Introducción a OrCAD PSPICE AD con SCHEMATICS

Transcripción

1 Departamento de Ingeniería Electrónica Área de Tecnología Electrónica (E2-SO) Introducción a OrCAD PSPICE AD con SCHEMATICS 1 Introducción SPICE es una potente herramienta de simulación de circuitos analógicos y mixtos que puede ser usada para comprobar el diseño de circuitos y para predecir su funcionamiento. Esto tiene especial importancia en los circuitos integrados y por esta razón, SPICE fue originalmente desarrollado en el Electronic Research Laboratory of the University of California, Berkeley (1975). Su nombre es el acrónimo de Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis. PSPICE es la versión para PC de SPICE y existen multitud de herramientas de análisis de circuitos basadas en PSPICE. En concreto, OrCAD dispone de una versión de estudiante con funcionalidad limitada que puede ser usada libremente con propósitos académicos y de evaluación. El paquete de instalación contiene además PSPICE Schematics que es una aplicación para la descripción gráfica de los circuitos que se pretenden analizar, así como la aplicación Probe que es la aplicación que nos permite visualizar y analizar los resultados de los análisis de los circuitos realizados con PSPICE. DIE Universidad de Sevilla Escuela Superior de Ingenieros Con PSPICE se pueden hacer diversos tipos de análisis en función de las necesidades: AC Sweep DC Sweep BIAS Point Sensitivity Temperatura Transfer Function Transient Parametric Además PSPICE tiene librerías de componentes digitales más comunes, de modo que se convierte en una herramienta muy útil para la simulación de una amplia gama de circuitos electrónicos. Todos los análisis se pueden realizar a distintas temperaturas, siendo la de defecto 300K (27ºC). Algunos de los componentes que pueden usarse en un circuito para simualar con PSPICE son: Fuentes independientes y dependientes de tensión y corriente Resistencias Condensadores Bobinas Inductancias acopladas Líneas de transmisión Amplificadores operacionales Interruptores Diodos Transistores Bipolares Transistores MOS JFET MESFET Puertas digitales Biestables Otros muchos componentes RPG

2 2 Uso de PSPICE con OrCAD PSPICE Schematics 9.1 Antes de simular un circuito, es necesario especificar su configuración. Esto se puede hacer de muy diversos modos. Uno de estos modos es mediante un archivo de texto en el que se especifican los componentes usados, las conexiones entre ellos, los modelos de los elementos, los valores de los parámetros de los modelos y el tipo de análisis a realizar. Este ha sido durante muchos años el método clásico para la descripción de un circuito en PSPICE, existen multitud de manuales de referencia que explican cómo redactar estos archivos que son las entradas a PSPICE para la realización de la simulación. Un modo alternativo, y mucho más cómodo, que el anteriormente descrito, consiste en la utilización de OrCAD Schematics 9.1, que no es más que una aplicación gráfica de descripción de esquemas de circuitos, en la que una vez realizada la descripción de modo gráfico, automáticamente genera el archivo de entrada para PSPICE. Este será el modo elegido para los siguientes casos que serán usados para ilustrar la simulación de circuitos mediante estas herramientas. La Fig. 1 ilustra los pasos a seguir para la simulación de un circuito con PSPICE. A continuación se describirán cada uno de ellos con más detalle con la ayuda de algunos ejemplos. Paso 1 Paso 2 Creación del circuito: * Crear nuevo esquema * Colocar componentes * Conectar los componentes * Especificar valores y nombres Configurar Simulación: * Seleccionar un tipo de simulación * Configurar parámetros de simulación * Ejecutar PSPICE Paso 3 Visualización de los resultados: * Añadir curvas a la ventana de visualización * Usar los cursores para analizar las formas de onda * Guardar o imprimir los resultados Fig. 1. Pasos a seguir para la simulación de circuitos con PSPICE Los valores de los componentes pueden ser especificados usando factores de escala, la Tabla 1 muestra dichos factores de escala. Hay que tener en cuenta que es indiferente el uso de la mayúscula o minúscula. Tabla 1. Factores de escala para expresar los valores en PSPICE Factor de escala Equivalencia Factor de escala Equivalencia T o Tera U o micro 10-6 G o Giga 10 9 N o nano 10-9 MEG o Mega 10 6 P o pico K o kilo 10 3 F o femto M o mili 10-3 RPG

3 Fig. 2. Circuito usado para ilustrar el proceso de simulación Los pasos a seguir en el proceso de simulación van a ser descritos con detalla basándose en la realización de algunos análisis sobre el circuito de la Fig Paso 1: Creación del Circuito con Schematics Creación de un nuevo esquema Para la creación de un nuevo esquema seguir los siguientes pasos: 1) Arrancar la aplicación Schematics. 2) Por defecto se abre una hoja en blanco donde poder dibujar nuestro circuito, salvar el circuito con el nombre deseado en la ubicación deseada. La pantalla que nos aparecerá tendrá un aspecto similar al mostrado en la Fig. 3. En la misma pueden verse los menús, las barras de botones agrupadas por función. Dejando el cursor del ratón encima de cada botón, se muestra el tool tip correspondiente al mismo, indicando abreviadamente la función que realiza el mismo Colocación de los componentes Para colocar los componentes necesitamos conocer las herramientas de que dispone la aplicación así como de las librerías de componentes que acompañan a la versión que estamos tratando. En dichas librerías existen suficientes componentes como para enfrentarse a todos los diseños que vamos a realizar a lo largo del curso. Para colocar todos los componentes que hay en el circuito de la Fig. 2 es necesario seguir los siguientes pasos: 1) Para seleccionar un componente a ubicar en el esquema, seleccionar del menú Draw->Get New Part. Los atajos de teclado y los botones en las barras de botones son alternativas interesantes a la hora de acelerar el proceso de descripción del circuito completo. En este caso el atajo de teclado es la combinación Ctrl+G. Aparecerá una pantalla similar a la que puede observarse en la Fig. 4. En la misma se puede escribir en el campo de nombre parte del nombre del componente, disminuyendo así la lista de componentes coincidentes y facilitando por tanto la selección del mismo. Si está la ventana expandida, se verá también un esquema del componente que puede ayudar a su identificación. RPG

4 Fig. 3. Pantalla de Schematics al arrancar la aplicación Fig. 4. Ventana emergente para la selección de un nuevo componente. Sin expandir (Basic) y expandida (Advanced) RPG

5 2) Al seleccionar el componente deseado se puede optar por varias opciones, normalmente, la más conveniente es Place&Close que hace que la ventana de selección de componentes se cierre y aparece el componente seleccionado en el área de dibujo de modo que podemos ubicarlo donde deseemos mediante el ratón. Una vez tengamos ubicado el componente en el lugar deseado se pulsa el botón principal del ratón para colocarlo definitivamente. Por defecto aparecerá en pantalla un nuevo componente idéntico a colocar, por lo que si necesitamos colocar varios componentes idénticos tan sólo tendremos que ubicarlo y pulsar de nuevo el cotón principal del ratón. Cuando ya no deseemos colocar más componentes del mismo tipo podremos salir del comando colocar pulsando el botón secundario del ratón. 3) Si necesitamos girar o reflejar el componente podemos hacerlo mediante los comandos correspondientes del menú de edición o los atajos de teclado correspondientes. 4) Si una vez colocado un componente, necesitamos moverlo, es posible hacerlo seleccionándolo con el cursor del ratón y el botón principal del mismo mientras arrastramos con el ratón Conexión de los componentes Una vez colocados todos los componentes en su lugar aproximado en el área de dibujo de la aplicación Schematics, hay que proceder a su conexionado. El comando de conexionado está en el menú de dibujo (Draw), y se selecciona mediante Draw- >Wire. También tiene atajo de teclado Ctrl+W y botón correspondiente en la barra de botones Especificación de valores y nombres Cada componente tiene una serie de propiedades fijas y otras editables. Las propiedades editables más importantes son el nombre del componente y el valor del mismo. Haciendo doble clic sobre el dibujo del componente aparece una ventana como la de la Fig. 5. En dicha ventana aparecen marcadas con un asterisco las propiedades que no podemos modificar, siendo el resto editable. Evidentemente, las propiedades cambian de un componente a otro, ya que las mismas describen parámetros del modelo de estos. Fig. 5. Ventana de propiedades de un componente Los nudos del circuito son nombrados de modo secuencial, de modo que para la posterior visualización de los resultados resulta conveniente nominar los nodos con nombres específicos para facilitarnos posteriormente el proceso de identificación de las señales. Para nombrar un nudo basta con hacer doble clic en un trozo de cable correspondiente a dicho nudo y escribir el nombre. Posteriormente en el listado de variables de los resultados de la simulación aparecerá dicho nudo con el nombre especificado por lo que nos será mucho más fácil su localización. RPG

6 2.2 Paso 2: Configuración de la simulación Como ya se ha comentado, PSPICE tiene la capacidad de realizar deferentes tipos de análisis. Cada uno de ellos necesita de una serie de parámetros para ser realizados del modo en que deseamos, siendo la configuración de la simulación, la especificación de cada uno de esos parámetros BIAS o Punto de funcionamiento Este análisis determina el punto de funcionamiento en DC de un circuito, es decir, determina el régimen permanente de un circuito DC. Su configuración se realiza a través del comando Analysis->Setup o mediante el botón correspondiente de la barra de botones. Al activar la configuración de los análisis, aparece una ventana como la de la Fig. 6, en la misma hay una casilla de habilitación para cada análisis, así como un botón para acceder a los parámetros de cada uno de ellos. Fig. 6. Ventana de configuración de los análisis El análisis de punto de funcionamiento no tiene parámetros, por lo que si pulsamos el botón correspondiente no aparecerá ninguna otra ventana que nos permitiese cambiar los mismos. Una vez definido el análisis, procedemos a la realización de la simulación mediante Análisis->Simulate o la tecla F11. Automáticamente aparecerá una ventana vacía al finalizar la simulación. Esta ventana es la correspondiente a Probe, es decir, a aplicación que nos permite visualizar todos las variables que han resultado de la simulación, sin embargo, en el caso del análisis de punto de funcionamiento, no podemos visualizar los datos mediante Probe, ya que no son curvas, sino valores numéricos. En este caso el modo más adecuado de hacerlo es mediante el propio editor de esquemas. Fig. 7. Resultados del análisis sobre el propio esquema RPG

7 La Fig. 7 muestra los resultados del análisis sobre el propio esquema, estando en verde los resultados en tensión y en azul los resultados en corriente. Para visualizar dichos resultados se han pulsado los botones rodeados por un recuadro rojo. La visualización. Es importante puntualizar que la corriente sólo se puede mostrar en un terminal de componente y que siempre indica la corriente que fluye hacia ese terminal DC SWEEP El barrido de continua es en realidad un análisis paramétrico de DC, es decir, es un análisis de DC para cada valor que toma el parámetro, que en este caso es el valor de una fuente independiente de continua. Si abrimos la configuración del análisis DC SWEEP aparece una ventana como la que puede verse en la Fig. 8. Fig. 8. Ventana de configuración del análisis DC SWEEP Como se verá posteriormente, esta ventana es idéntica a la de configuración de cualquier análisis paramétrico, la única diferencia con el resto de análisis paramétricos reside en que no es necesario activar el análisis de punto de funcionamiento, este análisis lo hace de modo automático. Una vez configurado el análisis, se puede realizar la simulación (F11) apareciendo de nuevo automáticamente al ventana de la aplicación Probe que nos permitirá ver los resultados. Ahora sí aparece un juego de ejes donde el eje de abcisa corresponde al rango de barrido del valor de la fuente de continua que hemos usado como parámetro, puesto que con este análisis lo que pretendemos es ver cómo evoluciona el punto de funcionamiento en función del valor de la fuente que hemos usado como parámetro. Fig. 9. Interfaz que permite añadir curvas a la ventana de visualización de Probe RPG

8 Existen varios modos de añadir variables a la ventana de visualización. Una opción es mediante el menú, Trace->Add Trace. Aparecerá una ventana como la de la Fig. 9 en la que se puede ver resaltada con un recuadro en rojo la zona donde debemos escribir la expresión de la curva que queremos representar. El modo más cómodo de hacerlo es mediante las dos ventanas que hay, seleccionando directamente de las variables o de la ventana de funciones aquellas variables u operaciones sobre las mismas. Otro modo, muy cómodo, es indicar, sobre el esquema, la o las variables a representar mediante la ayuda de los marcadores. En la Fig. 10 se muestra dónde está el menú, botones y el marcador ubicado a modo de ejemplo correspondientes. Fig. 10. Indicación de variables a visualizar directamente desde el esquema Una vez visualizados los datos en la ventana de Probe, es posible usar los cursores para analizar de un modo más cómodo y exacto los resultados. Los cursores se pueden activar desde el menú, Trace->Cursores->Display, o mediante el botón de la barra correspondiente. Hay dos cursores, uno se maneja con el botón primario del ratón y el otro con el secundario. También es posible especificar sobre qué curva se desplaza cada cursor usando el botón de ratón correspondiente sobre el marcador de la curva sobre la que deseemos colocar el cursor. Fig. 11. Ventana de Probe con dos curvas y un cursor sobre cada curva RPG

9 En la Fig. 11 se observan dos curvas, el modo de activar los cursores y la ventana de indicación numérica de la posición de los cursores. A1 es el cursor principal y A2 el secundario. Para cada uno de ellos están disponibles los valores de abcisa y ordenada del punto en el que se encuentran así como la diferencia entre las abcisas y ordenadas de los mismos. Existen utilidades de búsqueda para los cursores, con ellas podemos encontrar máximos locales y absolutos sobre las curvas, puntos de inflexión, pasos por cero, etc Estas utilidades nos ayudan a determinar medidas sobre las curvas con mayor precisión que la de la vista y es importante a la hora de reflejar resultados en los cuestionarios de las prácticas Análisis transitorio (TRANSIENT) Cuando las variables del circuito son variables en el tiempo, es decir, no alcanzan un valor fijo que se mantiene, es necesario la realización de un análisis de este tipo para observar su evolución en el tiempo. Esto ocurre de modo general en los circuitos de AC y en modo particular en los circuitos de DC donde cambia alguna condición o configuración del circuito. Para la ilustración de este análisis vamos a usar el circuito de la Fig. 12, en el que se ha incluido un interruptor que se cierra en un instante determinado. Intentamos determinar la evolución temporal de las formas de onda cuando cambia la configuración del circuito debido a que se cierra el interruptor. Fig. 12. Circuito usado para el análisis transitorio Tendremos que configurar los parámetros del análisis, que a modo de ejemplo pueden verse en la Fig. 13, en la misma aparecen muchos campos vacíos, debido a que no todos los parámetros son necesarios. Los parámetros principales para este tipo de análisis son el Final Time y el Step Ceiling, el primero corresponde al periodo de tiempo que se va a simular, mientras que el segundo corresponde al paso de integración de las ecuaciones a la hora de resolver el circuito. Fig. 13. Configuración de parámetros para el análisis transitorio RPG

10 La Fig. 14 muestra el resultado del análisis sobre la tensión Vout y la corriente por el condensador C2. Se observa que aparecen en gráficas distintas. Esto es muy útil cuando queremos visualizar simultáneamente variables de muy distinto orden de magnitud. Es posible añadir nuevos gráficos a la ventana de Probe mediante el menú, Plot->Add Plot to Window, posteriormente se añaden las curvas deseadas al gráfico que se seleccione. Fig. 14. Visualización de los resultados del análisis transitorio con dos gráficos Como se ha comentado, el análisis transitorio será el que naturalmente usemos cuando queramos estudiar el comportamiento de un circuito en AC, porque en el régimen permanente senoidal, las variables no tienen valores constantes sino sinusoidales y van cambiando con el tiempo. Si al circuito de la Fig. 2 le cambiamos la fuente de tensión de continua por una de alterna, obtenemos el circuito de la Fig. 15. Un análisis transitorio sobre el mismo arroja los resultados que pueden verse en la Fig. 16 para las ondas de tensión a la entrada y salida del circuito. Fig. 15. Estudio de circuito AC mediante análisis transitorio RPG

11 2.2.4 AC SWEEP Fig. 16. Resultados del análisis transitorio sobre el circuito AC En el último ejemplo, se ha observado cómo un régimen permanente senoidal se caracteriza por una influencia sobre la amplitud de las señales así como sobre la fase respecto de una señal sinusoidal que se considera el estímulo del circuito. Puesto que en régimen senoidal, las impedancias de los componentes dependen de la frecuencia, es fácil suponer que el efecto sobre la amplitud y la fase de las señales dependa de la frecuencia. El análisis de barrido de AC, es básicamente, un estudio en el que se analiza la influencia sobre la amplitud y la fase de las señales cuando se cambia la frecuencia. Por lo dicho anteriormente, ofrece la información necesaria del régimen permanente senoidal para cada frecuencia. Puesto que analiza el comportamiento de un circuito haciendo un barrido en frecuencia, frecuentemente se le denomina a este análisis Análisis de respuesta en frecuencia y es muy comúnmente usado en el análisis de circuitos de aplicación al filtrado de señales. En la Fig. 17 se muestra la ventana de configuración de este análisis en el que se puede observar que el barrido se realiza por décadas indicando el rango del mismo. No es necesario especificar la fuente sobre la que se hace el barrido, ya que las fuentes tienen un parámetro que especifica la amplitud a usar en este análisis, de modo que si la tienen especificada, PSPICE entiende que es sobre dichas fuentes sobre las que se desea realizar el barrido. Fig. 17. Configuración del barrido en AC Usando el circuito de la Fig. 15 y haciendo el barrido en la frecuencia de la fuente V3 se puede determinar la respuesta en frecuencia del mismo. Estos resultados se muestran el la Fig. 18. En la misma, se observa la escala logarítmica del eje de abcisas como es habitual en estos casos. Se puede observar que la ganancia está expresada en decibelios. Desde el menú Markers de Schematics es posible ubicar marcadores de este tipo que son los habituales en este tipo de estudio. RPG

12 Fig. 18. Respuesta en frecuencia del circuito RPG