7.5: Componentes del circuito

Recuerda que este tutorial no es exhaustivo de ninguna manera, y que todas las descripciones de los elementos en el lenguaje SPICE están documentadas aquí en forma condensada. SPICE es una pieza de software muy capaz con muchas opciones, y sólo voy a documentar algunas de ellas.

Todos los componentes de un archivo fuente SPICE se identifican principalmente por la primera letra en cada línea respectiva. Los caracteres que siguen a la letra de identificación se utilizan para distinguir un componente de cierto tipo de otro del mismo tipo (r1, r2, r3, rload, rpullup, etc.), y no es necesario seguir ninguna convención de nomenclatura en particular, siempre y cuando no se utilicen más de ocho caracteres tanto en la letra de identificación del componente como el nombre distintivo.

Por ejemplo, supongamos que estaba simulando un circuito digital con resistencias “pullup” y “pulldown”. El nombre rpullup sería válido porque tiene siete caracteres de largo. El nombre rpulldown, sin embargo, tiene nueve caracteres de largo. Esto puede ocasionar problemas cuando SPICE interpreta la netlist.

De hecho, puede salirse con la suya con nombres de componentes que excedan de ocho caracteres en total si no hay otros componentes con nombre similar en el archivo de origen. SPICE solo presta atención a los primeros ocho caracteres del primer campo en cada línea, por lo que rpulldown en realidad se interpreta como rpulldow con la “n” al final siendo ignorada. Por lo tanto, cualquier otra resistencia que tenga los primeros ocho caracteres en su primer campo será vista por SPICE como la misma resistencia, definida dos veces, lo que provocará un error (es decir, rpulldown1 y rpulldown2 se interpretarían como el mismo nombre, rpulldow).

También hay que señalar que SPICE ignora el caso de carácter, por lo que r1 y R1 son interpretados por SPICE como uno y lo mismo.

SPICE permite el uso de prefijos métricos en la especificación de valores de componentes, lo cual es una característica muy útil. Sin embargo, la convención de prefijos utilizada por SPICE difiere algo de los símbolos métricos estándar, principalmente debido a que las listas de red están restringidas a caracteres ASCII estándar (descartando letras griegas como µ para el prefijo “micro”) y que SPICE es insensible a mayúsculas y minúsculas, por lo que “m” (que es el símbolo estándar para” milli”) y “M” (que es el símbolo estándar para “Mega”) se interpretan de manera idéntica. Aquí hay algunos ejemplos de prefijos utilizados en las listas de redes SPICE:

r1 1 0 2t (Resistencia R ₁, 2t = 2 Tera-ohmios = 2 TΩ)

r2 1 0 4g (Resistencia R ₂, 4g = 4 Giga-ohmios = 4 GΩ)

r3 1 0 47meg (Resistencia R ₃, 47meg = 47 mega-ohmios = 47 MΩ)

r4 1 0 3.3k (Resistencia R ₄, 3.3k = 3.3 kilo-ohmios = 3.3 kΩ)

r5 1 0 55m (Resistencia R ₅, 55m = 55 miliohmios = 55 mΩ)

r6 1 0 10u (Resistencia R ₆, 10u = 10 microohmios 10 µΩ)

r7 1 0 30n (Resistencia R ₇, 30n = 30 nano-ohmios = 30 nΩ)

r8 1 0 5p (Resistencia R ₈, 5p = 5 pico-ohmios = 5 pΩ)

r9 1 0 250f (Resistencia R ₉, 250f = 250 femto-ohmios = 250 fΩ)

También se permite la notación científica en la especificación de valores de componentes. Por ejemplo:

r10 1 0 4.7e3 (Resistencia R ₁₀, 4.7e3 = 4.7 x 10 ³ ohmios = 4.7 kilo-ohmios = 4.7 kΩ)

r11 1 0 1e-12 (Resistencia R ₁₁, 1e-12 = 1 x 10 ^-12 ohmios = 1 pico-ohmios = 1 pΩ)

La unidad (ohmios, voltios, faradios, henrys, etc.) se determina automáticamente por el tipo de componente que se especifica. SPICE “sabe” que todos los ejemplos anteriores son “ohmios” porque todos son resistencias (r1, r2, r3,.). Si fueran condensadores, los valores se interpretarían como “faradios”, si inductores, entonces “henrys”, etc.

Componentes pasivos

Capacitores

General form: c[name] [node1] [node2] [value] ic=[initial voltage] Example 1: c1 12 33 10u Example 2: c1 12 33 10u ic=3.5 

Comentarios: La variable “condición inicial” (ic=) es el voltaje del condensador en unidades de voltios al inicio del análisis de CC. Es un valor opcional, con el voltaje de arranque asumido como cero si no se especifica. Los valores de corriente inicial para los condensadores son interpretados por SPICE solo si se invoca la opción de análisis .tran (con la opción “uic”).

INDUCTORES

General form: l[name] [node1] [node2] [value] ic=[initial current] Example 1: l1 12 33 133m Example 2: l1 12 33 133m ic=12.7m 

Comentarios: La variable “condición inicial” (ic=) es la corriente del inductor en unidades de amperios al inicio del análisis de CC. Es un valor opcional, con la corriente inicial asumida como cero si no se especifica. Los valores de corriente inicial para inductores son interpretados por SPICE solo si se invoca la opción de análisis .tran.

Acoplamiento inductor (transformadores)

General form: k[name] l[name] l[name] [coupling factor] Example 1: k1 l1 l2 0.999 

Comentarios: SPICE solo permitirá valores de factor de acoplamiento entre 0 y 1 (no inclusivo), con 0 representando ningún acoplamiento y 1 representando acoplamiento perfecto. El orden de especificación de inductores acoplados (l1, l2 o l2, l1) es irrelevante.

RESISTENCIAS

General form: r[name] [node1] [node2] [value] Example: rload 23 15 3.3k 

Comentarios: En caso de que te lo preguntes, no hay declaración de clasificación de disipación de potencia de resistencia en SPICE. Se supone que todos los componentes son indestructibles. ¡Si tan solo la vida real fuera así de indulgente!

Componentes activos

Todos los componentes semiconductores deben tener sus características eléctricas descritas en una línea que comience con la palabra “.model”, que le dice a SPICE exactamente cómo se comportará el dispositivo. Cualesquiera que sean los parámetros que no se definan explícitamente en la tarjeta.model, tendrán valores preprogramados en SPICE. Sin embargo, la. se debe incluir la tarjeta modelo, y al menos especificar el nombre del modelo y el tipo de dispositivo (d, npn, pnp, njf, pjf, nmos o pmos).

DIODOS

General form: d[name] [anode] [cathode] [model] Example: d1 1 2 mod1 

MODELOS DIODOS:

General form: .model [modelname] d [parmtr1=x] [parmtr2=x] . . . Example: .model mod1 d Example: .model mod2 d vj=0.65 rs=1.3 

diodeparámetro

Definiciones de parámetros:

es = corriente de saturación en amperios

rs = resistencia de unión en ohmios

n = coeficiente de emisión (sin unidades)

tt = tiempo de tránsito en segundos

cjo = capacitancia de unión de polarización cero en faradios

vj = potencial de unión en voltios

m = coeficiente de gradación (sin unidades)

eg = energía de activación en electrón-voltios

xti = exponente de temperatura de corriente de saturación (sin unidades)

kf = coeficiente de ruido de parpadeo (sin unidad)

af = exponente de ruido de parpadeo (sin unidad)

fc = coeficiente de capacitancia de agotamiento de polarización directa (sin unidad)

bv = voltaje de ruptura inversa en voltios

ibv = corriente en tensión de ruptura en amperios

Comentarios: El nombre del modelo debe comenzar con una letra, no un número. Si planea especificar un modelo para un diodo rectificador 1N4003, por ejemplo, no puede usar “1n4003” para el nombre del modelo. Una alternativa podría ser “m1n4003” en su lugar.

TRANSISTORES, unión bipolar - BJT

General form: q[name] [collector] [base] [emitter] [model] Example: q1 2 3 0 mod1 

MODELOS TRANSISTOR BJT:

General form: .model [modelname] [npn or pnp] [parmtr1=x] . . . Example: .model mod1 pnp Example: .model mod2 npn bf=75 is=1e-14 

Los ejemplos de modelos mostrados anteriormente son muy inespecíficos. Para modelar con precisión los transistores de la vida real, se necesitan más parámetros. Toma estos dos ejemplos, ya que los populares transistores 2N2222 y 2N2907 (los “+”) los caracteres representan marcas de continuación de línea en SPICE, cuando deseas romper una sola línea (tarjeta) en dos o más líneas separadas en tu editor de texto:

 Example: .model m2n2222 npn is=19f bf=150 vaf=100 ikf=.18 + ise=50p ne=2.5 br=7.5 var=6.4 ikr=12m + isc=8.7p nc=1.2 rb=50 re=0.4 rc=0.4 cje=26p + tf=0.5n cjc=11p tr=7n xtb=1.5 kf=0.032f af=1 

Example: .model m2n2907 pnp is=1.1p bf=200 nf=1.2 vaf=50 + ikf=0.1 ise=13p ne=1.9 br=6 rc=0.6 cje=23p + vje=0.85 mje=1.25 tf=0.5n cjc=19p vjc=0.5 + mjc=0.2 tr=34n xtb=1.5 

Definiciones de parámetros:

es = corriente de saturación de transporte en amperios

bf = beta delantera máxima ideal (sin unidades)

nf = coeficiente de emisión de corriente directa (sin unidades)

vaf = voltaje temprano directo en voltios

ikf = esquina para vuelco delantero Beta de alta corriente en amperios

ise = Corriente de saturación de fuga B-E en amperios

ne = Coeficiente de emisión de fugas B-E (sin unidad)

br = beta inversa máxima ideal (sin unidades)

nr = coeficiente de emisión de corriente inversa (sin unidades)

bar = revertir Voltaje temprano en voltios

ikr ikr = esquina para vuelco de alta corriente Beta inversa en amperios

isc isc = corriente de saturación de fuga B-C en amperios

nc = Coeficiente de emisión de fugas B-C (sin unidades)

rb = resistencia base de polarización cero en ohmios

irb = corriente para el valor medio de la resistencia base en amperios

rbm = resistencia mínima de la base a altas corrientes en ohmios

re = resistencia del emisor en ohmios

rc = resistencia del colector en ohmios

cje = B-E capacitancia de agotamiento de polarización cero en faradios

vje = B-E potencial incorporado en voltios

mje = factor exponencial de la unión B-E (sin unidad)

tf = tiempo ideal de tránsito hacia adelante (segundos)

xtf = coeficiente para dependencia de sesgo del tiempo de tránsito (sin unidad)

vtf = dependencia del voltaje B-C del tiempo de tránsito, en voltios

itf = efecto del parámetro de alta corriente en el tiempo de tránsito, en amperios

ptf = exceso de fase a f=1/ (tiempo de tránsito) (2) (pi) Hz, en grados

cjc = B-C capacitancia de agotamiento de polarización cero en faradios

vjc = B-C potencial incorporado en voltios

mjc = factor exponencial de la unión B-C (sin unidad)

xjcj = fracción de capacitancia de agotamiento B-C conectada en el nodo base (sin unidades)

tr = tiempo de tránsito inverso ideal en segundos

cjs = capacitancia colector-sustrato de polarización cero en faradios

vjs = potencial incorporado de unión de sustrato en voltios

mjs = factor exponencial de unión de sustrato (sin unidad)

xtb = exponente de temperatura Beta hacia adelante/atrás

eg = brecha de energía para el efecto de la temperatura en la corriente de saturación de transporte en electrón-voltios

xti = exponente de temperatura para el efecto sobre la corriente de saturación del transporte (sin unidades)

kf = coeficiente de ruido de parpadeo (sin unidad)

af = exponente de ruido de parpadeo (sin unidad)

fc = coeficiente de fórmula de capacitancia de agotamiento de polarización directa (sin unidad)

Comentarios: Al igual que con los diodos, el nombre del modelo dado para un tipo de transistor en particular debe comenzar con una letra, no un número. Es por eso que los ejemplos dados anteriormente para los tipos 2N2222 y 2N2907 de BJT se llaman “m2n2222” y “q2n2907” respectivamente.

Como puede ver, SPICE permite una especificación muy detallada de las propiedades de los transistores. Muchas de las propiedades enumeradas anteriormente están mucho más allá del alcance e interés del estudiante principiante de electrónica, y ni siquiera son útiles aparte de conocer las ecuaciones que usa SPICE para modelar transistores BJT. Para aquellos interesados en aprender más sobre el modelado de transistores en SPICE, consulten otros libros, como El libro de especias de Andrei Vladimirescu (ISBN 0-471-60926-9).

JFET, transistor de efecto de campo de unión

General form: j[name] [drain] [gate] [source] [model] Example: j1 2 3 0 mod1 

MODELOS DE TRANSISTOR JFET:

General form: .model [modelname] [njf or pjf] [parmtr1=x] . . . Example: .model mod1 pjf Example: .model mod2 njf lambda=1e-5 pb=0.75 

Definiciones de parámetros:

vto = voltaje umbral en voltios

beta = parámetro de transconductancia en amperios/voltios ²

lambda = parámetro de modulación de longitud de canal en unidades de 1/voltios

rd = resistencia al drenaje en ohmios

rs = resistencia de la fuente en ohmios

cgs = capacitancia de unión G-S de polarización cero en faradios

cgd = capacitancia de unión G-D de polarización cero en faradios

pb = potencial de unión de puerta en voltios

es = corriente de saturación de unión de puerta en amperios

kf = coeficiente de ruido de parpadeo (sin unidad)

af = exponente de ruido de parpadeo (sin unidad)

fc = coeficiente de capacitancia de agotamiento de polarización directa (sin unidad)

MOSFET, transistor

General form: m[name] [drain] [gate] [source] [substrate] [model] Example: m1 2 3 0 0 mod1 

MODELOS DE TRANSISTOR MOSFET:

General form: .model [modelname] [nmos or pmos] [parmtr1=x] . . . Example: .model mod1 pmos Example: .model mod2 nmos level=2 phi=0.65 rd=1.5 Example: .model mod3 nmos vto=-1 (depletion) Example: .model mod4 nmos vto=1 (enhancement) Example: .model mod5 pmos vto=1 (depletion) Example: .model mod6 pmos vto=-1 (enhancement) 

Comentarios: Para distinguir entre los transistores de modo de mejora y modo de agotamiento (también conocido como modo de mejora de agotamiento), se debe especificar el parámetro de modelo “vto” (voltaje umbral de polarización cero). Su valor predeterminado es cero, pero un valor positivo (+1 voltios, por ejemplo) en un transistor de canal P o un valor negativo (-1 voltios) en un transistor de canal N especificará que ese transistor sea un dispositivo de modo de agotamiento (también conocido como depleción-mejora). Por el contrario, un valor negativo en un transistor de canal P o un valor positivo en un transistor de canal N especificará que ese transistor es un dispositivo de modo de mejora.

Recuerde que los transistores de modo de mejora son normalmente dispositivos apagados y deben encenderse mediante la aplicación de voltaje de puerta. Los transistores de modo de agotamiento normalmente están “encendidos”, pero pueden ser “pellizcados” y mejorados a mayores niveles de corriente de drenaje mediante el voltaje de puerta aplicado, de ahí la designación alternativa de MOSFET de “mejora de agotamiento”. El parámetro “vto” especifica el voltaje de puerta umbral para la conducción MOSFET.

Fuentes

FUENTES DE VOLTAJE DE ONDA SINEWAVE CA (cuando se usa la tarjeta .ac para especificar

General form: v[name] [+node] [-node] ac [voltage] [phase] sin Example 1: v1 1 0 ac 12 sin Example 2: v1 1 0 ac 12 240 sin (12 V ∠ 240o) 

Comentarios: Este método de especificar fuentes de voltaje de CA funciona bien si estás usando múltiples fuentes en diferentes ángulos de fase entre sí, pero todas a la misma frecuencia. Si necesitas especificar fuentes a diferentes frecuencias en un mismo circuito, ¡debes usar el siguiente método!

FUENTES DE VOLTAJE DE ONDA SINEWAVE CA (cuando NO se utiliza la tarjeta.ac para especificar

General form: v[name] [+node] [-node] sin([offset] [voltage] + [freq] [delay] [damping factor]) Example 1: v1 1 0 sin(0 12 60 0 0) 

Definiciones de parámetros:

offset = voltaje de polarización de CC, compensando la forma de onda de CA por un voltaje especificado.

voltaje = pico, o cresta, valor de voltaje de CA para la forma de onda.

freq = frecuencia en Hertz.

delay = retardo de tiempo, o desplazamiento de fase para la forma de onda, en segundos.

factor de amortiguación = una figura utilizada para crear formas de onda de amplitud decreciente.

Comentarios: Este método de especificar fuentes de voltaje de CA funciona bien si estás usando múltiples fuentes a diferentes frecuencias entre sí. Sin embargo, representar el desplazamiento de fase es complicado, requiriendo el uso del factor de retardo.

FUENTES DE VOLTAJE DE CC (cuando se usa la tarjeta .dc para especificar voltaje)

General form: v[name] [+node] [-node] dc Example 1: v1 1 0 dc 

Comentarios: Si deseas tener voltajes de salida SPICE no en referencia al nodo 0, debes usar el. opción de análisis dc, y para usar esta opción debe especificar al menos una de sus fuentes de CC de esta manera.

FUENTES DE VOLTAJE DE CC (cuando NO se utiliza la tarjeta .dc para especificar voltaje):

General form: v[name] [+node] [-node] dc [voltage] Example 1: v1 1 0 dc 12 

Comentarios: ¡Aquí nada digno de mención!

FUENTES DE VOLTAJE

General form: v[name] [+node] [-node] pulse ( [p] [td] [tr] + [tf] [pw] [pd]) 

Definiciones de parámetros:

i = valor inicial

p = valor de pulso

td = tiempo de retardo (todos los parámetros de tiempo en unidades de segundos)

tr = tiempo de subida

tf = tiempo de caída

pw = ancho de pulso

pd = periodo

Example 1: v1 1 0 pulse (-3 3 0 0 0 10m 20m) 

Comentarios: El ejemplo 1 es una onda cuadrada perfecta que oscila entre -3 y +3 voltios, con tiempos de subida y caída cero, un periodo de 20 milisegundos, y un ciclo de trabajo del 50 por ciento (+3 voltios para 10 ms, luego -3 voltios para 10 ms).

FUENTES DE CORRIENTE DE ONDA SINEWAVE CA (cuando se usa la tarjeta .ac para especificar

General form: i[name] [+node] [-node] ac [current] [phase] sin Example 1: i1 1 0 ac 3 sin (3 amps) Example 2: i1 1 0 ac 1m 240 sin (1 mA ∠ 240o) 

Comentarios: Aquí se aplican los mismos comentarios (y en el siguiente ejemplo) que para las fuentes de voltaje de CA.

FUENTES DE CORRIENTE DE ONDA SINEWAVE CA (cuando NO se utiliza la tarjeta.ac para especificar

General form: i[name] [+node] [-node] sin([offset] + [current] [freq] 0 0) Example 1: i1 1 0 sin(0 1.5 60 0 0) 

FUENTES DE CORRIENTE CC (cuando se usa la tarjeta .dc para especificar la corriente)

General form: i[name] [+node] [-node] dc Example 1: i1 1 0 dc 

FUENTES DE CORRIENTE CC (cuando NO se utiliza la tarjeta .dc para especificar la corriente):

General form: i[name] [+node] [-node] dc [current] Example 1: i1 1 0 dc 12 

Comentarios: Aunque todos los libros dicen que el primer nodo dado para la fuente de corriente CC es el nodo positivo, eso no es lo que he encontrado en la práctica. En la actualidad, una fuente de corriente CC en SPICE empuja la corriente en la misma dirección que lo haría una fuente de voltaje (batería) con su nodo negativo especificado primero.

FUENTES DE CORRIENTE

General form: i[name] [+node] [-node] pulse ( [p] [td] [tr] + [tf] [pw] [pd]) 

Definiciones de parámetros:

i = valor inicial

p = valor de pulso

td = tiempo de retardo

tr = tiempo de subida

tf = tiempo de caída

pw = ancho de pulso

pd = periodo

Example 1: i1 1 0 pulse (-3m 3m 0 0 0 17m 34m) 

Comentarios: El ejemplo 1 es una onda cuadrada perfecta que oscila entre -3 mA y +3 mA, con tiempos de subida y caída cero, un periodo de 34 milisegundos, y un ciclo de trabajo de 50 por ciento (+3 mA para 17 ms, luego -3 mA para 17 ms).

FUENTES DE VOLTAJE (dependientes):

General form: e[name] [out+node] [out-node] [in+node] [in-node] + [gain] Example 1: e1 2 0 1 2 999k 

Comentarios: Las fuentes de voltaje dependientes son excelentes para simular amplificadores operativos. El ejemplo 1 muestra cómo se configuraría dicha fuente para su uso como seguidor de voltaje, invirtiendo la entrada conectada a la salida (nodo 2) para retroalimentación negativa y la entrada no inversora que entra en el nodo 1. La ganancia se ha establecido en un valor arbitrariamente alto de 999.000. Sin embargo, una palabra de precaución: SPICE no reconoce la entrada de una fuente dependiente como una carga, por lo que una fuente de voltaje atada solo a la entrada de una fuente de voltaje independiente se interpretará como “abierta”. Consulte ejemplos de circuitos de amplificador operacional para obtener más detalles al respecto.

FUENTES DE CORRIENTE (dependientes):