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Simulación de circuitos con ordenador. Introducción a ESpice.

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

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Simulación de circuitos con ordenador. Introducción a ESpice.

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

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

  3. RESUMEN DE LA CLASE ANTERIOR. Ejemplo.cir • Fuentes dependientes. • Fuentes independientes. • Dependiendo del tipo de análisis. • Análisis DC o punto de polarización ( V/I o único V/I). V/Inombre n+ n- DC valor. • Análisis AC ( frecuencias). V/Inombre n+ n- AC valor fase. • Análisis transitorio (f(tiempo)). V/Inombre n+ n- SIN/PULSE/EXP/PWL () • Componentes pasivos (R, L, C). R/L/C/nombre n+ n- valor.

  4. RESUMEN DE LA CLASE ANTERIOR. Ejemplo.cir • Análisis punto de operación. OP • Análisis transitorio. TRAN TSTEP TSTOP <TSTART <TMAX>><UIC> • Análisis AC. AC SweepType PoitsValue StartFrequency EndFrequency • Análisis DC. DC SRCNAM VSTART VSTOP VINCR [SRC2 START2 STOP2 INCR2]

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

  6. RESUMEN DE LA CLASE ANTERIOR. Ejemplo.cir • Listado de datos. PRINT/PRINT >> .TXT • Representación de datos. PLOT • Dibujo de corriente.. PLOT V/R PONGO FUENTE TENSION DE PRUEBA. PLOT I(FUENTETENSION/INTENSIDAD O BOBINA) • Cambio de análisis. SETPLOT • Cambio de circuitos. SETCIRC

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

  8. 3. Componentes básicos. • Pasivos: • Resistencias, R. • Inductancias, L. • Condensadores, C. • Transformadores, K. • Fuentes: • Independientes: V, I. • Dependientes: E, F, G, H. • Activos: • Diodos, D. • Transistores bipolares de unión (BJT), Q. • Transistores de efecto campo (FET), M. • Amplificadores operacionales (se pueden crear subcircuitos empleando componentes básicos como constituyentes y definiendo unas entradas y salidas).

  9. 3. Componentes básicos. • Activos(descripción general): • Diodo, D. • Transistores Bipolares de Unión (BJT), Q. • Transistores de Efecto Campo (MOSFET), M. NOMBRE NODO1 NODO2 … NOMBRE DEL MODELO .MODEL NOMBRE DEL MODELO TIPO(CARACTERISTICAS)

  10. 3. Componentes básicos. • DIODOS (descripción en el circuito): DXXXXXXX N+ N- MNAME <AREA> <OFF> <IC=VD> <TEMP=T> Nombre que damos al modelo de diodo D Condición inicial (opcional) para análisis TRAN Factor de área (opcional) La primera letra (D) indica diodo. Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres para identificar el diodo. Nodos entre los que se conecta la fuente. Se definen con la polaridad adecuada de N+ a N-. Temperatura (opcional) a la que funciona el dispositivo Condición inicial (opcional) para análisis DC • Ejemplos: • DBRIDGE 2 10 DIODE1 • DCLMP 3 7 DMOD 3.0 IC=0.2

  11. 3. Componentes básicos. • DIODOS (descripción en el circuito): DXXXXXXX N+ N- MNAME La primera letra (D) indica diodo. Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres para identificar el diodo en el circuito. Nodos entre los que se conecta la fuente. Se definen con la polaridad adecuada de N+ a N-. Nombre que damos al modelo de diodo D • Ejemplos: • DBRIDGE 2 10 DIODE1 • DCLMP 3 7 DMOD

  12. 3. Componentes básicos. • DIODOS (descripción del modelo): .MODEL MNAME TYPE(IS=RS= BV=TNOM=) Tipo de dispostivo: D (Opcional) Corriente de saturación (10-14 A, por defecto) (Opcional) Resistencia óhmica (0 Ω, por defecto) Nombre que se le da al Modelo de diodo. (Opcional) Tensión de ruptura inversa (∞ V, por defecto) (Opcional) Temperatura (27 ºC, por defecto) • Ejemplos: DBRIDGE 2 10 DIODE1 DCLMP 3 7 DMOD .model DIODE1 D .model DMOD D(IS=10e-16A RS=10Ω BV=40V)

  13. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 5. Dado el circuito de la figura, estudiar bajo que condiciones conduce el diodo cuando las fuentes Vin y Vout proporcionan, respectivamente, tensiones entre 0 y 5V y 0 y 1V. • Nota: Considérese variaciones en la tensión de la fuente de 0.1V. Los resultados deben representarse gráficamente, almacenarse en un fichero .txt y obtenerse automáticamente.

  14. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 5. • DC • Análisis DC anidado, es decir, se pueden cambiar los valores de dos fuentes de tensión o intensidad a la vez. • Sintaxis: DC SRCNAM VSTART VSTOP VINCR [SRC2 START2 STOP2 INCR2] Ejemplo 5 *Descripción del circuito Vin 1 0 DC 0.1A Rp 1 2 100Ohm D1 2 3 DIODO Vout 3 0 DC 0V .model DIODO D .control DC vin 0V 5V 0.1V Vout 0V 1V 0.1V print all>ejem5.txt plot i(vout) ylabel "Intensidad por D1" +xlabel "Tensión en Vin (V)" +title "Característica de un diodo" .endc .end

  15. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 5.

  16. 3. Componentes básicos. • Transistor bipolar de unión BJT (descripción en el circuito): QXXXXXXX NC NB NE <NS> MNAME <AREA> <OFF> <IC=VBE, VCE> <TEMP=T> Nombre que le Damos al Modelo de BJT que vamos a usar. Condición inicial (opcional) para análisis TRAN Factor de área (opcional) La primera letra (Q) indica BJT. Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres para identificar el transistor. Nodos de colector, base, emisor y sustrato (opcional, por defecto tierra). Temperatura (opcional) a la que funciona el dispositivo Condición inicial (opcional) para análisis DC • Ejemplos: • Q23 10 24 13 QMOD IC=0.6, 5.0 • Q50A 11 26 4 20 MOD1

  17. 3. Componentes básicos. • Transistor bipolar de unión BJT (descripción en el circuito): QXXXXXXX NC NB NE MNAME La primera letra (Q) indica BJT. Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres para identificar el transistor. Nombre que le Damos al Modelo de BJT que vamos a usar. Nodos de colector, base, y emisor. • Ejemplos: • Q23 10 24 13 QMOD • Q50A 11 26 4 MOD1

  18. 3. Componentes básicos. • Transistor bipolar de unión BJT (descripción del modelo): .MODEL MNAME TYPE(BF= VAF= BR= VAR= TNOM=) Tipo de dispostivo: NPN/PNP (Opcional) Beta directa máxima ideal (100, por defecto) (Opcional) Tensión Early directa (∞ V, por defecto) (Opcional) Beta inversa máxima ideal (1, por defecto) (Opcional) Tensión Early inversa (∞ V, por defecto) (Opcional) Temperatura (27 ºC, por defecto) Nombre que se le da al modelo de transistor. • Ejemplos: Q23 10 24 13 QMOD Q50A 11 26 4 MOD1 .model QMOD NPN .model MOD1 PNP(BF=300)

  19. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 6. Obtener la característica Vout-Vin y las intensidades de colector, base y emisor del siguiente circuito sabiendo que la entrada varía entre 0 y 10V (paso 0.5V) y que el transistor (NPN) tiene una F=200. • Nota: La característica y las intensidades deben aparecer en dos gráficos independientes. Todos los resultados deben almacenarse en un fichero .txt y obtenerse automáticamente.

  20. Ejemplo 6 *Descripción del circuito Vcc 1 0 DC 10V Rc 1 2 1kOhm Q1 2 3 4 BJT Vpe 4 0 DC 0V Vin 5 0 DC 10V Rb 5 3 2kOhm .model BJT NPN(BF=200) .control DC Vin 0 10 0.5V plot v(2) title "Característica del circuito" plot (-1*i(vcc)) (-1*i(vin)) (i(vpe)) title "Intensidad +de colector, base y emisor" print all>>ejem6.txt .endc .end 3. Componentes básicos. • Ejemplo 6.

  21. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 6.

  22. Anchura de las difusiones de drenador y fuente (opcional) (opcional)Longitud y anchura del canal (100 m, por defecto) 3. Componentes básicos. • Transistor de efecto campo MOSFET (descripción en el circuito): • MXXXXXXX ND NG NS NB MNAME <L=VAL> <W=VAL> <AD=VAL> <AS=VAL> <PD=VAL> <PS=VAL> + <NRD=VAL> <NRS=VAL> <OFF> <IC=VDS, VGS, VBS> <TEMP=T> La primera letra (m) indica BJT. Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres para identificar el transistor. Nodos de drenador, puerta, fuente y sustrato, respectivamente. Nombre que le damos al Modelo de MOSFET que Usamos. Perímetros de las uniones de drenador y fuente (opcional). Temperatura (opcional) a la que funciona el dispositivo Condición inicial (opcional) para análisis DC Condición inicial (opcional) para análisis TRAN Resistencias parásitas serie de drenador y fuente. • Ejemplos: • M1 24 2 0 20 TYPE1 • M31 2 17 6 10 MODM L=5U W=2U • M1 2 9 3 0 MOD1 L=10U W=5U

  23. 3. Componentes básicos. • Transistor de efecto campo MOSFET (descripción en el circuito): MXXXXXXX ND NG NS NB MNAME <L=VAL> <W=VAL> (opcional) Anchura del canal (100 m, pordefecto) La primera letra (m) indica BJT. Además, se pueden añadir hasta 7 caracteres para identificar el transistor. Nodos de drenador, puerta, fuente y sustrato, respectivamente. Nombre que le damos al Modelo de MOSFET que Usamos. (opcional)Longitud del Canal (100 m, pordefecto) • Ejemplos: • M1 24 2 0 20 TYPE1 • M31 2 17 6 10 MODM L=5U W=2U • M1 2 9 3 0 MOD1 L=10U W=5U

  24. 3. Componentes básicos. • Transistor de efecto campo MOSFET (descripción del modelo): .MODEL MNAME TYPE(VTO= KP= GAMMA= PHI= LAMBDA= TNOM=) (Opcional) Tensión umbral en ausencia de polarización (0V, por defecto) (Opcional) Transconductancia (2.0·10-5 A/V2, por defecto) (Opcional) Parametro umbral de sustrato (0 V1/2, por defecto) (Opcional) Potencial de superficie (0.6 V, por defecto) (Opcional) Modulación de la longitud del canal (0 1/V, por defecto) (Opcional) Temperatura (27 ºC, por defecto) Tipo de dispostivo: NMOS/PMOS Nombre que se le da al modelo de transistor. • Ejemplos: M1 24 2 0 20 TYPE1 M31 2 17 6 10 MODM L=5U W=2U .model TYPE1 NMOS(KP=3.1e-5A/V2) .model MODM PMOS

  25. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 7 (un caso real). A partir del circuito de la figura, obtener el estado de polarización, la tensión umbral y la transconductancia del transistor MOSFET. • Nota: La característica y las intensidades deben aparecer en dos gráficos independientes. Todos los resultados deben almacenarse en un fichero .txt y obtenerse automáticamente.

  26. Ejemplo 7b *Descripción del circuito VDC 1 0 DC 5V M1 1 1 2 2 MOSFET Rp 2 3 1kOhm Vp 3 0 DC 0V .model MOSFET NMOS(VTO=1.5V KP=3.0e-5A/V2) .control DC VDC 0V 5V 0.1V plot sqrt(i(Vp)) ylabel "Raiz cuadrada intensidad drenador" +xlabel "Tensión de drenador" print sqrt(i(vp))>>ejem7b.txt .endc .end 3. Componentes básicos. • Ejemplo 7.

  27. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 7.

  28. Componentes básicos.Subcircuitos. • En muchas ocasiones un circuito puede ser tan complejo que se divide en partes más sencillas para analizarlo. • También puede ocurrir que estas etapas tengan un funcionamiento independiente entre sí. En ambos casos es conveniente definirlas en como subcircuitos de un circuito mayor. • Estructura, sintáxis, llamada y posición: .SUBCKT subnam N1 <N2 N3 ...> Descripción del circuito (puede incluir otros subcircuitos y llamadas a estos) (los nodos que se usen son locales excepto tierra) .ENDS <SUBNAM> XYYYYYYY N1 <N2 N3 ...> SUBNAM (X: llamada, colocada despues de su definición) (YYYY: identificación del subcircuito mayor)

  29. Componentes básicos.Subcircuitos. • Si un (sub)circuito es utilizado muchas veces, puede definirse en un fichero independiente al que se pueda recurrir para completar otros circuitos (ficheros.cir). .INCLUDE ./filename.cir • No deben utilizarse espacios en el nombre del fichero del subcircuito. • El nombre del fichero y el nombre del subcircuito deben coincidir. • Copía todo el fichero del subcircuito por tanto la línea de título debe contener *.

  30. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado A). Dado el circuito de la figura. • Obtener Vout y Vin cuando la entrada varía entre -1.5 y 1.5V (paso 0.1V). • Representar la entrada y la salida en función del tiempo cuando Vin es un señal de tipo seno de 1.5 V de amplitud y 1kHz de frecuencia. • Realizar el diagrama de Bode, en modulo y fase, en el intervalo de frecuencias entre 1Hz y 10MHz. La señal de entrada tiene una amplitud de V. • Nota: Debe utilizarse una única fuente independiente Vin. Todos los resultados deben almacenarse en un fichero .txt. Considérense un modelo simplificado de amplificador operacional. El subcircuito debe describirse en el mismo fichero.cir.

  31. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado A). Modelo simplificado de amplificador operacional. Gain= 2E5

  32. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado A). Ejemplo 8a *Descripción del circuito *subcircuito .SUBCKT Oper 1 2 3 Rin 1 2 1MegOhm EVout 3 0 2 1 2e5 .ends Oper Vin 1 0 DC 0V AC 1V sin(0 1.5V 1kHz) R1 1 2 1kOhm XAO1 2 0 3 Oper R2 2 3 10kOhm .control *Análisis requeridos DC Vin -1.5V 1.5 0.1V TRAN 0.01ms 1ms 0ms 0.01ms AC DEC 10 1Hz 100MegHz .endc .end

  33. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado A).Barrido DC.

  34. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado A). Barrido de tiempo.

  35. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado A). Diagrama de Bode.

  36. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado B). Dado el circuito de la figura. • Realizar las mismas cuestiones que en el apartado A pero utilizando dos ficheros, uno que contenga el circuito principal y un segundo que contenga la descripción del amplificador operacional. • Nota: Debe utilizarse una única fuente independiente Vin. Todos los resultados deben almacenarse en un fichero .txt. Considérense un modelo simplificado de amplificador operacional. El subcircuito debe describirse en el mismo fichero.cir.

  37. Ejemplo 8b *Descripción del circuito .include ./opeamp.cir Vin 1 0 DC 0V AC 1V sin(0 1.5V 1kHz) R1 1 2 1kOhm R2 2 3 10kOhm XAO1 2 0 3 opeamp .control *Análisis requeridos DC Vin -1.5V 1.5 0.1V TRAN 0.01ms 1ms 0ms 0.01ms AC DEC 10 1Hz 1MegHz .endc .end *Amplificador operacional subcircuito *Descripción del subcircuito .SUBCKT opeamp 1 2 3 Rin 1 2 1MegOhm EVout 3 0 2 1 2e5 .ends opeamp 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado B).

  38. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado C). Dado el circuito de la figura. • Realizar las mismas cuestiones que en el apartado A pero utilizando dos ficheros, uno que contenga el circuito principal y un segundo que contenga la descripción de un amplificador operacional real lf156, alimentado con +15V y -15V. • Nota: Debe utilizarse una única fuente independiente Vin. Todos los resultados deben almacenarse en un fichero .txt.

  39. Ejemplo inversor real *Descripción del circuito .include ./lf156.cir Vin 1 0 DC 0V AC 1V sin(0 1.5V 1kHz) R1 1 2 1kOhm XAO1 0 2 4 5 3 lf156 R2 2 3 10kOhm Vcc 4 0 DC 15V Vbb 5 0 DC -15V .control *Análisis requeridos DC Vin -1.5V 1.5 0.1V TRAN 0.01ms 1ms 0ms 0.01ms AC DEC 10 1Hz 100MegHz .endc .end * Connections: + - V+V-O .SUBCKT LF156 3 2 7 4 6 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado C). Lf156

  40. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado C).Barrido DC. Ideal lf156

  41. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado C). Barrido de tiempo. Ideal lf156

  42. 3. Componentes básicos. • Ejemplo 8 (Apartado C). Diagrama de Bode. lf156 Ideal Ideal lf156

  43. EJERCICIOS. • Ejercicio 5. Obtener la característica Vout vs. Vin del siguiente puente de diodos. Considérese que D1 y D2 tienen una corriente inversa de saturación es 10-15 A, mientras que para D3 y D4 es de 5·10-14 A.

  44. EJERCICIOS. Ejercicio *Descripción del circuito Vin 1 0 DC 0.1V V1 2 0 DC 10V V2 3 0 DC -10V R1 2 4 1kOhm R2 3 5 2kOhm R0 6 0 3kOhm D1 4 1 DIODE1 D2 4 6 DIODE1 D3 1 5 DIODE2 D4 6 5 DIODE2 .model DIODE1 D(IS=1E-15) .model DIODE2 D(IS=5E-15) .control DC vin -10V 10V 0.5V plot v(6) ylabel "Vout (V)" +xlabel "Vin (V)" +title "Caracteristica de un puente de diodos" print all>>ejer5.txt .endc .end • Ejercicio 5.

  45. EJERCICIOS. • Ejercicio 5.

  46. EJERCICIOS. • Ejercicio 6. Dado el circuito de la figura, • Obtener la característica IE vs. VEC cuando las fuentes de tensión VEC y VEB, varían entre 0 y 5V (paso 0.2V) y 0.6 y 0.8 V (paso 0.01V), respectivamente. Datos: Transistor PNP de características F=150, R=3 y VEARLY=40 V. • Nota: Todos los resultados deben almacenarse en un fichero .txt y obtenerse automáticamente.

  47. EJERCICIOS. • Ejercicio 6. Ejercicio 6 *Descripción del circuito Vec 1 0 DC 1V Veb 1 2 DC 1V Q1 0 2 1 bjt .model bjt PNP(BF=150, BR=3, VAR=40v) .control DC Vec 0V 5V 0.2V Veb 0.6V 0.8V 0.01V plot (-1*i(Vec)) .endc .end

  48. EJERCICIOS. • Ejercicio 6.

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