Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
MINICURSO ORCAD PSPICE ORGANIZAÇÃO: D10 V C3 10u C2 2200u 0 U5 uA7915C 3 2 1 IN OUT GN D 0 V R1 15 2 1 0 R2 15 2 1 0 D11 D9 V D12 C4 10u U6 uA7815C 1 2 3 IN OUT GN D V1 FREQ = 60 VAMPL = 26 VOFF = 0 C1 2200u V V2 FREQ = 60 VAMPL = 26 VOFF = 0 0 AGRADECIMENTOS Ao Programa de Educação Tutorial – PET pela oportunidade. Aos Acadêmicos Fernando Ricard Wessler, André Carlos Schmidt e Rafael Marc Le Boudec, pela ajuda na preparação desta. A toda a comissão organizadora da XI Semana Tecnológica de Engenharia Elétrica – SETEEL. Esta apostila trata-se de um material didático, destinado aos acadêmicos de Engenharia Elétrica. Material aprimorado pelo Acadêmico de Engenharia Elétrica Ronny Knoch Gieseler, bolsista do Programa de Educação Tutorial – PET. Comentários, sugestões e críticas de professores e alunos serão bem vindos. Joinville, 13 de agosto de 2011. INDÍCE 1. introdução............................................................................................................................5 2. o ambiente de trabalho e parAmetros básicos .................................................................... 6 2.1 INICIANDO UM PROJETO .................................................................................................................... 6 2.2 PRINCIPAIS FERRAMENTAS DE EDIÇÃO ........................................................................................ 8 2.3 OBSERVAÇÕES RELEVANTES ............................................................................................................ 9 2.4 COMANDOS DE ATALHOS ................................................................................................................. 10 3. criação de CIRCUITOS .................................................................................................... 11 3.1 INSERINDO E CONECTANDO OS COMPONENTES DE UMA BIBLIOTECA........................... 12 3.2 EDITANDO OS VALORES DOS COMPONENTES ........................................................................... 14 4. simulando um circuito ...................................................................................................... 15 4.2 PLOTAGEM DE DUAS FORMAS DE ONDAS EM UM MESMO GRÁFICO ................................ 18 4.3 PLOTAGEM DE FORMAS DE ONDAS EM DOIS GRÁFICOS SIMULTANEAMENTE ............ 19 4.4 OBTENÇÃO DOS VALORES NUMÉRICOS DAS FORMAS DE ONDAS GERADAS ................. 20 4.5 PERSONALIZANDO EIXOS E ESCALAS .......................................................................................... 20 4.6 VISUALIZAÇÃO APENAS DOS VALORES DAS VARIÁVEIS....................................................... 21 5. Parâmetros de fontes ......................................................................................................... 24 6. Análise DC SWEEP ......................................................................................................... 26 6.1 CURVA DE TRANSFERÊNCIA DE UM CIRCUITO QUALQUER................................................. 26 6.2 DETERMINANDO A CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO ............................................. 28 6.3 DETERMINANDO A CURVA CARACTERÍSTICA DE UM TRANSISTOR ................................. 30 7. resitência equivalente de um circuito ............................................................................... 33 8. análise ac sweep – variando a FREQUÊNCIA ................................................................ 35 8.1 ANÁLISE AC SWEEP PARA DETERMINAÇÃO DO GANHO DE UM AMPLIFICADOR ........ 36 8.2 DIAGRAMA DE BODE .......................................................................................................................... 39 9. análise TRANSITÓRIA ................................................................................................... 43 9.1. CIRCUITO COM CAPACITOR ........................................................................................................... 43 9.2. CIRCUITO COM CAPACITOR COM CONDIÇÕES INICIAIS NÃO NULAS ............................. 44 9.3. CIRCUITO COM INDUTOR ................................................................................................................ 46 10. indutância MÚTUA ........................................................................................................ 48 11. análise monte CARLO.................................................................................................... 52 11.1. ANÁLISE MONTE CARLO DO PIOR CASO .................................................................................. 53 11.2. ANÁLISE MONTE CARLO ESTATÍSTICA .................................................................................... 56 12. Análise PARAMÉTRICA .............................................................................................. 59 13. Criando um novo componente ................................................................................62 14. Exercícios ..............................................................................................................67 1. INTRODUÇÃO Os simuladores de circuitos foram inicialmente construídos na década de 70 por causa da grande complexidade que os circuitos passaram a ter a partir desta década, com a microeletrônica exercendo um papel cada vez maior nas nossas vidas, e para auxiliar nos projetos de Circuitos Integrados, pois um circuito integrado só é fisicamente construído quando todas as simulações elétricas do circuito mostram o resultado desejado. Um dos primeiros simuladores desenvolvidos foi o chamado de SPICE (Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) o qual até hoje é a plataforma utilizada pela maioria dos simuladores atuais, como seus conceitos são gerais, pode ser usado para qualquer rede que possa ser descrita em termos de elementos básicos de circuitos (resistores, capacitores, indutores, fontes dependentes e independentes). O objetivo principal de se usar um simulador de circuitos é o custo, o qual tem a ver com tempo, confiabilidade e precisão, mas os simuladores eletrônicos também são usados como ferramentas auxiliares. Por todas as razões acima expostas é que o simulador de circuitos é uma ferramenta indispensável para estudantes, professores e profissionais de eletrônica. Este minicurso do Software Orcad-Pspice visa fornecer aos alunos noções básicas para a utilização do programa em simulações que serão apresentadas passo a passo no decorrer deste. 2. O AMBIENTE DE TRABALHO E PARAMETROS BÁSICOS Uma das facilidades deste software é que cada projeto iniciado possui uma janela independente, o que nos permite o gerenciamento de vários projetos na mesma seção e o controle de forma reunida e organizada de todas as informações necessárias a cada projeto, incluindo diretórios de esquemáticos, páginas esquemáticas, componentes, dentre outros. Como mostrado abaixo. 2.1 Iniciando um Projeto No botão de Iniciar do Windows, selecione o programa ORCAD FAMILY RELEASE e depois CAPTURE CIS. TELA DO ORCAD CAPTURE E SEUS ÍCONES A tela apresentada acima é denominada folha e é nela que iremos desenhar nossos circuitos. 2.2 Principais Ferramentas de Edição As principais ferramentas de edição podem ser acessadas através do MENU PLACE ou da barra de ferramentas que se encontra à direita da área de trabalho. As principais ferramentas de edição são descritas a seguir: PART – insere um componente WIRE – desenha a conexão BUS – desenha um barramento JUNCTION – coloca uma junção Ferramentas de Zoom Ferramentas para inserção de componentes e linhas BUS ENTRY – conexão com o barramento NET ALIAS – labels em nós POWER – alimentação GROUND – terra PLACE TEXT – inserir texto 2.3 Observações Relevantes TODO CIRCUITO NECESSITA DE UM PONTO DE TERRA O simulador Orcad-Pspice não distingue entre caracteres maiúsculos e minísculos. O número de um campo pode ser inteiro ou real. Sendo que esses podem ser seguidos por um expoente inteiro (80E-5 ou 3.1415e6) ou ainda fatores de escala simbólicos, como mostrado na tabela a seguir: Símbolo Forma Exponencial F 1E-15 P 1E-12 N 1E-9 U 1E-6 M 1E-3 K 1E3 MEG 1E6 G 1E9 T 1E12 Letras após um número que não fatores de escala, são ignoradas, sendo que as letras após as de fatores também são desprezadas. Como exemplo, 5, 5A, 5V representam o mesmo número. 2.4 Comandos de Atalhos Muitos comandos são utilizados com freqüência, com isso abaixo são apresentados os principais atalhos desses comandos. 3. CRIAÇÃO DE CIRCUITOS Este capítulo descreve como criar um simples circuito, mostrado na figura a seguir: R1 1k R4 3k 0 R3 2k R2 1k V2 FREQ = 60 VAMPL = 10 VOFF = 0 1. Abra o programa conforme mostrado no capítulo 2. 2. No gerenciador de projetos, no menu FILE, em NEW selecione PROJECT. 3. Selecione ANALOG OR MIXED A/D. 4. Na caixa NAME, entre com o nome do projeto. 5. Na caixa LOCATION, selecione o local onde o projeto será salvo, então clique em OK. 6. Selecione a opção CREATE A BLANK PROJECT e depois OK. 3.1 Inserindo e Conectando os Componentes de uma Biblioteca 1. No menu PLACE e depois PART, ou então use como atalho SHIFT + P. Os componentes do ORCAD PSPICE encontram-se divididos em bibliotecas, sendo que novas bibliotecas podem ser adquiridas em sites de fabricantes de Biblioteca de componentes Componentes da biblioteca especificada componentes. Abaixo são mostradas algumas bibliotecas do software em questão que serão utilizadas durante o curso. BIBLIOTECA ANALOG Nesta biblioteca encontram-se os componentes básicos (capacitores, indutores, resistores). BIBLIOTECA PHIL_BJT Nesta biblioteca encontram-se os principais transistores BJT que iremos utilizar. 1. Selecione a biblioteca em que se encontra o componente. Após escolhido o mesmo pressione OK. 2. Posicione corretamente o componente no local desejado. 3. Após colocado todos os componentes na área de trabalho devemos conectá-los utilizando o comando WIRE no menu PLACE. 4. Para liberar a movimentação dos componentes sem o bloqueio automático de conexão, vá em PREFERENCE, clique em MISCELLANEOUS e marque a opção ALLOW COMPONENT MOVEMENT. **É obrigatória a presença de um nó zero no circuito. 3.2 Editando os Valores dos Componentes 1. Clique duas vezes sobre o valor do componente, com isso abre-se uma janela de edição onde os valores default desses componentes podem ser alterados facilmente. ***Alguns componentes como fontes, necessitam de mais de uma especificação (valor, freqüência e outros). 2. Após completa todas as definições dos parâmetros, o circuito estará pronto para ser simulado. 4. SIMULANDO UM CIRCUITO Após montado o circuito corretamente (não esqueça a presença de um nó zero), podemos simular o mesmo para determinarmos os valores desejados, para isso devemos criar uma nova simulação, seguindo os passos abaixo, para efeitos de demonstração utilizaremos nesta etapa o mesmo circuito criado anteriormente. 1. No menu PSPICE, escolha a primeira opção, NEW SIMULATION PROFILE, ou escolha esta opção através do botão mostrado na figura abaixo. 2. Depois de selecionada esta opção, a janela mostrada a seguir será aberta automaticamente. 3. Nomeie a simulação conforme desejado e então clique em CREATE. New Simulation 4. Pressione OK. 5. Para rodar a simulação, após definido os parâmetros acima, podemos usar a tecla de atalho F11, ou ainda pressionando o botão PLAY mostrado na figura a seguir. 6. Após iniciarmos a simulação, aparece rapidamente na tela a janela PSPICE NETLIST GENERATION, esse NETLIST identifica possíveis erros na etapa de edição da página esquemática. Caso a simulação esteja correta a seguinte janela será aberta. Tempo de Simulação Início da Simulação Tipo de Simulação 7. A partir de agora poderemos então fazer uma melhor análise das formas de ondas, valores de tensões, correntes, potência e outros. Para isso retorne ao ORCAD CAPTURE e com os botões mostrados a seguir escolha a opção desejada. 8. Selecione a ponteira desejada e depois posicione a mesma na parte desejada do circuito. Volte a tela de simulação e verifique que a simulação já está apresentada nesta tela. Para demonstração, conectaremos a ponteira de tensão no resistor R3. 3.2Tensão 3.2Corrente 3.2Potência 0 R3 2k V R2 1k R4 3k R1 1k V2 FREQ = 60 VAMPL = 10 VOFF = 0 Ao retornarmos a janela de simulação poderemos verificar a seguinte forma de onda. Time 0s 10ms 20ms V(R1:2) -10V 0V 10V Caso seja necessário, ajuste os tempos de simulação para melhor visualização no botão Edit Simulation ao lado do botão New Simulation já explicado. 4.2 Plotagem de Duas Formas de Ondas em um mesmo Gráfico Muitas vezes necessitamos plotar mais de uma forma de onda em um mesmo gráfico afim de compará-las, isso é possível neste software. Para isso proceda seguindo as etapas apresentadas a seguir. 1. Após termos plotado uma forma de onda, apenas retorne ao Capture e posicione a ponteira no local desejado do circuito. 2. Retorne a simulação e verifique que ambas são apresentadas simultaneamente no mesmo gráfico.O resultado desta nova simulação é apresentado na figura a seguir. Time 0s 10ms 20ms V(R1:2) V(R2:2) -10V 0V 10V 4.3 Plotagem de Formas de Ondas em Dois Gráficos Simultaneamente Muitas vezes quando estamos analisando um circuito existem variáveis de grandezas bastante diferentes. Com isso podemos plotar essas curvas em dois gráficos simultaneamente. Para demonstrarmos isso iremos plotar em um gráfico a tensão no resistor R1 do circuito anterior e no outro gráfico a corrente desse mesmo resistor. Para isso devemos seguir os seguintes passos. 1. Plote novamente a tensão no resistor R1, após isso no menu PLOT da janela de simulação escolha a opção ADD PLOT TO WINDOWN, um novo gráfico irá se abrir. 2. Retorne ao ORCAD CAPTURE e posicione a ponteira de corrente sobre o resistor R1 e retorne a tela de simulação. Observe que dois gráficos são apresentados simultaneamente com escalas diferentes. Time 0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms V(R1:2) -10V 0V 10V -I(R1) -5.0mA 0A 5.0mA SEL>> 4.4 Obtenção dos Valores Numéricos das Formas de Ondas Geradas Às vezes em uma curva de simulação precisamos obter alguns valores sobre a mesma, isso pode ser feito de duas maneiras, a primeira não iremos apresentar neste curso, mas seria através da visualização do arquivo de saída gerado pelo simulador. A segunda que será abordada agora, é feita através do posicionamento do cursor sobre a curva gerada pela simulação. 1. No menu de comandos da janela de simulação em TRACEescolha a opção CURSOR > DISPLAY. Com isso o valor poderá ser obtido selecionando o local sobre a curva com o auxilio do mouse. A figura a seguir exemplifica isso. Time 0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms V(R1:2) -10V 0V 10V V(R1:2) Nesta opção ainda contamos com as opções de máximos, mínimos, intersecção com os eixos e outras funções. 4.5 Personalizando Eixos e Escalas No menu PLOT – AXIS SETTINGS podemos definir limites personalizados para valores dos eixos nos Menus X AXIS e Y AXIS. Ainda no menu X AXIS clicando em AXIS VARIABLE é possível definir uma nova variável para o eixo X, o que permite a análise de uma variável em função de outra variável do circuito. Caso estejamos analisando duas variáveis com escalas de grandezas diferentes podemos definir escalas diferentes para o eixo Y independentes para cada uma delas utilizando no menu PLOT o comando ADD Y AXIS, para esse comando devemos seguir os passos citados a seguir. 1. Apague todas as curvas, clicando no nome da mesma e Delete. 2. No menu PLOT escolha a opção ADD Y AXIS. 3. Adicione uma nova curva para o primeiro eixo. 4. Selecione o segundo eixo Y e adicione a segunda curva. A figura abaixo ilustra um exemplo da aplicação deste procedimento. Time 0s 5ms 10ms 15ms 20ms 1 V(R1:2) 2 -I(R2) -10V 0V 10V 1 -2.0mA 0A 2.0mA 2 >> 4.6 Visualização Apenas dos Valores das Variáveis Para visualizar apenas os valores das variáveis desejadas e não suas formas de onda façam o uso das ferramentas do ORCAD CAPTURE apresentadas na figura a seguir. Ao colocarmos essas ponteiras BIAS POINTS nos pontos desejados do circuito, podemos verificar que os valores são gerados instantaneamente, conforme mostrado a seguir. R3 2k 16.33mW 2.857mAV2 FREQ = 60 VAMPL = 10 VOFF = 0 0 R2 1k 2.041mW 1.429mA R1 1k 18.37mW 4.286mA R4 3k 6.122mW 1.429mA EXERCICIO 1: Construa o circuito retificador apresentado na figura abaixo e encontre as tensões nos pontos A, B e Corrente no Diodo apresentados na figura. Apresente os resultados em gráficos diferentes e em mesmo gráfico, porêm escalas diferentes. V3 FREQ = 60 VAMPL = 10 VOFF = 0 D5 D1N4007 R5 200 C2 100u 0 A Corrente B Time 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms 1 V(D1:1) V(C1:2) 2 I(D1) -10V -5V 0V 5V 10V 1 -200mA 0A 200mA 400mA 600mA 2 >> 5. PARÂMETROS DE FONTES Muitas vezes necessitamos de fontes que apresentam determinadas formas de ondas (quadradas, triangulares, etc), com isso devemos configurá-las de modo a atender nossas necessidades, desta forma este capítulo tem como objetivo principal à demonstração das principais configurações e fontes disponíveis na biblioteca SOURCE. A figura a seguir explica como configurar os parâmetros da fonte VPULSE da biblioteca SOURCE para gerarmos uma forma de onda triangular de período 0.5ms. V1 T D = 0.0000000001 T F = 0.25E-3 PW = 0.1E-10 PER = 0.5E-3 V1 = -3V T R = 0.25E-3 V2 = 3V 0 R1 1k V A seguir é apresentada a forma de onda produzida por esta fonte, depois de configurado todos os parâmetros e gerado uma nova simulação, conforme já apresentado anteriormente. Time 0s 0.4ms 0.8ms 1.2ms 1.6ms 2.0ms V(V1:+) -4.0V -2.0V 0V 2.0V 4.0V 6. ANÁLISE DC SWEEP Até este momento do curso caso desejássemos simular um circuito para diferentes valores de uma fonte precisaríamos alterar estes valores quantas vezes fossem necessário e rodarmos a simulação cada vez que alterássemos esses parâmetros, contudo este capítulo terá como objetivo principal à demonstração de uma nova técnica a fim de evitar essas repetições desnecessárias. 6.1 Curva de Transferência de um Circuito Qualquer Muitas vezes necessitamos saber como varia a tensão de saída de um circuito quando variamos a tensão de entrada do mesmo, com este sofware isto se torna muito simples, para exemplificarmos isso o circuito abaixo será utilizado. Porém para evitarmos redundância iremos omitir a construção passo a passo deste circuito. R2 4.7k R3 2.3k 0 Ventrada 25V R5 1k R4 560 Vsaída Depois de construído o circuito uma nova simulação deverá ser criada, contudo como desejamos obter a curva de transferência do circuito, iremos alterar alguns parâmetros desta simulação. A figura a seguir demonstra todos os parâmetros que devemos configurar. Depois de configurado esses parâmetros, acabamos de impor ao software que simule uma variação de uma fonte de tensão (neste exemplo Ventrada) de 25V, escolhemos também o tipo de variação (linear). Note que foi definido valor inicial e final e também incremento do mesmo. Rode a simulação, no menu TRACE > ADD TRACE. Tipo de Simulação Variação/Parâmetros Fonte Escolha tensão V(Vsaida), conforme mostrada acima e pressione OK. Com isso está determinada a curva de transferência do circuito e a mesma está apresentada abaixo. V_V2 0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V V(VSAIDA) 0V 2.0V 4.0V 6.2 Determinando a Curva Característica de um Diodo Como agora conhecemos um pouco mais sobre este poderoso software temos condições suficientes de encontrar a curva característica de um diodo, para isso simularemos o circuito abaixo. R2 500 D1 D1N4007 0 Ventrada 5 Vdiodo Criamos uma nova simulação e configuramos os parâmetros conforme mostrado no exemplo anterior, porém neste exemplo a variação de tensão da fonte de entrada será de –1.5V a 1.5V e o incremento será de 0.1V. Abaixo são apresentadas duas figuras, a primeira apresenta a tensão no diodo e a segunda apresenta a corrente no diodo em função da tensão no diodo. V_V2 -1.5V -1.0V -0.5V 0V 0.5V 1.0V 1.5V V(VDIODO) -2.0V 0V 2.0V V(VDIODO) -1.6V -1.2V -0.8V -0.4V 0V 0.4V 0.8V I(D2) -2.0mA 0A 2.0mA Para obtenção da curva de transferência de um diodo zenner (ex: 1N752) siga os mesmos passos apresentados para a função de transferência de um diodo. 6.3 Determinando a Curva Característica de um Transistor A seção anterior, na qual foram demonstradas ferramentas que nos dão suporte a obtenção da curva característica de um circuito qualquer, porém optamos por encontrar a curva característica de um diodo. Contudo esta ferramenta é de extrema importância no nosso dia-a-dia, com isso para fixarmos tais conceitos iremos repetir tais passos para obtenção da curva característica de um transistor. Para isso iremos simular o circuito apresentado a seguir: V1 0Vdc I2 0Adc Q1 BC548A 0 Depois de montado o circuito da figura apresentada anteriormente, devemos criar uma nova simulação DC SWEEP e configurar os mesmos parâmetros já utilizados na obtenção da curva característica do diodo, porém agora estamos trabalhando com duas fontes, uma de tensão e uma de corrente. Primeiramente configure os parâmetros para a fonte de tensão, esses parâmetros estão apresentados na figura seguinte, ou seja, a fonte recebe um valor inicial de tensão de 0V, sendo essa tensão incrementada de 0.1V até que seja alcançado os 10V. Depois de configurados esses parâmetros para a fonte de tensão, ainda devemos configurá-los para a fonte de corrente. Para essa configuração escolha a opção SECONDARY SWEEP, conforme apresentado na figura anterior. Agora configureos parâmetros para a fonte de corrente, esses parâmetros estão apresentados na figura seguinte, ou seja, a fonte recebe um valor inicial de corrente de 0mA, sendo essa corrente incrementada de 2mA até que seja alcançado os 10mA.Conforme apresentado na figura a seguir. Com isso rode a simulação (F11), conecte uma ponteira de corrente no coletor do transistor, com isso está levantada a curva característica do transistor, veja os resultados a seguir. V_V1 0V 2V 4V 6V 8V 10V IC(Q1) 0A 250mA 500mA 7. RESITÊNCIA EQUIVALENTE DE UM CIRCUITO Este novo capítulo irá nos mostrar o método de obtenção da resistência equivalente de um circuito, contudo vale lembrar que esse método tem validade apenas para circuitos que apresenta somente resistores, para circuitos que apresentam impedância que varia com a freqüência uma modificação deverá ser efetuada, essa observação será apresentada no final deste capítulo. Esse método é bastante simples, devemos desligar todas as fontes de tensão ou corrente do circuito em análise, conectamos um gerador de corrente a entrada deste circuito, aplicamos então o DC SWEEP fazendo com que a corrente varia de 0mA até um valor qualquer, simulamos o circuito e plotamos o gráfico V(Vs)/I_I1 (supondo Vs como um ponto adotado como referência na entrada do circuito) , após esses procedimentos, analisando o gráfico fica claro que a leitura do valor constante é a leitura do valor da resistência equivalente do circuito. Abaixo são apresentadas as figuras que ilustram este procedimento. R8 1k R2 2k Vs R12 1k R9 1k 0 R10 1k R11 1k R7 2k I1 0Adc Simule o circuito e encontre a forma de onda V(Vs)/I_I1, o momento de estabilidade do gráfico nos mostra a resistência equivalente do circuito. Observe a figura a seguir, onde a mesma ilustra o valor da resistência equivalente fazendo o uso do cursor. I_I1 0A 0.2A 0.4A 0.6A 0.8A 1.0A V(VS)/ I_I1 0 250 500 ***Para circuitos em que a impedância varia com a freqüência (indutores e capacitores ) substitua o gerador de corrente DC por uma fonte de corrente alternada com fase zero. 8. ANÁLISE AC SWEEP – VARIANDO A FREQUÊNCIA Nos capítulos anteriores tratamos apenas de circuitos que envolviam análise DC e um pouco sobre AC. Porém em certos casos precisamos analisar circuitos com diferentes valores de uma grandeza AC, sendo essa análise aplicada diretamente para a construção de Diagrama de Bode – Gráficos de Ganho e Fase e análise de fasores. Para isso iremos fazer o uso da ferramenta de simulação AC SWEEP. Para mostrarmos o funcionamento desta ferramenta iremos simular o circuito apresentado na figura a seguir. R5 1 31 0 R6 2 2 I1 2A R7 3 L1 318uH 1 2 V4 12 C2 159u Porém como podemos perceber no circuito acima, temos dois componentes ainda não utilizados até o momento, sendo elas a fonte de tensão VAC e a de corrente IAC. O valor ACMAG, ou ainda, a magnitude da fonte AC pode ser interpretado como um valor RMS ou de Pico, ficando a escolha do projetista, basta escolher a interpretação desejada e todas as outras obtidas serão também interpretadas da mesma maneira. Como estamos interessados em uma simulação em que a freqüência possa ser variada crie uma nova simulação, em ANALYSIS TYPE escolha a opção AC SWEEP/NOISE. Como para esta simulação iremos usar a freqüência variando de 1kHz a 11kHz, insira estes valores nos parâmetros que devem ser configurados nessa simulação, outro parâmetro a ser configurado é o de pontos por década, neste exemplo iremos usar 100 pontos. Para este caso iremos visualizar as tensões nos pontos 1, 2 e 3 com uma análise linear. A seguir está apresentado o resultado desta simulação. Frequency 2KHz 4KHz 6KHz 8KHz 10KHz 12KHz1KHz V(1) V(2) V(3) 0V 10V 20V 8.1 Análise AC SWEEP para Determinação do Ganho de um Amplificador No início deste capítulo aprendemos como usar análise AC SWEEP e como exemplo fizemos uma simples simulação, contudo uma das maiores aplicações desta análise é a obtenção da reposta em freqüência de um amplificador. É necessário frisar que esta análise quando realizada em um circuito com transistor, o ponto de operação DC é calculado e o transistor é visto como uma variação de um pequeno sinal ao redor do ponto de operação. Segundo SEDRA/SMITH esta análise só pode ser utilizada para calcular o ganho de pequenos sinais e resposta em freqüência. Para fixarmos o uso desta ferramenta iremos efetuar a análise AC do amplificador retirado do livro de Microeletrônica SEDRA/SMITH e mostrado na figura seguinte para freqüências variando de 1Hz a 100MHz com 100 pontos por década, e uma análise logarítmica. Vo 0 C2 1U 0 0 V1 12V R4 6k C1 1U 0 Q2 Q2N3904 R3 4k R1 8k V4 1Vac 0Vdc 00 C3 10U R5 3.3k R6 4k R2 4k Crie novamente uma simulação conforme efetuado no item anterior e configure os parâmetros de acordo com a figura apresentada abaixo. Depois de configurados esses parâmetros, podemos rodar a simulação (F11), contudo como queremos analisar o ganho deste amplificar para diversas freqüências, para isso pretendemos obter a tensão de saída em dB. Para isso siga os passos mostrados na figura a seguir. Frequency 1.0Hz 100Hz 10KHz 1.0MHz 100MHz DB(V(VO)) -100 0 100 8.2 Diagrama de Bode O Diagrama de Bode possui uma característica relevante para análise de um circuito, visto que com ele podemos ao mesmo tempo visualizar a amplitude e a fase de um circuito em função da freqüência. Para demonstrarmos como obtemos o diagrama de Bode de um circuito iremos utilizar o circuito apresentado no livro de Microeletrônica SEDRA/SMITH e mostrado na figura a seguir. Vo R2 1kV1 1Vac 0Vdc C1 1U 0 Como podemos verificar o circuito trata-se de um Filtro Passa baixas, como sabemos o capacitor para altas freqüências se comporta como um curto, permitindo então apenas a passagem das baixas freqüências. Podemos ainda obter a freqüência wo, onde a mesma é dada pelo inverso do produto Resistor Capacitor, de acordo com os componentes escolhidos teremos uma freqüência de corte será igual a 159Hz, sendo que por definição esta freqüência apresenta uma queda de –3dB no ganho do circuito. As figuras seguintes apresentam os passos para encontrarmos o diagrama de Bode deste filtro, os passo de criação de simulação serão omitidos. Após rodar a simulação. Como podemos perceber na figura acima em FUNCTIONS OR MACROS, como estamos interessados tanto na amplitude e fase do diagrama devemos escolher a opção mostrada em azul, o mesmo vale para variável de saída que queremos plotar, ou seja, a saída Vo. Após esses procedimentos obtemos o Diagrama de Bode que é apresentado na figura a seguir. Frequency 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 5.0KHz P(V(VO)) -100d -50d 0d SEL>> DB(V(VO)) -40 -20 0 Como podemos observar no diagrama de amplitude, a freqüência de corte calculada está de acordo com o valor encontrado no Diagrama de Bode. 9. ANÁLISE TRANSITÓRIA Nesta parte do curso iremos demonstrar as ferramentas para análise de circuito em função do tempo, onde o mesmo será simulado levando em consideração uma súbita mudança no circuito devido à abertura ou fechamento de chaves. A análise transitória que iremos simular permite visualizarmosformas de onda em função do tempo, similar a um osciloscópio. Para demonstrarmos o uso desta ferramenta iremos simular circuitos com capacitores com condições inicias nulas, condições iniciais não nulas e também iremos apresentar a resposta transitória de um indutor. 9.1. Circuito com Capacitor Nesta seção iremos apresentar a simulação de um circuito com uma mudança súbita neste circuito, na primeira parte será simulada uma chave abrindo e na segunda parte uma chave fechando. Para esta simulação iremos utilizar a chave “SW_TOPEN” para o primeiro caso e “SW_TCLOSE” para o segundo caso, como exemplo iremos simular o circuito abaixo. C1 10U V1 10V R1 500 Vo 0 R2 1k U1 4ms 1 2 Como podemos verificar para este circuito a única configuração que precisamos fazer que até o momento ainda não havíamos configurado é o tempo decorrido após o início da simulação para que a chave se abra, para esta configuração devemos dar um duplo clique sobre a chave e inserir o tempo desejado, após esta configuração crie uma nova simulação, conforme mostrado a seguir e entre com o tempo de simulação necessário, para este exemplo utilizaremos 20ms. Depois de criada esta simulação e configurado o tempo de simulação, rode a mesma e assim obteremos a seguinte tensão em cima do capacitor, ou tensão de saída do circuito. Time 0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms V(VO) 0V 2.5V 5.0V 9.2. Circuito com Capacitor com Condições Iniciais não Nulas Como este curso visa mostrar as principais ferramentas deste software, iremos sempre utilizar circuitos didáticos, ou seja, circuitos que antes mesmo de simularmos já imaginamos a sua resposta. Para exemplificarmos a situação de um capacitor que inicia uma simulação com uma tensão inicial, iremos simular o circuito abaixo, no qual iremos considerar o capacitor com uma tensão inicial de 10V e que após 1ms do início da simulação a chave será fechada, fazendo com que o capacitor seja descarregado nos resistores que se encontram em paralelo com o mesmo. R2 1k U2 1ms 1 2Vresistor C1 10U R1 1k Vcapacitor Depois de montado o circuito mostrado na figura acima, ainda devemos configurar a tensão inicial que se encontra no capacitor e o seu valor, para isso dê um duplo clique sobre o componente e a seguinte tela se abrirá. Como desejamos uma tensão inicial no capacitor de 10V, conforme já especificado acima, e queremos que a tensão nos resistores seja positiva, por convenção iremos adotar que a tensão deverá ser negativa (-10V). Após esta última configuração crie uma simulação e execute a mesma. Os resultados estão apresentados a seguir. Valor de Tensão Inicial Time 0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms 6.0ms 7.0ms V(VRESISTOR) 0V 5V 10V V(VCAPACITOR) 0V 5V 10V SEL>> 9.3. Circuito com Indutor Para análise de circuitos com indutores, as ferramentas serão as mesmas já utilizadas nas análises que envolviam capacitores, vale lembrar que capacitores não permitem que a tensão varie bruscamente enquanto que para indutores não permitem que a corrente varie bruscamente. Com isso caso seja necessário realizar uma simulação com condições iniciais o procedimento adotado deverá ser o mesmo já usado anteriormente. Para exemplificarmos um circuito transitório que envolva indutores iremos simular o circuito abaixo. V1 5 R2 2k Vindutor L1 1H 1 2 U1 0.5ms 1 2 0 R1 1k Depois de configurados os parâmetros necessários a simulação nos fornecerá o seguinte resultado. Time 0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms I(L1) 0A 2.0mA 4.0mA 10. INDUTÂNCIA MÚTUA Por definição sabemos que a indutância mútua é a razão entre a força eletromotriz induzida em um circuito e a taxa de variação de corrente no outro, ou ainda o fluxo magnético de um circuito varia com o tempo em virtude de correntes variáveis em circuitos vizinhos, o que prova uma força eletromotriz induzida. Como agora já relembramos o conceito de indutância mútua, também devemos relembrar que o coeficiente de acoplamento entre duas bobinas é a parte do fluxo magnético gerado por uma bobina que atravessa a outra. Com isso, para simularmos um circuito com indutância mútua devemos apenas definir o indutor e o coeficiente de acoplamento entre tais indutores, para este modo de simulação iremos desenhar o circuito abaixo, muita atenção deve-se ter com a polaridade dos indutores. R4 100 0 V2 1 0Vdc C4 50u L1 3m 1 2 Vo L3 7m 1 2 R3 1k L2 1m 1 2 Depois de desenhado o circuito acima, nos resta definir os parâmetros de acoplamento entre os indutores, para isso iremos utilizar o “K_LINEAR” com isso inserimos duas vezes esse componente. Agora nos resta definirmos quem é a indutância L1, L2, L3 e qual o coeficiente de acoplamento entre elas. Para o primeiro caso iremos definir que L1=L1 e Coeficiente de Acoplamento é 0.4, para o segundo caso definimos L1=L1 e L2=L3 e Coeficiente de Acoplamento é 0.8, para configurarmos esses parâmetros siga os passos abaixo. 1. Dê um duplo clique sobre o “K_LINEAR”, e a seguinte tela se abrirá. Para retornar novamente ao esquemático apenas feche esta janela, nas configurações do segundo caso repita as condições iniciais e insira os parâmetros já citados acima. Após essas configurações o esquemático estará da seguinte forma. R4 100 0 V2 1 0Vdc K K3 COUPLING = 0.4 K_Linear C4 50u L1 3m 1 2 K K4 COUPLING = 0.8 K_Linear Vo L3 7m 1 2 R3 1k L2 1m 1 2 Acoplamento Indutâncias Acoplamento Indutâncias Crie uma simulação “AC SWEEP” e defina os parâmetros conforme mostrado na figura a seguir. Rode a simulação e escolha a tensão de saída. Com isso o resultado está apresentado na figura a seguir. Frequency 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz V(VO) 0V 0.5V 1.0V 11. ANÁLISE MONTE CARLO Na maioria das vezes em que projetamos um circuito, ou mesmo simulamos, esquecemos de considerar as tolerâncias de valores de um componente, no caso de um circuito que não seja exigida uma precisão alta é um parâmetro que podemos considerá-lo desprezível, caso contrário será um parâmetro a ser considerado em toda a análise e desenvolvimento do projeto. Portanto o ORCAD PSPICE possui uma excelente ferramenta, a Análise MONTE CARLO essa análise nos fornece como a tolerância de um componente afeta o desempenho do circuito, essa simulação nos fornece inúmeras respostas. Contudo apenas duas de maiores relevâncias serão abordadas neste curso: A Análise MONTE CARLO DO PIOR CASO; A Análise MONTE CARLO “ESTÁTISTICA”; A primeira como seu próprio nome nos diz, nos fornece os valores máximos ou mínimos de um parâmetro dado às tolerâncias dos componentes, já a segunda, dado um circuito e especificado as tolerâncias dos componentes e uma tolerância para que este circuito seja de qualidade aceitável para sua aplicação, essa análise nos fornecerá estatisticamente quantas parte de uma determinada amostra serão considerados eficientes para a sua aplicação. Uma observação importante é que está simulação só pode ser executada quando temos fontes cujos parâmetros sejam variáveis em amplitude ou ainda em freqüência (AC SWEEP / DC SWEEP / TRANSIENT). 11.1. Análise Monte Carlo do Pior Caso Como já citado anteriormente, esta análise nos forneceos valores máximos ou mínimos de um parâmetro dado as tolerâncias dos componentes do circuito. Para verificarmos a eficiência desta análise, iremos fazer uma simples simulação, simularemos um simples divisor de tensão e especificaremos as tolerâncias dos resistores envolvidos neste circuito, o circuito a ser simulado está apresentado a seguir. Vo R1 10k V4 1Vac 0Vdc 0 R2 10k +-5% +-5% Como podemos verificar no circuito apresentado na figura acima, trata-se de um simples divisor de tensão no qual os resistores apresentam uma tolerância de +-5%, porém este parâmetro deve ser especificado para o nosso simulador, para esta de um duplo clique sobre o resistor e a seguinte janela se abrirá. Tolerâncias Neste campo devemos definir a percentagem da variação em relação ao valor total do componente, neste caso o resistor. O próximo passo a ser seguido é a criação de uma análise AC SWEEP (também poderíamos ter utilizado uma análise DC SWEEP) e configurar os parâmetros da seguinte forma. O próximo passo a ser tomado é a criação da simulação MONTE CARLO DO PIOR CASO, para isso proceda da maneira ilustrada nas figuras seguintes. Após essas configurações estamos pronto para rodarmos a simulação, contudo uma explicação sobre a resposta esperada é válida, como se trata de um divisor de tensão com dois resistores de valores iguais esperávamos que a tensão de saída fosse a tensão de entrada dividida por dois, contudo esses componentes possuem uma certa PIOR CASO Variável de Saída tolerância, ou seja, de +-5%, como estamos fazendo uma simulação do pior caso possível esperamos que um componente tenha uma variação de +5% e o outro –5% dos seus valores, com isso esperamos uma saída de aproximadamente 0.525V ou 0.475V, rodando a simulação poderemos comprovar esta análise, que está apresentada na figura a seguir. Selecione ALL e em seguida OK. Frequency 0Hz 0.2KHz 0.4KHz 0.6KHz 0.8KHz 1.0KHz V(VO) 475.0mV 487.5mV 500.0mV 510.0mV Caso precisarmos analisar a outra resposta faça pequenos ajustes utilizando o botão MORE SETTINGS já mostrado na figura anterior. Caso precisarmos ver como um circuito se comporta para tolerância variando entre dois pontos isso também pode ser obtido facilmente. TENTE FAZER! 11.2. Análise Monte Carlo Estatística Este método adotado nesta simulação também já comentado anteriormente visa nos fornecer uma visão estatística da porcentagem de circuitos de um determinado número de amostras que atende certas especificações previamente definidas no momento das configurações dos parâmetros. Para demonstrarmos o uso desta ferramenta iremos fazer a análise do mesmo circuito já mostrado anteriormente, o divisor de tensão. Sabemos que este circuito tem um ganho ½ da saída em relação à entrada, nesta análise queremos saber então qual a porcentagem de uma amostra de 100 peças deste circuito me fornecer um ganho maior do que 0.49. Para isto execute as seguintes configurações, depois de já configurada a simulação AC SWEEP apresentada na seção anterior. Selecione ALL e em seguida OK. Max(V(VO)) 460m 480m 500m 520m 540m 0 20 40 P e r c e n t n samples = 100 n divisions = 10 mean = 0.500068 sigma = 0.00989789 minimum = 0.477807 10th %ile = 0.486386 median = 0.499396 90th %ile = 0.51314 maximum = 0.522544 Como podemos verificar através do HISTOGRAMA apresentado na figura anterior, um número aproximado de 18 amostras, neste caso 18% das amostras não irão satisfazer as condições previamente especificadas. Para maiores detalhes observe alguns pontos gerados pelo ARQUIVO DE SAÍDA O ORCAD PSPICE. 12. ANÁLISE PARAMÉTRICA Em alguns casos, na análise de circuitos desejamos saber como um circuito comporta-se para diferentes valores de um componente, ou seja, parametrizado este componente. Essa análise é possível com este software, sendo demonstrada através da análise do circuito abaixo, no qual o componente parametrizado será o resistor de entrada. O circuito que será simulado está apresentado na figura a seguir. Vin V3 15V R1 {Rval} V5 1Vdc Vcc 0 PARAMETERS: R2 1k 0 V1 15V-Vcc Vin U1A LM324 3 2 4 11 1 + - V+ V- OUT 0 -Vcc Vcc Vo V O nosso componente que será parametrizado será o “RVAL”, assim denominado apenas por questão de conveniência, o mesmo poderia receber um nome qualquer, contudo esse nome deverá ser o mesmo no momento da parametrização do componente. Para parametrizarmos um componente insira o componente “PARAM”, de um duplo clique sobre o mesmo e a seguinte tela se abrirá. Selecione “NEW ROW” e a janela apresentada a seguir será mostrada. Escolha a opção “APLY” e a janela que se abrirá em seguida apenas cancele esta opção. Depois de configurados esses parâmetros crie uma simulação e nesta mesma escolha a opção “PARAMETRIC SWEEP” e “GLOBAL PARAMETER” depois de definido essas opções, devemos definir o intervalo de variação do valor deste componente e ainda um incremento, ou apenas definimos os nossos próprios valores de interesse. Neste exemplo iremos determinar que o mesmo assuma os valores mostrados abaixo, inicie em 1k e termine em 10k e um incremento de 1k. Após as definições desses parâmetros podemos rodar a simulação, o resultado está apresentado a seguir. Time 0s 0.2us 0.4us 0.6us 0.8us 1.0us V(VO) -20V -10V 0V Nome do Componente Lista de Valores 13. Criando um novo COMPONENTE. Entre no “Model Editor” na pasta acessórios do ORCAD e crie uma nova lista de modelos. Importe um modelo existente. Para isso crie um arquivo .txt com o comportamento do componente e salve como .mod. Neste caso foi usado um componente GFET. O arquivo .mod deve ter o mesmo nome do componente e do arquivo .lib. Salve o arquvio .lib em um lugar qualquer (de preferência na pasta do PSPICE) Clique em file e em export to Pspice model. Selecione o arquivo .lib e dê OK. Feche o model editor e abra o Orcad Pspice Cis. Abra a biblioteca previamente criada. Clique sobre o componente desejado e edite seu layout. Você pode editar os nomes a vontade, mas tome os cuidades para que o componente sempre tenha uma porta “short output” e para que os nomes estejam na referência desejada clicando em “options”, “Part Properties...” e “Pspice Template” ` A ordem de como os nomes das portas serão colocadas no Pspice Template será a ordem que o arquivo .mod no começo do processo usará como referência. Por exemplo, se o Pspice template está em %D %G %F e %B e o arquivo .mod estará, por exemplo, como “.SUBCKT GFET 1 2 3 4”, o nó 1 é o D, o nó 2 é o G e assim por diante. Adicione o componente a sua biblioteca e crie uma nova simulação. Entre na aba “configuration Files” e clique em “Browse…”. Selecione o arquivo .lib do seu componente e adicione-o como variável Global. Pronto, agora você já pode fazer as simulações com seu novo componente. 14. Exercícios Construa os circuitos a seguir e encontre as tensões nos pontos indicados: D10 V C3 10u C2 2200u 0 U5 uA7915C 3 2 1 IN OUTGN D 0V R1 15 2 1 0 R2 15 2 1 0 D11 D9 V D12 C4 10u U6 uA7815C 1 2 3 IN OUTGN D V1 FREQ = 60 VAMPL = 26 VOFF = 0 C1 2200u V V2 FREQ = 60 VAMPL = 26 VOFF = 0 0 Time 0s 40ms 80ms 120ms 160ms 200ms V(U5:OUT) V(D10:2) V(U6:OUT) V(C2:1) -40V 0V 40V Vcc 0 R4 5.6k R1 {Rval} VDB C1 0.47u R3 3.3k Vcc Vin V1 5Vdc Vin R2 3.3k PARAMETERS: Vo D2 D1N3940 D1 D1N3940 0 V2 1Vac 0Vdc Frequency 1.0Hz 100Hz 10KHz 1.0MHz 100MHz VDB(VO) -40 -20 0
Compartilhar