Il SIMULATORE CIRCUITALE SPICE

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Per conoscere il comportamento di un circuito elettrico è necessario risolvere un insieme di equazioni derivate dalla teoria dei circuiti. Al crescere delle dimensioni del circuito diventa molto difficile e spesso impossibile risolvere il circuito analiticamente.

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Nella ipotesi di circuiti lineari (con parametri costanti nel tempo), il metodo delle trasformate di Laplace consente di semplificare notevolmente la loro risoluzione.  

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici La trasformata di Laplace è definita attraverso l’operatore di integrazione, per mezzo del quale l’integrale e la derivata nel dominio del tempo diventano rispettivamente una moltiplicazione e una divisione nel dominio di Laplace. Le funzioni f(t) integro-differenziali, definite nel dominio del tempo t, vengono trasformate nel dominio s (variabile di Laplace) in funzioni F(s) algebriche.  

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Le trasformate di Laplace non sono applicabili a sistemi non lineari e inoltre non è sempre semplice antitrasformare le soluzioni. Per molti anni l’unica soluzione è stata la realizzazione fisica del circuito su cui eseguire i test e misure necessarie a verificarne il funzionamento.

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Questa tecnica divenne inadeguata con l’aumentare della complessità e delle dimensioni dei circuiti. L’insorgere di questi problemi insieme alla diffusione di computer sempre più potenti, sono alla base della nascita e dello sviluppo dei simulatori circuitali, programmi capaci di risolvere qualunque circuito senza fare ipotesi semplificative.

Scopo della simulazione dei circuiti elettrici Per questo motivo alla fine degli anni sessanta, nell’Università della California- Berkeley, nasce il progetto “SPICE” (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). PSpice è il programma più utilizzato nella simulazione dei circuiti e rappresenta di fatto lo standar della simulazione circuitale.

Cenni storici Nel corso degli anni sono state rilasciate diverse versioni del programma caratterizzate dall’utilizzo di metodi numerici sempre più efficienti, da un linguaggio più potente, da modelli più sofisticati dei dispositivi e librerie più complete. Oggi tutti i principali fornitori di software CAD/CAE offrono una versione arricchita o supportata di SPICE.

Caratteristiche di Pspice Pspice, versione di Spice per personal computer, sviluppato dalla Microsim Corporation e commercializzato a partire dal 1984, è attualmente distribuito dalla CADENCE. Pspice è disponibile in numerose versioni per i diversi sistemi operativi (DOS, Windows, Unix, etc.) Faremo riferimento alla versione Free for studens 9.1 Pspice, con i seguenti limiti di utilizzo: 64 nodi 10 transistors 65 digital primitive devices 10 transmission lines in total (ideal or not ideal) 4 pairwise coupled transmission lines

Caratteristiche di Pspice Pspice può eseguire le seguenti classi principali di analisi sui circuiti Bias point detail (definizione del punto di lavoro) Analisi DC (in regime stazionario o in continua) Analisi in transitorio Analisi AC E’ inoltre in grado di calcolare funzioni di trasferimento, di eseguire analisi di rumore, di sensibilità, analisi di Fourier ed altro. I circuiti possono contenere resistori, induttori, condensatori, generatori dipendenti e indipendenti, amplificatori operazionali, trasformatori, linee di trasmissione e dispositivi a semiconduttore (diodi, BJT, Mosfet, etc.).

Pspice student La versione free per studenti è scaricabile dal sito: www.cadence.com /products/si_pk_bd/pspice.aspx Oppure utilizzando un motore di ricerca digitando “Pspice student version download”

Principio di funzionamento Preprocessing Processing Postprocessing Text Editor Text Editor *.out ASCII *.cir ASCII Pspice *.dat BIN Probe Schematics *.sch BIN *.lib ASCII

Applicazioni principali del pacchetto Pspice student 9.1 I Schematics: Un editor grafico, usato per disegnare sullo schermo il circuito da simulare.Consente di posizionare i componenti , collegarli assieme per formare il circuito e inoltre di specificare il tipo di analisi da eseguire.

Applicazioni principali del pacchetto Pspice student 9.1 II Pspice A D: Il programma che simula il circuito creato con Schematics. Simulare un circuito significa costruire un modello matematico del circuito a partire dai modelli o relazioni costitutive dei componenti e risolverne le equazioni risultanti. Probe: Programma che fornisce una visualizzazione grafica dei risultati generati da Pspice. Può essere utilizzato per tracciare il grafico di una qualunque tensione o corrente del circuito o grandezze da queste derivate. Text Edit: semplice editor di test.

Fasi per l’analisi di un circuito Creazione di un circuito Simulazione Stampa dei risultati Schematics Pspice AD Probe

Schematics

Schematics Per selezionare un oggetto: click sul pulsante sinistro una sola volta. Per eseguire un’azione: doppio click sul pulsante sinistro. Per annullare una qualunque operazione: premere <Esc>

Creazione dei circuiti con Schematics Locazione dei componenti del circuito Collegamento dei componenti tra loro per formare il circuito Modifica degli attributi delle dei componenti

Locazione dei componenti Selezionare Draw/Get new part per aprire la finestra di dialogo Part Browser advanced

Locazione dei componenti Usare la barra di scorrimento per selezionare il componente, oppure scrivere il part name (es. C per il condensatore)

Locazione dei componenti Click su Place & Close Spostare il mouse fino alla posizione desiderata sullo schermo Doppio click con il pulsante sinistro per terminare la modalità di locazione Per ruotare: <Ctrl R> oppure Edit/Rotate Per cancellare: <Ctrl X> oppure Edit/Cut

Elementi circuitali Principali componenti passivi Part name Attributi

Generatori indipendenti di tensione

Generatori indipendenti di corrente

Generatori controllati in tensione e in corrente

Dispositivi a semiconduttore

Interruttori ideali

Amplificatori operazionali e alimentazioni generiche

Altri elementi del circuito Nel modello circuitale nel foglio grafico dovrà essere sempre presente almeno un riferimento di massa (NODO 0) AGND=analog ground  Sul foglio grafico possono essere specificate le tensioni e le correnti che si intende visionare facendo uso degli appositi marker. Marker più specifici relativi a tensioni e correnti in dB, alla fase, alle componenti reali o immaginarie sono disponibili nel corrispondente menù a tendina Markers. 

Esempio

Collegamento dei componenti Si seleziona Draw/Wire oppure <Ctrl-W>, se con il cursore si collegano i due punti. Pspice richiede il collegamento di massa AGND (analog ground), nodo di riferimento per tutte le tensioni

Modifica degli attributi delle parti Nome Ciascun attributo consiste di un nome e del suo corrispondente valore Valore Attributo

Modifica degli attributi delle parti Cliccando sul nome attiviamo la finestra di dialogo Edit Reference Designator

Modifica degli attributi dei componenti Cliccando sul valore attiviamo la finestra di dialogo Set Attribute Value

Fattori di scala Per maggior comodità è possibile esprimere i valori numerici per mezzo di fattori di scala riportati in tabella

Voltmetri Amperometri Inseriamo 2 voltmetri Viewpoint Inseriamo 1 Amperometro Iprobe

Simulazione  Salvare lo schematico (file *.sch) Si esegue Pspice selezionando Analisis/Simulate Viene attivata la fase di electric rule check (ERC), nella quale viene generata la netlist (*.cir) Se ci sono errori, viene creata la error list Se non ci sono errori, il sistema avvia automaticamente Pspice ed esegue la simulazione (analisi nodale) L'impostazione delle varie simulazioni effettuabili avviene attraverso un'apposita finestra richiamabile mediante l'icona oppure selezionando la voce Setup…dal menu Analisys. 

Simulazione I principali tipi di analisi effettuabili sono i seguenti: Analisi in continua (DC Sweep…) dove si rende variabile un generatore o un parametro nel calcolo del punto di lavoro in continua;    Analisi in frequenza (AC Sweep…) dove si rende variabile la frequenza dei generatori AC presenti nel circuito;   Analisi del transitorio (Transient…) dove si effettua la simulazione del circuito nel dominio del tempo nell’ intervallo considerato e con la risoluzione desiderata. Definizione del punto di lavoro: Operational points or Bias point Detail

Simulazione Se non viene indicato il tipo di analisi da effettuare, Pspice si limiterà a calcolare il punto di lavoro in continua che è il tipo di analisi che il simulatore effettua sempre, prima di ogni altro tipo di simulazione.

Simulazione Per l’esempio di circuito mostrato si seleziona Bias Point Details Quando l’analisi è terminata, il programma visualizza Bias point calculeted , e genera un file risultati/uscita (*.out)

Risultati riportati nella finestra grafica

Risultati I risultati della simulazione possono essere: direttamente riportati sul circuito nella finestra schematics scritti o stampati su file riportati in forma grafica direttamente sullo schermo del computer ricorrendo all'uso del postprocessore grafico Probe che Microsim fornisce a corredo di Pspice.