Roteiro 01 – Roteiro para Simulação LTSpice:
Análises de Ponto de Operação DC e de Transiente;
Análises AC, de varredura DC, e de Função de Transferência.
Laboratório de Eletrônica
Departamento de Engenharia Elétrica
Faculdade de Tecnologia
Universidade de Brası́lia
Prof. Marcelo Lopes Pereira Júnior
Introdução
Objetivo Geral
O acrônimo SPICE, em inglês “Simulation Program
with Integrated Circuit Emphasis”, ou em tradução
livre “Programa de Simulação com Ênfase em Circuitos Integrados”, é utilizado para designar uma classe
de simuladores baseados no Método da Análise Nodal
Modificada (MNA). Estes simuladores incluem modelos para dispositivos não-lineares como diodos, transistores e amplificadores operacionais.
O objetivo do primeiro conjunto de atividades a serem realizadas nas semanas iniciais do Laboratório
de Eletrônica é dar uma visão geral sobre o software
LTspice, de forma a possibilitar o desenvolvimento
dos projetos que forem baseados no LTspice.
Os simuladores SPICE de forma geral utilizam o
MNA para determinar as tensões em cada um dos nós
do circuito. Para tratar os dispositivos não lineares,
o método de Newton-Raphson é utilizado iterativamente e a análise no domı́nio do tempo é realizada
utilizando métodos de integração numérica como a
regra do trapézio e o método de GEAR.
A melhor forma de se familiarizar com o software é
explorar as diferentes ferramentas da sua interface
gráfica. O LTspice é gratuito e pode ser baixado da
página da Analog Devices através do seguinte link:
https://bit.ly/3qtEcjW.
De modo geral, simuladores SPICE permitem realizar
as seguintes análises:
• Análise DC: análise do ponto quiescente, ou
ponto de polarização;
• Análise DC: análise do ponto quiescente, ou
ponto de polarização;
• Análise AC: análise linear de pequenos sinais
no domı́nio da frequência;
• Análise de transiente: análise de grande sinal no domı́nio do tempo, através da solução
numérica de um conjunto de equações diferenciais não lineares.;
• Análise de curva de transferência DC:
cálculo de uma sequência de pontos de operação,
através de uma varredura paramétrica de uma
tensão ou corrente de entrada. O resultado é
uma curva Saı́da x Entrada;
• Análise de função de transferência: cálculo
do ganho para pequenos sinais e impedâncias de
entrada/saı́da; e
• Análise de ruı́do.
Visão Geral da Interface Gráfico do
LTSpice
A seguir descrevemos os principais aspectos da interface gráfica. A Figura 1 mostra as abas Files, Edit
e Hierarchy expandidas. Listamos a seguir os principais menus e ferramentas e as correspondentes teclas
de atalho, quando existirem, mostrados na Figura 1.
1. New Schematic: Abre um novo esquemático
para que se possa desenhar o circuito;
2. New Symbol: Criar um novo sı́mbolo (por
exemplo para se utilizar um sub-circuito como um
componente em um circuito maior);
3. Text ‘T’: inserir texto no esquemático;
4. Spice Directive ‘S’: inserir um diretivo no esquemático (por exemplo um comando para rodar
uma simulação de análise de transiente;
5. Spice Analysis: Abre a janela com configurações para o tipo de análise (ver seção anterior) a ser realizada, bem como dos parâmetros
especı́ficos de cada análise. Após configurada
a análise, o respectivo diretivo aparece no esquemático;
6. Component ‘F2’: Abre a janela para posicionar
um componente no esquemático (note que componentes frequentemente utilizados tem botões especiais, situados entre ‘5’e ‘6’);
Figura 1: Conteúdo das abas: Files (a), Edit (b) e Hierarchy (c).
7. Rotate ‘Ctrl+R’: Gira o componente selecionado no sentido horário;
8. Mirror ‘Ctrl+E’: “Espelha” o componente selecionado;
9. Draw Wire ‘F3’: Ferramenta utilizada para desenhar os fios condutores e conectar os componentes;
10. Label Net ‘F4’: Ferramenta utilizada para atribuir nome a um nó do circuito;
11. Place GND ‘G’: Posicionar o terra no esquemático:
12. Place BUS tap: Extrair um único fio condutor
de um conjunto de fios (BUS);
13. Delete ‘F5’: Ferramenta utilizada para deletar
componentes ou diretivos;
14. Duplicate ‘F6’: Ferramenta utilizada para duplicar componentes;
15. Move ‘F7’: Move todos os componentes e fios
da região selecionada para uma nova posição;
16. Drag ‘F8’: Semelhante ao anterior, porém move/arrasta somente os componentes contidos na
região selecionada de forma que os fios se adequem e as conexões não sejam quebradas;
17. Open this Sheet’s Symbol: abre (ou cria)
sı́mbolo do diagrama de circuito;
18. Create a New Symbol: cria um sı́mbolo para
o diagrama de circuito;
19. Create a New Sheet: Cria um novo editor de
esquemático.
A Figura 2 mostra as abas View, Simulate e Tools
expandidas. Listamos a seguir os principais menus
e ferramentas e as correspondentes teclas de atalho,
quando existirem, mostrados na Figura 2.
20. Zoom Area ‘Ctrl+Z’: zoom na área selecionada
e também zoom in;
21. Zoom Back ‘Ctrl+B’: retorna ao estado de
zoom anterior e também zoom out;
22. Zoom to Fit: “enquadra” o circuito na janela
do esquemático;
23. Pan: Configura ponto de referência central do
display;
24. Show Grid ‘Ctrl+G’: mostra grid de pontos
quando selecionado;
25. Mark Unconn. Pins ‘U’: mostra pinos sem
conexão quando selecionado;
26. Mark Anchor: mostra os pontos/nós de referência de cada objeto quando selecionado;
27. Bill of Materials: Lista de componentes utilizados no diagrama de circuito;
Figura 2: Conteúdo das abas: View (a), Simulate (b) e Tools (c).
28. SPICE Netlist: mostra o Netlist – listagem com
nomes de nós de cada componente e grandezas
associadas;
29. Visible Traces: Abre janela pare seleção de
tensões e correntes mostradas no gráfico de formas de onda;
30. Autorange Y-axis: configura automaticamente
os limites do eixo Y;
31. Run: Roda a simulação;
32. Pause: Pausa a simulação;
33. Halt: para a simulação;
34. Clear waveforms: limpa todas as curvas mostradas no gráfico de formas de onda;
35. Efficiency Calculation: Cálculo de eficiência;
36. Control Panel: Abre o painel de controle com
várias configurações do LTspice: fonte e espessura
de linhas dos gráficos, configurações dos métodos
de simulações utilizados e grandezas a serem salvas na simulação, entre outras;
37. Edit Simulation Cmd: Abre a janela com configurações para o tipo de análise (ver seção anterior) a ser realizada, bem como dos parâmetros
especı́ficos de cada análise. Após configurada
a análise, o respectivo diretivo aparece no esquemático (ver item 5);
38. Copy bitmap to Clipboard: copia a tela (esquemático somente) para o clipboard;
39. Write image to emf file: salva o esquemático
no formato emf;
40. Control Panel: ver item 36;
41. Color Preferences: abre janela com opções de
cores do LTspice;
42. Sync Release: atualização da versão e das bibliotecas de modelos de componentes;
43. Export Netlist: salva arquivo no formato .net
com listagem de nós componentes e tabela de conexões;
A Figura 3 mostra as abas Window e Help expandidas. Listamos a seguir os principais menus e ferramentas e as correspondentes teclas de atalho, quando
existirem, mostrados na Figura 3.
44. Tile Horizontally: organiza as diferentes janelas abertas sem sobreposição, como ilustrado no
respectivo ı́cone;
45. Tile Vertically: organiza as diferentes janelas
abertas sem sobreposição, como ilustrado no respectivo ı́cone;
46. Close everything: fecha todas as janelas;
47. Cascade: organiza as diferentes janelas na forma
de cascata, como ilustrado no respectivo ı́cone;
48. Arrange icons: organiza os ı́cones das janelas
minimizadas no canto inferior esquerdo;
49. Janela aberta;
50. Help Topics ‘F1’: Abre a janela de ajuda;
51. About LTspice XVII: mostra informações sobre versão do LTspice.
Muitas opções podem ser selecionadas clicando com o
botão direito do mouse sobre a tela do esquemático.
Além disso, a barra de ferramentas logo abaixo do
menu contém muitos botões para as mesmas ferramentas listadas acima.
Figura 3: Conteúdo das abas: Window (a) e Help (b).
Análises de Ponto de Operação e de
Transiente
total dos gráficos deve ser escolhido entre 5 e 10 ciclos
da fonte.
O objetivo desta atividade é se familiarizar com as
análises de ponto de operação DC e análise de transiente no LTspice. O primeiro tipo de análise permite
obter as tensões e correntes DC nos diferentes nós
e ramos de um dado circuito. A análise de transiente permite obter as tensões, correntes e potências
no domı́nio do tempo.
O LTspice permite fazer operações matemáticas com
as curvas obtidas (e.g., obter a curva de uma tensão
multiplicada por uma constante, etc). Obtenha no
LTspice a curva da soma das correntes fluindo pelos
resistores e mostre que a Lei de Kirchhoff das correntes é satisfeita instantaneamente em um dos dois nós
do circuito.
Atividade Preparatória
Assistir o seguinte vı́deo sobre Análise
de Ponto de Operação DC e Análise
de Transiente no LTspice:
https://youtu.be/sdkbsNzqLWk
Após assistir o vı́deo, monte o esquemático de um
divisor de corrente com uma fonte de corrente “alimentando” três resistores em paralelo. Os valores
de resistências e dos parâmetros da fonte de corrente
devem ser obtidos utilizando o número de matrı́cula
de um dos membros do grupo, com os nove dı́gitos
na forma: ABCDEFGHI1 (cada letra representa um
dı́gito do número de matrı́cula).
Desta forma o circuito do divisor de corrente deve
conter as seguintes resistências em paralelo: R1 = HI
kΩ, R2 = FG kΩ e R3 = DE kΩ. Faça uma análise
do ponto de operação DC com uma única fonte de
corrente DC de 0,BC mA. O relatório deve conter o
esquemático do circuito e as tensões e correntes obtidas nesta análise. Não se esqueça de comparar com
os valores teóricos esperados.
Faça uma análise de transiente utilizando uma única
fonte de corrente, fornecendo uma corrente com forma
de onda triangular de 0,BC mA de amplitude, com
perı́odo de A ms. Mostre os gráficos das correntes na
fonte e através de cada resistor. O intervalo de tempo
1 Se algum dos valores separdos por cores forem exatamente
iguais a zero, como BC = 00, por exemplo, considere os dı́gitos
iguais a 80, ou seja, neste exemplo, BC = 80. Isso vale para
quaisquer dos dı́gitos BC, DE, FG e HI.
De forma similar, mostre que o Teorema de Tellegen
de conservação de potência é satisfeito para o circuito, fazendo um gráfico da potência absorvida conjuntamente pelos três resistores e comparando com o
gráfico da potência fornecida pela fonte.
Todos os gráficos pedidos devem ser apresentados de
forma organizada no relatório em conjunto com a discussão dos resultados obtidos nesta parte. Para os diagramas de circuitos, deixe o fundo branco, para que
a visualização no relatório não fique poluı́da.
Análises AC, de varredura DC, e de
Função de Transferência
O objetivo desta atividade é se familiarizar com a
Análise AC, a Análise de varredura DC e a Análise
de função de transferência. O primeiro tipo de análise
permite obter as amplitudes e fases das tensões
e correntes AC de pequenos sinais em função da
frequência. A análise de varredura DC consiste no
cálculo de uma sequência de pontos de operação,
através de uma varredura paramétrica de uma tensão
ou corrente de entrada. A análise de função de transferência realiza o cálculo da função de transferência e
impedâncias de entrada/saı́da.
Atividade Preparatória
Assistir o seguinte vı́deo sobre Análise
AC, Análise de varredura DC e
Análise de função de transferência
no LTspice:
https://youtu.be/sXKW6nVtQ7I
Análise AC
Após assistir o vı́deo, monte o esquemático de um
filtro RC passa-altas com um resistor e um capacitor. De forma similar à parte 1 desta prática, os
valores dos parâmetros dos componentes do circuito
devem ser obtidos utilizando o número de matrı́cula
de um dos membros do grupo, com os nove dı́gitos
na forma: ABCDEFGHI (cada letra representa um
digito do número de matrı́cula).
Para a Análise AC, o filtro deve ser alimentado com
uma fonte AC com amplitude 1 V. O valor da resistência utilizado no filtro deve ser R = HI kΩ e o
valor da capacitância deve ser calculado para obter
uma frequência de corte de FG kHz. O relatório deve
conter o esquemático do circuito e as amplitudes e
fases das tensões na entrada e saı́da em escala dB.
Responda então a seguinte pergunta:
Qual é a razão da potência na saı́da para potência
de entrada na frequência de corte do filtro
passa-altas? Identifique este ponto no gráfico gerado.
Com este mesmo circuito, faça uma análise de transiente utilizando uma única fonte de tensão fornecendo
uma tensão senoidal de DE V de amplitude, com
frequência de BC MHz. Mostre os gráficos da corrente
que flui pelo circuito. Mostre o gráfico desta mesma
corrente calculado através da equação: I = C · dV /dt.
Para isso, você deve pesquisar como obter a derivada
de uma curva em função do tempo no próprio LTSpice e como multiplicar as ordenadas da curva por
uma constante.
Análise de Varredura DC
Para o circuito utilizado no item 01 (divisor de corrente), faça uma análise de varredura DC e obtenha o
gráfico da corrente fluindo por R1 em função da corrente da fonte. Para isto, varie a corrente da fonte
desde 0 A até o valor da corrente estipulada no item
01.
Análise da Função de Transferência
Para o circuito do divisor de corrente no item 01, faça
uma análise de função de transferência utilizando a
tensão sobre o resistor R1 como saı́da e a corrente da
fonte de corrente como entrada. Confirme através de
cálculos teóricos os valores obtidos para o “Ganho” e
para as impedâncias de entrada e saı́da.
O relatório deve conter todos os cálculos realizados,
bem como os esquemáticos construı́dos no software
e os gráficos correspondentes, de forma organizada.
Quando for o caso, deve haver discussão dos resultados obtidos e comparação com os valores calculados.
Observação
Os vı́deos utilizados neste roteiro foram obtidos a partir do canal do YouTube do Prof. Daniel Orquiza de
Carvalho, do Departamento de Engenharia Elétrica
da Universidade de Brası́lia.