Simulación de circuitos electrónicos
con OrCAD® PSpice®
Camilo Quintáns Graña
Simulación de circuitos electrónicos
con OrCAD® PSpice®
Camilo Quintáns Graña
Simulación de circuitos electrónicos con OrCAD® PSpice®
Segunda edición, 2022
© 2022 Camilo Quintáns Graña
© 2022 MARCOMBO, S.L.
www.marcombo.com
Diseño de la cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICO
Corrección: Mónica Muñoz
Maquetación: Reverté-Aguilar
Directora de producción: M.ª Rosa Castillo
OrCAD®, PSpice® y Cadence® son marcas registradas propiedad de Cadence Design Systems, Inc.
Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a Cedro (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra.
ISBN: 978-84-267-3351-1
Producción del ePub: booqlab
A todas las alumnas y alumnos, a todas mis compañeras
y compañeros, pasados presentes y futuros, deseo seguir
aprendiendo con todas y todos, gracias.
A toda mi familia, especialmente a Andrea, Silvia, Ángel y Norma.
Prólogo
Presentación
CAPÍTULO 1. Introducción a la simulación de circuitos electrónicos
1.1. La simulación y el diseño en la ingeniería
1.2. Diseño y desarrollo de un producto electrónico
1.3. Biblioteca de componentes
1.4. Niveles de abstracción en el diseño del producto
1.5. Procesado del diseño
1.6. Información para la instalación de OrCAD PSpice
1.7. Pasos para la instalación del paquete OrCAD
CAPÍTULO 2. Guía de inicio al software OrCAD® PSpice®
2.1. Introducción
2.2. Programa OrCAD Capture CIS Lite
2.3. Programa de simulación PSpice
2.4. Inicio de OrCAD 17.2 Lite
2.5. Creación de un proyecto de simulación en OrCAD Capture
2.6. Cómo hacer una copia del proyecto de OrCAD
2.7. Realización del esquema en OrCAD Capture
2.7.1. Barra de iconos de acceso rápido
2.7.2. Diseño del circuito
2.7.3. Colocación de los componentes
2.7.4. Conexionado de los componentes
2.7.5. Añadir y etiquetar buses
2.7.6. Añadir una entrada digital fija a nivel alto o a nivel bajo
2.7.7. Añadir estímulos digitales de entrada
2.7.8. Identificación de los componentes (Annotate)
2.7.9. Chequeo de las reglas de diseño (Design Rule Check)
2.7.10. Obtención de la lista de materiales (Bill of Materials)
2.7.11. Siglas para las unidades
2.8. Simulación con PSpice
2.8.1. Creación de un perfil de simulación
2.8.2. Selección de las señales que se quieren visualizar
2.8.3. Simulación del circuito
CAPÍTULO 3. Simulación de circuitos electrónicos digitales
3.1. Introducción
3.2. Generación de estímulos digitales de entrada
3.2.1. Estímulo de tipo fichero
3.2.2. Estímulo definido mediante comandos
3.2.3. Estímulo de tipo reloj
3.3. Perfil de simulación. Descripción de las opciones
3.4. Almacenamiento de resultados en un fichero
3.5. Simulación de circuitos digitales combinacionales
3.5.1. Decodificador binario de dos bits
3.5.2. Decodificador binario a decimal de tres bits
3.5.3. Multiplexor de cuatro canales
3.5.4. Complemento a 2 de un número de cuatro bits
3.5.5. Calculadora de la distancia entre dos números
3.6. Diseño jerárquico: sumador de cuatro bits
3.6.1. Introducción
3.6.2. Proceso para el diseño jerárquico
3.7. Circuitos digitales secuenciales síncronos
3.7.1. Sistema secuencial síncrono basado en biestables JK
3.7.2. Controlador secuencial de una puerta automática
3.7.3. Controlador secuencial basado en un contador binario
3.7.4. Controlador secuencial microprogramado
3.7.5. Registro con entrada serie y salida paralelo
3.8. Ejercicios propuestos
3.8.1. Circuito combinacional
3.8.2. Multiplicador de números de dos bits
3.8.3. Circuito sumador total de dos bits
3.8.4. Decodificador binario a decimal
3.8.5. Combinacional microprogramado
3.8.6. Selector
3.8.7. Circuito secuencial 1
3.8.8. Circuito secuencial 2
3.8.9. Circuito secuencial 3
3.8.10. Automatismo de una puerta
CAPÍTULO 4. Simulación de circuitos electrónicos analógicos
4.1. Introducción
4.2. Perfil de simulación
4.3. Componentes electrónicos generadores
4.3.1. Generadores de tensión y de corriente
4.3.2. Generador de ondas sinusoidales VSIN
4.3.3. Generador de señales de tipo pulso VPULSE
4.3.4. Generador de tensión arbitraria
4.4. Componentes especiales
4.4.1. Variables globales o parámetros
4.4.2. Interruptores dependientes del tiempo
4.4.3. Interruptor controlado por tensión
4.4.4. Función TABLE
4.4.5. Función de transferencia de LAPLACE
4.4.6. Bloques funcionales para realizar cálculos matemáticos
4.4.7. Bobinas acopladas magnéticamente y transformadores
4.5. Ejemplos sencillos
4.5.1. Generación de ondas triangulares
4.5.2. Bobinas acopladas magnéticamente
4.5.3. Sistema trifásico equilibrado de secuencia positiva
4.6. Tipos de análisis para simulación de circuitos
4.6.1. Análisis del punto de polarización
4.6.2. Barrido en continua o DC Sweep
4.6.3. Barrido paramétrico
4.6.4. Análisis transitorio
4.6.5. Barrido en alterna o AC Sweep
4.7. Representaciones de variables complejas
4.8. Simulación de circuitos basados en componentes discretos
4.8.1. Filtros pasivos
4.8.1.1. Filtro paso-bajo
4.8.1.2. Filtro paso-alto
4.8.1.3. Filtro paso-banda
4.8.2. Curva característica de un diodo semiconductor
4.8.3. Estudio de la característica en directa del diodo
4.8.4. Circuitos con diodos
4.8.4.1. Rectificador de doble onda. Análisis de Fourier (FFT)
4.8.4.2. Rectificador de doble onda con condensador de filtro
4.8.4.3. Rectificador de media onda con carga inductiva
4.8.4.4. Recortador en paralelo
4.8.4.5. Circuito fijador
4.8.4.6. Circuito regulador Zener
4.8.5. Amplificación con el transistor bipolar o BJT
4.8.6. El transistor de efecto de campo FET
4.8.6.1. Obtención de la característica de salida de un NFET
4.8.6.2. Característica de transferencia del FET
4.8.6.3. Circuito de autopolarización
4.8.6.4. Amplificador de baja frecuencia con transistor FET
4.8.6.5. Deducción de la resistencia de salida del FET
4.8.7. Simulación del amplificador diferencial
4.8.7.1. Ganancia diferencial
4.8.7.2. Ganancia en modo común
4.8.7.3. Amplificador diferencial con fuente de corriente activa
4.9. Simulación de circuitos basados en el amplificador operacional
4.9.1. Introducción
4.9.2. Modelo básico del amplificador operacional
4.9.3. Amplificador no inversor
4.9.4. Seguidor de tensión
4.9.5. Amplificador inversor basado en un AO real
4.9.6. Amplificador restador
4.9.7. Sumador analógico. Red R/2R
4.10. Circuitos no lineales basados en el AO
4.10.1. Simulación del circuito comparador LM111
4.10.2. Circuito comparador con histéresis inversor
4.10.3. Oscilador basado en el AO MCP6021
4.10.4. Rectificador de precisión de doble onda
4.11. Ejercicios propuestos
4.11.1. Generador de onda cuadrada
4.11.2. Modelado y simulación de un filtro paso-bajo pasivo
4.11.3. Estudio de la respuesta en frecuencia de una red de atraso
4.11.4. Circuito RLC serie
4.11.5. Obtener la curva característica de un diodo Zener
4.11.6. Estudio del funcionamiento en inversa de un diodo
4.11.7. Recortador paralelo de dos ramas
4.11.8. Rectificador de doble onda 1
4.11.9. Rectificador de doble onda 2
4.11.10. Curvas características del BJT
4.11.11. Amplificador en EC
4.11.12. Amplificador inversor
4.11.13. Circuito modulador-demodulador PWM
4.11.14. Amplificador diferencial
4.11.15. Circuito de procesado analógico 1
4.11.16. Circuito de procesado analógico 2
4.11.17. Circuito de procesado analógico 3
4.11.18. Red R/2R
CAPÍTULO 5. Modelado y simulación de circuitos mediante comandos de PSpice®
5.1. Introducción
5.2. Análisis en continua con PSpice
5.2.1. Punto de polarización y barrido en continua
5.2.2. Análisis de sensibilidad
5.2.3. Análisis de transferencia
5.3. Análisis transitorio con PSpice
5.4. Barrido en alterna con PSpice
5.4.1. Respuesta en frecuencia
5.4.2. Análisis de ruido
5.5. Análisis de Fourier con PSpice
5.6. Modelado y simulación de circuitos digitales mediante comandos de PSpice
5.6.1. Modelado y simulación de un circuito combinacional
5.6.2. Modelado de los tiempos de propagación
5.6.3. Modelado y simulación de un circuito secuencial
5.7. Modelado y simulación de un circuito mixto A/D
5.8. Ejercicios propuestos
5.8.1. Modelado con comandos de PSpice de un filtro pasivo
5.8.2. Modelado con comandos de PSpice de un rectificador
5.8.3. Modelado de un amplificador basado en AO
5.8.4. Modelado con comandos de PSpice de un sumador
CAPÍTULO 6. Creación de componentes nuevos para OrCAD® Capture®
6.1. Nuevo componente amplificador operacional
6.2. Nuevo componente de memoria ROM
6.3. Creación de componentes nuevos parametrizables
6.3.1. Diseño del filtro
6.3.2. Creación de un componente parametrizable con el filtro diseñado
6.3.3. Utilización de un componente ya creado
6.4. Caracterización de dispositivos de la biblioteca BREAKOUT
6.4.1. Caracterización de una resistencia
6.4.2. Caracterización de un transistor MOSFET de canal N
CAPÍTULO 7. Análisis avanzados
7.1. Diseño y simulación de un circuito RLC serie
7.2. Análisis de Montecarlo
7.3. Análisis del Peor Caso
7.4. Análisis para optimización
7.5. Prueba de humo
7.6. Análisis del Peor Caso en circuitos digitales
CAPÍTULO 8. Modelado y simulación de circuitos mixtos A/D
8.1. Niveles eléctricos de señales digitales
8.2. Convertidor digital a analógico (D/A)
8.3. Convertidor analógico a digital (A/D)
8.4. Acondicionamiento para un pulsador
8.5. Modulador de ancho de pulso PWM
8.6. Modulador DAC-sigma-delta de primer orden
8.7. Modulador ADC sigma-delta de primer orden
8.8. Convertidor F/V (Frecuencia a Voltaje)
8.8.1. Principio de funcionamiento
8.8.2. Simulación del convertir F/V
8.9. Síntesis digital directa de una señal analógica
8.9.1. Introducción
8.9.2. Simulación de un circuito DDS
8.10. Ejercicios propuestos
8.10.1. Síntesis de una señal sinusoidal de 10 kHz
8.10.2. Convertidor F/V
8.10.3. Modulador ADC sigma-delta de segundo orden
8.10.4. Síntesis de una señal sinusoidal
CAPÍTULO 9. Simulación de sensores y acondicionadores
9.1. Introducción
9.2. Medida de temperatura con un sensor PT100
9.2.1. Fuente de referencia
9.2.2. Simulación de la PT100 y su acondicionamiento
9.3. Medida de fuerza con una galga
9.3.1. Modelado y simulación de una galga extensiométrica
9.3.2. Circuito de acondicionamiento para las galgas
9.4. Medida de posición con un LVDT
9.4.1. Simulación de un sensor LVDT
9.4.2. Acondicionamiento con rectificador y restador
9.4.3. Acondicionamiento con rectificador síncrono
9.5. Ejercicios propuestos
9.5.1. Medida de temperatura con un diodo semiconductor
9.5.2. Medida de fuerza con galgas extensiométricas
9.5.3. Medidor de velocidad de rotación de un eje
9.5.4. Etapa acondicionadora del rango de salida de un sensor
CAPÍTULO 10. Simulación de circuitos electrónicos de potencia
10.1. Introducción
10.2. Simulación de una fuente de alimentación lineal
10.2.1. Modelado y simulación del transformador de potencia
10.2.2. Regulador de tensión con limitador de corriente
10.2.3. Fuente de alimentación lineal de tensión de 12 Vdc
10.3. Regulador lineal de tensión de tres terminales
10.4. Convertidores ca-cc o rectificadores
10.4.1. Rectificador no controlado monofásico de media onda
10.4.2. Rectificador controlado monofásico de media onda
10.4.3. Rectificador semicontrolado monofásico de doble onda
10.4.4. Rectificador de potencia con MOSFET
10.5. Convertidores cc-cc conmutados
10.5.1. Convertidor reductor o buck
10.5.1.1. Circuito PWM sin filtro
10.5.1.2. Circuito PWM con filtro LC
10.5.1.3. Modelo de pequeña señal del PWM
10.5.1.4. Modelo de pequeña señal del reductor en bucle abierto
10.5.1.5. Diseño y simulación del compensador
10.5.1.6. Simulación del reductor con control en bucle cerrado
10.5.2. Convertidor elevador o boost
10.5.3. Convertidor de retroceso o flyback
10.6. Convertidores cc-ca o inversores
10.6.1. Inversor monofásico con modulación de un solo pulso
10.6.2. Inversor monofásico en medio puente SPWM
10.7. Simulación del generador fotovoltaico
10.7.1. Modelado y simulación de la célula solar
10.7.2. Modelado y simulación del panel fotovoltaico
10.8. Modelado y simulación de la célula Peltier
10.9. Simulación de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica
10.9.1. Modelado y simulación de una batería recargable
10.9.2. Modelado y simulación de un supercondensador
10.10. Ejercicios propuestos
10.10.1. Fuente de alimentación lineal de 12 V
10.10.2. Fuente de tensión con regulador lineal de tres terminales
10.10.3. Rectificador de doble onda con carga inductiva
10.10.4. Corrientes eficaz y media a través de un diodo
10.10.5. Reductor de tensión en bucle abierto
10.10.6. Elevador de tensión
10.10.7. Inversor en medio puente
10.10.8. Simulación de un generador fotovoltaico
10.10.9. Modelado de una célula Peltier
10.10.10. Respuesta de un supercondensador a un escalón de corriente
Bibliografía
Anexo I: Acrónimos
Anexo II: Material complementario
Dentro de no mucho tiempo, en el año 2023, el programa SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) cumplirá los cincuenta años y este tiempo en el mundo de la tecnología electrónica equivale a una eternidad. Sobre su persistencia, podremos decir muchas cosas, pero hay una en la que todos coincidiremos y es que supone el mejor indicador de su calidad, de su utilidad y de su capacidad de adaptarse y enriquecerse con muchas aportaciones. Como profesor en Ingeniería que he sido durante más de treinta años, SPICE/PSPICE me ha acompañado en mi docencia y puedo confirmar que ha permitido a mis estudiantes un aprendizaje más rico y asequible de la electrónica, sin olvidar que un buen simulador es una herramienta necesaria pero no suficiente.
Digamos, de paso, que el haber surgido como un programa de código abierto y la amplia difusión de versiones gratuitas para estudiantes ha sido fundamental en el éxito alcanzado y en la utilidad educativa que durante décadas ha tenido para miles de estudiantes y cientos de profesores. Los Congresos TAEE (Tecnología, Aprendizaje y Enseñanza de la Electrónica) dan buena cuenta de su extendida y rica utilización en el proceso de enseñanza-aprendizaje universitario.
Para ir preparando su quincuagésimo aniversario, nada mejor que rendirle homenaje con un buen libro como el que tiene hoy en sus manos (o en la pantalla de su terminal) en el que se hace una exhaustiva y pedagógica presentación del diseño electrónico asistido por computador. En él se ha conseguido un meritorio equilibrio entre la presentación de los principios y modelos de funcionamiento del programa, la descripción del manejo de sus múltiples capacidades y la aplicación a diversos ejemplos prácticos de circuitos analógicos, mixtos, de potencia o de instrumentación.
Comparto con ustedes mi satisfacción porque haya sido Camilo Quintáns quien haya emprendido esta labor, compañero del que apreciamos, además de su generosidad, la minuciosidad, el rigor y, si me permiten decir, el cariño y pasión que pone en su tarea docente. Él defiende la idea de que compartir el conocimiento es la mejor forma de progresar en la vida y, en esta segunda edición del libro Simulación de circuitos electrónicos con OrCAD PSpice, nos comparte toda su experiencia desde que, hace trece años, publicara su primera edición.
Jesús Arriaga García de Andoaín
Se presenta aquí la segunda edición del libro Simulación de circuitos electrónicos con OrCAD® 16 DEMO (Quintás C., 2008).
El principal objetivo de esta obra es contribuir a facilitar y mejorar el proceso de aprendizaje de los estudiantes del ámbito técnico que cursan asignaturas de Electrónica. El enfoque es eminentemente práctico, ya que se trata de aprender haciendo, tanto si el aprendizaje es guiado como si es autónomo. Por ello, no solo persigue ser útil a los estudiantes, sino también a los docentes, ya que puede ser un buen soporte para aprender a simular y analizar los circuitos en las prácticas de las asignaturas.
En esta nueva edición, se han mejorado y ampliado dos aspectos fundamentales. El primero es la extensión, ya que se ha pasado de 5 capítulos a 10, incluyendo temas tan importantes como la simulación de sensores y acondicionadores, los circuitos mixtos o los convertidores de potencia. Además, también se ha ampliado el número de ejercicios, que se han repartido por todo el libro según la temática de cada capítulo. En segundo lugar, se han mejorado muchos detalles en las explicaciones, para enlazar mejor el proceso de diseño con la simulación.
Con las mejoras expuestas se persigue, también, que este libro sea un buen apoyo, no solo en las asignaturas básicas de Electrónica de dispositivos, sino también en las asignaturas específicas de los distintos ámbitos de la electrónica. Por ello, se ha intentado que la simulación constituya una herramienta transversal a lo largo de los estudios que integran la tecnología electrónica.
El espíritu de esta obra se basa en la premisa de que la simulación es una parte importante del diseño asistido por computador, ya que ayuda a comprender mejor las especificaciones de los circuitos y si estas sirven para satisfacer los requisitos iniciales. Además, ayuda a comprender cómo es el funcionamiento del diseño bajo prueba para poder mejorarlo.
Es difícil incluir con detalle todas las opciones que tiene el paquete de programas OrCAD, pero se ha hecho un gran esfuerzo por elegir las más importantes desde el punto de vista del diseñador de circuitos.
De forma resumida, se puede decir que los cuatro primeros capítulos se dedican a la electrónica básica y los tres siguientes a profundizar en las potencialidades del programa PSpice, desde la creación de nuevos componentes hasta los análisis avanzados, pasando por el modelado de circuitos mediante comandos. Los tres últimos capítulos se dedican a temas más finalistas de la electrónica, como son los circuitos mixtos analógicos y digitales, los circuitos de potencia o los sensores.
Como ya se mencionaba en la primera edición, esta obra no pretende ser un libro de circuitos electrónicos, ni tampoco un manual de un programa, sino algo intermedio.
Por último, deseo que el lector encuentre útil y ameno este libro.
Camilo Quintáns Graña
Este libro, dirigido especialmente a los estudiantes de Electrónica, tanto de las escuelas de ingeniería como de enseñanzas medias, tiene dos objetivos principales. El primero es ayudar a aprender a simular circuitos electrónicos, y el segundo es concienciar de la importancia que tiene la utilización de un simulador para asegurar que se alcanzan los objetivos de calidad cuando se desarrolla un prototipo electrónico. En general, se pueden destacar algunas de las metas más importantes que persigue la simulación:
• Evitar implementar algo que, a priori, se puede saber que no servirá.
• Ahorrar los costes innecesarios para probar algo que se puede simular.
• Detectar no conformidades que quedarían disimuladas hasta la etapa de comercialización del producto.
Con estos objetivos, se introduce el uso de herramientas CAD-CAE para la simulación de circuitos electrónicos y para el diseño y especificación de placas de circuito impreso. Se revisan los distintos métodos de análisis, tanto de circuitos electrónicos digitales como analógicos, con el paquete de programas OrCAD 17 LITE. El desarrollo de los temas se sigue mediante ejemplos sencillos que explican cómo sacar provecho de las potencialidades del PSpice, que es un simulador de circuitos analógicos y digitales (Rashid, 2004) (Gil, García y Quintáns, 2013) (Goody, 2003) (Arriaga, 1995). Es importante destacar el papel del modelado, tanto de los componentes como de los circuitos.
En general, se harán modelos estructurales de los circuitos utilizando esquemas eléctricos (método gráfico) o comandos PSpice (definición en un fichero de texto). En estos modelos estructurales, se definen los componentes y las interconexiones, entre ellos y entre el circuito y las señales de entrada y de salida. Cabe destacar que, tanto con el modelado mediante comandos de PSpice como con los esquemas de OrCAD, también es posible utilizar modelos de componentes que describen directamente cuál es su funcionamiento a nivel matemático, sin importar cómo se implementan físicamente. Así, en OrCAD se dispone de una biblioteca denominada ABM (Analog Behavioral Modeling) y, en PSpice, de Primitivas.
Al igual que el OrCAD, la mayoría de los programas de simulación de circuitos analógicos basados en el dibujo de esquemas utilizan el simulador PSpice como, por ejemplo, el PSPICE-FOR-TI (Texas Instruments Inc., 2021). Inicialmente, durante la década de los setenta, la Universidad de Berkeley desarrolló, bajo un proyecto subvencionado, primero el programa SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) para la simulación de circuitos y, después, el SPICE2. Con este programa, se podía simular un circuito descrito mediante comandos en un fichero de tipo texto con extensión .cir. En un principio, los resultados de simulación solamente se podían imprimir, bien en la impresora, bien en la pantalla, pero de manera rudimentaria en formato texto. Por ello, más tarde se desarrolló una potente interfaz gráfica denominada Probe, integrada con el programa de simulación y que, juntos, tomaron la denominación de PSpice (Probe-SPICE).
Para el desarrollo de cualquier actividad de la ingeniería, es imprescindible conocer el tipo de proceso que se ha de seguir. Dentro de la ingeniería orientada al desarrollo de un producto, existen diversos tipos de proceso para el proyecto. Independientemente del esquema de proceso que se elija, hay unos elementos comunes a todos ellos. En la Figura 1.1, se muestra un esquema simplificado de un proceso orientado al desarrollo de un prototipo que sirva para su posterior industrialización. El proceso comienza con el análisis de los requisitos obtenidos a partir de la comunicación con el cliente. De este análisis, se obtienen unas especificaciones que se utilizan para realizar el diseño de una solución.
Figura 1.1. Ejemplo de proceso iterativo para la obtención de un producto.
Previamente a la implementación de esa solución con un prototipo, es fundamental poder realizar una simulación para evaluar el grado de cumplimiento de las especificaciones. Una vez desarrollado el prototipo, se puede evaluar conjuntamente con el cliente para revisar el nivel de aceptación de lo conseguido. Entonces, si se consigue verificar y validar el producto obtenido, es viable su industrialización. Obviamente, este libro se centra en la parte de diseño y simulación de los circuitos electrónicos donde, mediante una herramienta de simulación, se verifican y validan las especificaciones iniciales.
Se entiende por «validación» el conjunto de actividades que aseguran que el sistema construido se ajusta a los requisitos del cliente. ¿Se está construyendo el producto correcto?
«Verificación» es el conjunto de actividades que aseguran que el sistema implanta correctamente una función específica. ¿Se está construyendo el producto correctamente?
Para definir lo que es la «simulación», primero se debe aclarar el significado de los términos «modelo» y «modelado». Un «modelo» es una representación de un objeto, sistema o idea, de forma diferente a la de la identidad misma. Habitualmente, su finalidad es ayudar a definir, entender o mejorar un sistema. Un modelo de un objeto puede ser una réplica exacta de este (en un material diferente y a escala diferente), o puede ser una abstracción de las propiedades dominantes del objeto; esto implica que, en la mayoría de los casos, la obtención de un modelo obliga a realizar simplificaciones.
Las herramientas de modelado y simulación de sistemas capacitan al ingeniero para probar una especificación.
La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real y realizar experimentos con él para entender su comportamiento y evaluar sus especificaciones.
Actualmente, gracias a la ingeniería asistida por computador, el desarrollo integral de un producto se realiza mediante herramientas software integradas que asisten a todas las etapas de su creación (Figura 1.2).
Dentro de estas herramientas, se distingue entre las que asisten al diseño y las que asisten a la fabricación. Las siglas con las que se denominan los distintos entornos de diseño asistido por computador son:
• CAE: computer-aided engineering
• CAEE: computer-aided electronic engineering
• CAD: computer-aided design
• EDA: electronic design automation
• CAM: computer-aided manufacturing
Figura 1.2. Relación entre las herramientas software de desarrollo.
El diseño asistido por computador se basa en un conjunto de aplicaciones informáticas bajo un mismo entorno que las interrelaciona para integrar una solución del diseño que se plantea. Estos entornos EDA de desarrollo de productos electrónicos controlan el proceso completo, desde la fase de diseño hasta la producción, pudiendo realizarse los cambios necesarios mientras transcurre dicho proceso. Por ello, una de las características más importantes es la flexibilidad y la propagación de los cambios entre las aplicaciones que forman el entorno; así se consigue que el diseño evolucione dinámicamente. El entorno EDA utilizado en este libro es el OrCAD 17.2 Lite. En la Figura 1.3, se representa un diagrama con sus componentes y funciones más importantes.
En la Figura 1.4, se muestran las cinco fases más importantes en el proceso de desarrollo de un circuito electrónico. Estas son: primero, se hace el esquema mediante el programa Capture, incorporando copias de los dispositivos necesarios que están en las bibliotecas de componentes (Figura 1.3); después, se simula mediante PSpice; a continuación, se diseña el circuito impreso y se monta y, finalmente, se verifica su funcionamiento midiendo las señales de interés con la instrumentación adecuada. En todo este proceso, es muy importante el flujo de información que hay entre los distintos programas; por ejemplo, si se están diseñando las pistas (tracks) en la PCB y se modifica alguna conexión en el esquema, se debe generar de nuevo la lista de redes (netlist), de forma que ese cambio repercuta en las conexiones que se están realizando en la PCB.
Figura 1.3. Entorno que automatiza el proceso de desarrollo.
Figura 1.4. Pasos en el proceso de desarrollo de un circuito electrónico.
Otra información cruzada importante la constituyen las huellas (footprints) de los componentes que se deben incorporar a la información de los componentes que se copian de las bibliotecas para el esquema (Capture); por ejemplo, los terminales de los símbolos en el esquema deben corresponderse adecuadamente con los terminales (pads) de las huellas.
El esquema es el punto de partida de un diseño; consiste en un conjunto de componentes (parts) y de las conexiones (wires) que hay entre ellos, de forma que constituyan la representación de un circuito. Por tanto, representa una de las formas más importantes de comunicación en la ingeniería. Dichos componentes se importan de las bibliotecas (libraries).
Un componente que se incluye en el diseño tiene asociadas tres características esenciales, definidas en tres archivos de biblioteca (Figura 1.5). Estas son:
• Su comportamiento eléctrico, que se define en el archivo de extensión .lib y que se encuentra en la biblioteca de modelos.
• El símbolo con que es visible en el esquema, que se encuentra en los archivos de biblioteca de símbolos con extensión .olb.
• La forma física de su huella con la que aparece en la placa de circuito impreso, que está en un archivo .dra en la biblioteca de footprints.
Figura 1.5. Bibliotecas que encapsulan las propiedades de un componente.
Para realizar el diseño de un producto, se utilizan distintos niveles de abstracción en la especificación y descripción del diseño, el cual se comienza delimitando su dominio (Figura 1.6).
En la visión global, el dominio de interés es el físico y, dentro de este dominio, este libro se centra en los sistemas hardware, que se componen, a su vez, de módulos, los cuales forman los subsistemas. Los diseños de los módulos se representan mediante esquemas electrónicos, que están constituidos, a su vez, por componentes elementales que se obtienen de las bibliotecas. Estos conceptos constituyen el refinamiento del sistema global, según distintos niveles de abstracción, para cada uno de los cuales existe un tipo de simulación.
El programa Capture permite hacer diseños con los siguientes tipos de jerarquía:
• Jerarquía simple de una sola hoja (one-sheet)
• Jerarquía plana con varias hojas (flat)
• Jerarquía vertical:
o Método descendente (top-down)
o Método ascendente (bottom-up)
Una de las ventajas del diseño modular es la reutilización. En la Figura 1.7, se muestra un ejemplo de un diseño organizado según una jerarquía vertical de tres niveles donde, en el nivel 1, se utilizan dos copias del bloque D, que se definen con el mismo esquema en el nivel 2. Cabe señalar que, cuando se inserta un componente en un esquema, el programa Capture hace una copia local de él; para ello, dispone de una memoria local denominada design cache.
Figura 1.6. Nivel de detalle en la descripción de un producto con alguna parte electrónica.
Figura 1.7. Jerarquía vertical de un diseño modular de tres niveles.
Con las herramientas de procesado del diseño, se identifican los componentes, se corrigen errores y se genera información que se añade al diseño. Dicha información se utilizará en la simulación del circuito y en el diseño de la placa de circuito impreso, por ejemplo, especificando los encapsulados de los componentes. En la tabla 1.1, se presentan algunas de estas herramientas indicando los apartados en los que se puede encontrar más información.
Tabla 1.1. Algunas de las herramientas más importantes para procesar el diseño.
Denominación en OrCAD Capture |
Descripción |
Icono de acceso rápido |
Más información en el apartado |
Annotate |
Asigna una referencia a cada componente de modo que se identifique de forma única |
2.7.8 |
|
Create Netlist |
Crea la lista de las conexiones del esquema que se utilizarán en otros programas, por ejemplo, en el simulador PSpice |
6.3.2 |
|
Design Rules Check |
Comprueba posibles errores en el diseño |
2.7.9 |
|
Bill of materials |
Genera un fichero de tipo texto con la lista de materiales del diseño |
2.7.10 |
¿Cómo se consigue el software OrCAD PSpice?
El software OrCAD dispone de versiones de evaluación y de estudiante que se pueden descargar desde la siguiente página web de la empresa Cadence Design Systems, Inc.:
https://www.orcad.com/resources/orcad-downloads
Además, se puede acceder a una serie de tutoriales en la misma web en el siguiente enlace:
https://resources.orcad.com/orcad-capture-tutorials
La versión de evaluación (OrCAD Free Trial) solo está activa 30 días. Por ello, es preferible utilizar la versión de estudiante, la cual, aunque tiene ciertas limitaciones, no caduca. Las principales limitaciones para esta versión son:
Para el programa OrCAD Capture CIS Lite (de forma abreviada, Capture):
• El número de conexiones que puede tener un diseño para poderse salvar es de 75.
• El diseño puede tener un máximo de 60 componentes.
• No se pueden crear componentes con más de 100 terminales.
• No está disponible la herramienta de diseño para FPGA.
Para el programa PSpice A/D:
• La simulación está limitada a circuitos de hasta 75 nudos, 20 transistores, 65 dispositivos digitales y 10 líneas de transmisión.
• Un circuito digital se limita a un máximo de 250 nudos.
• El editor de modelos solo se puede utilizar para caracterizar y parametrizar modelos de diodos.
• El editor de dispositivos magnéticos solo permite diseñar transformadores de potencia y solo hay un modelo de núcleo disponible.
• El número de líneas de transmisión no ideales que se puede utilizar se limita a cuatro.
Para el programa de diseño de placas, el PCB Editor:
• El tamaño del diseño se limita a 50 componentes o 100 nudos.
• Se proporciona una sola biblioteca, con un número limitado de componentes.
Para el análisis de Peor Caso y de Montecarlo:
• Solo se permite especificar una medida.
• Soporta un máximo de tres dispositivos con tolerancia.
• Soporta un máximo de 20 ejecuciones de Montecarlo.
Actualmente, la versión disponible de estudiante depende de la implantación del programa académico en el país de que se trate. En este libro, se utiliza la versión OrCAD Lite 17.2. Una vez se ha descargado y descomprimido el fichero (es de tipo .zip), se inicia la instalación ejecutando el fichero setup.exe. En las siguientes figuras, se muestra la secuencia en la que se realiza la instalación. Una vez aceptadas las condiciones de la licencia (Figura 1.9), se siguen todos los pasos, sin cambiar ninguna opción, o sea, aceptando las opciones por defecto.
Una vez instalado, se dispone de una potente ayuda (Figura 1.15), a la que se accede desde el menú de programas de Windows (Figura 1.16).
Los programas más importantes que se van a utilizar son el Capture CIS Lite, el PSpice AD Lite, el Model Editor y el Magnetic Parts Editor.
Figura 1.8. Mensaje de bienvenida y aviso de que se deben desactivar los programas antivirus.
Figura 1.9. Contrato de licencia del software.
Figura 1.10. Cuadro de diálogo para definir los usuarios.
Figura 1.11. Selección de la carpeta de programas.
Figura 1.12. Resumen de la instalación.
Figura 1.13. Ventana que se muestra mientras se instala el OrCAD.
Figura 1.14. Aviso de fin de la instalación.
Figura 1.15. Ventana general de la ayuda de OrCAD.
Figura 1.16. Menú de los programas del paquete de OrCAD en Windows 10.
OrCAD 17 Lite constituye un entorno automatizado de diseño electrónico o EDA (Electronic Design Automation), que ofrece una solución completa para el diseño de circuitos electrónicos asistido por computador. Está dividido en cuatro programas principales, los cuales permiten realizar las siguientes operaciones:
• Capture CIS Lite: descripción del diseño, que puede ser realizada mediante esquema eléctrico o con un lenguaje de descripción del hardware (HDL).
• PSpice A/D Lite: simulación de circuitos analógicos, digitales y mixtos.
• PCB Editor Lite: diseño de placas de circuitos impresos o PCB para implementar físicamente los circuitos electrónicos.
• PCB Router Lite: trazado automático de las pistas de la PCB; en la versión Lite, no se pueden guardar los resultados.
El programa Capture permite agrupar todos los recursos que se utilizan en el diseño de un circuito electrónico dentro de un proyecto (Project), cuyo fichero tiene extensión .opj. Dichos recursos se agrupan en esquemas, bibliotecas de componentes, ficheros de recursos de PSpice y ficheros de salida, tales como lista de componentes (Bill of materials), lista de conexiones (Netlist), etc. Existen cuatro tipos de proyectos (Figura 2.1). Estos son:
• Analog or Mixed A/D: este es el tipo de proyecto que se utilizará para simular los circuitos digitales, analógicos y mixtos.
• PC Board Wizard: es un proyecto que permite generar la información para enviar al programa PCB Editor para hacer el diseño de la PCB.
• Programmable Logic Wizard: en la versión Lite, no está disponible. En otras versiones, es posible hacer diseños en VHDL.
• Schematic: es útil si se desea hacer un simple esquema, que no se vaya a simular.
Después de abrir el programa Capture e iniciado un nuevo proyecto con la opción File > New Project, se abre el menú de la Figura 2.1, en el que se elige el tipo de proyecto, el nombre (Name) y la ruta donde se guardará (Location). Y, una vez que se aceptan todas estas opciones del menú de inicio, se abre la ventana principal de la Figura 2.2.
Por defecto, al iniciar un proyecto, se genera automáticamente un diseño (Design), con extensión .dsn, que contiene un esquema (SCHEMATIC1), con una página (PAGE1). Una vez creado, se pueden añadir más esquemas y páginas.
El gestor de proyectos (Project Manager) nos permite visualizar los recursos del proyecto de dos formas diferentes:
1. Opción File: permite la visualización de todas las carpetas del proyecto, carpetas de diseño, carpetas de esquemas, etc.
2. Opción Hierarchy: permite visualizar las relaciones jerárquicas que hay entre las diferentes carpetas de esquemas.
Figura 2.1. Cuadro de diálogo para crear un proyecto nuevo.
Figura 2.2. Ventana principal de Capture.
Para dibujar un esquema electrónico, se utiliza el editor de esquemas Schematic Page Editor. Y, para la edición gráfica de los componentes que se utilizan en el diseño, se emplea el editor de componentes Part Editor.
Para cada proyecto, existe una ventana denominada Session Log, en la que aparece la lista de todas las operaciones que se realizan en cada sesión de Capture, así como los resultados obtenidos, errores y otros mensajes.
A continuación, se describen las carpetas que contiene la ventana de gestión de proyectos:
Design Resources: contiene la carpeta del diseño donde están incluidas las diferentes páginas de esquemas y la carpeta Design Cache, a la cual se van incorporando las copias locales de los componentes, a medida que se introducen en el diseño. Asimismo, contiene una carpeta Library, donde estarán incluidas las bibliotecas en las que se encuentran los componentes utilizados.
Outputs: en esta carpeta, estarán incluidos los ficheros de salida, la lista de materiales, la lista de conexiones, la comprobación de reglas de diseño, etc.
PSpice Resources: en esta carpeta, están incluidos todos los ficheros relacionados con el programa de simulación PSpice.
Include Files: estos ficheros son cargados por el simulador antes que el circuito e incluyen comandos de PSpice. Tienen extensión .inc.
Model Libraries: bibliotecas de modelos de simulación de los diferentes componentes. Tienen extensión .lib.
Simulation Profiles: contienen los diferentes perfiles de simulación que haya generado el usuario. Tienen extensión .sim.
Stimulus Files: ficheros de estímulos para simulación de circuitos digitales. Tienen extensión .stl.
CIS es una herramienta que está incluida en OrCAD, que facilita la gestión de los componentes del diseño y que permite trabajar con bases de datos de componentes locales o remotos que contienen información para los circuitos que se utilizan. Dicha información puede incluir códigos de la compañía para los componentes, encapsulados, parámetros técnicos (velocidad, tolerancias, valores máximos y mínimos, etc.) e información relacionada con la compra de dichos componentes (suministrador, fabricante, precio, etc.).
OrCAD 17.2 Lite incluye cuatro aplicaciones independientes relacionadas con la simulación de circuitos electrónicos analógicos y digitales. Dichas aplicaciones pueden ser ejecutadas desde el menú de inicio, de forma independiente, o bien desde el gestor de proyectos:
1. PSpice A/D. Permite ejecutar la simulación y visualizar los resultados en la ventana Probe. En la Tabla 2.1, se muestran los tipos de análisis que se pueden llevar a cabo con el simulador (Cadence Design Systems, Inc., 2021).
2. PSpice Model Editor. Es la herramienta con la que se gestionan las bibliotecas (LIBRARIES) de modelos de simulación.
3. PSpice Optimizer. Es un programa que permite la optimización de circuitos analógicos y digitales. Realiza varias iteraciones, hasta ajustar los valores de los parámetros definidos por el usuario, para que el conjunto funcione de acuerdo con las especificaciones definidas por el usuario.
4. PSpice Stimulus Editor. Es un editor de estímulos para la simulación de circuitos digitales.
No se pueden utilizar los componentes de todas las bibliotecas para realizar el proceso de simulación. Únicamente se pueden simular aquellos componentes que estén definidos en una biblioteca de modelos .lib y en una biblioteca de símbolos .olb.
Tabla 2.1. Resumen de los distintos tipos de análisis que se pueden llevar a cabo.
Tipos de análisis |
Descripción |
|
Análisis en dc |
Barrido en continua |
Se calcula el punto de polarización para cada uno de los valores, dentro de un rango, de un generador, de un parámetro global, de un parámetro de un modelo o de la temperatura |
Cálculo del punto de polarización |
Calcula el punto de polarización del circuito. Este análisis se hace siempre que se indique en el cuadro de diálogo del perfil de simulación, sea cual sea el tipo de simulación que se vaya a realizar |
|
Análisis de sensibilidad en continua |
Identifica qué componentes (resistores, fuentes independientes, interruptores controlados, diodos y transistores bipolares) tienen parámetros críticos para una variable especificada |
|
Análisis de transferencia en continua |
Calcula la función de transferencia de pequeña señal variando el punto de polarización y linealizando el circuito en torno a ese punto. Como resultado, proporciona la ganancia de pequeña señal, y las resistencias de entrada y de salida |
|
Análisis en |
Barrido en alterna |
Obtiene la respuesta en frecuencia de un circuito |
Análisis de ruido |
PSpice calcula, para cada valor de frecuencia del barrido en ac, el ruido que aporta cada componente y el ruido total de salida y su equivalente de entrada |
|
Análisis transitorio |
Es el análisis más importante, porque simula el comportamiento del circuito a través del tiempo; es decir, calcula su respuesta temporal; por tanto, la variable independiente es el tiempo |
|
Análisis avanzados |
Simulación paramétrica |
Combinada con cualquier otro tipo de análisis, realiza una simulación para cada valor especificado de un parámetro y se obtiene una curva para cada uno. Por tanto, es útil cuando se desea obtener una familia de curvas paramétricas |
Análisis de temperatura |
Otra variable importante en el funcionamiento de los circuitos es la temperatura; como buen simulador, PSpice la tiene en cuenta y también se puede configurar como variable para, así, estudiar la respuesta del circuito ante cambios en la temperatura |
|
Análisis de Montecarlo |
Calcula la respuesta del circuito ante variaciones de los valores de los componentes, para los cuales se indicó su tolerancia |
|
Análisis del peor caso |
Se utiliza para encontrar el peor resultado posible de la salida en el caso más desfavorable dado por la variación de algún parámetro; por ejemplo, si los valores de tres resistencias R1, R2 y R3 tienen una tolerancia del ±5%, el simulador busca la combinación de valores que proporciona el peor resultado de la simulación |
|
Análisis de optimización |
Si se define un obejtivo en el simulador, por ejemplo, el valor del ancho de banda de un amplificador, se puede elegir un parámetro para que PSpice busque su valor óptimo para conseguir el objetivo planteado |
|
Prueba de humo |
Se utilizan las condiciones máximas de funcionamiento de los dispositivos para evaluar si se superan estos límites en el funcionamiento normal del circuito |
|
Para comenzar a trabajar con el programa, se debe ejecutar la opción Capture CIS Lite en el grupo de programas Cadence Release 17.2 y, a continuación, se abre la ventana principal de OrCAD, que se muestra en la Figura 2.3.
Figura 2.3. Ventana principal de OrCAD Capture.
Para crear un proyecto nuevo y comenzar a trabajar, se sigue la secuencia de comandos File > New > Project, como se muestra en la Figura 2.4, abriéndose el cuadro de diálogo mostrado en la Figura 2.5. En esta ventana, se debe indicar el nombre del proyecto, su localización y el tipo. En el tipo, se elige el asistente para la creación del nuevo proyecto que se va a utilizar. Para los diseños que se simularán en este libro, se seleccionará la opción PSpice Analog or Mixed A/D.
Figura 2.4. Inicio de un nuevo proyecto.
Figura 2.5. Cuadro de diálogo para la creación de un nuevo proyecto.
Es importante recordar que, en los nombres de los ficheros y de las etiquetas de los diseños, no se deben utilizar los siguientes caracteres especiales:
|
Espacio |
% |
Porcentaje |
? |
Interrogación |
" |
Comillas |
* |
Asterisco |
! |
Exclamación |
@ |
Arroba |
( ) |
Paréntesis |
~ |
Tilde |
< |
Signos de comparación |
# |
Almohadilla |
= |
Igual |
& |
Ampersand |
[ ] |
Corchetes |
A continuación, se abre el cuadro de diálogo de la Figura 2.6, en el que se pregunta sobre la opción de utilizar como partida un proyecto ya existente o no; habitualmente, se creará uno en blanco. Finalmente, se abre la ventana principal de Capture, como se muestra en la Figura 2.7. En las Figura 2.8 y 2.9, se definen las funciones de los botones de acceso rápido.
Figura 2.6. Cuadro de diálogo para iniciar un proyecto a partir de otro existente.
Figura 2.7. Ventana principal de Capture con un proyecto nuevo recién creado.
Figura 2.8. Funciones de los botones de formato de la barra de herramientas de Capture.
Figura 2.9. Funciones de los botones de utilidades de la barra de herramientas de Capture.
Para hacer una copia del proyecto, se puede copiar directamente la carpeta donde se almacenan los archivos, o se puede utilizar la herramienta propia de OrCAD, para lo cual se deben seguir los siguientes pasos:
1. En la ventana principal del proyecto, en el menú File, se selecciona la opción Archive Project.
2. Se configura qué archivos se desean guardar en el cuadro de diálogo que se abre (Figura 2.10): se selecciona entonces Library files, Output files y/o Referenced projects. Normalmente, se guardan todos los tipos de archivos.
3. En el campo Archive directory, se escribe la ruta del directorio en el que se desea hacer la copia. Si se activa la opción Create a single archive file, se creará un solo archivo con todo el proyecto comprimido.
4. Como excepción, se debe tener en cuenta que los archivos de tipo .DAT, .TXT y .ALS no se copian, por lo que deberán incluirse manualmente.
Figura 2.10. Cuadro de diálogo para configurar las opciones de copia del proyecto.
En este apartado se explica, paso a paso, cómo se hace el esquema de un circuito electrónico, para lo cual se seguirá un ejemplo sencillo de un circuito digital combinacional.
En primer lugar, a continuación, se presentan las principales funciones que tiene el OrCAD para dibujar el esquema.
Para hacer el esquema, se dispone de una serie de herramientas a las que se accede desde el menú horizontal o desde los iconos de acceso rápido que se sitúan a la derecha de la ventana principal. En la Figura 2.11, se muestra dicha regla de iconos y la función de los que más se van a utilizar. Además, se pueden usar también algunas teclas aceleradoras, las cuales agilizan el uso de las funciones más importantes, por ejemplo:
p: situar un componente (Place Part)
w: situar una conexión (Place Wire)
i: zoom para acercar (Zoom in)
o: zoom para alejar (Zoom out)
n: poner nombre a un cable (Net alias)
Figura 2.11. Funciones de los botones para posicionamiento de elementos en el esquema.
Como ejemplo de cómo hacer un esquema se plantea la implementación de una función lógica F mediante un circuito combinacional basado en puertas NAND. Dicha función, que depende de tres variables de entrada D0, D1 y D2, se puede representar por la tabla de verdad de la Figura 2.12.a, o por la suma de productos canónicos (2.1).
Si se utiliza el mapa de Karnaugh de la Figura 2.12.b, se puede simplificar para obtener (2.2). Para implementar físicamente la función con un circuito, se invertirá la variable D1, se multiplicará por D0 y se invertirá el resultado de esta multiplicación. Estas dos operaciones se realizarán con dos puertas. Este resultado, a su vez, se multiplicará por la variable D2 y se negará con otra puerta. Por tanto, se utilizarán tres puertas NAND.
Figura 2.12. Tabla de verdad y mapa de Karnaugh de una función lógica de una salida y tres entradas.
Cuando se quiere realizar un esquema, lo primero que se debe hacer es colocar los componentes (Parts) del circuito que se esté diseñando. Estos componentes están agrupados en bibliotecas. La secuencia de captura y colocación de un componente es la siguiente (Figura 2.13):
Place > Part > Nombre del dispositivo > OK
End Mode