Simulación de circuitos con ordenador. Introducción a ESpice.

Andrés Roldán ArandaManuel J. Espín Milla

Simulación de circuitos con Simulación de circuitos con ordenador.ordenador.

Introducción a ESpice.Introducción a ESpice.

Simulación de circuitos con Simulación de circuitos con ordenador.ordenador.

Introducción a ESpice.Introducción a ESpice.

Fundamentos Tecnológicos de los Computadores

1º de Ingeniería de Informática

Universidad de Granada

2Fundamentos Tecnológicos de los Computadores – 1º Informática

ÍndiceÍndice

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.

RESUMEN DE LA CLASE ANTERIOR.RESUMEN DE LA CLASE ANTERIOR.

Componentes pasivos (R, L, C). R/L/C/nombre n+ n- valor.

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 ()

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]

Ejemplo.cir

Además, con el análisis AC, se pueden añadir los siguientes sufijos para realizar distintas operaciones:

Tras la simulación, las variables de salida son:

Vn#branch/In#branchLn#branch Intensidad a través de la fuente de tensión o correinte Vn/In o la inductancia Ln

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

Ejemplo.cir

RESUMEN CHULETERO FINAL.RESUMEN CHULETERO FINAL.

Punto de operación. Análisis AC. Análisis DC. Análisis transitorio.

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

Ejemplo.cir

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).

3. Componentes básicos.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)

DIODOS (descripción en el circuito):

DXXXXXXX N+ N- MNAME <AREA> <OFF> <IC=VD> <TEMP=T>

Ejemplos:DBRIDGE 2 10 DIODE1DCLMP 3 7 DMOD 3.0 IC=0.2

Factor de área(opcional)

La primera letra (D)indica diodo. Además,se pueden añadirhasta 7 caracterespara identificar eldiodo.

Nodos entre los que se conecta la fuente.Se definen con la polaridad adecuada de N+ a N-.

Condición inicial(opcional) paraanálisis DC

Nombre quedamos al modelo

de diodo D

Condición inicial(opcional) para análisis TRAN

Temperatura(opcional) ala que funcionael dispositivo

DIODOS (descripción en el circuito):

DXXXXXXX N+ N- MNAME

Ejemplos:DBRIDGE 2 10 DIODE1DCLMP 3 7 DMOD

La primera letra (D)indica diodo. Además,se pueden añadirhasta 7 caracterespara identificar el diodoen el circuito.

Nodos entre los que se conecta la fuente.Se definen con la polaridad adecuada de N+ a N-.

Nombre quedamos al modelode diodo D

DIODOS (descripción del modelo):

.MODEL MNAME TYPE(IS= RS= BV= TNOM=)

Ejemplos:DBRIDGE 2 10 DIODE1

DCLMP 3 7 DMOD .model DIODE1 D .model DMOD D(IS=10e-16A RS=10Ω BV=40V)

Nombre que se le da alModelo de diodo.

Tipo dedispostivo:D

(Opcional)Corriente de saturación (10-14 A, por defecto)

(Opcional)Resistencia óhmica(0 Ω, por defecto)

(Opcional)Tensión de ruptura inversa (∞ V, por defecto)

(Opcional)Temperatura (27 ºC, por defecto)

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.

Ejemplo 5

*Descripción del circuitoVin 1 0 DC 0.1ARp 1 2 100OhmD1 2 3 DIODOVout 3 0 DC 0V.model DIODO D

.controlDC vin 0V 5V 0.1V Vout 0V 1V 0.1Vprint all>ejem5.txtplot i(vout) ylabel "Intensidad por D1" +xlabel "Tensión en Vin (V)" +title "Característica de un diodo".endc

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.

Transistor bipolar de unión BJT (descripción en el circuito):

QXXXXXXX NC NB NE <NS> MNAME <AREA> <OFF> <IC=VBE, VCE> <TEMP=T>

Ejemplos:Q23 10 24 13 QMOD IC=0.6, 5.0Q50A 11 26 4 20 MOD1

Factor de área(opcional)

La primera letra (Q)indica BJT. Además,se pueden añadirhasta 7 caracterespara identificar eltransistor.

Nodos de colector, base, emisor y sustrato (opcional, por defecto tierra).

Nombre que leDamos al Modelode BJT que vamosa usar.

Transistor bipolar de unión BJT (descripción en el circuito):

QXXXXXXX NC NB NE MNAME

Ejemplos:Q23 10 24 13 QMODQ50A 11 26 4 MOD1

La primera letra (Q)indica BJT. Además,se pueden añadirhasta 7 caracterespara identificar eltransistor.

Nodos de colector,base, y emisor.

Nombre que leDamos al Modelode BJT que vamosa usar.

Transistor bipolar de unión BJT (descripción del modelo):

.MODEL MNAME TYPE(BF= VAF= BR= VAR= TNOM=)

Ejemplos:Q23 10 24 13 QMOD

Q50A 11 26 4 MOD1

.model QMOD NPN

.model MOD1 PNP(BF=300)

Nombre que se le da almodelo de transistor.

Tipo dedispostivo:NPN/PNP

(Opcional)Beta directa máxima ideal (100, por defecto)

(Opcional)Tensión Early directa(∞ V, por defecto)

(Opcional)Tensión Early inversa (∞ V, por defecto)

(Opcional)Beta inversa máxima ideal (1, por defecto)

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.

Ejemplo 6

*Descripción del circuitoVcc 1 0 DC 10VRc 1 2 1kOhmQ1 2 3 4 BJTVpe 4 0 DC 0VVin 5 0 DC 10VRb 5 3 2kOhm

.model BJT NPN(BF=200)

.controlDC Vin 0 10 0.5Vplot 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

Ejemplo 6.

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>

Ejemplos:M1 24 2 0 20 TYPE1M31 2 17 6 10 MODM L=5U W=2UM1 2 9 3 0 MOD1 L=10U W=5U

La primera letra (m)indica BJT. Además,se pueden añadirhasta 7 caracterespara identificar eltransistor.

Nodos de drenador,puerta, fuente ysustrato,respectivamente.

Nombre que ledamos al Modelode MOSFET queUsamos.

(opcional) Longitudy anchura del canal(100 m, por defecto)

Anchura de lasdifusiones dedrenador y fuente(opcional)

Perímetros delas uniones dedrenador yfuente (opcional).

Resistencias parásitas serie dedrenador y fuente.

Transistor de efecto campo MOSFET (descripción en el circuito):

MXXXXXXX ND NG NS NB MNAME <L=VAL> <W=VAL>

Ejemplos:M1 24 2 0 20 TYPE1M31 2 17 6 10 MODM L=5U W=2UM1 2 9 3 0 MOD1 L=10U W=5U

La primera letra (m)indica BJT. Además,se pueden añadirhasta 7 caracterespara identificar eltransistor.

Nodos de drenador,puerta, fuente ysustrato,respectivamente.

Nombre que ledamos al Modelode MOSFET queUsamos.

(opcional) Longitud delCanal (100 m, pordefecto)

(opcional) Anchura delcanal(100 m, pordefecto)

Transistor de efecto campo MOSFET (descripción del modelo):

.MODEL MNAME TYPE(VTO= KP= GAMMA= PHI= LAMBDA= TNOM=)

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

Nombre que se le da almodelo de transistor.

Tipo dedispostivo:NMOS/PMOS

(Opcional)Tensión umbralen ausenciade polarización (0V, por defecto)

(Opcional)Transconductancia(2.0·10-5 A/V2,por defecto)

(Opcional)Modulación de lalongitud del canal(0 1/V, por defecto)

(Opcional)Parametro umbralde sustrato (0 V1/2, por defecto)

(Opcional)Potencial de superficie(0.6 V, por defecto)

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.

Ejemplo 7.

Ejemplo 7b

*Descripción del circuitoVDC 1 0 DC 5VM1 1 1 2 2 MOSFETRp 2 3 1kOhmVp 3 0 DC 0V.model MOSFET NMOS(VTO=1.5V KP=3.0e-5A/V2)

.controlDC VDC 0V 5V 0.1Vplot sqrt(i(Vp)) ylabel "Raiz cuadrada intensidad drenador"

+xlabel "Tensión de drenador"print sqrt(i(vp))>>ejem7b.txt.endc

Ejemplo 7.

3.3. Componentes básicos.Componentes básicos.Subcircuitos.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)

3.3. Componentes básicos.Componentes básicos.Subcircuitos.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 *.

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 defrecuencias entre 1Hz y 10MHz. La señal de entrada tiene unaamplitud 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.

Ejemplo 8 (Apartado A). Modelo simplificado de amplificador operacional.

Gain= 2E5

Ejemplo 8 (Apartado A).

Ejemplo 8a

*Descripción del circuito

*subcircuito

.SUBCKT Oper 1 2 3Rin 1 2 1MegOhmEVout 3 0 2 1 2e5.ends Oper

Vin 1 0 DC 0V AC 1V sin(0 1.5V 1kHz)R1 1 2 1kOhmXAO1 2 0 3 OperR2 2 3 10kOhm

.control*Análisis requeridosDC Vin -1.5V 1.5 0.1VTRAN 0.01ms 1ms 0ms 0.01msAC DEC 10 1Hz 100MegHz.endc

Ejemplo 8 (Apartado A). Barrido DC.

Ejemplo 8 (Apartado A). Barrido de tiempo.

Ejemplo 8 (Apartado A). Diagrama de Bode.

Ejemplo 8 (Apartado B). Dado el circuito de la figura. Realizar las mismas cuestiones que en el apartado A pero

utilizando dosficheros, uno que contenga el circuito principal y un segundo que contengala 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.

Ejemplo 8 (Apartado B).

3. Componentes básicos.3. Componentes básicos.Ejemplo 8b

.include ./opeamp.cir

Vin 1 0 DC 0V AC 1V sin(0 1.5V 1kHz)R1 1 2 1kOhmR2 2 3 10kOhmXAO1 2 0 3 opeamp

*Amplificador operacional subcircuito

*Descripción del subcircuito

.SUBCKT opeamp 1 2 3Rin 1 2 1MegOhmEVout 3 0 2 1 2e5.ends opeamp

Ejemplo 8 (Apartado C). Dado el circuito de la figura. Realizar las mismas cuestiones que en el apartado A pero

utilizando dosficheros, uno que contenga el circuito principal y un segundo que contengala 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.

Ejemplo 8 (Apartado C).

Ejemplo inversor real

.include ./lf156.cir

Vin 1 0 DC 0V AC 1V sin(0 1.5V 1kHz)R1 1 2 1kOhmXAO1 0 2 4 5 3 lf156R2 2 3 10kOhmVcc 4 0 DC 15VVbb 5 0 DC -15V

* Connections: + - V+V-O

.SUBCKT LF156 3 2 7 4 6

Ejemplo 8 (Apartado C). Barrido DC.

lf156 Ideal

Ejemplo 8 (Apartado C). Barrido de tiempo.

lf156 Ideal

Ejemplo 8 (Apartado C). Diagrama de Bode.

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.

EJERCICIOS.EJERCICIOS.

Ejercicio 5.

EJERCICIOS.EJERCICIOS.Ejercicio

*Descripción del circuitoVin 1 0 DC 0.1VV1 2 0 DC 10VV2 3 0 DC -10VR1 2 4 1kOhmR2 3 5 2kOhmR0 6 0 3kOhmD1 4 1 DIODE1D2 4 6 DIODE1D3 1 5 DIODE2D4 6 5 DIODE2.model DIODE1 D(IS=1E-15).model DIODE2 D(IS=5E-15)

.controlDC vin -10V 10V 0.5Vplot v(6) ylabel "Vout (V)"

+xlabel "Vin (V)"+title "Caracteristica de un

puente de diodos"print all>>ejer5.txt.endc

Ejercicio 5.

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.

Ejercicio 6.

Ejercicio 6

*Descripción del circuitoVec 1 0 DC 1VVeb 1 2 DC 1VQ1 0 2 1 bjt.model bjt PNP(BF=150, BR=3, VAR=40v)

.controlDC Vec 0V 5V 0.2V Veb 0.6V 0.8V 0.01Vplot (-1*i(Vec)).endc

Ejercicio 6.

Simulación de circuitos con ordenador. Introducción a ESpice.

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