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.

While there are strictly analog^[2] electronics circuit simulators, popular simulators often include both analog and event-driven digital simulation^[3] capabilities, and are known as mixed-mode or mixed-signal simulators if they can simulate both simultaneously.^[4] An entire mixed signal analysis can be driven from one integrated schematic. All the digital models in mixed-mode simulators provide accurate specification of propagation time and rise/fall time delays.

The event-driven algorithm provided by mixed-mode simulators is general-purpose and supports non-digital types of data. For example, elements can use real or integer values to simulate DSP functions or sampled data filters. Because the event-driven algorithm is faster than the standard SPICE matrix solution, simulation time is greatly reduced for circuits that use event-driven models in place of analog models.^[5]

Mixed-mode simulation is handled on three levels: with primitive digital elements that use timing models and the built-in 12 or 16 state digital logic simulator, with subcircuit models that use the actual transistor topology of the integrated circuit, and finally, with inline Boolean logic expressions.

Exact representations are used mainly in the analysis of transmission line and signal integrity problems where a close inspection of an IC’s I/O characteristics is needed. Boolean logic expressions are delay-less functions that are used to provide efficient logic signal processing in an analog environment. These two modeling techniques use SPICE to solve a problem while the third method, digital primitives, uses mixed mode capability. Each of these methods has its merits and target applications. In fact, many simulations (particularly those which use A/D technology) call for the combination of all three approaches. No one approach alone is sufficient.

Another type of simulation used mainly for power electronics represent piecewise linear^[6] algorithms. These algorithms use an analog (linear) simulation until a power electronic switch changes its state. At this time a new analog model is calculated to be used for the next simulation period. This methodology both enhances simulation speed and stability significantly.^[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