Qu'est-ce que la simulation SPICE dans le domaine de la conception électronique ?

La plupart des spécialistes de l'électronique connaissent probablement assez bien les simulations SPICE, alors que certains ingénieurs de la vieille école se fient encore à leur intuition et à leur expérience lors de la conception des circuits.

Les simulations SPICE sont probablement l'outil de simulation le plus connu qui est utilisé dans la conception de produits électroniques, que ce soit pour la conception de PCB, la conception de circuits intégrés ou d'autres systèmes électriques.

Cependant, des questions peuvent persister : qu'est-ce qu'une simulation SPICE exactement, comment fonctionne-t-elle, et quelles sont les meilleures pratiques en matière d'utilisation de SPICE ?

Si vous êtes novice en matière de simulation SPICE et que vous n'avez jamais utilisé de simulateur ou de SPICE simulation software dans le cadre de la conception de circuits imprimés, ne vous en faites pas. Vous n'avez pas besoin d'être un expert en simulation électrique pour bénéficier des avantages des simulations SPICE dans le cadre de la conception électronique.

Poursuivez votre lecture pour découvrir ce qu'est une simulation SPICE et apprenez à l'utiliser dans vos conceptions.

Qu'est-ce qu'une simulation SPICE ?

L'acronyme SPICE signifie « Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis », bien que ce cadre de simulation puisse être utilisé pour de nombreuses autres applications autres que la conception de circuits intégrés.

L'application de simulation SPICE originale de Berkeley a été publiée sous la forme de code open source et constitue la base des applications actuelles de simulation SPICE.

Il est possible d'utiliser une application de simulation SPICE pour simuler le comportement électrique de nombreux circuits analogiques ou à signaux mixtes. De nombreuses tâches de simulation numérique peuvent être effectuées dans les applications de simulation SPICE de base, et des simulateurs SPICE plus spécialisés peuvent effectuer des simulations logiques pour les circuits numériques.

Il existe plusieurs analyses de base qui peuvent être effectuées dans les applications de simulation SPICE typiques. Ces tâches comprennent :

• Balayage CC : il s'agit d'une simulation de base indépendante du temps qui permet de calculer le courant continu du circuit en fonction de la tension d'entrée continue. La tension d'entrée est balayée et les résultats sont affichés sur un graphique.
• Analyse des transitoires : il s'agit d'une application de base qui permet de simuler des circuits à courant alternatif, y compris des circuits comportant des composants non linéaires et des formes d'onde arbitraires. Les résultats sont affichés dans le domaine temporel.
• Balayage de fréquence : le balayage de fréquence est la simulation combinée à l'analyse des transitoires. Il consiste à calculer la réponse du circuit dans le domaine fréquentiel, comme vous pouvez le faire avec un filtre ou un réseau d'adaptation d'impédance.
• Balayage des paramètres : un paramètre du circuit peut être balayé par certaines valeurs dans le cadre d'une autre simulation. Cette méthode est souvent utilisée pour tester différentes valeurs de composants et voir comment elles affectent le comportement électrique.

En dehors de ces analyses de base, les différentes applications commerciales de simulation SPICE présentent des caractéristiques, une interface utilisateur et des commandes différentes.

Les différents simulateurs SPICE présents dans les applications commerciales ou en tant que programmes open source en ligne possèdent leurs propres préfixes ou suffixes (par exemple, HSpice, LTSpice, etc.).

Même si les programmes eux-mêmes peuvent être très différents du point de vue de l'expérience utilisateur et des fonctionnalités, ils reposent tous sur le même algorithme de base pour résoudre les problèmes d'analyse des circuits.

Algorithme de calcul SPICE

L'analyse nodale est la principale méthode de calcul utilisée dans les simulateurs SPICE. La méthode d'analyse nodale renvoie à un système d'équations linéaires (écrites sous forme de matrice) et résout ce système au moyen de l'arithmétique matricielle.

Bien que cet algorithme puisse être mis en œuvre manuellement pour les circuits simples, il devient rapidement un problème difficile à résoudre pour les circuits de grande taille. Imaginez un circuit comportant plus de 100 composants et un nombre équivalent de signaux ; il vous faudrait résoudre une énorme équation matricielle pour déterminer la tension et le courant dans un tel circuit.

Pour calculer l'équation matricielle d'un circuit donné, l'analyse nodale requiert la définition de nœuds dans un schéma de circuit, afin de pouvoir déduire un ensemble d'équations linéaires pour la chute de tension dans chaque composant.

Dans l'image ci-dessous, nous avons 3 nœuds (désignés par les lettres A, B, et C) et GND comme nœud de référence. Le terme « nœud de référence » dans l'analyse nodale désigne la tension mesurée « à un nœud » par rapport à GND.

Vous pouvez en fait avoir plusieurs nœuds de référence, ce qui équivaut à avoir plusieurs masses galvaniquement isolées ayant des potentiels différents.

Équation matricielle

Dans le circuit ci-dessus, l'équation matricielle se présente sous une forme générale qui dépend des chutes de tension entre les nœuds adjacents.

Autrement dit, nous pouvons écrire une équation qui dépend des différences de tension entre les nœuds (en supposant que GND soit utilisé comme nœud de référence) et l'ensemble des tensions d'entrée :

Les tensions (V) qui doivent être calculées dans cette équation matricielle peuvent être dans le domaine fréquentiel ou être dépendantes du temps. En répétant cette équation pour différentes durées et fréquences, il est possible de calculer la tension et le courant à chaque nœud.

Là encore, vous pouvez le faire manuellement, mais un SPICE simulation software intégré permet d'automatiser ce processus fastidieux.

Une fois que vous avez obtenu une équation matricielle sous cette forme, une méthode connue sous le nom de méthode de Gauss-Jordan est normalement utilisée pour ramener ces équations à un point où elles peuvent être résolues de manière itérative.

Si vous souhaitez la programmer vous-même, vous pouvez rechercher en ligne des informations sur cette méthode. Cependant, un simulateur SPICE peut effectuer les calculs répétitifs de la méthode de Gauss-Jordan de manière très efficace.

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Si vous êtes concepteur de circuits imprimés, vous êtes certainement beaucoup plus intéressé par le routage que par la simulation. Toutefois, les concepteurs de PCB d'aujourd'hui doivent également jouer le rôle d'ingénieurs électriciens, ce qui signifie qu'ils sont susceptibles de passer du temps à concevoir des circuits et qu'ils devront effectuer des simulations de leurs circuits pour s'assurer de leur bon fonctionnement.

Les concepteurs d'aujourd'hui doivent même s'occuper d'autres tâches comme le développement de micrologiciels, la préparation de la fabrication, l'approvisionnement et la conception mécanique.

Les meilleures applications de conception de PCB intègrent vos SPICE simulation software, des fonctionnalités de routage de PCB et tout ce dont vous avez besoin dans une même application. Une fois que vous savez ce qu'est une simulation SPICE, vous pouvez utiliser l'ensemble des outils de conception offerts par Altium Designer® pour concevoir et simuler toutes les étapes de vos circuits.

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