Circuitos - trabalho - circuitos integrados
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FACULDADE DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA-FACIT
Nome: Marciel Fernandes Durães
Turma/Curso: 4º Período de Engenharia de Controle e Automação
Professor: João Carneiro Netto
Simulação de Circuitos Elétricos utilizando
Montes Claros 27 de Novembro de 2009
Histórico e Modo de utilização de alguns Softwares de Simulação de Circuitos elétricos
A Realidade Virtual oferece diferentes perspectivas à interação homem-máquina, utilizando uma combinação de tecnologias cujas interfaces com os usuários podem dominar seus sentidos de forma que eles interajam intuitivamente com um ambiente imersivo e dinâmico gerado pelo computador. Diversas aplicações da Realidade Virtual vêm sendo propostas para treinamento, educação, visualização científica, entretenimento, arquitetura, etc.
Apesar de ainda existirem barreiras tecnológicas, a evolução dos computadores pessoais possibilitou o surgimento de novas perspectivas de aplicações da Realidade Virtual no ensino, dentre elas, no apoio para a disciplina de circuitos elétricos.
1.1 Simulação De Circuitos em Computadores:
A necessidade de se utilizar programas computacionais para análise das condições de funcionamento de circuitos eletrônicos é evidente para todos que se dedicam à tarefa de projetar circuitos integrados. No casos de circuitos eletrônicos "convencionais", ou seja, constituídos de elementos discretos, é geralmente possível (apesar de caro e demorado) que sejam fabricados um ou mais protótipos do circuito projetado, com a finalidade de se analisar o projeto. Nestes protótipos são realizadas medições e testes, muitas vezes acompanhadas de trocas de componentes, até se obter uma "versão final" cujo funcionamento aproxima-se do desejado.
Apesar da maioria dos programas para simulação de circuitos eletrônicos terem sido originalmente desenvolvidos tendo em vista a análise de sistemas de razoável complexidade, é evidente que se pode simular com tais programas qualquer circuito. No entanto, os primeiros programas para simulação necessitavam de computadores de grande porte, o que limitava sua utilização a grandes empresas ou centros de pesquisa. A partir da disponibilidade de microprocessadores e programas para a simulação de circuitos que funcionam em micro-computadores de custo reduzido, as vantagens da simulação abriram-se aos projetistas de qualquer sistema eletrônicos. Entre tais vantagens citam-se:
- O projetista pode verificar, dentre várias configurações disponíveis, qual terá o desempenho mais adequado à sua aplicação;
- Como não há necessidade de se construir diversos protótipos e fazer testes e medições em laboratório, é também desnecessário adquirir ou obter componentes para montagens experimentais;
- Todos os "componentes" do simulador "funcionam" e "não queimam". Quando se faz a montagem de um protótipo no laboratório, é possível que se tenha a má sorte de se usar componentes defeituosos ou com características diversas daquelas constantes nos catálogos. Desta forma, ao contrário da simulação, se o protótipo não funcionar adequadamente não se saberá com certeza se tal se deve a:
- Projeto errado;
- Montagem errada;
- Componentes danificados ou fora de especificação;
- É possível fazer todo o tipo de "medida" no circuito simulado, mesmo que tais medições sejam difíceis (gerariam ruídos ou carregariam excessivamente o circuito), inconvenientes (o circuito poderia ser destruído) ou impossíveis (não se tem o equipamento necessário).
- É perfeitamente viável com um simulador fazer "experiências", tais como trocar valores dos componentes ou até mesmo tentar novas configurações, por mais "estranhas" que sejam sem receio de danificar o circuito ou os seguintes equipamentos de teste.
A disponibilidade dos modernos simuladores em microcomputadores tem tido notáveis implicações também no ensino da eletrônica. Desenvolvidos originalmente como ferramentas para pesquisas e projetos avançados de circuitos integrados, os simuladores de Circuitos eletrônicos estão atualmente sendo largamente utilizados no ensino de Engenharia. Um grande número de Universidades tem adotado programas de simulação como auxiliares didáticos em disciplinas de análise de circuitos e de projeto de circuitos eletrônicos. O uso de simuladores para o ensino de análise de circuitos, longe de se considerar um modismo passageiro nos cursos de graduação em Engenharia Elétrica, é resultado da crescente tendência de se enfatizar o ensino de técnicas de projeto, nas quais os microcomputadores e Workstations são ferramentas de inestimável valor.
1.2 Revisão Histórica da Simulação de Circuitos:
Até 1960 só era possível a análise do funcionamento das grandes redes elétricas em regime senoidal com o auxílio de computadores analógico, compostos de um conjunto de amplificadores e elementos lineares, interligados por cabos e interruptores. Com a disponibilidade de computadores digitais e principalmente de linguagens de programação mais "amigáveis", tal como o FORTRAN (FORmula TRANslation Language), foram feitas diversas tentativas de utilização de computadores para a solução dos sistemas de equações relacionados com circuitos elétricos. Nessas tentativas pioneiras, verificou-se a análise de circuitos elétricos através de equações obtidas pelo método das correntes de malhas, apesar de conveniente para a análise "manual", revela-se de difícil implementação em um programa de computador. Já no caso da utilização de análise de análise nodal, obtém-se de modo mais direto um sistema matricial, fazendo com que a análise do circuito se torne basicamente um problema de solução numérica do sistema de equações obtido.
Apresentar-se à seguir uma breve descrição dos principais programas simuladores apresentados no período de 1959 a 1990:
- PETAP (1959) e PETAP-A (1960): Programas desenvolvidos na empresa IBM que permitiam a análise de transitórios no chaveamento de transistores. Apesar de ser um sistema interessante, seu uso ficou restrito a IBM.
- PREDICT (1964): Programa desenvolvido pela IBM à partir do PETAP, porém destinado a uso militar, para determinar o desempenho de sistemas eletrônicos frente a radiações nucleares.
- NET1 (1964): Foi desenvolvido no laboratório norte-americano de Los Alamos (onde foi desenvolvida a primeira bomba atômica, durante a Segunda Guerra Mundial), igualmente resultante do interesse militar em se verificar o efeito de radiações nucleares nos circuitos eletrônicos.
- ECA1 (1965): Também produto da IBM, como evolução do programa PETAP, porém para aplicações "civis". Possuía defeitos comuns a programas de primeiras gerações: poço "amigável" e difícil de ser utilizado. Tinha tendências de não-convergência na solução das equações. Apesar desses problemas, foi colocado a disposição dos usuários de equipamentos IBM.
- SPECTRE (1967): Considerado como a evolução do programa PREDICT, desenvolvido pela IBM para aplicações na área aeroespacial. Assim como o programa NET1de Los Alamos, realizava a solução de equações diferenciais não-lineares por meio de sucessivas integrações numéricas em pequenos "passos". Esse fato, aliado às baixas velocidades dos computadores de então, fazia com que o tempo de processamento se tornasse extremamente longo.
- TRAC (1968): Desenvolvido na empresa aeroespacial norte-americana Rockwell, através de uma equipe de engenheiros assessorada por matemáticos. Utilizado em método de integração que foi chamado de Método de Euler Reverso(Backward-Euler Method). Neste método as equações integro diferenciais são transformadas a cada passo de integração em um conjunto de equações algébricas, ou seja, de mais fácil solução e conseqüentemente como menor tempo de processamento. O uso desse programa, no entanto, permaneceu restrito à área militar.
- TIME (1969): O programa TRAC possuía uma série de sub-rotinas escritas em linguagem "de máquina" (assembly), fato que o tornava não transportável para outro computadores. O programa TIME foi desenvolvido na universidade da Califórnia em Berkeley com base no programa TRAC, porém todas as sub-rotinas em linguagem FORTRAN, de modo a funcionar em computadores de diferentes fabricantes.
- CIRPAC (1969): Desenvolvido nos Laboratórios Bell, utilizava esquema de cálculo semelhante aos programas TRAC e TIME, porém pequenas melhorias nos métodos de integração faziam-no mais rápido que seus antecessores.
- BIAS (1970) e BIAS3 (1971): Desenvolvidos na Universidade da Califórnia em Berkeley à partir de um problema prático, onde se desejava observar o efeito da variação de temperatura em circuitos transistorizados simples. Utilizavam o modelo de Ebers-Moll para modelamento dos transistores e obtinha a solução do sistema de equações pelo método de Newton-Raphson.
- ASTAP (1973): Programa desenvolvido na IBM. Apresentava como principal novidade o uso de técnicas inéditas para otimização da velocidade de processamento , tomando vantagem do fato das matrizes que descrevem os circuitos elétricos serem esparsas (possuem muitos elementos nulos). Este programa foi amplamente utilizado pelos projetistas da própria IBM e também esteve disponível para usuários externos à empresa.
- CANCER (1971) e SLIC (1971): Foram resultados de um trabalho desenvolvido na Universidade da Califórnia em Berkeley por Ronald A. Rohrer, coordenando uma equipe de alunos de pós-graduação, que estudaram técnicas de descrição de circuitos e de solução dos sistemas de equações obtidos. Estes programas utilizavam o método de Análise Nodal Modificada. Antes de se tornar professor em Berkeley, Rohrer havia trabalhado na empresa Fairchild, onde desenvolveu em 1968 um programa chamado FAIRCIC para simulação dos primeiros circuitos integrados produzidos pela empresa.
- SPICE (1972), SPICE2 (1975) e SPICE3 (1980): Evoluções do programa CANCER, desenvolvidos também na Universidade de Berkeley. O programa SPICE foi apresentado na Tese de Doutorado de Laurence W. Nagel, mas apresentava alguma limitaões. Nagel posteriormente modificou o programa original, surgindo o SPICE2. Estes programa forma colocados a disposição do publico e ganharam reconhecimento internacional pela versatilidade dos modelos utilizados e velocidade de processamento.
- IG-SPICE (1989): Programa comercial também baseado no SPICE2, para microcomputadores, produzido pela Empresa INTUSOFT. Tem como principal característica o interfaceamento com um programa gráfico que permite ao usuário "desenhar" seu circuito, extraindo-se automaticamente de tal "desenho" o arquivo de descrição do circuito necessário para simulação. Esta característica foi também incorporada pela MicroSim em versões posteriores do PSpice para o sistema Windows.
- PSpice 10 (Cadence/OrCad): Um dos mais populares simuladores da atualidade. Possui versão mixed mode (PSpice A/D), capaz de simular circuitos analógicos e digitais simultaneamente. Versões demo limitadas e gratuitas estão disponíveis na página:
- Multisim 7 (EWB-Electronics Workbench): Simulador que se tornou muito popular porque simula instrumentos reais de bancadas de laboratório, como osciloscópios, multímetros, analisadores lógicos, etc.. É mixed mode e possui funções especiais como Carta de Smith. Uma versão gratuita completa, chamada DesignSuite 9 Software, com validade de 45 dias, está disponível na página:
- ICAP/4 (Intusoft): Outro poderoso simulador comercial que usa o SPICE3f5 de Berkeley e o XSPICE, uma extensão do SPICE3 desenvolvida na Universidade da Geórgia. Possui uma versão demo, limitada e gratuita, na página:
- Micro-Cap 8 (Spectrum Software): Um dos mais antigos simuladores disponíveis no mercado. Possui uma versão de avaliação, limitada e gratuita, na página:
- SIMetrix 5.2 (Catena Software Ltd.): É um simulador versátil e fácil de ser usado. Apresenta grande precisão e alta rapidez de simulação e é preferido por muitos projetistas de circuitos integrados analógicos. Possui uma versão chamada SIMetrix/SIMPLIS, otimizada para simulações de eletrônica de potência. Está disponível uma versão de avaliação, limitada, na página:
http://www.catena.uk.com
- AIM-Spice 4.3 (AIM-Software): Automatic Integrated Circuit Modeling Spice é um simulador que possui alguns modelos avançados para microeletrônica, tais como: heteroestruturas, heterojunções, MESFET's e HFET's de GaAS, etc.. Possui uma versão de avaliação, limitada, gratuita e sem esquemático, para Windows ou Linux, na página:
- WinSpice (OuseTech Ltd.): Simulador que usa o SPICE3f4 de Berkeley e que possui modelos avançados de MOSFET's, tais como BSIM3 e BSIM4. Possui uma versão de avaliação, limitada, gratuita e sem esquemático, na página:
http://www.winspice.co.uk/
- LTSpice/SwCADIII (Linear Technology Co.): Poderoso simulador, compatível com o PSpice e que possui modelos otimizados para eletrônica de potência, notadamente para simulações de fontes chaveadas (SMPS). É mixed mode e traz muitas funções extras que o tornam versátil e fácil de ser usado. Suporta o modelo BSIM4 (Level = 14) de Berkeley para transistores MOS com dimensões mínimas inferiores a 130 nm. Como está disponível, completo e gratuito, será o simulador usado neste mini-curso. Este programa pode ser obtido na página:
2. PSpice – Programa Utilizado para Simulação dos Circuitos Presentes Neste Trabalho
Em 1972, o Departamento de Engenharia Elétrica e da Ciência da Computação (EECS) da Universidade da Califórnia, Berkeley, publicou a primeira versão do programa SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). O Chefe do Departamento, Donald Pederson, decidiu, na época, que o programa seria distribuído gratuitamente. O SPICE foi escrito originalmente em FORTRAN e recebeu várias atualizações, tais como o SPICE2, em 1975, e a versão atual, SPICE3 de 1985, escrita em linguagem C. Atualmente, versões modificadas do SPICE são comercializadas por várias companhias usando vários nomes. Algumas modificações, como adaptações para uso em PC's ou Mac's, são normais e úteis, outras são feitas, apenas, para deixar as várias versões incompatíveis entre si. Os programas fonte, no entanto, são essencialmente os mesmos. Variantes, como o HSPICE e o XSPICE, também estão no mercado.
2.2 Descrição:
O programa SPICE foi desenvolvido originalmente para propiciar aos projetistas de circuitos integrados analógicos a possibilidade de testar seus projetos em uma bancada virtual de laboratório. Sem a existência de simuladores, a criação de circuitos complexos e avançados seria praticamente impossível, principalmente com o advento da eletrônica CMOS submicrométrica. Nos dias atuais, o SPICE é extensivamente usado para praticamente todas as áreas da eletrônica, incluindo eletrônica discretizada de potência e de comunicações em altas freqüências. É, portanto, uma ferramenta imprescindível para o engenheiro eletrônico moderno.
2.3 Utilização do Software:
O software utilizado para a realização das simulações dos circuitos elétricos foi o PSPICE da empresa ORCAD, versão 9.1 estudante. A empresa oferece o software para download no tamanho de 28Mb e a documentação é oferecida também para download no tamanho de 13Mb em pdf. Na versão estudante não há limitação no número de componentes utilizados assim como no número de nós de um circuito.
Para começar a utilizar o PSPICE, primeiramente clicamos em INICIAR->PROGRAMAS->PSPICE STUDANT->Schematics ( Ver figura 1).
Logos Após que o programa estiver carregado aparecerá a tela inicial do Schematics (Figura 2).
O schematic é o local onde será descrito o circuito a ser simulado, Isto é, um conjunto de componentes ativos e passivos (ex. fontes de alimentação, transistores, amplificadores operacionais, diodos, resistores, indutores, capacitores, etc.) interligados, (nós e malhas). Com primeiro passo para a correta utilização do programa, segue abaixo uma breve descrição de alguma funções contidas no menu:
2.3.1 Meu  File:
New: Abre um schematics em branco, para realizar um novo projeto;
Open: Abre um schematics que contenha no arquivo;
Close: Fecha o schematics que está na tela;
Save as: Possibilita salvar o arquivo com outro nome.
2.3.2 Menu  Edit:
Undo(Ctrl+Z): Desfaz a ultima alteração;
Redo(Ctrl+Y): Refaz a última alteração desfeita;
Cut(Ctrl+X): Corta o componente ou parte do circuito que for selecionado;
Copy(Ctrl+C): Copia o componente ou parte do circuito que for selecionado;
Paste(Ctrl+V): Cola o componente ou parte do circuito que foi selecionado;
Atributes: Possibilita alterar os atributos do componentes selecionado;
Symbol: Permite modificar o componente;
Rotate(Ctrl+R): Gira a parte selecionada em 90°;
Flip(Ctrl+F): Espelha a parte selecionada em torno de um eixo vertical;
Model: Quando selecionado um transistor, por exemplo, permite conhecer as características do modelo do mesmo.
2.3.3 Menu Draw:
Repeat: Seleciona o ultimo componente utilizado;
Place Part(Ctrl+P): Abre a janela dos últimos componentes utilizados;
Wire (Ctrl+W): Fios para a conexão entre componentes;
Bus(Ctrl+B): Cria um barrmento;
Get New Part(Ctrl+G): Abre uma janela para a seleção de componentes.
2.3.4 MeuView
Fit(Ctrl+N): Enquadra o espaço utilizado dentro da tela visível;
In(Ctrl+I): Aproxima o schematics;
Out(Ctrl+O): Afasta o schematics;
Área(Ctrl+A): Enquadra a área selecionada dentro da tela visível.
2.3.5 Meu Analysis
Setup: Seleciona qual o tipo de simulação desejado;
Simulate (F11): Salva o aquivo e executa a simulação;
Probe Setup: Configurações do probe*(janela de exibição das formas de ondas);
Examine Netlist: Mostra o arquivo gerado contendo o código fonte do schematic;
Examine Output: Mostra o arquivo contendo os dados do circuito. Além dos resultados de analise pela FFT, quando solicitada.
*Probe é o programa para visualização das formas de onda resultantes da simulação.
2.4 Selecionando Componentes e Montando o Circuito
Para selecionar algum componente temos três maneiras: apertando CTRL+G, indo ao menu DrawGet New Part ou clicando no ícone , feito isto abrirá a janela mostra da na figura 3.
Onde no campo Part Name entra-se com o a parte do nome do elemento a ser utilizado. Depois de selecionado o elemento pode-se clicar em place e direcionar o cursor do mouse na área do schematics onde se desejada colocar o elemento. Clicando em place & close, o objeto será colocado na área do schematics e a janela Part Browser Basic se fechará. Para visualizar a biblioteca basta clicar em Libraries e poderá se visualizar toos os elemtos com sua descrição. Para fechar a janela basta clicar em close.
2.5 Simulando:
Antes de realizar alguma simulação, deverão ser realizados alguns procedimentos:
Conferir se o circuito tem um terra (EGND por exemplo);
Certificar que todos os componentes estão com seus terminais conectados e com os valores desejados;
Ver se não há nenhum fio "curto-circuitando" algum componente;
Salvar o arquivo (Ctrl+S).
Depois de feitos todos esses procedimentos devemos configurar o tipo de simulação (análise) desejado com os devidos tempos e/ou freqüências se necessário.
2.6 Configuração da Análise:
Vá em AnalysisSetup ou clique em , abrirá a janela mostra na figura 4. Nela está contida opções de simulação que o PSPICE fornece:
Transient: Simulação em um dado intervalo de tempo;
AC Sweep: Executa uma varredura de freqüência numa fonte AC;
DC Sweep: Executa uma varredura de freqüências uma fonte DC;
Bias Point Detail: Mostra as tensões e correntes de polarização;
Temperature: Executa simulações com diferentes temperaturas.
Depois de ter introduzido todo o conhecimento que obtive usando o programa, aplicarei resolvendo e simulando os circuitos propostos.
3 Análise dos Circuitos Propostos:
3.1 Exercício 4.30
Primeiramente redesenhei o circuito da figura 5 no Schematics, depois de ter desenhado e entrado com todos os valores, simulei o circuito.
Logos após a simulação obtive o circuito simulado e com a utilização dos marcadores consegui visualizar as tensões em cada um dos nós e a corrente em cada um dos ramos, como mostrado na figura 6.
Um ponto interessante desta simulação é que, no ramo do resistor de R7 de 3Ω não há passagem de corrente, pois a ddp entre os dois nós é zero.
- Resolução do Exercício 4.30:
Utilizando a análise nodal para encontrar as tensões em todos os nós do circuito abaixo.
Agora utilizaremos o método de análise de malhas (laço), para encontrarmos as correntes em todos os ramos do circuito em estudo.
3.2 Circuito 7.21
Primeiramente redesenhei o circuito da figura 7 no Schematics e entrei com todos os valores dos componentes para assim poder realizar a simulação.
Depois de Desenhado simulei o circuito e obtive as seguinte análise com as tensões em cada nó e a corrente no ramo, como pode-se observar na figura 8.
Depois calculado a constante de te Tempo, analisei o estado transitório da corrente na indutância para 5 constantes de tempo, e obtive o seguinte gráfico.
Resolução do exercício 7.21:
Neste circuito temos uma fonte de tensão e uma indutância em série com uma resistência circuito (RL). De acordo com o que foi dito, considerei a fonte de tensão, com uma tensão igual a 80V. Por se tratar de um circuito bem simples, mostrarei o calculo da corrente na malha do circuito ( possui apenas uma malha ) e também o cálculo da constante de tempo para o transitório da corrente no indutor.
3.3 Circuito Aleatório:
O exercício aleatório escolhido foi o exercício 2.17 da segunda listas de exercícios proposto, figura 9.
Depois de desenhado realizei a simulação e obtive as tensões de todos os nós e a corrente de todos os ramos do circuito, como pode se ver na figura 10.
- Resolução do exercício 2.17 da Segunda lista de exercícios proposta em sala.
Primeiramente resolverei o circuito utilizando a análise nodal para encontra as tensões em todos os nós do circuito.
Agora usando análise de malha (ou laço) encontrarei as correntes de todos os ramos do circuito.
Realizando a simulação do circuito no computador é bem mais fácil e rápido. Assim sendo bem mais fácil a criação de projetos envolvendo circuitos elétricos, pois utilizando o software podem ser observadas as futuras falhas no circuito, fazendo com que o projetista já planeje melhorar as condições do circuito a ser implementado. Também facilitou pelo fato de que a "mão" efetuamos vários cálculos as vezes muito trabalhosos e utilizando juntamente o simulador podemos conferir as repostas obtidas para determinada análise .
Johnson, Hilburn, Johnson. Fundamentos de Análise de Circuitos Elétricos, 4ª Edição
Nilson Riedel. Circuitos Elétricos 5ª Edição.
Sites e Apostilas(pdf) :
http://www.sel.eesc.usp.br/sasel/integra/Downloads/Material%20Palestras/Mini%20Cursos/Simuladores/integra_eletrica/Apostila/Simuladores%20de%20Circuitos%20Eletr%F4nicos.pdf
http://www.dee.ufma.br/~fsouza/anais/arquivos/1_5_115.pdf
http://tecnociencia.inf.br/comunidade/arqautor/diversos/scec.swf
http://www.eletronics-lab.com/downloads/shematic/013, Download da Versão estudante do Pspice.
Vários outros livros e pdf's da internet assim como o próprio caderno com a matéria lecionada pelo professor durante o decorrer do semestre e as listas de exercícis propostas em sala de aula.