Objetivo:
El objetivo de la práctica es introducir al alumno en el uso del programa de simulación de circuitos analógicos y señal mixta MICROCAP que ofrece un editor de esquemático y un entorno de simulación compatible con netlist de SPICE.
Su versión de estudiante o evaluación se puede descargar directamente del siguiente link:
http://www.spectrum-soft.com/demoform.shtm
La empresa desarrolladora ofrece el siguiente manual del programa para su versión más actual (v11):
http://www.spectrum-soft.com/down/ug11.pdf
En la presente práctica se irá paso a paso en la creación y simulación de un circuito básico, pudiéndose profundizar en el uso del programa utilizando el manual anterior.
Parte 1: Introducción a Microcap
Tras la ejecución del programa se nos muestra la siguiente ventana de inicio:
Fig. 1 Pantalla de inicio del programa
1. Creación de Esquemático (modo gráfico)
Los compontes se podrán incluir o bien desde el menú Component que muestra todos los componentes disponibles (ideales o comerciales) agrupados por categorías, o bien haciendo uso de la barra de herramientas para los componentes más comunes incluyendo referencias de tierra y fuentes de tensión y corriente ideales.
Nota: Los componentes que más utilice el usuario se van agregando a la barra de herramientas correspondiente
Fig. 2 Pantalla de inicio del programa – Detalle barra de tareas de componentes
Una vez seleccionado el componente hacemos click sobre el área de trabajo en la localización que queramos para el dispositivo y le asignaremos los valores oportunos al componente en la ventana de propiedades.
Las propiedades del componente podrán ser modificadas haciendo doble click sobre el mismo. Así mismo, es posible rotar o voltear (respecto a ejes x o y) haciendo uso de los botones disponibles y que se muestran en la siguiente figura.
Fig. 4 Rotación/Volteo de componentes
Finalmente conectaremos los componentes haciendo uso de la función de trazado de cables (Wire Mode).
2. Simulación de circuitos
Para la simulación de circuitos será necesario añadir el estímulo de entrada pertinente según el análisis a realizar, la polarización apropiada y la referencia de tierra.
Fig. 6 Esquema de un circuito completo
Existen numerosos análisis, a continuación se muestran los más básicos: Análisis AC
En primer lugar vamos al menú Analysis à AC
En la ventana que se abre seleccionamos los límites frecuenciales en los que haremos la simulación indicando en primer lugar el punto final y a continuación, el punto inicial. El número de puntos de la simulación lo dejaremos al valor por defecto.
Es importante destacar que para este análisis aparece por defecto marcada la opción de “Operating Point”, es decir, tras el análisis AC podremos evaluar el punto de polarización de nuestro circuito (DC). Para ello utilizar los botones de la barra de herramientas que se muestran en la siguiente figura.
Fig. 8 Detalle botones calculo punto polarización
Para terminar incluiremos la expresión y/o señales que queramos representar. Por defecto, MICROCAP define una serie de expresiones. Normalmente, y para circuitos sencillos, MICROCAP suele elegir correctamente la salida del circuito como señal a mostrar, pero siempre debemos verificar si esa es la señal que nos interesa ver.
Parámetros para la representación:
Page: indica la pestaña en que aparece la señal representada P: Representa la subventana
XExpression: será F (frecuencia) siempre en un análisis AC
YExpression: señal a representar. dB(.)=20*log(.) y ph(.) permiten calcular la magnitud y la fase de un bode.
XRange: Punto final, Punto inicial, Paso (no aplicable si escala logarítmica) YRange: Valor máximo, Valor mínimo, Paso (no aplicable si escala logarítmica)
Fig. 10 Configuración del análisis AC
Nota: Los iconos de la parte inferior izquierda permiten indicar que señales representar, si la escala será logarítmica o lineal, así como si los datos se representarán como una tabla o como una señal.
En cualquier momento podemos representar una señal diferente de la que nos propone MICROCAP o bien modificando directamente en el menú YExpression, si conocemos la numeración del nodo o haciendo uso de “sondas”.
Para conocer la numeración del nodo que queremos representar usaremos la opción disponible en la barra de herramientas y que se muestra en la siguiente figura.
Fig. 11 Visualización numeración de los nodos
Fig. 12 Detalle para visualización de numeración de nodos
Para usar “sondas” iremos al menú AnalysisàAC probe y seleccionaremos los terminales oportunos o componente de interés.
Fig. 13 Uso sonda AC
Fig. 14 Resultado uso sonda AC
Para salir de esta vista seleccionaremos menú Probe à Exit Probe Para salir de la simulación iremos a ACàExit AC Analysis
Análisis TRAN
Seleccionamos menú Analysis à Transient y en la ventana que se abre configuraremos el análisis indicando en Time Range el valor final de la simulación y elegimos las expresiones a representar al igual que en el caso del análisis AC.
De nuevo podemos utilizar una “sonda” para representar las señales deseadas. En este caso iremos al menú Analysis à Probe Transient
Fig. 16 Uso de la sonda Transient
Para salir de la simulación iremos a TransientàExit Transient Analysis
Análisis DC
Menú Analysis à DC
En este caso podremos realizar o bien un análisis paramétrico o bien un barrido de DC. En el menú de configuración del análisis (Fig. 13) vemos que los parámetros son análogos a los de los análisis anteriores pudiéndose además elegir la variable a utilizar del menú desplegable.
Fig. 17 Configuración análisis DC, selección de variable.
Para salir de la simulación iremos a DCàExit DC Analysis
3. Uso de dispositivos no ideales o no proporcionados por MICROCAP
En el apartado anterior hemos visto como incluir dispositivos pertenecientes a librerías que por defecto nos proporciona MICROCAP. Sin embargo, existe la posibilidad de incluir componentes reales no incluidos en las mismas. La forma más general y elegante pasa por la creación de una nueva librería o creación de un nuevo componente y su asignación a una determinada librería. (Capítulo 12 del manual de MICROCAP). Durante la creación del nuevo componente se incluirá el modelo SPICE (.cir) equivalente del componente en cuestión y que normalmente lo suministran los fabricantes.
Por otro lado para determinados componentes, como es el caso de los amplificadores, se puede optar por soluciones más sencillas y rápidas:
a. Uso de los componentes subckt e incluyendo en sus propiedades la netlist (.cir) equivalente del circuito o componente.
b. Uso de alguno de las primitivas genéricas disponibles MICROCAP y asignarle los valores correspondientes a un integrado comercial a las propiedades del mismo.
La primera de las opciones consistirá en lo siguiente: 1. Menú Componentà Analog Primitivesà Subckts
2. Elegir Opamp_subckt_5 u Opamp_subckt_7 a conveniencia.
3. Añadir el contenido de la netlist del correspondiente amplificador en el cuadro de texto.
Fig. 19 Detalle de las propiedades del subckt
Para la segunda opción se debe hacer lo siguiente:
Supongamos que queremos incluir in OPAMP no disponible entre los ofrecidos por la librerías del problema.
Fig. 20 Elección de Opamp genérico
Y en las propiedades elegir la opción generic para el modelo y completar los valores del mismo con los datos que nos suministra el datasheet para cada uno de sus parámetros.
Usar level =3
TYPE :1=NPN, 2=PNP, 3=NJFET
C Capacidad de compensación Ibias Corriente de polarización de entrada A Ganancia DC de bucle abierto VEE Tensión negativa de alimentación RoutAC Resistencia de salida AC VCC Tensión positiva de alimentación RoutDC Resistencia de salida DC VPS Rango de señal positivo
Voff Tensión de offset VPN Rango de señal negativo Ioff Corriente de offset de entrada CMRR Rechazo de modo común SRP Slew-rate positivo (V/S) GBW Producto ganancia ancho de banda SRN Slew-rate negativo (V/S) PM Margen de fase
PD Potencia disipada IOSC Corriente de salida en corto-circuito
Tabla 1. Definición de los parámetros del modelo genérico de un OPAMP Nota: Todos los parámetros deberán completarse en unidades naturales.
Parte 2: Enunciado y formulario de la práctica 1. Filtro RC paso de baja
a. Montar el circuito de la siguiente figura con los parámetros indicados
Fig. 19 Filtro RC (filtro paso de baja)
b. Simulación
c. Calcular el punto de operación del circuito y evaluar el valor de DC a la entrada y a la salida del circuito.
Vin V
Vout V
d. Hacer un análisis de AC y representar el bode del circuito propuesto. Rellenar la tabla con los valores correctos.
Ganancia DC dB Frecuencia 3dB Hz Fase en frec. 3dB º C=10pF R=1Kohms DC = 1V AC = 1V A= 0.5 V f= 10KHz
e. Hacer análisis transitorio para una entrada de una A=0.5V y f=10KHz y representar 4 periodos de la señal de salida. Dibujar la señal obtenida indicando amplitud y frecuencia.
f. Repetir el análisis de nuevo para f=100MHz. Dibujar la señal obtenida indicando de nuevo la amplitud y la frecuencia y razonar la diferencia con respecto al apartado c.
2. Montaje en Seguidor
a. Montar el circuito de la figura siendo el OPAMP de la figura el circuito integrado ICL7612B del fabricante MAXIM y cuyo datasheet puede descargarse en https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ICL7611-ICL764X.pdf
b. Completar la tabla de parámetros que se suministra haciendo uso del datasheet. Al incluir los parámetros en el modelo, MICROCAP generará dos nuevos terminales VCC, VEE que no será necesario polarizar ya que esto se habrá hecho en el propio modelo.
C Capacidad de compensación 30p Ibias Corriente de polarización de entrada A Ganancia DC de bucle abierto VEE Tensión negativa de alimentación
RoutAC Resistencia de salida
AC 50 VCC
Tensión positiva de alimentación
RoutDC Resistencia de salida
DC 75 VSP Rango de señal positivo Voff Tensión de offset VSN Rango de señal negativo
Ioff Corriente de offset de
entrada CMRR Rechazo de modo común
SRP Slew-rate positivo
(V/S) GBW
Producto ganancia ancho de banda
SRN Slew-rate negativo
(V/S) PM Margen de fase 60
PD Potencia disipada 125m IOSC Corriente de salida en
corto-circuito 125m -+ ICL7612B Vin RL=47Kohms Vout
c. Elegir las tensiones de polarización para el correcto funcionamiento del circuito.
VEE V
VCC V
VDCIN V
d. Evaluar el punto de polarización del circuito e indicar sobre la figura los diferentes valores. Vin deberá escogerse para poder realizar los análisis siguientes
e. Calcular el bode del esquema propuesto e indicar el GBW y la ganancia
GBW Hz Ganancia dB -+ ICL7612B Vin RL=47Kohms Vout
f. Hacer un análisis transitorio y representar la salida frente a la entrada (mostrar 4 ciclos de la señal)
g. Indicar parámetros de Vin con los que se han realizado las simulaciones anteriores.
