Introdução à Simulação de Circuitos Eletrônicos utilizando o SPICE. Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ET74C Eletrônica 1

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Introdução à Simulação

de Circuitos Eletrônicos

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Objetivo da Aula

 Apresentar o conhecimento mínimo necessário para que os alunos da disciplina de Eletrônica 1 realizem simulações computacionais com o uso do SPICE;

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Conteúdo Programático

 Simulações Computacionais;  O programa SPICE;  Tipos de Análises;  Principais Comandos;  Etapas da Simulação;  Exemplos.

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Construção de Conhecimento

esperado

 Adquirir um conhecimento mais sólido sobre os tópicos abordados na disciplina através das experiências com os circuitos simulados.

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Simulações Computacionais

 Para verificar dentre várias configurações disponíveis qual possuirá o desempenho mais adequado à uma aplicação;

 Possibilita economia de recursos para implementação de montagens experimentais;

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Simulações Computacionais

 Possibilita a realização de todo o tipo de medida e análises no circuito simulado;

 Para realizar experiências com o circuito simulado, tais como: trocar valores de componentes, alterar configurações do circuito, etc.

 Para adquirir um conhecimento mais sólido sobre circuitos elétricos/eletrônicos, como um todo.

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O Programa SPICE

 A sigla SPICE significa: Simulation Program with

Integrated Circuit Emphasis;

 O SPICE é um programa usado para realizar análise numérica de circuitos eletrônicos.

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O Programa SPICE

 Ferramenta estável (desenvolvida desde 1970);  Diversas distribuições;

 Farta documentação e exemplos;  Foco no circuito;

 Variedade de modelos;

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Descrição do Circuito

 O circuito a ser simulado é descrito através de um arquivo tipo texto que contém uma lista dos elementos existentes (ramos do circuito) e seus respectivos nós de ligação.

 Este arquivo é conhecido como netlist e pode ser criado “manualmente” pelo usuário, a partir de algumas regras de sintaxe simples.

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Descrição do Circuito

 O netlist é composto pelos seguintes blocos de informação:

• As informações aqui inseridas não são utilizadas para fins de simulação.

TÍTULO

• Definição dos elementos que compõe o circuito a ser analisado.

Descrição do circuito

• Condições as quais o circuito será submetido.

Análises

• Informações de interesse para análise.

Informações de saída

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Descrição do Circuito

 Para a criação do arquivo de descrição do circuito o usuário deve inicialmente numerar todos os nós do circuito, sendo obrigatória a

presença de um nó “zero”, que será

considerado como nó de referência

(usualmente o nó de “terra” do circuito), ao qual serão referenciadas todas as tensões calculadas.

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Elementos de Circuito

 Cada elemento do circuito, por sua vez, deve ter um nome único que o identifique, sendo que a primeira letra desse nome especificará o tipo de elemento.

– Nome do elemento – 8 caracteres alfanuméricos (Case Sensitive);

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Elementos de Circuito

 O formato para descrever elementos passivos é:

<Elemento> <Nó+> <Nó-> <Valor>

 O formato para descrever fontes independentes é:

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Elementos de Circuito

 Fontes dependentes:

 FONTE DE CORRENTE CONTROLADA POR CORRENTE [F] <Fonte> <Nó+> <Nó-> <Vnome> <Ganho>

– <Vnome> é a fonte de tensão pela qual passa a corrente de controle da fonte.

 FONTE DE CORRENTE CONTROLADA POR TENSÃO [G] <Fonte><Nó+><Nó-><Con. nó+>< Con. Nó-><Ganho >

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Elementos de Circuito

 Fontes dependentes:

 FONTE DE TENSÃO CONTROLADA POR CORRENTE [H] <Fonte> <Nó+> <Nó-> <Vnome> <Ganho>

– <Vnome> é a fonte de tensão pela qual passa a corrente de controle da fonte

 FONTE DE TENSÃO CONTROLADA POR TENSÃO [E]

<Fonte> <Nó+> <Nó-> <Con. nó+> < Con. Nó-> <Ganho >

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Tipos de Análise

 Usada para realizar a análise em circuitos que possuem fontes DC.

– Ponto de operação (.op)

– Função de transferência (.TF) – Análise DC (.DC)

 Usada para realizar a análise de circuitos que possuam fontes com freqüência variável.

– Análise AC (.AC)

 Utilizada em circuitos com fontes variantes no tempo.

– Análise de Fourier (.FOUR)

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Tipos de Análise

 Ponto de operação (.OP) - ponto de operação DC usado para obter todas as tensões de um dado circuito, correntes nos ramos e potências e correntes nas fontes existentes.

 Função de transferência (.TF) - análise de função de transferência que fornece o valor do ganho de pequenos sinais, o valor da resistência de entrada e o valor da resistência de saída de um circuito. Também usado para calcular o equivalente de Thévenin.

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Tipos de Análises

 Análise DC (.DC) – Faz uma análise em varredura em corrente contínua para o circuito, variando uma grandeza entre valores pré determinados com um dado passo.

.DC <Var. Varredura><Valor Ini.><Valor Fim><Passo>

 Análise AC (.AC) - resposta do circuito sobre uma faixa de freqüências pré-determinadas.

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Tipos de Análises

 Análise de transiente (.TRAN) - calcula os valores das tensões nodais e correntes de malha em resposta a uma fonte variando no tempo.

.TRAN <Passo Imp.> <Tempo Final> <<Tempo Inicial>>

 Análise de Fourier (.FOUR) - calcula os

componentes DC e de Fourier do resultado obtido de uma análise transiente.

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Instruções de Saída

 .PRINT – Impressão dos valores desejados em forma de tabela.

.PRINT <Tipo de Análise> [Variáveis de Saída]*

 .PLOT – Impressão das informações desejadas em forma gráfica, no próprio arquivo de saída da simulação.

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Comandos auxiliares

 .SUBCKT– Definição de sub-circuito;  Xnome– Chamada de sub-circuito;  .LIB – nome do sub-circuito;

 .INCLUDE – inserção de informações extras no circuito (parâmetros de modelos).

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Comandos auxiliares

 Fim de arquivo (.END) - Este comando é obrigatório na última linha do arquivo de entrada.

– .END

– .ENDS – Fim de arquivo de sub-circuito

 Comentários

– * - Inserção de linha de comentário.

– ; - Inserção de comentário após linha de descrição do circuito.

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Comandos auxiliares

 No caso de resistores, capacitores e indutores, raramente o usuário saberá de antemão qual dos nós é o positivo. Tal desconhecimento, no entanto, não terá importância, pois se forem usados os nós invertidos a única consequência será a obtenção da tensão neste elemento com sinal negativo. Já no caso de fontes, deve-se tomar cuidado, assinalando o nó positivo ao pólo positivo das fontes de tensão. Para as fontes de corrente, a corrente “sai” pelo nó negativo!

 O valor do elemento é dado na unidade do SI correspondente. Valores fracionários são fornecidos com

ponto decimal (e não vírgula!). Potências de dez podem ser fornecidas com a letra E seguida do número representando o expoente de dez.

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Unidades e Múltiplos

 O programa SPICE permite também o uso de sufixos representando os múltiplos e sub-múltiplos do SI.

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Etapas para a Simulação

Obs.: Colocar linhas de comentário, de forma a deixar o arquivo de simulação mais facilmente entendível.

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Implementações Sugeridas

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Implementações Sugeridas

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EXEMPLO 1

 Para o circuito abaixo, determine todas as tensões nos nós e a corrente na fonte de tensão de 6V.

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EXEMPLO 1 - RESOLUÇÃO

Identificar e nomear todos os nós do circuito

[1]

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EXEMPLO 1 - RESOLUÇÃO

Identificar e nomear todos os elementos do circuito Nó de referência [0] [1] [2] I₁= 1mA R1= 1KΩ R₂= 2KΩ R₃= 3KΩ V₁= 6V

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EXEMPLO 1 - RESOLUÇÃO

 Escrever o arquivo texto de entrada (Salvar como .cir)

Primeira Linha do arquivo – nome da Simulação Linha de Comentário

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EXEMPLO 1 - RESOLUÇÃO

Término do arquivo de simulação Tipo de Análise

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EXEMPLO 1 - RESOLUÇÃO

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EXEMPLO 2

 Para o circuito abaixo, determine todas as tensões nos nós, as correntes em cada ramo e o equivalente de

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EXEMPLO 2 - RESOLUÇÃO

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EXEMPLO 2 - RESOLUÇÃO

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EXEMPLO 2 - RESOLUÇÃO

Primeira Linha do arquivo – nome da Simulação Linha de Comentário

Comentário junto a uma linha de composição do circuito

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É possível realizar mais de um tipo de análise ao mesmo tempo.

Término do arquivo de simulação

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EXEMPLO 2 - RESOLUÇÃO

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EXEMPLO 2 - RESOLUÇÃO

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EXEMPLO 2 - RESOLUÇÃO

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EXEMPLO 3

 Determine a corrente na fonte de 0,5V e a tensão de saída do AmpOp. Considere a resistência de entrada do AmpOp R_in=1010 _{ohms e o ganho μ=10}6_.

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EXEMPLO 3 - RESOLUÇÃO

 Modelo simplificado para o Amp-Op

R_in = 1010 _Ω

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EXEMPLO 3 - RESOLUÇÃO

 Arquivo texto (Salvar como .cir)

É possível definir o subcircuito em um arquivo separado e incluí-lo na simulação com a instrução

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EXEMPLO 3 - RESOLUÇÃO

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EXEMPLO 4

 Para o circuito abaixo, determine o valor de RL necessário para obter a máxima transferência de potência.

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EXEMPLO 4 - RESOLUÇÃO

 Determinação dos nós

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EXEMPLO 4 - RESOLUÇÃO

 Identificação dos elementos

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EXEMPLO 4 - RESOLUÇÃO

Parâmetro extra, para uso do modelo de resistor

Chamada e configuração do modelo de resistor Variação linear da resistência R_L

Solução em formato gráfico

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EXEMPLO 4 - RESOLUÇÃO

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Material de Apoio

 RASHID, Muhammad. H. Spice for Circuits and Electronics Using Pspice, 2nd

ed. Prentice Hall. New Jersey, 1995.

 TUINENGA, Paul W. Spice: A Guide to Circuit Simulation and Analysis Using

Pspice, 3rd _{ed. Prentice Hall. New Jersey, 1995.}

 JOHNSON, David E., et. al. Fundamentos de Análise de Circuitos Elétricos, 4a ed. Editora LTC. Rio de Janeiro, 2000.

 IRWIN, J. David. Análise de Circuitos em Engenharia, 4a _{ed. Pearson Makron}

Books,2000

 QUARLES, T. , et. al. SPICE3 Version 3f3 User’s Manual. Department of Electrical Engineering and Computer Sciences University of California. Berkeley. USA, 1993.

 STEER, Michael B., FRANZON, Paul D. Spice: User’s Guide and Reference. Department of Electrical and Computer Engineering, North Carolina State University. North Carolina. USA, 2002.

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Material de Apoio

 Analog Devices http://products.analog.com/products_html/list_gen_spice.html  Apex Microtechnology http://eportal.apexmicrotech.com/mainsite/index.asp  Coilcraft http://www.coilcraft.com/models.cfm  Comlinear http://www.national.com/models  Elantec http://www.elantec.com/pages/products.html

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Material de Apoio

 Epcos Electronic Parts and Components http://www.epcos.de/web/home/html/home_d.html

 Fairchild Semiconductor Models and Simulation Tools

http://www.fairchildsemi.com/models/  Infineon Technologies AG

http://www.infineon.com/

 Intersil Simulation Models

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Material de Apoio

 International Rectifier http://www.irf.com/product-info/models/  Johanson Technology http://www.johansontechnology.com/  Linear Technology http://www.linear-tech.com/software/  Maxim http://www.maxim-ic.com/  Microchip http://www.microchip.com/index.asp

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Material de Apoio

 Motorola Semiconductor Products

http://www1.motorola.com/  National Semiconductor http://www.national.com/models  Philips Semiconductors http://www.semiconductors.philips.com/  Polyfet http://www.polyfet.com/  Teccor http://www.teccor.com/asp/sitemap.asp?group=downloads

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Material de Apoio

 Texas Instruments

http://www.ti.com/sc/docs/msp/tools/macromod.htm#comps  Zetex

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Obrigado pela Atenção!

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – ucnetto@utfpr.edu.br

Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41)3310-4626 Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D – Rebouças - CEP 80230-901