1 Análise de Circuitos Eletrônicos Usando SPICE Caio Igor Gonçalves Chinelato, Rodrigo Reina Muñoz1 1 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