eat/dte 20051 programa de simulaciÓn: spice icap4 demo (25 meg)

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PROGRAMA DE SIMULACIÓN:

SPICE

ICAP4 demo (25 Meg)

http://www.intusoft.com/demos.htm

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SIMULACIÓN CAD DE UN CI

Un Programa de Simulación permite predecir el comportamiento de un circuito para diferentes estímulos.

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SIMULACIÓN CAD DE UN CI

Necesidad del CAD para Análisis de CIs : Análisis Clásico :

Esquema Eléctrico Análisis Teórico Fabricación Prototipo Comprobación

:Prueba/Error 

Análisis de CIs : Tamaño Circuito (VLSI : > 10.000 comp/chip) Características Específicas de un CI (Cparásitas,

dimensiones físicas,...)

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SIMULACIÓN CAD DE UN CI

Fabricación prototipo: Absurdo Elevados costes Necesidad de Programas de Tratamiento de

Ecuaciones Posibilidad de Análisis en diferentes

situaciones: temp, dispersión,....

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SPICE

Programa Standard Simulación Eléctrica de CIsSimulation Program with Integrated Circuit Emphasis  

Desarrollado por grupo CAD de la Un. de California, Berkeley.Versión SPICE2 : Tesis Doctoral de NAGEL, 1975.

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SPICE

Versiones primeras en FORTRAN (18.000 líneas) Actualmente en C

Amplio uso en Industria / Educación

Opera en Grandes Sistemas Ordenadores Personales (PC)

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TIPOS DE ANÁLISIS :

DC , en continua .Ruido Transitorio .Fourier AC, en alterna .Variaciones con

Temp.

Basado Análisis nodal Modificado.

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ANÁLISIS DC en continua :

Análisis de continua o en régimen estacionario (L c.c. y Cc.ab.).

Se calculan: las tensiones DC de todos los nodos las corrientes suministradas por todas las fuentes la potencia total consumida

Se realiza previamente a un análisis en AC o Transitorio.

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ANÁLISIS TRANSITORIO : Análisis de respuesta en función del tiempo.

Tipos de señales aplicadas (tensión/corriente): un pulso sinusoidal amortiguada lineal a tramos ….

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ANÁLISIS AC, en alterna : Análisis de pequeña señal para entradas sinusoidales.

Las fases típicas son : 1. Análisis en DC para determinar punto de

operación 2. Linealización de los modelos no lineales. 3. Cálculo de la salida para diferentes frecuencias.

La salida típica Función de transferencia.

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OPERACIÓN CON SPICE

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Título Línea Componente

Descripción del circ. Componentes + Modelos

Netlist Señales aplicadas Línea Componente

Tipo de Análisis ¨ DC, AC,.... Petición de Resultados

Opciones .End

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Ejemplo :

* Circuito prueba VDD 3 0 5v VIN 1 0 0v R1 3 2 10K M1 2 1 0 0 MODN .MODEL MODN NMOS

. DC VIN 0 5 .O5 .PRINT V(2) V(1)

.END

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NOTACIÓN UNIDADES

T 1E 12 K 1E13 N 1E1-9 G 1E 9 M 1E -3 P 1E -12 MEG 1E 6 U 1E -6 F 1E -15 MIL 25.4E-6

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CONVENIOS

Cada elemento se define mediante una sentencia : nombre, nodos a los que se conecta y su valor campos opcionales.

Los nodos se numeran con enteros positivos El nodo 0 se reserva para la conexión de "tierra" Todo nodo ha de tener al menos 2 conexiones (que

incluyan un camino DC a tierra) No se permiten lazos de fuentes de tensión ni de

inductores. Los nombres constan de una letra reservada + un

máximo de 7 caracteres

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Descripcion de elementos de un circuito.

A cada elemento se les asigna un nombre (hasta 8 caracteres).

La primera letra distingue a un elemento de otro :

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C capacidad R resistencia L inductor V fuente de tensión independiente I fuente de corriente independiente E fuente de tensión controlado por tensión H fuente de tensión controlado por corriente F fuente de corriente controlado por corriente G fuente de corriente controlado por tensión

Descripcion de elementos de un circuito.

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D diodo Q transistor bipolar (BJT) J transistor de efecto de campo de

unión (JFET) M transistor de efecto de campo metal-

óxido-semiconductor (MOS)

Descripcion de elementos de un circuito.

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Elementos Pasivos Resistencias

R------N1 N2 valor [TC=TC1[,TC2] Ejemplos: R1 1 2 1K

RFUENTE 15 32 1MEG

Capacidades C----- N+ N- valor[POLY] valor [C1,[C2..]] [IC=v-

inic] Ejemplos:: C2 5 0 10UF

CFILTRO 15 32 33U IC=12V

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Fuentes independientes Tensión

Vnombre N+ N- [[DC]valor] [ACmagval[faseval]] [TRANTIPO tpar1...]

Valor en DC por defecto 0v y pueden usarse como "Amperímetro”

Valor en AC para análisis de pequeña señal (normal magnitud =1 y fase 0º)

Trantipo especifica el tipo de señal para un análisis en transitorio.

Ejemplos: VCC 5 0 5VVIN 1 0 DC 1 AC 1 PULSE 0 1

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Fuentes independientes Corriente

Inombre N+ N- [[DC]valor] [AC magval[faseval]] [TRANTIPO tpar1...]

Valor en DC por defecto 0A y la corriente del nodo + al -. Valor en AC para análisis de pequeña señal (normal la

magnitud =1 y fase= 0º). Trantipo especifica el tipo de señal para un análisis en

transitorio.

Ejemplos: IFUENTE 5 0 5MAIIN 1 0 DC 1 PULSE 0 1MA

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Generadores para régimen transitorio.

Son generadores de señal dependientes del tiempo. Existen 5 tipos

Pulso Sinusoidal PWL ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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1. Pulso

PULSE v1 v2 td tr tf pw per Genera una señal tipo "tren de pulsos"

Parámetro Valor por defecto v1 tensión inicial se debe especificar (v,A) v2 tensión del pulso se debe especificar (v,A) td tpo de retardo 0.0 (sg) tr tpo de subida TSTEP (sg) tf tpo de bajada TSTEP (sg) pw anchura del pulsoTSTOP (sg) per periodo TSTOP (sg)TSTEP, TSTOP se definen en la sentencia .TRAN

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Generadores dependientes.

Tensión controlado por tensión Tensión controlado por corriente Corriente controlado por tensión Corriente controlado por corriente

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Elementos semiconductores.

DIODO Dnombre N+ N- modnombre [área] [OFF] [IC=vd]

N+, N- son los nodos asociados al ánodo y cátodo. área escala los parámetros del modelo (por def. vale 1) OFF establece que la condición inicial en análisis en DC. IC tensión inicial para un análisis transitorio (si existe la

sentencia UIC)

Ejemplos: D1 4 5 DN4114 OFFDRECT 1 2 DPOT

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Elementos semiconductores.

Importante !! Asociado a cada elemento semiconductor

debe existir una sentencia .MODEL en la que se le asocian valores a los parámetros del modelo correspondiente a dicho elemento.

Caso particular del diodo : .MODEL modnombre D (par1=pval1 par2 =

pval2 .....…)

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Elementos semiconductores.

Modelo del Diodo

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Elementos semiconductores.

Parámetros del modelo del Diodo

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Elementos semiconductores.

Ejemplo:

DZEN 4 2 DN753

.MOD DN753 D (RS=4.68 BV=6.10 CJO=3346P TT=50N M=.33 VJ=.75 IS=1E-11 N=11.27 IBV=20MA)

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Elementos semiconductores.

Análogamente con transistores: bipolares (BJT) FET/MOS

Versiones de Spice comerciales (Intusoft) y fabricantes de dispositivos proponen librerías de modelos.

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Otros Elementos: Macromodelos

Estos programas comerciales disponen de modelos para otro tipo de elementos de mayor nivel o módulos.

Ejemplo: El Amplificador Operacional.

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Descripción del tipo de Análisis.

Análisis en DC Análisis

Transitorio ……………..

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Análisis en DC. .DC src start stop incr [src2 start2 stop2

incr2]

src: Nombre Fuente Independiente src2: Se mantiene en cada barrido start: Valor de Comienzo.y se incrementa. stop : Valor Final incr: Incremento

unidades : voltios.

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Análisis en DC.

Realiza un análisis en DC para diferentes valores de la(s) fuente(s) especificada en la sentencia. Las cotas entre las que varía y el incremento asociado se detalla así mismo en dicha sentencia.

Para cada valor o "Punto de operación" , se pueden deducir tensiones y corrientes en diferentes nodos y ramas del circuito.

Ejemplo : .DC VIN 0.25 5.0 0.25 .DC VDS 0 10 .5 VGS 0 5 1 .DC VCE 0 10 .25 IB 0 10U 1U

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Análisis en DC.Análisis del Punto de Operación .OP

Determina el "Punto de operación" estacionario o en DC con las capacidades en c.ab. y los inductores en c.c.

Se calculan y almacenan las tensiones en todos los nodos y las corrientes asociadas a todas las fuentes de tensión (en todos los niveles de la jerarquía)

Este análisis se realiza por defecto previamente a un análisis transitorio (.TRAN) o a un análisis en AC (.AC).

En un análisis transitorio si existe la opción UIC no se realiza este análisis previo en DC.

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Análisis Transitorio. .TRAN tstep tstop [tstart [tmax]] [UIC]

tstep: intervalo de tiempo entre dos puntos consecutivos.

stop : límite tiempo final del análisis tmax: máximo incremento de tiempo de

cálculo.(unidades: segundos).

Calcula la respuesta del circuito en función del tiempo en el intervalo de tiempo especificado.

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Análisis Transitorio.

Las condiciones iniciales se determinan normalmente mediante un análisis DC previo (salvo si se aplica la opción UIC)

En el intervalo de tiempo [0 a tstop] se analiza el circuito y se almacenan los resultados en incrementos de valor tstep.

Si se especifica tstart se almacenan únicamente los valores de [tstart a tstop] mientras que en caso contrario se almacenan todos los valores de [0 a tstop]

Mediante tmax se especifica el máximo valor del intervalo de tiempo de cálculo de las soluciones (por defecto es (tstop-tstart)/50).

Ejemplo : .TRAN 50NS 1US .TRAN 10N 10U 9U 1N UIC

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RESULTADOS DE SALIDA

Fichero de salida generado .out contiene: Datos FECHA/HORA TITULO (el del fichero de entrada (.in)) Fichero completo de entrada : Parámetros de los modelos de los dispositivos

semiconductores. Valores de la tensión en nodos en DC (previo a

.TRAN y .AC) Lista tabulada de resultados (si

sentencia.PRINT) Representación gráfica de resultados (si

sentencia .PLOT)

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Sentencia .PRINT

.PRINT tipo var1 [ var2 .... varm] tipo: tipo de análisis. vari: Tensiones V(1), V(5,7), Corrientes

I(VDD),..… .PLOT totalmente análogo)

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Sentencia .PRINT Análisis en DC :

Nº columnas Tabla = Nº de vbles + Fuente DC Nº filas = Incrementos Especificados en .DC

Ejemplo : .PRINT DC V(1) V(5,7) I(VPUERTA)

Análisis Transitorio : Nº columnas Tabla = Nº de vbles + Tiempo Nº filas = Incrementos Especificados en .TRAN

Ejemplo : .PRINT TRAN V(6) I(VSENS) V(4,2)