Catto / Mapa de Temas · Informática Electrónica II 5° año
Informática Electrónica II · 120 h · Eje 5 de 5

Simulación de circuitos y mediciones virtuales

Un simulador resuelve, para cada instante, las ecuaciones de Kirchhoff del circuito. Eso es todo lo que hace, y es muchísimo: permite probar veinte variantes en una tarde. Pero lo que devuelve no es la realidad, sino la realidad según los modelos que se le cargaron.

CAD y diseño SPICE Análisis Márgenes de error

01Qué hace un simulador por dentro

Todos los simuladores de circuitos descienden de SPICE, escrito en Berkeley en 1973. El procedimiento no cambió: se arma un sistema de ecuaciones con las leyes de Kirchhoff, se lo resuelve numéricamente para hallar las tensiones de todos los nodos, y se repite el cálculo para cada punto de tiempo o de frecuencia.

Lo que entra y lo que sale
  • Entra: la netlist —los mismos datos del esquemático— más un modelo para cada componente y una directiva que dice qué análisis correr.
  • Sale: tensiones y corrientes en cada nodo, para cada instante o frecuencia calculados.
  • Lo que no entra: la longitud de las pistas, la capacidad del cableado, la temperatura real, la tolerancia de los componentes ni el ruido del ambiente. Nada de eso existe para el simulador salvo que se lo agregue a mano.

02Los tipos de análisis

Elegir el análisis correcto es la mitad del trabajo. Cada uno responde una pregunta distinta.

.op · punto de operación 5 V R 10k C 10n V = 5,000 V un número por nodo, el circuito en reposo .tran · en el tiempo 63 % τ = RC = 100 µs la evolución completa .ac · en frecuencia corte en 1592 Hz la respuesta en toda la banda El mismo circuito R-C: tres preguntas distintas, tres análisis distintos.
Figura 1. Tres análisis del mismo circuito R-C, animados. El punto de operación da un número; el transitorio, la evolución en el tiempo; el de frecuencia, la respuesta en toda la banda. Son tres preguntas distintas sobre el mismo circuito.
AnálisisPregunta que respondeEjemplo típico
Punto de operación (.op)¿En qué tensiones y corrientes queda el circuito en reposo?Verificar la polarización de un transistor antes de mirar cualquier otra cosa.
Barrido de continua (.dc)¿Cómo cambia la salida si barro una fuente o una resistencia?Levantar la curva característica de un diodo o de un transistor.
Transitorio (.tran)¿Qué pasa en el tiempo?Carga de un capacitor, arranque de un oscilador, forma de onda de una fuente.
Frecuencia (.ac)¿Cómo responde a cada frecuencia?Curva de un filtro, ancho de banda de un amplificador.
Paramétrico (.step)¿Qué pasa si este componente vale otra cosa?Barrer R de 1 k a 100 k y ver las diez curvas superpuestas.
Monte Carlo / tolerancias¿Qué pasa con la dispersión real de los componentes?Comprobar que el circuito funciona con resistencias al 5 % y capacitores al 20 %.
Ruido (.noise)¿Cuánto ruido propio tiene?Diseño de la etapa de entrada de un instrumento.
El análisis que casi nadie corre y siempre conviene

El Monte Carlo. Un circuito que funciona con los valores nominales puede fallar en la producción, donde cada resistencia está en cualquier punto de su tolerancia. Simular cien combinaciones al azar muestra si el diseño tiene margen o si anda «de casualidad». Es la diferencia entre un prototipo que funciona y un producto que funciona.

03Los modelos: ahí está todo

Un resistor se modela con un número. Un transistor, con más de veinte parámetros. La calidad de la simulación no depende del programa: depende del modelo.

Modelo del fabricante

Publicado junto a la hoja de datos, ajustado con mediciones reales. Es el que hay que buscar siempre: casi todos los fabricantes serios lo ofrecen para descargar.

Modelo genérico

El «transistor NPN» que trae el programa. Sirve para entender un concepto, no para predecir el comportamiento de un circuito concreto.

Modelo ideal

Fuente perfecta, operacional ideal, llave sin resistencia. Útil para aislar una idea; peligroso si uno se olvida de que lo está usando.

Lo que los modelos no traen
  • La inductancia de las patas y de las pistas.
  • La capacidad entre pistas y hacia el plano de masa.
  • La ESR de los capacitores reales, que envejece (mediciones de impedancia).
  • El calentamiento: el modelo suele calcular a 27 °C fijos salvo que se le indique otra cosa.
  • El acoplamiento entre etapas por la alimentación compartida.

Todo eso hay que agregarlo a mano cuando importa: un modelo de fuente con su resistencia interna, una inductancia en serie con cada capacitor de filtro, una resistencia de 0,1 Ω representando la pista. Un buen simulista es, sobre todo, alguien que sabe qué parásitos agregar.

04Simulación contra realidad

simulado: flanco perfecto medido: sobrepico, timbre y tiempo de subida sobrepico La diferencia no es un error del simulador: es la inductancia del cableado y la capacidad que el modelo no tenía. Comparar las dos curvas es la parte del trabajo donde realmente se aprende.
Figura 2. La misma señal, simulada y medida, animado. En el simulador el flanco es perfecto; en la placa aparece sobrepico, oscilación y un tiempo de subida finito. Ninguna de las dos está «mal»: describen circuitos distintos, porque el real incluye elementos que el modelo no tenía.
Diferencia observadaDe dónde sale
La frecuencia del oscilador no coincideTolerancia de R y C, y capacidades parásitas de la placa y de la punta del osciloscopio.
El flanco tiene sobrepico y timbreInductancia del cableado resonando con la capacidad de entrada. No estaba en el modelo.
La ganancia real es menorEl modelo genérico tenía más β que el transistor real, o la carga del instrumento influye.
El circuito oscila y en el simulador noRealimentación por la alimentación compartida o por acoplamiento entre pistas: falta el desacople.
Se calienta más de lo previstoLa simulación no consideró la temperatura y sus efectos sobre los parámetros.
El regulador entra en oscilaciónLa ESR del capacitor de salida real está fuera del rango que exige el integrado. En el modelo, el capacitor era ideal.
El método correcto
  1. Calcular primero, aunque sea aproximadamente. Quien no sabe qué esperar no puede darse cuenta de que la simulación está mal.
  2. Simular para verificar el cálculo, ver formas de onda y explorar variantes.
  3. Prototipar y medir con instrumentos reales.
  4. Comparar los tres resultados. Si difieren, hay algo que no se entendió, y ahí está la parte más valiosa del aprendizaje.

Un resultado de simulación que nadie cuestionó es tan poco confiable como una medición hecha con un instrumento sin calibrar.

Problemas de convergencia

Cuando el simulador avisa «análisis fallido» o «singular matrix», casi siempre es una de estas causas, y ninguna es culpa del programa:

  • Falta el nodo de masa: SPICE necesita una referencia (el nodo 0). Es la causa número uno.
  • Un nodo flotante, sin ningún camino de continua a masa: se resuelve con una resistencia muy grande, de 1 MΩ o 1 GΩ.
  • Inductores o fuentes de tensión en lazo cerrado ideal, sin resistencia: hay que agregar una resistencia serie chica.
  • Escalones perfectamente verticales: dar a las fuentes un tiempo de subida realista, aunque sea de nanosegundos.
  • Condiciones iniciales absurdas: usar .ic o uic con criterio.

05Herramientas y mediciones virtuales

ProgramaFuerteNota
LTspiceSPICE completo, gratuito, rápido y muy usadoExcelente en fuentes conmutadas y analógica. Interfaz austera, pero es el estándar libre.
FalstadSimulador en el navegador, con la corriente animada sobre el circuitoInsuperable para ver lo que pasa; no reemplaza a un SPICE serio.
ProteusSimula el circuito con el microcontrolador ejecutando el programaMuy usado en educación técnica: permite probar el firmware antes de tener la placa.
MultisimInstrumentos virtuales muy parecidos a los realesBueno para practicar mediciones; licencia paga.
Qucs-S / NgspiceLibres, con motor SPICEAlternativas abiertas y multiplataforma.
Los instrumentos virtuales son ideales, y eso engaña

El osciloscopio del simulador tiene ancho de banda infinito, impedancia de entrada infinita y no carga el circuito. El multímetro virtual es exacto y no tiene tensión de carga. Medir en el simulador es, por definición, más fácil que medir en el banco, y por eso la práctica de laboratorio no se puede reemplazar con simulación: lo que se aprende midiendo es justamente a lidiar con instrumentos que no son ideales, como se vio en instrumentos de medida digitales.

Márgenes de error: cómo informar un resultado simulado

Un informe honesto de simulación indica: qué modelo se usó para cada componente activo, con qué tolerancias se corrió el análisis, a qué temperatura, y qué parásitos se incluyeron. «El circuito da 4,98 V» no es un resultado; «con resistencias al 1 % y a 25 °C, la salida queda entre 4,92 y 5,04 V en el 95 % de los casos» sí lo es.

06En el laboratorio

Práctica 1 · Los tres análisis sobre un R-C

Con R = 10 kΩ y C = 10 nF: correr el punto de operación, un transitorio con entrada cuadrada y un barrido en frecuencia. Verificar que la constante de tiempo es τ = RC = 100 µs, que la salida alcanza el 63 % en un τ, y que el corte del barrido cae en 1592 Hz. Los tres resultados describen el mismo circuito.

Práctica 2 · Simulado contra medido

Armar ese mismo R-C en el banco y medirlo con el generador y el osciloscopio. Superponer las dos curvas. Anotar las diferencias y buscar la causa de cada una: tolerancia del capacitor, capacidad de la punta, resistencia de salida del generador.

Práctica 3 · Tolerancias

Correr un análisis paramétrico variando R ±5 % y C ±20 % y observar cuánto se corre la frecuencia de corte. Comparar con lo medido en tres ejemplares distintos del mismo circuito armados por compañeros distintos.

Práctica 4 · Provocar la falta de convergencia

Armar a propósito un circuito sin masa y comprobar el error. Después dejar un nodo flotante y arreglarlo con una resistencia de 1 MΩ. Es la manera más rápida de aprender a diagnosticar el problema más frecuente del simulador.

Práctica 5 · Comparar con lo publicado

Simular el astable del 555 con los mismos R y C del simulador interactivo del sitio, y contrastar los tres resultados: la fórmula, la simulación SPICE y la medición sobre el circuito armado. Las tres deberían coincidir dentro de la tolerancia de los componentes; si no, hay algo para investigar.

07Errores frecuentes

SíntomaCausa habitual
«Singular matrix» o análisis fallidoFalta el nodo de masa, o hay un nodo sin camino de continua a masa.
El transitorio tarda muchísimoPaso de tiempo demasiado chico para la duración pedida, o señales de frecuencias muy distintas en el mismo análisis.
El circuito simula perfecto y en la placa oscilaFaltan los parásitos: inductancia del cableado, desacople, resistencia de la fuente.
La ganancia simulada no coincide con la medidaModelo genérico en vez del modelo del fabricante.
La curva de frecuencia da plana y sin sentidoSe corrió un análisis .ac sin fuente de señal alterna declarada, o con el circuito mal polarizado.
Todo funciona en simulación al primer intentoMotivo para desconfiar: casi seguro que se está simulando algo ideal. Conviene revisar los modelos.
El resultado cambia mucho al cambiar el paso de tiempoEl análisis no convergió realmente: hay que ajustar tolerancias y paso máximo.

08Autoevaluación

¿Qué resuelve exactamente un simulador tipo SPICE?

El sistema de ecuaciones de Kirchhoff del circuito, numéricamente, para cada punto de tiempo o de frecuencia, usando un modelo matemático de cada componente.

¿Qué análisis se usa para obtener la curva de un filtro?

El de frecuencia (.ac): barre la frecuencia de la fuente y grafica módulo y fase de la salida.

¿Para qué sirve un análisis de Monte Carlo?

Para ver qué pasa con la dispersión real de los componentes: corre muchas simulaciones con valores tomados al azar dentro de sus tolerancias y muestra la distribución de resultados. Es lo que distingue un diseño con margen de uno que funciona por casualidad.

¿Por qué un circuito puede simular bien y oscilar en la placa?

Porque en la placa existen elementos que el modelo no tenía: inductancia y capacidad de las pistas, impedancia de la fuente compartida, acoplamiento entre etapas. La realimentación positiva que produce el oscilar no estaba en el circuito simulado.

¿Cuál es la causa más común de que un análisis no converja?

Falta el nodo de masa. SPICE necesita una referencia de tensión; sin ella el sistema de ecuaciones no tiene solución única.

¿Por qué no alcanza con el modelo genérico de un transistor?

Porque sus parámetros —ganancia, capacidades, tensiones de saturación— no corresponden a ningún componente real. Sirve para ilustrar un concepto, no para predecir el comportamiento del circuito que se va a armar.

El simulador da 4,98 V. ¿Es un resultado suficiente?

No. Falta decir con qué modelos, con qué tolerancias, a qué temperatura y con qué parásitos. Un resultado útil es un intervalo con sus condiciones, no un número solo.

¿Qué límite tiene el osciloscopio virtual del simulador?

Que es ideal: ancho de banda e impedancia infinitos, sin ruido y sin cargar el circuito. Por eso muestra formas de onda que ningún instrumento real vería igual, y por eso no reemplaza la práctica de medición.

¿En qué orden conviene trabajar?

Calcular, simular, prototipar y medir; y después comparar los tres resultados. Cada uno controla a los otros: sin cálculo previo no hay manera de darse cuenta de que la simulación está mal planteada.

¿Qué parásitos conviene agregar a mano en una simulación de fuente?

La ESR y la ESL de los capacitores, la resistencia e inductancia de las pistas, la resistencia interna de la fuente de entrada y el tiempo de conmutación real de los semiconductores. Sin ellos, el rizado y las oscilaciones simuladas no se parecen a las reales.

Desarrollo del eje «Simulación de circuitos y mediciones virtuales» de Informática Electrónica II (5° año), según la «Propuesta Curricular – Segundo Ciclo de la Modalidad Técnico Profesional, Educación Secundaria – Electrónica», Ministerio de Educación de la Provincia de Córdoba, DGETyFP. Volver al Mapa de Temas · catto.ar