¿Qué es una simulación SPICE en el diseño electrónico?

Es probable que los expertos en electrónica conozcan bastante bien las simulaciones SPICE, pero incluso algunos ingenieros de la vieja escuela siguen confiando en su intuición y experiencia a la hora de diseñar circuitos de PCB. Probablemente el simulador SPICE es la herramienta de simulación de circuitos eléctricos más famosa utilizada en el diseño electrónico, ya sea para el diseño de PCB, el diseño de circuitos integrados, o para el diseño de otros sistemas eléctricos. Pero profundizando un poco más, ¿qué es un diagrama SPICE?, ¿cómo funciona una simulación SPICE? y ¿cuáles son las prácticas recomendadas para utilizar el simulador SPICE?

Si eres nuevo en el mundo de las simulaciones SPICE y nunca has utilizado un simulador de circuitos como diseñador de PCB, no te preocupes. No necesitas ser un experto en simulaciones eléctricas, pero saber cómo usar un simulador SPICE y cómo interpretar los resultados te ayudará a diseñar con precisión para muchas aplicaciones. Sigue leyendo para descubrir qué es una simulación SPICE y cómo utilizarla en tus diseños.

¿Qué es una simulación SPICE?

El software de diseño de circuitos eléctricos SPICE es un acrónimo que significa "Programa de simulación con énfasis en circuitos integrados", aunque este marco de simulación se puede utilizar para mucho más que simplemente el diseño de circuitos integrados. La aplicación original de Berkeley se publicó como código abierto y forma la base de las aplicaciones actuales de simulación SPICE. Se puede utilizar una aplicación SPICE para simular el comportamiento eléctrico de muchos circuitos de señal analógicos o mixtos. Muchas tareas de simulación digital se pueden realizar en aplicaciones básicas de simulación SPICE, y los simuladores SPICE más especializados pueden ejecutar simulaciones lógicas para circuitos digitales.

Hay algunos análisis básicos que se pueden realizar en las aplicaciones de simulación SPICE más habituales. Estas tareas incluyen:

• Barrido de CC: Se trata de una simulación básica que no depende del tiempo, en la que la corriente continua de un circuito se calcula en función de la tensión continua de entrada. La tensión de entrada se barre y los resultados se muestran en un gráfico.
• Análisis transitorio: Se trata de una aplicación fundamental para simular circuitos de corriente alterna, incluyendo circuitos con componentes no lineales y formas de onda arbitrarias. Los resultados se muestran en el dominio de tiempo.
• Barrido de frecuencias: Un barrido de frecuencias es la simulación conjugada al análisis transitorio. Se trata de calcular la respuesta del circuito en el dominio de la frecuencia, como se hace con un filtro o una red de adaptación de impedancias.
• Barrido de parámetros: Un parámetro en el circuito puede ser barrido a través de algunos valores como parte de otra simulación. Esto se utiliza a menudo para experimentar con diferentes valores de componentes y ver cómo afectan al comportamiento eléctrico.

Aparte de estos análisis fundamentales, las diferentes aplicaciones comerciales de los simuladores de circuitos electrónicos SPICE incluyen diferentes características, interfaces de usuario y comandos. Los diversos simuladores SPICE que se encuentran en aplicaciones comerciales o como programas de código abierto en línea tienen sus propios prefijos o sufijos (por ejemplo, HSpice, LTSpice, etc.). Aunque los programas en sí pueden ser muy diferentes en lo que respecta a la experiencia de usuario y las características, todos se basan en el mismo algoritmo fundamental para resolver problemas de análisis de circuitos.

Algoritmo de solución SPICE

La principal técnica de solución utilizada al crear un diagrama de simulador de circuito SPICE es el análisis de nodos. La técnica de análisis de nodos devuelve un sistema lineal de ecuaciones (escrito como una matriz) y resuelve este sistema utilizando aritmética de matrices. Aunque este algoritmo puede ser implementado a mano para circuitos sencillos, rápidamente se convierte en un problema intrincado para circuitos grandes. Imagina un circuito con más de 100 componentes y un número similar de redes; tendrías que resolver una enorme ecuación matricial para determinar la tensión y la corriente en un circuito de este tipo.

Al derivar la ecuación de matriz para un circuito determinado, el análisis de nodos requiere definir nodos en un diagrama de circuito, y se deriva un conjunto de ecuaciones lineales para la caída de tensión en cada componente. En la siguiente imagen, tenemos 3 nodos (etiquetados como "A", "B" y "C") y GND como nodo de referencia. Cuando decimos "nodo de referencia" en un análisis de nodos, nos referimos a que la tensión medida "en un nodo" se mide respecto a la GND. En realidad, puedes tener varios nodos de referencia, lo que equivale a tener varias masas aisladas galvánicamente en diferentes potenciales.

Ecuación de matriz

En el circuito anterior, la ecuación de la matriz tiene una forma general que es una función de la pérdida de tensión entre los nodos adyacentes. Dicho de otra forma, podemos escribir una ecuación que es una función de diferencias de tensión entre los nodos (asumiendo que se usa GND como nodo de referencia) y el conjunto de tensión de entrada:

Las tensiones (V) que se deben calcular en esta ecuación de matriz pueden estar en el dominio de la frecuencia, o pueden depender del tiempo. Al repetir esta ecuación para diferentes tiempos y frecuencias, se pueden calcular la tensión y la corriente en cada nodo. Insistimos, se puede hacer a mano, pero un simulador SPICE integrado automatiza este tedioso proceso.

Una vez que tenemos una ecuación de matriz en esta forma, normalmente se utiliza una técnica conocida como método Gauss-Jordan para reducir estas ecuaciones al punto en que puedan resolverse de manera interactiva. Puedes buscar en Internet los detalles de este método si deseas programarlo por tí mismo. Sin embargo, un simulador SPICE puede realizar los cálculos repetitivos del método Gauss-Jordan de forma muy eficiente.

Mantén alta tu productividad con un simulador SPICE integrado

Si eres un diseñador de PCB, probablemente te hayas centrado mucho más en el enrutamiento que en la simulación del circuito. Sin embargo, los diseñadores de PCB de hoy en día también tienen que desempeñar el papel de ingenieros eléctricos, lo que significa que es probable que pasen tiempo diseñando circuitos y que tengan que realizar simulaciones de sus circuitos para garantizar una funcionalidad adecuada. Los diseñadores actuales tienen que realizar incluso otras tareas como el desarrollo de firmware, la preparación de la fabricación, el abastecimiento y el diseño mecánico.

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