con abrir la ventana del editor de propiedades de este dispositivo y completar las columnas L1, L2,, L6 con el nombre del inductor que se desea. La propiedad COUPLING de este dispositivo corresponde al valor de la constante de acoplamiento de los transformadores convencionales, su valor predeterminado es unitario y para acoplamientos perfectos debe dejarse así. K K1 K_Linear COUPLING = 1 Figura 14: Acoplador magnético Bloques Aritméticos Los bloques aritméticos pertenecen a la librería ABM. Estos dispositivos, como su nombre lo indica, realizan operaciones aritméticas entre dos variables o sobre una variable, en la mayoría de casos sobre voltajes o corrientes. Son aplicables al análisis de sistemas o al proceso idealizado de modulación de amplitud. Entre los bloques aritméticos se encuentran también los dispositivos de filtrado de señales (pasa bajos, pasa altos, etc.) estos filtros se pueden modelar tanto como ideales o no ideales. En la Figura 15 se encuentran algunos componentes aritméticos. TABLE s In 0v 1v 2v 3v 4v Out 0v 1v 4v 9v 16v ABS ARCTAN EXP d/dt Hz 300Hz 0 1dB 50dB 10Hz 100Hz Figura 15: Componentes aritméticos de Capture 20

21 2.5.4 Transformadores Los transformadores son dispositivos reales y no califican directamente en la definición de dispositivos especiales presentada con anterioridad, sin embargo, en Capture es necesario tener cierta precaución al momento de utilizarlos, por ello se han incluido en esta sección. Primero, la razón de transformación no se define por medio de la relación de voltajes, si no, por la raíz cuadrada de la razón de las inductancias de cada devanado, es decir: η = L L 1 2 Para definir la inductancia de cada devanado se abre la ventana del editor de propiedades y se buscan las columnas rotuladas como L1_VALUE y L2_VALUE luego se introduce el valor requerido según la relación de vueltas necesaria. Segundo, la propiedad COUPLING no tiene un valor predeterminado, éste debe ser especificado en la ventana del editor de propiedades. Mientras más tienda esta propiedad a la unidad más ideal será el acople magnético. Tercero, nunca pueden existir transformadores en paralelo con fuentes de tensión, esto se debe a que si la fuente de tensión tiene un componente en DC se produciría un corto circuito en el transformador, para evitar esta posibilidad siempre es necesario colocar una resistencia entre la fuente de tensión y el transformador. Como la resistencia extra no es, en la mayoría de los casos, necesaria ni deseada esta puede tener un valor pequeño. Se recomienda: f R π 50 En donde R es la resistencia entre el devanado primario y la fuente de tensión, f es la frecuencia de la fuente de voltaje y L 1 es la inductancia del lado del primario. Si se colocan valores extremadamente pequeños de R es probable que la simulación del circuito no se pueda realizar. En la Figura 16 se encuentra un ejemplo de cómo se debe conectar un transformador con una razón de transformación de 2:1. En esta figura se han hecho visibles las propiedades L1_VALUE, L2_VALUE y COUPLING. L 1 R1 TX1 VOFF = 0 VAMPL = 200 FREQ = 60 V R2 1k 0 COUPLING = 1 L1_VALUE = 80m L2_VALUE = 20m Figura 16: Transformador conectado correctamente 0 21

22 2.5.5 Interruptores Controlados por Tiempo Responden al nombre de SW Estos dispositivos son activados por un tiempo definido por el usuario. Aunque existen varios tipos, aquí sólo se citarán cuatro, ya que son los que comúnmente se usan. Son bastante útiles para conocer la respuesta a un escalón de un determinado circuito o para el control lógico de los mismos. Todos los interruptores aquí nombrados tienen cuatro propiedades principales: Topen/Tclose: Esta propiedad depende del tipo de interruptor (normalmente abierto o normalmente cerrado) y define el tiempo en que el interruptor se activa. Esta propiedad se despliega automáticamente al elegir la parte. Ropen: Determina la resistencia que tendrá el interruptor cuando éste se encuentre abierto. Su valor preestablecido es de 1MΩ, el cual suele ser bajo para ciertas aplicaciones, por lo que es posible que sea necesario aumentarlo (con 1TΩ el funcionamiento es adecuado). Esta propiedad debe ser modificado en la ventana de edición de propiedades del interruptor. Rclose: Define la resistencia que tendrá el dispositivo cuando se encuentra cerrado. Su valor preestablecido es de 10mΩ, el cual si es un valor relativamente bajo. Si se desea modificar se debe abrir la ventana del editor de propiedades. TTran: Es una medida de que tan rápido se da el cambio de un estado a otro en un interruptor. Mientras más pequeño sea esta propiedad más rápido actúa el interruptor de forma análoga en caso contrario. Esta propiedad debe ser modifica en el editor de propiedades del interruptor y tiene un valor preestablecido de 1µs. En la Figura 17 se muestran los cuatro interruptores controlados por tiempo de Capture. TOPEN = 0 TCLOSE = U1 U2 U3 U4 Figura 17: Interruptores controlados por tiempo 2.6 Manipulación de Componentes Una vez que se hayan establecido todos los dispositivos necesarios para la construcción de algún circuitos éstos son colocados en al área de diseño. En realidad, la manipulación de estos componentes se asemeja bastante a la del programa AutoCAD, por lo que el lector con conocimientos de ese programa puede pasar por alto esta sección. Para seleccionar un componente ya colocado en el área de diseño se presiona el botón izquierdo del mouse sobre él, por otro lado, si se desea seleccionar varios componentes se puede proceder de dos formas. Si todos los componentes están juntos, estos se encierran en un rectángulo hecho por el mouse de la siguiente manera; se define un vértice de éste presionando el botón izquierdo del mouse y arrastrándolo por el área de diseño, en el punto en que se suelte quedará definido el otro vértice y todos los dispositivos que están adentro o que sean tocados por los lados del rectángulo quedarán seleccionados. Si los componentes no están juntos se pueden seleccionar presionando el botón izquierdo del mouse junto con la 22

23 tecla Control sobre un componente, y manteniendo la tecla Control oprimida, seleccionar los otros componentes con el botón izquierdo de mouse. Para manipular algún componente basta con seleccionarlo y presionar el botón derecho del mouse sobre él, esto abrirá un pequeño menú donde se muestran posibles opciones de manipulación. Para pegar algún componente es preciso que ningún otro esté seleccionado. Es muy importante recalcar que cuando se pegan dos o más componentes y el circuito se desea simular se deben cambiar los nombres de las partes copiadas. Esto se debe a que PSpice no lleva a cabo la simulación de un circuito si dos partes tienen el mismo nombre. 2.7 Conexión de Partes Para conectar dos o más componentes se presiona el botón de cableado (tecla rápida w ), esto hará que la flecha del mouse cambie por una cruz. Luego se debe posicionar la cruz sobre el punto de inicio del cable, por lo general la terminal de algún dispositivo, y presionar el clic izquierdo para que la línea de cable comience a desplegarse conforme se mueva el mouse. Si se deseasen realizar conexiones con esquinas sólo se debe partir del punto inicial, y al momento de llegar a una esquina, presionar de nuevo el botón izquierdo del mouse y mover el mouse en la nueva dirección deseada. Este es un proceso muy parecido a la creación de una polyline en AutoCAD. Existen casos en los que se puede pensar que un cable está conectado correctamente aunque no lo esté. Considérese el circuito de la Figura 18, en él se observa que todas las resistencias están conectadas a un mismo punto, sin embargo esto no es verdadero. Cuando un nodo existe éste es marcado con un pequeño punto rosado 7 (como el que se muestra a la derecha de la resistencia R4), como no existe esta marca en la intersección de las resistencias los cables en realidad no se tocan. Para solventar este problema se puede presionar el botón de unión (tecla rápida j ), con esto una pequeña marca aparecerá junto al mouse, arrastrando el mouse y presionando el botón izquierdo de éste sobre algún cable ya existente se creará automáticamente un nodo. Esto se aprecia en la Figura 19. R1 R3 1k R4 R1 R3 1k R4 V1 0Vdc 1k R2 1k 1k V1 0Vdc 1k R2 1k 1k Figura 18: Cableado falso en un circuito 0 Figura 19: Conexión del cableado verdadera 0 7 Capture no marca los nodos triviales, es decir los nodos entre sólo dos elementos. 23

24 2.8 Potencial de Referencia Todo circuito que se desee simular debe tener una referencia de potencial a tierra 8 esto se debe a que PSpice realiza todas las mediciones de potencial a partir de su comparación con un nodo a un potencial nulo. Para definir este nodo se debe presionar el botón de referencia (tecla rápida g ), así, se abrirá la ventana de puesta de referencias (Figura 20). Si es la primera vez que se utiliza Capture esta ventana aparecerá sólo con la librería Desing Cache, como es necesario colocar la parte de referencia a tierra se debe instalar la librería correspondiente. Esto se logra al presionar la opción Add Library, abrir la carpeta Pspice, buscar el archivo Source y presionar Abrir. La parte necesaria se llama simplemente 0 y una ilustración de esta se presenta en la Figura 21. Figura 20: Ventana de potencial de referencia Figura 21: Parte de potencial de referencia 2.9 Variación de Parámetros Supóngase que se cuenta con la hoja de datos de un dispositivo que no se encuentra en las librerías de Capture pero que es imprescindible que se utilice en un diseño en particular. Cuando ocurre este problema lo que se debe hacer es utilizar el editor de modelos para transformar algún dispositivo ya existente en una copia lo más exacta posible del dispositivo necesitado. Esto también es aplicable cuando se han medido las variables de algún componente en la vida real (la constante de amplificación de corriente en un transistor BJT, por ejemplo) y no corresponden a las que utiliza Capture, o cuando se quieren conocer algunas variables que no se muestran en la hoja de datos pero que si se encuentran en el modelo de dicho dispositivo. Los componentes en Capture se definen por medio de la siguiente lista de código:.model Nombre de la parte Tipo de modelo (P1=A1 P2=A2 Pn=An) El nombre de parte debe estar limitado a 8 caracteres y no puede tener espacios, el tipo de modelo depende de cada dispositivo (ver Tabla 3) y P1, P2,, Pn son los n parámetros del modelo, mientras que A1, A2,, An son los n valores de éstos. Por supuesto, cada componente tiene una lista de posibles parámetros. 8 También llamada en algunos textos como masa. 24

25 Para abrir la ventana del editor de modelos se selecciona la parte que se desea modificar 9, se elige el menú Edit y se selecciona PSpice Model esto abrirá la ventana del editor de modelos, la cual se muestra en la Figura 22 (en ella se muestran los datos del transistor JFET 2N3819). Esta ventana está dividida en dos secciones. La sección izquierda muestra el nombre y tipo de todos los componentes que se han modificado. Si algún dispositivo es modificado aparecerá un asterisco (*) sobre su nombre. En la sección derecha se despliegan todos los parámetros que rigen el comportamiento del dispositivo seleccionado. Para cambiar algún parámetro se borra el número que establece el valor predeterminado y se escribe el valor deseado de éste. Se recomienda que antes de modificar un parámetro de algún dispositivo se copie y se pegue el original en la parte inferior del texto. Esto se logra escribiendo un asterisco en la última línea de código y pegando los datos deseados. El asterisco funciona para insertar comentarios tal como los dos símbolos /* insertan comentarios en el compilador de C, por lo que se pueden incluir otras cosas de ser necesario. La librería Breakout en Capture contiene dispositivos no comerciales, algunos de estos son ideales. Esta librería existe con el propósito de que sean estos dispositivos los que se modifican y no los parámetros de los dispositivos comerciales. Algunas de las partes contenidas en la librería Breakout no tienen ningún parámetro definido, por ende, para poder crear el dispositivo deseado se puede abrir los parámetros de otro dispositivo del mismo tipo, copiar todos sus parámetros, cerrar la ventada del editor de modelos, elegir la parte respectiva de la librería Breakout, abrir la ventana del editor de modelos y pegar los parámetro del dispositivo original. Se pueden modificar varios dispositivos, pero cada vez que se desee modificar una parte nueva es necesario cerrar el editor de modelos y volver a abrirlo ahora con la nueva parte. En la sección izquierda de éste aparecerán todas las partes que se han modificado. Figura 22: Editor de modelos OrCAD/PSpice Cuando se hayan cambiado los parámetros deseados se debe presionar el botón de guardado. De inmediato todas las simulaciones del dispositivo se realizarán con el valor del nuevo parámetro (este valor será guardado sólo para el proyecto actual, si se abre otro 9 Existen algunas partes a las cuales no se le pueden modificar sus parámetros, esto no suele ser un problema grave, ya que se pueden modificar muchas otras partes. 25

26 proyecto se utilizarán automáticamente los valores preestablecidos). Como ejemplo, se presenta en la Figura 23 la curva vi del transistor 2N3819 para VTO = -6 y en la Figura 24 la misma curva para VTO = mA 40mA 30mA 20mA 10mA 0A -7.0V -6.0V -5.0V -4.0V -3.0V -2.0V -1.0V 0.0V ID(J3) V_Vgs Figura 23: Curva vi del 2N3819 para VTO = -6 12mA 10mA 8mA 6mA 4mA 2mA 0A -3.5V -3.0V -2.5V -2.0V -1.5V -1.0V -0.5V -0.0V ID(J3) V_Vgs Figura 24: Curva vi del 2N3819 para VTO = -3 (Valor nominal) La mayoría de los parámetros que utiliza OrCAD/PSpice no se escriben igual en los libros de texto, por lo que no se ha supuesto que el lector sepa que el parámetro VTO indica el parámetro V p de la ecuación vi del JFET. Para solventar este inconveniente se presenta la Tabla 4, en la que se resumen los principales parámetros de los dispositivos semiconductores. 26

27 Tabla 4: Parámetros de los semiconductores de OrCAD/PSpice Símbolo en PSpice Símbolo en algunos textos Descripción Transistores de unión bipolar IS I S Corriente de saturación de transporte BF β Ganancia de DC máxima RB r b Resistencia en serie con la base RC r ex Resistencia en serie con el colector RE r c Resistencia en serie con el emisor CJE C je0 Capacitancia de agotamiento base-emisor a polaridad cero CJC Cµ 0 Capacitancia de agotamiento base-colector a polaridad cero CJS C CS0 Capacitancia de agotamiento colector-sustrato a polaridad cero Transistores de unión de efecto de campo (JFET) VTO V p Voltaje de umbral LAMBDA λ Modulación de longitud del canal BETA 2 I DSS /V P Transconductancia del canal RD r d Resistencia en serie con el drenaje CGS C gs0 Capacitancia de unión compuerta-fuente a polaridad cero CGD C gd0 Capacitancia de unión compuerta-drenaje a polaridad cero Transistores de unión de efecto de campo Metal Oxido Semiconductor (MOSFET) VTO V t Voltaje de umbral KP µc ox Transconductancia del canal LAMBDA λ Modulación de la longitud del canal CGSO Cgso Capacitancia de traslape compuertafuente por unidad de ancho de canal CGDO C gdo Diodos IS I S Corriente inversa de saturación N n Coeficiente de emisión RS r s Resistencia parásita en serie CJO C jo Capacitancia de agotamiento con polaridad cero VJ V j Barrera de potencial FC m Coeficiente de gradiente de unión 2.10 Optimización de Diseños Cualquier ingeniero puede diseñar, pero no cualquier ingeniero puede hacer un buen diseño. Para lograr un diseño optimo y comprensible es necesario ser ordenado. Considérese el 27

28 circuito con amplificadores operacionales de la Figura 25. Este circuito se utiliza para amplificar la diferencia de las señales de entrada y es de uso común en la medición de variables físicas. Si bien es cierto este circuito funciona perfectamente no cualquier estudiante podría entenderlo debido a lo desordenado de sus conexiones. Seguidamente se verán algunos buenos hábitos para que un circuito tan grande como este tenga una presentación adecuada. VOFF = 0 VAMPL = 1m FREQ = 60 VOFF = 0 VAMPL = 1m FREQ = 60 PHASE = 60 Vin1 Vin2 ua U2 U ua V+ V- 7 V+ 4 V- OS1 OUT OS2 OS2 OUT OS R2 5k R3 5k ua U1 R4 12k R1 10k 7 4 V+ V- OS1 OUT OS Carga 8 V1 15Vdc V2 15Vdc 0 Figura 25: Circuito no optimizado Pines de Tensión Los pines de tensión son dispositivos que se utilizan para conectar dos o más puntos sin necesidad de utilizar cableado. Para activarlos se debe presionar el botón de pin (tecla rápida f ), así se abrirá una ventana muy parecida a la ventana de partes, posteriormente, se debe instalar la librería CAPSYM para poderlos utilizar. Existen dos tipos de pines de potencial; los pines VCC y los pines GND. Básicamente los dos tipos cumplen la misma función, lo único que varía es su forma, sin embargo, existe un pin muy parecido al de puesta a tierra, su única diferencia con éste es que el pin de potencial no tiene el número cero a su lado. Este pin no funciona como potencial de referencia. Para proyectos electrónicos se suele utilizar con mayor frecuencia el pin VCC, puesto que asemeja la figura del potencial de polarización utilizado en la mayoría de los textos. A todos estos pines se les puede cambiar el nombre, incluso se les pueden poner números como tal para indicar el potencial en un punto determinado. Tampoco existe problema alguno al copiarlos y pegarlos con el mismo nombre, como si ocurre al hacerlo con los componentes del circuito. En la Figura 26 se muestra la utilización de estos pines en el circuito de la Figura 25. En esta figura también se utilizaron varias puestas a tierra para eliminar la cantidad excesiva de cableado. 28

29 VOFF = 0 VAMPL = 1m FREQ = 60 Vin1 ua U2 0 U ua V+ V- 7 V+ V- 4 VOFF = 0 VAMPL = 1m FREQ = 60 PHASE = 60 Vin2 Vin2 Vin V1 15Vdc -15 V2-15Vdc Vin1 Vin2-15 OS1 OUT OS OS2 OUT OS R2 5k R3 5k ua U1 R4 12k 0 R1 10k 7 4 V+ V- -15 OS1 OUT OS Carga 8 0 Figura 26: Circuito optimizado por medio de pines de tensión Pines de Conexión entre Páginas Si se están diseñando circuitos formados por varios sub-circuitos es más cómodo colocar éstos en distintas páginas de diseño para tener una mejor apreciación de cada etapa. Para crear una nueva página en un proyecto de diseño se debe minimizar la página de diseño actual, luego buscar la ventana de datos del diseño (Figura 7) y en la carpeta SCHEMATIC1 presionar el botón derecho del mouse, en el pequeño menú que aparecerá se debe elegir la opción NEW PAGE, luego de elegir el nombre de la nueva página ésta estará construida. Para conectar circuitos hechos en diferentes páginas se utilizan los pines de conexión entre páginas. Presionando el botón de interconexión (ver Tabla 2) y agregando la librería CAPSYM en el menú aparecerán dos interconectores. Cualquiera de ellos funciona de igual manera, sólo es necesario establecer dos puntos de diferentes páginas para ser conectados como si se tratase de pines de potencial Uso de Etiquetas Las etiquetas son nombres que se pueden adherir a los cables de conexión. Estos nombres son utilizados en las simulaciones para identificar alguna variable eléctrica en un nodo al que no esté conectada ninguna fuente, por ejemplo, si la salida de un circuito es el voltaje en una resistencia se puede crear una etiqueta con el nombre Salida y colocarla en el nodo correspondiente a esa resistencia. Para crear una etiqueta se debe presionar el botón de etiqueta (tecla rápida n ), escribir el nombre (sin espacios en blanco) de esa etiqueta y colocarla cerca de un cable de conexión. El texto ingresado con el botón de texto no se considera como etiqueta. 29

30 3 Simulación de Circuitos con PSpice Sin lugar a duda es el proceso de simulación el más importante en el diseño de circuitos asistido por computadora (CAD), por suerte OrCAD/PSpice permite realizar un sin fin de simulaciones para un circuito dado, las cuales incluyen: análisis en el dominio del tiempo, análisis en el dominio de la frecuencia, respuesta de un circuito a la tolerancia de los dispositivos, barridos paramétricos, gráficas de variables eléctricas, entre otras. Esta sección se basará en el estudio de los circuitos de la Figura 27 y la Figura 28. El primer circuito es un filtro pasa banda pasivo y el segundo circuito es un simple divisor de voltajes. Para seguir la exposición de los temas se pueden crear los mismos circuitos y realizar las mismas actividades que aquí se expondrán. C1 L1 R3 V1 VOFF = 0 VAMPL = 10 FREQ = 1k 1n R1 1k 0 10uH Figura 27: Circuito pasa banda pasivo R2 1k V2 10Vdc R4 1k Figura 28: Circuito resistivo 3.1 Barra de Simulación de Capture La transición entre Capture y PSpice se puede realizar de varias formas, sin embargo, utilizando la barra de simulación de Capture, se pude hacer de una forma rápida y sencilla. La barra de simulación está dividida en tres secciones: Botones de simulación: Estos botones se utilizan para definir los parámetros de una simulación. Marcadores: Despliegan varios medidores que se pueden usar para graficar las variables del circuito. Dos de ellos miden el potencial (uno respecto a tierra y otro la diferencia de potencial) y uno mide la corriente a través de algún componente. En esta barra se muestran tres marcadores, pero en realidad existen muchos más marcadores que se obtiene en el menú PSpice/Markers/Advanced, estos marcadores especiales se despliegan sólo para el análisis en el dominio de la frecuencia. Botones de punto de trabajo: Muestran el punto de trabajo (valor DC de las variables eléctricas) de un determinado circuito. Resultan muy útiles en el análisis de semiconductores y fuentes de alimentación. En la Tabla 5 se muestran los botones de la barra de simulación y su principal función. 30

31 Tabla 5: Botones de la barra de simulación de Capture Figura Nombre Descripción Nueva simulación Crea una simulación nueva Opciones de simulación Muestra las opciones de simulación Inicio de simulación Corre la simulación Visor de resultados Muestra los resultados de la simulación Marcador de nivel de potencial Marca el nivel de potencial respecto a tierra Marcador de corriente Marcador de corriente Marcador de diferencia de voltaje Marcador de diferencia de potencial Polarización de voltaje Determina el voltaje en DC Nueva polarización de voltaje Muestra el voltaje DC en nuevos puntos Polarización de corriente Determina la corriente en DC Nueva polarización de corriente Muestra la corriente DC en nuevos puntos 3.2 Análisis Primarios Para comenzar una simulación se presiona el botón Nueva simulación. Con ello se desplegará la ventana de la Figura 29, en esta ventana se debe ingresar el nombre de dicha simulación (no tiene por que ser igual al nombre del proyecto pero tampoco debe tener letras tildadas). Cada vez que se realiza una simulación con PSpice automáticamente se crea un archivo del tipo Probe Document. Este archivo se guarda en la misma carpeta en donde está colocado el proyecto de simulación y puede ser utilizado para analizar dicho proyecto sin la necesidad de abrir el programa Capture. Para hacer esto sólo se necesita abrir dicho archivo y de inmediato se abrirá PSpice, toda la información del circuito está contenida en ese archivo, por lo que se pueden crear gráficas de éste en el menú Add Trace, como se verá más adelante. Figura 29: Ventana de nueva simulación Después de darle nombre a la simulación se mostrará la ventana de opciones de simulación (Figura 30). En ella aparecen los distintos tipos de análisis en la casilla Analysis 31

32 type y los análisis secundarios debajo de ésta. En la sección derecha de esta ventana se muestran los datos que definen las características principales de cada tipo de simulación. Figura 30: Opciones de simulación Análisis en el Dominio del Tiempo: Barras de Herramientas de PSpice y Manipulación del Área de Simulación La opción predeterminada en la ventana de opciones de simulación es la opción del análisis en el dominio del tiempo. Esta simulación crea una curva de la forma (t, y) donde y puede ser cualquier variable del circuito. Los principales requerimientos para definir esta simulación son: Run to time: Determina el tiempo total de la simulación. Si es están trabajando con señales AC se recomienda que el tiempo de simulación sea como mínimo el doble del periodo de la señal con la frecuencia más baja. Start saving data after: Establece el tiempo inicial de la simulación. Este tiempo siempre debe ser menor que el tiempo total de simulación. Maximum step size: PSpice realiza un muestreo de los datos arrojados por la simulación creando con ello varios pares ordenados, luego, estos pares ordenados son unidos por líneas rectas. La cantidad de tiempo entre pares ordenados se define a partir de este parámetro. Para lograr una buena calidad grafica en la simulación se recomienda que el tiempo entre punto y punto sea menor a cien veces el periodo de la frecuencia más alta. Sin embargo, si sólo se cuenta con una frecuencia de entrada y el tiempo de simulación es pequeño este tiempo puede ser mil veces menor al 32

33 periodo de la onda de entrada. Si este dato no se especifica PSpice tomará una cantidad aleatoria de puntos de datos, sin embargo, siempre será mayor a 50. Supóngase que se desean obtener las gráfica de las variables eléctricas del circuito de la Figura 27 en función del tiempo, para ello se utiliza el análisis en el dominio del tiempo. Se observa que la señal de entrada de esta circuito está formada por una señal senoidal cuya frecuencia de 1kHz, por lo que el tiempo de simulación se puede definir como 2ms. Para saltar algunos posibles transitorios se establecerá que PSpice tome datos a partir de 2ms, de esta forma el tiempo de simulación debe ser de 4ms y el tiempo de inicio de salvado de 2ms. Finalmente, se establecerá que la distancia entre punto y punto sea de 2µs para que la calidad gráfica sea adecuada. Con estas características la ventana de opciones de simulación debe verse como aparece en la Figura 31. Figura 31: Opciones de simulación en el dominio del tiempo Al terminar se debe elegir la casilla Aplicar y luego Aceptar. Con esto se cierra la ventana y se vuelve al área de diseño de Capture, la única diferencia es que los botones de simulación de la barra de simulación que no estaban activados ahora lo están. Si se ha cometido algún error se puede presionar el botón Opciones de simulación (ver Tabla 5) para desplegar de nuevo la ventana respectiva para corregir estos errores. Presionando el botón Inicio de simulación la simulación comenzará. Por lo general el proceso de simulación toma algunos segundos. El tiempo de procesamiento de la información depende de las variables de la simulación, por lo que 33

34 mientras más extenso sea el tiempo se simulación o menor sea el tiempo entre puntos de toma de datos mayor será el tiempo de procesamiento. Al terminar este procesamiento se abrirá la ventana de PSpice, la cual se muestra en la Figura 32. Esta ventana posee varias barras de herramientas especiales cuyos componentes se muestran en la Tabla 6. Tabla 6: Botones de las Barras de Herramientas Especiales de PSpice Símbolo Nombre Función Editor de propiedades Edita las propiedades de una simulación. También se encuentra en Capture pero con otro icono. Mostrador de cursor Activa un cursor en el área de simulación y habilita los botones de cursor. Puntos de datos Muestra un punto gris en cada punto de toma de datos. Insertar texto Inserta función objetivo Insertar función Log eje y Análisis representativo Análisis rápido de Fourier Log eje x Zoom Fit Zoom Area Zoom Out Zoom In Marcador de nivel Cursor de punto Cursor máximo Cursor mínimo Marcador de inflexión Marcador de mínimo relativo Marcador de máximo relativo Inserta texto en el área de simulación. Aplica una función específica a alguna variable. Su uso es avanzado. Inserta una función en el área de simulación. Cambia la escala lineal del eje y a una escala logarítmica Realiza histogramas a partir de datos de la simulación. Su uso es avanzado. Transforma una señal a su representación en el espectro de frecuencias de Fourier. Cambia la escala lineal del eje x a una escala logarítmica. Realiza un acercamiento ajustado a la señal de estudio. Hace un acercamiento definido por el usuario de la señal simulada. Aleja el área de simulación marcando un punto en ésta. Acerca el área de simulación marcando un punto en ésta. Marca el punto en donde se encuentra el cursor. Mueve el cursor punto por punto. Marca el máximo absoluto de toda la gráfica. Marca el mínimo absoluto de toda la gráfica. Mueve el cursor al punto de inflexión más cercano. Moviliza el cursor al mínimo relativo más cercano. Moviliza el cursor al máximo relativo más cercano. 34

35 Figura 32: Ventana de simulación PSpice Para medir alguna variable en el circuito de la Figura 27 se ingresa a la ventana de Capture, en ella se debe buscar el marcador que se ajuste a la variable que se desea determinar. Aquí se hará con el voltaje de entrada. Existen dos opciones de marcadores de tensión: marcador de nivel y marcador de diferencial de tensión. Como la fuente de tensión está conectada al nodo de referencia se elegirá el marcador de nivel (ver Tabla 5). Presionando este botón aparecerá cerca del puntero del mouse una especie de aguja de color negro (en realidad pretende ser la punta de un osciloscopio 10 ), ésta se debe colocar en el nodo de la terminal de la fuente de tensión, tal y como se muestra en la Figura 33. Como se observa en la figura, la punta cambiará instantáneamente de color. Volviendo ahora a la ventana de PSpice aparecerá la gráfica correspondiente al voltaje de entrada del circuito (ver Figura 34). C1 L1 V1 VOFF = 0 VAMPL = 10 FREQ = 1k 1n V R1 1k 0 10uH Figura 33: Marcador de nivel de potencial R2 1k 10 Un osciloscopio es un instrumento real que se utiliza en los laboratorios para medir el voltaje en un circuito. 35

36 Figura 34: Voltaje de entrada del circuito pasa banda PSpice realiza una simulación de todo el circuito, no de cada variable de éste, es decir, se pueden realizar cuantas mediciones se deseen sin necesidad de correr la simulación de nuevo por cada variable que se quiere medir. Sin embargo, si el circuito en Capture sufre algún cambio este cambio no se verá reflejado en la simulación hasta que el botón Inicio de simulación sea activado. Como ejemplo de lo anterior se medirá la corriente que pasa por el capacitor sin crear una nueva simulación. Los marcadores de corriente miden la corriente que pasa por un dispositivo, por lo que el marcador debe ser colocado en la patilla es éste, tal como se observa en la Figura 35. C1 L1 VOFF = 0 VAMPL = 10 FREQ = 1k V1 V 1n I R1 1k 10uH R2 1k Figura 35: Medición de dos variables en un mismo circuito Trasladándose a PSpice se verá una pequeña raya roja en el eje y = 0, esta raya corresponde a la corriente en el capacitor (ver Figura 36). 0 36

37 Figura 36: Corriente y voltaje de entrada del circuito pasa banda Obviamente sí pasa corriente por el capacitor, sin embargo, la amplitud de la señal de voltaje, en comparación con la amplitud de la señal de corriente, no permite que ésta sea apreciada. Para que se muestren las dos señales existen dos opciones. La primera es crear un eje y secundario para que la gráfica de la corriente tenga una escala diferente a la gráfica del voltaje. Para ello, se debe retirar el marcador de corriente del circuito (se selecciona y se presiona la tecla suprimir), regresar a PSpice y en el menú Plot elegir la opción Add y Axis. De esta manera se creará un segundo eje y. Regresando a Capture, y colocando de nuevo el marcador de corriente (en el mismo lugar) aparecerá en PSpice la corriente que circula por el capacitor (ver Figura 37). Cada gráfica está representada por un número que aparece en la parte inferior de la pantalla de PSpice junto con su nombre, cada número corresponde a su respectivo eje, los cuales se encuentran numerados en la parte superior izquierda de la pantalla. La segunda opción es crear una segunda área de simulación. En el menú Plot se elige la opción Add Plot to Window. Esto hará que ésta aparezca. En la esquina inferior derecha de la nueva área de simulación aparecerá la palabra SEL esta palabra indica cual área de trabajo está seleccionada, por lo tanto, si se mide la corriente que pasa por el capacitor esta corriente aparecerá en el área superior, tal como se muestra en la Figura 38. En este caso el marcador de corriente vuelve a ser de color verde, esto se debe a que sólo se da un cambio de color entre gráficas cuando dos o más gráficas se colocan en una misma área de simulación. En total son tres los ejes y que se pueden agregar y diez la cantidad de áreas de simulación 37

38 que se pueden crear. También es posible agregar ejes y y nuevas áreas de simulación al mismo tiempo. Figura 37: Variables eléctricas de un mismo circuito en dos ejes distintos Figura 38: Variables eléctricas de un mismo circuito en dos impresiones distintas 38

39 3.2.2 Barrido de DC: Definición de Parámetros y Trazado de Gráficas Este proceso de simulación realiza gráficas de la forma (x, y) en donde x no tiene que ser el tiempo, puede ser el valor del voltaje de entrada, el valor de una resistencia, capacitancia etc. Incluso es posible conocer la respuesta de un circuito a cambios de la temperatura. El barrido en DC aplica como entrada una variable en DC, por lo que algunos circuitos que responden a la frecuencia (los que tengan componentes capacitivos y/o inductivos) no pueden ser adecuadamente estudiados con este método. Las opciones de este análisis se muestran en la ventana de opciones de simulación cuando se elige de la lista Analysis Type la opción DC Sweep. Éstas son: Sweep variable: indica la variable que se colocará en el eje x. Existen varios tipos: o o o o o Voltage source: Esta simulación hace variar una fuente de voltaje de un valor a otro y crea la simulación a partir de los cambios que esta variación produce. Para fuentes AC su componente AC se anula y su señal se salida se reemplaza por una señal DC. Para especificar la fuente de voltaje que se debe utilizar para el barrido se escribe su nombre en la casilla Name, por ejemplo: V1, Vin, o Ventrada. Current source: Aplica las mismas características del barrido con fuente de voltaje, la única diferencia es que se aplica a una fuente de corriente. Global parameter: Realiza una simulación variando un parámetro definido por el usuario el cual puede ser el valor de la resistencia, capacitancia, etc. Para especificar el parámetro a variar se debe especificar su nombre en la casilla Parameter name. Model parameter: Varía un parámetro propio de un modelo en específico. Para especificar de cual parámetro se trata se deben ingresar el tipo de modelo (consúltese la Tabla 4 para más información), el nombre del modelo (por ejemplo D1N4002), y el nombre del parámetro. Temperature: Hace variar la temperatura a la cual se realiza la simulación en un rango definido por el usuario. Sweep Type: Determinan la forma en que se modifica la variable seleccionada. Existen tres formas de variación: o o o Linear: Hace que la variable tenga una variación lineal. Se deben especificar el valor de inicio, el valor final y el incremento. Se recomienda que el incremento sea menor a mil veces el valor absoluto de la resta entre el valor inicial y el valor final. Logarithmic: La variable elegida será modificada en forma logarítmica. Se debe especificar el valor de inicio (que debe ser positivo), el valor final y los puntos por década (Por lo general con cien puntos por década es suficiente). Value List: Se especifican una serie de valores separados por uno o más espacios y la variable de barrido será modificada sólo en estos puntos, los cuales serán unidos por líneas rectas. 39

40 Para esta sección se considerará el circuito de la Figura 28. Supóngase que se desea conocer el comportamiento de la corriente en la resistencia R3 conforme el voltaje de entrada varía, o conocer la potencia que se disipa en la resistencia R4 en función del valor de la resistencia R3 con una entrada de voltaje constante. Para determinar la variación de la corriente en la resistencia conforme el voltaje de entrada cambia se marca la opción Voltage source y se escribe el nombre de la fuente de voltaje, en este caso V2. Luego se debe definir el intervalo de variación del voltaje de entrada, este se definirá arbitrariamente de -10V a +10V. Por lo tanto, los incrementos serán de 20ms. Con esta operación, la ventana de opciones de simulación debe verse igual a la que se muestra en la Figura 39. Figura 39: Definiendo opciones de simulación en el barrido de DC Luego de presionar Aplicar y Aceptar se puede colocar un marcador de corriente en la resistencia R3, posteriormente se corre la simulación. Con esto la ventana de simulación de PSpice debe mostrarse como se visualiza en la Figura 40. Obsérvese que el cambio de la corriente respecto al voltaje es lineal, lo cual es de esperar ya que se trata de un circuito meramente resistivo. Considérese ahora el cómo obtener una simulación de la potencia en la resistencia R4 cuando el valor de la resistencia R3 varía y la fuente de tensión tiene un valor constante de 10V. Lo primero será hacer que el valor de la resistencia sea cambiado por una variable. Esto se logra presionando doble clic en el valor actual de la resistencia (1kΩ para este caso) y cambiando el valor numérico por el nombre de una variable, por ejemplo Rval. El nuevo valor de la resistencia debe ser escrito entre llaves ({ }) para que PSpice lo reconozca como 40

41 tal. Realizando esta acción el circuito estudiado debería ser semejante al que se presenta en la Figura 41. Figura 40: Corriente en la resistencia en función del voltaje de entrada R3 10Vdc V2 {Rv al} 0 R4 1k Figura 41: Nuevo divisor de voltaje PARAM ET ERS: Figura 42: Parte PARAM El segundo paso es definir a Rval como una variable. Para llevar a cabo esta acción es necesario elegir la parte PARAM del menú de partes (esta parte se muestra en la Figura 42) y presionar doble clic sobre ella, con ello se abrirá el editor de propiedades de ésta, posteriormente se debe presionar el botón New Column que se encuentra en la esquina superior izquierda de este editor y de inmediato se abrirá una ventana con el nombre Add New Column. Se debe introducir en la celda Name el nombre de la variable a crear ( Rval ). No se deben escribir las llaves cuando se escribe el nombre de una variable. Si no se dejaron espacios en blanco después de la última letra del nombre de la variable se activará otra celda llamada Value. Esta celda se utiliza para definir el valor nominal de la variable 41

42 (el valor que el elemento tendrá si se utiliza otro tipo de simulación), aquí se definirá como 100Ω. Finalmente se debe presionar Apply y cerrar esta ventana. Si se mira en las columnas del editor de propiedades se podrá observar que existe una nueva columna llamada Rval, como último paso se recomienda que esta columna se haga visible (consúltese la sección para ello). Al finalizar este proceso el circuito de la Figura 41 debe ser igual al de la Figura Vdc V2 R3 {Rv al} R4 1k PARAM ET ERS: Rv al = Figura 43: Circuito resistivo para barrido en DC El circuito está ahora listo para ser simulado en PSpice. Para ello se abre la ventana de opciones de simulación y se elige el análisis de barrido en DC, se activa la opción Global parameter y en la casilla Parameter Name se introduce el nombre de la variable, es decir, Rval (no se introducen las llaves). Posteriormente es necesario definir el intervalo de valores que Rval debe tomar. Como se trata de una resistencia, los valores deben ser mayores a cero, aquí se hará de 10Ω a 10kΩ. La ventana de simulación debe ser idéntica a la presentada en la Figura 44. Por último se presiona Aplicar y Aceptar y se procede a correr la simulación. Figura 44: Opciones de simulación para un barrido en DC 42

43 Si no existen marcadores de potencia, cómo se puede medir la potencia en la resistencia R4? La respuesta es simple, por definición, es decir, multiplicando el voltaje en la resistencia por la corriente que circula por ella. PSpice muestra varias operaciones que pueden ser aplicadas a las variables de los circuitos. Para realizar operaciones aritméticas a las variables de interés se selecciona el botón Insertar función en PSpice (obsérvese la Tabla 6). De inmediato se abrirá la ventana presentada en la Figura 45. Esta ventana está dividida en dos secciones. La sección izquierda muestra todas las variables referentes al voltaje, corriente, alias (etiquetas) o valor analógico del circuito diseñado y la sección derecha todas las funciones matemáticas que se pueden implementar con ellas. Un resumen de dichas funciones se presenta en la Tabla 7. Cabe destacar un punto muy importante, cada componente en PSpice es representado por su nombre y sus terminales. Así, por ejemplo; la variable I(C1) significa corriente en el capacitor C1, la variable V(R1:1) significa Voltaje en la terminal 1 de la resistencia R1 respecto a tierra, la variable V(N00016) significa El voltaje en el punto N00016 respecto a tierra, en donde el punto N00016 representa algún punto en el área de diseño de Capture. Si se desea multiplicar la corriente en la resistencia R4 y la diferencia de potencial entre sus terminales se debe escribir en la casilla Trace Expression la siguiente línea de código: V(R4:1)*I(R4) Luego de escribir esta expresión se graficará la potencia consumida por la resistencia R4 en función del valor de la resistencia R3, como se observa en la Figura 46. Figura 45: Ventana de añadido de trazas 43

44 Tabla 7: Funciones matemáticas de PSpice Expresión en PSpice 11 ABS(y) AVG(y) D(y) Expresión Matemática y 1 x ydx x 0 dy dx 20log DB(y) ( y) EXP(y) y e Im IMG(y) ( y) M(y) [ Re( y )] + [ Im( y) ] 2 P(y) tan [ Re( y) / Im( y) ] PWR(y, k) k y R(y) Re( y) 1 RMS(y) x 2 y dx S(y) x 0 ydx Figura 46: Potencia en la resistencia R4 en función de la resistencia R3 11 Donde y representa alguna expresión, x el eje horizontal de la gráfica y k el valor de una constante. 44

45 3.2.3 Barrido de Frecuencia: Marcadores Avanzados (Gráficas de Bode), Uso de Cursores y Copiado a Textos Todos los circuitos que incluyen capacitores e inductores son afectados por las frecuencias de las señales de entrada. Los cambios producidos en éstos pueden modificar las señales de salida o influir en la seguridad y estabilidad del circuito. Para conocer el comportamiento de un circuito respecto a la frecuencia se utiliza el barrido de frecuencia. Este análisis crea una gráfica de la forma (f, y) en donde f es la frecuencia de entrada en Hertz e y es alguna variable eléctrica. Debe tomarse en cuenta que en este análisis todas las fuentes DC se anulan, puesto que su frecuencia es cero. Para activar el análisis en el dominio de la frecuencia se debe abrir la ventana de opciones de simulación y en la casilla Analysis type escoger la opción AC Sweep/Noise. Los principales parámetros de esta simulación son: Linear: Establece que la frecuencia de entrada varíe de forma lineal. Se debe especificar la frecuencia de inicio, la frecuencia final y el total de puntos. Obsérvese que se solicita el total de puntos y no la distancia entre punto y punto, como si ocurre con el análisis en el dominio del tiempo. Para una buena calidad gráfica se recomienda que el total se puntos se defina como mínimo en mil puntos. Tómese en cuenta además que la frecuencia de inicio debe ser positiva. Logarithmic: Hace que la frecuencia de entrada varíe en forma logarítmica, lo cual es más común para este tipo de análisis. También se debe especificar la frecuencia de inicio y la frecuencia final, sin embargo, ahora se solicitan los puntos por década o los puntos por octava, dependiendo de cual opción se elija en la casilla de selección. Para obtener una adecuada calidad gráfica se recomienda que los puntos por década y los puntos por octava estén entre 100 y 1000 dependiendo de la lejanía entre la frecuencia de inicio y la frecuencia final. Considérese el circuito de la Figura 27, este circuito es un filtro pasa banda, por lo que la magnitud de su salida depende de la frecuencia de entrada. Supóngase ahora que se desea conocer a ciencia cierta cómo varía el voltaje en la salida (resistencia R2) a partir de la frecuencia de entrada. Para realizar este análisis es preciso cambiar la fuente de onda senoidal por la fuente VAC. Como se mencionó en secciones anteriores esta fuente de tensión mantiene una magnitud fija de voltaje entre sus terminales y varía su frecuencia en un intervalo definido por el usuario. Si se esto se hace el circuito de estudio debe verse igual al de la Figura 47. C1 L1 1Vac 0Vdc V3 1n R1 1k 10uH R2 1k Figura 47: Circuito pasa banda para análisis en frecuencia 0 45

46 Para el análisis del circuito en cuestión se definirá la frecuencia de inicio en 1kHz y la frecuencia final en 10GHz, además se tomarán 100 puntos por década. Así, la ventana de opciones de simulación debe verse como aparece en la Figura 48. Figura 48: Opciones del barrido en frecuencia Al iniciar el proceso de simulación y colocar un marcador de nivel de potencial en la salida de este circuito se debe obtener una simulación como la que se muestra en la Figura 49. Nótese que, como se esperaba, la magnitud de la salida de este circuito depende de la frecuencia de la señal de entrada siendo ésta máxima cuando la frecuencia de la señal de entrada se aproxima a los 2MHz. La suposición del valor de la frecuencia de entrada que hace que la salida de este circuito sea máxima se ha realizado con una simple observación, sin embargo, este tipo de intuición no suele ser aceptada en un análisis serio, por lo tanto, sería mejor determinar el verdadero valor de la frecuencia de entrada que hace que la salida de voltaje sea máxima. Para ello se pueden utilizar los cursores de PSpice. Para activar los cursores se debe presionar el botón Mostrador de cursor (véase la Tabla 6). De inmediato los cursores ubicados al lado izquierdo de las barras de herramientas de PSpice se activarán y una pequeña pantalla llamada Probe Cursor aparecerá en la pantalla de simulación, tal y como se muestra en la Figura 50 (si se desean desactivar los cursores y cerrar la pantalla Probe cursor sólo es necesario presionar de nuevo el botón Mostrador de cursor). Esta pequeña pantalla muestra dos pares ordenados de la forma (x, y) que corresponde al punto respectivo en la gráfica, además de la diferencia entre ambos pares ordenados. 46

47 Figura 49: Salida del circuito pasa banda en función de la frecuencia de entrada Figura 50: Ventana de simulación con cursores activos 47

48 El primer par ordenado puede ser variado moviendo el mouse por toda el área de simulación manteniendo presionado el botón izquierdo de éste, mientras que el segundo par ordenado puede ser variado manteniendo presionado el botón derecho del mouse. Si se desea determinar el valor máximo del voltaje, y por tanto la frecuencia que lo causa, se puede presionar el botón Cursor máximo que se muestra en la Tabla 6. Si esto se hace el par ordenado que se muestra en la pantalla Probe Cursor determinará el valor máximo que alcanza la curva. Para marcar ese punto se debe presionar el botón Marcador de nivel, con ello la pantalla de simulación aparecerá como se muestra en la Figura 51. La marca en el punto máximo de la curva puede ser movida a conveniencia para que pueda ser visualizada con mayor claridad, sólo es necesario seleccionarla con el botón izquierdo del mouse (debe verse de color rojo) y colocarla donde se desee. En algunas ocasiones la línea que conecta la marca y el punto en la gráfica no se selecciona, sin embargo este inconveniente es fácil de arreglar seleccionando de manera separada esta línea y colocándola en donde se desee (El punto que conecta la línea y la gráfica siempre se mantendrá fijo). Figura 51: Valor máximo del voltaje de salida en el circuito pasa banda Supóngase ahora que se desea determinar el valor del voltaje de salida pero en decibelios (db). Para ello se debe regresar a Capture y eliminar el marcador de nivel de potencial, luego ir al menú PSpice/Markers/Advanced, elegir el marcador db Magnitude of Voltage y colocarlo a la salida del circuito. Si se regresa a PSpice se habrá obtenido una gráfica como la que se muestra en la Figura 52, la cual es llamada diagrama de Bode en magnitud. Para mostrar el diagrama de Bode en fase se debe proceder de forma semejante, la única diferencia es que se recomienda borrar el marcador de potencial en db, crear una nueva área de simulación (consúltese la sección 3.2.1) y colocar el diagrama de magnitud en el área 48

49 superior y el diagrama de fase (que se obtiene eligiendo el marcador Phase of Voltage ) en el área inferior, obteniéndose con ello la simulación presentada en la Figura 53. Figura 52: Magnitud en decibelios del voltaje de salida en el circuito pasa banda Figura 53: Diagrama de Bode completo del circuito pasa banda 49

50 En los trabajos elaborados con Capture y PSpice se suelen solicitar las simulaciones realizadas para determinar la veracidad de algún dato teórico. Aquí se hará como ejemplo el copiado a texto de la gráfica de Bode en magnitud, indicando en ella las frecuencias de corte (o de -3dB). A partir del diagrama de Bode completo que se realizó anteriormente se puede obtener el diagrama de Bode sólo en magnitud. Para ello se debe elegir el área de simulación correspondiente al diagrama de fase y en el menú Plot escoger la opción Delete Plot, con ello sólo se verá el diagrama de Bode en magnitud. Las frecuencias de corte en un diagrama de Bode son definidas como las frecuencias que determinan una disminución de 3dB a partir de la magnitud máxima del diagrama. Por lo tanto, para encontrar las frecuencias de corte es necesario encontrar la ganancia máxima de voltaje. Procediendo como se mencionó anteriormente se encuentra que la ganancia de voltaje máxima es de aproximadamente 0dB (casi 1V en unidades naturales), por lo que las frecuencias de corte se darán cuando se obtenga una ganancia de -3dB. Movilizando el cursor hacia la izquierda del valor máximo se observa que al llegar cerca de los -3dB la frecuencia es de casi 313kHz, mientras que movilizando el cursor al lado derecho del valor máximo la frecuencia de corte es de casi 16.2MHz. Marcando ambos puntos con el botón Marcador de nivel y desactivando el botón Mostrador de cursor se tiene lista la gráfica para ser copiada a algún texto. Para copiar una gráfica a un texto se debe presionar la opción Window/Copy to Clipboard en la barra de menú. Posteriormente aparecerá la ventana mostrada en la Figura 54. En ésta se muestran distintas opciones de copiado (en la figura aparecen las opciones predeterminadas). Activando la casilla en la opción Background el área de fondo de la simulación se copiará transparente (lo cual es lo acostumbrado para ahorrar tinta en una eventual impresión). Por otra parte, la primera opción de la casilla Foreground determina que la gráfica se copie utilizando los colores de la pantalla de PSpice, la segunda establece que la gráfica se copie cambiando el color blanco a color negro y la última hará que todos los colores se modifiquen a negro. Figura 54: Ventana de copiado a texto 50

51 Cuando se hayan determinado las características deseadas se debe elegir la opción OK, con ello ya se habrá copiado la gráfica al portapapeles, por lo que ésta puede ser pegada en casi cualquier documento presionando las teclas rápidas Control + v. La gráfica que muestra el diagrama de bode en magnitud y las frecuencias de corte del mismo se presenta en la Figura 55. En ella se utilizaron las opciones predeterminadas por PSpice ( K, ) (16.238M, ) KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHz 10GHz VDB(R2:2) Frequency Figura 55: Copiado a texto de un diagrama de Bode en magnitud Análisis del Punto de Polarización El análisis del punto de polarización es mayormente aplicable a circuitos que posean algún grado de polarización, es decir, que sus variables eléctricas contengan valores DC. Este análisis no se exhibe en la pantalla de simulación de PSpice sino que su salida se muestra en la ventana de Capture. Supóngase que se quiere conocer el valor DC del voltaje o de la corriente en el circuito resistivo de la Figura 28 de una forma rápida sin necesidad de utilizar los marcadores de PSpice. Para ello se debe correr cualquier tipo de simulación (se recomienda una simulación en el dominio del tiempo por un periodo sumamente pequeño) y volver a la ventana de diseño de Capture. Luego se debe presionar el botón Polarización de voltaje (consúltese la Tabla 5). Inmediatamente aparecerá en cada nodo del circuito el respectivo valor de voltaje en DC, tal y como se aprecia en la Figura 56. Estos valores son totalmente comprobables por una simple división de tenciones. Para determinar la corriente que circula por cada componente (la cual deber ser la misma ya que el circuito está formado por una malla simple) se puede presionar el botón Polarización de corriente. Es posible que en circuitos en los que se muestren tanto la corriente de polarización como el voltaje de polarización sea difícil determinar que señal pertenece a cada nodo. Para solventar este inconveniente se pueden mover los valores señalados en el circuito a otra posición, simplemente es necesario seleccionarlos con el botón izquierdo del mouse y 51

52 colocarlos en el lugar que se prefiera. En la Figura 57 se muestra este proceso para el circuito en cuestión. R3 10V 9.1mA R3 9.1mA V2 10Vdc 10V V R4 1k V2 10Vdc 100 R4 1k 9.1V 0V Figura 56: Polarización de un circuito resistivo 0 9.1mA 0V Figura 57: Movilización de las señales de polarización 0 Si por alguna razón no se muestra alguna variable de interés cuando se despliega el análisis del punto de polarización ésta se puede exhibir marcando el alambre (y por lo tanto el nodo de interés) y presionando ya sea el botón Nueva polarización de voltaje o el botón Nueva polarización de corriente según sea la variable en cuestión. 3.3 Análisis Secundarios Los análisis secundarios de PSpice no son para nada menos importantes o útiles que los aquí llamados análisis primarios. Se denominan análisis secundarios porque se utilizan a partir otro análisis y sólo están disponibles para cierto tipo de éstos. Estos análisis se encuentran en la parte derecha de la ventana de opciones de situación bajo el título options y se despliegan automáticamente al elegir el tipo de análisis primario deseado. Sólo se citarán aquí los más importantes e ilustrativos (el análisis Monte Carlo/Worst Case y el análisis paramétrico) dejando los otros análisis para ser estudiados independiente por el lector Monte Carlo/Worst Case: Definición de Tolerancias y Uso de Etiquetas Estas opciones de simulación sólo están presentes para los análisis primarios correspondientes al dominio del tiempo, barrido en DC y barrido en AC. Hasta el momento se ha supuesto que todos los componentes utilizados en las simulaciones mantienen su valor nominal independientemente del tipo de simulación que se haya llevado a cabo, sin embargo, en el diseño de circuito rara vez (de hecho se puede afirmar con toda seguridad que nunca) los componentes mantiene su valor nominal. Para el análisis del efecto que puede tener estas variaciones en un circuito PSpice cuenta con el análisis Monte Carlo/Worst Case. En realidad se puede considerar que esta opción de simulación está formada por dos análisis independientes. El análisis Monte Carlo toma un valor aleatorio del componente a partir de la tolerancia y el valor nominal de éste, es decir, si se tiene una resistencia de 1kΩ con una tolerancia del 5% el análisis Monte Carlo elegirá un valor (o valores) entre 1050Ω y 950Ω. Por otro lado, el análisis Worst Case realiza la simulación a partir de las variaciones máximas de dicho componentes, en este ejemplo sería 52

53 para los valores de 1050Ω ó 950Ω dependiendo de cual sea la opción elegida (no se pueden simular ambos casos extremos a la vez). Cuando estos análisis son utilizados se debe determinar la variable eléctrica que se estudiará en la casilla Output Variable, generalmente se trata de un voltaje o una corriente. La información estadística referente a esta variable se muestra en el archivo de salida de PSpice, el cual, por razones de tiempo, se encuentra fuera del alcance de la primera versión de esta guía. Se invita al lector para que lo estudie en forma independiente. Para poder observar el archivo de salida de PSpice se debe correr cualquier simulación, y en la barra de menú de Capture acceder a la opción PSpice/View Output File. Las opciones del análisis Monte Carlo son las siguientes: Number of runs: Determina la cantidad de simulaciones que se realizarán. Siempre que se defina este número la primera gráfica que se despliega será la correspondiente a los valores nominales de cada componente. El tiempo de procesamiento normal de una simulación se multiplicará por este parámetro, por lo que se debe tener precaución para que el proceso no sea demasiado extenso. Use distribution: Determina que tipo de distribución de probabilidad se utilizará para elegir los valores de los componentes. Si se elige la opción Uniform la probabilidad de que se le dé un valor u otro a un componente a partir de su tolerancia será la misma. Sin embargo, si se elige la opción Gaussian la probabilidad de ocurrencia de un valor tendrá una distribución de acuerdo a la distribución de Gauss 12. Random number seed: Establece un número base para comenzar la elección de valores aleatorios. La forma de la gráfica de salida depende de este número, el cual puede ser elegido en un rango entre 1 y siendo el número que se asigna si la casilla correspondiente se deja en blanco. Save data from: Define que datos se guardarán en el archivo de salida de PSpice. Si se elige la opción All todos los datos correspondientes a las simulaciones serán tabulados en dicho archivo. Si se elige la opción First se guardarán los datos correspondientes a las primeras n gráficas, donde n es el número que se ingresa en la casilla que se activa al activar la opción First. Si se elige la opción Runs (list) sólo se guardarán los datos correspondientes al número de gráfica que se ingrese en la casilla que se activa al activar esta opción, el número de cada gráfica debe separarse con un espacio en blanco. Finalmente, la opción Null hará que no se guarde ningún dato en el archivo de salida de PSpice. Las opciones del análisis Worst Case son: Vary devices that have: Determina que tipo de tolerancia debe ser variada en los dispositivos. El alcance de esta guía no cubre el tipo de tolerancia denominado LOT, por lo que sólo se hará referencia al tipo de tolerancia llamada DEV, la cual es equivalente al tipo de tolerancia definida por la construcción de algún 12 En el apéndice A3.1 de la referencia [3] se encuentra un resumen de estadística elemental y la distribución de Gauss. 53

54 dispositivo y es más fácil de especificar que el tipo LOT. De esta manera se debe elegir la opción only DEV para este análisis. Limit devices to tipe: Establece que tipo de modelos serán tomados en cuenta para el análisis (véase la Tabla 3 para mayor información). Si esta opción no se modifica todos los dispositivos en los que se define una tolerancia del tipo DEV serán considerados. Si se desea realizar un análisis del tipo Worst Case se puede activar el botón que aparece en la parte inferior derecha de la ventana de opciones de simulación llamado More Settings. Cuando este botón se activa una pequeña pantalla se abrirá. En la parte inferior de ésta aparece una casilla llamada Worst Case direction, dependiendo de cual opción se elija ( Hi o Low ) se simulará el caso extremo máximo o el caso extremo mínimo en comparación con la gráfica realizada con valores nominales. A continuación se ilustrará el alcance del análisis Monte Carlo aplicado al estudio del circuito pasa banda de la Figura 27. El objetivo será determinar cómo pueden varían las frecuencias de corte en bajo del circuito de la Figura 27 dependiendo de la tolerancia de los componentes del circuito. Lo primero es definir las tolerancias de cada dispositivo. Para ello se debe elegir cada componente y abrir su respectivo editor de propiedades y buscar la columna denominada Tolerance, la cual, generalmente, se ubica en la parte final de la lista de columnas. Posteriormente se debe ingresar el valor deseado de tolerancia en forma de porcentaje. En este ejemplo se le asignará un valor de tolerancia del 10% para las resistencias, 50% 13 para el capacitor y 10% para el inductor (se recomienda que las columnas de tolerancias y sus valores se hagan visibles). Seguidamente se utilizará una etiqueta (consúltese la sección para una introducción al uso de éstas) para determinar de una manera formal cual es la salida del circuito, su nombre será simplemente Salida y se colocará en la parte superior de la resistencia R2. Finalmente se conectará al circuito la fuente de voltaje VAC para determinar el comportamiento del circuito en el dominio de la frecuencia. Con todas estas directrices el circuito original debe parecerse al que se muestra en la Figura 58. C1 1n TOLERANCE = 50% L1 10uH TOLERANCE = 10% 1Vac 0Vdc V1 R1 1k TOLERANCE = 10% Salida R2 1k TOLERANCE = 10% 0 Figura 58: Circuito pasa banda para análisis de tolerancias 13 La mayoría de los capacitores comerciales tienen tolerancias que van desde +50% hasta -10% de su valor nominal, sin embargo, PSpice no cuenta con la posibilidad de ingresar dos valores de tolerancias. 54

55 Arbitrariamente se definirán las características del análisis de barrido en AC de la misma forma a como se definieron anteriormente (una frecuencia de inicio de 1kHz, una frecuencia final de 10GHz y 100 puntos por década). Para activar el análisis Monte Carlo basta con presionar su casilla respectiva en la parte derecha de la ventana de opciones de simulación en la lista titulada Options y luego seleccionar la casilla referente a su nombre en la parte superior de la ventana de opciones de simulación. Se definirá que la variable de salida sea el voltaje en la etiqueta Salida, por lo que se puede escribir en la casilla correspondiente V(Salida) que significa Voltaje en la etiqueta llamada Salida respecto a la referencia. Aquí se ilustra la ventaja del uso de etiquetas ya que permiten la definición rápida de alguna variable sin tomar en consideración los elementos del circuito ni sus terminales. Además, se realizarán 3 simulaciones (recuérdese que una de las simulaciones siempre corresponde a la simulación realizada con los valores nominales de los componentes), por lo que el valor de la casilla Number of runs será 3. La mayoría de los componentes eléctricos siguen una distribución de acuerdo a la curva de Gauss, de esta manera se cambiará la distribución a la opción Gaussian. Los otros parámetros de esta simulación no requieren se definidos, por lo que no se hará. Así, la ventana de opciones de simulación debe verse como se muestra en la Figura 59. Figura 59: Opciones de simulación para el análisis Monte Carlo Posteriormente a correr la simulación aparecerá en PSpice la ventana mostrada en la Figura 60. En ella aparecen todas las curvas simuladas (esta ventana no aparece en los otros análisis porque sólo se a determinado simultáneamente una curva en ellos). Si por alguna razón no se desea que alguna curva sea desplegada basta con no seleccionarla 55

56 (predeterminadamente todas la curvas están seleccionadas) y presionar la opción OK. Obsérvese como en esta pantalla una de las curvas corresponde a la curva nominal. Midiendo ahora el voltaje en la salida del circuito utilizando el marcador avanzado db Magnitude of Voltage se debe obtener una simulación semejante a la mostrada en la Figura 61, en ella se han marcado las frecuencias de corte en bajo para cada gráfica. Nótese como la variable entre paréntesis es la etiqueta que se definió anteriormente. Figura 60: Ventana de habilitación de curvas Figura 61: Variación de las frecuencias de corte en bajo a partir de la tolerancia de los dispositivos 56

57 En una gráfica mostrada por el análisis Monte Carlo/Worst Case siempre el símbolo de la gráfica que se encuentre más a la izquierda en la lista mostrada en la parte inferior izquierda corresponderá a la curva nominal del circuito Barrido Paramétrico y Análisis Rápido de Fourier El barrido paramétrico es muy semejante al barrido en DC, de hecho todas las opciones de estos análisis son idénticas, por lo que se puede consultar la sección para tener una idea suficientemente clara de éstas. Sin embargo, se debe aclarar una diferencia básica y fundamental entre los dos tipos de análisis. El análisis de barrido en DC crea una gráfica a partir de la variación de un parámetro colocando la variable en el eje x del área de simulación-, mientras que el análisis paramétrico repite una gráfica cualquiera a partir de la cantidad de valores que tenga algún parámetro. Para explicar esta diferencia tan importante considérese el problema de obtener todas las curvas de voltaje en la salida del circuito resistivo de la Figura 28 cuando la resistencia R3 tiene valores de 100Ω, 200Ω, 300Ω y 400Ω al mismo tiempo que la entrada está compuesta por una onda cuadrada que va desde -1V hasta 1V, tiene un ciclo de trabajo del 50% 14 y un periodo de 1s. No se puede realizar un barrido en DC por que la fuente de entrada es una onda AC y tampoco es aconsejable construir cuatro circuitos con los diferentes valores de la resistencia R3 y aplicar la misma entrada a todos y medir la salida. Para solucionar este problema se utilizará el barrido paramétrico aplicado al análisis en el dominio del tiempo. Como se requiere variar el valor de la resistencia R3 lo más fácil es aplicar el mismo procedimiento que se aplicó en la sección 3.2.2; definir el valor de la resistencia como un parámetro previamente establecido con la parte PARAM. Luego se debe cambiar la fuente de alimentación del circuito resistivo por una fuente del tipo VPULSE, como no se especifica el valor de la fuente en t = 0s ni el tiempo de simulación se definirán arbitrariamente como 1V y 4s respectivamente. A partir de la sección se pueden definir los parámetros de la fuente de voltaje que se debe utilizar. El circuito resistivo se muestra en la Figura 62. V1 = -1 V2 = 1 TD = 0 TR = 1m TF = 1m PW = 0.5 PER = 1 V1 R3 {R} 0 R4 1k PARAM ET ERS: R = 100 Figura 62: Circuito resistivo para análisis paramétrico Como referencia se muestra en la Figura 63 los parámetros de la simulación de barrido paramétrico para este circuito. 14 El ciclo de trabajo se define como el porcentaje del periodo total de la onda en la que ésta tiene su valor máximo, por lo común sólo se habla de ciclo de trabajo cuando se trata de señales cuadradas o digitales. 57

58 Figura 63: Opciones de simulación del barrido paramétrico Después de correr la simulación, aceptar todas las gráficas en la ventana de habilitación de curvas y medir el voltaje de salida en la resistencia R4 se debe obtener una gráfica como la que se muestra en la Figura 64. En ella se muestran 4 curvas, cada una corresponde a un valor diferente de R3, pero Cómo saber cual valor de R3 corresponde a cada curva? Obsérvese que en la parte inferior izquierda de la pantalla aparece un símbolo por cada gráfica, presionando 2 veces el botón izquierdo del mouse sobre un símbolo en específico se mostrará una pequeña pantalla en la que aparece información referente a esa gráfica (véase la Figura 65 para ver la pantalla respectiva a la curva para R3 = 300Ω). 58

59 Figura 64: Salida del circuito resistivo en función de R3 Figura 65: Pantalla de información La señal de entrada de este circuito tiene una propiedad muy importante en el tratamiento de señales de información; es una onda periódica. Es conocido por los cursos básicos de ecuaciones diferenciales que una onda cualquiera puede ser convertida en una sumatoria infinita de ondas seno y coseno multiplicados por ciertos coeficientes llamados coeficientes de Fourier, sin embargo, si la onda es periódica como en este caso- ésta se puede representar por su espectro real de frecuencias En la sección de la referencia [5] se trata más extensamente los principales conceptos de esta técnica. 59

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