Introduzione al simulatore SPICE

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1 Introduzione al simulatore SPICE Guida all uso del simulatore MULTISIM 2001 textbook edition di Electronics Workbench

2 Introduzione (1) Il simulatore SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) viene universalmente utilizzato per la simulazione di circuiti elettronici. E prodotto in numerose versioni, con differenti nomi, ad es. Pspice, Hspice, Spectre, Eldo, etc. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

3 Introduzione (2) Le differenti versioni si distinguono a livello di interfaccia grafica, funzioni accessorie, librerie di componenti. Il motore risolvente è però sempre lo stesso. Originariamente l interfaccia era solo testuale (linguaggio programmativo), oggi è praticamente solo grafica. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

4 Introduzione (3) Questa presentazione descrive: come definire un circuito quali sono le analisi possibili come vengono presentati i risultati regole base per un uso corretto della simulazione circuitale Fondamenti di Elettronica - A.A /40

5 Come definire un circuito (1) Il circuito viene disegnato in modo molto naturale attraverso una interfaccia grafica. E disponibile una collezione (ampia) di componenti predefiniti. A ciascun componente corrisponde un modello matematico, che però è normalmente nascosto all utente. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

6 Come definire un circuito (2) E comunque possibile accedere al modello e, se necessario, modificarne i parametri (alcuni). E possibile creare modelli di componenti attraverso un opportuno linguaggio programmativo (ad es. Verilog). Questa funzione non è supportata da tutti i simulatori SPICE. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

7 Come definire un circuito (3) Una volta disposti i componenti, essi vanno collegati tra loro come in un circuito fisico. Vanno collegati anche i generatori di alimentazione e le sorgenti di segnale (come in un circuito fisico). E sempre necessario identificare un nodo come riferimento per le tensioni nel circuito (GND). Fondamenti di Elettronica - A.A /40

8 Come definire un circuito (4) Le modalità pratiche per la definizione del circuito dipendono dalla particolare versione di SPICE in uso. Per illustrare il nostro caso, conviene considerare un semplice esempio. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

9 Come definire un circuito (5) Area di lavoro Librerie componenti Menu dei comandi Strumenti virtuali Fondamenti di Elettronica - A.A /40

10 Come definire un circuito (6) Selezionando una voce delle librerie componenti appare il relativo menu.. da cui scegliere il componente desiderato Fondamenti di Elettronica - A.A /40

11 Note Esistono numerose librerie di componenti. Multisim prevede modelli per: Componenti passivi Diodi Transistori (BJT, MOS, IGBT, ) Circuiti integrati (amplificatori operazionali, porte logiche, integrati complessi, ) I modelli dei componenti non sono tutti disponibili nella versione textbook. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

12 Note Multisim distingue tra componenti reali e componenti virtuali. I componenti reali replicano al meglio i componenti veri, riproducendo molte delle loro caratteristiche. I componenti virtuali sono componenti ideali, nel senso che minimizzano le non-idealità proprie dei componenti reali. Questi ultimi sono quindi vantaggiosi da usare in simulazioni di principio. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

13 Come definire un circuito (7) Una volta disposti i componenti sull area di lavoro, questi devono essere collegati. Per fare questo, con Multisim è sufficiente usare il mouse. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

14 Come definire un circuito (8) Quando si collegano due componenti, nella rete compare un nodo, identificato da un numero. Il simulatore richiede l indicazione del nodo di riferimento (GND), il cui numero è sempre 0. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

15 Note Come in un circuito reale, anche nello schema SPICE esistono dei vincoli sulla disposizione dei componenti, ossia: un circuito deve sempre avere un nodo di massa (GND), cui deve essere connesso ogni altro nodo da almeno un cammino DC; non possono essere connessi in parallelo due generatori di tensione senza resistenza serie o due generatori di corrente in serie senza resistenza in parallelo; non si possono lasciare nodi isolati. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

16 Come definire un circuito (9) Per specificare i valori dei componenti basta un doppio click sul componente stesso. Appare un menu di configurazione del componente, nel quale è possibile specificare molti parametri. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

17 Come definire un circuito (10) Una volta scelti i valori dei diversi componenti, la definizione del circuito è ultimata. Attraverso usuali comandi, disponibili nell apposito menu, è possibile salvare il file, attribuirgli un nome, etc. etc. Il passo successivo consiste nella scelta del tipo di analisi da effettuare. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

18 Tipi di analisi (1) DC Operating Point AC Analysis Transient Analysis Fourier Analysis DC sweep Parameter Sweep Temperature Sweep Fondamentali Accessorie Fondamenti di Elettronica - A.A /40

19 Tipi di analisi (2) DC Operating Point Questa analisi definisce il punto di lavoro in continua di un circuito. E usata per determinare le condizioni iniziali di componenti reattivi nelle simulazioni nel dominio del tempo, oppure i valori dei parametri di modelli linearizzati per le simulazioni di componenti non lineari (ad esempio nelle analisi AC). Fondamenti di Elettronica - A.A /40

20 Tipi di analisi (3) AC Analysis Sulla base dei parametri ricavati dall analisi DC, questa analisi elabora la risposta in frequenza di un circuito. Questa ha senso solo per sistemi lineari, quindi componenti non lineari eventualmente presenti vengono linearizzati dal simulatore. Ipotizza sorgenti di segnale sinusoidali. La frequenza è la variabile indipendente di questa analisi. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

21 Tipi di analisi (4) Transient Analysis Sulla base di condizioni iniziali ricavate dall analisi DC, o specificate dall utente, questa analisi elabora la risposta di un circuito nel dominio del tempo. Il tempo è cioè la variabile indipendente di questa analisi. L analisi in transitorio permette di valutare il comportamento di un circuito come si lo farebbe con un oscilloscopio su un circuito reale. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

22 Tipi di analisi (5) Fourier Analysis Permette la decomposizione delle forme d onda periodiche di un circuito nelle loro componenti armoniche. DC Sweep Esegue ripetute analisi DC in successione, considerando in ciascuna un diverso valore per una o più sorgenti DC presenti nel circuito Fondamenti di Elettronica - A.A /40

23 Tipi di analisi (6) Parameter Sweep Permette la ripetizione in successione di una delle analisi fondamentali, considerando per ciascuna istanza un diverso valore di un parametro definito come variabile. Temperature Sweep Opera come la precedente, con la differenza che il parametro variabile è in questo caso la temperatura del circuito. I modelli di molti componenti riproducono fenomeni legati alla temperatura. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

24 Note Qualunque sia l analisi scelta, è necessario definire una serie di parametri prima della sua esecuzione. La qualità del risultato è sempre legata alla scelta dei parametri della simulazione. Ogni simulazione produce comunque solo i risultati che i modelli dei componenti utilizzati sono in grado di generare. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

25 Note Dopo aver creato un circuito e scelto il tipo di analisi, il simulatore calcola i dati che rappresentano il risultato della simulazione. L esecuzione di una simulazione è la soluzione numerica di un sistema di equazioni che descrive il circuito in esame. Per creare tale sistema, ogni componente viene rappresentato da un modello matematico. L accuratezza dei modelli determina direttamente la qualità del risultato, ossia la sua vicinanza con il comportamento di un circuito reale. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

26 Note Il modello matematico di un circuito è un sistema di equazioni differenziali non lineari. Un qualunque simulatore SPICE trasforma questo sistema in un sistema equivalente di equazioni algebriche. Il sistema così ottenuto viene linearizzato con il metodo di Newton-Raphson modificato. Il sistema lineare risultante viene risolto, in modo numericamente efficiente, attraverso fattorizzazione LU. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

27 Tipi di analisi (7) Nel nostro semplice circuito, scegliamo come esempio l analisi in transitorio (Transient Analysis). Esiste un opportuno menu di configurazione accessibile dal menu comandi, selezionando la voce Simulate. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

28 Tipi di analisi (8) I parametri fondamentali da specificare sono: l intervallo di tempo da simulare (TSTART e TSTOP); il massimo intervallo di tempo fra due punti calcolati di ciascun segnale (TMAX): determina la risoluzione temporale della simulazione; le variabili di uscita (i.e. cosa vogliamo vedere). Fondamenti di Elettronica - A.A /40

29 Tipi di analisi (7) Nel nostro circuito, scegliamo TSTOP=2ms TMAX=1µs Fondamenti di Elettronica - A.A /40

30 Tipi di analisi (8) Nel nostro circuito, scegliamo di visualizzare Tensioni ai nodi 1 e 3 Fondamenti di Elettronica - A.A /40

31 Visualizzazione dei risultati (1) Nel menu di configurazione dell analisi, si definiscono le variabili di uscita. Queste vengono automaticamente mostrate da un sottoprogramma grafico (denominato Grapher) che parte alla fine della simulazione. Si tratta di un sottoprogramma ricco di opzioni e possibili modalità di funzionamento, quindi molto flessibile. E attivabile anche indipendentemente, dal menu comandi selezionando la voce View e poi Show Grapher. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

32 Visualizzazione dei risultati (2) In alternativa, il simulatore offre un insieme di strumenti virtuali (selezionabili dal menu strumenti). Ciascuno di questi riproduce le funzionalità di un analogo strumento reale. Per utilizzare questi strumenti, basta collegarli, come si farebbe con strumenti reali, al circuito. Avviando la simulazione, lo strumento si attiva automaticamente. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

33 Visualizzazione dei risultati (3) Nel caso di simulazione in transitorio, uno strumento virtuale adatto è l oscilloscopio. Usando l oscilloscopio non è necessario specificare esplicitamente le variabili di uscita nel menu di configurazione dell analisi. Inoltre, una volta avviata, la simulazione continua indefinitamente, come se si trattasse di un circuito reale. Per arrestare la simulazione si deve usare un apposito interruttore, che spegne il circuito. L uscita dell oscilloscopio viene comunque riprodotta anche da Grapher. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

34 Visualizzazione dei risultati (4) Esempio di visualizzazione delle tensioni ai nodi 1 e 3 tramite Grapher. Si nota la tipica risposta oscillatoria smorzata del circuito in esame. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

35 Visualizzazione dei risultati (5) E possibile zoomare per mettere in evidenza dei dettagli. Lo zoom si attiva automaticamente delimitando la zona di interesse con il mouse. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

36 Visualizzazione dei risultati (6) Esempio di visualizzazione delle tensioni ai nodi 1 e 3 tramite Oscilloscopio. Esiste un menu di configurazione dello strumento che riproduce il pannello di un oscilloscopio reale. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

37 Visualizzazione dei risultati (7) Il simulatore offre ulteriori possibilità di visualizzare i risultati, sia usando strumenti virtuali, sia usando Grapher. In generale esistono modalità di visualizzazione specifiche per ciascun tipo di analisi. Una volta ottenuti i dati, la simulazione è conclusa. Naturalmente, con Grapher è possibile salvare le forme d onda acquisite o esportare i dati verso altri programmi, ad es. Excel o MathCad. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

38 Regole d uso (1) Il simulatore fornisce sempre un risultato approssimato, i.e. quello che si vede con il simulatore non è la realtà! Non si può usare il simulatore per scoprire come funziona un circuito ignoto. Bisogna sempre sapere, almeno qualitativamente, quale risultato aspettarsi prima di eseguire la simulazione. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

39 Regole d uso (2) Solo così si può capire se il risultato ottenuto abbia senso oppure se ci trovi di fronte a qualche errore. L errore più comune è l introduzione di valori errati nei componenti o nei parametri della simulazione. In seconda battuta, è possibile un errata definizione del circuito, i.e. lo schema non riproduce il circuito reale. Fondamenti di Elettronica - A.A /40

40 Regole d uso (3) Se non si tratta di nessuno dei precedenti, allora è possibile che non si fosse capito il funzionamento del circuito. Non bisogna mai accettare il risultato della simulazione senza saperlo giustificare! Se non si riesce a giustificare il risultato in alcun modo, allora l origine del problema può essere nei modelli utilizzati. Normalmente però le differenze dovute ad inaccuratezze dei modelli sono relative ad aspetti di dettaglio del funzionamento di un circuito. Fondamenti di Elettronica - A.A /40