Simulación de Circuitos Electrónicos con OrCAD Pspice

Si desea aprender a simular circuitos electrónicos y asentar sus conocimientos de electrónica mediante ejemplos prácticos de simulación, ha dado con el libro indicado.

En esta segunda edición del libro Simulación de circuitos electrónicos con OrCAD PSpice se proporciona una detallada revisión y ampliación de los contenidos, así como una actualización a la versión 17.2 LITE. Los distintos temas abarcan desde los conceptos de simulación en la electrónica básica hasta aspectos más complejos de electrónica aplicada.

Con un programa como el OrCAD PSpice, la simulación es una herramienta que contribuye a comprender de forma experimental cómo funcionan los circuitos. Se obtienen unos resultados que permiten corregir los diseños, tanto de los ejercicios de teoría como de los trabajos de laboratorio.

En el capítulo 1 se presenta la simulación desde el punto de vista del diseño en la ingeniería orientada al producto, y en el capítulo 2 se introduce el paquete OrCAD 17.2 LITE, además de una descripción de sus programas, instalación y principales características.

El capítulo 3 se dedica a la simulación de los sistemas digitales, desde los circuitos combinacionales hasta los microprogramados, pasando por el diseño jerárquico y la generación de estímulos.

En el capítulo 4 se simulan circuitos analógicos, donde se incluyen distintas clases de dispositivos, así como amplificadores operacionales, y se realizan los diferentes tipos de análisis.

Los capítulos 5, 6 y 7 se dedican, respectivamente, al modelado y la simulación mediante comandos de PSpice. También a la creación de componentes nuevos, y a los análisis avanzados, como son el de Monte Carlo o el del Peor Caso, entre otros.

El capítulo 8 se ocupa de los circuitos mixtos analógicos y digitales, como son los convertidores A/D y D/A, y otros ejemplos que combinan los distintos dominios de datos analógicos, digitales o temporales.

En el capítulo 9 se simulan sensores y circuitos de acondicionamiento tomando como ejemplo distintos tipos de sensores.

Finalmente, el capítulo 10 se centra en la simulación de circuitos de potencia, donde se incluyen los dispositivos de potencia, las inductancias y los transformadores, los reguladores, etc.

Aprender a simular circuitos electrónicos de un modo práctico y sencillo está a su alcance. No espere más, hágase ya con su ejemplar y explote todo su potencial.

Camilo Quintáns Graña, natural de Pontevedra, se ha dedicado al campo de la electrónica durante más de treinta años. Es Ingeniero Técnico Industrial por la Universidad de de Vigo, e Ingeniero Industrial y Doctor por la UNED (Universidad Nacional de Educación a Distancia). En su experiencia profesional ha trabajado en diversas empresas como técnico en electrónica hasta el año 2000, cuando comenzó su labor en la Universidad de de Vigo, trabajando en numerosos proyectos de investigación y desempeñando la labor docente como profesor del Departamento de Tecnología Electrónica. Además, es tutor de la UNED en el Centro Asociado de Pontevedra y miembro fundador de la Asociación TAEE. Su línea de investigación actual se centra en los sistemas electrónicos aplicados, y colabora en diversos proyectos para la mejora de la enseñanza de la electrónica.

Índice general

Prólogo ………………………………………………………………………………………… xiv

Presentación …………………………………………………………………………………………. xv

CAPÍTULO 1. Introducción a la simulación de circuitos electrónicos ……….. 17

1.1. La simulación y el diseño en la ingeniería …………………………………… 18

1.2. Diseño y desarrollo de un producto electrónico ………………………….. 19

1.3. Biblioteca de componentes ………………………………………………………… 21

1.4. Niveles de abstracción en el diseño del producto ……………………….. 22

1.5. Procesado del diseño …………………………………………………………………. 24

1.6. Información para la instalación de OrCAD PSpice ……………………….. 25

1.7. Pasos para la instalación del paquete OrCAD ……………………………… 26

CAPÍTULO 2. Guía de inicio al software OrCAD® PSpice® ………………………. 31

2.1. Introducción ……………………………………………………………………………….. 31

2.2. Programa OrCAD Capture CIS Lite ……………………………………………… 31

2.3. Programa de simulación PSpice …………………………………………………. 34

2.4. Inicio de OrCAD 17.2 Lite ……………………………………………………………. 36

2.5. Creación de un proyecto de simulación en OrCAD Capture …………. 36

2.6. Cómo hacer una copia del proyecto de OrCAD ……………………………. 39

2.7. Realización del esquema en OrCAD Capture ……………………………….. 40

2.7.1. Barra de iconos de acceso rápido ……………………………………………… 40

2.7.2. Diseño del circuito …………………………………………………………………… 41

2.7.3. Colocación de los componentes ………………………………………………… 42

2.7.4. Conexionado de los componentes …………………………………………….. 43

2.7.5. Añadir y etiquetar buses …………………………………………………………… 44

2.7.6. Añadir una entrada digital fija a nivel alto o a nivel bajo ……………….. 45

2.7.7. Añadir estímulos digitales de entrada ………………………………………… 47

2.7.8. Identificación de los componentes (Annotate) …………………………….. 49

2.7.9. Chequeo de las reglas de diseño (Design Rule Check) ………………… 50

2.7.10. Obtención de la lista de materiales (Bill of Materials) …………………… 52

2.7.11. Siglas para las unidades ………………………………………………………….. 53

2.8. Simulación con PSpice ……………………………………………………………….. 53

2.8.1. Creación de un perfil de simulación …………………………………………… 53

2.8.2. Selección de las señales que se quieren visualizar ……………………… 55

2.8.3. Simulación del circuito ……………………………………………………………… 57

CAPÍTULO 3. Simulación de circuitos electrónicos digitales ……………………. 59

3.1. Introducción ……………………………………………………………………………….. 59

3.2. Generación de estímulos digitales de entrada …………………………….. 59

3.2.1. Estímulo de tipo fichero ……………………………………………………………. 60

3.2.2. Estímulo definido mediante comandos……………………………………….. 61

3.2.3. Estímulo de tipo reloj ……………………………………………………………….. 61

3.3. Perfil de simulación. Descripción de las opciones ………………………. 62

3.4. Almacenamiento de resultados en un fichero ……………………………… 63

3.5. Simulación de circuitos digitales combinacionales ……………………… 65

3.5.1. Decodificador binario de dos bits ………………………………………………. 65

3.5.2. Decodificador binario a decimal de tres bits ………………………………… 66

3.5.3. Multiplexor de cuatro canales ……………………………………………………. 68

3.5.4. Complemento a 2 de un número de cuatro bits …………………………… 69

3.5.5. Calculadora de la distancia entre dos números …………………………… 72

3.6. Diseño jerárquico: sumador de cuatro bits ………………………………….. 73

3.6.1. Introducción ……………………………………………………………………………. 73

3.6.2. Proceso para el diseño jerárquico ……………………………………………… 74

3.7. Circuitos digitales secuenciales síncronos …………………………………. 80

3.7.1. Sistema secuencial síncrono basado en biestables JK ………………… 80

3.7.2. Controlador secuencial de una puerta automática ……………………….. 84

3.7.3. Controlador secuencial basado en un contador binario ………………… 90

3.7.4. Controlador secuencial microprogramado ………………………………….. 93

3.7.5. Registro con entrada serie y salida paralelo ……………………………….. 95

3.8. Ejercicios propuestos …………………………………………………………………. 97

3.8.1. Circuito combinacional …………………………………………………………….. 97

3.8.2. Multiplicador de números de dos bits …………………………………………. 97

3.8.3. Circuito sumador total de dos bits ……………………………………………… 97

3.8.4. Decodificador binario a decimal ………………………………………………… 97

3.8.5. Combinacional microprogramado ………………………………………………. 98

3.8.6. Selector ………………………………………………………………………………….. 98

3.8.7. Circuito secuencial 1………………………………………………………………… 98

3.8.8. Circuito secuencial 2………………………………………………………………… 99

3.8.9. Circuito secuencial 3………………………………………………………………. 100

3.8.10. Automatismo de una puerta ……………………………………………………. 100

CAPÍTULO 4. Simulación de circuitos electrónicos analógicos ……………… 103

4.1. Introducción ……………………………………………………………………………… 103

4.2. Perfil de simulación ………………………………………………………………….. 104

4.3. Componentes electrónicos generadores …………………………………… 104

4.3.1. Generadores de tensión y de corriente …………………………………….. 104

4.3.2. Generador de ondas sinusoidales VSIN …………………………………… 107

4.3.3. Generador de señales de tipo pulso VPULSE …………………………… 107

4.3.4. Generador de tensión arbitraria VPWL …………………………………….. 108

4.4. Componentes especiales ………………………………………………………….. 109

4.4.1. Variables globales o parámetros ……………………………………………… 109

4.4.2. Interruptores dependientes del tiempo ……………………………………… 109

4.4.3. Interruptor controlado por tensión ……………………………………………. 110

4.4.4. Función TABLE ……………………………………………………………………… 110

4.4.5. Función de transferencia de LAPLACE …………………………………….. 110

4.4.6. Bloques funcionales para realizar cálculos matemáticos …………….. 111

4.4.7. Bobinas acopladas magnéticamente y transformadores …………….. 111

4.5. Ejemplos sencillos ……………………………………………………………………. 112

4.5.1. Generación de ondas triangulares …………………………………………… 112

4.5.2. Bobinas acopladas magnéticamente………………………………………… 113

4.5.3. Sistema trifásico equilibrado de secuencia positiva ……………………. 114

4.6. Tipos de análisis para simulación de circuitos ………………………….. 116

4.6.1. Análisis del punto de polarización ……………………………………………. 116

4.6.2. Barrido en continua o DC Sweep …………………………………………….. 118

4.6.3. Barrido paramétrico ……………………………………………………………….. 120

4.6.4. Análisis transitorio ………………………………………………………………….. 121

4.6.5. Barrido en alterna o AC Sweep ……………………………………………….. 124

4.7. Representaciones de variables complejas …………………………………. 126

4.8. Simulación de circuitos basados en componentes discretos …….. 128

4.8.1. Filtros pasivos ……………………………………………………………………….. 128

4.8.1.1. Filtro paso-bajo ……………………………………………………………… 128

4.8.1.2. Filtro paso-alto ………………………………………………………………. 129

4.8.1.3. Filtro paso-banda ………………………………………………………….. 130

4.8.2. Curva característica de un diodo semiconductor ……………………….. 130

4.8.3. Estudio de la característica en directa del diodo ………………………… 132

4.8.4. Circuitos con diodos ………………………………………………………………. 137

4.8.4.1. Rectificador de doble onda. Análisis de Fourier (FFT) ……….. 137

4.8.4.2. Rectificador de doble onda con condensador de filtro ………… 139

4.8.4.3. Rectificador de media onda con carga inductiva ……………….. 141

4.8.4.4. Recortador en paralelo …………………………………………………… 143

4.8.4.5. Circuito fijador ………………………………………………………………. 144

4.8.4.6. Circuito regulador Zener ………………………………………………… 145

4.8.5. Amplificación con el transistor bipolar o BJT ……………………… 146

4.8.6. El transistor de efecto de campo FET …………………………………. 151

4.8.6.1. Obtención de la característica de salida de un NFET …………. 151

4.8.6.2. Característica de transferencia del FET……………………………. 153

4.8.6.3. Circuito de autopolarización ……………………………………………. 155

4.8.6.4. Amplificador de baja frecuencia con transistor FET …………… 155

4.8.6.5. Deducción de la resistencia de salida del FET ………………….. 157

4.8.7. Simulación del amplificador diferencial …………………………….. 158

4.8.7.1. Ganancia diferencial ……………………………………………………… 159

4.8.7.2. Ganancia en modo común ……………………………………………… 162

4.8.7.3. Amplificador diferencial con fuente de corriente activa ……….. 165

4.9. Simulación de circuitos basados en el amplificador operacional …… 166

4.9.1. Introducción ………………………………………………………………………….. 166

4.9.2. Modelo básico del amplificador operacional ……………………………… 167

4.9.3. Amplificador no inversor …………………………………………………………. 168

4.9.4. Seguidor de tensión ……………………………………………………………….. 170

4.9.5. Amplificador inversor basado en un AO real ……………………………… 172

4.9.6. Amplificador restador ……………………………………………………………… 173

4.9.7. Sumador analógico. Red R/2R ………………………………………………… 174

4.10. Circuitos no lineales basados en el AO ……………………………………… 175

4.10.1. Simulación del circuito comparador LM111 ………………………………. 175

4.10.2. Circuito comparador con histéresis inversor ……………………………… 177

4.10.3. Oscilador basado en el AO MCP6021………………………………………. 179

4.10.4. Rectificador de precisión de doble onda …………………………………… 181

4.11. Ejercicios propuestos ……………………………………………………………….. 183

4.11.1. Generador de onda cuadrada …………………………………………………. 183

4.11.2. Modelado y simulación de un filtro paso-bajo pasivo ………………….. 183

4.11.3. Estudio de la respuesta en frecuencia de una red de atraso ……….. 183

4.11.4. Circuito RLC serie ………………………………………………………………….. 183

4.11.5. Obtener la curva característica de un diodo Zener …………………….. 184

4.11.6. Estudio del funcionamiento en inversa de un diodo ……………………. 184

4.11.7. Recortador paralelo de dos ramas …………………………………………… 184

4.11.8. Rectificador de doble onda 1 …………………………………………………… 184

4.11.9. Rectificador de doble onda 2 …………………………………………………… 185

4.11.10. Curvas características del BJT ……………………………………………. 185

4.11.11. Amplificador en EC ……………………………………………………………. 185

4.11.12. Amplificador inversor …………………………………………………………. 186

4.11.13. Circuito modulador-demodulador PWM ……………………………….. 186

4.11.14. Amplificador diferencial ……………………………………………………… 187

4.11.15. Circuito de procesado analógico 1 ………………………………………. 187

4.11.16. Circuito de procesado analógico 2 ………………………………………. 187

4.11.17. Circuito de procesado analógico 3 ………………………………………. 188

4.11.18. Red R/2R …………………………………………………………………………. 188

CAPÍTULO 5. Modelado y simulación de circuitos mediante comandos de PSpice .189

5.1. Introducción ……………………………………………………………………………… 189

5.2. Análisis en continua con PSpice ……………………………………………….. 196

5.2.1. Punto de polarización y barrido en continua ……………………………… 196

5.2.2. Análisis de sensibilidad ………………………………………………………….. 200

5.2.3. Análisis de transferencia ………………………………………………………… 201

5.3. Análisis transitorio con PSpice …………………………………………………. 202

5.4. Barrido en alterna con PSpice …………………………………………………… 203

5.4.1. Respuesta en frecuencia ………………………………………………………… 203

5.4.2. Análisis de ruido ……………………………………………………………………. 206

5.5. Análisis de Fourier con PSpice …………………………………………………. 207

5.6. Modelado y simulación de circuitos digitales mediante comandos de PSpice .208

5.6.1. Modelado y simulación de un circuito combinacional …………………. 209

5.6.2. Modelado de los tiempos de propagación …………………………………. 212

5.6.3. Modelado y simulación de un circuito secuencial ………………………. 214

5.7. Modelado y simulación de un circuito mixto A/D ……………………….. 218

5.8. Ejercicios propuestos ……………………………………………………………….. 222

5.8.1. Modelado con comandos de PSpice de un filtro pasivo ………………. 222

5.8.2. Modelado con comandos de PSpice de un rectificador ………………. 222

5.8.3. Modelado de un amplificador basado en AO …………………………….. 222

5.8.4. Modelado con comandos de PSpice de un sumador ………………….. 222

CAPÍTULO 6. Creación de componentes nuevos para OrCAD Capture . 223

6.1. Nuevo componente amplificador operacional ……………………………. 223

6.2. Nuevo componente de memoria ROM ……………………………………….. 229

6.3. Creación de componentes nuevos parametrizables …………………… 233

6.3.1. Diseño del filtro ……………………………………………………………………… 234

6.3.2. Creación de un componente parametrizable con el filtro diseñado . 235

6.3.3. Utilización de un componente ya creado ………………………………….. 238

6.4. Caracterización de dispositivos de la biblioteca BREAKOUT …….. 241

6.4.1. Caracterización de una resistencia ………………………………………….. 241

6.4.2. Caracterización de un transistor MOSFET de canal N ……………….. 244

CAPÍTULO 7. Análisis avanzados ………………………………………………………….. 247

7.1. Diseño y simulación de un circuito RLC serie ……………………………. 247

7.2. Análisis de Montecarlo ……………………………………………………………… 251

7.3. Análisis del Peor Caso ……………………………………………………………… 255

7.4. Análisis para optimización ………………………………………………………… 257

7.5. Prueba de humo ……………………………………………………………………….. 260

7.6. Análisis del Peor Caso en circuitos digitales …………………………….. 262

CAPÍTULO 8. Modelado y simulación de circuitos mixtos A/D ……………….. 265

8.1. Niveles eléctricos de señales digitales ………………………………………. 266

8.2. Convertidor digital a analógico (D/A) …………………………………………… 269

8.3. Convertidor analógico a digital (A/D) …………………………………………… 271

8.4. Acondicionamiento para un pulsador ………………………………………… 272

8.5. Modulador de ancho de pulso PWM ………………………………………….. 273

8.6. Modulador DAC-sigma-delta de primer orden ………………………………. 276

8.7. Modulador ADC sigma-delta de primer orden ……………………………. 278

8.8. Convertidor F/V (Frecuencia a Voltaje) ………………………………………. 280

8.8.1. Principio de funcionamiento ……………………………………………………. 280

8.8.2. Simulación del convertir F/V ……………………………………………………. 280

8.9. Síntesis digital directa de una señal analógica ………………………….. 286

8.9.1. Introducción ………………………………………………………………………….. 286

8.9.2. Simulación de un circuito DDS ………………………………………………… 287

8.10. Ejercicios propuestos ……………………………………………………………….. 290

8.10.1. Síntesis de una señal sinusoidal de 10 kHz ………………………………. 290

8.10.2. Convertidor F/V ……………………………………………………………………… 290

8.10.3. Modulador ADC sigma-delta de segundo orden ………………………… 290

8.10.4. Síntesis de una señal sinusoidal ……………………………………………… 290

CAPÍTULO 9. Simulación de sensores y acondicionadores ……………………. 291

9.1. Introducción ……………………………………………………………………………… 291

9.2. Medida de temperatura con un sensor PT100 ……………………………. 292

9.2.1. Fuente de referencia ……………………………………………………………… 292

9.2.2. Simulación de la PT100 y su acondicionamiento ……………………….. 295

9.3. Medida de fuerza con una galga ………………………………………………… 297

9.3.1. Modelado y simulación de una galga extensiométrica ………………… 297

9.3.2. Circuito de acondicionamiento para las galgas ………………………….. 298

9.4. Medida de posición con un LVDT ………………………………………………. 300

9.4.1. Simulación de un sensor LVDT ……………………………………………….. 300

9.4.2. Acondicionamiento con rectificador y restador …………………………… 301

9.4.3. Acondicionamiento con rectificador síncrono …………………………….. 302

9.5. Ejercicios propuestos ……………………………………………………………….. 303

9.5.1. Medida de temperatura con un diodo semiconductor …………………. 303

9.5.2. Medida de fuerza con galgas extensiométricas …………………………. 303

9.5.3. Medidor de velocidad de rotación de un eje ………………………………. 304

9.5.4. Etapa acondicionadora del rango de salida de un sensor …………… 304

CAPÍTULO 10. Simulación de circuitos electrónicos de potencia …………….. 305

10.1. Introducción ……………………………………………………………………………… 305

10.2. Simulación de una fuente de alimentación lineal ……………………….. 306

10.2.1. Modelado y simulación del transformador de potencia ……………….. 307

10.2.2. Regulador de tensión con limitador de corriente ………………………… 312

10.2.3. Fuente de alimentación lineal de tensión de 12 Vdc …………………… 314

10.3. Regulador lineal de tensión de tres terminales ………………………….. 316

10.4. Convertidores ca-cc o rectificadores …………………………………………. 317

10.4.1. Rectificador no controlado monofásico de media onda ………………. 317

10.4.2. Rectificador controlado monofásico de media onda …………………… 320

10.4.3. Rectificador semicontrolado monofásico de doble onda ……………… 321

10.4.4. Rectificador de potencia con MOSFET …………………………………….. 323

10.5. Convertidores cc-cc conmutados ……………………………………………… 326

10.5.1. Convertidor reductor o buck ……………………………………………………. 326

10.5.1.1. Circuito PWM sin filtro ……………………………………………….. 326

10.5.1.2. Circuito PWM con filtro LC …………………………………………. 327

10.5.1.3. Modelo de pequeña señal del PWM ……………………………. 331

10.5.1.4. Modelo de pequeña señal del reductor en bucle abierto … 333

10.5.1.5. Diseño y simulación del compensador ………………………… 335

10.5.1.6. Simulación del reductor con control en bucle cerrado ……. 336

10.5.2. Convertidor elevador o boost ………………………………………………….. 338

10.5.3. Convertidor de retroceso o flyback …………………………………………… 340

10.6. Convertidores cc-ca o inversores ……………………………………………… 344

10.6.1. Inversor monofásico con modulación de un solo pulso ……………….. 345

10.6.2. Inversor monofásico en medio puente SPWM …………………………… 349

10.7. Simulación del generador fotovoltaico ………………………………………. 351

10.7.1. Modelado y simulación de la célula solar ………………………………….. 351

10.7.2. Modelado y simulación del panel fotovoltaico ……………………………. 359

10.8. Modelado y simulación de la célula Peltier ………………………………… 360

10.9. Simulación de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica . 366

10.9.1. Modelado y simulación de una batería recargable ……………………… 366

10.9.2. Modelado y simulación de un supercondensador ………………………. 368

10.10. Ejercicios propuestos ……………………………………………………………….. 370

10.10.1. Fuente de alimentación lineal de 12 V …………………………………. 370

10.10.2. Fuente de tensión con regulador lineal de tres terminales ……… 370

10.10.3. Rectificador de doble onda con carga inductiva …………………….. 370

10.10.4. Corrientes eficaz y media a través de un diodo …………………….. 371

10.10.5. Reductor de tensión en bucle abierto …………………………………… 371

10.10.6. Elevador de tensión …………………………………………………………… 371

10.10.7. Inversor en medio puente …………………………………………………… 372

10.10.8. Simulación de un generador fotovoltaico ……………………………… 373

10.10.9. Modelado de una célula Peltier …………………………………………… 374

10.10.10. Respuesta de un supercondensador a un escalón de corriente . 374

Bibliografía ……………………………………………………………………………………….. 375

Anexo I: Acrónimos ………………………………………………………………………………… 379

Anexo II: Material complementario ………………………………………………………….. 381

Índice alfabético ……………………………………………………………………………………… 387