Apostila Orcad

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Curso Introdut´ orio de OrCAD 9.2 Programa de Educa¸ c˜ ao Tutorial - Engenharia El´ etrica Novembro de 2009 1 Sum´ ario 1 Introdu¸c˜ ao 3 2 PSpice A/D 2.1 Breve Hist´orico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Simula¸c˜ao de Circuitos no PSpice A/D . . . . . 2.2.1 T´ıtulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Declara¸c˜oes de Dados . . . . . . . . . . . 2.2.3 Declara¸c˜oes de An´alise Padr˜ao . . . . . . 2.2.4 Declara¸c˜oes de Controle de Sa´ıda . . . . 2.2.5 Declara¸c˜oes de Fim . . . . . . . . . . . . 2.3 Erros de Convergˆencia . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Solu¸c˜oes de Convergˆencia em Transientes 2.3.2 Solu¸c˜oes para Convergˆencia DC . . . . . 2.3.3 Solu¸c˜oes de Convergˆencia AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Capture 3.1 Como iniciar o desenho de um circuito? . . . . . . . . . 3.2 Adicionando componentes . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Circuitos el´etricos em regime DC . . . . . . . . . . . . 3.4 Simulando o circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Varredura DC com varia¸c˜ao de parˆametros . . . . . . . 3.6 Circuitos el´etricos em regime permanente AC . . . . . 3.7 Fontes Controladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7.1 Fonte de Tens˜ao Controlada por Tens˜ao (E) . . 3.7.2 Fonte de Tens˜ao Controlada por Corrente (H) . 3.7.3 Fonte de Corrente Controlada por Tens˜ao (G) . 3.7.4 Fonte de Corrente Controlada por Corrente (F) 3.8 Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Transiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10 Corrente Alternada Trif´asica . . . . . . . . . . . . . . . 3.11 Diodo Semicondutor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12 Transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.13 Amplificadores Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 6 6 15 18 20 20 21 22 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 23 24 28 29 34 35 37 37 37 38 38 38 40 41 42 43 44 4 Layout Plus - IHM 4.1 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 1a Etapa - Esquem´atico . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 2a Etapa - Defini¸c˜ao de normas de trabalho . . . . 4.4 3a Etapa - Defini¸c˜ao do desenho dos componentes . 4.5 4a Etapa - Dimens˜ao da placa e posicionamento dos 4.6 5a Etapa - Configura¸c˜ao para regras de roteamento 4.7 6a Etapa - Roteamento e cria¸ca˜o do plano de terra . 4.8 7a Etapa - Documenta¸c˜ao da PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 48 49 50 51 52 53 55 59 5 ANEXO 1 - Especifica¸c˜ oes Layout 5.1 Engemauticos ind. e com. Ltda . . . . . . . 5.2 Microw - circuitos impressos Ltda . . . . . . 5.3 Largura de tilha vs. intensidade de corrente 5.4 Tabela de Convers˜ao de medidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 61 62 63 64 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Introdu¸c˜ ao O OrCAD ´e um pacote que possui v´arias ferramentas utilizadas para an´alise, simula¸ca˜o ou confec¸c˜ao de placas de circuito impresso. O pacote est´a dividido em alguns softwares, entre estes: Capture CIS, Layout Plus, PSpice AD, PSpice Model Editor e PSpice Optimizer. O que ´ e o Capture? Capture ´e o componente do pacote OrCAD destinado a` cria¸ca˜o dos diagramas dos circuitos el´etricos. O que ´ e Layout Plus? O OrCAD Layout ´e uma ferramenta para desenvolver o layout de placas de circuitos impresso que possui automatizadas todas as fun¸co˜es necess´arias para confeccionar rapidamente. O que ´ e PSpice AD? O OrCAD PSpice A/D ´e um programa de simula¸ca˜o que modela o comportamento de um circuito el´etrico, que pode conter componentes anal´ogicos e/ou digitais. Ele pode ser utilizado em conjunto com o Capture para simular o comportamento de um circuito esquem´atico. O que ´ e PSpice Model Editor? O Pspice Model Editor ´e utilizado para a edi¸c˜ao dos modelos usados nas simula¸co˜es do PSpice. O que ´ e PSpice Optimizer? O PSpice Optimizer torna autom´atico o processo iterativo de re-simula¸ca˜o, fazendo com que ele otimize os parˆametros para o projeto. 3 2 PSpice A/D 2.1 Breve Hist´ orico A ferramenta PSpice A/D presente no pacote OrCAD ´e um software utilizado na simula¸c˜ao de circuitos anal´ogicos e digitais (Analog/Digital). O programa ´e a vers˜ao SPice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) desenvolvida pela Microsim Corporation a fim de rodar em computadores pessoais, da´ı a letra P no in´ıcio do nome. A primeira vers˜ao do PSpice foi lan¸cada no ano de 1984, e a Microsim foi respons´avel pelo seu desenvolvimento at´e a vers˜ao 8.0. Em seguida, a Microsim foi comprada pela empresa OrCAD que, posteriormente, foi vendida a` Cadence Design Systems. Entretanto, v´arios softwares dedicados a` an´alise de circuitos el´etricos foram desenvolvidos at´e chegarmos `a vers˜ao PSpice que conhecemos hoje. Entre esses programas, podemos citar: • BIAS 1970: Programa desenvolvido na Universidade da Calif´ornia (UC) com a fun¸ca˜o de observar o efeito da varia¸ca˜o de temperatura em circuitos transistorizados simples. • CANCER 1971: Tamb´em desenvolvido na Universidade da Calif´ornia (UC) por uma equipe de alunos de p´os-gradua¸c˜ao coordenados por Ronald A. Rohner. O programa foi elaborado com base nos estudos acerca das t´ecnicas de descri¸ca˜o de circuitos e de solu¸ca˜o das equa¸c˜oes obtidas. • SPice, SPice2, SPice3 1980: O projeto SPice ´e de autoria de Laurence W. Nagel, da Universidade da Calif´ornia (UC). O software SPice2 ´e a base de todas as ferramentas de simula¸ca˜o atuais baseadas em SPice. A grande diferen¸ca entre o PSpice A/D e as ferramentas Capture CIS e Layout Plus, como veremos ao longo do curso, est´a no modo como os circuitos s˜ao descritos, e na forma como os resultados s˜ao mostrados ao usu´ario: abandonam-se os recursos gr´aficos, comumente utilizados, e utiliza-se o modo texto. Isso normalmente afasta do PSpice aqueles que est˜ao come¸cando a utilizar o OrCAD, no entanto, veremos que o processo ´e bastante simples e pr´atico. Figura 1: S´ımbolo do Pacote OrCAD 2.2 Simula¸ c˜ ao de Circuitos no PSpice A/D De maneira bastante simples, a simula¸c˜ao de um circuito no PSpice ´e feita de acordo com os passos listados no fluxograma abaixo: 4 Figura 2: Fluxograma para simula¸c˜ao de circuitos no PSpice A/D No entanto, iremos descrever passo a passo o processo de descri¸ca˜o e simula¸ca˜o de circuitos utilizando essa ferramenta. A cria¸ca˜o do arquivo de descri¸c˜ao do circuito a ser simulado pode seguir uma ordem de forma a manter a clareza do arquivo. Essa organiza¸c˜ao facilita o trabalho n˜ao apenas do usu´ario, mas tamb´em daqueles que futuramente ter˜ao contato com o arquivo. Sugere-se: • T´ıtulo • Declara¸co˜es de Dados • Declara¸coes de An´alise Padr˜ao • Declara¸co˜es de Controle de Sa´ıda • Declara¸ca˜o de Fim De acordo com o fluxograma da Figura 1, a cria¸c˜ao do arquivo de descri¸c˜ao do circuito ´e feita a partir do pr´oprio aplicativo. No entanto, tamb´em podemos editar esse arquivo a partir de algum editor de texto com o qual estamos familiarizados, como o Bloco de Notas, o MS-Editor, ou qualquer outro editor dispon´ıvel. Em ambos os casos (atrav´es do aplicativo ou por meio do editor de texto) a estrutura do arquivo ser´a a mesma. O importante aqui n˜ao ´e o ambiente no qual o arquivo ser´a criado, mas sim a extens˜ao na qual ele ser´a salvo. Agora, veremos a configura¸ca˜o t´ıpica de um arquivo de descri¸ca˜o de circuito no PSpice. 5 Figura 3: Estrutura do arquivo de descri¸ca˜o do circuito 2.2.1 T´ıtulo A primeira linha do arquivo sempre deve ser destinada ao t´ıtulo que identifica o circuito descrito. O t´ıtulo pode conter qualquer caractere1 (o programa aceita ´ quanto min´ usculos), desde que se utilize apenas a tanto caracteres MAIUSCULOS primeira linha. Caso um comando seja adicionado a esta linha espec´ıfica do arquivo, este ser´a desconsiderado e usado como t´ıtulo. 2.2.2 Declara¸co ˜es de Dados Ap´os o t´ıtulo, inicia-se a descri¸ca˜o do circuito para simula¸ca˜o. Antes de iniciarmos a descri¸ca˜o dos elementos de circuito, entretanto, ´e bom que tenhamos todos os n´os numerados, pois ´e atrav´es deles que iremos posicionar os componentes dentro do circuito. Aqui, ´e v´alido ressaltar que o n´o zero (0) ´e sempre a referˆencia ou terra. Cada linha representa um componente, sendo que a primeira letra ir´a indicar o tipo de elemento que se est´a incluindo ao circuito, como, por exemplo, V para fontes de tens˜ao, I para fontes de corrente e R para resistores. No entanto, linhas que iniciam com um asterisco (*) introduzem coment´arios2 , e linhas iniciadas por ponto final (.) representam comandos especiais do PSpice. Caso haja a necessidade do uso de fatores de escala no circuito, os dispon´ıveis s˜ao: Nomenclatura Representa¸cao Num´ erica 12 Tera 10 Giga 109 Mega 106 Kilo 103 Mili 10−3 Micro 10−6 Nano 10−9 Pico 10−12 Femto 10−15 1 Abrevia¸c˜ ao T G MEG K M U N P F O PSpice A/D n˜ ao ´e case sensitive, ou seja, a linguagem de programa¸c˜ao n˜ao faz distin¸c˜ao ´ entre caracteres MAIUSCULOS e min´ usculos. 2 Coment´ arios tamb´em podem ser inseridos ap´os o uso de ponto-e-v´ırgula(;). 6 De forma geral, os componentes mais utilizados em circuitos s˜ao declarados no arquivo conforme segue: Elementos Passivos • Resistor Rnome (n´ o+) (n´ o-) (valor)3 Exemplo: R1 1 2 1k • Capacitor Cnome [n´ o+] [n´ o-] [valor] [IC = tens˜ ao inicial] Exemplo: C2 3 4 2u ic=2v • Indutor Lnome [n´ o+] [n´ o-] [valor] [IC = corrente inicial] Exemplo: L3 5 6 8 ic=20m • Transformadores Lineares Knome L[indutorA] L[indutorB] [valor do acoplamento] Exemplo: Lx 2 3 500m Ly 5 4 400m Ktransf Lx Ly 0.98 Fontes Independentes • Fonte de Tens˜ao Vnome [n´ o+] [n´ o-] [tipo de onda] [valor] Exemplo: Vin 1 0 DC 5 • Fonte de Corrente Inome [n´ o+] [n´ o-] [tipo de onda] [valor] Exemplo: Iin 1 0 DC 2 NOTA: n´o+ e n´o- definem a polaridade da fonte. Correntes positivas, como sabemos, fluem do n´o+, atrav´es da fonte, para o n´o-. Cuidado com essa conven¸c˜ ao de n´ os. 3 Caso a unidade de medida n˜ ao seja especificada, ser´a tomada a unidade de medida padr˜ao da grandeza em quest˜ ao. Por exemplo: Capacitˆancia = Faraday (F); Resistˆencia = ohm (Ω); 7 Figura 4: Conven¸ca˜o de N´os ⇒ Tipos de Onda A onda (tens˜ao ou corrente, neste caso) pode ser apenas um valor constante (DC), ou pode, ainda, assumir outras formas: 1. Senoidal sin([V0] [VA] [F] [TD] [α]) Figura 5: Onda Senoidal A forma de onda sin faz com que a sa´ıda comece em [V0] e permane¸ca nesse valor durante [TD] segundos. Ent˜ao, a sa´ıda torna-se uma onda senoidal exponencialmente amortecida descrita pela equa¸ca˜o V = V 0 + V Ae−α(t−T D) sen(2(t − T D)) Caso os dois u ´ltimos parˆametros sejam omitidos, eles assumem o valor igual a zero. 2. Pulsante pulse([V1] [V2] [TD] [TR] [TF] [PW] [PER]) 8 Figura 6: Onda Pulsante A forma pulse faz a sa´ıda come¸car em [V1] e permanecer por [TD] segundos. A partir da´ı, a sa´ıda vai linearmente de [V1] a [V2] durante os [TR] segundos seguintes. A sa´ıda mant´em o valor [V2] por [PW] segundos. Retorna, ent˜ao, linearmente a [V1] em [TF] segundos. Permanece em [V1] por [[PER]([TR]+[PW]+[TF])] segundos e o ciclo volta a se repetir, excluindo os [TD] segundos iniciais. 3. PWL pwl([T1] [V1] [T2] [V2] ... [TN] [VN]) Figura 7: Onda PWL Um sinal PWL descreve uma forma de onda de composi¸c˜ao linear (ponto a ponto). Cada par de valores tempo-sa´ıda espec´ıfica uma inflex˜ao da forma de onda. A sa´ıda entre esses pontos de inflex˜ao ´e uma interpola¸c˜ao linear da corrente nesses pontos. 4. Exponencial exp([V1] [V2] [TRD] [TRC] [TFD] [TFC]) 9 Figura 8: Onda Exponencial Essa forma de onda, tamb´em usada em simula¸c˜oes, faz com que a corrente ou tens˜ao de sa´ıda seja [V1] para os primeiros [TRD] segundos. Em seguida, a sa´ıda muda exponencialmente de [V1] para [V2] com uma constante de tempo [TRC], em [TFD] segundos. Finalmente, a sa´ıda decai de [V2] para [V1] com uma constante de tempo [TFC]. O resumo abaixo mostra as ondas j´a expostas aqui, e tamb´em outras formas, com seus respectivos parˆametros. Figura 9: Formas de Onda e parˆametros para declara¸ca˜o no PSpice Fontes Controladas (Fontes Dependentes) • Fonte de Tens˜ao Controlada por Tens˜ao (FTCT) Enome [n´ o+] [n´ o-] [n´ o+ controle] [n´ o- controle] [ganho] Exemplo: Esource 2 4 3 6 2.4 [n´ o+ controle] e [n´ o- controle] s˜ao sempre em pares e definem um conjunto de tens˜oes de controle que s˜ao multiplicadas por [ganho]. 10 No exemplo acima, temos uma FTCT chamada source, situada entre os n´os 2 e 4 do circuito, sendo que a tens˜ao entre esses dois n´os ´e 2,4 vezes a tens˜ao entre os n´os 3 e 6. • Fonte de Tens˜ao controlada por Corrente (FTCC) Hnome [n´ o+] [n´ o-] [disp. de controle V] [transresistˆ encia] Nesse caso, a corrente atrav´es [disp. de controle V], multiplicada por [transresistˆencia], determina a tens˜ao de sa´ıda, onde [disp. de controle V] ´e uma fonte de tens˜ao independente, com uma tens˜ao diferente de zero entre seus terminais. Exemplo: Hin 1 2 Vsource 7.7 Para esse exemplo, atrav´es da FTCC chamada in, a corrente flui do n´o 1 para o n´o 24 , sendo que o valor de tens˜ao da fonte ´e igual `a 7,7 vezes o valor da corrente que circula atrav´es dos terminais da fonte de tens˜ao independente source. NOTA: Na teoria de circuitos, fontes controladas s˜ao comumente definidas como elementos constitu´ıdos por dois bra¸cos, onde o primeiro bra¸co ´e formado por um curto circuito (no caso de controle por corrente) ou por um circuito aberto (controle por tens˜ao), e o segundo bra¸co ´e constitu´ıdo pela fonte controlada. No entanto, o PSpice fornece a penas o valor da corrente que circula atrav´ es de fontes independentes de tens˜ ao. Por esse motivo, o software exige que um dos bra¸cos da fonte controlada por corrente seja formado por uma fonte de tens˜ao independente. • Fonte de Corrente controlada por Corrente (FCCC) Fnome [n´ o+] [n´ o-] [disp. de controle V] [ganho] Exemplo: F4 3 7 Vout 1.2 Aqui, a FCCC chamada de 4 possui corrente circulando do n´o 3, atrav´es dela, para o n´o 7, sendo que o valor dessa corrente ´e igual a 1,2 vezes o valor da corrente que circula entre os terminais da fonte de tens˜ao independente nomeada out. • Fonte de Corrente controlada por Tens˜ao (FCCT) Gnome [n´ o+] [n´ o-] [n´ o+ controle] [n´ o- controle] [transcondutˆ ancia] Exemplo: GfonteI 4 3 1 9 1.7 A fonte de corrente fonteI, conectada entre os n´os 4 e 3, com corrente fluindo do n´o 4 para o n´o 3, atrav´es da fonte, possui, circulando atrav´es de seus terminais, uma corrente igual a 1,7 vezes o valor da tens˜ao entre os n´os 1 e 9. Dispositivos Semicondutores Os modelos de dispositivos semicondutores necessitam de in´ umeros parˆametros. O conjunto de parˆametros do modelo de um dispositivo ´e definido em uma declara¸ca˜o 4 Note que, mesmo tratando-se de uma fonte, a corrente circula no sentido da queda de tens˜ao, ao contr´ ario de fontes independentes. 11 de modelo .model separada, e a ela ´e atribu´ıdo um nome u ´nico. Desse modo, a declara¸ca˜o de um dispositivo semicondutor em um arquivo .cir ´e feita em duas linhas (duas etapas): 1o Declara¸ca˜o do Dispositivo; 2o Declara¸ca˜o .model do modelo do dispositivo previamente declarado, feita como segue: .model [nome do modelo] [tipo] ([parˆ ametros]), onde [tipo] refere-se ao tipo de dispositivo, podendo ser: Referˆ encia Dispositivo D Diodo NMOS Transistor N-MOS PMOS Transistor P-MOS NJF JFET Canal N PJF JFET Canal P NPN Transistor Bipolar NPN PNP Transistor Bipolar PNP Al´em disso, o PSpice permite que se incorpore um arquivo ao c´odigo utilizando o comando .include. Esse comando possibilita incluirmos, por exemplo, uma biblioteca com modelos de dispositivos, tal como a modelos.lib. Nesse caso, n˜ao h´a a necessidade de colocarmos o modelo do dispositivo no c´odigo. Portanto, o dispositivo semicondutor pode ser adicionado ao arquivo em uma u ´nica linha. • Diodo Linha do Elemento: Dnome [n´ o+] [n´ o-] D[nome do modelo] Linha do Modelo: .model D[nome do modelo] D(IS= N= RS= CJO= TT= BV= IBV= ) O nome do elemento come¸ca com D para indicar que o dispositivo em quest˜ao ´e um diodo. O argumento [nome do modelo] ´e o nome do elemento especificado na linha do modelo. Os parˆametros especificam: a corrente de satura¸c˜ ao IS (default=10−14 A), o coeficiente de emiss˜ ao N (=1), a resistˆ encia s´ erie RS (=0Ω), a capacitˆ ancia de jun¸c˜ ao CJO (=0F), tempo de transi¸c˜ ao TT (=0seg), tens˜ ao reversa de ruptura (breakdown voltage) BV (=infinito) e a corrente reversa de ruptura IBV (= 10−10 A). Para uma descri¸ca˜o do modelo do diodo e de todos os seus parˆametros, consulte a se¸ca˜o 3.10 do livro texto Sedra/Smith. Caso um parˆametro n˜ao seja especificado, o valor default (entre parˆenteses) ´e usado. Exemplo de descri¸c˜ao de um diodo comercial 1N4148: Linha do Elemento: D1 4 0 D1N4148 Linha do Modelo: .model D1N4148 D (IS=0.1p RS=16 CJO=2p TT=12n BV=100 IBV=0.1p) • Transistores Bipolares 12 Linha do Elemento: Qnome [n´ oC] [n´ oB] [n´ oE] [nome do modelo] Linha do Modelo: .model [nome do modelo] NPN(ou PNP) (BF= IS= VAF=) O nome do elemento come¸ca com Q para referenciar um transistor de jun¸c˜ao bipolar (TJB). Os argumentos [n´ oC] [n´ oB] e [n´ oE] indicam os n´os aos quais est˜ao conectados o coletor, a base e o emissor, respectivamente. Assim como nos diodos, [nome do modelo] representa o nome do modelo de transistor bipolar especificado na linha de modelo. BF ´e o ganho de corrente em emissor comum β, IS ´e a corrente de satura¸c˜ ao e VAF ´e a tens˜ ao Early. Se nenhum valor for especificado, os valores default s˜ao utilizados (BF=100, IS=10−16 A e VAF=infinito). Outros parˆametros podem ser especificados, incluindo as capacitˆancias de jun¸ca˜o CJE (0p) e CJC (0p), os tempos de transi¸ca˜o TT (0seg) e TR (0seg), a resistˆencia de base RB (0Ω), de emissor RE (0Ω) e de coletor RC (0Ω). Para uma descri¸ca˜o mais completa do transistor bipolar e de todos os seus parˆametros, consulte a se¸ca˜o 4.16 do livro-texto Sedra/Smith. Exemplo de descri¸c˜ao do transistor NPN 2N2222A: Linha do Elemento: QTJB 1 2 Q2N2222A Linha do Modelo: .model Q2N2222A NPN (IS=14.34f XTI=3 EG=1.11 VAF= 74.03 BF=255.9 NE=1.307 ISE=14.34f IKF=.2847 XTB=1.5 BR=6.092 NC=2 ISC=0 IKR=0 RC=1 CJC=7.306p MJC=.3416 VJC=.75 FC=.5 CJE=22.01p MJE=.377 VJE=.75 TR=46.91n TF=411.1p ITF=.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10) • Transistores JFETS Linha do Elemento: Jnome [n´ oD] [n´ oG] [n´ oS] [nome do modelo] Linha do Modelo: .model [nome do modelo] NJF(ou PJF) (parˆ ametros=) Aqui, a letra J referencia um transistor JFET. [n´ oD] [n´ oG] e [n´ oS] indicam os n´os dos terminais dreno, gate e fonte, respectivamente. Entre os parˆametros deste dispositivo, podemos encontrar: VT0 (tens˜ao de limiar = -2V default para JFET N), BETA (coeficiente de transcondutˆancia = 10−4 A/V 2 ), LAMBDA (modula¸ca˜o de comprimento do canal = 0V −1 ), IS (corrente de satura¸ca˜o = 10−14 A), CGD e CGS (capacitˆancias de jun¸c˜ao gate-dreno e gate-fonte = 0p), RD e RS (resistˆencias oˆhmicas do dreno e da fonte = 0Ω). Para uma descri¸ca˜o mais completa do modelo do FET e de todos os seus parˆametros, consulte a se¸ca˜o 5.13 do livro-texto Sedra/Smith. • Transistores MOSFETS Linha do Elemento: Mnome [n´ oD] [n´ oG] [n´ oS] [n´ oB] [nome do modelo] L= W= Linha do Modelo: .model [nome do modelo] NMOS(ou PMOS) (parˆ ametros=) 13 Os transistores MOSFETS, dentro do PSpice, s˜ao identificados pela letra M. [n´ oD] [n´ oG] [n´ oS] e [n´ oB] representam, nessa ordem, os n´os de localiza¸c˜ao dos terminais dreno, gate, fonte e substrato.L e W servem para informamos o comprimento e a largura do dispositivo ao simulador. Esses dois parˆametros s˜ao, em geral, suficientes para especificarmos transistores discretos. No entanto, quando lidamos com circuitos integrados, ´e necess´aria a especifica¸c˜ao de v´arios outros parˆametros relacionados a` geometria do transistor. A se¸ca˜o 5.13 do livro-texto Sedra/Smith, traz detalhes a respeito dos parˆametros de dispositivos FETS, como j´a mencionado no trecho dedicado a transistores JFETS. NOTA referente aos dispositivos semicondutores: A id´eia de utilizarmos a simula¸ca˜o de circuitos el´etricos, ´e a obten¸ca˜o de resultados bastante pr´oximos aos valores reais antes de implementarmos o sistema fisicamente. Por esse motivo, a informa¸ca˜o dos parˆametros dos dispositivos ao software de simula¸ca˜o ´e de extrema importˆancia. No entanto, a menos que tenhamos um contrato firmado com a empresa fabricante do dispositivo a ser simulado, n˜ao teremos acesso aos parˆametros do mesmo. Para isso, encontramos em alguns endere¸cos da web, arquivos com fins educacionais que trazem especificados esses parˆametros. Desse modo, basta copiarmos esse arquivo e adicion´a-lo ao nosso arquivo .cir que ir´a simular o circuito com o dispositivo em quest˜ao. Abaixo, segue o arquivo texto retirado da p´agina http://www.mosis.com/cgibin/cgiwrap/umosis/swp/params/ami abn/n75q.prm, que traz os parˆametros de um dispositivo CMOS tipo N: .MODEL CMOSN NMOS LEVEL=3 PHI=0.700000 TOX=3.0500E-08 XJ=0.200000U + TPG=1 VTO=0.5705 DELTA=1.2520E+00 LD=1.7770E-09 KP=7.9173E-05 + UO=699.3 THETA=1.2260E-01 RSH=9.0910E-02 GAMMA=0.5623 + NSUB=1.2210E+16 NFS=6.5000E+11 VMAX=2.0250E+05 ETA=1.0560E-01 + KAPPA=1.9540E-01 CGDO=5.0000E-11 CGSO=5.0000E-11 + CGBO=3.2665E-10 CJ=2.7366E-04 MJ=5.4287E-01 CJSW=1.7362E-10 + MJSW=1.0000E-01 PB=9.9000E-01 Subcircuitos Muitas vezes, desejamos simular dispositivos mais complexos ou n˜ao disponibilizados pelas bibliotecas do software de simula¸ca˜o. No caso de amplificadores operacionais, por exemplo, n˜ao h´a um modelo SPICE pronto para descrevˆe-los, a n˜ao ser em bibliotecas espec´ıficas, como a modelo.lib. Mesmo assim, as in´ umeras formas diferentes de implementarmos um amplificador operacional (ou outro dispositivo) torna, em alguns casos, ineficiente o uso de tais bibliotecas. Em situa¸c˜oes como essas, usamos subcircuitos. Para entendermos o funcionamento dessa ferramenta, vamos implementar um multiplicador de tens˜ao, descrevendo um duplicador de tens˜ao e replicando essa descri¸ca˜o usando subcircuitos. Trecho da descri¸ca˜o do circuito: 14 Multiplicador de tensao .include modelo.lib *Subcircuito do duplicador .subckt dup 1 2 3 4 C1 1 3 100nf C2 2 4 100nf D1 2 3 D1N4148 D2 3 4 D1N4148 .ends *Descricao X1 1 0 2 3 X2 2 3 4 5 X3 4 5 6 7 Ven 1 0 0V do circuito dup dup dup sin(0 10 60Hz) A figura abaixo mostra o esquem´atico do circuito descrito acima: Figura 10: Esquem´atico de um duplicador de tens˜ao e de um multiplicador de tens˜ao 2.2.3 Declara¸co ˜es de An´ alise Padr˜ ao A simula¸ca˜o de um circuito eletrˆonico normalmente envolve a combina¸c˜ao de trˆes an´alises: ponto de opera¸ca˜o (an´alise DC); an´alise de transientes5 no dom´ınio do tempo; e an´alise para pequenos sinais AC. O Spice pode realizar diversos tipos de an´alises de circuitos.Entre as mais importantes podemos destacar: • An´alise DC n˜ao-linear: Calcula a curva de transferˆencia DC. • An´alise de transientes n˜ao-linear: Calcula a tens˜ao e a corrente em fun¸c˜ao do tempo quando um sinal grande ´e aplicado. 5 Transiente, em engenharia el´etrica, ´e um surto de tens˜ao el´etrica que ocorre num intervalo de tempo muito pequeno. 15 • An´alise linear AC: Calcula a sa´ıda em fun¸c˜ao da freq¨ uˆencia. Nesse tipo de 6 an´alise, um gr´afico de bode ´e gerado. • An´alise de Fourier: Calcula e plota o espectro de freq¨ uˆencias do circuito. • An´alise de Monte Carlo: Varia os valores dos componentes segundo uma distribui¸ca˜o estat´ıstica. A seguir, as declara¸co˜es de an´alise padr˜ao disponibilizadas pelo SPICE s˜ao mostradas de maneira mais detalhada. • An´alise DC A an´alise das tens˜oes e das correntes de um circuito no modo DC, ´e realizada considerando apenas a componente cont´ınua, sendo bastante empregada para a obten¸ca˜o da curva caracter´ıstica de componentes. Nesse caso, fontes AC e indutores s˜ao curto-circuitados, e capacitores s˜ao circuitos abertos. Esse tipo de an´alise normalmente ´e utilizado no estudo dos seguintes pontos fundamentais: – Ponto de opera¸c˜ao DC; – Parametriza¸c˜ao linearizada dos modelos; – Fun¸c˜ao de transferˆencia para pequenos sinais; – Sensibilidade para pequenos sinais; – Curvas de transferˆencia DC. .DC [vari´ avel varredura] [valor de partida] [valor final] [incremento] Onde: [vari´ avel varredura] ´e o nome de uma fonte independente de tens˜ao ou de corrente do circuito descrito. Essa fonte ´e percorrida linearmente de [valor de partida] a [valor final], num passo dado por [incremento]. [valor de partida] pode ser maior ou menor que [valor final], ou seja, a varredura pode ser processada em qualquer sentido. [incremento] deve ser sempre superior a zero. Exemplo: .DC I1 1m 10m 1m O exemplo promove uma varredura em CC para a fonte de corrente I1 do circuito, variando de 1mA a 10mA, em passos de 1mA. A varredura completa tamb´em pode especificar apenas um ponto, se desejado. Exemplo: .DC Vin 10 10 1 • An´alise AC Como observado anteriormente, a an´alise AC ´e realizada para a observa¸c˜ao do circuito no dom´ınio da freq¨ uˆencia. Atrav´es desse tipo de an´alise podemos obter: 6 A curva de bode ´e a ferramenta visual mais usada para o estudo de uma resposta em freq¨ uˆencia. 16 – Curva de resposta de filtros que variam com a freq¨ uˆencia; – An´alise de ru´ıdo e de distor¸c˜ao no circuito. .AC (LIN) ou (OCT) ou (DEC) [no de pontos] [(freq. de partida)] [freq. final] Onde: (LIN), (OCT) e (DEC) s˜ao palavras-chave que especificam o tipo de varredura conforme especificamos abaixo: (LIN): Varredura Linear. A freq¨ uˆencia varia linearmente de [(freq. de o partida)] at´e [freq. final]. [n de pontos] especifica o n´ umero de pontos a ser analisado na varredura. (OCT): Varredura em Oitavas. A freq¨ uˆencia ´e percorrida logaritmicamente o em oitavas. Nesse caso, [n de pontos] especifica o n´ umero de pontos a ser analisado por oitava durante a varredura. (DEC): Varredura em d´ecadas. A freq¨ uˆencia ´e percorrida logaritmicamente o em d´ecadas. Aqui, [n de pontos] ´e o n´ umero de pontos por d´ecada. Apenas um entre [LIN], [OCT] e [DEC] deve ser especificado dentro da an´ alise AC. O valor [freq. final] n˜ao deve ser inferior a [(freq. de partida)], e ambas devem ser superiores a zero. Assim como na an´alise DC, a varredura tamb´em pode especificar um u ´nico ponto. Exemplo: .AC LIN 101 100khz 200khz O exemplo acima ilustra uma resposta em freq¨ uˆencia linear, tendo 101 pontos distribu´ıdos na faixa de 200KHz. Exemplo: .AC LIN 1 100hz 100hz Aqui, uma solu¸ca˜o em regime permanente CA para uma rede com freq¨ uˆencia de 100Hz. • An´alise Transiente Realizada para observar o comportamento do circuito no dom´ınio do tempo. Equivale `a an´alise efetuada com o oscilosc´opio. Por isso, ´e o tipo de an´alise mais utilizado em simula¸c˜oes el´etricas, com o objetivo de obter: – Resposta de circuitos para sinais alternados ou pulsos; – An´alise de Fourier (conforme veremos a seguir). .TRAN [passo] [tempo final] (tempo sem imprimir) (UIC) A an´alise transiente calcula o comportamento do circuito no tempo, deste ´ o intervalo de tempo empregado para plotagem ou t=0 at´e [tempo final]. E impress˜ao dos resultados da an´alise. (tempo sem imprimir) ´e um parˆametro opcional, e serve para indicar o tempo a partir do qual a sa´ıda ser´a impressa. A palavra-chave UIC (Use Initial Conditions) faz com que o conjunto de 17 condi¸co˜es iniciais para capacitores e indutores especificados por IC seja considerado na an´alise. Exemplo: .TRAN 1n 100n. Efetua uma an´alise de transit´orio no intervalo de 0 a 100ns, com sa´ıda plotada ou impressa a cada intervalo de 1ns. NOTA acerca de condi¸coes iniciais: A declara¸ca˜o .IC ´e freq¨ uentemente usada para estabelecer as condi¸co˜es inicias a uma an´alise de transiente. Tem o formato .IC V([n´ o1])=[valor] V([n´ o2])=[valor] V([n´ on])=[valor]. Onde cada [valor] ´e uma tens˜ao associada ao [n´ ox] no tempo t=0 para a an´alise de transiente. Exemplo: .IC V(2)=5 V(5)=-4 V(3)=10. Estabelece as tens˜oes iniciais nos n´os 2, 5 e 3 do circuito, como sendo 5V, -4V e 10V, respectivamente, em t=0. • An´alise de Fourier A an´alise de Fourier produz uma decomposi¸ca˜o em componentes de Fourier, como resultado de uma an´alise transit´oria. Uma declara¸c˜ao .FOUR requer uma declara¸ca˜o .TRAN (conforme descrito acima). .FOUR [freq¨ uˆ encia] [lista de vari´ aveis de sa´ıda] [lista de vari´aveis de sa´ıda] ´e uma lista de uma ou mais vari´aveis de sa´ıda para as quais se deseja obter as componentes de Fourier. A an´alise de Fourier ´e feita a partir dos resultados da an´alise transit´oria para uma ou mais vari´aveis de sa´ıda especificadas. A partir destas tens˜oes ou correntes, a componente cc, a freq¨ uˆencia fundamental e as harmˆonicas de ordem 2 a 9 s˜ao calculadas. A freq¨ uˆencia fundamental ´e [freq¨ uˆ encia], que especifica o per´ıodo para a an´alise. A an´alise de transiente deve ter, pelo menos, 1/[freq¨ uˆ encia] segundos de dura¸ca˜o. Exemplo: .FOUR 10k V(5) I(7). Calcula as componentes de Fourier para as vari´aveis V(5) e I(7). A freq¨ uˆencia fundamental para a decomposi¸ca˜o, neste caso, ´e de 10KHz. 2.2.4 Declara¸co ˜es de Controle de Sa´ıda Antes de serem citadas as declara¸co˜es de sa´ıda, ´e importante ressaltarmos dois aspectos indispens´aveis para que as sa´ıdas escolhidas possam ser geradas corretamente. S˜ao eles: • O SPICE permite que apenas as correntes fluindo atrav´es de fontes independentes de tens˜ao sejam observadas, como j´a mencionado em NOTA referente a Fontes de Tens˜ao Controladas por Corrente. Tais correntes s˜ao especificadas na forma I(Vnome), em que Vnome ´e o nome da fonte de tens˜ao independente atrav´es da qual a corrente est´a fluindo. Se desejarmos observar uma corrente em um ramo no qual n˜ao h´a fonte de tens˜ao, devemos adicionar uma fonte de tens˜ao de 0V em s´erie com o ramo em quest˜ao para que, dessa forma, possamos medir a corrente que passa nessa fonte (corrente do ramo). 18 • Uma vari´avel do tipo tens˜ao ´e especificada como a tens˜ao diferencial entre dois n´os, na forma V(n´ o1,n´ o2). Caso um dos n´os seja omitido, assume-se o n´o terra (0V). • Plotagem A declara¸c˜ao .PLOT permite que os resultados de an´alises CC, CA e Transiente ,efetuadas ao longo do c´odigo, tenham sa´ıda na forma de plotagem em impressoras. .PLOT (DC) ou (AC) ou (TRAN) (vari´ avel de sa´ıda) ([limite inferior],[limite superior]) Conforme mostrado no formato de declara¸c˜ao acima, as an´alises DC, AC e Transiente s˜ao os u ´nicos tipos de an´alise que podem ser plotados, sendo que apenas um deles deve ser especificado por declara¸ca˜o. (vari´ avel de sa´ıda) ´e uma lista das vari´aveis de sa´ıda desejadas para plotagem, sendo que no m´aximo oito vari´aveis s˜ao permitidas em uma declara¸ca˜o .PLOT. O eixo X gerado ´e determinado pelo tipo de an´alise que est´a sendo plotado. Por´em, o eixo Y pode ter ([limite inferior],[limite superior]). Caso nenhum valor de limite seja especificado, o SPICE determinar´a automaticamente os limites de plotagem. Exemplo: .PLOT TRAN V(5) V(2) (0,5v) I(R1) I(VCC) (-5m,5m) O exemplo plota a resposta de transit´orio de V(5) e V(2) entre os limites 0V e 5V, e I(R1) e I(VCC) entre os limites -5mA e 5mA. • Impress˜ao A declara¸ca˜o .PRINT permite que resultados de an´alise CA, CC e Transiente saiam em forma de tabelas. .PRINT (DC) ou (AC) ou (TRAN) (vari´ avel de sa´ıda) De acordo com o formato de declara¸ca˜o acima, DC, AC e TRAN definem os tipos de an´alise que podem ter sa´ıda na declara¸ca˜o .PRINT. Um u ´nico tipo de an´alise deve ser especificado, assim como em .PLOT. (vari´ avel de sa´ıda) ´e uma lista das vari´aveis de sa´ıda desejadas. Ao contr´ario do que ocorre com a plotagem, aqui n˜ao h´a limite para o n´ umero de vari´aveis de sa´ıda. O formato da sa´ıda ´e determinado pela especifica¸ca˜o do comando .WIDTH, descrito abaixo. Exemplo: R(12). .PRINT DC V(1) R(12). Imprime os valores CC para V(1) e 7→Extens˜ ao: A declara¸ca˜o .WIDTH estabelece o tamanho da sa´ıda (tabela). .WIDTH OUT = [valor] 19 Onde [valor] ´e o n´ umero de colunas da tabela, e deve ser 80 ou 132, sendo que 80 colunas ´e o valor default para o programa. • An´alise Gr´afica A presen¸ca do comando .PROBE no arquivo de descri¸ca˜o do circuito faz com que seja gerado em disco um arquivo com extens˜ao .DAT, que cont´em os dados que ser˜ao utilizados pelo programa gr´afico PROBE. Ou seja, a an´alise gr´afica das grandezas do circuito simulado requer o comando .PROBE na descri¸c˜ao do arquivo .CIR. No entanto, as vers˜oes mais recentes do programa PSpice geram o arquivo .DAT automaticamente, sem a necessidade desse comando. Atrav´es do uso do comando .PROBE no arquivo .CIR, podemos gerar o arquivo .DAT de sinais pr´e-determinados, ou omitirmos os sinais e deixarmos que o software crie o .DAT para todos os elementos do circuito descrito. Exemplo: .PROBE I(Vin) I(VR2) I(VR3) O exemplo mostra que, ao final da simula¸ca˜o, a an´alise gr´afica ser´a poss´ıvel apenas em cima das correntes que circulam atrav´es das fontes Vin, VR2 e VR3. Caso o comando .PROBE fosse usado sem argumentos (sinais de corrente, no caso), o Spice iria gerar um arquivo .DAT para todos os elementos do circuito descrito na ocasi˜ao. 2.2.5 Declara¸co ˜es de Fim A declara¸c˜ao .END assinala o fim da descri¸c˜ao do circuito, sendo indispens´avel a qualquer arquivo .CIR. NOTA: N˜ao confunda as declara¸co˜es .ENDS e .END. A primeira delas marca o fim da descri¸ca˜o de um subcircuito. Sempre vem antecedida do comando .subckt. .END finaliza o circuito completo. Deve ser sempre a u ´ltima linha do arquivo .CIR. 2.3 Erros de Convergˆ encia Tendo em vista que o simulador Spice gera um sistema de equa¸c˜oes ´ıntegrodiferenciais a partir da an´alise nodal ou de malhas do circuito descrito, e resolve esse sistema de equa¸co˜es utilizando m´etodos num´ericos, ent˜ao, n˜ao s˜ao raras as vezes em que o software depara-se com erros de convergˆencia durante a simula¸c˜ao. Entre os cuidados comuns a serem tomados durante a descri¸c˜ao do circuito a ser simulado podemos destacar: • Verifique se todas as conex˜oes do circuito s˜ao v´alidas, se as polaridades est˜ao corretas e se existe um caminho DC de qualquer n´o para o n´o terra; • Verifique se todos os componentes est˜ao com seus valores indicados corretamente (por exemplo, MEG ao inv´es de M(mili) para indicarmos a potˆencia 106 . Componentes sem um valor atribu´ıdo s˜ao colocados com valores default determinados pelo simulador; • Verifique se todos os parˆametros dos modelos s˜ao realistas, principalmente se o modelo foi criado ou editado por vocˆe; 20 • Verifique se todos os n´os possuem duas conex˜oes; • Verifique se as fontes de tens˜ao e de corrente est˜ao com a sintaxe correta e com valores apropriados; • Use um equivalente s´erie no lugar dos capacitores e das fontes de corrente que estiverem em s´erie; • Verifique se a letra O n˜ao foi usada no lugar do algarismo 0 (zero); • Verifique se os ganhos das fontes dependentes est˜ao corretos. 2.3.1 Solu¸c˜ oes de Convergˆ encia em Transientes • Verifique se a convergˆencia DC foi obtida; • Veja as mensagens de erro para verificar se o problema de convergˆencia pertence exclusivamente a` simula¸ca˜o do transiente; • Verifique se o passo de tempo fornece uma resolu¸ca˜o apropriada. O passo de tempo deve ser pequeno o suficiente para fornecer uma resolu¸ca˜o apropriada para as formas de onda de chaveamento geradas pela simula¸ca˜o. O passo temporal deve ser menor do que o per´ıodo mais curto da simula¸c˜ao. Por exemplo, em um oscilador de 100KHz o per´ıodo ´e de 10us, portanto, o passo de tempo deve ser inferior a esse valor. Outros fatores, tais como o tempo em ON, tamb´em devem ser considerados na hora de definirmos o passo. Uma vez que a convergˆencia tenha sido obtida, esse valor pode ser maximizado a fim de reduzir o tempo de simula¸c˜ao; • Para circuitos oscilat´orios ou de chaveamento, coloque METHOD=GEAR na declara¸ca˜o .OPTIONS. Isso seleciona o tipo de m´etodo de integra¸c˜ao que o Spice usa para resolver as equa¸co˜es de transiente. Deve ser usada para todos os circuitos de chaveamento. A integra¸ca˜o default, trapezoidal, tem a tendˆencia de produzir oscila¸c˜oes; • Adicione UIC (Use Initial Conditions) na declara¸ca˜o .TRAN, isso faz com que o simulador n˜ao realize a an´alise de ponto de opera¸ca˜o DC. Assim como no uso de NODESETS para a solu¸ca˜o de convergˆencia em an´alise DC, que ser´a vista a seguir, as solu¸c˜oes iniciais podem produzir solu¸c˜oes incorretas, por isso os resultados devem ser verificados; • Coloque ITL4=500 na declara¸ca˜o .OPTIONS. Isso aumenta o n´ umero de itera¸co˜es realizadas pelo Spice antes que um aviso de n˜ao-convergˆencia apare¸ca e que a simula¸ca˜o seja abortada; • Coloque RELTOL=.01 na declara¸c˜ao .OPTIONS. Isso diminui a precis˜ao da simula¸ca˜o incrementando a tolerˆancia de erro relativo necess´ario para a convergˆencia. Nunca deve ser menor do .01. O tempo de execu¸c˜ao da simula¸c˜ao tamb´em ´e reduzido com o incremento de RELTOL; • Aumente os tempos de subida e de descida de fontes pulsantes do circuito. Mudan¸cas dr´asticas na tens˜ao podem resultar em problemas de n˜ao-convergˆencia; 21 • Coloque RAMPTIME=10ns na declara¸ca˜o .OPTIONS. Isso faz com que todas as fontes independentes aumentem a partir de zero no in´ıcio da an´alise transiente. Tome o cuidado de permitir tempo suficiente para as fontes chegarem ao seu valor final para que n˜ao haja resultados errados. 2.3.2 Solu¸c˜ oes para Convergˆ encia DC • Coloque ITL1=400 na declara¸ca˜o .OPTIONS. Isso aumenta o n´ umero de itera¸co˜es realizadas pelo Spice antes que um aviso de n˜ao-convergˆencia apare¸ca e que a simula¸ca˜o seja abortada; • Adicione declara¸co˜es .NODESET. Tens˜oes podem ser atribu´ıdas aos n´os no desenho esquem´atico de mais alto n´ıvel. A tentativa inicial feita pelo Spice para determinar o ponto de opera¸ca˜o DC incorpora os NODESETS. Isso pode reduzir drasticamente o n´ umero de itera¸c˜oes necess´arias para a convergˆencia, aumentando a probabilidade de uma simula¸ca˜o convergente. Como mencionado acima, valores impr´oprios nos NODESETS podem resultar em resultados imprecisos. Deve-se tomar muito cuidado com declara¸co˜es .NODESET; • Use declara¸co˜es .PULSE para ligar fontes de alimenta¸ca˜o DC. Por exemplo, V1 3 0 5 DC torna-se V1 3 0 pulse 0 15. Isso permite ao usu´ario ligar as fontes de alimenta¸ca˜o. Um tempo de subida tamb´em pode ser usado para fornecer um comportamento mais realista; • Coloque GMIN na declara¸ca˜o .OPTIONS. Coloque GMIN=1n ou GMIN=1u. Isso atribui a condutˆancia m´ınima de todos os dispositivos semicondutores; • Coloque RSHUNT na declara¸ca˜o .OPTIONS. Essa op¸c˜ao coloca um resistor, com o valor atribu´ıdo globalmente por RSHUNT, entre todo n´o do circuito e o n´o terra. Uma solu¸ca˜o obtida usando esta t´ecnica de convergˆencia pode ser resultar em um ponto de opera¸c˜ao incorreto. Deve ser usado com cautela; • Coloque ITL6=100 na declara¸c˜ao .OPTIONS. Isso diminui todos os est´ımulos DC at´e que um ponto de opera¸c˜ao DC seja determinado ou que eles sejam reduzidos para zero volts. As tens˜oes s˜ao ent˜ao gradualmente incrementadas do ponto de opera¸ca˜o DC que convergiu (ou de zero volts) at´e o valor atribu´ıdo. O algoritmo usa os aumentos graduais na tens˜ao para estabelecer um novo ponto de opera¸c˜ao DC, usando o ponto DC anterior como tentativa inicial. Esse processo continua at´e que um ponto de opera¸ca˜o DC tenha sido estabelecido para os valores atribu´ıdos para os est´ımulos do circuito. 2.3.3 Solu¸c˜ oes de Convergˆ encia AC N˜ao use os passos 3 a 5 das solu¸c˜oes de convergˆencia DC. Usar esses passos pode n˜ao produzir um ponto de opera¸c˜ao v´alido, que ´e essencial para que o Spice linearize o circuito. Uma vez que tenha havido a convergˆencia DC, a an´alise AC tamb´em convergir´a. 22 3 Capture A figura abaixo demonstra a interface inicial do Orcad: 3.1 Como iniciar o desenho de um circuito? Para iniciarmos o desenho de um circuito a ser simulado, devemos ir at´e File, escolher a op¸c˜ao New e em seguida escolher Project, como ´e mostrado abaixo: 1. Project: Cria um novo projeto. Seguintes tipos espec´ıficos: Analog or Mixed A/D (PSpice design), PC Board Wizard (PCB design) Programmable Logic Wizard (CPLD or FPGA) ou Schematic (Blank schematic project). 2. Design: Cria um schematic folder, com uma schemetic page a qual ´e aberta pelo Capture atrav´es do schematic page editor. 3. Library: Cria uma nova biblioteca. 4. VHDL File: Utilizado para criar um novo arquivo VHDL, aberto no editor de texto do Capture. 5. Text File: Utilizado para criar um novo arquivo de texto, aberto no editor de texto do Capture. 23 6. PSpice Library: Gerencia Bibliotecas do PSpice. 7. Export Selection: Exporta objetos selecionados na schematic page para design ou library. 8. Import Selection: Importa os conte´ udos de arquivo criados com o comando Export Selection no menu File para o schematic page ativo. 9. Import Design: Importa os designs EDIF e PDIF. 10. Export Design: Exporta designs EDIF e schematics pages DXF . Devemos dar um nome ao projeto (escrito sem acento e sem espa¸cos entre as palavras), escolher a op¸ca˜o Analog or Mixed A/D para dircionar o projeto para um design anal´ogico ou com sinal misto. Al´em disso, devemos escolher a loca¸ca˜o do arquivo. 1. Name: Nome do novo projeto. Obs.: Devemos dar um nome ao projeto (escrito sem acento e sem espa¸cos entre as palavras). 2. Analog or Mixed A/D: Direciona o projeto para um design anal´ogico ou com sinal misto. 3. PC Board Wizard: Direciona o projeto para um design PCB. 4. Schematic: Cria um projeto b´asico contendo somente um arquivo de design. 5. Location: Local onde o arquivo gerado ser´a salvo. Obs.: as pastas escolhidas n˜ao devem conter acento ou espa¸cos entre elas. 6. Tip for New Users: Dicas para usu´arios sobre as op¸co˜es de projetos dispon´ıveis. 3.2 Adicionando componentes Para adicionar componentes, deve-se clicar em PLACE e escolher a op¸ca˜o PART, ou usar a tecla de atalho Shift+P, ou ainda clicar no ´ıcone Place part, localizado bem a` direita da tela. Com isso, aparecer´a a seguinte caixa de di´alogo: 24 1. Part: Especificar o nome do componente do circuito que se deseja encontrar. 2. Part List: Lista com o nome dos componentes existentes nas bibliotecas. ´ poss´ıvel selecionar uma ou mais bibliotecas a partir da lista de 3. Libraries: E bibliotecas dispon´ıveis. 4. Add Library: Adiciona novas bibliotecas. 5. Remove Library: Remove bibliotecas. 6. Part Search: Faz a busca de componentes nas bibliotecas existentes no programa. 7. Preview box: Mostra o desenho do componente selecionado. Nesta caixa de di´alogo vocˆe pode selecionar o componente desejado escrevendo o nome do referido componente no espa¸co PART. Podemos tamb´em adicionar uma biblioteca das que s˜ao mostradas nesta caixa de di´alogo clicando em Add Library, ou ainda procurar um determinado componente em todas as bibliotecas existentes no programa, ou dar o caminho da biblioteca desejada, clicando Part Search, como temos abaixo: Assim, de posse do componente desejado, basta clicar em OK para termos o componente selecionado na a´rea de trabalho. 25 Ap´os colocado o componente, basta clic´a-lo com o bot˜ao direito do mouse para termos uma s´erie de op¸c˜oes referentes a este componente, como mostrado abaixo: 1. Mirror Horizontally: Espelha o componente horizontalmente. 2. Mirror Verticaly: Espelha o componente verticalmente. 3. Rotate: Gira objetos selecionados no sentido anti-hor´ario. 4. Edit Properties: Abre o editor de propriedades onde o componente selecionado pode ser editado. 5. Edit Part: Use este comando para abrir a Part selecionada em uma janela e edit´a-la. 6. View Database Part: Visualiza os dados do componente selecionado. 7. Link Database Part: Relaciona os dados do componente com um arquivo ou modelo. 8. Edit PSpice Model: Edita o modelo do componente. 9. Edit PSpice Stimulus: Edita o est´ımulo dado por uma fonte de tens˜ao. 10. Descend Hierarchy: Utilizado para visualizar a schematic page. Este comando s´o est´a dispon´ıvel quando o componente est´a selecionado ou o bloco hier´arquico tem uma pasta ou arquivo schematic anexado. 11. Ascend Hierarchy: Use este comando para ver a origem da p´agina schematic ativa. Se a origem da schematic ´e aberta em outra janela, essa janela se torna ativa, caso contr´ario, ela abre em uma nova janela do editor da schematic page. 12. Zoom In: Use esse comando para ampliar a Schematic Page ou um componente. 13. Zoom Out: Use esse comando para diminuir o zoom da Schematic Page ou de um componente. 14. Go To: Posiciona o componente na tela do computador segundo um eixo de coordenadas. 26 15. Cut: Remove o objeto selecionado e coloca na ´area de transferˆencia. 16. Copy: Copia o objeto selecionado para a ´area de transferˆencia sem removˆe-lo da janela ativa. 17. Delete: Remove o objeto selecionado. A tabela a seguir mostra o edit properties: Figura 11: Op¸c˜oes do menu edit properties. 1. New Row: Adiciona uma nova coluna na planilha. 2. Color: Mostra a cor do objeto selecionado, que pode ser alterada. 3. Graphic: Op¸ca˜o para alternar a exibi¸ca˜o de um componente. 4. Part Reference: Nome ou n´ umero do componente. 5. Power Pins Visible: Oculta ou n˜ao os pinos de potˆencia. 6. Reference: Nome ou n´ umero do componente. 7. Value: Especifica o valor do componente. Obs.: O “label” e o valor da resistˆencia tamb´em podem ser alterados com um duplo clique na “letra R” do componente e no seu valor padr˜ao (1k), respectivamente, o que abre uma caixa de di´alogo, mostrada a seguir, onde alteramos o valor do resistor no campo Value: 27 Para fazer as conex˜oes entre os componentes, pode-se utilizar o comando Wire do menu Place, ou a tecla de atalho W, ou ainda clicar no ´ıcone Place wire, localizado bem a` direita da tela, abaixo do ´ıcone Place part. Para desenhar as conex˜oes, posicione a ponteira em forma de cruz no terminal do componente onde vocˆe deseja iniciar o tra¸cado e pressione o bot˜ao esquerdo do mouse, arrastando-o at´e chegar ao ponto ou terminal onde vocˆe deseja finalizar o tra¸cado, onde o bot˜ao esquerdo deve ser pressionado novamente. Para encerrar o comando wire, pressione o bot˜ao direito do mouse e escolha a op¸ca˜o End Wire, ou pressione esc. 3.3 Circuitos el´ etricos em regime DC Exerc´ıcio 01: Neste exemplo ser´a mostrado como calcular as tens˜oes em cada resistor, a corrente e a potˆencia total. Existem duas maneiras de medirmos a tens˜ao sobre os resistores. Para medir a tens˜ao sobre R2, utilizamos a ponteira Voltage Level, presente no menu principal. J´a para medir a tens˜ao sobre R1, utilizamos a ponteira Voltage Differential. A ponteira Voltage Level fornece uma tens˜ao medida em rela¸ca˜o ao GND, enquanto a Voltage Differential fornece a tens˜ao entre os terminais onde est´a posicionada. Para medir a corrente seguimos o mesmo procedimento, utilizando a ponteira current into pin, que apenas pode ser posicionada em um pino de um dos elementos do circuito. Esse circuito ser´a utilizado no projeto de instrumenta¸ca˜o, juntamente com um regulador de tens˜ao, a fim de fornecer a tens˜ao de eleva¸ca˜o necess´aria para o tratamento do sinal. 28 3.4 Simulando o circuito O PSpice pode ser utilizado para simular o circuito el´etrico de um esquem´atico do Capture, e com isso s˜ao obtidas diversas informa¸co˜es sobre o comportamento do mesmo, al´em de uma an´alise da forma de onda, fornecendo uma visualiza¸c˜ao dos resultados com boa resolu¸ca˜o gr´afica. O simulador permite plotar e multiplicar tra¸cos a serem exibidos, n˜ao s´o mostrando correntes e tens˜oes, mas tamb´em incluindo express˜oes matem´aticas com as tens˜oes e correntes assim como as Transformadas de Fourier destas express˜oes. Para simular um circuito, ´e necess´ario que todos os seus componentes tenham sido obtidos na biblioteca pspice,ou seja, que todos eles possuam um modelo de simula¸c˜ao, ou template. Outro fator importante a ser considerado ´e com rela¸ca˜o ao terra. O circuito somente poder´a ser simulado se o terra assumir o referencial zero (zero source). Pode-se fazer isso renomeando os terras para “0”. Realizados estes procedimentos,clique no menu Pspice em new simulation profile, e atribua um nome ao arquivo de simula¸ca˜o na seguinte caixa de di´alogo: Agora, com um clique no ´ıcone edit simulation settings, ou em edit simulation profile no menu Pspice, vamos estabelecer alguns parˆametros necess´arios a` simula¸c˜ao. Quando vocˆe clica no ´ıcone acima a seguinte caixa de di´alogo aparece: 1. Analysis type: Especifica o tipo de an´alise. O tipo determina as op¸co˜es que est˜ao dispon´ıveis na caixa de Op¸c˜oes. Inclui os seguintes tipos dde an´alise: Time Domain (Transient), DC Sweep, AC Sweep/Noise e Bias Point. 29 2. General Settings: Ao selecionar general settings pode-se usar os seguintes comandos: Run to time, Star saving data after, Maximum step size, e Output file options 3. Monte Carlo/Worst Case: Leva em considera¸ca˜o a tolerˆancia dos componentes. Para realizar esta simula¸c˜ao ´e necess´ario colocar a tolerˆancia dos componentes. 4. Parametric Sweep: Permite efetuar a varia¸ca˜o de parˆametros do circuito. 5. Temperature (Sweep): Simula o efeito da varia¸ca˜o de temperatura no circuito. 6. Save Bias Point: Salva pontos da simula¸cao. 7. Load Bias Point: Carrega pontos salvos em simula¸c˜oes anteriores. 8. Run to time: M´aximo tempo estipulado para a simula¸ca˜o. 9. Start saving data after: O tempo colocado neste campo determina a partir de quando a simula¸ca˜o come¸car´a. O tempo inferior ao valor colocado n˜ao aparecer´a no arquivo de simula¸ca˜o. 10. Maximum step size: Estabelece o tamanho m´aximo do intervalo de tempo entre cada ponto a ser calculado pelo simulador. 11. Output file options: Defini¸co˜es do tipo de arquivo que ser˜ao salvos os dados da simula¸ca˜o 12. General: Defini¸co˜es gerais da simula¸ca˜o. 13. Analysis: Poderemos escolher os tipos de an´alise (Transient, AC, DC, Bias), bem como as op¸c˜oes de cada an´alise (General Settings entre outras) e os parˆametros referentes a essas op¸c˜oes. 14. Include Files: Incluir arquivos para serem vari´aveis na simula¸ca˜o. 15. Libraries: Bibliotecas de simula¸ca˜o presentes. 16. Stimulus: Inclui um arquivo de Stimulus para testar valores de entrada no circuito. 17. Options: Defini¸co˜es de tempos e m´etodos de simula¸c˜ao. 18. Data Collection: Seleciona as medidas que se tem interesse de analisar no circuito. 19. Probe Window: Define propriedades da janela de simula¸ca˜o. Com os parˆametros acima selecionados, podemos realizar a simula¸c˜ao do circuito. Para tanto, basta clicar em Run, no menu Pspice. O OrCAD abrir´a ent˜ao uma janela do programa A/D, para permitir a visualiza¸ca˜o dos resultados da simula¸ca˜o. A figura abaixo apresenta o ambiente de visualiza¸c˜ao dos resultados do exemplo, como pode-se notar, as vari´aveis V(R1:1,R1:2) e I(R2) foram modificadas com o intuito de se obter uma melhor visualiza¸c˜ao: 30 Para a visualiza¸c˜ao de uma determinada forma de onda, na janela do Pspice A/D, basta clicar em add trace, no menu Trace, localizado na barra de ferramentas. A seguinte caixa de di´alogo abrir´a: Escolhe-se ent˜ao a forma de onda desejada e clica-se no bot˜ao OK. Pode-se escolher mais de uma grandeza ao mesmo tempo. Nesta caixa de di´alogo, constam todas as vari´aveis cujas formas de onda podem ser tra¸cadas. Cada vari´avel ´e identificada a partir do componente e do n´o ao qual ela est´a associada. O programa permite tamb´em que vocˆe plote express˜oes matem´aticas de acordo com o problema simulado. Para tanto, basta selecionar a opera¸c˜ao desejada no campo Functions or Macros e selecionar a grandeza desejada de modo que esta fique dentro dos parˆenteses desta express˜ao. Pode-se, tamb´em, simplesmente escrever a express˜ao desejada. A seguir, tem-se uma tabela das fun¸co˜es encontradas no simulador: 31 O simulador permite tamb´em que seja plotado mais de um gr´afico na mesma tela. Para isso, vocˆe deve ir ao menu Plot e selecionar a op¸ca˜o Add Plot to Window. Com isso aparecer´a um novo par de eixos ordenados acima do j´a existente. Para a visualiza¸ca˜o de uma forma de onda, basta escolher a grandeza desejada, conforme j´a descrito anteriormente. Assim como ´e poss´ıvel adicionar novos gr´aficos, ´e poss´ıvel tamb´em excluir gr´aficos existentes, selecionando a op¸ca˜o Delete Plot no mesmo menu Plot. No menu Plot existem v´arias op¸c˜oes de manipula¸c˜ao de eixos ordenados de acordo com a necessidade de visualiza¸c˜ao. Para modificarmos estes eixos devemos selecionar a op¸ca˜o Axis Settings, ou ent˜ao clicar com o bot˜ao direito do mouse em qualquer dos eixos do grid (ret´ıcula) e escolher a op¸c˜ao Settings. Junto com esta op¸c˜ao, aparece tamb´em a op¸ca˜o Properties, que permite editar a cor, o padr˜ao e a largura do eixo. Podemos visualizar a janela Axis Settings na figura abaixo: Figura 12: Plot−→Axis Settings 1. Spacing: Define espa¸camento entre os grids para as escalas linear e logar´ıtmica. 2. Grids (Major): Define os espa¸camentos entre os grids principais. 32 3. Ticks inside plot edge: Pontos dentro das arestas das curvas da simula¸ca˜o. 4. Numbers outside plot edge: Adiciona/Remove dados do eixo X. 5. Intervals between Major: Ajusta intervalo entre os grids secund´arios. 6. Grids (Minor): Define os espa¸camentos entre os grids secund´arios. 7. Ticks inside plot edge: Pontos dentro das arestas das curvas da simula¸ca˜o. Nesta caixa de di´alogo existe a op¸ca˜o Axis Variable, que permite escolher a vari´avel que ser´a representada no eixo X. Conseq¨ uentemente, o eixo Y representar´a a fun¸ca˜o que desejamos visualizar em rela¸c˜ao ao eixo X. Existem tamb´em as op¸co˜es scale (escala dos eixos, que pode ser linear ou logar´ıtmica, de acordo com a necessidade da simula¸ca˜o) e data range (faixa de dados, que permite a visualiza¸ca˜o de apenas uma parte da simula¸ca˜o, definida pelo usu´ario). Ainda no menu Plot, podemos adicionar eixos Y ao j´a existente, isto ´e poss´ıvel atrav´es da op¸ca˜o Add Y Axis, assim como podemos excluir eixos Y com a op¸c˜ao Delete Y Axis. A op¸ca˜o Label, tamb´em no menu Plot, permite que coloquemos nomes ou coment´arios nas formas de onda plotadas. Podemos escolher diferentes formatos de Label, tais como: texto, seta, c´ırculo e outros. Logo, a escolha depender´a do tipo de coment´ario e/ou descri¸c˜ao que ser´a feita na referida forma de onda. Dentro do simulador podemos, tamb´em, realizar medi¸co˜es de valores desejados. Isto ´e poss´ıvel ap´os a plotagem da forma de onda, quando escolhemos, na barra de tarefas, o ´ıcone (Toggle cursor ). Ap´os selecionarmos este ´ıcone, aparecer´a uma pequena janela referente aos valores a serem medidos, onde a coluna da esquerda indica valores correspondentes ao eixo X e a segunda, ao eixo Y. Ent˜ao, marcamos na forma de onda o ponto desejado e assim aparecer˜ao os valores referentes aquele ponto. N´os podemos, depois de fixado um ponto, deslocar o cursor ao longo da forma de onda a ser medida, de modo a obter qualquer valor referente a` mesma e a diferen¸ca entre os valores de um novo ponto e o ponto marcado anteriormente. Para fixar um ponto, basta clicar com o bot˜ao direito do mouse no local onde est´a o ponto desejado. Dica: Na simula¸ca˜o, para modificar a cor, padr˜ao, largura e s´ımbolo do tra¸co, basta clicar com o bot˜ao direito do mouse sobre o mesmo e selecionar o comando Properties. O comando Information fornece informa¸co˜es a respeito da simula¸ca˜o que o originou. Exerc´ıcio 02: Determine a potˆencia entregue pela fonte. 33 Figura 13: Circuito do exerc´ıcio 2. Exerc´ıcio 03: Determine a resistˆencia equivalente vista pela fonte. Figura 14: Circuito do exerc´ıcio 3. 3.5 Varredura DC com varia¸c˜ ao de parˆ ametros O OrCad permite efetuarmos a varia¸c˜ao de parˆametros do circuito. Para isso, deve-se selecionar o ´ıcone (simulation settings) na barra de ferramentas e definir, na aba Analysis, os valores de praxe: Run to time e Maximum step size. Em seguida, na mesma aba, selecionamos o item Parametric Sweep e definimos qual componente do circuito sofrer´a a varredura, al´em dos valores inicial e final, do incremento e do tipo de escala, conforme mostrado na figura abaixo: Exerc´ıcio 04: 34 Verifique a influˆencia da varia¸c˜ao da fonte de tens˜ao DC sobre a tens˜ao de R3. Fa¸ca a tens˜ao da fonte V1 variar de 0 a 6V com um incremento de 0.1. Figura 15: Circuito do exerc´ıcio 4. 3.6 Circuitos el´ etricos em regime permanente AC Fonte de tens˜ao de entrada com a forma de onda do tipo SIN: VSIN forma geral: SIN (VOFF, VAMPL, FREQ, TD, DF, PHASE) Parˆ ametros VOFF VAMPL FREQ TD DF PHASE Descri¸c˜ ao Tens˜ao de offset Amplitude (valor de pico) Frequˆencia Atraso Fator de amortecimento Fase Unidade Default Volt Nenhum Volt Nenhum Hertz 1/TSTOP Segundos 0 Segundos−1 0 Graus 0 Comportamento da forma de onda: Per´ıodo de tempo Valor 0 at´e TD VOFF + VAMPL.sin(2π.P HASE/360o ) TD at´e TSTOP VOFF + VAMPL.sin(2π.(F REQ(time − T D) + P HASE/360o )).e−(time−T D).DF Exerc´ıcio 05: Insira os seguintes parˆametros na fonte senoidal e observe o comportamento da tens˜ao sobre o resistor R1 por um tempo m´aximo de 60ms. Obs.: Este circuito faz parte do projeto de instrumenta¸c˜aoo, servindo como divisor resistivo para entrada dos sinais dos sensores afim de adequar o sinal aos limites de satura¸ca˜o do amplificador operacional. VAMPL V1 = 44V, VOFF = 0V, FREQ = 60Hz, TD = 1e-3, DF = 5e2, PHASE = 30◦ VAMPL V2 = 2V, VOFF = 0V, FREQ = 10kHz, TD = 1e-3, DF = 5e2, PHASE = 0◦ 35 Figura 16: Circuito do exerc´ıcio 5. Podemos tamb´em utilizar outras formas de onda (degrau, triangular, quadrada,...). VPULSE forma geral: VPULSE (V1, V2, TD, TR, TF, PW, PER) Parˆ ametros V1 V2 TD TR TF PW PER Descri¸c˜ ao Tens˜ao inicial Tens˜ao de pico do pulso Atraso Tempo de subida Tempo de queda Largura de pulso Per´ıodo Unidade Valor Padr˜ ao Volt Nenhum Volt Nenhum Segundos 0 Segundos TSTEP Segundos TSTEP Segundos TSTEP Segundos TSTOP Exerc´ıcio 06: Insira os seguintes parˆametros na fonte pulso e observe o comportamento da tens˜ao sobre o resistor R1 por um tempo m´aximo de 3ms. V1 = 0V, V2 = 5V, TD = 1ms, TR = 0.1ms, TF = 0.1ms, PW = 0.3ms, PER = 1ms Figura 17: Circuito do exerc´ıcio 6. Exerc´ıcio 07: Modifique os parˆametros da fonte VPULSE acima, a fim de obter uma forma de onda triangular. Exerc´ıcio 08: Plote IR1 e VL1 e observe a defasagem entre a tens˜ao e a corrente no indutor. 36 Figura 18: Circuito do exerc´ıcio 8. Exerc´ıcio 09: Determine o fator de potˆencia da associa¸c˜ao abaixo. Figura 19: Circuito do exerc´ıcio 9. Para determinar o fator de potˆencia do circuito, podemos plotar as formas de onda da tens˜ao da fonte e da corrente que circula pelo circuito. Utilizando o Toggle Cursor podemos medir a defasagem ∆t em segundos e editar a express˜ao de um tra¸co para que ele realize a opera¸c˜ao F P = cos(2πf.∆t). 3.7 3.7.1 Fontes Controladas Fonte de Tens˜ ao Controlada por Tens˜ ao (E) Para inserir este tipo de fonte no seu circuito, adicione a biblioteca DATACONV e procure por E em part. Os n´os (+) e (-) da fonte de tens˜ao s˜ao os n´os de sa´ıda. A tens˜ao de sa´ıda deste tipo de fonte ´e determinada pela tens˜ao entre os terminais de controle. O “(+) controlling node e o (-) controlling node” s˜ao em pares e definem o controle de voltagem. Os n´os de sa´ıda e de controle devem ser necessariamente diferentes. Defina o ganho (GAIN ) desta fonte clicando duas vezes sobre o seu s´ımbolo. 3.7.2 Fonte de Tens˜ ao Controlada por Corrente (H) Os nos (+) e (-) da fonte de tens˜ao s˜ao os n´os de sa´ıda. A tens˜ao de sa´ıda deste tipo de fonte ´e determinada pela corrente que atravessa os terminais de controle. O ganho ´e definido clicando duas vezes sobre o seu s´ımbolo. 37 3.7.3 Fonte de Corrente Controlada por Tens˜ ao (G) Os n´os (+) e (-) da fonte de corrente s˜ao os n´os de sa´ıda. Correntes positivas atravessam a fonte do n´o positivo at´e o negativo. A tens˜ao entre os terminais de controle determina a corrente de sa´ıda. 3.7.4 Fonte de Corrente Controlada por Corrente (F) Os n´os (+) e (-) da fonte de corrente s˜ao os n´os de sa´ıda. Correntes positivas atravessam a fonte do n´o positivo at´e o negativo. A corrente que atravessa os terminais de controle determina a corrente de sa´ıda. Exerc´ıcio 10: Monte o circuito abaixo, que cont´em uma fonte de tens˜ao controlada por corrente de ganho 20, e me¸ca a tens˜ao sobre o resistor R3. Figura 20: Circuito do exerc´ıcio 10. Exerc´ıcio 11: Monte o circuito abaixo, que cont´em uma fonte de corrente controlada por tens˜ao com ganho 10, e me¸ca a corrente no resistor R3. Figura 21: Circuito do exerc´ıcio 11. 3.8 Transformadores Exerc´ıcio 12: Construa o transformador a partir do uso de indutores com acoplamento. Obs.: Para construir o transformador ´e necess´ario usar o componente KL inear, que fornece o coeficiente de acoplamento entre as bobinas do prim´ario e do secund´ario. O componente KL inear se encontra na Library Analog. 38 Figura 22: Circuito do exerc´ıcio 12. Exerc´ıcio 13: Utilize agora o transformador dispon´ıvel na Library Analog. Figura 23: Circuito do exerc´ıcio 13. Obs.:A rela¸ca˜o de transforma¸c˜ao pode ser ajustada na propriedade COUPLING. Por exemplo, se quisermos uma rela¸ca˜o de transforma¸c˜ao de 10:1, basta ajustar o valor da propriedade COUPLING para um valor igual a 0.1. Por este m´etodo s´o conseguimos representar o transformador como abaixador. Para utiliz´a-lo como elevador, usa-se um artif´ıcio para determinar os valores das indutˆancias do transformador, de forma a utiliz´a-lo como elevador. Atrav´es da f´ormula: L1 .(V2 )2 = L2 .(V1 )2 pode-se ajustar os valores de L1 e L2 de forma a obter uma o transformador como elevador. Ex.: Para uma entrada 110V e sa´oda 220V, precisaremos de uma rela¸ca˜o de L2 = 4L1 . ´ necess´ario tamb´em inserir um resistor de valor reduzido entre a fonte e o E transformador, al´em de ajustar o valor das reatˆancias indutivas do prim´ario e do secund´ario. Ex: 0.1mH 39 Exerc´ıcio 14: Monte o circuito de uma fonte DC, utilizando uma ponte de diodos, e observe a forma de onda na entrada e na sa´ıda do retificador. Figura 24: Circuito do exerc´ıcio 14. Exerc´ıcio 15: Construa agora uma fonte DC com filtro. Observe a ondula¸c˜ao da tens˜ao de sa´ıda (Ripple). Figura 25: Circuito do exerc´ıcio 15. 3.9 Transiente O OrCAD lhe fornece uma op¸c˜ao quando ´e preciso que uma parte do circuito entre em funcionamento em um dado instante, ou ainda, quando outra deixe de ser alimentada; o recurso que lhe permite tal agilidade ´e chamado de chave (Swt open e Swt close). Para inserir este componente no circuito, proceda da seguinte maneira: clique sobre o bot˜ao Place Part (na paleta de ferramentas) e selecione a biblioteca AN LM ISC. Swt Open : abre no tempo especificado tOpen Swt Close : fecha no tempo especificado tClose Exerc´ıcio 16: Plote a forma de onda da tens˜ao no resistor e a corrente no circuito depois de S2 ser fechada e S1 ser aberta em t=1ms. 40 Figura 26: Circuito do exerc´ıcio 16. Exerc´ıcio 17: Determine VC(t), IC(t) e IR2(t). Defina o tempo de simula¸ca˜o igual a 5s. Figura 27: Circuito do exerc´ıcio 17. 3.10 Corrente Alternada Trif´ asica No OrCAD n˜ao existe uma fonte trif´asica. Por isso, em exerc´ıcios que requerem tal tipo de fonte, devemos utilizar trˆes fontes monof´asicas devidamente defasadas. Exerc´ıcio 18: Determine as correntes I1, I2 e I3. Figura 28: Circuito do exerc´ıcio 18. Exerc´ıcio 19: Verifique que a corrente de linha permanece a mesma se a liga¸ca˜o for em delta e o valor de cada impedˆancia for multiplicado por 3. 41 Exerc´ıcio 20: Observe o comportamento da tens˜ao na carga quando uma fase ´e desligada. Figura 29: Circuito do exerc´ıcio 20. Exerc´ıcio 21: Observe as formas de onda na sa´ıda da fonte trif´asica e na carga R1. Figura 30: Circuito do exerc´ıcio 21. Exerc´ıcio 22: Encontre a potˆencia total perdida por Efeito Joule na linha de transmiss˜ao representada abaixo. Figura 31: Circuito do exerc´ıcio 22. 3.11 Diodo Semicondutor Exerc´ıcio 23: Levante a curva caracter´ıstica do diodo, ou seja, plote a curva I x V. 42 Figura 32: Circuito do exerc´ıcio 23. Para levantar tal curva, devemos efetuar uma varredura DC (DC Sweep), variando o valor da fonte de tens˜ao V1, de 0 a 1.5V, com incremento de 0.01V. Para melhor visualiza¸ca˜o, ajuste a escala de corrente para um valor m´aximo de 5A. Ap´os ter realizado esta simula¸ca˜o, simule o efeito da varia¸ca˜o de temperatura sobre o diodo. Para isto, no item Options do menu Simulation Settings, ao inv´es de marcar a op¸ca˜o Parametric Sweep, marque a op¸c˜ao Temperature Sweep e defina as temperaturas desejadas. Exerc´ıcio 24: Observe como se comporta a tens˜ao no resistor em rela¸ca˜o a` fonte CA. Figura 33: Circuito do exerc´ıcio 24. 3.12 Transistores Exerc´ıcio 25: Gere uma onda quadrada utilizando uma fonte VPULSE e a seguir aplique esta tens˜ao `a base do transistor. Observe que o transistor se comporta como uma chave. 43 Figura 34: Circuito do exerc´ıcio 25. Exerc´ıcio 26: Verifique que na configura¸c˜ao indicada abaixo o transistor atua como um amplificador de pequenos sinais. Para isso, compare a tens˜ao na carga com o pequeno sinal alternado de entrada, determinando o ganho em dB do amplificador na faixa de frequˆencias baixas e intermedi´arias. Observe que para as altas frequˆencias o ganho ´e atenuado devido `as capacitˆancias internas do transistor (modelo π-h´ıbrido). No menu Simulation Settings, escolha o tipo de an´alise como sendo AC Sweep/Noise e atribua ao gr´afico uma escala logar´ıtmica com 10 pontos por d´ecada, iniciando com a frequˆencia de 1Hz e terminando com 10MHz. Simule o circuito com as ponteiras indicadas na figura abaixo. Elimine os tra¸cos anteriores (apenas para melhorar a visualiza¸ca˜o), adicione um novo tra¸co a` simula¸ca˜o e edite sua express˜ao para 20*LOG10(V(C1:2)/V(V2:+)). Assim, fica determinado o ganho em dB do amplificador na faixa de frequˆencias estabelecida, sendo o ganho nas intermedi´arias igual a 20dB, que corresponde a um ganho de tens˜ao igual a 10. Altere a frequˆencia de t´ermino para 10GHz e verifique a atenua¸ca˜o que o ganho sofre. Figura 35: Circuito do exerc´ıcio 26. 3.13 Amplificadores Operacionais Exerc´ıcio 27: Observe o comportamento do amplificador conversor (Tens˜ao/Corrente) na figura abaixo. A fonte de tens˜ao e o divisor resistivo de entrada representam o sensor e a queda tens˜ao que deve se ter para adequa¸ca˜o do sinal aos limites de opera¸ca˜o do amplificador operacional. Este tipo de topologia ´e usado em transmiss˜oes a longa distancia, em que as relativamente pequenas tens˜oes de sinal s˜ao suscept´ıveis a ru´ıdos eletromagn´eticos. 44 Figura 36: Circuito do exerc´ıcio 27. Exerc´ıcio 28: Observe o comportamento do amplificador “Bufferizado” indicado abaixo. Dica: Neste exemplo, utilizamos o recurso Place Port, onde escolhemos o componente PORTNO-R da biblioteca CAPSYM para facilitar as conex˜oes. Para alterar o “label” do componente, basta dar um duplo clique sobre ele com o bot˜ao esquerdo do mouse. Figura 37: Circuito do exerc´ıcio 28. Projeto Este ´e o projeto final de instrumenta¸ca˜o para a medi¸c˜ao de tens˜ao que foi proposto no in´ıcio do curso. Note que na entrada, onde est˜ao localizados os sensores, foi inserida uma fonte de tens˜ao operando a frequˆencia de 10 kHz, representado um ru´ıdo qualquer nesta frequˆencia. O amplificador de instrumenta¸ca˜o AD620 ´e um amplificador que possui entrada em modo diferencial, logo os ru´ıdos de modo comum existentes no sinal de entrada ser˜ao, teoricamente, eliminados neste est´agio da instrumenta¸ca˜o. Repare tamb´em que neste est´agio h´a uma fonte de tens˜ao “Bufferizada”, conectada ao pino “REF”, este pino permite que seja acrescida ao sistema uma tens˜ao de offset, o que ´e de grande utilidade ao nosso projeto pois os pinos do AD n˜ao suportam n´ıveis negativos de tens˜ao. 45 Figura 38: Projeto de um circuito para instrumenta¸ca˜o. 46 4 Layout Plus - IHM O projeto asseguir foi construido para ser uma IHM (interface homem-m´aquina) de um produto de uma certa empresa brasileira. As necessidades b´asicas deste projeto: 1. Display para exibi¸ca˜o de informa¸c˜oes 2. Quatro luzes para indica¸ca˜o de estados 3. Quatro pinos para serem entradas ou sa´ıdas O esquem´atico do projeto ´e apresentado na figura abaixo, juntamente com o design da PCB (Printed Circuit Boards - Placa de Circuito Impresso) proposto por um engenheiro desta empresa. Figura 39: Esquem´atico da IHM Componentes do esquem´atico acima: • Um display lcd de 16x2 com dois resistores acoplados na sa´ıda do backlight; • Um microcontrolador da freescale, MC9S08QG8; • Dois capacitores para filtrar ru´ıdos na alimenta¸ca˜o do microcontrolador; • Quatro LEDs de indica¸ca˜o com resistores para limita¸ca˜o de corrente; • Um regulador de tens˜ao de 5 volts para 3.3 volts (TPS7333Q) para a alimenta¸c˜ao do microcontrolador; • Um capacitor na entrada do regulador de tens˜ao para filtrar ru´ıdos; • Um conector de dois pinos paraentrada de alimenta¸c˜ao 5 volts; 47 Figura 40: PCB proposto • Um conector de seis pinos para quatro pinos de entrada e sa´ıda e dois para alimenta¸c˜ao. Detalhes do PCB acima: • A placa ´e face u ´nica; • Existe uma malha que conecta o terra do circuito, o plano de terra; • Existem somente dois furos para parafusos de apoio da placa; • O circuito n˜ao esta aproveitando totalmente a a´rea de cobre dispon´ıvel; • Existem poucos textos para documenta¸ca˜o na placa; • Os capacitores para filtro est˜ao longe do microconrolador. 4.1 Objetivo O objetivo ´e: Construir uma PCB com maior qualidade. O que seria uma placa com maior qualidade? Quais seriam as caracter´ısticas que um engenheiro deve levar em considera¸ca˜o na hora de desenhar uma PCB? Aonde s˜ao feitas PCBs? Qual ´e a deiferen¸ca entre placa de potˆencia e placa de sinal? 48 Para alcan¸car o objetivo acima proposto vamos passar por algumas etapas de projeto de PCBs, sendo estas: 1. Esquem´atico; 2. Defini¸c˜ao de normas de trabalho; 3. Defini¸c˜ao do desenho dos componentes; 4. Dimens˜ao da placa e posicionamento dos componentes; 5. Configura¸ca˜o para regras de roteamento; 6. Roteamento e cria¸ca˜o do plano de terra; 7. Documenta¸ca˜o da PCB. 4.2 1a Etapa - Esquem´ atico O esquem´atico do projeto deve ser criado no Orcad Capture para posteriormente ser exportado para o layout. 49 Figura 41: Esquem´atico da IHM 4.3 2a Etapa - Defini¸ c˜ ao de normas de trabalho Os dois tipos de sistemas de medidas mais usados s˜ao o sistema m´etrico e o sistema inglˆes. O primeiro utiliza metros como unidade de medida padr˜ao e o segundo utiliza polegadas. Ao criar um netlist (arquivos que cont´em informa¸c˜oes sobre tipos e valores dos componentes em um projeto, bem como sobre as liga¸co˜es entre eles) deve ser escolhido qual sistema de medidas que ser´a utilizado. 50 Figura 42: Criando uma Netlist Figura 43: Criando o arquivo de trabalho - o .max 4.4 3a Etapa - Defini¸ c˜ ao do desenho dos componentes A maioria das vezes quando se cria um novo arquivo .max aparece uma caixa de di´alogo pedindo para informar o footprint de certos componentes. Quando isto acontece deve-se escolher um footprint j´a existente na biblioteca ou criar um novo componente. 51 Figura 44: Selecionando os desenhos dos componentes Ap´os a escolha dos desenhos dos componentes, os mesmos s˜ao largados aleatoriamente na ´area de trabalho do Layout Plus. Figura 45: Posi¸ca˜o inicial dos componentes 4.5 4a Etapa - Dimens˜ ao da placa e posicionamento dos componentes Antes de dimensionarmos a placa devemos posicionar os componentes na posi¸ca˜o desejada, sempre cuidando para n˜ao deixar o roteamento imposs´ıvel. Com os componentes nos locais definidos podemos delimitar a a´rea a ser roteada na placa. Para isto utiliza-se Global Layer. 52 Figura 46: Componentes posicionados e placa dimensionada 4.6 5a Etapa - Configura¸c˜ ao para regras de roteamento As regras de roteamento de um projeto dependem diretamente do local aonde as placas s˜ao feitas, pois cada tecnologia de produ¸ca˜o de PCBs tem suas especifica¸co˜es. As placas deste projeto v˜ao ser feitas na empresa Engemauticos ind. e com. Ltda, cujas regras est˜ao no ANEXO 3. A primeira especifica¸ca˜o que deve ser feita ´e o tamanho das ilhas de cobre de cada componente. Nas especifica¸co˜es da Engemauticos a menor ilha recomendada ´e de 54 mils, mas n˜ao se ´e recomendado colocar a ilha menor existente, ent˜ao este ´e o tamanho m´ınimo que o projeto deve ter. 53 Figura 47: Configurando os Padstacks Figura 48: Padstacks configurados Uma importante configura¸ca˜o a ser feita ´e o tamanho m´ınimo, m´edio e m´aximo de trilha. Nos valores recomendados por Engemauticos o m´ınimo valor poss´ıvel ´e 8 mils, sendo que se deve evitar fazer trilhas t˜ao pequenas. 54 Figura 49: Configurando as Trilhas 4.7 6a Etapa - Roteamento e cria¸c˜ ao do plano de terra Ap´os a etapa de configura¸c˜ao das regras a serem aplicadas no design da placa, inicia-se o processo de roteamento, neste, todas as liga¸c˜oes f´ısicas feitas com o cobre devem ser desenhadas. 55 Como esta placa ´e de face u ´nica, deve-se utilizar a layer bottom para desenhar as linhas de conec¸ca˜o. Para se iniciar o roteamento deve-se selecionar a ferramenta Edit Segment Mode, juntamente com a layer desejada, no caso a bottom. Figura 50: Iniciando o roteamento Lembre-se: o roteamento iniciar´a com o tamanho de trilha definido na etapa 5, por´em ele pode ser alterado a qualquer instante. Figura 51: Diminuindo o tamanho da trilha 56 Ap´os o roteamento completo de todas as trilhas, a placa deve ficar parecida com a imagem abaixo. Figura 52: Possibilidade de design da PCB Note que nem todos os componentes est˜ao nos lugares definidos inicialmente, pois, ao iniciar o desenho da placa o engenheiro come¸ca a ver necessidades de mover componentes para tornar poss´ıvel o processo de roteamento. Agora que todas as trilhas foram desenhadas deve-se, se poss´ıvel, desenhar o plano de terra. O plano de terra ´e muito utilizado para amenizar ru´ıdos referentes a alta frequˆencia, al´em de ajudar na seguran¸ca quando h´a manipula¸c˜ao da placa com ela ligada. 57 Figura 53: Cria¸c˜ao do Plano de terra Ap´os a cria¸ca˜o do plano de terra, a placa deve ficar parecida com a imagem abaixo. Figura 54: Placa com plano de terra 58 Figura 55: Aparˆencia f´ısica da placa 4.8 7a Etapa - Documenta¸c˜ ao da PCB A u ´ltima etapa do projeto ´e a documenta¸c˜ao. Toda placa, industrial ou n˜ao, tem que ter uma boa documenta¸c˜ao, tanto para a identifica¸c˜ao dos componentes na hora da montagem, quanto para identifica¸ca˜o de por quem, quando e onde foi feita a placa. A document¸ca˜o pode ser feita utilizando duas principais layers: SSTOP - Utilizada para documenta¸ca˜o na parte de cima da placa, o TOP. SSBOT - Utilizada para documenta¸c˜ao na parte de baixo da placa, o BOTTOM. Sendo que esta placa ´e face u ´nica, a documenta¸ca˜o ser´a feita somente na parte da placa onde n˜ao haver´a cobre, o TOP. Figura 56: Camada de documenta¸ca˜o 59 Figura 57: Aparˆencia da placa finalizada A imagem acima mostra a placa final que deve ser enviada para produ¸c˜ao, com maior qualidade e profissionalidade. 60 5 5.1 ANEXO 1 - Especifica¸ c˜ oes Layout Engemauticos ind. e com. Ltda De : Para : ENGEMAUTICOS IND. E COM. Ltda Srs. Clientes Prezado(s) Senhor(s) Diante do fax/E-mail que se segue nos colocamos a disposi¸ ca ~o para fabrica¸ ca ~o de circuito impresso (PCIs). Placa em fibra de vidro (face simples ou com furo metalizado), fenolite, fura¸ c~ ao e corte CNC, doura¸ ca ~o (pente). A documenta¸ ca ~o pode ser enviada via fax, internet ou disquete. Quanto ao prazo de entrega : 10 dias ap´ os a confirma¸ ca ~o do pedido e entrega de documenta¸ c~ ao. Recomenda¸ c~ oes para " LIMITES M´ INIMOS E M´ AXIMOS" no projeto para fins contrutivos de circuito impresso, SENDO QUE O RECOMENDADO SER~ AO VALORES MAIORES QUE OS M´ INIMOS E MENORES QUE OS M´ AXIMOS : -Dimens~ oes m´ aximas da placa 320mm X 450mm; - Linha de corte = lado externo da linha de borda; - Dist^ ancia entre trilhas: (m´ ınimo) 10 mils; sob consulta 8 mils - Dist^ ancia entre trilha e ilha: (m´ ınimo) 10 mils; sob consulta 8 mils - Largura m´ ınima de trilha: 8 mils; - Corte interno - ´ e executado por DENTRO da linha de borda. - Largura minima de linhas de texto e figuras da mascara de componentes: 8 mils; - Di^ ametro menor da ilha (ou via) = di^ ametro do furo + 30 mils (recomendado mais); - Dist^ ancia entre a borda da placa e a borda da trilha ou borda da ilha mais proxima: maior ou igual a 20 mils; - Menor broca : 24 mils; -Menor "ILHA" di^ ametro externo recomendamos 54 mils. - Escalonamento de brocas: de 4 em 4 mils (0,1 em 0,1mm), a partir de 24 mils (0,6mm- 0,7mm- 0,8mm .....). Para fins pr´ aticos. Nas recomenda¸ coes acima citadas n~ ao s~ ao consideradas as caracter´ ısticas ~ ~ el´ etricas do circuito. CASOS QUE NAO SEGUEM AS RECOMENDAC ¸OES ACIAMA FAVOR CONTATAR PARA PR´ EVIAS CONSIDERAC ¸~ OES. Abaixo, seguem-se nossos dados cadastrais : Raz~ ao Social : ENGEMAUTICOS IND. E COM. Ltda. Endere¸ co : RUA PRUDENTE DE MORAIS,68 Bairro : NOSSA CH´ ACARA ´ Cidade : GRAVATAI UF.: RS CEP:94050-340 Telefone/fax : (51) 3490 36 23 E-mail: [email protected] Atenciosamente ENGEMAUTICOS LTDA Sergio LM Cardoso 61 5.2 Microw - circuitos impressos Ltda Figura 58: Especifica¸c˜oes da empresa Microw circuitos impressos Ltda 62 5.3 Largura de tilha vs. intensidade de corrente Figura 59: Corrente x Tamanho de trilha 63 5.4 Tabela de Convers˜ ao de medidas Figura 60: Tabela de convers˜ao de Mils - Mil´ımetro 64