Análise de Circuitos Eletrônicos Usando SPICE

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Análise de Circuitos Eletrônicos Usando SPICE
Caio Igor Gonçalves Chinelato, Rodrigo Reina Muñoz1
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Universidade Federal do ABC, CECS (Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas)
{[email protected], [email protected]}
Resumo: Neste projeto de iniciação científica foi realizado o estudo do simulador de circuitos elétricos SPICE. Os objetivos
principais foram o entendimento dos diferentes tipos de análises e modelagens utilizadas pelo SPICE, comparação entre resultados
práticos e simulados e especialmente a análise dos problemas de convergência em alguns circuitos. Como resultados finais foram
realizadas simulações cujos resultados foram comparados com resultados práticos e simulações de circuitos com potenciais problemas
de convergência. Procurou-se compreender as diferentes opções de simulação para solucionar os problemas de convergência
corretamente. Ao término da pesquisa foi elaborado um manual prático para auxiliar usuários iniciantes do SPICE, que mostra como
realizar as simulações e analisar os resultados.
I. INTRODUÇÃO
SPICE (Simulation Program With Integrated Circuit
Emphasis) é uma ferramenta para simulação de circuitos
elétricos. Com esta ferramenta os circuitos podem ser testados
antes da implementação prática e pode-se verificar a
influência de parâmetros de componentes dos circuitos sobre
as características globais dos circuitos [1].
O nascimento do SPICE se deu em 1968, com o professor
Ron Rohrer da universidade de Berkeley [2]. Rohrer construiu
o simulador com o objetivo de estudar técnicas de otimização
de circuitos.
Os simuladores fazem a leitura de um arquivo de entrada
(netlist) que descreve os elementos do circuito e o tipo de
análise a ser feita. Depois o simulador gera os resultados na
forma tabular ou gráfica [3].
Os principais tipos de análises são DC, AC e transiente. Na
análise DC são fornecidas as tensões DC em todos os nós do
circuito. Na análise AC é determinada a resposta em
freqüência do circuito. Na análise transiente é determinada a
resposta do circuito em função do tempo [1].
O comportamento dos elementos do circuito pode ser
definido através da especificação de parâmetros de
modelagem destes elementos [4].
Neste trabalhou procurou-se, além de compreender os
mecanismos que controlam a simulação de um circuito e os
algoritmos utilizados, compreender o porquê da ocorrência de
problemas de convergência que podem surgir especialmente
com determinadas topologias de circuitos. Neste sentido, a
principal motivação para realizar este estudo esteve no fato de
poder entender determinados problemas de convergência e as
diversas possibilidades de resolvê-los através das diferentes
opções do simulador.
de circuitos com problemas de convergência, implementação
prática de circuitos e elaboração do manual de utilização do
software SPICE. Paralelamente a estas atividades foi realizado
um estudo sobre o funcionamento dos elementos básicos da
plataforma ELVIS 2 (Educational Laboratory Virtual
Instrumentation Suíte 2) da National Instruments [5]. Esta
plataforma é um ambiente de projeto e protótipo de circuitos
eletrônicos baseado em Labview e possui recursos como
gerador de função, osciloscópio, fonte variável, etc.
III. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A seguir serão apresentados alguns resultados do projeto.
Inicialmente é simulado um Flip-Flop com portas NAND [6],
mostrado na fig.1. Neste circuito V(1) e V(2) são,
respectivamente, o set e o reset do Flip-Flop e V(3) e V(4) são
as saídas. A saída analisada foi V(3). Como sinais de set e
reset foram aplicadas fontes pulsadas para representar os
níveis digitais 0 ou 1. Na fig.2 é mostrada implementação das
portas NAND feitas na simulação. Este circuito foi escolhido
pois representa um caso comum de não convergência na
análise transiente. Isto ocorre pois existem descontinuidades
no modelo do transistor MOSFET (regiões lineares e de
saturação [7]) e transições abruptas de tensão. Para solucionar
este problema foram usados dois métodos mostrados em [1].
O primeiro método consiste em inserir valores para as
capacitâncias construtivas do modelo do transistor, que se
relacionam com as junções PN e a porta do transistor [4]. Os
valores adequados das capacitâncias são mostrados em [1]. O
outro método consiste em aumentar o número de iterações da
análise transiente para que a solução seja encontrada. Os dois
métodos solucionaram o problema, como pode ser visto na
fig.3. Nesta simulação foi utilizado o software AIM-Spice [8].
II. METODOLOGIA
Na etapa inicial do projeto o foco esteve no entendimento
dos conceitos básicos relacionados à simulação de circuitos
eletrônicos, revisão histórica, tipos de analises e problemas de
convergência e também foram analisados alguns conceitos de
eletrônica analógica e digital. Além disso, foram realizadas
algumas simulações para uma aproximação inicial com o
simulador.
Na etapa final do projeto o foco esteve no estudo da solução
Fig. 1: Flip-Flop com portas NAND.
2
Fig. 5: Circuito ressonante com problemas de convergência.
Fig. 2: Implementação das portas NAND com transistores MOSFET.
30.0
'v(1)' 'v(2)'+10 'v(3)'+20
Tensão [V]
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Tempo [s]
Fig. 3: Resultado da simulação sem problemas de convergência.
O segundo resultado trata de um circuito ressonante ideal.
Apesar de simples, este circuito foi escolhido pois demonstra
como solucionar um problema de convergência com a escolha
adequada de um método de integração numérica para
determinar a tensão no circuito em função do tempo. Como
este circuito possui componentes ideais o comportamento
esperado é que o circuito oscile sem decaimento. No entanto,
como mostrado na fig.5, houve decaimento. Isto ocorreu pois
o método de integração numérica usado foi o método de Euler,
que para formas de onda senoidais e não-lineares costuma
inserir erros na simulação. Para solucionar este problema basta
selecionar o método trapezoidal [1]. A solução do problema é
mostrada na fig.6. O simulador utilizado foi o RSpice [1].
1
C1
1uF
IC=100uV
0
L1
159.2kH
Fig. 4: Circuito ressonante ideal.
Fig. 6: Resultado adequado do circuito ressonante.
O terceiro resultado trata de um oscilador Colpitts [1],
mostrado na fig.7. Este circuito foi escolhido pois osciladores
são propensos a apresentarem problemas de convergência. Isto
ocorre pois o oscilador falha na inicialização da tensão. Em
osciladores reais esta inicialização é gerada por ruídos
presentes no circuito [7]. No simulador, estes ruídos são
representados através da razão entre os parâmetros de
tolerâncias de erro e o passo temporal da análise transiente.
Conforme a simulação evolui esta razão, e portanto o ruído,
tende a se anular pois o passo temporal aumenta
indefinidamente. Como o ruído se anula, o oscilador não
inicia. O método proposto por [1] para resolver este problema
é fazer com que o valor máximo do passo temporal seja
pequeno para que haja ruído o suficiente para inicializar a
simulação. A regra adotada foi escolher o máximo passo
temporal como 1/8 do periodo de oscilação. Com isso, o
resultado torna-se adequado como mostrado na fig.8.
3
L1
1
20mH
3
R1
68kΩ
C5
500pF
L2
10uH
V1
16 V
Q1
0
2
BJT_NPN_VIRTUAL*
R2
8.2kΩ
0
4
R3
100Ω
C1
100nF
5
0
C3
100nF
6
C2
5nF
C4
1uF
0
R4
820Ω
0
Fig. 7: Oscilador Colpitts. A tensão de saída é analisada no nó 3.
Fig. 10: Tensão de saída obtida na plataforma ELVIS 2. O valor de pico a pico
encontrado foi 144,66 mV.
Fig. 8: Tensão de saída adequada para o oscilador.
A última análise tem o objetivo de comparação entre
resultados práticos e simulados para um amplificador emissor
comum cujos valores da tensão de entrada são mostrados na
fig.9. O resultado prático foi obtido na plataforma ELVIS 2
(fig.10) e o resultado simulado foi obtido no simulador
MULTISIM (fig.11) [9]. Pode-se perceber que os resultados
práticos e simulados são muito próximos, o que revela a
precisão do simulador.
VCC
Fig. 11: Tensão de saída obtida no simulador MULTISIM. O valor de pico a
pico encontrado foi 146,122 mV.
IV. CONCLUSÃO
Após a obtenção e análise das simulações e implementações
práticas pode-se concluir que o simulador SPICE gera
resultados precisos. Também foi possível fazer um estudo
relacionado com problemas de convergência e utilização das
opções corretas para solucioná-los.
12V
VCC
V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
R4
3.6kΩ
R1
10kΩ
XFG1
6
R5
1kΩ
4
Q1
C1
1uF
C3
5
1uF
R6
220Ω
2
1
0
3
R3
1kΩ
[4]
[5]
[6]
BC547B
R2
2.2kΩ
[3]
C2
1mF
[7]
[8]
[9]
Fig. 9: Amplificador emissor comum. XG1 representa um gerador de funções
e gera uma onda senoidal de um 1 kHz e 10 mVp. A tensão de saída é
analisada no resistor de 220 Ω.
KIELKOWSKY, R.; Inside SPICE;2º edição; Mcgraw-Hill; 1998;
ARTIGO - Ewaldo Luiz de Mattos Mehl; Simulações de Circuitos
Eletrônicos em Computadores; Universidade Federal do Paraná;
ROBERTS, G. e SEDRA, A.S.; SPICE; 2º edição; Oxford University
Press; 1997;
SEDRA, A.S. e SMITH, K.C.; Microeletrônica; 5º edição; Pearson
Prentice Hall; São Paulo; 2007;
http://www.ni.com/nielvis, acessado em 16/07/2009;
TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; Sistemas Digitais: princípios e
aplicações; 8º Edição; Person: Prentice Hall; São Paulo; 2003;
BOYLESTAD, R. L., NASHELSKY, L., Dispositivos Eletrônicos e
Teorias de Circuitos, 8º edição, Prentice Hall, Rio de Janeiro, 2004;
http://www.aimspice.com/, acessado em 16/07/2009;
http://www.ni.com/multisim/, acessado em 16/07/2009;
4