Simuladores de Circuitos Eletrônicos

Simuladores de Circuitos Eletrônicos


1. História Em 1972, o Departamento de Engenharia Elétrica e da Ciência da Computação (EECS) da Universidade da Califórnia, Berkeley, publicou a primeira versão do programa SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). O Chefe do Departamento, Donald Pederson, decidiu, na época, que o programa seria distribuído gratuitamente. O SPICE foi escrito originalmente em FORTRAN e recebeu várias atualizações, tais como o SPICE2, em 1975, e a versão atual, SPICE3 de 1985, escrita em linguagem C. Atualmente, versões modificadas do SPICE são comercializadas por várias companhias usando vários nomes. Algumas modificações, como adaptações para uso em PC’s ou Mac’s, são normais e úteis, outras são feitas, apenas, para deixar as várias versões incompatíveis entre si. Os programas fonte, no entanto, são essencialmente os mesmos. Variantes, como o HSPICE e o XSPICE, também estão no mercado.

2. Descrição O programa SPICE foi desenvolvido originalmente para propiciar aos projetistas de circuitos integrados analógicos a possibilidade de testar seus projetos em uma bancada virtual de laboratório. Sem a existência de simuladores, a criação de circuitos complexos e avançados seria praticamente impossível, principalmente com o advento da eletrônica CMOS submicrométrica. Nos dias atuais, o SPICE é extensivamente usado para praticamente todas as áreas da eletrônica, incluindo eletrônica discretizada de potência e de comunicações em altas freqüências. É, portanto, uma ferramenta imprescindível para o engenheiro eletrônico moderno. As principais versões comerciais de simuladores disponíveis no mercado são:

- PSpice 10 (Cadence/OrCad): Um dos mais populares simuladores da atualidade. Possui versão mixed mode (PSpice A/D), capaz de simular circuitos analógicos e digitais simultaneamente. Versões demo limitadas e gratuitas estão disponíveis na página:

http://www.cadence.com/orcad/

- Multisim 7 (EWB-Electronics Workbench): Simulador que se tornou muito

popular porque simula instrumentos reais de bancadas de laboratório, como osciloscópios, multímetros, analisadores lógicos, etc.. É mixed mode e possui funções especiais como Carta de Smith. Uma versão gratuita completa, chamada DesignSuite 9 Software, com validade de 45 dias, está disponível na página:

http://www.electronicsworkbench.com/

P. R. Veronese 1 SEL-EESC-USP

http://www.cadence.com/orcad/

http://www.electronicsworkbench.com/


- ICAP/4 (Intusoft): Outro poderoso simulador comercial que usa o SPICE3f5

de Berkeley e o XSPICE, uma extensão do SPICE3 desenvolvida na Universidade da Geórgia. Possui uma versão demo, limitada e gratuita, na página:

http://www.intusoft.com/

- Micro-Cap 8 (Spectrum Software): Um dos mais antigos simuladores

disponíveis no mercado. Possui uma versão de avaliação, limitada e gratuita, na página:

http://www.spectrum-soft.com

- SIMetrix 5.2 (Catena Software Ltd.): É um simulador versátil e fácil de ser

usado. Apresenta grande precisão e alta rapidez de simulação e é preferido por muitos projetistas de circuitos integrados analógicos. Possui uma versão chamada SIMetrix/SIMPLIS, otimizada para simulações de eletrônica de potência. Está disponível uma versão de avaliação, limitada, na página:

http://www.catena.uk.com

- AIM-Spice 4.3 (AIM-Software): Automatic Integrated Circuit Modeling

Spice é um simulador que possui alguns modelos avançados para microeletrônica, tais como: heteroestruturas, heterojunções, MESFET’s e HFET’s de GaAS, etc.. Possui uma versão de avaliação, limitada, gratuita e sem esquemático, para Windows ou Linux, na página:

http://www.aimspice.com/

- WinSpice (OuseTech Ltd.): Simulador que usa o SPICE3f4 de Berkeley e

que possui modelos avançados de MOSFET’s, tais como BSIM3 e BSIM4. Possui uma versão de avaliação, limitada, gratuita e sem esquemático, na página:

http://www.winspice.co.uk/

- LTSpice/SwCADIII (Linear Technology Co.): Poderoso simulador,

compatível com o PSpice e que possui modelos otimizados para eletrônica de potência, notadamente para simulações de fontes chaveadas (SMPS). É mixed mode e traz muitas funções extras que o tornam versátil e fácil de ser usado. Suporta o modelo BSIM4 (Level = 14) de Berkeley para transistores MOS com dimensões mínimas inferiores a 130 nm. Como está disponível, completo e gratuito, será o simulador usado neste mini-curso. Este programa pode ser obtido na página:

http://www.linear.com/designtools/softwareRegistration.jsp


http://www.intusoft.com/

http://www.spectrum-soft.com/

http://www.catena.uk.com/

http://www.aimspice.com/

http://www.winspice.co.uk/

http://www.linear.com/designtools/softwareRegistration.jsp


Figura 1 – Circuito Elétrico com Polarização Estática.

O manual completo do usuário do programa LTSpice/SwCADIII está disponível, em inglês, na página:

http://ltspice.linear.com/software/scad3.pdf

3. O LTSpice/SwCADIII

Simuladores baseados no SPICE são programas capazes de retratar o funcionamento e o comportamento de circuitos eletrônicos com grande precisão. São, na verdade, bancadas virtuais de laboratório. O simulador não é um programa de síntese de circuitos, isto é, não é adequado para o desenvolvimento de projetos. É, por outro lado, uma poderosa ferramenta de análise de circuitos. A precisão dessa análise, no entanto, está atrelada à precisão dos modelos usados para representar os diversos elementos do circuito. O SPICE faz, corriqueiramente, quatro tipos de análise de circuitos:


http://ltspice.linear.com/software/scad3.pdf


Figura 2 – Grandezas Quiescentes do Circuito da Figura 1.

3.a. Análise .OP ≡ Esta análise, chamada de ponto de operação, calcula as grandezas

quiescentes ou grandezas de repouso do circuito. É, na verdade, uma análise estática em DC (corrente contínua). O circuito da Figura 1, por exemplo, apresenta as grandezas quiescentes ou de repouso calculadas pelo simulador e apresentadas na Figura 2. Essa análise é muito importante para se determinar o ponto de polarização de circuitos eletrônicos ativos. Para que essa simulação seja obtida, deve-se solicitar: Simulate → Edit Simulation Cmd → DC op pnt → OK → ou .

3.b. Análise .DC não linear ≡ Esta análise é semelhante à anterior, mas executada em

vários pontos, com uma, duas ou três grandezas contínuas do circuito admitidas como variáveis. No circuito da Figura 1, por exemplo, a tensão da fonte V1 poderia ser estipulada variável na faixa 0 ≤ V1 ≤ 12 V e as grandezas apresentadas na Figura 2 seriam calculadas dentro dessa variação. O resultado seria apresentado em forma de um gráfico que iria mostrar a variação da grandeza desejada em função da variação de V1. Essa análise pode ser não linear porque obedece equações de modelagem dos vários dispositivos eletrônicos, que possuem, na maioria das vezes, características não lineares. Para que essa simulação seja obtida, deve-se solicitar: Simulate → Edit Simulation Cmd → DC sweep → OK → ou . Na análise DC sweep, os valores adequados de nome da fonte (V1), valor inicial, valor final e incremento da variação, devem ser acertados.

3.c. Análise .TRAN não linear ≡ Esta análise é feita variando-se uma grandeza

elétrica do circuito em função do tempo. Para isso, uma fonte de excitação, como V1, por exemplo, deve ser variável no tempo (senóide, pulso, onda quadrada, onda triangular, etc.). O resultado é apresentado em forma de um gráfico que mostra a variação da grandeza desejada em função do tempo. Como no caso anterior, essa análise pode ser não linear porque obedece equações de modelagem dos vários dispositivos eletrônicos, que possuem, na maioria das vezes, características não lineares. Para que essa simulação seja obtida, deve-se solicitar: Simulate → Edit Simulation Cmd → Transient → OK → ou . Deve ser acertado, para essa análise, pelo menos o tempo total de simulação (Stop Time).



Figura 3 – Área de Trabalho do LTSpice/SwCAD III.

3.d. Análise .AC linear ≡ Essa análise é feita através da excitação do circuito por uma

grandeza elétrica fixa em amplitude, como, por exemplo, 1,0 V, mas variável em freqüência. O resultado dessa simulação é plotado em forma de diagrama de Bode, isto é, variação de amplitudes e fases de grandezas elétricas solicitadas versus freqüência. Essa análise é sempre linear porque, mesmo que os dispositivos sejam não lineares, o simulador os substitui por modelos linearizados de pequenos sinais e, posteriormente, calcula as variáveis do circuito. Para que essa simulação seja obtida, deve-se solicitar: Simulate → Edit Simulation Cmd → AC Analysis → OK → ou . A variação da freqüência, nesse caso, pode ser logarítmica (em oitavas ou em décadas) ou linear. Devem ser acertados, então, o número de pontos da análise linear ou o número de pontos da análise por oitava ou por década, a freqüência inicial e a freqüência final da simulação. Pode-se, também alternativamente, ser fornecida uma lista discreta de freqüências a serem analisadas (list).

Outras análises que podem ser executadas por esse simulador são: análise térmica (.TEMP), análise de ruído (.NOISE) e análise de Fourier (.FOUR). Uma análise linear de transferência em DC, para pequenos sinais, também pode ser solicitada através de: Simulate → Edit Simulation Cmd → DC Transfer → OK → ou . Nesse caso, deve ser designada a fonte de excitação (Source) e o ponto no qual deve ser feita a análise (Output).



4. Usando o LTSpice

4.a. Área de Trabalho

Após ser aberto, clicando-se no ícone ou através do menu Iniciar, o programa apresentará a área de trabalho mostrada na Figura 3. Nesse espaço, o projetista deverá inserir o esquemático do circuito que deverá ser analisado. Para isso, pode-se abrir um projeto já existente, clicando-se no ícone apropriado da barra de ferramentas, ou iniciar um novo projeto, clicando-se no ícone mais à esquerda, como indica a Figura 3. Na montagem de um esquemático, quase todos os componentes físicos possuem um símbolo equivalente que deverá ser adicionado ao circuito através da barra de ferramentas. Esses componentes podem ser primitivos, que possuem modelagem própria individualizada, ou subcircuitos (macros), que possuem internamente vários componentes primitivos ou equações matemáticas que descrevem seu comportamento elétrico.

4.b. Componentes Eletrônicos Primitivos Componentes eletrônicos primitivos são aqueles que possuem modelos próprios

individualizados, tais como: resistores, capacitores, indutores, diodos, transistores bipolares (BJT), transistores de efeito de campo de junção e de porta isolada (JFET e MOSFET) e transistores de efeito de campo metal-semicondutor (MESFET).

4.b.1. Passivos

Os componentes primitivos passivos (resistores, capacitores, indutores e diodos) podem ser obtidos diretamente na barra de ferramentas, como mostra a Figura 3. Para isso, basta clicar com o botão esquerdo do mouse sobre o componente desejado, arrastá-lo até o local escolhido da área de trabalho e liberá-lo clicando-se novamente o botão esquerdo do mouse. Quando todos os componentes desse tipo já foram posicionados, clica-se o botão direito do mouse para sair dessa tarefa. Se o componente precisar ser girado, deve-se clicar Ctrl R, enquanto ele estiver selecionado. Se for clicado Ctrl E enquanto o componente estiver selecionado, ele será espelhado, isto é, girará em torno dele mesmo. Para se estipular valores para os componentes primitivos, basta levar o cursor do mouse até ele. Quando aparecer uma mãozinha apontando, clica-se o botão direito do mouse para abrir o menu de valores. Para resistores, capacitores e indutores deve-se escrever seus valores no lugar de R, C ou L, respectivamente. Esses valores podem ser de ordens de grandeza de: fento (f), pico (p), nano (n), micro (u), mili (m), (-), kilo (k), mega (meg), giga (g) e tera (t). Lembrando-se que: f=10-15 , p=10-12 , n=10-9 , u=10-6 , m=10-3 , (-)= 100 , k=103 , meg=106 , g=109 , t=1012 . Portanto, um resistor de 1000 Ω é igual a um resistor de 1 kΩ, um capacitor de 0,00000000001 F é igual a um capacitor de 10 pF e um indutor de 0,001 H é igual a um indutor de 1 mH.



Figura 4 – Vários Componentes Passivos Inseridos na Área de Trabalho.

Se o componente for um diodo, o menu de valores apresentará a opção Pick New Diode que deverá ser clicada. Uma biblioteca de diodos será, então, aberta. Deve-se escolher o diodo desejado clicando-se sobre o seu nome e em seguida clicando-se em OK. O diodo fica assim selecionado. A Figura 4 mostra uma área de trabalho com vários componentes passivos inseridos. Deve-se notar que os vários tipos de diodos (retificador, Zener, Schottky, LED, etc.) são automaticamente caracterizados.

4.b.2. Ativos Os componentes eletrônicos primitivos ativos devem ser selecionados clicando-se sobre o ícone Inserir Componentes da Biblioteca, como mostra a Figura 3. Quando esse ícone for clicado, abrirá um menu com várias bibliotecas e com vários componentes disponíveis. Os primitivos, inclusive os passivos anteriormente descritos, podem ser selecionados teclando-se sobre seus nomes ou escrevendo-se seus nomes no campo apropriado ao lado do desenho. Esses nomes são: resistor (res), capacitor (cap), indutor (ind), diodos (diode, zener, LED, schottky, varactor), transistores bipolares (npn ou pnp), JFET’s (njf ou pjf), MOSFET’s (nmos ou pmos) e MESFET’s (mesfet). O modo de se selecionar o componente desejado é o mesmo usado para os primitivos passivos, isto é, leva-se o cursor do mouse até o componente e quando aparecer uma mãozinha apontando, clica-se o botão direito do mouse para abrir o menu de valores.



Figura 5 - Vários Componentes Ativos Inseridos na Área de Trabalho.

O menu de valores apresentará a opção Pick New ...... que deverá ser clicada. Uma biblioteca de modelos será, então, aberta. Deve-se escolher o componente desejado clicando-se sobre o seu nome e em seguida clicando-se em OK. O componente fica assim selecionado. A Figura 5 mostra uma área de trabalho com vários componentes ativos inseridos.

4.c. Fontes Independentes de Alimentação e de Excitação

Os circuitos eletrônicos, para serem testados e funcionarem corretamente, devem ser alimentados com fontes de tensão ou de corrente contínuas e devem ser excitados por fontes de tensão ou de corrente alternadas. O SPICE apresenta vários tipos de fontes independentes de tensão ou de corrente. Essas fontes podem ser selecionadas clicando-se sobre o ícone Inserir Componentes da Biblioteca, como mostra a Figura 3. Dentro desse menu podem ser selecionadas fontes de tensão contínua (battery ou cell). O valor da tensão dessas fontes pode ser escolhido clicando-se o botão direito do mouse sobre a letra V e escrevendo-se o valor desejado no campo apropriado. A Figura 6 mostra duas dessas fontes inseridas na área de trabalho. Fontes alternadas, de alimentação ou de excitação, são apresentadas de várias formas. Tensões senoidais da rede de 60 Hz, por exemplo, podem ser obtidas pelos nomes: 110V, 127V, 220V ou rede, que é uma rede trifásica 220V/127V, 60 Hz. A Figura 6 mostra essas fontes.



Figura 6 – Várias Fontes Inseridas na Área de Trabalho.

Fontes de tensão de excitação ou de sinal podem ser obtidas de três modos: sinal, gerador ou signal. As fontes sinal e gerador são restritas a sinais senoidais, com amplitudes e freqüências ajustáveis. A fonte sinal é ideal, isto é, apresenta resistência interna nula, e a fonte gerador apresenta resistência interna de 600 Ω. A fonte signal é uma fonte de tensão de excitação mais eclética, com resistência e capacitância internas selecionáveis. Ela pode ser ajustada como fonte senoidal (SINE), fonte pulsada (PULSE), fonte de sinal modulado em freqüência (SFFM), fonte de sinal aleatório (PWL), fonte de subida e decaimento exponencial (EXP) ou fonte de tensão DC (none). A Figura 6 também mostra esses tipos de fonte. A fonte signal também pode ser selecionada pelo nome voltage. Tais como as fontes independentes de tensão, fontes independentes de corrente, contínuas ou alternadas, podem ser solicitadas. A fonte selecionada por current, por exemplo, é equivalente à fonte signal, mas fornecendo corrente, ao invés de tensão, e com uma resistência interna muito alta ou infinita.

4.d. Fontes Dependentes de Alimentação e de Excitação Além das fontes independentes de corrente e de tensão, o SPICE permite que fontes dependentes sejam usadas, facilitando a implementação comportamental de circuitos complexos. São quatro as fontes dependentes disponíveis:



Figura 7 – Fontes Dependentes.

4.d.1 – Fonte de Tensão Controlada por Tensão (VCVS):

Este tipo de fonte, designado pela letra E, apresenta em sua saída uma tensão igual a Aυ

vezes a tensão entre dois outros pontos do circuito, sendo Aυ o ganho de tensão da fonte. A sintaxe genérica de declaração desse tipo de fonte é:

Exxx n+ n- nc+ nc- Aυ

Onde: n+ é o terminal positivo de saída da fonte, n- é o terminal negativo de saída da fonte, nc+ é o terminal positivo de controle da fonte, nc- é o terminal negativo de controle da fonte e Aυ é o ganho de tensão da fonte. Na Figura 7, a fonte [E1 out 0 a b 1] é uma fonte de tensão cuja saída vale Vout =1× V(a,b).

4.d.2 – Fonte de Corrente Controlada por Corrente (CCCS): Este tipo de fonte, designado pela letra F, apresenta em sua saída uma corrente igual a Ai vezes a corrente que passa em um outro ramo do circuito, sendo Ai o ganho de corrente da fonte. A sintaxe genérica de declaração desse tipo de fonte é:

Fxxx n+ n- <Vnome> Ai



Onde: n+ é o terminal positivo de saída da fonte, n- é o terminal negativo de saída da fonte, <Vnome> é a fonte de tensão pela qual passa a corrente de controle da fonte e Ai é o ganho de corrente da fonte. Na Figura 7, a fonte [F1 out 0 Vref 1] é uma fonte de corrente cuja corrente de saída vale Iout =1× Io, sendo Io a corrente que passa pela fonte de tensão Vref.

4.d.3 – Fonte de Corrente Controlada por Tensão (VCCS): Este tipo de fonte, designado pela letra G, apresenta em sua saída uma corrente igual a gm vezes a tensão entre dois outros pontos do circuito, sendo gm a transcondutância da fonte. A sintaxe genérica de declaração desse tipo de fonte é:

Gxxx n+ n- nc+ nc- gm

Onde: n+ é o terminal positivo de saída da fonte, n- é o terminal negativo de saída da fonte, nc+ é o terminal positivo de controle da fonte, nc- é o terminal negativo de controle da fonte e gm é a transcondutância da fonte. Na Figura 7, a fonte [G1 out 0 a b 1] é uma fonte de corrente cuja corrente de saída vale Iout =1× V(a,b).

4.d.4 – Fonte de Tensão Controlada por Corrente (CCVS): Este tipo de fonte, designado pela letra H, apresenta em sua saída uma tensão igual a hr vezes a corrente que passa em um outro ramo do circuito, sendo hr a transresistência da fonte. A sintaxe genérica de declaração desse tipo de fonte é:

Hxxx n+ n- <Vnome> hr

Onde: n+ é o terminal positivo de saída da fonte, n- é o terminal negativo de saída da fonte, <Vnome> é a fonte de tensão pela qual passa a corrente de controle da fonte e hr é a transresistência da fonte. Na Figura 7, a fonte [H1 out 0 Vref 1] é uma fonte de tensão cuja tensão de saída vale Vout =1× Io, sendo Io a corrente que passa pela fonte de tensão Vref.

4.e. Subcircuitos Subcircuitos, ao contrário dos primitivos que são individualizados, são blocos compostos por vários componentes, incluindo primitivos e fontes, formando um circuito mais complexo. Muitos blocos analógicos modernos, como os amplificadores operacionais, estabilizadores de tensão, os transistores Darlingtons, os IGBT’s, as chaves eletrônicas TRIAC’s e SCR’s e mesmo MOSFET’s com modelos mais elaborados e válvulas são modelados em forma de subcircuitos. Circuitos passivos como chaves, transformadores, lâmpadas, alto-falantes, relês, pontes retificadoras, etc., também são modelados em forma de subcircuito. A aquisição desses componentes é feita clicando-se sobre o ícone Inserir Componentes da Biblioteca. O usuário deve saber, no entanto, o nome comercial do componente, como, por exemplo, LM741, para poder selecioná-lo.



Figura 8 – Componentes Modelados em Forma de Subcircuitos.

A Figura 8 mostra alguns componentes modelados em forma de subcircuito. Deve-se notar que todos são nomeados pela letra U, que é a designação de subcircuitos no LTSpice.

4.f. Confecção de Esquemáticos Após a colocação dos componentes do circuito na área de trabalho, o usuário precisa interligá-los para completar o esquema. Como mostra a Figura 3, clicando-se sobre o ícone Traçar Fios de Ligação, aparecerá uma cruz tracejada na área de trabalho. O ponto central da cruz é o ponto de origem da ligação do fio de interligação. Deve-se, portanto, colocar essa origem sobre o ponto do circuito onde o fio deve ser iniciado, clicar com o botão esquerdo do mouse sobre esse ponto, levar até o próximo ponto e clicar de novo o mesmo botão. Como não são admitidas linhas oblíquas, em todo ponto de mudança de direção o botão esquerdo do mouse deverá ser clicado. Quando o fio estiver totalmente traçado, o botão direito do mouse deve ser clicado para desabilitar a função de traçar fios. Nunca deve ser esquecido que pelo menos um terminal de terra deve ser colocado no circuito. Usar, para isso, o ícone de Inserir Terminal de Terra. Para facilitar a visualização dos resultados da simulação, vários nós do circuito deverão ser nomeados. Usar, para isso, o ícone de Inserir Nomes de Nós, como mostrado na Figura 3. Nós que recebem o mesmo nome ficam automaticamente interligados no circuito, mesmo não havendo fios de interligação entre eles. Isso facilita a confecção de esquemáticos muito grandes.



Figura 9 – Circuito com Simulação .DC Sweep.

A Figura 7 mostra alguns nós com nomes estipulados por a, b e out. No menu de nomeação de nós existem quatro de tipos (Port Type): None, Input, Output e Bi-Direct.. A opção None simplesmente escreve o nome do nó ao lado do fio, como está mostrado nas fontes CCCS e VCCS da Figura 7 e na Figura 1. Se for selecionada a opção Output, o nome do nó fica inserido em uma seta apontando para fora do terminal, como nas fontes VCVS e CCVS da Figura 7. Se for selecionada a opção Input, o nome do nó fica inserido em uma seta apontando para dentro do terminal, como nos nós a e b da Figura 7. A opção Bi-Direct. escreve o nome do nó dentro de uma seta bidirecional. Essas opções não possuem função elétrica no circuito, mas, apenas, função estética.

4.g. Simulação Quando o esquemático estiver pronto, o circuito poderá ser analisado pelo simulador. Para isso, uma das quatro principais simulações (.OP; .TRAN; .AC ou .DC Sweep) descritas na Secção 3, deve ser solicitada. O tipo de simulação exigido dependerá do tipo de circuito e das funções que ele exerce. Em um circuito alimentado por uma tensão senoidal, como a rede de 60 Hz, por exemplo, as simulações .OP; .AC e .DC Sweep não fazem sentido. Em um circuito no qual apenas grandezas contínuas estão presentes, como o circuito da Figura 1, por exemplo, as simulações .AC e .TRAN não fazem sentido. As fontes de excitação devem ser apropriadas para os diversos tipos de simulação, ou sejam:



Figura 10 – Resultado da Simulação do Circuito da Figura 9.

.OP ≡ O circuito deve estar alimentado por pelo menos uma fonte DC, de tensão ou

de corrente. Como é uma simulação estática, os resultados não são apresentados em forma de curvas ou gráficos, mas sim, em forma de uma tabela que abre automaticamente após a simulação mostrando as tensões e correntes em todos os nós e ramos do circuito, respectivamente. Informações adicionais podem ser obtidas clicando-se: View → SPICE Error Log.

.DC Sweep ≡ O circuito deve estar alimentado por pelo menos uma fonte DC, de

tensão ou de corrente. Até três grandezas contínuas do circuito podem ser admitidas como variáveis. No menu dessa simulação devem ser declarados: nome da 1a fonte que irá variar, tipo de variação (linear, em oitavas, em décadas ou lista), valor inicial da fonte, valor final da fonte, incremento da variação. Se houver mais do que uma fonte variável, as outras devem ser declaradas de maneira análoga à da primeira. O resultado da simulação será apresentado em forma de curvas ou gráficos, plotando as grandezas solicitadas em função das fontes variáveis apresentadas. O circuito da Figura 9, por exemplo, foi simulado para três grandezas variáveis:

- 1a fonte: 0 ≤ Vd ≤ 10 V, com incremento linear de 1 mV. - 2a fonte: 4 V ≤ Vg ≤ 5 V, com incremento linear de 1 V. - 3a fonte: 0 ≤ Vs ≤ 5 V, com incremento linear de 5 V.

O resultado da simulação, solicitado para a grandeza Id, está mostrado na Figura 10. As duas curvas superiores são para Vs = 0 V e as duas curvas inferiores são para Vs = 5 V.

.AC ≡ Neste caso, o circuito, além de possíveis fontes DC de polarização, deverá ser excitado por uma fonte de sinal (signal), a qual deverá ter o seu valor, no menu Small signal AC analysis (.AC), ajustado para: AC Amplitude = 1 e AC Phase =0. Esse menu pode ser aberto clicando-se o botão direito do mouse sobre o símbolo da fonte. A análise foi ajustada para .AC em décadas, com 1001 pontos de análise por década, com freqüência inicial de análise igual a 10 Hz e com freqüência final de análise igual a 1 MHz. A Figura 11 ilustra uma análise desse tipo. É a análise do ganho de um amplificador operacional LM741, excitado com 1 V na entrada. Como, teoricamente, o ganho de tensão desse circuito vale Gυ = 1 + R1/R2, é de se esperar que a tensão de saída, em função da freqüência, seja igual a 101 V. O gráfico da Figura 12 mostra que isso é verdade pelo menos até a freqüência em torno de 10 kHz, a partir da qual o LM741 tem seu ganho reduzido.



Figura 11 – Circuito com Simulação .AC.

Figura 12 – Resposta em Freqüências do Circuito da Figura 11.



Figura 13 - Resposta Temporal do Circuito da Figura 11, com υi = 0,141×sen(2000πt).

.TRAN ≡ Neste caso, o circuito, além de possíveis fontes DC de polarização, deverá

ser excitado por uma fonte de sinal (signal), a qual deverá ter o seu valor, no menu Functions, acertado para SINE. Com os valores: DC offset(V)=0; Amplitude(V)=0.141 e Freq(Hz)=1k, o mesmo circuito da Figura 11 apresenta a tensão de saída em função do tempo apresentada na Figura 13. A simulação de Transient foi ajustada para Stop Time=2 ms. Simulações com pulsos (PULSE) ou outro tipo de excitação também poderiam ser feitas neste caso. Deve-se notar, na curva da Figura 13, uma pequena defasagem do sinal de saída em relação ao sinal de entrada causada pelas capacitâncias internas do amplificador.

5. Pós-processador ou Probe Tão logo a simulação esteja concluída, o simulador apresenta um menu de grandezas elétricas, tensões de nós ou correntes de ramos, que podem ser plotadas. Clicando-se sobre as grandezas desejadas (Ctrl-Click se forem várias), o pós-processador abrirá uma janela gráfica e traçará as curvas selecionadas. Operações algébricas também são aceitas, como, por exemplo, V(in)/I(R1), que traça a curva correspondente à razão entre a tensão do nó in e a corrente no resistor R1. Para isso deve-se abrir um menu de inserção com Alt-duplo click sobre a grandeza desejada no menu de variáveis elétricas. Esse menu, se não estiver disponível, pode ser aberto clicando-se em View → Visible Traces ou no ícone . Traços também podem ser eliminados clicando-se no ícone da tesoura na barra de ferramentas e, posteriormente, clicando-se sobre o nome da curva que deve ser eliminada. Em linhas gerais, clicando-se o botão direito do mouse em qualquer ponto do gráfico o menu de atuação (zoom, ajuste de escalas e de cores, inserção ou remoção de traços, etc.) pode ser acionado.



Na janela gráfica do probe, várias operações podem ser executadas:

- Cursores: Clicando-se o botão esquerdo do mouse sobre o nome da curva, que está em cima do gráfico, o cursor 1 será introduzido. Esse cursor poderá ser deslocado, levando-se o apontador do mouse sobre ele e arrastando-o com o botão esquerdo acionado. Um menu, com os valores, horizontal e vertical, correspondentes à curva selecionada, é mostrado. Um segundo cursor pode ser adicionado à mesma curva ou à outra curva, Para isso, deve-se clicar o botão direito do mouse sobre o nome da curva desejada e, no menu Attached Cursor, deve-se selecionar 1st & 2nd, se o cursor for colocado na mesma curva do cursor 1, ou 2nd, se o cursor for colocado em outra curva. O cursor 2 pode ser deslocado tal qual o cursor 1. As cores dos traços também podem ser alteradas nesse menu.

- Escalas: Colocando-se o apontador do mouse sobre a escala de um dos eixos do gráfico (aparece o desenho de uma régua) e clicando-se o botão esquerdo, abre-se um menu de ajuste da respectiva escala. Os extremos, a taxa de variação (linear ou logarítmica) ou a unidade de medida (Volt ou dB) da escala podem ser alterados. A variável horizontal também pode ser mudada no menu Quantity Plotted.

- Medidas Adicionais: Após a análise de Transient, no probe, clicando-se o botão esquerdo juntamente com a tecla Ctrl, quando o apontador do mouse estiver sobre o nome de uma das curvas, será aberto um menu que informará o valor médio (Average) e o valor eficaz (RMS) dessa grandeza, dentro do intervalo de plotagem.

- Gráficos Adicionais: No probe vários gráficos podem ser adicionados à área de trabalho clicando-se em: Plot Settings → Add Plot Pane.

- Inserção de Curvas Diretamente do Esquemático: Colocando-se o apontador do mouse sobre um ramo ou um nó do circuito aparecerá o desenho de uma ponta de prova vermelha. Se o botão esquerdo do mouse for clicado nessa situação, o gráfico da tensão nesse ramo ou nesse nó será plotado. No instante em que o botão do mouse é acionado a ponta de prova torna-se cinza. Se o mouse for arrastado com o botão esquerdo apertado, levado até outro ponto do circuito e, então, liberado, será plotado no probe a diferença de potencial entre esses dois pontos. Se o apontador do mouse for colocado em um terminal de um componente e aparecer uma flecha vermelha dentro de uma ponta de prova de corrente, clicando-se o botão esquerdo plota-se a curva de corrente nesse terminal. Se, nessa mesma situação, for apertada a tecla Alt, a flecha vermelha se transformará em um termômetro. Nesse caso, clicando-se o botão esquerdo do mouse plota-se a curva de dissipação de potência no componente.

6. Comandos Extras Vários comandos extras podem ser adicionados à área de trabalho do simulador, ou para facilitar a simulação ou para exigir simulações adicionais. Esses comandos são chamados de Comandos Pontuados, pois todos são iniciados por um ponto. A lista completa desses comandos está relacionada em: Help → Help Topics → LTspice → Dot Commands. Comandos desse tipo devem ser inseridos no esquemático através da habilitação Edit → SPICE Directive. Por exemplo, se a análise de Fourier sobre a tensão do nó V(saída) for desejável na freqüência de 1 kHz, deve-se escrever: .four 1kHz V(saída) no SPICE Directive e adicionar esse menu ao esquemático. Se no menu SPICE Directive for selecionada a opção Comment, o comando torna-se apenas um comentário textual.



Um comando extra fundamental é a análise de Fourier executada por um algoritmo de FFT sobre uma curva plotada em função do tempo (análise .TRAN). Essa análise pode ser obtida clicando-se no Probe: View → FFT → Selecionar a variável a ser analisada → OK. Uma segunda janela gráfica será aberta plotando o espectro discretizado da Amplitude × Freqüência da grandeza solicitada. As escalas, horizontal e vertical, desse gráfico também podem ser alteradas analogamente ao procedimento do item 5.

7. Bibliografia

- P. Antognetti and G. Massobrio – Semiconductor Device Modeling with SPICE, McGraw-Hill, 1993.

- A. Vladimirescu – The Spice Book, Wiley, 1993. - J.G. Tront – PSpice for Basic Circuit Analysis, McGraw-Hill/Engineering/Math,

2004. - J.W. Nilsson and S. Riedel – Electric Circuits w/ PSpice, 7th Edition, Prentice

Hall, 2004.


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Simuladores de Circuitos Eletrônicos