O que é uma Simulação SPICE em Design Eletrônico?

Os veteranos em eletrônica provavelmente sabem bastante sobre simulações SPICE, mas até alguns engenheiros de eletrônica da velha guarda ainda confiam em sua intuição e experiência ao projetar circuitos. Eles provavelmente são a ferramenta de simulação mais famosa usada no design de eletrônicos, seja para design de PCB, design de circuitos integrados ou para projetar outros sistemas elétricos. Mas, em um nível mais profundo, o que é um diagrama SPICE, como funciona uma simulação de software SPICE e quais são algumas das melhores práticas para usar simuladores SPICE?

Se você é novo em simulações SPICE e nunca usou um simulador como projetista de PCBs eletrônicos, então não se preocupe. Você não precisa ser um especialista em simulações elétricas, mas saber como usar um simulador SPICE e como interpretar os resultados ajuda você a projetar com precisão para muitas aplicações. Continue lendo para aprender sobre o que é uma simulação de software SPICE e como usá-las em seus projetos.

O que é uma Simulação SPICE?

O software de design de circuitos SPICE é um acrônimo que significa Programa de Simulação com Ênfase em Circuito Integrado, embora essa estrutura de simulação possa ser usada para muito mais do que apenas o design de circuitos eletrônicos integrados. A aplicação original de Berkeley foi lançada como código aberto e forma a base das aplicações de simulação SPICE de hoje. Uma aplicação de eletrônica SPICE pode ser usada para simular o comportamento elétrico de muitos analógicos ou circuitos de sinal misto. Muitas tarefas de simulação digital podem ser realizadas em aplicações básicas de simulação SPICE, e simuladores de programas SPICE mais especializados podem executar simulações lógicas para circuitos digitais.

Existem algumas análises básicas que podem ser realizadas em aplicações típicas de simulação SPICE. Essas tarefas incluem:

• Varredura DC: Esta é uma simulação básica independente do tempo, onde a corrente DC em um circuito é calculada como função da tensão de entrada DC. A tensão de entrada é varrida e os resultados são exibidos em um gráfico.
• Análise Transiente: Esta é uma aplicação fundamental para simular circuitos AC, incluindo circuitos com componentes não lineares e formas de onda arbitrárias. Os resultados são exibidos no domínio do tempo.
• Varredura de Frequência: Uma varredura de frequência é a simulação conjugada à análise transiente. Isso envolve calcular a resposta do circuito no domínio da frequência, como você poderia fazer com um filtro ou uma rede de casamento de impedâncias.
• Varredura de Parâmetro: Um parâmetro no circuito pode ser varrido através de alguns valores como parte de outra simulação. Isso é frequentemente usado para experimentar com diferentes valores de componentes e ver como eles afetam o comportamento elétrico.

Além dessas análises fundamentais, diferentes aplicativos comerciais de simuladores de eletrônica SPICE incluem diferentes recursos, interfaces de usuário e comandos. Vários simuladores SPICE encontrados em aplicações comerciais ou como programas de código aberto online terão seus próprios prefixos ou sufixos (por exemplo, HSpice, LTSpice, etc.). Embora os próprios programas possam ser muito diferentes em termos de experiência do usuário e recursos, todos eles dependem do mesmo algoritmo fundamental para resolver problemas de análise de circuitos.

Algoritmo de Solução de Eletrônica SPICE

A técnica primária de solução utilizada ao criar um diagrama de simulador de circuito SPICE é a análise nodal. A técnica de análise nodal retorna um sistema linear de equações (escrito como uma matriz) e resolve este sistema usando aritmética matricial. Embora este algoritmo possa ser implementado manualmente para circuitos simples, ele rapidamente se torna um problema intransponível em circuitos grandes. Imagine um circuito com mais de 100 componentes e um número similar de redes; você teria que resolver uma equação de matriz massiva para determinar a tensão e corrente em tal circuito.

Ao derivar a equação de matriz para um circuito dado, a análise nodal requer a definição de nós em um diagrama de circuito, e um conjunto de equações lineares é derivado para a queda de tensão em cada componente. Na imagem abaixo, temos 3 nós (rotulados A, B e C) e GND como um nó de referência. Por "nó de referência" em análise nodal, queremos dizer que a tensão medida "em um nó" é medida em relação ao GND. Você pode realmente ter múltiplos nós de referência, o que é equivalente a ter múltiplos aterramentos galvanicamente isolados em diferentes potenciais.

Equação de Matriz

No circuito acima, a equação matricial tem uma forma geral que é uma função das quedas de tensão entre nós adjacentes. Em outras palavras, podemos escrever uma equação que é uma função das diferenças de tensão entre nós (assumindo que GND é usado como o nó de referência) e o conjunto de tensões de entrada:

As tensões (V) que precisam ser calculadas nesta equação matricial podem estar no domínio da frequência, ou podem depender do tempo. Iterando esta equação para diferentes tempos e frequências, a tensão e a corrente em cada nó podem ser calculadas. Novamente, você poderia fazer isso manualmente, mas um simulador SPICE integrado automatiza este processo tedioso.

Uma vez que você tenha uma equação matricial nesta forma, uma técnica conhecida como o método de Gauss-Jordan é normalmente usada para reduzir estas equações ao ponto em que podem ser resolvidas iterativamente. Você pode procurar online pelos detalhes deste método se quiser codificá-lo você mesmo. No entanto, um simulador SPICE pode fazer cálculos repetitivos no método de Gauss-Jordan de forma muito eficiente.

Mantenha-se Produtivo Com um Simulador SPICE Integrado

Se você é um projetista de PCB, provavelmente se concentrou muito mais em roteamento do que em simulação. No entanto, os projetistas de layout de PCB de hoje também precisam desempenhar o papel de engenheiros eletricistas, o que significa que provavelmente passarão tempo projetando circuitos e precisarão executar simulações de seus circuitos para garantir a funcionalidade adequada. Os designers de hoje até precisam realizar outras tarefas como desenvolvimento de firmware, preparação para fabricação, sourcing e design mecânico.

As melhores aplicações de design de PCB integrarão suas ferramentas de simulação SPICE, recursos de layout de PCB e tudo o mais que você precisa em uma única aplicação eletrônica. Uma vez que você saiba o que é uma simulação SPICE, você pode usar o conjunto completo de ferramentas de design em Altium Designer para projetar e simular todos os aspectos do seu diagrama de simulador eletrônico SPICE. Você pode então importar seus componentes para um layout de PCB em branco sem usar uma ferramenta externa de captura esquemática. Assuma o controle sobre todos os aspectos do seu PCB com as melhores ferramentas de design do setor no Altium Designer.

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