Introducción
Para quien diseña circuitos analógicos, es importante conocer el comportamiento de los componentes electrónicos a utilizar previo a su construcción, especialmente si estos componentes y el PCB sobre el cual se implementará, son comprados en el extranjero. Un error en el diseño incrementará notablemente los costos de los prototipos al necesitar fabricarlos varias veces, hasta que el funcionamiento satisfaga las especificaciones dadas por el cliente.
Para asegurarse que un componente cumpla con ciertas especificaciones, se recurre a la técnica de la simulación gracias a su bajo coste y rápida implementación. Por ello, algunos fabricantes generalmente brindan a sus potenciales clientes, el modelo Spice de los componentes, permitiendo así realizar las simulaciones necesarias con ayuda de “motores de cálculo” como ngspice.
Dentro del contexto de circuitos electrónicos, existen varios simuladores en el mercado que facilitan la obtención de parámetros eléctricos para modelos AC, DC y transiente. Hay muchos simuladores, como Multisim, Proteus, Eagle, Qucs y otros más.
De una amplia oferta de programas que sirven para simular circuitos, se prefieren aquellos que tengan un mínimo precio en pago de licencia y una máxima flexibilidad para modelar componentes nuevos sobre la base de Spice. Un caso particular que ofrece simulaciones gratuitas mediante una aplicación en línea es MultiSim Live, la cual puede observarse en la figura 1.
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Figure 1: MultiSim Live en línea, modelando el funcionamiento de un amplificador no inversor |
Este simulador es libre; sin embargo, ofrece poca flexibilidad para modelar circuitos, ya que todos los componentes disponibles no pueden cambiarse o agregar compomentes nuevos.
Qucs-S
Qucs-S es una buena alternativa para simular circuitos, gracias a su uso libre y disponibilidad para incorporar el modelo Spice de componentes que no están incluídos en sus librerías. Además, se toma en cuenta que este simulador permite construir un símbolo que identifica al componente en un diagrama esquemático y facilita al usuario, tener una perspectiva del circuito a simular. Así, los símbolos que integran el circuito, los modelos de circuito en formato Spice y el IDE, permiten al usuario la simulación previa a la implementación del prototipo.
Para el caso particular de Qucs-S, debe notarse que también existe Qucs. La diferencia sustancial es que el primero admite la simulación por Spice y otros motores de simulación, mientras que el segundo utiliza por defecto Qucsator. Algunos menús de estas aplicaciones son mostradas en la figura 2.
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Figure 2: Menús característicos de los simuladores. a) Qucs, el submenú Show last netlist es la última opción. b) Qucs-S posee una opción para seleccionar el simulador por defecto. c) Menú de Qucs-S para configurar el simulador por defecto. |
En nuestro caso se recomienda instalar Qucs-S, porque además de la posibilidad de incorporar el modelo Spice, utiliza un programa adicional para acelerar los procesos de cálculo en paralelo conocido como Xyce.exe. En la figura 2c puede observarse la selección de ruta para localizar este programa.
El proceso de instalación de Qucs-S para varios sistemas operativos se describe aquí: https://ra3xdh.github.io/#inst
Creación de símbolo e incorporación de modelo Spice
Para probar la capacidad de simulación de Qucs-S, se buscó información técnica de un ampilficador operacional del tipo Rail to Rail en los componentes fabricados por Analog Devices, encontrándose que el AD8027 cumplía este especial requisito según se muestra en la figura 3.
Figure 3:
Captura de pantalla sobre información del componente AD8027
fabricado por Analog Devices.
El modelo Spice del AD8027
puede descargarse desde en enlace que contiene “SPICE Models” .
Este circuito suele tener extensión “mod”, pero
su contenido puede copiarse y pegarse en un archivo de tipo “lib”.
El contenido típico de un archivo “lib” se muestra en la figura 4.
Figure 4:
Contenido ilustrativo de un archivo extensión lib.
Estos archivos suelen iniciar con la directiva .SUBCKT y finalizar con .END. Su contenido es el modelo Spice de un componente electrónico.
Además del archivo anterior, es necesario definir el símbolo del componente en el diagrama esquemático, el cual está contenido en un archivo de extensión “sym” cuyo contenido típico se muestra en la figura 5.
Figure 5:
Contenido típico de un archivo extensión sym.
Este archivo tiene figuras geométricas que “dibujan” el símbolo del componente, que en este caso están representadas por 11 líneas, tiene 5 puertos de conexión, identificados como PortSym y finalmente un identificador ID cuya etiqueta es OP.
Si bien es cierto, el modelo Spice del circuito lo proporciona el fabricante y se descarga de su sitio web, el archivo Sym debe “dibujarse” y desarrollar un procedimiento que se describe aquí.
Una vez se tienen los archivos “lib” y “sym” deben almacenarse en la librería de Qucs-S tal como se muestra en la figura 6.
Figure 6:
Ubicación de archivos que contienen modelo Spice. a) Ruta en disco
duro. b) Carpeta con nombre de componente personalizado. c) Archivo
tipo lib
Debe notarse que, dentro de la ruta de la librería de Qucs-S (ver figura 6a), debe existir una carpeta con el nombre del componente (ver figura 6b) que a su vez debe contener el archivo ad8027.sym; además, un segundo archivo ad8027.lib (ver figura 6c).
Simulación para un Amplificador Operacional Rail to Rail
Una vez ha sido creado el modelo, puede procederse a la simulación de un amplificador no inversor utilizando un operacional del tipo rail to rail como el mostrado en la figura 7. Este tipo de amplificador permite obtener en su salida valores de saturación muy cercanos a la tensión utilizada por la fuente de alimentación, a diferencia de los que no son Rail to Rail que logran valores de hasta 85% de la tensión de fuente.
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Figure 7: Amplificador no inversor utilizando amplificador operacional de tipo Rail to Rail. |
El resultado de la simulación se muestra en la figura 8.
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Figure 8: Curvas de tensión para entrada y salida del amplificador no inversor mostrado en la figura anterior. |
Conclusiones
Disponer de un simulador con licencia de uso libre, con capacidad de incorporar el modelo Spice para la simulación de circuitos, provee de una gran ventaja para quienes diseñan circuitos electrónicos analógicos, ya que permite incorporar circuitos integrados específicos a diseños nuevos y reducir los costos en la generación de prototipos electrónicos.
Qucs utiliza como motor de simulación por defecto Qucsator, que posee librerías predefinidas para simular componentes. Qucs-S brinda la opción de utilizar Ngspice con la aceleración de Xyce, lo cual permite incorporar modelos Spice directamente de la página wed de los fabricantes y encontrar la simulación más rápidamente.
Sitios de interés
ngspice http://ngspice.sourceforge.net/
Qucs-S https://ra3xdh.github.io/
AD8027 https://www.analog.com/en/products/ad8027.html#product-overview
Consultas
¿Cuáles otros simuladores recomienda, que sean con licencia de uso libre?
¿Puede recomendar Qucs-S para uso profesional o en la universidad?
¿En cuáles casos preferiría pagar el uso de una licencia comercial para simuladores de circuitos electrónicos?
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