Introduccin a simulacin SPICE Esteban Martnez

(Octubre 2008)

Seccin I: INTERFACES DE LAS HERRAMIENTAS DE SIMULACIN SPICE

A) PSPICE (ORCAD)

ORCAD permita realizar simulaciones en modo CAPTURA DE ESQUEMTICO o en

modo NETLIST.

En ORCAD, al iniciar la captura de un esquemtico para realizar una simulacin proceder

como a continuacin se indica:

1) Crea un nuevo archivo de diseo; File -> New Project; con esto aparece la ventana

insertada en la ventana de trabajo; en sta, es indispensable verificar que este seleccionada

la opcin Analog or Mixed A/D. (2) Crea una carpeta donde se guardarn los diseos; con el Browse ubica tal carpeta.

(3) Da un nombre en la ceja Name al diseo que se va a crear y presiona el botn Ok. (4) Aparecer una segunda ventana, en ella selecciona la opcin Create a Blank Project y

presiona el botn Ok.

Fig. 1: Interfaz grfica de ORCAD y ventanas para configurar la interfaz al iniciar la captura de

un nuevo proyecto.

Una vez hecho esto, aparece la ventana de trabajo de ORCAD.

En la parte superior de esta ventana (Fig. 2) se ubican la barra de menus de comandos, y

algunas barras de iconos de utileras de la herramienta. En la parte derecha una barra de

iconos de utileras para la insercin de componentes y captura de esquemticos de circuitos.

Fig.2: Interfaz grfica lista para la creacin de un esquemtico de circuito.

CAPTURA DE ESQUEMTICOS:

Procedimiento: a) inserta componentes usando el icono en forma de compuerta lgica o usando el comando Place -> part (si las libreras no estn cargadas, procede

primero a cargarlas, por lo menos las siguientes: Analog, Bipolar, Sources,

alguna de transistores MOS como la NEC_MOS, la ON_MOS, Diode, etc.)

b) Alambra los componentes usando el icono en forma de z (el mas delgado) o usando el comando Place -> Wire o la tecla w. c) Edita los valores de componentes haciendo doble click en el valor del

componente asignado por omisin.

d) Agrega nombre a los nodos usando el icono n1 de la barra de iconos izquierda.

R1

100

R2

100

R3

200

R4

50

R5

300R6

200

V1

5Vdc

1 3

4

2

R7

150

5

0

Fig.3 Ejemplo de esquemtico de circuito creado.

CONFIGURACIN DEL ANLISIS:

Procedimiento: En la barra de menus (a) seleccionar PSPICE

(b) Seleccionar New simulation profile >>dar un

nombre al archivo de simulacin y presionar el botn

Create (ejemplo ver la figura mostrando la ventanita New Simulation) con esto, aparece otra ventana en la cual se puede seleccionar el tipo de anlisis que se

vaya a realizar: Time domain, DC sweep, AC sweep y

Bias point.

(a)

(b) (c)

Fig.4 Ventanas para la configuracin del tipo de anlisis. Ntese de la Fig.(c) los 4 posibles

tipos de anlisis que se pueden realizar con esta herramienta: Time domain, DC sweep, AC

sweep y Bias point.

VENTANA DE POSTPROCESAMIENTO:

Los resultados en modo grfico o en modo texto generados por la simulacin aparecen en la

ventana de post-procesamiento (Fig. 5). En la parte superior se encuentran la barra de

menus y algunas barras de iconos de utileras para la visualizacin de curvas. En la parte

izquierda la barra de iconos para la presentacin de resultados.

Para visualizar una curva, use el icono Trace; al hacer esto aparece una ventana, en cuya

parte izquierda se despliegan todas las variables de salida que se pueden graficar y en la

parte derecha el formato de las mismas, por ejemplo, en valor absoluto, en dB, en valor

promedio, el ngulo de fase, etc. Ntese tambin que pueden hacerse operaciones

matemticas con las variables de la columna izquierda, es decir, sumas, restas, divisiones,

multiplicaciones, etc.

Fig.5: Ventana de post-procesamiento de ORCAD.

B) WINSPICE La Fig. 6 muestra la interfase de WinSPICE. WinSPICE ejecuta una simulacin solo en

modo NETLIST o script de un circuito.

Fig. 6: Interfaz WINSPICE para simulacin SPICE desde netlist.

La creacin de un script de simulacin se captura en BLOCK DE NOTAS y se guarda con

la extensin .cir (ejemplo: amplificador1.cir)

Para ejecutar la simulacin, abra el archivo ejecutable de WINSPICE luego desde la

ventana abierta: File >> Open >> seleccionar netlist a simular (p. e. amplificador1.cir) y

automticamente inicia la ejecucin de la simulacin.

Los resultados de anlisis en DC se leen en modo texto en la misma ventana de

WINSPICE. Los resultados grficos se despliegan automticamente al finalizar la

simulacin.

Interfaz de VIRTUOSO (CADENCE)

Fig. 7: Interfaz VIRTUOSO-CADENCE para simulacin SPICE en modo grfico.

Fig. 8: Ejemplo de resultados grficos usando CADENCE.

Seccin II: EJEMPLOS DE SIMULACIN ILUSTRATIVOS USANDO ORCAD

A: ANLISIS EN DC (BIAS POINT)

A1: CORRIENTES Y VOLTAJES EN DC

Procedimiento: i) Captura de esquemtico.

ii) Configuracin de la simulacin en Bias Point. iii) Ejecutar simulacin (comando SPICE >>Run) y revisar resultados en la

ventana de trabajo o en el output file de la ventana de post-procesamiento.

R1

100

R2

100

R3

200

R4

50

R5

300R6

200

V1

5Vdc

1 3

4

2

R7

150

5

0

(i) (ii)

(iii)

Fig. 9: (i) esquemtico de un circuito resistivo con fuentes independientes, (ii) configuracin del

anlisis en DC y (iii) resultados de voltajes de nodo y corrientes de rama calculados por la

herramienta.

+-v1

2 v1

3 i1

i1

| | | \ /

E1

F1

12

V1

10

R1

10

R2

10

R3

10

R4

36

R5

(a)

V1

12Vdc

R1

10

R3

10

R2

10

R4

10

R5

36

- ++-

E1

E F1

F

0

(b)

(c)

Fig. 10: (a) esquemtico con fuentes dependientes (E: VCVS y F: CCCS), (b) captura de

esquemtico en ORCAD, (c) resultado de simulacin.

A2: ANLISIS DE SENSIBILIDAD

Procedimiento: i) Captura de esquemtico.

ii) Configuracin de la simulacin en Bias Point. iii) Ejecutar simulacin (comando SPICE >>run) y revisar resultados en el

output file de la ventana de post-procesamiento.

(i)

(ii)

Fig. 11: (i) Esquemtico y configuracin del anlisis de sensibilidad.

(ii) Despliegue de resultados del anlisis de sensibilidad.

La columna Element Value corresponde a los valores nominales de los componentes del circuito. La columna Element Sensitivity (Volts/unit) indica las variaciones en V(out) para variaciones unitarias en los valores nominales de los componentes; esto es, si R1 varia

en 1 , V(out) disminuir en 0.064V, es decir V(out) = 9.936V, en cambio si hay una

variacin de 1 en R2, V(out) se incrementa en 0.016V, es decir V(out) = 10.016V. La

columna Normalized sensitivity (Volts/percent) indica las variaciones en V(out) en porcentajes en los valores nominales de los componentes; esto es, si R1 varia en 1%, V(out)

disminuir en 0.016V, es decir V(out) = 9.984V, si V1 varia en 1%, V(out) se incrementa

en 0.08V, esto es, V(out) = 10.08V.

A3: CLCULO DEL PUNTO DE OPERACIN EN AMPLIFICADORES Y PARAMETROS INTERNOS

DE TRANSISTORES

Procedimiento: i) Captura de esquemtico

ii) configuracin de la simulacin (en anlisis Bias Point Selecciona la opcin Include detailed bias point .. and semiconductors) iii) ejecutar la simulacin (barra de menus: SPICE >> run) y en ventana de

postprocesamiento (iconos barra izquierda seleccionar output file).

Recorrer el archivo generado en modo texto y casi al final muestra los

resultados de anlisis en DC o punto de operacin.

R8

1k

R9

100

R10

1k

R11

100

out1 out2

VCC

10Vdc

VDD

10Vdc

VGG

0Vdc

VBB

0Vdc

gb

0

0 0 0 0

0Q2

40242

M2MTM15N40/ON

Fig. 12: esquemticos de amplificadores con transistores comerciales

*BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS

NAME Q_Q2

MODEL Q40242

IB -8.67E-12

IC 1.97E-11

VBE -1.10E-09

VBC -1.00E+01 VCE 1.00E+01

BETADC -2.27E+00

GM -9.71E-14 RPI 1.73E+14

RX 1.00E+01

RO 8.33E+11 CBE 9.40E-13

CBC 4.00E-13

CJS 0.00E+00 BETAAC -1.68E+01

CBX/CBX2 0.00E+00

FT/FT2 -1.15E-02

*MOSFET

NAME X_M1.M1 MODEL X_M1.DMOS

ID 4.91E-03

VGS 2.89E+00

VDS 4.59E+00

VBS 0.00E+00

VTH 2.86E+00 VDSAT 2.85E-02

GM 3.40E-01

GDS 2.21E-05 GMB 0.00E+00

CBD 0.00E+00

CBS 0.00E+00 CGSOV 0.00E+00

CGDOV 0.00E+00

CGBOV 0.00E+00 CGS 2.30E-16

CGD 0.00E+00

CGB 0.00E+00

B) BARRIDO PARAMTRICO (DC SWEEP)

B1: CURVA DE TRANSFERENCIA EN DC (VOUT VS. VIN) DE AMPLIFICADORES.

Proce