ANLISIS Y DISEO DE CIRCUITOS POR ORDENADOR

1

• ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS POR ORDENADOR
• En los últimos años se han automatizado los
  procesos de diseño y fabricación de los circuitos
  electrónicos mediante herramientas de software
  (CAD, CAE, CAM).
• Esto reduce notablemente los costos y tiempos
  fabricación.
• Los softwares de simulación son programas que
  reproducen el comportamiento de un circuito
  basándose en los modelos de teoría de circuitos.
• El simulador nos permite realizar pruebas
  virtuales (cambio del valor de los componentes,
  excitaciones, condiciones iniciales) hasta llegar
  a obtener las especificaciones de diseño
  requeridas.

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• El Simulador Eléctrico
• Se necesita una descripción simbólica del
  circuito información de los componentes,
  excitaciones.
• Señales de entrada del circuito.
• Tipo de análisis (AC, DC, Transitorio, RPS)
• Otros programas que complementan el simulador
• Programas de representación gráfica.
• Editores de esquemáticos
• Diseños de placas de circuito impreso a partir
  de conexiones.

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• El Simulador PSPICE
• Es una versión para PC del simulador SPICE
  (Simulated Program with Integrated
  Circuit Emphasis).
• Ofrece la simulación de circuitos electrónicos
  análogos, digitales o mixtos. Se basa en el
  método de análisis por nudos (Resuelve el
  sistema de ecuaciones).
• PSpice incorpora
• PROBE Programa para visualizar formas de onda
  y gráficas.
• Librerías con las características eléctricas de
  muchos de los dispositivos existentes en el
  mercado.
• Facilidad para creación de modelos propios.
• Efecto de variación de temperatura de los
  componentes.
• Efectos de las tolerancias de los componentes
  análisis de sensibilidades.

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• Características generales de PSpice
• El procedimiento general para la simulación de
  circuitos utilizando PSpice consta de tres
  pasos básicos.
• Creación del fichero fuente
• Correr el programa
• Indicar al programa la manera de presentar los
  resultados.
• Comentarios generales sobre el fichero fuente
• Cada sentencia en el fichero fuente consta de
  varias partes, denominadas campos.
• En algunas ocasiones se pueden utilizar signos
  de igual , o paréntesis () como
  separadores.
• Una sentencia en un fichero fuente no puede
  contener más de 80 caracteres por línea.

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• PSpice no hace distinción entre letras
  mayúsculas y minúsculas.
• Un asterisco al inicio de una línea indica
  un comentario.
• El campo correspondiente al nombre de un
  elemento debe iniciar con una letra de la A ?
  Z.
• Los nombres pueden contener un máximo de 131
  caracteres, pero se recomienda la utilización de
  8 como máximo.
• Los campos pueden contener números enteros o
  números reales.
• La primera línea de un fichero fuente es el
  título, el cual puede contener cualquier texto.
• La última sentencia en un fichero fuente debe
  ser la sentencia .END.

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En la siguiente tabla se presentan los factores
de escala utilizados por PSpice y sus respectivas
formas exponenciales. FACTORES DE ESCALA DE
PSPICE SÍMBOLO EXPONENCIAL VALOR F
(f) 1e-15 10-15 P (p)
1e-12 10-12 N (n) 1e-9
10-9 U (u) 1e-6 10-6 M
(m) 1e-3 10-3 K (k)
1e3 103 MEG (meg)
1e6 106 G (g) 1e9
109 T (t) 1e12 1012
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• 1. Creación de un fichero fuente en PSpice
• Para crear un fichero fuente en PSpice es
  necesario seguir los siguientes pasos
• Se describe el circuito que se desea analizar
• Se establece el tipo de análisis que se va a
  realizar
• Se determina el tipo de presentación para los
  resultados.
• Los ficheros fuente se subdividen en tres partes
  
• Declaración de las sentencias de datos
• Declaración de las sentencias de control
• Declaración de las sentencias de salida.
• El fichero puede ser creado en cualquier editor
  de texto, siempre que el editor no introduzca
  ningún tipo de caracteres especiales o de
  control. El mismo debe guardarse con una
  extensión .CIR.

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• Sentencias de datos
• PSpice se basa en el método de análisis nodal.
• El primer paso en la descripción de un circuito
  en PSpice es enumerar todos los nodos
• Identificar cada uno de los elementos conectados
  a los nodos, además de especificar sus
  características numéricas.
• Sentencias de control
• Las sentencias de control son comandos de PSpice
  que describen los parámetros del tipo de
  análisis que se desea realizar a un determinado
  circuito (.DC, .AC, .FOUR, .OP, .TF, .SENS).

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• Sentencias de salida
• Las sentencias de salida se utilizan para
  controlar la manera de presentar los resultados,
  ya sea en forma de gráficas, en tablas o mediante
  el visualizador PROBE. Los resultados de los
  análisis realizados, es almacenado por PSpice en
  un ficheros con extensión .OUT y .DAT, con el
  mismo nombre que el fichero fuente.
• El fichero de resultados se puede dividir en tres
  partes
• Copia del fichero fuente
• Resultados de algunos tipos de análisis como
  .TF, .OP, .SENSE
• Gráficas y tablas.

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• 2. Análisis de circuitos resistivos
• Generadores de tensión y corriente (dependientes
  e independientes).
• Elementos resistivos,
• Amplificadores operacionales,
• SENTENCIA DE CONTROL
• .DC Estado permanente de las corrientes y
  voltajes del circuito.
• .OP Se obtiene el punto de operación de cada
  elemento del circuito.
• .SENS Se obtiene la sensibilidad de algún
  parámetro del circuito con respecto a cambios en
  los valores nominales de los elementos del
  circuito.
• .TF Se obtiene la relación salida / entrada del
  circuito y resistencias de entrada y salida del
  circuito.

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• 2.1 Sentencias de introducción de datos
• 2.1.1 Generadores DC independientes
• La declaración utilizada para especificar
  generadores
• independientes consta de cuatro campos.
• Nombre del generador.
• Nodos de conexión.
• Tipo de generador.
• Valor.
• La sintaxis para la declaración de un generador
  de tensión
• es la siguiente

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En el caso de los generadores de de corriente las
diferencias consisten en que la primera letra del
nombre debe ser la letra I, y además el nodo
positivo se define como el nodo de extracción, y
el nodo negativo, como nodo de inyección, de la
siguiente manera
13
Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3
DC 1m
14

• 2.1.2 Generadores sinusoidales
• PSpice nos ofrece la opción de crear señales
  sinusoidales, ya sean puras o amortiguadas. La
  sintaxis para la introducción de un generador
  sinusoidal es la siguiente
• Vxxx N N- SIN(Vo VA FREQ TD ? ?)
• Vxxx es el nombre del generador
• N y N- son las terminales de conexión del
  generador
• Vo indica la tensión inicial del generador
• VA indica la amplitud de la señal,
• FREQ indica su frecuencia en hertz
• TD es el tiempo de retardo de la señal ,
• ? representa el factor de amortiguamiento
• ? es el desfase en grados.

15
Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3
DC 1m
V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)
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• 2.1.3 Generadores dependientes
• Los generadores dependientes se dividen en dos
  tipos
• A. Generadores controlados por tensión.
• B. Generadores controlados por corriente.
• A. Generadores controlados por tensión
• La declaración comprende cuatro campos.
• Nombre del generador.
• Nodos de conexión.
• Nodos de control.
• Ganancia o transconductancia.

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Generador de tensión controlado por tensión La
sintaxis para la declaración es la siguiente
Generadores de corriente controlados por tensión
la sintaxis es de manera similar, exceptuando el
inicio del nombre el cual debe ser con la letra G
y teniendo en cuenta lo explicado en las
fuentes independientes, en relación a los nodos
de extracción (1) e inyección (2).
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Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3
DC 1m V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)
Fuentes controladas por tensión E1 5 0 3 0
2 G1 7 6 4 5 2.5
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• B. Generadores controlados por corriente.
• Cuando la variable de control de una fuente
  controlada
• es una corriente, PSPICE requiere la inserción
  de una
• fuente de tensión continua de 0 V, que actúa como
• amperímetro. Es importante tener en cuenta la
  fuente
• sensora, debe ser colocada de tal manera que la
• corriente de control entre por la terminal
  positiva.
• La declaración de este tipo de generadores cuenta
  con
• cuatro campos
• Nombre del generador.
• Nodos de conexión.
• Generador de control.
• Ganancia o Transresistencia.

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Generador de tensión controlado por corriente
Generador de corriente controlados por corriente
21
Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3
DC 1m V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)
Fuentes controladas por tensión E1 5 0 3 0
2 G1 7 6 4 5 2.5
Fuentes controladas por corriente H1 2 5 V1
0.5 F1 2 4 V_AMP 3
22
2.1.4 Elementos resistivos Para la inserción de
elementos resistivos, se utiliza una sintaxis que
consta de tres campos
La definición de la polaridad de los nodos se
hace teniendo en cuenta el sentido de la
corriente.
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Fuentes independientes V1 1 0 DC 5 I1 2 3
DC 1m V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0) Fuentes
controladas por tensión E1 5 0 3 0 2 G1 6
7 4 5 2.5 Fuentes controladas por corriente H1
2 3 V_AMP 0.5 F1 2 4 V_AMP 3
Resistores R1 1 2 100 R2 3 AMP 500 R3 4
5 1K R4 6 5 1K
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• 2.1.5 Amplificadores operacionales
• PSPICE ofrece tres opciones para describir un
  amplificador operacional en un archivo fuente.
• Utilizando un circuito equivalente con
  resistencias y una fuente de tensión controlada
  por tensión.
• La segunda opción es similar a la anterior, pero
  en este caso el amplificador es modelado mediante
  un subcircuito, el cual puede ser utilizado como
  otro elemento de PSPICE.
• La tercera alternativa es utilizar los modelos
  incorporados en la librería de elementos que
  contiene el programa. Estos modelos son más
  complejos y sofisticados, por lo cual se hace más
  lento el análisis del circuito.

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A. Modelo utilizando resistencias y una fuente
controlada por tensión. El circuito utilizado
para modelar el amplificador operacional se
muestra en la siguiente figura.
Ri 1 2 valor Exxx 3 5 2 1 A Ro 3
4 valor
26
B. Modelo utilizando subcircuitos. Para definir
un subcircuito en un archivo fuente de PSPICE es
necesario utilizar la sentencia de control
SUBCKT, cuya sintaxis general es la siguiente

• SUBNAM corresponde al nombre del subcircuito,
• N1, N2, N3,.... corresponden a los nodos
  externos,
• Luego de la sentencia .SUBCKT se hace la
  descripción del subcircuito y por último se
  finaliza con la sentencia .ENDS ltSUBNAMEgt.

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Después de hacer la descripción en un
subcircuito, la sentencia utilizada para
incluirlo dentro de un circuito global es la
siguiente

• Xyyy describe el nombre del subcircuito,
• Nodos indica las conexiones externas entre el
  subcircuito y el circuito global,
• SUBNAME hace referencia al nombre de la
  descripción de subcircuito utilizada.

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.SUBCKT AMPO 1 2 4 5 R1 1 2 1E10 E1
3 5 2 1 1E6 Ro 3 4 1K .ENDS
AMPO Para incluirlo en el circuito global X1 2
0 3 0 AMPO X2 4 6 5 0 AMPO
29

• 2.2 Sentencias de control
• 2.2.1 Sentencia .OP
• Esta sentencia de control indica a PSPICE que
  calcule el punto de operación DC para el circuito
  que se va a analizar
• Voltajes en cada nodo.
• Corrientes en cada fuente de tensión y la
  potencia total
  disipada.
• Punto de operación para cada dispositivo.
• El análisis básico que PSpice realiza incluye los
  valores que caen dentro de las dos primeras
  categorías.
• Con la opción de análisis .OP podemos calcular
  la corriente y el voltaje a través de cualquier
  otro dispositivo presente en el circuito.

30
2.2.2 Sentencia .DC La sentencia de control .DC
permite incrementar el valor de una fuente
independiente (tensión o corriente),
especificando el rango de valores y el tamaño del
incremento. El formato general de la sentencia
.DC es el siguiente
Por ejemplo para variar un generador V1 entre 10
y 5 voltios, a razón de .5 voltios de incremento,
se utilizaría la siguiente línea de comando .DC
V1 -5 10 0.5 Esta sentencia también nos
permite variar dos generadores de manera
simultanea. .DC FUENTE1 INICIO1 FIN1 INCR1
FUENTE2 INICIO2 FIN2 INCR1 .DC V1 0 10 1
I1 0 3 .25
31

• 2.2.3 Sentencia .TF
• La sentencia de control .TF permite calcular
  tres características de los circuitos
• La razón entre una variable de salida y otra de
  entrada.
• La impedancia de entrada con respecto al
  generador.
• La impedancia de salida con respecto a las
  terminales de la carga.
• La sintaxis general de esta sentencia es la
  siguiente
• .TF Variable de salida Variable de entrada
• 2.2.4 Sentencia .SENSE
• La sentencia .SENSE nos permite obtener la
  sensibilidad de una determinada variable con
  respecto a los cambios en los valores nominales
  en cualquiera de los elementos del circuito.
• La sintaxis es muy simple .SENSE Variable.

32
2.3 Sentencia .PRINT Esta sentencia genera
tablas de datos con el valor de una o más
variables, los cuales dependen de una sentencia
.DC previa . Su sintaxis general es la
siguiente PRINT DC VARIABLE 1 ltVARIABLE 2gt
ltVARIABLE 3gt
33
Ejemplo 1
En el circuito de la figura, calcule V1 y Vo ,
sí Vg Ig g 1.
Problema 1.6 Descripción de los
elementos nombre n n- valor R1
1 2 1 R2 2
3 1 R3 3 4 0.5
R4 4 5 0.5 R5
0 2 1 R6 6
4 1 R7 6 5 0.5
R8 0 6 1 nombre
n n- tipo valor Vg 1
0 DC 1 I1 3 0
DC 1 nombre n n- nc
nc- gan G1 3 6 2
0 1 .end
34
El fichero de salida que produce P-SPICE es el
siguiente 03/16/98 132358 NT
Evaluation PSpice (July 1997)
SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE
27.000 DEG C
NODE
VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
NODE VOLTAGE ( 1) 1.0000 ( 2)
.1250 ( 3) -.6250 ( 4) -.4375
( 5) -.3438 ( 6) -.2500 VOLTAGE
SOURCE CURRENTS NAME CURRENT Vg
-8.750E-01 TOTAL POWER
DISSIPATION 8.75E-01 WATTS JOB
CONCLUDED TOTAL JOB TIME .17
35
Ejemplo 2 En el circuito del a figura hallar
Va-b. Sí V1 V2 1 y a 50.
36
EJEMPLO 2 R1 1 2 500 R2 3 4 20
R3 4 5 20 R4 7 6 500 R5
0 4 1k R6 0 8 2k
Generadores independientes V1 1 0 DC 1
V2 7 0 DC 1 V3 2 3 DC 0 V4
6 5 DC 0 Generadores dependientes F1
0 3 V3 50 F2 8 5 V4 50 .op .end
37
Fichero de salida INITIAL TRANSIENT
SOLUTION TEMPERATURE 27.000 DEG
C
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE
VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) 1.0000 (
2) .9952 ( 3) .9952 ( 4)
.9853 ( 5) .9952 ( 6) .9952
( 7) 1.0000 ( 8) -.9660
VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT
V3 9.660E-06 V4 9.660E-06
V2 -9.660E-06 V1
-9.660E-06 TOTAL POWER DISSIPATION 1.93E-05
WATTS JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME
.25
38
Ejemplo 3 En el siguiente circuito, varíe la
fuente de corriente I1 de 0 a 3 A (en pasos de
1A). Para cada valor de corriente, obtenga el
valor de V12 , si el generador V1 varía de 0 100
V en pasos de 20 voltios.
39
Ejemplo 3 R1 1 2 5 R2 0 2 40 R3 2 3 8
R4 1 3 32 V1 1 0 DC 0 amperímetro V2 0
4 DC 0 I1 4 3 DC 0 Sentencia DC
anidada .DC V1 0 100 20 I1 0 5 1 tipo de
análisis .PRINT DC V(1,2) I(V2) .PROBE .END
40
Fichero de salida
41
Ejemplo 4 En el circuito de la figura hallar
VO,VO1, la relación VO / Vin y la sensibilidad
del circuito. Sí Vin 10-3 0.5cos(106 t), R1
100?, R2 100K?, R3 R4 1K?, R5 R6 2.2K?.
42
EJEMPLO 4 V1 1 0 SIN(1m 0.5 1.591E5 0 0
90) R1 1 2 100 R2 2 4 100k R3 3 0 1k R4
4 5 1k R5 6 0 2.2k R6 7 6 2.2k .SUBCKT
AMPO 1 2 3 4 Ri1 1 2 10e9 E1 3
4 2 1 1e5 .ENDS AMPO X1 2 3 4 0
AMPO X2 5 6 7 0 AMPO .TF V(7) V1 .SENS
V(7) .TRAN 1E-6 1E-4 .PROBE .END
43
FICHERO DE SALIDA SMALL SIGNAL BIAS
SOLUTION TEMPERATURE 27.000 DEG
C
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE
VOLTAGE NODE VOLTAGE ( 1) .0010
( 2) 999.0E-09 ( 3) 99.90E-15 (
4) -.9990 ( 5) -.9990 ( 6)
-.9990 ( 7) -1.9980 VOLTAGE
SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V1
-9.990E-06 TOTAL POWER DISSIPATION
9.99E-09 WATTS SMALL-SIGNAL
CHARACTERISTICS V(7)/V1 -1.998E03 INPUT
RESISTANCE AT V1 1.001E02 OUTPUT RESISTANCE
AT V(7) 0.000E00
44
(No Transcript)
45
04/13/98 152606 NT Evaluation
PSpice (July 1997)
INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE
27.000 DEG C
NODE VOLTAGE
NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE
VOLTAGE ( 1) .5010 ( 2) 500.5E-06 (
3) 50.05E-12 ( 4) -500.5000 ( 5)
-500.5000 ( 6) -500.5000 ( 7)-1001.0000
VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME
CURRENT V1 -5.005E-03 TOTAL
POWER DISSIPATION 2.51E-03 WATTS
JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME
.10
46
3. Análisis en el dominio del tiempo 3.1
Inductores Para la declaración de inductores
en un circuito se necesitan cuatro campos. La
sintaxis completa de la sentencia de introducción
de inductores es la siguiente
3.2 Condensadores En el caso de los
condensadores la sintaxis es prácticamente igual
a la de los inductores con la excepción de que la
letra inicial es C.
47

• 3.3 Sentencia .TRAN
• La sentencia de control .TRAN indica a PSpice
  que realice el análisis del circuito en el
  dominio del tiempo.
• Su sintaxis completa es la siguiente
• .TRAN TSTEP TSTOP TSTART TMAX UIC
• TSTEP indica es el incremento entre cada valor
  generado por los comandos .PRINT o .PLOT.
• TSTOP indica el tiempo total que dura el
  análisis,
• TSTART indica el punto de inicio del análisis,
• TMAX es el intervalo de tiempo máximo entre
  cada valor generado en el análisis realizado por
  PSpice.
• TMAX ((TSTOP TSTART) / 50).
• UIC indica a PSpice que utilice las condiciones
  iniciales de corriente y tensión.

48
3.4 Sentencias .PLOT y .PRINT La sentencia
.PLOT nos permite realizar gráficos en función
del tiempo de cualquiera de las cantidades
obtenidas en el análisis transitorio. La sintaxis
de este comando es la siguiente
ltopcionalesgt .PLOT TRAN VARIABLE 1 ltMIN
MAXgt......... ltVARIABLE 8 ltMIN MAXgtgt En el
análisis transitorio también se puede utilizar la
sentencia .PRINT, la cual tiene siguoente
sintaxis .PRINT TRAN VARIABLE 1 ltVARIABLE 2gt
ltVARIABLE 3gt
49
3.5 Sentencia .PROBE La sentencia .PROBE,
indica a PSpice que genere un archivo de datos
(.DAT), el cual contiene los resultados del
análisis realizado, los cuales pueden ser
visualizados gráficamente utilizando el trazador
de gráficos Probe que se incluye con el PSpice.
50
3. 6 Generador de pulsos exponenciales PSpice
provee generadores de tensión y corriente que
dependen del tiempo. Con los cuales se pueden
generar pulsos cuadrados o exponenciales tal
como el que se muestra en la siguiente figura
Vxxx N N- exp(V1 V2 TD1?1 TD2 ?2)
51
3. 7 Generador de lineal por tramos Vxxx
N N- PWL(T1 V1 T2 V2 . . . Tn Vn)
v1 1 0 pwl(0,1,0.25,1,.5,-1,.9,2.5,1.3,2.5,1.5,1,2
,1,2.5,0)
52
Ejemplo 5 En el siguiente circuito hallar l a
tensión en R2, para t 5 y 20 mseg, suponiendo
que C1 se encuentra inicialmente descargado y
que V1 es un pulso de 1 voltio de amplitud y
duración de 0.01 segundos. Respuesta Vo
(t5ms) -39 V Vo (t20ms) -23.02V.
53
EJEMPLO 5 R1 1 2 100 R2 3
0 100 C1 2 3 1u IC0
Generador exponencial (V1 V2 td1 tr
td2 tf) V1 1 0 EXP 0 1 0 1E-4 .01
1E-4 F1 3 2 VS_F1
.99 Amperímetro VS_F1 2 0 0 .TRAN .001
.04 0 1e-6 UIC .PROBE .END
54
Pulso de entrada
Tensión de salida
55
Tensión de salida
56
Ejemplo 6 En el siguiente circuito hallar la
tensión en Vo para t gt 0, sí V1 30 V y V2
sen (2x103t). Respuesta
57
Análisis transitorio R1 1 2 1k R2
2 3 1k R3 3 0 1k V1 1 0
DC 30 C1 3 0 1u IC10 V2 2 0
SIN (0 1 318.309886 0 0 0) configuración
del análisis .TRAN .001 .05 0 1E-6
UIC .PROBE .END
58
Ejemplo 7 En el siguiente circuito, encuentre
I1 e I2 para t gt 0.
I1 (0-) 6.66667
59
Análisis en el dominio del tiempo R1 1 2
5 R2 2 3 10 R3 3 0 10 V1
1 0 DC 100 L1 3 0 2 IC6.6666
.TRAN 20m 1 0 20m UIC .PROBE .END
60
(No Transcript)
61
Análisis en Régimen Permanente Sinusoidal
Generadores AC Vxxx N N- AC AMP
DESFASE Ixxx N N- AC AMP DESFASE
Sentencia .AC .AC TIPO NP FINICIO
FFINAL Sentencia .PRINT .PRINT AC
Vm(3) Vp(3) Ir(r3) I1(r3)
62
(No Transcript)
63
(No Transcript)