Édition schématique et simulation analogique avec le logiciel CircuitMaker 2000

Édition schématique et simulation analogique avec le logiciel CircuitMaker 2000 Département de génie électrique et de génie informatique Université de Sherbrooke Révisé le 20 jan. 2006 1

Table des matières 1 ÉDITION SCHÉMATIQUE... 3 1.1 SCHÉMA ÉLECTRIQUE D UN FILTRE PASSE-BANDE À FRÉQUENCE CENTRALE DE 1KHZ... 3 1.2 LIBRAIRIES DE COMPOSANTS... 4 1.2.1 Recherche de composants par catégorie... 4 1.2.2 Recherche de composants par numéro d identification... 5 1.2.3 Recherche et ajout de composants par hotkeys... 6 1.2.4 Menu Bouton de droite de la souris... 6 1.3 DÉFINITION DES BUS D ALIMENTATION... 6 1.3.1 Ajustement de sources d alimentation communes (ou bus) telle que +V... 6 1.3.2 Définition d un autre bus d alimentation... 7 2 SIMULATION ANALOGIQUE : RÉPONSE TEMPORELLE... 8 2.1 AJUSTEMENT DES PARAMÈTRES DU GÉNÉRATEUR POUR LA SIMULATION TEMPORELLE... 8 2.1.1 Choix de la forme de l onde (Sine Wave, etc.)... 8 2.1.2 Ajustement des paramètres de l onde sinusoïdale... 8 2.2 AJUSTEMENT DES PARAMÈTRES DE L ANALYSE TEMPORELLE... 9 2.2.1 Choix et activation des analyses à effectuer... 9 2.2.2 Paramètres de l analyse temporelle... 9 2.3 RÉSULTATS DE L ANALYSE TEMPORELLE... 10 3 SIMULATION ANALOGIQUE: RÉPONSE EN FRÉQUENCE... 11 3.1 AJUSTEMENT DES PARAMÈTRES DU GÉNÉRATEUR POUR LA SIMULATION AC... 11 3.1.1 Ajustement de l amplitude et de la phase de la source AC (générateur)... 11 3.2 AJUSTEMENT DES PARAMÈTRES DE L ANALYSE AC... 11 3.2.1 Choix et activation des analyses à effectuer... 11 3.2.2 Paramètres de l analyse... 12 3.3 AJUSTEMENT DE L AFFICHAGE... 12 3.3.1 Mise en page du résultat... 12 3.3.2 Utilisation des curseurs... 14 3.3.3 Affichage de plusieurs courbes... 14 4 ANALYSE MONTE-CARLO... 15 4.1 AJUSTEMENTS POUR L ANALYSE MONTE-CARLO... 15 4.1.1 Choix des analyses pour lesquelles une analyse Monte-Carlo sera effectuée... 15 4.1.2 Ajustement des paramètres de l analyse Monte-Carlo... 15 4.2 RÉSULTATS DE L ANALYSE MONTE-CARLO POUR LA RÉPONSE FRÉQUENTIELLE... 16 4.3 AJUSTEMENTS DES OPTIONS DE SIMULATION ANALOGIQUE... 16 5 EXPORTATION ET VÉRIFICATION DE «NETLIST»... 18 5.1 NETLIST POUR LA SIMULATION SPICE... 18 5.2 NETLIST POUR LA RÉALISATION DE CIRCUITS IMPRIMÉS... 18 2

1 Édition schématique 1.1 Schéma électrique d un filtre passe-bande à fréquence centrale de 1kHz 3

1.2 Librairies de composants 1.2.1 Recherche de composants par catégorie Noter que le même composant peut se retrouver dans deux catégories ou plus. De plus sa représentation graphique peut varier. Ainsi le symbole du LM324 pris dans la catégorie Op- Amp5 a l entrée positive en bas à gauche (voir ci-dessus) tandis que le symbole du LM324 de la catégorie Op-Amp5:A a son entrée positive en haut à gauche (voir la figure suivante au paragraphe 1.2.2). Attention! Pour certains symboles tels que les amplificateurs opérationnels, il ne suffit pas de faire pivoter le symbole pour avoir les entrées positionnées selon ce qui convient le mieux pour le circuit car les traits verticaux des alimentations positives et négatives ne seront plus à leur position conventionnelle. En effet, le signe + en dehors du triangle indique l alimentation positive et devrait demeurer sur le dessus. Ainsi il est préférable de choisir le symbole dans la bonne configuration des entrées au départ. 4

1.2.2 Recherche de composants par numéro d identification Dans l onglet Search, entrer quelques caractères sous Name/Description pour faire afficher tous les composants dont le modèle inclut ces caractères. Noter qu une seule catégorie sera affichée pour un modèle particulier (dans ce cas-ci, seule la catégorie Op-Amp5:A est indiquée pour le LM324, donc avec l entrée + en haut). 5

1.2.3 Recherche et ajout de composants par hotkeys Utiliser les hotkeys (touches de raccourci) pour accélérer l ajout de composants. Par exemple, appuyer sur r pour obtenir une résistance, l pour une inductance, sur c pour un condensateur, sur g pour un générateur de fonction, sur v pour une source de tension indépendante et sur 0 (zéro) pour une mise à la terre ou le nœud de référence pour la simulation. Pour faire afficher la liste complète des hotkeys ou pour la modifier, sélectionner d abord un composant, puis sous l onglet Browse cliquer sur le bouton Hotkey. La liste des hotkeys actuelle s affiche. 1.2.4 Menu Bouton de droite de la souris Le mode d édition peut être changé par ce menu. Par exemple, Arrow pour l édition de composants et Wire pour l ajout d interconnexions. Quant à la fonction Place Node Label, elle permet d assigner un nom de référence à un nœud du circuit. 1.3 Définition des bus d alimentation 1.3.1 Ajustement de sources d alimentation communes (ou bus) telle que +V Pour éviter la multiplication des sources lors du passage au circuits imprimé, inscrire un nom de bus se terminant par un point virgule (tel que VCC; ) pour chacune des «sources» d alimentation +V que vous ajoutez. Ensuite, utiliser plutôt des «terminaux» (hotkey = t) dont on spécifie ce même nom de bus partout où c est requis dans votre circuit. Les nœuds électriques sur lesquels les terminaux de même nom sont branchés seront tous considérés connectés électriquement à cette source. De cette façon, ceci évite aussi de relier tous les éléments de ces nœuds par des fils et rend ainsi le circuit beaucoup plus clair. 6

Dans cet exemple, on a sélectionné et placé le composant +V, et, avec le menu Device Properties (bouton de droite de la souris), on a créé le bus VCC pour cette source d alimentation continue de 10V. Par la suite, on ajoutera un terminal (hotkey=t) que l on nommera VCC pour tous les autres endroits ou nœuds du circuit nécessitant cette même alimentation VCC. 1.3.2 Définition d un autre bus d alimentation Ci-contre, le composant V2 NE fait PAS partie du même bus d alimentation puisque son Bus Data est DVCC et non pas VCC comme ci-dessus. Il est à noter que les majuscules et minuscules sont distinctes pour le nom du bus. 7

2 Simulation analogique : réponse temporelle 2.1 Ajustement des paramètres du générateur pour la simulation temporelle 2.1.1 Choix de la forme de l onde (Sine Wave, etc.) 2.1.2 Ajustement des paramètres de l onde sinusoïdale 8

2.2 Ajustement des paramètres de l analyse temporelle 2.2.1 Choix et activation des analyses à effectuer Pour configurer soi-même les paramètres de l analyse temporelle, il faut désélectionner l option Always set defaults for transient and OP analyses. Cocher maintenant la case visà-vis Transient/Fourier afin d inclure ce type d analyse lors de la simulation du circuit. 2.2.2 Paramètres de l analyse temporelle Cliquer sur Transient/Fourier pour afficher les paramètres et les modifier au besoin Il y a deux choix d ajustement des paramètres de l analyse temporelle. Manuellement, on fixe: Temps de début, temps de l arrêt, pas standard, pas maximum Ou automatiquement, on fixe: Nombre de cycles, points par cycles, et on clique sur Set Default Timing pour ajuster les temps. Attention: En général, la case UIC (Use initial conditions) doit toujours être cochée! 9

2.3 Résultats de l analyse temporelle La réponse transitoire du filtre est clairement visible, puisque l amplitude de l oscillation prend quelques millisecondes à atteindre son maximum. En régime permanent (>10mS), on constate malgré tout que le circuit provoque une atténuation du signal d entrée de 1 V pointe à près de 0.75V pointe à la sortie. Cette analyse temporelle est intéressante, mais une autre analyse faite cette fois dans le domaine fréquentiel permettrait de voir le gain (ou l atténuation) du filtre en régime permanent pour toute une gamme de fréquences. 10

3 Simulation analogique: réponse en fréquence 3.1 Ajustement des paramètres du générateur pour la simulation AC 3.1.1 Ajustement de l amplitude et de la phase de la source AC (générateur) 3.2 Ajustement des paramètres de l analyse AC Pour afficher cette fenêtre, 1) Sélectionner la source (générateur) 2) Par le menu apparaissant par le bouton de droite de la souris, sélectionner Edit Signal Generator. 3) Cliquer ensuite sur Wave Ici, les paramètres de la source pour l analyse AC indiquent que le module (ou l amplitude) de la tension de la source (V source ) est 1 V et sa phase à 0 degré. Utiliser toujours cette configuration afin d obtenir directement, en mesurant V sortie, le module et la phase de [V sortie /V source ], et ce, même si l amplitude est différente pour le circuit réel ou pour l analyse temporelle. 3.2.1 Choix et activation des analyses à effectuer Cocher AC pour inclure ce type d analyse lors de la simulation du circuit. 11

3.2.2 Paramètres de l analyse Cliquer AC pour faire afficher les paramètres de cette simulation. Indiquer les fréquences de début de fin de balayage et le nombre de points de tests désirés. Dans la section Sweep, choisir un type de balayage en fréquence tel que Decade pour obtenir une échelle logarithmique qui permet de mieux couvrir une grande plage de fréquences. Utiliser Linear pour une échelle régulière ou linéaire, c est-à-dire avec un incrément du balayage constant. Ceci sert généralement pour les analyses sur une plage restreinte de fréquences. Le nombre devant Test Points (50) correspond au nombre de points par décade à simuler dans le cas d une échelle logarithmique. Ainsi, dans l exemple ci-dessus, le nombre de total de points de tests devant Total AC test points (251) est fonction du nombre de points de test spécifiés (50) et du nombre de décades (5) calculé selon les valeurs des fréquences de début (10 Hz) et de fin (1MHz) du balayage. Il faut s assurer d avoir un nombre suffisant de points à simuler. 3.3 Ajustement de l affichage 3.3.1 Mise en page du résultat En cliquant sur le graphique avec le bouton de droite de la souris, sélectionner Scaling Sélectionner l échelle logarithmique (Log) sous X Scale. Sous Y axis, sélectionner pour le graphe principal une échelle d amplitude en décibels (Magnitude in Decibels) et pour le graphe secondaire une phase en degrés (Phase in Degrees). 12

Résultats de l analyse fréquentielle (gain et phase) : Alternativement, afficher l amplitude et le délai de groupe en fonction de la fréquence en sélectionnant Group Delay pour axe Y du graphe secondaire. Résultats de la même analyse fréquentielle (gain et délai de groupe): 13

3.3.2 Utilisation des curseurs Sous l onglet Wave dans la section Measurement cursor, sélectionner la courbe désirée dans la liste de l un ou l autre des 2 curseurs disponibles. Le curseur s affiche sur le graphique (voir encadré). Faite glisser le ou les curseurs à la position désirée. Des données en X et Y relativement à la position des curseurs sur la courbe sont affichés. 3.3.3 Affichage de plusieurs courbes Pour afficher plusieurs courbes : 1- sur un seul graphique Cliquer sur les fils des signaux désirés tout en maintenant la touche Shift enfoncée. 2- Sur différents graphiques Cliquer avec le bouton de droite dans la section graphique et choisir View all cells. Pour regrouper des courbes, faire glisser leur nom d un graphique à l autre. 14

4 Analyse Monte-Carlo Ce type analyse permet d effectuer des simulations (temporelles, fréquentielles, etc.) avec différentes valeurs de composants à l intérieur d une tolérance qui peut être spécifiée pour chacun des types de composants. Autrement dit, on obtient une série de courbes qui représentent, à l intérieur d une tolérance donnée, les excursions possibles de la réponse du circuit selon différentes combinaisons de valeurs des composants. 4.1 Ajustements pour l analyse Monte-Carlo 4.1.1 Choix des analyses pour lesquelles une analyse Monte-Carlo sera effectuée 4.1.2 Ajustement des paramètres de l analyse Monte-Carlo Le nombre de courbes de simulation, le type de distribution et la tolérance pour chacun des types de composants sont les principaux paramètres qui peuvent être ajustés pour l analyse Monte-Carlo. 15

4.2 Résultats de l analyse Monte-Carlo pour la réponse fréquentielle 4.3 Ajustements des options de simulation analogique On peut aussi spécifier d acquérir un ensemble plus ou moins complet des données du circuit par le choix effectué sous «Collect Data For» dans Analyse setup / Analog Options Par exemple, sélectionner Node Voltage, Supply Current, Device Current and Power lorsque l on veut rendre disponibles, au moment de l affichage des résultats, les valeurs des courants des composantes et de leur puissance en plus des valeurs disponibles par défaut des tensions de nœud et des courants des alimentations. 16

De plus, les valeurs des variables GMIN, ITL1 etc. et le choix de la méthode d intégration pour la simulation analogique peuvent être modifiés afin de régler certains problèmes de convergence. Pour tenter de régler les problèmes de convergence : Par exemple, à titre informatif, il peut être utile d'augmenter la valeur de GMIN d'un facteur de 10 ou plus (par défaut de 1.0e-12 mhos), de simuler et de comparer les résultats. Par contre, plus la valeur est élevée, plus la précision diminue. De plus, pour l'analyse du point d'opération, il peut être nécessaire d'augmenter la valeur de ITL1 à 300 ou même 500 (par défaut à 100) pour certains circuits. Il y aura donc potentiellement plus d'itérations effectuées lors de l'analyse pour trouver le point d'opération. Concernant les analyses DC, la valeur de ITL2 peut être augmentée à une valeur limite de 200 itérations (50 par défaut) Pour les analyses transitoires, ITL4 peut être augmentée à 100 ou plus (valeur par défaut de 10) pour aider à éliminer les erreurs de "timestep too small". De même RELTOL peut être augmenté à une valeur supérieure à la valeur par défaut de 0.001 (doit se situer entre 0 et 1), mais cela diminue la précision. Noter qu il est possible que certains problèmes de convergence ne puissent être réglés que par des changements au niveau du circuit relativement à ses interconnexions ou aux modèles de composants utilisés. 17

5 Exportation et vérification de «netlist» 5.1 Netlist pour la simulation SPICE Il est possible de générer et de sauvegarder le fichier texte du netlist SPICE du circuit. Utiliser la commande du menu principal File / Export / Spice netlist... et sauvegarder le fichier.net dans votre compte. Il est possible d'éditer ce fichier avec le Bloc-Notes (ou Notepad) ou avec autre éditeur de texte (tel WordPad) mais si vous le modifier, il vous faut obligatoirement enregistrer le contenu sans aucun formatage, c'est-à-dire utiliser Fichier / Enregistrer sous... avec le type de fichier TEXTE SEULEMENT et conserver l'extension.net. D'autres contraintes doivent également être respectées. Consulter la documentation sur la simulation avec netlist pour plus de détails. Le fichier peut être simulé avec CircuitMaker par File / Import /Simulate Spice netlist. Il peut également être simulé par d'autres simulateurs SPICE avec des modifications mineures. Il est important de noter que les paramètres de la simulation (via Analyses Setup) ainsi que les données à enregistrer sont également indiqués dans le netlist. 5.2 Netlist pour la réalisation de circuits imprimés Si le circuit est à réaliser en circuit imprimé, il est recommandé de vérifier l exactitude des informations du circuit schématique qui seront transmises à l éditeur physique pour circuits imprimés appelé Traxmaker. File / Export / PCB Netlist Vérifier le contenu du fichier obtenu quant à la présence et à l exactitude du nom de chaque composant, son boîtier et sa valeur. NOTE : Consulter le site Internet du département sur CircuitMaker www.gel.usherbrooke.ca/circuitmaker pour d autres détails sur ce logiciel. Révisé le 20/01/2006 18