Che cos'è e come funziona SPICE simulator

I veterani dell'elettronica conosceranno molto bene il software SPICE simulator, tuttavia, in molti continuano ad affidarsi soprattutto all'esperienza e all'intuizione nella progettazione dei loro circuiti. Le simulazioni con software SPICE sono probabilmente lo strumento di simulazione PCB più popolare utilizzato nella progettazione elettronica: vengono abitualmente impiegate nella progettazione di PCB e di circuiti integrati, così come in quella di vari sistemi elettrici. Ma che cos'è un diagramma SPICE? Come funziona una SPICE simulation e quali sono le best practice per l'utilizzo di un software SPICE?

Se non conosci le simulazioni SPICE o non hai esperienza con un simulatore come progettista PCB, non c'è motivo di preoccuparsi. Non è necessario essere esperti in simulazioni elettroniche, tuttavia, sapere come utilizzare uno SPICE simulator e come interpretare i risultati aiuta a progettare in modo accurato molte applicazioni. Continua la lettura di questo articolo per scoprire cos'è una simulazione SPICE (SPICE simulation) e come usarla nei tuoi progetti.

Che cos'è una SPICE simulation?

Il software di progettazione di circuiti SPICE è un acronimo che sta per Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, anche se questo framework di simulazione può essere utilizzato per molti altri impieghi oltre alla semplice progettazione di circuiti integrati. L'applicazione originale di Berkeley è stata rilasciata come open source e costituisce la base degli odierni software SPICE. SPICE simulator può essere utilizzato per simulare il comportamento elettrico di molti circuiti di segnali analogici o misti. Molte attività di simulazione digitale possono essere eseguite in applicazioni di simulazione SPICE di base, mentre gli SPICE simulator più specializzati possono eseguire simulazioni logiche per circuiti digitali.

Alcune analisi di base possono essere eseguite nelle tipiche applicazioni di SPICE simulation. Queste attività comprendono:

• Verifica in corrente continua: questa è una simulazione di base indipendente dal tempo, in cui la corrente CC in un circuito viene calcolata in funzione della tensione di ingresso CC. La tensione di ingresso viene verificata e i risultati vengono visualizzati in un grafico.
• Analisi transitoria: questa è un'applicazione fondamentale per la simulazione di circuiti CA, inclusi i circuiti con componenti non lineari e forme d'onda arbitrarie. I risultati vengono visualizzati nel dominio temporale.
• Scansione di frequenza: una scansione di frequenza è la simulazione congiunta per l'analisi transitoria. Ciò comporta il calcolo della risposta del circuito nel dominio della frequenza, come si potrebbe fare con un filtro o una rete di compensazione dell'impedenza.
• Verifica dei parametri: un parametro nel circuito può essere verificato attraverso alcuni valori come parte integrante di un'altra simulazione. I parametri vengono spesso utilizzati per sperimentare diversi valori dei componenti e vedere come influiscono sul comportamento elettrico.

Oltre a queste analisi fondamentali, diverse applicazioni commerciali SPICE sono caratterizzate da: funzionalità, interfaccia utente e comandi diversi. Vari simulatori SPICE che si trovano in applicazioni commerciali o come programmi open source online, avranno i propri prefissi o suffissi (ad esempio, HSpice, LTspice, ecc.). Sebbene i programmi stessi possano essere molto diversi tra loro in termini di esperienza utente e funzionalità, si basano tutti sullo stesso algoritmo fondamentale per risolvere i problemi di analisi dei circuiti.

Algoritmo della soluzione SPICE

La tecnica di soluzione principale utilizzata durante la creazione di un diagramma SPICE è l'analisi nodale. La tecnica di analisi nodale restituisce un sistema lineare di equazioni (scritte come matrice) e risolve questo sistema utilizzando l'aritmetica a matrice. Sebbene questo algoritmo possa essere implementato manualmente per circuiti semplici, nel caso di circuiti di grandi dimensioni diventa rapidamente un problema intrattabile. Immagina un circuito con più di 100 componenti e un numero simile di reti; per determinare la tensione e la corrente di un circuito simile è necessario risolvere un'enorme equazione di matrice.

Nel derivare l'equazione della matrice per un dato circuito, l'analisi nodale richiede la definizione dei nodi in uno schema circuitale e viene derivata una serie di equazioni lineari per il calo di tensione su ciascun componente. Nell'immagine seguente, abbiamo 3 nodi (etichettati A, B e C) e GND come nodo di riferimento. Per "nodo di riferimento" nell'analisi nodale, intendiamo che la tensione misurata "in un nodo" viene misurata rispetto al GND. Si possono effettivamente avere più nodi di riferimento, il che equivale ad avere più terreni isolati galvanicamente a potenziali diversi.

Equazione matriciale

Nel circuito di cui sopra, l'equazione della matrice presenta una forma generale che è una funzione dei cali di tensione tra nodi adiacenti. In altre parole, possiamo scrivere un'equazione che è una funzione delle differenze di tensione tra nodi (ipotizzando che il GND sia utilizzato come nodo di riferimento) e il set di tensioni di input:

Le tensioni (V) che devono essere calcolate in questa equazione di matrice possono essere nel dominio di frequenza, oppure possono essere dipendenti dal tempo. Iterando questa equazione per tempi e frequenze diverse, è possibile calcolare la tensione e la corrente in ciascun nodo. Ancora una volta, è possibile effettuare questa operazione a mano, tuttavia un simulatore SPICE integrato automatizza questo processo noioso.

Una volta ottenuta un'equazione matriciale in questa forma, solitamente viene utilizzata una tecnica nota come metodo di Gauss-Jordan per ridurre queste equazioni al punto in cui possono essere risolte iterativamente. Se vuoi codificarlo tu stesso puoi cercare online informazioni dettagliate su questo metodo. Tuttavia, un software SPICE può eseguire i calcoli ripetitivi nel metodo Gauss-Jordan in modo molto efficiente.

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Se sei un progettista PCB, probabilmente hai investito molto più tempo sul routing PCB che sulla simulazione. Tuttavia, i moderni progettisti di layout PCB devono svolgere anche il ruolo di ingegneri elettronici, ciò significa che probabilmente impiegheranno tempo a progettare circuiti sui quali dovranno eseguire le simulazioni necessarie per garantire una funzionalità adeguata. Al giorno d'oggi i progettisti devono svolgere anche altre attività come: lo sviluppo del firmware, la preparazione della produzione, il sourcing e la progettazione meccanica.

Le migliori applicazioni di progettazione PCB andranno a integrare gli strumenti di simulazione SPICE, le funzionalità di layout PCB e tutte le altre funzionalità di cui hai bisogno in un'unica applicazione. Dopo questa introduzione alle simulazioni SPICE, puoi utilizzare il set completo di strumenti di progettazione in Altium Designer per progettare e simulare tutti gli aspetti di un diagramma SPICE. Sarà quindi possibile importare i componenti in un layout PCB vuoto senza utilizzare un servizio di acquisizione schematica esterna. Assumi il controllo di tutti gli aspetti del tuo PCB con i migliori strumenti di progettazione del settore in Altium Designer.

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