Simulación de circuitos electrónicos

La simulación de circuitos electrónicos utiliza modelos matemáticos para replicar el comportamiento de un dispositivo o circuito electrónico real. El software de simulación permite modelar el funcionamiento del circuito y es una herramienta de análisis invaluable. Debido a su alta precisión en el modelado, muchas universidades utilizan este tipo de software para la enseñanza de programas de técnico electrónico e ingeniería electrónica . El software de simulación electrónica involucra a sus usuarios al integrarlos en la experiencia de aprendizaje. Este tipo de interacciones involucra activamente a los estudiantes para analizar, sintetizar , organizar y evaluar el contenido, lo que resulta en la construcción de su propio conocimiento. ^{[ 1 ]}

Simular el comportamiento de un circuito antes de construirlo realmente puede mejorar enormemente la eficiencia del diseño al permitir identificar los fallos y comprender mejor el comportamiento de los circuitos electrónicos. En particular, para los circuitos integrados , las herramientas ( fotomáscaras ) son costosas, las placas de prototipos son poco prácticas y analizar el comportamiento de las señales internas es extremadamente difícil. Por lo tanto, casi todo el diseño de circuitos integrados depende en gran medida de la simulación. El simulador analógico más conocido es SPICE . Probablemente, los simuladores digitales más conocidos sean los basados ​​en Verilog y VHDL .

Algunos simuladores electrónicos integran un editor de esquemas , un motor de simulación y una visualización de formas de onda en pantalla (véase la Figura 1), lo que permite a los diseñadores modificar rápidamente un circuito simulado y observar el efecto de los cambios en la salida. Además, suelen contener amplias bibliotecas de modelos y dispositivos. Estos modelos incluyen, por lo general , modelos de transistores específicos para circuitos integrados , como BSIM, componentes genéricos como resistencias , condensadores , inductores y transformadores , y modelos definidos por el usuario (como fuentes de corriente y tensión controladas, o modelos en Verilog-A o VHDL-AMS ). El diseño de placas de circuito impreso (PCB) también requiere modelos específicos, como líneas de transmisión para las pistas y modelos IBIS para la electrónica de control y recepción.

Aunque existen simuladores de circuitos electrónicos estrictamente analógicos ^{[ 2 ]} , los simuladores más populares suelen incluir capacidades de simulación tanto analógica como digital basada en eventos ^{[ 3 ]} , y se conocen como simuladores de modo mixto o de señal mixta si pueden simular ambos simultáneamente. ^{[ 4 ]} Un análisis completo de señal mixta puede derivarse de un único esquema integrado. Todos los modelos digitales en los simuladores de modo mixto proporcionan una especificación precisa del tiempo de propagación y de los retardos de subida/bajada.

El algoritmo basado en eventos que ofrecen los simuladores de modo mixto es de propósito general y admite tipos de datos no digitales. Por ejemplo, los elementos pueden usar valores reales o enteros para simular funciones DSP o filtros de datos muestreados. Dado que el algoritmo basado en eventos es más rápido que la solución matricial SPICE estándar, el tiempo de simulación se reduce considerablemente para los circuitos que utilizan modelos basados ​​en eventos en lugar de modelos analógicos. ^{[ 5 ]}

La simulación en modo mixto se gestiona en tres niveles: con elementos digitales primitivos que utilizan modelos de temporización y el simulador de lógica digital integrado de 12 o 16 estados, con modelos de subcircuitos que utilizan la topología real de transistores del circuito integrado y, finalmente, con expresiones lógicas booleanas en línea.

Las representaciones exactas se utilizan principalmente en el análisis de problemas de integridad de línea de transmisión y señal , donde se requiere una inspección minuciosa de las características de entrada/salida de un circuito integrado. Las expresiones lógicas booleanas son funciones sin retardo que se utilizan para proporcionar un procesamiento eficiente de señales lógicas en un entorno analógico. Estas dos técnicas de modelado utilizan SPICE para resolver un problema, mientras que el tercer método, las primitivas digitales, utiliza la capacidad de modo mixto. Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y aplicaciones específicas. De hecho, muchas simulaciones (en particular las que utilizan tecnología A/D) requieren la combinación de los tres enfoques. Ningún enfoque por sí solo es suficiente.

Otro tipo de simulación, utilizada principalmente en electrónica de potencia, son los algoritmos lineales por tramos ^{[ 6 ]} . Estos algoritmos emplean una simulación analógica (lineal) hasta que un interruptor electrónico de potencia cambia de estado. En ese momento, se calcula un nuevo modelo analógico que se utilizará en el siguiente período de simulación. Esta metodología mejora significativamente tanto la velocidad como la estabilidad de la simulación ^{[ 7 ] .}

Otro enfoque que reduce drásticamente el tiempo de simulación de los convertidores conmutados se basa en circuitos de comportamiento promedio que aplican el modelo de inductor conmutado. ^{[ 8 ]}  En este enfoque, la simulación se realiza sobre las señales, voltajes y corrientes promedio, por lo que se ejecuta mucho más rápido. Otra ventaja de este enfoque es que puede realizar simulaciones tanto en el dominio del tiempo como en el dominio de la frecuencia. Este último se puede utilizar para extraer las funciones de transferencia en lazo abierto y cerrado. ^{[ 9 ]}

Las variaciones en el proceso de fabricación del diseño ocurren y los simuladores de circuitos a menudo no las tienen en cuenta. Estas variaciones pueden ser pequeñas, pero en conjunto, pueden modificar significativamente el rendimiento de un chip.

También se puede modelar la variación de temperatura para simular el rendimiento del circuito a través de rangos de temperatura. ^{[ 10 ]}

Un método común para simular sistemas de circuitos lineales es mediante matrices de admitancia , o matrices Y. La técnica consiste en modelar los componentes lineales individuales como una matriz de admitancia de N puertos, insertar la matriz Y del componente en una matriz de admitancia nodal del circuito , instalar terminaciones de puerto en los nodos que contienen puertos, eliminar los puertos sin nodos mediante la reducción de Kron , convertir la matriz Y final en una matriz S o Z según sea necesario, y extraer las mediciones deseadas de la matriz Y, Z y/o S.

• WCCA: Comparación sencilla de diferentes métodos
• Simulación de circuitos electrónicos en el Proyecto Directorio Abierto