CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES TE054 Introdução a simulação de circuitos usando o programa QUCS 1) Simulações cc e ca de um circuito linear Para familiarizar-se com o uso do programa QUCS, faremos uma simples simulação de um circuito elétrico linear. Primeiramente, deve-se criar um novo projeto. Para isso, no Menu Projeto, selecione Novo Projeto (ou na aba Projetos, selecione Novo) e digite o nome desejado para o projeto. Na aba Conteúdo aparece o conteúdo do projeto selecionado. Para criar um novo esquemático, seleciona-se o componente desejado (na aba Componentes encontra-se uma biblioteca de componentes básicos) e em seguida, arrasta-se o elemento para a janela principal. O circuito a ser desenhado é mostrado na Fig. 1. A conexão entre os componentes é feita com fios, acessíveis na barra de ferramentas horizontal ou através do comando Ctrl-E ou ainda através do Menu Inserir / Wire. O ponto comum (Terra) do circuito é acessível na mesma barra ou através do comando Ctrl-G ou ainda através do Menu Inserir / Insert ground. Os resistores encontram-se na aba Componentes/ componentes soltos. Para modificar o valor numérico da resistência (R), clique duas vezes sobre o elemento com o botão esquerdo do mouse e modifique para o valor desejado de R. A fonte de corrente controlada por tensão, assim como a fonte de tensão independente cc, encontram-se na aba Componentes/ Fontes. Fig. 1: Circuito Linear Uma vez desenhado o circuito, coloca-se na mesma janela o tipo de análise que se deseja efetuar. Nesse caso, desejamos uma simulação cc, disponível na aba Componentes/ Simulações. As tensões e correntes que desejamos visualizar devem ser explicitamente solicitadas, pois apesar do simulador calcular todas elas no circuito inteiro, ele não disponibiliza um arquivo completo para posterior visualização. Para que a tensão em um determinado nó esteja disponível no arquivo de saída, basta definir um nome para esse nó. Isto pode ser feito através da barra de ferramentas horizontal ou através do comando Ctrl-L ou ainda através do Menu Inserir / Wire Label.
O circuito está pronto para ser simulado através do ícone na barra de ferramentas horizontal ou da tecla de atalho F2 ou ainda através do Menu Simulação / Simular. Uma vez finalizada a simulação, é criada uma nova janela (nome.dpl). Os resultados da simulação são armazenados em um arquivo no mesmo diretório de trabalho (nome.dat) e estão disponíveis para serem apresentados na nova janela criada (nome.dpl) ou na própria janela original do esquemático (nome.sch). A forma de apresentação pode ser escolhida através da aba Componentes/ diagramas. Como uma simulação cc consiste em uma única avaliação do circuito, ela fornecerá apenas um valor para a tensão Vout. Podemos visualizar esse valor através de uma tabela, disponível na aba Componentes/ diagramas. Arraste a tabela até o circuito, e clique duas vezes em Vout.V (ver nomenclatura para os tipos de variáveis no QUCS Help / Descrição Rápida das Funções Matemáticas) Substitua a fonte de tensão cc por uma fonte de tensão ca. Substitua a simulação cc, por uma simulação ca, também disponível na aba Componentes/ Simulações. A simulação ca é uma simulação linear que permite a varredura na freqüência. Simule novamente o circuito (Menu Simulação / Simular). Uma vez finalizada a simulação, ela fornecerá um valor para a tensão Vout para cada uma das freqüências simuladas. Podemos visualizar esses valores de forma gráfica, através de um gráfico cartesiano, disponível na aba Componentes/ diagramas. Arraste o gráfico até o circuito, e clique duas vezes em Vout.v (ver nomenclatura para os tipos de variáveis no QUCS Help / Descrição Rápida das Funções Matemáticas). Os dados apresentados em forma gráfica podem ser lidos com maior exatidão colocando-se marcadores em qualquer posição da curva através da barra de ferramentas horizontal ou Ctrl+B (ou ainda através do Menu / Inserir / Set Marker on Graph). Dados apresentados sob a forma de gráficos possuem atributos de cores, largura de linha, eixo Y esquerdo ou direito, escala X e Y linear ou logarítmico, etc. 2) Simulações cc e de parâmetro de varredura de um circuito não linear com transistor Crie um novo esquemático e desenhe o circuito mostrado na Fig. 2. O transistor encontrase na aba Componentes/ componentes não-lineares / n-mosfet. Para medir-se a corrente de dreno, insira no circuito uma ponta de prova de corrente, disponível na aba Componentes/ ponteiras / Ponteira de Corrente. Clique duas vezes com o botão esquerdo do mouse na ponteira e altere o seu nome para I d.
Fig. 2: Circuito Não Linear com transistor Uma vez desenhado o circuito, coloca-se na mesma janela o tipo de análise que se deseja efetuar. Nesse caso, desejamos uma simulação cc, disponível na aba Componentes/ Simulações. O circuito está pronto para ser simulado através do ícone na barra de ferramentas horizontal ou da tecla de atalho F2 ou ainda através do Menu Simulação / Simular. Como uma simulação cc consiste em uma única avaliação do circuito, ela fornecerá apenas um valor para a tensão I d. Podemos visualizar esse valor através de uma tabela, disponível na aba Componentes/ diagramas. Arraste a tabela até o circuito, e clique duas vezes em Id.I (ver nomenclatura para os tipos de variáveis no QUCS Help / Descrição Rápida das Funções Matemáticas). Agora, nosso objetivo é obter uma curva I d x V ds. Para isso, vamos utilizar tanto a simulação cc quanto a de Parâmetro de varredura (ou análise paramétrica). A análise paramétrica é muito útil quando se deseja estudar o comportamento de um circuito em função do valor de um determinado componente, parâmetro de um modelo ou temperatura. Pode ser associada a qualquer outro tipo de análise (CC, CA, Transiente, etc). Nesta análise, o QUCS gera uma série de simulações, cada uma com um valor do parâmetro selecionado. Modifique o circuito anterior conforme a Fig. 3. (salve o circuito com outro nome). Primeiramente, devemos modificar os valores numéricos das fontes independentes de tensão (parâmetros U). Para V1, inserir U=vds e para V2, inserir U=vgs. Em seguida, inserir no circuito uma simulação Parâmetro de varredura, disponível na aba Componentes/ Simulações. Clique duas vezes com o botão esquerdo do mouse e altere os seguintes parâmetros do componente Parâmetro de Varredura: em Simulation, selecionar DC1 e em sweep parameter digitar vds. A função desse simulador será realizar uma simulação cc para cada valor de vds desejado (obtido através dos parâmetros start,
stop, step). Finalmente, inserir no circuito outra simulação Parâmetro de varredura, disponível na aba Componentes/ Simulações. Clique duas vezes com o botão esquerdo do mouse e altere os seguintes parâmetros do componente Parâmetro de Varredura: em Simulation, selecionar SW1 e em sweep parameter digitar vgs. A função desse simulador será realizar a varredura em vds anteriormente criada para cada valor de vgs desejado (obtido através dos parâmetros start, stop, step). Fig. 3: Circuito Não Linear para obtenção da característica I d x V DS O circuito está pronto para ser simulado através do ícone ou da tecla de atalho F2 ou ainda através do Menu Simulação / Simular. Uma vez finalizada a simulação, ela fornecerá um valor para a corrente I d para cada uma das combinações de vgs e vds. Podemos visualizar esses valores de forma gráfica, através de um gráfico cartesiano, disponível na aba Componentes/ diagramas. Arraste o gráfico até o circuito, e clique duas vezes em Id.I (ver nomenclatura para os tipos de variáveis no QUCS Help / Descrição Rápida das Funções Matemáticas). Nesse gráfico, é possível identificar as três regiões de operação do transistor. 3) Simulação de um circuito amplificador fonte-comum Crie um novo esquemático e desenhe o circuito mostrado na Fig. 4. O transistor M2N3796 está disponível em uma biblioteca de componentes comerciais acessível através do menu Ferramentas > Biblioteca de componentes. Nessa biblioteca constam transistores, diodos, LED s, AMPOP s, dentre outros componentes comerciais comumente usados em projetos eletrônicos. O componente selecionado é colocado no editor de esquemáticos através do comando copiar+colar ou simplesmente arrastando-o para a janela de esquemáticos. Como capacitores de acoplamento, utilizar o elemento DC Block, disponível em componentes / componentes soltos. Esse elemento funciona como um capacitor de impedância infinita.
Fig. 4: Amplificador fonte-comum Observe que este circuito possui fontes tanto cc quanto ca. O objetivo aqui é realizar simulações ca para a obtenção dos seguintes parâmetros do amplificador: resistência de entrada, resistência de saída e ganho de tensão (com saída em aberto). Como este circuito contém um elemento não linear (o transistor MOSFET) deve-se incluir também o componente de simulação cc. De fato, primeiro será realizada uma simulação cc, e em seguida o circuito será linearizado em torno do ponto de operação cc. Em seguida, as simulações ca serão executadas sobre o circuito linearizado para a obtenção dos valores desejados. Faça as devidas alterações no circuito e execute simulações ca, para obter: - a resistência de entrada do circuito amplificador (R i ); - a resistência de saída do circuito amplificador (R o ); - o ganho de tensão com a saída em aberto (A vo ).