Apostila de uso do SPICE
Jo˜
ao Paulo Cerquinho Cajueiro
Universidade Federal de Pernambuco
Departamento de Eletrˆ
onica e Sistemas
Vers˜
ao 0.2
2009.1
Objetivo
Esta apostila tem como prop´osito ser uma base inicial para a utiliza¸c˜ao do simulador de circuitos SPICE para os alunos do curso de Eletrˆonica I da UFPE. Os princ´ı-pios de utiliza¸c˜ao desta ferramenta s˜ao demonstrados a partir de v´arios exemplos. Esta ainda ´e uma vers˜ao preli-minar deste texto, portanto v´arios conceitos importantes (como por exemplo simula¸c˜ao AC e ordem dos pinos de transistores) ainda n˜ao s˜ao mostrados.
1
fontes CC
Cada linha ´e um elemento de circuito. A primeira le-tra indica o tipo do elemento, como por exemplo V para
fontes de tens˜ao, I para fontes de corrente e R para resis-tores. Linhas que come¸cam com um asterisco s˜ao comen-t´arios e com um ponto s˜ao comandos especiais do SPICE. A primeira linha do c´odigo SPICE ´e o titulo do circuito que ser´a simulado e n˜ao representa nenhum elemento ou comando.
A simula¸c˜ao e os gr´aficos de resultados s˜ao defini-dos dentro de um bloco de controle, delimitado pelos co-mandos .control e .endc. O c´odigo SPICE ´e finalizado com um comando .end. Um exemplo inicial ´e mostrado abaixo.
Exemplo 1 - Fontes *An´alises DC e tran *Descricao do circuito VEN 1 0 DC 10V R1 1 0 1k IEN 2 0 DC 10MA R2 2 0 1k *Analise .control tran 0.01ms 1ms plot v(1) v(2) dc ven 0 10 0.1 plot v(1) v(2) .endc .end
Neste exemplo s˜ao mostradas 2 simula¸c˜oes. Uma no tempo (transiente), definida pelo comando tran e ou-tra em DC em fun¸c˜ao de VEN, definida pelo comando
dc. Estes s˜ao os dois tipos de simula¸c˜ao mais ´uteis para eletrˆonica I. Note que ´e poss´ıvel definir mais de uma si-mula¸c˜ao no mesmo arquivo.
Os parˆametros da simula¸c˜ao transiente s˜ao o tama-nho do passo e o tempo final da janela de simula¸c˜ao, com a op¸c˜ao de acrescentar um valor para o tempo inicial. Por exemplo, para fazer uma simula¸c˜ao de 2 a 5 segundos com passos de 1 ms o comando seria tran 1m 5s 2s1.
A simula¸c˜ao DC varia uma fonte independente de tens˜ao ou corrente entre um valor inicial e um final e faz uma simula¸c˜ao de ponto de opera¸c˜ao (ou seja, despre-zando capacitores e indutores) passo-a-passo. No exem-plo 1 acima, fazemos a varia¸c˜ao de ven de 0V at´e 10V com passos de 0,1 V.
O comando plot imprime um gr´afico das vari´aveis que quisermos ver depois de uma simula¸c˜ao.
Um outro detalhe importante presente neste exem-plo ´e o uso de fatores de escala. O SPICE entende, por exemplo, 10k como sendo 10.000 e 1ms como sendo 0.001. A tabela abaixo mostra os fatores de escala do SPICE
1Na verdade a simula¸c˜ao ´e de 0 a 5 s, mas o SPICE s´o vai guardar o
Fator S´ımbolo Valor Tera t 1012 Giga g 109 Mega meg 106 Kilo k 103 Mili m 10−3 Mills mil 25, 4 · 10−6 Micro u 10−6 Nano n 10−9 Pico p 10−12 Femto f 10−15
Cada valor ´e definido por uma ´unica letra, exceto no caso de Mega e Mills2, para n˜ao confundir com Mili.
Qualquer outra letra ap´os o s´ımbolo ´e desconsiderada, portanto pode-se usar ms ou gHz (e normalmente deve-se usar para aumentar a legibilidade).
2
Onda senoidal
Sinais senoidais aparecem frequentemente em estudos de circuito, portanto ´e natural que o SPICE tenha como definir um. O exemplo 2 mostra justamente isto. Exemplo 2 - Onda senoidal
*Descricao do circuito VEN 1 0 DC 0V sin(1 10m 1kHz) R1 1 0 1k
IEN 2 0 sin(1M 10U 1KHz)
2Um mills ´e um mil´esimo de polegada. A distˆancia entre dois pinos de
R2 3 0 1k
*Fonte de tensao auxiliar VAUX 3 2 dc 0
*Analise .control tran 0.01ms 3ms plot v(1) -v(2) plot i(ven) -i(vaux) .endc
.end
A sen´oide ´e definida por: sin(VO VA F TD D), o que gera um sinal igual a VO antes do atraso TD e a equa¸c˜ao abaixo ap´os TD:
VO+ VAe−D(t−TD)sin(2πF(t − TD))
Os dois ´ultimos parˆametros podem ser omitidos e as-sumem ent˜ao o valor zero, como mostra o exemplo.
Al´em das sen´oides, note o uso de uma fonte de tens˜ao auxiliar com valor zero (ou seja, equivalente a um curto) para medida da corrente. Isto ´e necess´ario pois o SPICE s´o consegue mostrar correntes que passam por fontes de tens˜ao. Note ainda o sinal de menos nos comandos plot, indicando que podemos fazer opera¸c˜oes matem´aticas nas vari´aveis.
3
Pulso
O exemplo 3 mostra o uso de um capacitor no SPICE e como descrever uma onda quadrada e triangular atrav´es
do pulse. O capacitor ´e identificado pela linha que co-me¸ca com a letra c. Caso fosse necess´ario um indutor, a letra equivalente seria l.
Exemplo 3 - Carga e Descarga RC. *Descricao do circuito VENA 1 0 pulse(0 1 0 1n 1n 0.5m 1m) R1 1 2 1k C1 2 0 100nf VENB 3 0 pulse(0 1 0 499n 499n 1n 1m) R2 3 0 1k *Analise .control tran 0.01ms 3ms plot v(1) v(3) plot v(1) v(2) plot v(1,2) .endc .end
Uma onda quadrada no SPICE ´e definida por: pulse(V1 V2 delay ts td larg periodo)
Onde os parˆametros podem ser visualizados na figura abaixo. Note que fazendo ts e td quase igual a periodo e larg muito pequeno, se descreve uma onda triangular.
V2
V1
delay ts
larg
td
periodo
Uma ´ultima novidade neste c´odigo SPICE ´e a linha plot v(1,2), que pega a tens˜ao entre os n´os 1 e 2 do circuito. Todos os outros gr´aficos s˜ao feitos considerando o n´o 0 como referˆencia. Ali´as, os c´alculos do SPICE s˜ao feitos considerando o n´o 0 como referˆencia, portanto ´e obrigat´orio que todo circuito SPICE tenha um n´o 0.
4
Modelos
Os elementos ativos (ou seja, diodos e transistores) s˜ao descritos no SPICE atrav´es de modelos. No exemplo abaixo ´e feita a simula¸c˜ao de um diodo.
Exemplo 4 - Curva de um diodo *Descricao do circuito VEN 1 0 0V
D1 2 0 D1N4007
*Fonte de tensao auxliar VAUX 1 2 dc 0
.model D1N4007 D(IS=2.55e-9
+N=1.75 VJ=0.75 BV=100 IBV=9.86e-5) *Analise
.control dc ven 0.01 0.75 0.01 plot i(vaux) plot log(i(vaux)) .endc .end
Note que um diodo ´e identificado no SPICE pela letra d. Da mesma forma transistores bipolares tem usam a letra q, MOSFETs usam d e JFETs usam f. Ao final da pinagem, indica-se o nome do modelo.
No exemplo 4, mostra-se o modelo do diodo 1N4007. O comando do SPICE ´e o .model, seguido do nome do modelo (que ´e o mesmo usado quando se chama o ele-mento) e do tipo do modelo (D para diodo, NPN ou PNP para TBJ, NJF ou PJF para JFETs e NMOS ou PMOS para MOSFETs) com os parˆametros daquele dispositivo. No exemplo o diodo ´e descrito com apenas 5 parˆametros, mas o modelo completo do diodo tem 15 parˆametros, to-dos os que n˜ao s˜ao identificados recebem valores padr˜oes. Ainda no modelo, note que ´e poss´ıvel continuar uma li-nha acrescentando um + no in´ıcio da lili-nha seguinte.
Al´em disto, o SPICE permite que se incorpore um arquivo ao c´odigo utilizando o comando .include. Isto pode ser utilizado para incluir uma biblioteca com mo-delos de dispositivos, tal como a momo-delos.lib, presente na p´agina da disciplina.
Exemplo 5 - Transiente dos diodos .include modelos.lib
VEN1 1 0 0V pulse 0 5 0 1n 1n .1u .3u R1 2 4 1k
D1 4 0 D1N4001 R2 3 5 1k D2 5 0 D1N4148
*Fontes de tensao auxiliar VAUX1 1 2 dc 0 VAUX2 1 3 dc 0 *Analise .control tran .01n .2u plot v(4) v(5)
plot i(vaux1) i(vaux2) .endc
.end
n˜ao ´e necess´ario colocar o modelo do diodo no c´odigo quando se inclue um arquivo de modelos, logo o c´odigo fica mais leg´ıvel.
5
Amplificador Operacional e
sub-circuitos.
Um dispositivo mais complexo que ser´a utilizado na dis-ciplina ´e o amplificador operacional. N˜ao existe um mo-delo SPICE pronto para amplificadores operacionais, at´e porque existem muitas formas diferentes de implemen-tar um. No caso em quest˜ao, para simular um LM324 utiliza-se um subcircuito.
Antes, para entender o que ´e um subcircuito, pode-mos implementar um multiplicador de tens˜ao, descre-vendo um duplicador de tens˜ao e replicando esta descri-¸c˜ao usando subcircuitos.
Exemplo 6 - Multiplicador de tensao .include modelos.lib *Subcircuito do duplicador .subckt dup 1 2 3 4 C1 1 3 100nf C2 2 4 100nf D1 2 3 D1N4148 D2 3 4 D1N4148 .ends *Descricao do circuito X1 1 0 2 3 dup X2 2 3 4 5 dup X3 4 5 6 7 dup Ven 1 0 0V sin(0 10 60Hz) *Fontes de tensao auxiliar *Analise .control tran .1m 1 plot v(1) v(3) v(5) v(7) .endc .end
Para entender melhor este circuito, a figura abaixo mos-tra um diagrama esquem´atico dele.
C1
C2
D1
D2
2
3
4
5
6
7
dup
0
1
Ven
X1
X2
X3
1
2
3
4
.ends. Entre estes dois comandos est´a a descri¸c˜ao do subcircuito, que ´e um c´odigo SPICE normal. O comando .subckt recebe o nome do subcircuito que est´a sendo descrito e a lista dos n´os deste circuito que ser˜ao pinos. O subcircuito ´e chamado como um elemento come¸cado pela letra X, seguido da rela¸c˜ao de que n´os do circuito est˜ao ligados aos pinos e do nome do subcircuito utilizado
O modelo do amplificador LM324 presente no ar-quivo modelos.lib ´e um subcircuito com cinco pinos: en-trada n˜ao-inversor, entrada inversora, alimenta¸c˜ao posi-tiva, alimenta¸c˜ao negativa e sa´ıda, nesta ordem. Para utiliz´a-lo basta chamar um subcircuito com estes 5 pinos
e com o nome LM324, vide o exemplo 7. Exemplo 7 - Oscilador com Amp-op .include modelos.lib *Descricao do circuito XAO 3 4 1 2 6 LM324 VCC 1 0 10 VEE 2 0 -10 R1 6 3 10k R2 3 0 1k R3 6 4 10k C1 4 0 100n
*Fontes de tensao auxiliar *Analise .control tran .1u 1m plot v(4) v(6) .endc .end
6
Fila
Elementos passivos
• Resistor
Rnome n´o+ n´o- valor • Capacitor
C nome n´o+ n´o- valor <IC=tens˜ao inicial> • Indutor
Lnome n´o+ n´o- valor <IC=corrente inicial>
Elementos Ativos
• Diodo
Dnome anodo catodo modelo • Transistor Bipolar
Qnome coletor base emissor modelo <´area> • Transistor JFET
J nome dreno porta fonte modelo <´area> • Transistor MOSFET
M nome dreno porta fonte substrato modelo <L=comprimento W=largura>
Fontes Independentes
• Tens˜ao
V nome n´o+ n´o- onda <DC valor> <AC amplitude,fase>
• Corrente
I nome n´o+ n´o- onda <DC valor> <AC am-plitude,fase>
Onde onda pode ser apenas um valor constante (ent˜ao n˜ao se usa DC) ou pode ser sin, pulse ou pwl.
• Seno
sin( offset amplitude frequˆencia <atraso <amor-tecimento <fase> > >)
• Pulso
pulse( v1 v2 atraso subida descida largura per´ıodo)
• Interliga¸c˜ao de pontos
pwl( t1 v1 <t2 v2 <t3 v3 . . . > > >)
Fontes controladas
• Tens˜ao ⇒ Tens˜ao
E nome n´o+ n´o- controle+ controle- ganho • Tens˜ao ⇒ corrente
Gnome n´o+ n´o- controle+ controle- ganho • Corrente ⇒ Tens˜ao
H nome n´o+ n´o- Vcontrole ganho • Corrente ⇒ Corrente
An´
alises
• Varredura dc
DC fonte in´ıcio fim passo • Varredura em frequˆencia
AC {lin|dec|oct} passos in´ıcio fim • Transiente
tran passo fim <in´ıcio <passo m´aximo> > <UIC >
• Fun¸c˜ao de transferˆencia tf sa´ıda entrada
