programa spice exemplos de aplicação

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC)
Área Científica de Electrónica
PROGRAMA SPICE
EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
1º Semestre 2006/07
Júlio Paisana
Ferreira Fernandes
Setembro de 2006
Circuito com Díodo de Junção
1. Objectivos
Pretende-se com este trabalho analisar o comportamento dum circuito eléctrico relativamente
simples, recorrendo para tal ao programa de simulação PSpice. O circuito a estudar é o
representado na Figura 1 e as análises que se pretendem levar a cabo correspondem a regimes
de funcionamento estacionário e incremental quase-estacionário, regime incremental forçado
alternado sinusoidal e regime transitório. A versão do programa Pspice Student 9.1 e o Guia
de Referência estão disponíveis na página da cadeira de Electrónica I. Este mesmo programa
já se encontra instalado no computador de bancada do laboratório e o Guia de Referência está
também aí disponível em formato pdf (Pspcref.pdf) no Ambiente de Trabalho (Desktop).
2. Construção do Ficheiro de Entrada do PSpice.
Análise
do
Ponto
de
Funcionamento
em
Repouso (PFR)
O programa Spice é um programa geral de análise de circuitos que se fundamenta no método
nodal modificado. A sua utilização no estudo dum dado circuito particular é possível pela
construção dum ficheiro de dados, denominado Ficheiro de Entrada do Spice, que permite
informar o programa sobre a constituição desse circuito, o tipo de análise que pretende
efectuar (regimes estacionário, transitório …) e a forma como deseja obter os resultados na
saída (print, plot, etc).
1) Numere os nós do circuito da Fig. 1, atribuindo obrigatoriamente o número zero ao nó de
referência e nomeie cada um dos elementos que entram na sua constituição. De salientar
que cada um dos nomes dos elementos não poderá ter mais de 9 caracteres alfanuméricos e
deverá iniciar-se pela letra adequada ao elemento - gerador de tensão, resistência,
condensador e díodo, respectivamente, com as letras V(ou v), R(ou r), C(ou c)e D(ou d)).
2) Ligue o seu computador de bancada, utilize como username e password a palavra alunos,
abra o editor do PSpice AD, entrando em Iniciar>Todos os programas>Pspice
Student>PSpice AD Student. Entre em File>New>Text File. A primeira linha do seu
ficheiro de texto deverá conter o título com que identifica o circuito e a última deverá
conter o comando .end. Para escrever um comentário deverá colocar * na primeira posição
da linha. O sinal + na primeira posição duma linha significa continuação da linha anterior.
vD
iD
1V
+
−
I S = 10−15 A
vI
5 kΩ
200 pF
VZ = 5 V
v0
Figura 1- Circuito exemplo para aplicação do PSpice.
3) Declare todos os elementos do seu circuito a seguir ao título, um por cada linha. A
declaração de cada elemento, aqui particularizado para uma resistência, deverá seguir o
seguinte formato:
rXXXXXXXX
n+
n-
Valor
onde o nome que atribui ao elemento é seguido pelos números dos nós entre os quais se
encontra ligado e pelo seu valor. Para os dispositivos semicondutores, tal como o diodo de
junção, o “Valor” deverá ser substituído pelo nome que dá ao modelo.
4) Depois de definir todos os elementos, declare o modelo do díodo da forma seguinte:
.model nome_do_modelo_do_diodo D(Is=1e-15, Bv=5)
onde Is e Bv representam, respectivamente, a corrente inversa de saturação e o módulo da
tensão de disrupção do díodo, VZ. Para uma análise mais detalhada dos modelos do PSpice
deverá consultar a Secção Analog Devices do Guia de Referência disponível em formato
pdf no seu Ambiente de Trabalho.
5) Escreva o comando .op para que o programa Spice possa proceder à determinação do
ponto de funcionamento em repouso (P.F.R.) de cada um dos elementos do circuito.
6) Entre em File>Save as e salve o ficheiro na directoria c:\temp do seu computador de
bancada com um nome à sua escolha, mas com a extensão *.cir de modo a terminar o
processo de construção do Ficheiro de Entrada do PSpice.
7) No editor do PSpice entre em File>Open e abra o ficheiro criado. Corra o progama Spice
clicando Simulation>Run.
8) Entre seguidamente em View>Output File para observar os resultados da simulação. Com
base na leitura do ficheiro de saída, indique os valores que definem o PFR do díodo, bem
como a correspondente resistência incremental.
3. Análise do Regime Estacionário ou do Regime
Incremental Quase-Estacionário
1) Para proceder à análise da função de transferência (tf), entre no ficheiro *.cir,
anteriormente criado e a seguir à linha do comando .op introduza o comando:
.tf
v(nº do nó de saída)
v* (v* é o nome que atribuíu ao gerador de tensão)
Com este comando poderá conhecer o comportamento incremental do circuito quando o
seu gerador de tensão, v*, sofre uma variação incremental a partir do correspondente valor
do PFR. Execute de novo o PSpice e obtenha uma impressão do seu ficheiro de saída. Com
base na leitura desse ficheiro, indique quais os valores obtidos para a função de
transferência e para as resistências incrementais de entrada, Ri, e de saída, Ro. Compare
com os valores que obteria analiticamente.
2) Faça uma cópia do ficheiro *.cir anterior para a directoria C:\temp e atribua-lhe um novo
nome (p.e. *DC.cir) sendo * o nome escolhido para o ficheiro construído na secção 2.
Neste novo ficheiro elimine o comando .tf e substitua-o por:
.dc
v* -10
10 .1
.print DC v(nº do nó de entrada), v(nº do nó de saída)
. probe
O primeiro comando informa o Spice para proceder à análise do circuito em regime
estacionário de corrente contínua, quando o gerador assume valores que variam de –10V a
10V com passo de 0,1V. O segundo comando especifica quais as variáveis cujos valores
deverão ser escritos no ficheiro de saída *.output. O terceiro comando dá indicação sobre o
modo como o PSpice deverá escrever o ficheiro de dados para ser utilizado no programa
Probe. Este programa, para além de poder tratar matematicamente estes dados, possibilita a
introdução duma visualização gráfica das correntes e tensões nos nós análoga à que é
observável num osciloscópio.
Dentro do editor do programa Probe, entre em Trace>Add Trace e escolha a tensão
correspondente ao nó de saída (v(nº do nó de saída)) que deseja visualizar, de modo a obter
o gráfico função de transferência VO(VI). Identifique as zonas de funcionamento do díodo.
Trace o gráfico da derivada entrando em Trace>Add Trace, seleccionando a função D() e a
variável de saída de modo a que na linha de expressões surja D(v(nº do nó de saída)).
Obtenha as coordenadas de posição para VO e
dVO
correspondentes a VI = 1V (PFR
dV I
calculado na secção 2), entrando em Trace>Cursor>Display, após ter seleccionado a forma
de onda adequada. Verifique que os resultados obtidos são consistentes com os resultados
retirados em 2.8 e 3.1. Imprima o gráfico.
4. Análise de Regime Transitório
Substitua a declaração do gerador de tensão no ficheiro *.cir pela do gerador de tensão
sinusoidal com amplitude 10V, tensão de offset 0V e frequência 1kHz:
v*
n+
n-
sin(0 ,10, 1k)
Substitua a análise em corrente contínua pela análise em regime transitório alterando os
comandos indicados em 1.3 para:
.tran 10u 5m 1m 1u
.print tran v(nó de entrada), v(nº do nó de saída)
O Spice procederá à análise de regime transitório de 0 a 5ms com passo de1μs, sendo contudo
os resultados apresentados apenas a partir de 1ms. No ficheiro de saída, as tensões nos nós
indicados serão escritas com intervalos de 10μs, mas na saída gráfica o intervalo de tempo
entre os pontos manter-se-á, no máximo, em 1μs.
Represente num mesmo gráfico do programa Probe a tensão de entrada, vI, a tensão de saída,
vO, a tensão no díodo, vD, e o valor médio da tensão de saída. Para a obtenção de vD entre em
Trace>Add Trace e escreva na linha das expressões v(nº do nó de entrada)- v(nº do nó de
saída) e para a obtenção do valor médio utilize a função AVG(v(nº do nó de saída)). Imprima
os gráficos obtidos.
Obtenha seguidamente o gráfico de iD(vD). Para tal apague os gráficos anteriormente obtidos.
Para alterar o eixo das abcissas da variável tempo para a variável vD entre em Plot>Axis
Settings>Axis variable e substitua a expressão time por v(nº do nó de entrada)- v(nº do nó de
saída). Para a obtenção do gráfico deve entrar novamente em Trace e definir a variável da
ordenada. Imprima o gráfico.
Repita o procedimento anterior mas alterando na declaração do modelo do díodo o valor de
Bv, escolhendo Bv=100. Imprima os respectivos gráficos e comente as diferenças obtidas.
5. Análise
do
Regime
Incremental
Forçado
Alternado Sinusoidal – Análise AC
Tome como ponto de partida o ficheiro *.cir que serviu para a análise de função de
transferência tf. Em série com a fonte DC de 1V coloque um gerador sinusoidal, de amplitude
10mV, cuja frequência de operação será posteriormente definida na instrução de comando que
especificará a natureza da análise:
vac n+ n- ac 10m
A diferença relativamente à análise .tf resulta do facto de agora ser especificada a forma e a
amplitude da variação (assumida como incremental) imposta ao gerador de entrada, bem como
do facto de agora poder supor que o condensador não terá um comportamento de circuito
aberto à medida que a frequência de operação aumenta. Substitua nesse mesmo ficheiro o
comando para a análise da função de transferência tf por:
.ac dec 20 1k 100meg
.print ac v(nº do nó de saída)
.probe.
Os resultados serão apresentados em função da frequência, em escala logarítmica, com 20
pontos por década, começando em 1kHz e terminando em 100MHz.
Obtenha o gráfico de vo(f) e determine a frequência de corte do circuito. Esta é a designação
para a frequência a partir da qual os efeitos capacitivos, associados por exemplo ao cabo que
utiliza para a leitura no osciloscópio, começam a fazer-se sentir. Para tal, entre em Trace>Eval
Goal Function e active a função LPBW( , ) de modo a obter na linha Trace expression,
LPBW(v(nº do nó de saída,3).