Para los que no disponen de los aparatos de medida necesarios, como osciloscopio, o simplemente queremos tener una idea muy aproximada de lo que hace un circuito antes de coger el estaño y el soldador, existen multitud de simuladores en el mercado. Sin duda, uno de los más completos es el conocido PSPice, pero es más difícil de manejar, de modo que el aprendizaje puede constituir una tediosa tarea.

He probado unos cuantos simuladores, desde Electronics Workbench en sus comienzos, a finales de los ochenta, hasta el PSPice, pasando por Microcap y finalmente CircuitMaker. Es sencillo de utilizar, y sobre todo, incluye válvulas de vacío para poder simularlas inmediatamente sin tener que implementar un modelo o un símbolo esquemático.

La versión utilizada será CircuitMaker Pro v6.2c y CircuitMaker 2000 en algunas ocasiones, siendo la versión 6.1c idéntica a la 6.2c salvo en algunos detalles, y con el famoso bug que permite cerrar un diseño sin darnos la opción de poder guardarlo, cosa que fue corregida en la última versión.

El programa corre bajo Windows 2000 en mi máquina sin ningún problema.

Vamos a comenzar simulando un sencillo puente rectificador de diodos de silicio. Con el programa recién abierto y la página en blanco, pulsamos:

device selection"select device"

Elegimos el device FW Bridge (puente rectificador) y el Model "Default Bridge" que es una modelización idealizada, que incluye menor número de parámetros que otros modelos más complejos, y más parecidos a la realidad.

menu


Para atacar al puente, utilizaremos un generador senoidal, y que obtenemos mediante la tecla rápida, pulsando directamente "g" o bien como antes, "select device" y elegimos la secuencia "instruments - Analog - Signal Gen".

Por último, vamos a incluir una resistencia y un condensador pulsando las teclas "r" y "c" respectivamente. Observar cómo podemos girar un componente antes de situarlo en el plano mediante el botón derecho.
Tenemos ya los componentes, ahora montamos el circuito siguiente:

puente rectificador


Colocamos los componentes como en el dibujo. Podemos borrarlos simplemente pinchando con el cursor y pulsando suprimir, y moverlos pinchando y arrastrando. Así de fácil. Para unirlos mediante hilo conductor seleccionamos el botón con una cruz +, el cursor cambia automáticamente su aspecto de flecha por el de una cruz, que nos indica que estamos en modo "wire". Nos situamos en un extremo de cada componente hasta que aparece un recuadro de color rojo, pinchamos y arrastramos hasta el otro extremo del componente con el que queremos establecer unión y soltamos. Podemos enderezar el hilo pinchando y arrastrando. Si os aparecen puntos de unión "dots" en cada componente, podéis eliminarlos mediante "File - Preferences" y quitar el check a la opción "show pin dots".

CircuitMaker, como todos los simuladores, necesitan forzosamente una tierra. Todos los circuitos que queramos simular, deberán contener al menos una y servirá al programa como nodo de referencia y que llama "nodo cero".  Obtenemos una tierra con la tecla cero "0".
Vamos a dar valores a cada componente. Haciendo doble clic sobre cada uno de ellos:
Generador de señal:

"peak amplitude" = 25 (25 voltios pico = 17.68 Vrms)
"frequency" = 50    
pulsamos "OK"
Condensador:
"Label-Value" = 470u (u = micro, n=nano, p=pico, m=mili, meg=mega, k = kilo)
pulsamos "OK"


La simulación

Tenemos todo listo para comenzar la simulación. Para comenzar, pulsamos F10 o mediante el menú "Simulation - Run" o con el botón del muñeco corriendo. Si todo va bien, nos aparece la siguiente pantalla:

analisis transitorio

 

Vamos a ver con más detalle el rizado en bornas de R1. Para obtener una "ampliación" del rizado, nos fijamos en el gráfico del "transient analysis" y elegimos el tramo que va desde los 15 hasta los 40 milisegundos, en que la corriente ya está estabilizada.
Detenemos la simulación pulsando el botón "Stop". Configuramos la simulación con "Simulation - Analyses Setup..."
Quitamos el check a la opción "Always set defaults for..." y pulsamos el botón "Transient/Fourier" donde especificamos los siguientes parámetros:

Start Time: 15m
Stop Time: 40m
Pulsamos OK, Exit y volvemos a simular
Ahora obtenemos un análisis transitorio con este aspecto:

analisis trnsitorio

 

Podemos desplazar los cursores "a, b, c, d" que nos serán útiles para medir distancias y frecuencias. Situando los cursores a y b en dos picos consecutivos, nos indicará la frecuencia del rizado, que como sabemos es el doble que la frecuencia de la corriente alterna que rectificamos. Situando los cursores c y d en los valores máximo y mínimo de la gráfica, nos da el valor pico a pico del rizado. En nuestro caso, 448.5 mV.

Se obtiene una curva más precisa si entramos de nuevo en "Analyses setup - Transient/Fourier" y elegimos un "Max. Step" menor que el tamaño actual, que si no lo hemos tocado será de 400us. Poner 50us y la curva se afinará bastante.


Parámetros de un amplificador.-Vamos a simular un amplificador de una etapa en emisor común (EC) y averiguaremos sus parámetros más significativos, impedancia de entrada y salida, ganancia, THD% y PSRR.

etapa amplificadora  

Montamos el circuito de la figura, cuyo transistor es el modelo "ideal". RL representa la carga de la etapa siguiente. Configuramos el análisis Transitorio y el análisis AC poniendo un check en cada una de estas casillas en el menú "Simulation" - Analyses Setup.

Configuración análisis AC...
Start Frequency = 1 Hz
Stop Frequency = 100 kHz
Test Points = 50
Sweep = octave

Ejecutamos la simulación y seleccionamos la ventana AC Analysis (Bode Plot) y después, con la herramienta Probe Tool probe tool pinchamos en el nudo donde RL y C2 se unen, dibujándose la gráfica de ganancia a través del rango de frecuencia seleccionado (1Hz-100 kHz). Por defecto, el gráfico se muestra con el eje YY en "magnitud", y nos interesa verlo en decibelios (dB). Para ver la ganancia en dB pulsamos sobre el icono decibel que aparece en la parte superior izquierda y elegimos Y axis = decibels. Nos aparecerá la siguiente gráfica:

bode

Podemos situar los cursores donde más convenga; el cursor "c" indica una ganancia de 19.67 dB y el ancho de banda es todo el rango audible, desde los 20 Hz hasta los 100kHz.
El hecho de haber utilizado un transistor NPN "ideal" hace que la ganancia se extienda hasta altas frecuencias sin problemas, al no existir capacidades parásitas entre uniones. La disminución de la ganancia a frecuencias inferiores a 20 Hz es debida a los condensadores de acoplamiento C1 y C2, y que podemos experimentar variando sus valores.

Cálculo de la impedancia de entrada.- Para averiguar este parámetro montamos un generador de señal allí donde queremos hallar la impedancia, en nuestro caso ya tenemos uno (V1) montado en el nudo adecuado. Se trata de ejecutar una simulación que incluya, como el anterior análisis, el análisis transitorio y el análisis AC. La diferencia estriba en donde seleccionamos con la herramienta "Probe Tool" probe tool. Seguimos los siguientes pasos:

- Ejecutamos una nueva simulación con Análisis Transitorio y Análisis AC.
- Seleccionamos la ventana "AC Analysis (Bode Plot)"
- Desplazamos el cursor sobre las bornas de salida del generador de señal, y observamos cómo el probe tool indica alternativamente V, Z, I, P, dependiendo de lo que queramos medir, V tensiones, Z impedancias, I intensidades y P potencias.

En nuestro caso, pinchamos justo cuando el probe tool indica "Z", con lo que se dibujará un diagrama de impedancias en la ventana correspondiente.
Para visualizar el diagrama convenientemente, podemos configurarlo mediante el botón bode plot
La Zin medida por CircuitMaker vale 2kohm.

impedancia de salida


Impedancia de salida
.- Necesitamos un generador de señal situado en la salida, tal como muestra el esquema:

impedancia de salida

 

Al igual que antes, desplazamos el probe tool en los terminales del generador de señal y pinchamos cuando aparece la letra Z sobre el mismo.
La impedancia de salida que mide CircuitMaker es de 90 ohmios, tal como muestra la imagen siguiente.

grafica de Zout

 

 

Medida del PSRR.- Es importante conocer el PSRR (Power Supply Rejection Ratio) o sea, la razón de rechazo del rizado proveniente de la fuente de alimentación, para así poder evaluar cuál es la cantidad de rizado que es admisible en la fuente que alimenta este amplificador. Conociendo la relación señal/ruido que deseamos, por ejemplo 80 dB, es fácil determinar entonces que cantidad de rizado es admisible en la alimentación.
El montaje para hallar el PSRR es el siguiente:

medida de la PSRR

Necesitamos alimentar con una señal contínua pero con una componente alterna, que simulará el rizado de la fuente de alimentación, y que mediremos a la salida convenientemente. La frecuencia de la señal de rizado es siempre el doble que la frecuencia que se rectifica, en España la frecuencia de la red de alimentación es de 50 Hz, y en otros países europeos es de 60 Hz.

La corriente continua la simulamos poniendo un DC Offset de 20 Voltios y con una tensión senoidal de 100 Hz de 1Vpico a pico que represente al rizado proveniente de la fuente de alimentación.
Configuración de el generador de señales V3:

editar senoidal

 

  Ejecutamos una nueva simulación y obtenemos el siguiente diagrama de Bode:

 

diagrama de Bode

Según el diagrama, la ganancia es de -0.1 dB, por lo que concluimos que el PSRR = -0.1 dB, cifra muy baja y por tanto la cantidad de rizado que obtenemos a la salida es muy alta, y hay que alimentar este circuito con una fuente muy limpia. Esto es debido en parte al bajo valor de Rc y a la alta impedancia de salida del colector, que actúa como un divisor de tensión junto con Rc.
Observar el detalle del señalador "a" situado en los 100 Hz. Esa es la medida que nos interesa, no el resto, porque el rizado tiene una frecuencia constante e igual a 100 Hz.

Distorsión THD%.- Podemos ver la cantidad de distorsión armónica total THD% de este circuito y ver su distribución en tipos de armónicos. Para ello configuramos un análisis Transient/Fourier y elegimos como frecuencia fundamental 1kHz y por ejemplo, 10 armónicos.

Ejecutamos una simulación y obtenemos:

grafica de THD

Para visualizar este gráfico elegimos el eje Y en modo "imaginary". El cursor "a" indica la distorsión del armónico fundamental (16.6m) y el cursor "b" el 2° armónico (2 kHz) que vale 1.067m. La distorsión THD% vale 0.05646% y además está compuesta por 2° armónico, como es normal en este tipo de configuraciones.

La distorsión de armónicos pares origina que una semionda se amplifique más que la otra, siendo una distorsión por tanto asimétrica. Es debida a las alinealidades en las curvas de transferencia del transistor.
La distorsión, cuanto menor es el orden, mejor toleramos a la hora de la escucha, y mucho mejor si son armónicos pares que los impares. Se ha comprobado que pequeñas cantidades de armónicos impares hacen una escucha desagradable, frente a los armónicos pares, que toleramos en mucha mayor medida y cantidad. Pero este es un tema para otro artículo.

Diagrama de fase.- Podemos visualizar el comportamiento de la fase de la señal de salida, con solo cambiar la visualización del diagrama de Bode, eligiendo "Y axis = phase in degrees". Obtenemos el siguiente resultado:

diagrama de fase

Podemos observar cómo a partir de 100 Hz la fase es de -180°, como era de esperar, pues la etapa EC es inversora.

Realimentación Negativa (NFB, Negative Feedback).- Esta etapa carece de realimentación negativa global, pero en cambio, tiene una componente de realimentación local producida por la resistencia de emisor Re en su mayor parte. Si esta resistencia la "puenteamos" con un condensador, poniéndolo en paralelo con Re, facilitaremos un camino a la señal alterna, que verá una menor impedancia si pasa a través del condensador. Podemos perfectamente medir la cantidad de NFB que tiene esta sencilla etapa amplificadora. Basta un poco de ingenio. Como la práctica totalidad de la realimentación viene ocasionada por Re, podemos añadir un condensador de un valor tal que apenas suponga una impedancia significativa para el paso de la señal y entonces medir la ganancia de esta nueva configuración. La diferencia entre ésta y la ganancia original nos dará la cantidad de realimentación negativa en decibelios. El montaje quedará como en el dibujo:

nfb


El condensador de acoplamiento C1 ahora vale 1000 uF, por la sencilla razón de que la impedancia de entrada a disminuido, al eliminar la realimentación negativa. El generador de señal inyecta una tensión mucho menor, porque la ganancia ha aumentado espectacularmente y hay que evitar el recorte de señal. El valor de C1 y Ce son los justos para no tener una atenuación mayor de 3 dB en la frecuencia de los 20 Hz, recordemos que la impedancia de los condensadores aumenta conforme disminuye la frecuencia de la señal. Con todas las variaciones efectuadas, nos lanzamos al análisis de lo que nos interesa. Veamos que ocurre con la nueva ganancia de esta etapa. Observamos la gráfica de Bode:

diagrama de Bode

La ganancia ha aumentado hasta los 54.95 dB !! La conclusión es sencilla. Si antes, con realimentación, teníamos una ganancia de 19.67 dB, entonces la realimentación negativa vale:

NFB = 54.95 - 19.67 = 35.28 dB

Este aumento de ganancia se paga caro. La impedancia de entrada, Zi ha disminuido hasta 150 ohmios, como podemos comprobar, del mismo modo que medimos anteriormente. Esto es un grave inconveniente, ya que representa una carga muy dura para cualquier generador, o sea, un micrófono, o una etapa previa.

Pero no solo eso. La distorsión también ha aumentado sustancialmente. Nos fijamos en el análisis de Fourier y nos revela un aumento y también un cambio en la distribución de los armónicos:

grafica de THD%

Ahora la THD% vale 4.8% y se ha incrementado notablemente. Podemos observar incluso la deformación típica de una onda senoidal con distorsión de 2° armónico como componente principal:

analisis transitorio

Se observa claramente un achatamiento de la semionda positiva. De hecho, la semionda positiva tiene un valor de 2.622 voltios (pico)  y la negativa de -3.062 V (pico). Se ha amplificado más una semionda que otra. Este tipo de distorsión es asimétrica, porque ambas semiondas son diferentes.

¿Por qué ocurre esto? Porque las características de *todos* los dispositivos electrónicos son alineales, no se comportan igual en todas las condiciones de polarización. Examinando una gráfica f(Vce)= Ic se puede observar esta anomalía.

Para leer más acerca de la distorsión, os recomiendo los artículos de Steve Bench, un excelente artículo, que de una forma muy amena e instructiva, y enfocado bajo un punto de vista nada convencional, os mostrará facetas muy curiosas acerca de este fenómeno. No dejéis de lado sus extraordinarios diseños que él mismo denomina "no R's & no C's Amp" que consisten en circuitos amplificadores sin emplear una sola resistencia ni condensador.

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