Spice

Laboratorio de Componentes y Circuitos Electrónicos

INFORMÁTICA DE SISTEMAS

Introducción al Pspice

Dpto. Electrónica 2002-2003

PRÁCTICA 1. Simulación analógica con ORCAD-PSPICE: Introducción. Guía para ejercicios

INTRODUCCIÓN AL ORCAD-PSPICE 9 El programa Pspice que viene en este paquete software incluye todo lo de versiones anteriores y además librerías y componentes nuevos. Pspice 9, forma parte de un programa software que incluye, además, la posibilidad de crear placas de circuito impreso. Ambos programas comparten el programa de captura, por lo que la forma de organizar la relación entre los programas y la interfaz de usuario ha variado ligeramente respecto a versiones anteriores. Se incluye a continuación una pequeña introducción sobre la forma de entrar al programa y la estructura de la información. Durante la realización de las prácticas se irá introduciendo el manejo de la interfaz de usuario. Arranque del programa Se arranca el programa de captura, “Capture CIS” (si se utiliza la versión de evaluación, se puede llamar “CIS Demo” o algo semejante)

A continuación en el Orcad Capture, se abre un nuevo proyecto:

y se selecciona: “Analog or Mixed-Signal Circuit Wizard”. Se escribe un nombre para el proyecto y se elige un directorio donde guardar los ficheros. Es importante “no utilizar acentos” en los nombres de los ficheros. El programa pide a continuación que se elijan las librerías de Pspice que se desean incluir. En principio se dejarán las que el programa da por defecto y posteriormente se incluirán librerías a medida que vayan haciendo falta.

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Al terminar la configuración y arrancar el programa, se tienen tres ventanas abiertas: la de captura del esquemático, la de eventos de la sesión (session log) y la del proyecto abierto: “nombre_del_proyecto.opj”. Se pueden distribuir las tres en pantalla o lo que es más cómodo, maximizar la de captura y acceder a las otras cuando se desee a través del menú “Window”. La “ventana del proyecto”, da información de la estructura de los programas y elementos que se están utilizando y permite su acceso. Cada proyecto consta de un único diseño. Este diseño consta a su vez de uno o varios circuitos esquemáticos. Cada circuito esquemático puede estar realizado en una o varias páginas. Las páginas se unen a través de los símbolos “Off Page Conector”.

Por defecto, al arrancar el programa se crea un único esquemático conteniendo una única página. La creación de nuevos esquemáticos y páginas se hace desde el menú “Design”, resaltando previamente el diseño o esquemático correspondiente. El cambio entre esquemáticos o páginas activos, también se realiza desde la “ventana de proyecto”, pulsando sobre el elemento correspondiente.

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Además de lo anterior, en la “ventana de proyecto” se pueden ver los componentes utilizados (Design Cache), las librerías, los perfiles de simulación, etc. Su uso se irá viendo a lo largo de las prácticas. En el menú Hierarchy, se puede ver la jerarquía de los distintos bloques del diseño, para el esquemático raíz. Se pueden realizar diseños de jerarquía plana y diseños jerárquicos donde unos diseños se definan como bloques, parte integrante de otros diseños más complejos.

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Ejercicio 1. Análisis del punto de trabajo del circuito (“Operating point”) a) Dibuje el circuito esquemático de la figura.

0

RG1

600

R1

1k1

R2

1k2

RR

20k

RG2600

R3 1k

RL 1k

RI100k

V1

V2

I1

Para colocar los componentes se accede al menú place

part, o se pulsa el icono Los condensadores (C) y resistencias (R) se encuentran en la librería “ANALOG”, mientras que las fuentes se encuentran en la librería “SOURCE”. Para el ejemplo de la figura se elegirán las fuentes VSRC e ISRC. Si se desea rotar un elemento se hace pulsando (CONTROL R) cuando el elemento está seleccionado.

Los hilos de conexión se dibujan pulsando sobre el icono o bien place wire La masa utilizada (0/SOURCE) se obtiene pulsando el icono o bien place ground Una vez dibujado el circuito se pueden modificar los nombres y los valores de los componentes pulsando dos veces sobre el componente (se abre el editor de propiedades). Para cambiar el nombre se modifica el campo “reference”. Cuando se han realizado las modificaciones en el editor de propiedades, se cierra la ventana, volviendo al esquemático. Si sólo se quiere cambiar el valor del componente, se pulsa dos veces sobre el valor y se modifica. Los valores a emplear para las fuentes son1:

• V1 = 5V (DC) • V2 = 2,5V (DC) • I1 = 2 mA (DC)

Si se quiere comprobar que el circuito esquemático se ha creado sin errores, se crea el listado de nodos y se edita. Para ello se selecciona: PSpice Y después PSpice Create Netlist View Netlist y se obtiene un listado de nodos como el siguiente, donde se puede observar también el valor de los componentes del circuito: 1 En el editor de símbolos rellenar sólo las casillas correspondientes a DC, dejando en blanco el resto. Recuerde la nomenclatura: k para 1000, meg para mega, m para mili, u para micro, p para pico, n para nano y separador decimal punto (no coma), 1k2 significa 1,2k etc.

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* source PRACTICA1 1 R_RL 0 N00025 1k R_R3 N00069 N00059 1k R_RG2 N00133 N00019 600 R_RR N00019 N00025 20k R_R2 N00059 N00025 1k2 R_R1 N00019 N00059 1k1 R_RG1 N00123 N00019 600 R_RI 0 N00069 100k V_V2 N00133 0 DC 2.5 V_V1 N00123 0 DC 5 I_I1 N00069 0 DC 2m

b) Obtenga el punto de trabajo del circuito con PSPICE 1) Salvar el circuito esquemático

2) Crear un nuevo perfil de simulación

darle nombre y salvarlo2.

3) Seleccionar Bias Point

4) En el menú “probe Window” del perfil de simulación desactivar “display probe window” en los dos casos. 5) Ejecutar PSpice Y después PSpice Run View Output File En el listado (si no ha habido errores durante la simulación) aparecen:

• Los listados de nodos del esquemático y de Spice • Las tensiones en todos los nodos • Las corrientes en los generadores de tensión

c) Calcule la corriente que atraviesa las resistencias RR, RL y R1. Para obtenerlas modifique el circuito anterior colocando en serie con dichas resistencias generadores de tensión, en los que se fijarán tensiones de 0V (DC). 2 Por cada diseño se pueden crear tantos perfiles de simulación como se quiera, y se pueden utilizar con cualquiera de los esquemáticos.

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Ejercicio 2. Análisis de la Función de Transferencia (“Transfer Function”) El objetivo de este ejercicio es obtener la función de transferencia del circuito, que representa el modelo híbrido en π del transistor bipolar. Para ello tendremos que incluir un nuevo componente, que es una fuente de corriente dependiente. Este elemento se encuentra en la librería “ANALOG” y se llama “F”.

Vsal

Vent

V1

R1

600

R2 10kR3 2k2

R45k5

R5 180

R7 120k

R6 3k6

HFE IB

Para conocer la función de transferencia o ganancia en tensión definida como (Vsal/Vent) se activa el correspondiente análisis en el perfil de simulación. Este análisis da, además, la resistencia de entrada y de salida del circuito. a) Captura del Esquemático.

• Tras introducir la fuente de corriente dependiente (F), en el editor de propiedades se le da un valor de hFE = 200 en el campo Gain (ganancia).

• Para V1 se elegirá un valor de 500mV (DC). Las etiquetas se introducen pulsando en el icono o bien con place Net Alias y colocándolas, después de darles un nombre, sobre el “hilo” adecuado. b)Preparación del perfil de simulación. Al crear el perfil de simulación con Pspice se elige: Tipo de análisis: Bias Point Se marca ( ) la casilla de cálculo de la función de transferencia y se introducen los valores de las tensiones entre las que se quiere calcular dicha función3.

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3 La tensión de entrada no puede ser un alias; tiene que ser el nombre de una fuente independiente de tensión.


La opción de cálculo de la función de transferencia, realiza además el cálculo de las resistencias de entrada y salida vistas desde los puntos que hayamos elegido para entrada y salida respectivamente. En el menú “probe Window” del perfil de simulación desactivar “display probe window” en las dos opciones. c) Ejecutar la simulación y rellenar la siguiente tabla:

Ganancia en tensión Resistencia de entrada

vista desde V1 [kΩ] Resistencia de salida vista

desde Vsal [kΩ]

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Ejercicio 3. Análisis Transitorio (“Transient”) y Modificación de los Parámetros de un Modelo

0

V1C1

1u

R1

1k

En este ejercicio se estudia el comportamiento transitorio de un circuito. a) Captura del esquemático Se empleará una fuente de tensión pulsada periódica: “VPULSE” de la librería “SOURCE”. Los parámetros que utilizaremos para la fuente serán:

TD = tiempo de retardo (Time Delay) TF = tiempo de bajada (Time Fall) TR = tiempo de subida (Time Rise) PW = anchura del pulso (Pulse Width) PER = periodo V1 y V2 los dos niveles de tensión Los valores elegidos responden a una señal cuadrada (entre 0 y 5 V) de 100 Hz. Los tiempos de subida y bajada no deben ser cero, pues Pspice podría interpretar dos valores distintos de tensión para el mismo instante temporal. Se quiere observar la evolución temporal de la tensión y la corriente del condensador, durante un periodo de la señal. La impresión de los resultados de la evolución transitoria del circuito requiere introducir dos componentes de la librería “SPECIAL”: “VPRINT1” e “IPRINT”. En ambos se debe activar la casilla “Tran” del editor de propiedades, introduciendo los valores “Y” o “yes” o “1”. b) Configuración del perfil de simulación Antes de realizar la simulación, en el perfil de simulación se elegirá el tipo de análisis transitorio y los valores de comienzo de la simulación, final de la simulación y máximo intervalo entre puntos de la simulación. En este ejemplo se han elegido en total 1000 puntos de simulación para 10ms (un periodo).

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En el menú “Output File Options” se debe elegir cada qué intervalo de tiempo se desea que el programa escriba un dato en el fichero de salida. Si por ejemplo eligiéramos 0.1ms tendríamos en el fichero de salida 100 datos, obtenidos cada 0,1ms durante 10ms. c) Realice la simulación para distintos valores de intervalos y represente los resultados gráficamente. d) Repita el apartado anterior, asignando un valor inicial al condensador de 5V. Para ello en el editor de propiedades añadir el valor 5 en la casilla “IC” (Initial Conditions). e) Modificación de los parámetros de un modelo. Se va a estudiar el comportamiento con la temperatura de la resistencia, variando su coeficiente con la temperatura (TC). Para ello se modificarán los parámetros del modelo y se estudiará la respuesta del circuito frente a variaciones de temperatura. Al subir la temperatura, la resistencia aumentará y el condensador se cargará y descargará más lentamente. Sustitúyase la resistencia por una resistencia “RBREAK” de la librería “BREAKOUT”. En el editor de propiedades asignarle (si no lo tiene por defecto) el valor de 1k. Esta resistencia permite modificar parámetros del modelo de Pspice.

Edite el modelo Pspice de la resistencia. Para ello, teniéndola resaltada en el esquemático, ejecutar: Edit Pspice model

Se abrira el programa editor de modelos que en esta versión de Pspice se llama “Orcad Model Editor”. Sustituir el valor: .model Rbreak RES R=1 por .model Rbreak RES R=1(TC1=0.01) Así se habrá variado el valor del coeficiente de temperatura4. Repita el apartado c), pero estudiándolo para el nuevo coeficiente de temperatura a tres temperaturas distintas: -25ºC, 25ºC y 125ºC. Para ello edite el perfil de simulación, y añada el estudio con la temperatura.

4 La sintaxis general para trabajar con el modelo de un componente es: .model <nombre del modelo><tipo de elemento><nombre de parámetro=valor>

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Ejercicio 4. Introducción a la herramienta “Probe” El objetivo de este ejercicio es comprobar la utilidad del programa de representación gráfica de resultados, “Probe”, en la simulación de un circuito. Probe permite la visualización de tensiones en los nodos del circuito, corrientes por los elementos del mismo o expresiones que resulten de operar con ellas (Ej. VEFF(V(R2 :2))/2) a) Activación de “PROBE” Se partirá del mismo esquema del apartado anterior, sin los elementos VPRINT e IPRINT, y activando en el perfil de simulación la salida por PROBE.

Al terminar cada simulación se abrirá (si no ha habido errores) la ventana de PROBE. Para visualizar, por ejemplo, una tensión en un nodo se selecciona: Trace Add trace y se elige la tensión o corriente a visualizar (o la operación sobre ellos)5.

b) Represente la tensión en el extremo de la resistencia conectado con el condensador. c) Represente la potencia instantánea en el condensador. d) Represente la tensión en bornes del condensador para las tres temperaturas del

ejercicio anterior (para un estado inicial del condensador descargado). ¿Para qué temperatura es más lenta la carga y la descarga? ¿responde a lo esperado?

e) Repita lo mismo para el estado inicial del condensador, cargado a 5V. f) Obtenga el desfase entre las señales de entrada y salida. Para ello, cambie la señal de

excitación, introduciendo una fuente de señal senoidal de frecuencia 1kHz.

5 Para poder ver de forma expandida todos los valores de tensiones y corrientes del circuito, activar la casilla de ver “Alias Names”

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Ejercicio 5. Análisis Paramétrico “Parametric sweep” En este ejercicio se va a estudiar la influencia que puede tener la variación de un parámetro de uno de los elementos del circuito en la simulación. Cuando se activa la función “Parametric Sweep” dentro del perfil de simulación, Pspice realizará la simulación para cada valor del parámetro correspondiente. Cuando se abre la ventana de “Probe”, se puede elegir para que valores del parámetro se representan los resultados. El análisis paramétrico permite variar:

• Un parámetro global • El parámetro de un modelo • El valor de un componente • Una fuente DC

salida

00

D1D1N3064

D2D1N3064

D3D1N3064 D4

D1N3064V1R1

1k

• La temperatura de funcionamiento

Para el ejemplo de la figura (rectificador de onda completa) se va a variar en primer lugar la temperatura, y posteriormente la tensión AC, definiéndola como un parámetro global. a) Captura y Simulación del rectificador. Captúrese el esquema de la figura.

• La fuente será “Vsin” de la librería “SOURCE”. Se elegirá una frecuencia de 50 Hz y una amplitud de 10 V.

• Se configura en perfil de simulación, eligiendo un análisis transitorio (“Transient”), eligiendo los intervalos de simulación adecuados para ver dos ciclos de la señal.

Ejecute la simulación y observe la salida rectificada del circuito.

b) Variación con la temperatura. Edite el perfil de simulación (o cree uno nuevo) y

manteniendo la configuración del análisis transitorio del caso anterior, activar el análisis paramétrico con la temperatura, para valores entre 10ºC y 100ºC con intervalos de 10ºC.

Observe el resultado en la pantalla del probe, eligiendo tres valores del parámetro: inicial (10ºC), final (100ºC) y uno intermedio.

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c) Variación con la tensión alterna de entrada. Para este estudio se definirá el valor de tensión de la fuente alterna como un parámetro global. Los pasos a seguir son los siguientes: 1.- En el editor de propiedades de la fuente de tensión sustituir el valor de amplitud, por el nombre del parámetro a utilizar colocado entre llaves. Por ejemplo: Vent

2.- Situar en la pantalla del esquemático el elemento “PARAM” de la librería “SPECIAL”. Se puede situar en cualquier punto de la pantalla del esquemático. 3.- Abrir el editor de propiedades de este elemento y pulsar en “New...”. Se abre una ventana (Add New Property) donde se escribirá (sin llaves) el nombre del parámetro global, en este ejemplo: Vent y se pulsa “OK”. Esto ha creado una nueva propiedad del componente “PARAM” que se llama “Vent” y que aparecerá en el lado derecho. 4.- Introducir el valor inicial del parámetro que se va a ir modificando en el análisis. Si por ejemplo se va a variar la tensión de entrada entre 4V y 20V, se introducirá el valor “4”.

5.- Pulsar “Apply” y cerrar la ventana del editor de propiedades. Con estos cinco pasos ya se ha definido un parámetro global y se le ha asignado a la fuente de tensión el valor que vaya tomando el parámetro durante la simulación. A continuación en el editor de perfiles de simulación, en análisis transitorio, elija análisis paramétrico y configure la variación del parámetro global, introduciendo el nombre (sin llaves) y los valores de variación del parámetro. Ejecute la simulación y observe el resultado de la salida en la pantalla del “Probe”, eligiendo tres valores del parámetro: inicial (4V), final (20V) y uno intermedio.

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Ejercicio 6. Análisis en continua “DC sweep” En este ejercicio se trata de explorar la utilidad del análisis en DC. Tiene gran parecido con el análisis paramétrico y en ocasiones se puede realizar lo mismo empleando uno u otro análisis. Hay que tener en cuenta, que el análisis que realiza Pspice en este caso, es exclusivamente en continua, y se debe tener en cuenta como afectarán las bobinas y los condensadores que pudieran estar presentes en el circuito.

0

VCC

VCC

0

R2

1k

Rc

1k

Q1

Q2N3906

R4

1k

R3

1k

V1-15V

a) Capturar el circuito mostrado en la figura. Este circuito incluye el transistor “Q2N3906” de la librería “BIPOLAR”. Salida

El símbolo “VCC Circle”, que sirve para unir la fuente (VDC) al circuito, y que se captura pulsando en:

Partiendo del circuito mostrado en la figura, para un valor de Vcc = -15V, calcular el punto de trabajo del transistor (Bias Point). b) Visualizar la tensión en la salida (colector del transistor), cuando la tensión de alimentación varía entre -5 y -15V, con incrementos de -2V. Para realizar esta simulación, se elegirá en el perfil de simulación, los parámetros de la figura adjunta.

Ejecutar la simulación e interpretar en la gráfica de Probe6, qué representa la variable en el eje de abcisas y qué representa la variable en el eje de ordenadas.

6 A diferencia con el análisis del ejercicio anterior, en DC Sweep, Probe pinta todas las gráficas; no deja elegir cuales se desean pintar. Se pueden elegir, modificando el perfil de simulación e incluyendo una lista de valores en vez de un intervalo regular.

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c) La tercera parte del ejercicio consiste en realizar un análisis anidado, variando el valor de la resistencia de colector (Rc):

• definir la resistencia Rc como un parámetro global. • A continuación se activará “Secondary Sweep”, “Global Parameter” y se le asignará

el nombre de la resistencia. • Varíe el valor de la resistencia entre 100 Ω y 5kΩ a intervalos de 100 Ω.

Intente explicar el resultado que obtiene en Probe. ¿A que se debe la distribución (no equiespaciada) entre las curvas? d) Realice el ejercicio anterior, cambiando el orden del anidamiento entre los barridos (barrido principal el valor del parámetro global Rc y barrido secundario la tensión de alimentación). ¿Puede ahora explicar mejor el resultado? ¿A que se debe el cambio de pendiente de las curvas?

Ejercicio 7. Análisis en alterna “AC Sweep/noise”

0

V1

R12k

L13H

C20.05p

Cm10p

Mediante el análisis “AC” se obtiene la respuesta en frecuencia del circuito (en régimen permanente), efectuando un barrido en frecuencia, especificando un valor inicial y un valor final. Para este tipo de análisis sólo se pueden emplear como fuentes de excitación los generadores independientes, en los cuales se especifica la amplitud (y la fase inicial opcionalmente) en el campo reservado para este análisis. Es decir, el campo AC debe estar accesible al editar las propiedades de la fuente. No son válidas las fuentes senoidales, que se emplean para análisis transitorios.

Salida

En el ejemplo de la figura se empleará la fuente “VSRC” con un valor en el campo AC = 1V. a) Analice la respuesta en frecuencia del circuito. Obtenga la frecuencia de resonancia. Para ello se configurará el análisis AC Sweep en barrido por décadas (logarítmico), variando la frecuencia entre 10kHz y 1 MHz, con 100 puntos por década. b) Variación de un parámetro en el análisis en alterna. Realice el ejercicio anterior modificando los valores del condensador C2 entre 0.01pF y 0.1pF, declarándolo como un parámetro global y activando “Parametric Sweep” dentro del análisis AC. ¿Que ha ocurrido con la frecuencia de resonancia?

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CUESTIONES (cada cuestión corresponde al ejercicio con su misma numeración): • Cuestión 1. Se Añade una resistencia en paralelo con RL (RL’) de valor 4K. Inspeccionando el fichero de salida y sin ayuda de generador auxiliar, ¿cuál es la corriente que circula por RL’? ¿Cuánto vale la potencia total disipada? • Cuestión 2. a) Implementar el modelo correspondiente al esquema del ejercicio 2, pero empleando una fuente de corriente controlada por tensión. ¿Qué parámetro circuital es ahora el que interesa para la nueva fuente? b) Simular de nuevo el circuito eliminando la R5 (cortocircuitar R5), observar la salida y explicar el resultado. • Cuestión 3. Simular el circuito, tomando la salida en tensión en el mismo punto que en el ejercicio correspondiente, pero además los tiempos de carga y descarga del condensador se desea que sean del 40-60% (carga-descarga), y que en t=0, la curva empiece con un tramo de descarga desde un valor de 6V. • Cuestión 4. a) Visualizar la tensión en los extremos del condensador y su carga en gráficas diferentes, simultáneamente. b) Visualizar la potencia disipada por la resistencia y la corriente que circula por ella, en la misma gráfica con ejes de ordenadas diferentes. • Cuestión 5. Como se ha podido comprobar la salida es una señal rectificada con grandes fluctuaciones. Para amortiguar estas fluctuaciones introducir un condensador a la salida en paralelo con la resistencia. Llevando a cabo un procedimiento análogo al indicado en el aptdo. c) obtener el mínimo condensador que proporcione un rizado de menos del 2%. • Cuestión 6. Dando valores para la alimentación -8 -10 -12 volts., encontrar una pareja de resistencias de polarización (R1,R3) para cada valor de la tensión de forma que el punto de trabajo no varíe respecto al que se tenía en el circuito inicial. Tomar como salida en la representación la tensión colector-emisor de Q1. (Realizar un análisis análogo al realizado en el ejercicio correspondiente. Análisis DC anidado) • Cuestión 7. Representar el diagrama de Bode del siguiente amplificador en emisor común:

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