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ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS POR
ORDENADOR
• En los últimos años se han automatizado los procesos de diseño y
fabricación de los circuitos electrónicos mediante herramientas de software
(CAD, CAE, CAM).
• Esto reduce notablemente los costos y tiempos fabricación.
• Los softwares de simulación son programas que reproducen el
comportamiento de un circuito basándose en los modelos de teoría de
circuitos.
• El simulador nos permite realizar pruebas virtuales (cambio del valor de los
componentes, excitaciones, condiciones iniciales) hasta llegar a obtener las
especificaciones de diseño requeridas.
1
El Simulador Eléctrico
• Se necesita una descripción simbólica del circuito: información de los
componentes, excitaciones.
• Señales de entrada del circuito.
• Tipo de análisis (AC, DC, Transitorio, RPS)
Otros programas que complementan el simulador
• Programas de representación gráfica.
• Editores de esquemáticos
• Diseños de placas de circuito impreso a partir de conexiones.
2
El Simulador PSPICE
• Es una versión para PC del simulador SPICE (Simulated Program with
Integrated Circuit Emphasis).
• Ofrece la simulación de circuitos electrónicos análogos, digitales o mixtos. Se
basa en el método de análisis por nudos (Resuelve el sistema de ecuaciones).
PSpice incorpora:
• PROBE : Programa para visualizar formas de onda y gráficas.
• Librerías con las características eléctricas de muchos de los dispositivos
existentes en el mercado.
• Facilidad para creación de modelos propios.
• Efecto de variación de temperatura de los componentes.
• Efectos de las tolerancias de los componentes: análisis de sensibilidades.
3
Características generales de PSpice
El
procedimiento general
para la simulación de circuitos utilizando
PSpice consta de tres pasos básicos.
• Creación del fichero fuente
• Correr el programa
• Indicar al programa la manera de presentar los resultados.
Comentarios generales sobre el fichero fuente:
• Cada sentencia en el fichero fuente consta de varias partes,
denominadas campos.
• En algunas ocasiones se pueden
utilizar signos de igual “=”, o
paréntesis “()” como separadores.
• Una
sentencia en un fichero fuente no puede contener más de 80
caracteres por línea.
4
• PSpice no hace distinción entre letras mayúsculas y minúsculas.
• Un asterisco “*” al inicio de una línea indica un comentario.
• El campo correspondiente al nombre de un elemento debe iniciar con
una letra de la “A”  “Z”.
• Los nombres pueden contener un máximo de 131 caracteres, pero se
recomienda la utilización de 8 como máximo.
• Los campos pueden contener números enteros o números reales.
• La primera línea de un fichero fuente es el título, el cual puede contener
cualquier texto.
• La última sentencia en un fichero fuente debe ser la sentencia .END.
5
En la siguiente tabla se presentan los factores de escala
utilizados por PSpice y sus respectivas formas exponenciales.
FACTORES DE ESCALA DE PSPICE
SÍMBOLO
F (f)
P (p)
N (n)
U (u)
M (m)
K (k)
MEG (meg)
G (g)
T (t)
EXPONENCIAL
1e-15
1e-12
1e-9
1e-6
1e-3
1e3
1e6
1e9
1e12
VALOR
10-15
10-12
10-9
10-6
10-3
103
106
109
1012
6
1. Creación de un fichero fuente en PSpice
Para crear un fichero fuente en PSpice es necesario seguir los siguientes pasos:
• Se describe el circuito que se desea analizar;
• Se establece el tipo de análisis que se va a realizar;
• Se determina el tipo de presentación para los resultados.
•Los ficheros fuente se subdividen en tres partes:
• Declaración de las sentencias de datos;
• Declaración de las sentencias de control;
• Declaración de las sentencias de salida.
El fichero puede ser creado en cualquier editor de texto, siempre que el editor no
introduzca ningún tipo de caracteres especiales o de control. El mismo debe
guardarse con una extensión .CIR.
7
Sentencias de datos
• PSpice se basa en el método de análisis nodal.
• El primer paso en la descripción de un circuito en PSpice es enumerar todos
los nodos
• Identificar cada uno de los elementos conectados a los nodos, además de
especificar sus características numéricas.
Sentencias de control
Las sentencias de control
son comandos de PSpice que describen los
parámetros del tipo de análisis que se desea realizar a un determinado circuito
(.DC, .AC, .FOUR, .OP, .TF, .SENS).
8
Sentencias de salida
Las sentencias de salida se utilizan para controlar la manera de presentar los
resultados, ya sea en forma de gráficas, en tablas o mediante el visualizador
PROBE. Los resultados de los análisis realizados, es almacenado por PSpice en
un ficheros con extensión .OUT y .DAT, con el mismo nombre que el
fichero fuente.
El fichero de resultados se puede dividir en tres partes:
• Copia del fichero fuente;
• Resultados de algunos tipos de análisis como .TF, .OP, .SENSE;
• Gráficas y tablas.
9
2. Análisis de circuitos resistivos
• Generadores de tensión y corriente (dependientes e
independientes).
• Elementos resistivos,
• Amplificadores operacionales,
SENTENCIA DE CONTROL
.DC
Estado permanente de las corrientes y voltajes del circuito.
.OP
Se obtiene el punto de operación de cada elemento del circuito.
.SENS
Se obtiene la sensibilidad de algún parámetro del circuito con
respecto a cambios en los valores nominales de los elementos del circuito.
.TF
Se obtiene la relación salida / entrada del circuito y resistencias de
entrada y salida del circuito.
10
2.1 Sentencias de introducción de datos
2.1.1 Generadores DC independientes
La declaración utilizada para especificar generadores
independientes consta de cuatro campos.
 Nombre del generador.
 Nodos de conexión.
 Tipo de generador.
 Valor.
La sintaxis para la declaración de un generador de tensión
es la siguiente :
11
En el caso de los generadores de de corriente las diferencias consisten
en que la primera letra del nombre debe ser la letra I, y además el nodo
positivo se define como el nodo de extracción, y el nodo negativo,
como nodo de inyección, de la siguiente manera :
12
Fuentes independientes
V1 1 0 DC 5
I1
2 3 DC 1m
13
2.1.2 Generadores sinusoidales:
PSpice nos ofrece la opción de crear señales sinusoidales, ya sean puras o
amortiguadas. La sintaxis para la introducción de un generador sinusoidal es la
siguiente:
Vxxx N+ N- SIN(Vo VA FREQ TD
 )
• Vxxx es el nombre del generador;
• N+ y N- son las terminales de conexión del generador;
• Vo indica la tensión inicial del generador;
• VA indica la amplitud de la señal,
• FREQ indica su frecuencia en hertz;
• TD es el tiempo de retardo de la señal ,
•  representa el factor de amortiguamiento
•  es el desfase en grados.
14
Fuentes independientes
V1 1 0 DC 5
I1
2 3 DC 1m
V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)
15
2.1.3 Generadores dependientes
Los generadores dependientes se dividen en dos tipos :
A. Generadores controlados por tensión.
B. Generadores controlados por corriente.
A. Generadores controlados por tensión
La declaración comprende cuatro campos.
 Nombre del generador.
 Nodos de conexión.
 Nodos de control.
 Ganancia o transconductancia.
16
Generador de tensión controlado por tensión
La sintaxis para la declaración es la siguiente :
Generadores de corriente controlados por tensión
la sintaxis es de manera similar, exceptuando el inicio del nombre el cual
debe ser con la letra G y teniendo en cuenta lo explicado en las fuentes
independientes, en relación a los nodos de extracción (1) e inyección
(2).
17
Fuentes independientes
V1 1 0 DC 5
I1
2 3 DC 1m
V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)
Fuentes controladas por
tensión
E1 5 0 3 0 2
G1
7 6 4 5 2.5
18
B. Generadores controlados por corriente.
Cuando la variable de control de una fuente controlada
es una corriente, PSPICE requiere la inserción de una
fuente de tensión continua de 0 V, que actúa como
amperímetro. Es importante tener en cuenta la fuente
sensora, debe ser colocada de tal manera que la
corriente de control entre por la terminal positiva.
La declaración de este tipo de generadores cuenta con
cuatro campos:
 Nombre del generador.
 Nodos de conexión.
 Generador de control.
 Ganancia o Transresistencia.
19
Generador de tensión controlado por corriente
Generador de corriente controlados por corriente
20
Fuentes independientes
V1 1 0 DC 5
I1
2 3 DC 1m
V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)
Fuentes controladas por
tensión
E1 5 0 3 0 2
G1 7 6 4 5 2.5
Fuentes controladas por
corriente
H1 2 5 V1 0.5
F1 2 4 V_AMP 3
21
2.1.4 Elementos resistivos
Para la inserción de elementos resistivos, se utiliza una sintaxis
que consta de tres campos :
La definición de la polaridad de los nodos se hace teniendo en cuenta el
sentido de la corriente.
22
Fuentes independientes
V1 1 0 DC 5
I1
2 3 DC 1m
V2 7 0 SIN(0 2 2 0 0 0)
Fuentes controladas por
tensión
E1 5 0 3 0 2
G1 6 7 4 5 2.5
Fuentes controladas por
corriente
H1 2 3 V_AMP 0.5
F1 2 4 V_AMP 3
Resistores
R1 1 2 100
R2 3 AMP 500
R3 4 5 1K
R4 6 5 1K
23
2.1.5 Amplificadores operacionales
PSPICE ofrece tres opciones para describir un amplificador operacional en un
archivo fuente.
• Utilizando un circuito equivalente con resistencias y una fuente de tensión
controlada por tensión.
•La segunda opción es similar a la anterior, pero en este caso el amplificador es
modelado mediante un subcircuito, el cual puede ser utilizado como otro elemento
de PSPICE.
• La tercera alternativa es utilizar los modelos incorporados en la librería de
elementos que contiene el programa. Estos modelos son más complejos y
sofisticados, por lo cual se hace más lento el análisis del circuito.
24
A. Modelo utilizando resistencias y una fuente controlada por tensión.
El circuito utilizado para modelar el amplificador operacional se muestra en la
siguiente figura.
Ri
1
2 valor
Exxx
3
5 2
Ro
3
4 valor
1
A
25
B. Modelo utilizando subcircuitos.
Para definir un subcircuito en un archivo fuente de PSPICE es necesario utilizar
la sentencia de control SUBCKT, cuya sintaxis general es la siguiente :
• SUBNAM corresponde al nombre del subcircuito,
• N1, N2, N3,.... corresponden a los nodos externos,
Luego de la sentencia .SUBCKT se hace la descripción del subcircuito y por último
se finaliza con la sentencia .ENDS <SUBNAME>.
26
Después de hacer la descripción en un subcircuito, la sentencia utilizada
para incluirlo dentro de un circuito global es la siguiente :
• Xyyy describe el nombre del subcircuito,
• Nodos indica las conexiones externas entre el subcircuito y el circuito global,
• SUBNAME hace referencia al nombre de la descripción de subcircuito
utilizada.
27
.SUBCKT AMPO 1 2 4 5
R1 1 2 1E10
E1 3 5 2
1 1E6
Ro 3 4 1K
.ENDS AMPO
Para incluirlo en el circuito
global
X1 2 0 3 0 AMPO
28
X2 4 6 5 0 AMPO
2.2 Sentencias de control
2.2.1 Sentencia .OP
Esta sentencia de control indica a PSPICE que calcule el punto de operación DC
para el circuito que se va a analizar
 Voltajes en cada nodo.
 Corrientes en cada fuente de tensión y la potencia total
disipada.
 Punto de operación para cada dispositivo.
El análisis básico que PSpice realiza incluye los valores que caen dentro de las
dos primeras categorías.
Con la opción de análisis .OP podemos calcular la corriente y el voltaje a través
de cualquier otro dispositivo presente en el circuito.
29
2.2.2 Sentencia .DC
La sentencia de control .DC permite incrementar el valor de una fuente
independiente (tensión o corriente), especificando el rango de valores y el
tamaño del incremento. El formato general de la sentencia .DC es el siguiente :
Por ejemplo para variar un generador V1 entre 10 y 5 voltios, a razón de .5
voltios de incremento, se utilizaría la siguiente línea de comando :
.DC V1 -5 10 0.5
Esta sentencia también nos permite variar dos generadores de manera
simultanea.
.DC FUENTE1 INICIO1 FIN1 INCR1 FUENTE2
+ INICIO2 FIN2 INCR1
.DC V1 0 10 1 I1 0 3 .25
30
2.2.3 Sentencia .TF
La sentencia de control .TF permite calcular tres características de los circuitos:
• La razón entre una variable de salida y otra de entrada.
• La impedancia de entrada con respecto al generador.
• La impedancia de salida con respecto a las terminales de la carga.
La sintaxis general de esta sentencia es la siguiente :
.TF Variable de salida
Variable de entrada
2.2.4 Sentencia .SENSE
La sentencia .SENSE nos permite obtener la sensibilidad de una determinada
variable con respecto a los cambios en los valores nominales en cualquiera de los
elementos del circuito.
La sintaxis es muy simple : .SENSE Variable.
31
2.3 Sentencia .PRINT
Esta sentencia genera tablas de datos con el valor de una o más variables, los
cuales dependen de una sentencia .DC previa . Su sintaxis general es la
siguiente:
PRINT DC VARIABLE 1 <VARIABLE 2> <VARIABLE 3>
32
Ejemplo 1 :
En el circuito de la figura, calcule V1 y Vo ,
sí Vg = Ig = g = 1.
Problema 1.6
*Descripción de los elementos
*nombre
R1
2
n+ n- valor
1
1
R2
3
2
1
R3
4
3
0.5
R4
5
4
0.5
R5
2
0
1
R6
4
6
1
R7
5
6
0.5
R8
6
0 33
1
El fichero de salida que produce P-SPICE es el siguiente :
**** 03/16/98 13:23:58 ********* NT Evaluation PSpice (July
1997) ************
****
SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION
TEMPERATURE =
27.000
DEG C
****************************************************************
*************
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
(
1)
1.0000 (
2)
.1250 (
3)
-.6250 (
4)
-.4375
(
5)
-.3438
(
6)
-.2500
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME
CURRENT
Vg
-8.750E-01
TOTAL POWER DISSIPATION
JOB CONCLUDED
TOTAL JOB TIME
8.75E-01
WATTS
.17
34
Ejemplo 2 :
En el circuito del a figura hallar Va-b.
Sí V1 = V2 = 1 y a = 50.
35
EJEMPLO 2
R1
1 2
500
R2
3 4
20
R3
4 5
20
R4
7 6
500
R5
0 4
1k
R6
0 8
2k
** Generadores
*
independientes
V1
1 0
DC 1
V2
7 0
DC 1
V3
2363
DC 0
Fichero de salida
****
INITIAL TRANSIENT SOLUTION
TEMPERATURE =
27.000 DEG C
*************************************************
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
(
(
1)
4)
1.0000
.9853
(
2)
.9952
(
3)
.9952
(
(
5)
8)
.9952
-.9660
(
6)
.9952
(
7)
1.0000
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME
CURRENT
V3
V4
V2
V1
9.660E-06
9.660E-06
-9.660E-06
-9.660E-06
TOTAL POWER DISSIPATION
JOB CONCLUDED
TOTAL JOB TIME
1.93E-05
WATTS
37
.25
Ejemplo 3:
En el siguiente circuito, varíe la fuente de corriente I1 de 0 a 3 A (en pasos
de 1A). Para cada valor de corriente, obtenga el valor de V12 , si el generador
V1 varía de 0 100 V en pasos de 20 voltios.
38
Ejemplo 3
R1 1 2 5
R2 0 2 40
R3 2 3 8
R4 1 3 32
V1 1 0 DC 0
***amperímetro
V2 0 4 DC 0
I1 4 3 DC 0
**Sentencia DC anidada
.DC V1 0 100 20 I1 0 5 1
**tipo de análisis
.PRINT DC V(1,2) I(V2)
.PROBE
.END
39
Fichero de salida
40
Ejemplo 4 :
En el circuito de la figura hallar VO,VO1, la relación VO / Vin y la sensibilidad del circuito.
Sí Vin = 10-3 + 0.5cos(106 t), R1 = 100, R2 = 100K, R3 = R4 1K, R5 = R6 = 2.2K.
41
EJEMPLO 4
V1 1 0 SIN(1m 0.5 1.591E5 0 0 90)
R1 1 2 100
R2 2 4 100k
R3 3 0 1k
R4 4 5 1k
R5 6 0 2.2k
R6 7 6 2.2k
.SUBCKT AMPO
1
2 3 4
Ri1 1 2 10e9
E1
3 4 2
1 1e5
.ENDS AMPO
X1 2 3 4 0 AMPO
X2 5 6 7 0 AMPO
.TF V(7) V1
.SENS V(7)
.TRAN 1E-6 1E-4
.PROBE
.END
42
FICHERO DE SALIDA
**
SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION
** TEMPERATURE = 27.000 DEG C
************************************************
NODE VOLTAGE
NODE VOLTAGE
NODE VOLTAGE
NODE VOLTAGE
( 1)
.0010
( 2) 999.0E-09
( 3) 99.90E-15
( 4) -.9990
( 5) -.9990 ( 6) -.9990
( 7) -1.9980
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME
CURRENT
V1
-9.990E-06
TOTAL POWER DISSIPATION 9.99E-09 WATTS
****
SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS
V(7)/V1 = -1.998E+03
INPUT RESISTANCE AT V1 = 1.001E+02
OUTPUT RESISTANCE AT V(7) = 0.000E+00
43
44
*** 04/13/98 15:26:06 ********* NT Evaluation PSpice (July
1997) ************
****
INITIAL TRANSIENT SOLUTION
27.000 DEG C
TEMPERATURE =
**************************************************************
*****
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
NODE
VOLTAGE
(
1)
.5010
4) -500.5000
(
2) 500.5E-06
(
3) 50.05E-12
(
(
6) -500.5000
(
7)-1001.0000
5) -500.5000
(
VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME
CURRENT
V1
-5.005E-03
45
3. Análisis en el dominio del tiempo
3.1 Inductores:
Para la declaración de inductores en un circuito se necesitan cuatro campos.
La sintaxis completa de la sentencia de introducción de inductores es la
siguiente:
3.2 Condensadores:
En el caso de los condensadores la sintaxis es prácticamente igual a la de
los inductores con la excepción de que la letra inicial es C.
46
3.3 Sentencia .TRAN:
La sentencia de control .TRAN indica a PSpice que realice el análisis del
circuito en el dominio del tiempo.
Su sintaxis completa es la siguiente :
.TRAN TSTEP TSTOP TSTART TMAX UIC
• TSTEP indica es el incremento entre cada valor
generado por los
comandos .PRINT o .PLOT.
• TSTOP indica el tiempo total que dura el análisis,
• TSTART indica el punto de inicio del análisis,
• TMAX es el intervalo de tiempo máximo entre cada valor generado en el
análisis realizado por PSpice.
TMAX = ((TSTOP – TSTART) / 50).
• UIC indica a PSpice que utilice las condiciones iniciales de corriente y
tensión.
47
3.4 Sentencias .PLOT y .PRINT:
La sentencia .PLOT nos permite realizar gráficos en función del tiempo de
cualquiera de las cantidades obtenidas en el análisis transitorio. La sintaxis de este
comando es la siguiente: <opcionales>
.PLOT TRAN VARIABLE 1 <MIN MAX>......... <VARIABLE 8 <MIN
MAX>>
En el análisis transitorio también se puede utilizar la sentencia .PRINT, la cual
tiene siguoente sintaxis
.PRINT TRAN VARIABLE 1 <VARIABLE 2> <VARIABLE 3>
48
3.5 Sentencia .PROBE: La sentencia .PROBE, indica a PSpice que genere un
archivo de datos (*.DAT), el cual contiene los resultados del análisis realizado, los
cuales pueden ser visualizados gráficamente utilizando el trazador de gráficos
Probe que se incluye con el PSpice.
49
3. 6 Generador de pulsos exponenciales: PSpice provee generadores de tensión
y corriente que dependen del tiempo. Con los cuales se pueden generar pulsos
cuadrados o exponenciales tal como el que se muestra en la siguiente figura:
Vxxx N+ N- exp(V1 V2 TD11 TD2 2)
50
3. 7 Generador de lineal por tramos:
Vxxx N+ N- PWL(T1 V1 T2 V2 . . . Tn Vn)
v1 1 0 pwl(0,1,0.25,1,.5,-1,.9,2.5,1.3,2.5,1.5,1,2,1,2.5,0)
51
Ejemplo 5:
En el siguiente circuito hallar l a tensión en R2, para t= 5 y 20 mseg,
suponiendo que C1 se encuentra inicialmente descargado y que V1 es un
pulso de 1 voltio de amplitud y duración de 0.01 segundos. Respuesta: Vo
(t=5ms)= -39 V; Vo (t=20ms)= -23.02V.
52
EJEMPLO 5
R1
1 2
R2
3
C1
2 3
100
0 100
1u IC=0
*Generador exponencial
* (V1 V2 td1 tr
td2 tf)
V1
1 0
EXP 0 1 0 1E-4 .01 1E-4
F1
3 2
VS_F1 .99
*Amperímetro
VS_F1 2 0
0
.TRAN .001 .04 0 1e-6 UIC
.PROBE
.END
53
Pulso de entrada
Tensión de salida
54
Tensión de salida
55
Ejemplo 6:
En el siguiente circuito hallar la tensión en Vo para t > 0, sí V1 = 30 V y V2
= sen (2x103t).
Respuesta:
41 2 x103
1


3
Vo( t ) 
e

sen 2 x10  
4
4
2 2 
56
Análisis transitorio
R1
R2
R3
V1
C1
V2
1 2 1k
2 3 1k
3 0 1k
1 0 DC 30
3 0 1u IC=10
2 0 SIN (0 1 318.309886 0 0 0)
** configuración del análisis **
.TRAN .001 .05 0 1E-6 UIC
.PROBE
.END
57
Ejemplo 7:
En el siguiente circuito, encuentre I1 e I2 para t > 0.
I1 (0-)= 6.66667
I 1  5  1.666 e
I 2  5  0.555 e

t
20
3

t
20
3
58
Análisis en el dominio del
tiempo
R1
12 5
R2
2 3 10
R3
3 0 10
V1
1 0 DC 100
L1
3 0 2 IC=6.6666
.TRAN 20m 1 0 20m UIC
.PROBE
.END
59
60
Análisis en Régimen Permanente Sinusoidal
Generadores AC
Vxxx N+ N- AC AMP DESFASE
Ixxx N+ N- AC AMP DESFASE
Sentencia .AC
.AC TIPO NP FINICIO FFINAL
Sentencia .PRINT
.PRINT AC Vm(3) Vp(3) Ir(r3) I1(r3)
61
Ejemplo 8:
En el circuito de la figura 1 encontrar el equivalente de Thevenin a la izquierda de las
terminales A y B, y utilice el resultado obtenido para calcular el fasor asociado a la tensión
V3 en el circuito de la figura 2.
62
Para la segunda parte del ejemplo, el circuito es el siguiente
63