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Introducción al Pspice ...

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Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Electrónicos INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

Departamento de Electrónica Universidad de Alcalá

PRÁCTICA 1

Introducción a Pspice

Curso 2006-2007

PRÁCTICA 1: Introducción a Pspice

INTRODUCCIÓN AL ORCAD-PSPICE 9.1 1. ¿Qué es PSpice? Spice surge a mediados de los años 70 en la Universidad de California, en Berkleley, como un programa capaz de resolver las ecuaciones que caracterizan un circuito, a través de una breve descripción del mismo. El nombre de Spice deriva de las iniciales de “Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis”, que viene a resumir la filosofía con que fue creado. Spice, a lo largo de los últimos años, ha evolucionado hacia un entorno gráfico: Schematics (en las primeras versiones) y Capture (en las versiones más recientes). Los programas Schematics y Capture permiten introducir los circuitos sin tener necesidad de conocer la sintaxis Spice, con el consiguiente ahorro de tiempo y esfuerzo. En la actualidad, Spice ha pasado a denominarse OrCAD, y la aplicación completa no sólo realiza simulaciones analógicas y digitales de circuitos electrónicos, sino que también crea PCB’s a partir de los esquemas de un circuito. La versión demo del programa OrCAD 9 se suele denominar OrCAD demo o bien PSpice Student 9.1. La versión demo funciona de forma idéntica a la profesional, sólo que viene limitada por la librería de componentes (mucho menor que en la versión completa), por el número de componentes de los circuitos que puede simular y por ciertas opciones de simulación.

2. Cómo comenzar a trabajar con Pspice 9.1 El programa está compuesto por las siguientes aplicaciones:

Para la realización de las prácticas se utilizarán sólo las aplicaciones Capture y Pspice AD. La primera permite realizar la captura de esquemáticos, mientras que la segunda realiza la simulación de los circuitos introducidos. Sin embargo, el entorno de trabajo está completamente integrado, de manera que accediendo a la aplicación Capture Student se puede hacer uso directamente de ambas herramientas. Tras iniciar el programa Capture Student , el primer paso es crear un nuevo proyecto. Para ello se selecciona el menú “File->New->Project”, apareciendo un cuadro de diálogo como el mostrado en la siguiente figura:

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En este cuadro de diálogo se debe indicar un nombre para el proyecto (“Name”), un directorio para guardar todos los ficheros generados (“Location”), y el tipo de proyecto. Para que el programa permita no sólo introducir el esquemático, sino también realizar la simulación del mismo, el tipo de proyecto seleccionado debe ser “Analog or Mixed A/D”. A continuación aparece un nuevo cuadro de diálogo que ofrece la posibilidad de crear el proyecto vacío, o bien a partir de otro ya existente.

Cuando se crea un proyecto por primera vez, éste no incluye ninguna librería de componentes. Para añadir las librerías debe accederse al menú “Place->Part”, o bien pulsar sobre el icono , apareciendo un cuadro de diálogo con la opción “Add Library...”. Pulsando dicho botón se accede a un nuevo cuadro en el que se deben seleccionar las librerías de componentes deseadas. Puesto que en la versión demo hay muy pocas librerías, se recomienda añadirlas todas en los proyectos, para tener acceso a todos los componentes. Una vez configurado el proyecto de este modo, existen tres ventanas para el control del mismo: la de captura del esquemático (PAGE), la de eventos de la sesión (SESSION LOG) y la de gestión del proyecto (que recibe el nombre dado al proyecto, en este caso “Practica1”). Se puede pasar de una a otra cuando interese, a través del menú “Window”:

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La ventana de gestión del proyecto da información de la estructura de los programas y elementos que se están utilizando, y permite el acceso a los mismos. Su aspecto es el siguiente:

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. Por defecto, los proyectos constan de 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 se realiza pulsando sobre el elemento correspondiente. Además de lo anterior, en la ventana de gestión del proyecto se pueden ver los componentes utilizados en el diseño (“Design Cache”), las librerías, los perfiles de simulación, etc. A continuación se incluyen varios ejercicios de simulación guiados, que ayudarán a la comprensión y manejo del programa Pspice 9.1.

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EJERCICIOS DE SIMULACIÓN GUIADOS EJERCICIO 1. Análisis del punto de polarización de un circuito El objetivo de este ejercicio es obtener el punto de trabajo (o de polarización) del siguiente circuito: R1

A

B 1k V1

5

I

R2 2k

0

1.1.

Realice el análisis teórico del punto de polarización, obteniendo la tensión en los nodos A y B, y la corriente I.

1.2.

Introduzca el esquemático del circuito, realizando para ello los siguientes pasos: •

• •

Obtenga las resistencias accediendo a las librerías de componentes, bien a través del menú “Place -> Part” o pulsando el icono . Las resistencias se encuentran en la librería “ANALOG”, y el nombre del símbolo es “R”. Si desea rotar un componente, debe seleccionarse, y a continuación acceder al menú “Edit ->Rotate”, o bien pulsar la combinación de teclas “CONTROL+R”. Las fuentes de tensión y corriente se encuentran en la librería “SOURCE”. La fuente de tensión continua es el componente de nombre “VDC”. La masa del circuito se toma de un menú especial al cual se accede a través del icono

•

“0” (NOTA: el uso de un tipo de masa incorrecto puede producir errores en la simulación). Por último, los cables se dibujan mediante el menú “Place->Wire”, o bien pulsando el icono

1.3.

. Debe seleccionarse la librería “SOURCE”, y utilizar la masa de nombre

.

Configure los valores de los componentes. Para modificar los nombres o valores de los componentes existen dos opciones: •

La primera es hacer doble clic sobre la propiedad o valor del componente que se desea modificar. Por ejemplo, para configurar la fuente con 5 V, se pulsa dos veces sobre la palabra “0Vdc” (que es el valor por defecto de este componente), apareciendo un cuadro de diálogo que permite modificar su valor. Así mismo, se deberían modificar también el valor y los nombres (referencias) de las resistencias para que coincidieran con los de la figura del enunciado.

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•

La segunda opción para modificar los valores o propiedades de un componente es hacer doble clic sobre el componente completo (es decir, sobre su símbolo), accediendo de este modo al “Editor de propiedades” del componente, tal y como se muestra en la siguiente figura:

...

Una vez modificado el/los valor/es deseados, para volver al esquemático debe cerrarse esta ventana mediante el icono correspondiente. NOTA: Para configurar el valor de un componente en Pspice, no es necesario indicar la unidad de medida utilizada, pues va implícito en el tipo de componentes (es decir, Voltios para fuentes de tensión, Ohmios para resistencias, etc). Sí es conveniente utilizar la siguiente notación para indicar los múltiplos y submúltiplos más comunes, que son: submúltiplos: m=mili (10-3), u=micro (10-6), n=nano(10-9) múltiplos: k= kilo (103), M= mega (106) Así, para configurar la tensión de 5V basta con poner 5, y para configurar la resistencia de 2KΩ, se pondrá 2k. •

Si se desea comprobar que el circuito esquemático se ha creado sin errores, se puede generar el listado de nodos (“Netlist”) y se edita. Para ello, se selecciona el menú “Pspice -> Create Netlist”, y a continuación “Pspice -> View Netlist”, y se obtiene un listado de conexiones como el siguiente: R1

N00021

N00027

1k V1

* source PRAC1_1 V_V1 N00021 0 5 R_R1 N00021 N00027 R_R2 0 N00027 2k

5

R2 2k

1k 0 0

Para cada componente, el listado anterior incluye su referencia, los nodos entre los que se encuentra (la asignación de nodos es automática, y el nodo 0 siempre corresponde a la masa del circuito, tal y como se muestra en el circuito anterior), y finalmente su valor. NOTA: Este paso no es necesario realizarlo habitualmente, pues Pspice lo hace automáticamente como paso previo a la simulación. 1.4.

Configure la simulación, accediendo para ello al menú “Pspice->New Simulation Profile”, o bien pulsando el icono , tras lo cual aparece un primer cuadro de diálogo que permite introducir el nombre de la simulación (por ejemplo, “ejercicio1”), y un segundo cuadro de diálogo para configurarla, mostrado en la siguiente figura.

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Para obtener el punto de trabajo de un circuito, hay que seleccionar como TIPO DE ANÁLISIS (“Analysis type”) la opción BIAS POINT. A continuación, pulsar el botón “Aceptar”, con lo cual la simulación queda configurada. 1.5.

Realice la simulación, bien accediendo al menú “Pspice->Run”, o pulsando el icono . Tras realizar cualquier simulación se abre automáticamente la ventana principal de la aplicación de Pspice para visualización de resultados, llamada PROBE, cuyo aspecto es el siguiente:

La ventana gráfica en este caso aparecerá vacía, porque el resultado de una simulación de tipo BIAS POINT es un fichero en modo texto, de extensión *.OUT. Para mostrar dicho fichero debe accederse al menú “View->Output File” o bien pulsar el icono

, tras lo cual aparece un listado de resultados como el siguiente:

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**** 02/04/03 09:18:04 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) ************** ** Profile: "SCHEMATIC1-ejercicio1" ****

CIRCUIT DESCRIPTION

[ E:\asignaturas\ejercicio1.sim ]

*******************************************

** Creating circuit file "prac1_1-schematic1-ejercicio1.sim.cir" ** WARNING: THIS AUTOMATICALLY GENERATED FILE MAY BE OVERWRITTEN BY SUBSEQUENT SIMULATIONS *Libraries: * Local Libraries : * From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini file: .lib "nom.lib" *Analysis directives: .PROBE .INC "prac1_1-SCHEMATIC1.net" **** INCLUDING prac1_1-SCHEMATIC1.net **** * source PRAC1_1 V_V1 N00021 0 5 R_R1 N00021 N00027 1k R_R2 0 N00027 2k **** RESUMING prac1_1-schematic1-ejercicio1.sim.cir **** .INC "prac1_1-SCHEMATIC1.als" **** INCLUDING prac1_1-SCHEMATIC1.als **** .ALIASES V_V1 V1(+=N00021 -=0 ) R_R1 R1(1=N00021 2=N00027 ) R_R2 R2(1=0 2=N00027 ) .ENDALIASES **** RESUMING prac1_1-schematic1-ejercicio1.sim.cir **** .END

**** 02/04/03 09:18:04 *********** Evaluation PSpice (Nov 1999) ************** ** Profile: "SCHEMATIC1-ejercicio1" [ E:\asignaturas\L_Caracterizacin\pspice2003\prac1_1-schematic1-ejercicio1.sim ] ****

SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION

TEMPERATURE =

27.000 DEG C

****************************************************************************** NODE (N00021)

VOLTAGE 5.0000

NODE VOLTAGE (N00027) 3.3333

NODE

VOLTAGE

NODE

VOLTAGE

VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V1

-1.667E-03

TOTAL POWER DISSIPATION JOB CONCLUDED TOTAL JOB TIME

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8.33E-03

WATTS

.34

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Después de presentar toda la información sobre el circuito (incluida la “Netlist”), se ha remarcado en negrita la parte del fichero que contienen los resultados del análisis (obsérvese que la temperatura de análisis por defecto es de 27ºC). En primer lugar aparece un listado de la tensión en cada uno de los nodos del circuito, y a continuación la corriente por los generadores de tensión del mismo (se considera positiva la corriente entrante por el polo positivo del generador). Por último se indica la potencia total disipada en el circuito.

EJERCICIO 2. Análisis del punto de polarización de un circuito con barrido de temperatura. El circuito a analizar en este caso es idéntico al del ejercicio anterior, pero considerando que la resistencia R2 tiene un coeficiente de temperatura de CT=0.001ºC-1. Se desea obtener de nuevo el punto de polarización del circuito, para las temperaturas: T1=0ºC,

T2=27ºC y

T3=150ºC

2.1.

Realice teóricamente el análisis del punto de polarización del circuito a las tres temperaturas anteriores, obteniendo para cada una de ellas la tensión en los nodos A y B, y la corriente por el circuito.

2.2.

Modifique el esquemático del ejercicio anterior para que la resistencia R2 presente un coeficiente de temperatura de 0.001ºC-1. Para añadir a un componente un coeficiente de temperatura no nulo (por defecto), es necesario editar el Modelo Pspice de dicho componente. Los únicos componentes que permiten realizar esta operación son los de la librería “BREAKOUT”. Por tanto, la resistencia R2 debe sustituirse por el componente “Rbreak” de la librería “BREAKOUT”. Puede observarse que el valor de esta resistencia no es visible en el esquemático. Para configurar el valor correcto (2KΩ), debe accederse al “Editor de Propiedades” del componente y modificar el campo “Value” con el dato “2k”. (NOTA: si se desea que esta información sea visible, acceder al botón “Display...” del Editor de Propiedades y seleccionar la opción “Value Only”). Salir del Editor de Propiedades. A continuación, seleccione el componente R2 y acceda al menú “Edit->Pspice Model”, apareciendo la siguiente ventana de texto:

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La información TC1=0.001 es la que debe añadirse al final de la línea para configurar un coeficiente de temperatura lineal de primer orden de 0.001ºC-1 (NOTA: el dato R=1 no es el valor del componente, sino un multiplicador para escalar el campo “Value” del mismo. Por tanto, debe dejarse con el valor R=1). No olvide guardar los cambios realizados antes de cerrar esta ventana. 2.3.

Configure la simulación. Para ello, cree un nuevo perfil de simulación (o bien edite el del ejercicio anterior), y en el cuadro de diálogo de simulación configure de nuevo el tipo BIAS POINT, seleccionando además la casilla de opciones de “Temperature (Sweep)”. Esta opción permite repetir la simulación a varias temperaturas (es decir, realizar un “barrido” en temperatura) que deben indicarse en el cuadro de diálogo de la parte derecha de la ventana, como se muestra en la siguiente figura:

2.4.

Finalmente, realice la simulación siguiendo los mismos pasos que en el ejercicio anterior, y edite el fichero de salida (*.OUT) para comprobar los resultados.

EJERCICIO 3. Análisis transitorio de un circuito El circuito a analizar en este ejercicio es el siguiente: R1

A

B

1k V1 VOFF = 0 VAMPL = 5 FREQ = 1k

R2 2k Rbreak

0

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El objetivo en este caso es obtener una representación en función del tiempo de la evolución de las tensiones en los nodos A y B. Para ello deben seguirse los siguientes pasos: 3.1.

Realice el análisis teórico del circuito, dibujando sobre la siguiente gráfica las formas de onda de las señales en los nodos A y B. V(V) 6

1

2

3

t(ms)

-6

3.2.

Realice el esquemático del circuito de manera que la resistencia R2 presente un coeficiente de temperatura de 0.001ºC-1. El generador de alterna es el componente “VSIN” de la librería “SOURCE” (NOTA: existe otro generador de alterna “VAC”. La diferencia es que “VSIN” se utiliza para análisis transitorios, y “VAC” para barridos de frecuencia. Por tanto, en este caso debe tomarse VSIN). Los tres parámetros a configurar en este generador son su amplitud “VAMPL” (5 Voltios), frecuencia “FREQ” (1KHz), y valor medio “VOFF” (0 Voltios).

3.3.

Configure la simulación de manera que se visualicen tres periodos completos de las señales del circuito. Para ello, abra un nuevo perfil de simulación, y configure el correspondiente cuadro de diálogo del siguiente modo:

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El tipo de análisis que permite obtener y representar la evolución de señales en función del tiempo es el “TIME DOMAIN (TRANSIENT)” (análisis transitorio). Este análisis requiere la configuración de tres parámetros, mostrados en la siguiente gráfica: Forma de onda simulada (interpolación lineal)

Forma de onda real

Puntos calculados

TSTART

TSTOP

TSTEP

• •

•

TSTOP (“Run to time...”): tiempo final de la simulación TSTART (“Start saving data after...”): tiempo inicial de almacenamiento de resultados. Aunque la simulación comienza siempre para t=0, puede interesar no visualizar un tramo inicial, y para ello, se configura el tiempo inicial de almacenamiento de datos en TSTART. TSTEP (“Maximum step size”): es el paso de simulación, es decir, el intervalo de tiempo que transcurre entre cada par de datos calculados. Valores elevados producen una distorsión en la señal obtenida, que queda linealizada por tramos (como se muestra en la figura anterior). Valores pequeños producen una curva mucho más exacta a la real, pero eleva el tiempo de cálculo. Esta casilla puede dejarse en blanco, en cuyo caso Pspice calcula 50 puntos entre TSTOP y TSTART, es decir: TSTOP − TSTART TSTEP = 50

3.4.

Realice la simulación. Una vez finalizada, se abrirá automáticamente la ventana de “PROBE”, mostrando una pantalla gráfica para la visualización de las formas de onda. Es necesario indicar qué formas de onda se desean visualizar, y para ello debe accederse al menú “Trace->Add Trace”. Aparecerá un cuadro de diálogo en el que se seleccionan la/s señal/es a visualizar (NOTA: existen varios nombre que se refieren realmente a la misma señal). Seleccione las tensiones de los nodos A y B para obtener su representación gráfica.

3.5.

Un método alternativo para visualizar automáticamente las formas de onda deseadas es el uso de “Marcadores”. Para añadir un marcador de tensión en un punto de un circuito, cuya señal se desea representar, pulse el botón y a continuación el punto del circuito deseado. En este caso, añada un marcador en los nodos A y B, tal y como se muestra en la siguiente figura:

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R1 1k V1

V

V

VOFF = 0 VAMPL = 5 FREQ = 1k

R2 2k Rbreak

0

Al realizar de nuevo la simulación, las formas de onda de los puntos en que existen marcadores se visualizarán automáticamente en la ventana de “PROBE”. 3.6.

Añada a la simulación anterior un barrido en temperatura para obtener de nuevo los resultados a las t...