¿Qué es un Simulador de Circuitos?

Diseñar circuitos eléctricos y electrónicos lleva mucho tiempo, es técnicamente intensivo y, por no hablar de lo costoso que resulta. Después de diseñar el circuito, los ingenieros tienen que probar su funcionalidad para validar su funcionamiento y hacer los cambios necesarios. ¿Y si, en lugar de construir el circuito con componentes y placas reales, pudiéramos obtener una caracterización matemática del circuito? Este es el concepto de simulador de circuitos. Vamos a explorar más sobre el mismo en esta guía y también echar un vistazo a los diferentes tipos de simuladores de circuitos.

¿Qué es un Simulador de Circuitos?

La simulación de circuitos es un proceso en el que se crea un modelo de un circuito electrónico y se analiza utilizando varios algoritmos de software, que predicen y verifican el comportamiento y el rendimiento del circuito. Dado que la fabricación de circuitos electrónicos, especialmente de circuitos integrados (CI), es cara y requiere mucho tiempo, resulta más rápido y rentable verificar el comportamiento y el rendimiento del circuito mediante un simulador de circuitos antes de su fabricación.

Existen distintos tipos de simuladores de circuitos que responden a necesidades variadas en el espectro precisión-rendimiento/capacidad. En un extremo del espectro están los simuladores analógicos que resuelven representaciones exactas de los circuitos electrónicos. Ofrecen una gran precisión y suelen utilizarse para simular circuitos pequeños.

En el otro extremo se encuentran los simuladores digitales, que utilizan representaciones funcionales de los circuitos electrónicos, normalmente descritas mediante lenguajes de descripción de hardware (HDL). Ofrecen el mayor rendimiento y capacidad, pero con niveles de precisión relativamente inferiores. Los simuladores digitales suelen utilizarse para simular circuitos muy grandes.

¿Cuál es la Utilidad de los Simuladores de Circuitos Eléctricos?

• Está claro que con la simulación de circuitos podemos probar la funcionalidad de un circuito sin tener que construirlo.
• La simulación de circuitos es rentable, ahorra tiempo y permite diseñar fácilmente circuitos complejos. Esto ahorra mucho tiempo y dinero a los ingenieros de diseño y a las empresas.
• Los ingenieros pueden reducir el despilfarro de valiosos recursos de hardware y proceder a la construcción de hardware sólo después de obtener resultados satisfactorios y precisos de la simulación.
• Podemos rediseñar fácilmente el circuito basándonos en los resultados de la simulación. En cada etapa del diseño y la simulación, los ingenieros pueden verificar el rendimiento y compararlo con las respuestas teóricas.
• El software de simulación de circuitos es el punto de partida de un nuevo concepto o idea. También puede modificar proyectos existentes sin necesidad de diseñar placas de circuito impreso.
• Al igual que con el sondeo físico y la observación de formas de onda en un osciloscopio, podemos hacer lo mismo en la simulación de circuitos. Puede sondear fácilmente diferentes puntos de un circuito y ver las formas de onda virtuales.

Ventajas de la Simulación de Circuitos

• La mayoría de los programas de simulación de circuitos más conocidos, como SPICE, LTspice, etc., son gratuitos. Existen algunas herramientas propietarias, pero incluso éstas se desarrollan utilizando el algoritmo SPICE.
• Puedes cambiar fácilmente los modelos y el comportamiento general del simulador sobre la marcha. Esto te ayuda a iterar múltiples niveles de simulación para explorar las limitaciones del circuito.
• También es muy fácil cambiar los valores de los componentes. Aparte de los valores de los componentes, también puede probar el circuito para diferentes parámetros de entrada (tensiones y corrientes).
• Probar los tiempos relacionados con la memoria, como los tiempos de lectura y escritura y la latencia de los módulos de memoria, resulta muy sencillo con la simulación analógica dedicada.
• También puede utilizar simuladores para analizar el ruido y la diafonía en diseños complejos de RF y alta velocidad.
• Aparte de los circuitos normales, los simuladores también disponen de herramientas para probar diseños de fuentes de alimentación (SMPS) y sistemas de distribución de energía.
• Los simuladores digitales comprueban los niveles de tensión para el 0 lógico y el 1 lógico, mientras que con los simuladores analógicos puede comprobar la duración de la transición entre estos niveles lógicos.

Tipos de Simuladores de Circuitos Eléctricos

Veamos ahora diferentes tipos de simuladores de circuitos. Podemos clasificar la simulación en las tres formas siguientes:

• Simulación de circuitos analógicos
• Simulación de circuitos digitales
• Simulación de circuito de modo mixto

Analógico

Como su nombre indica, en la simulación analógica se suele trabajar con componentes y señales analógicos. En esta simulación, los modelos matemáticos deben ser muy precisos para ejecutar los modos de dominio de frecuencia (CA), dominio de tiempo (transitorios) y en reposo no lineal (CC).

SPICE y FastSPICE son dos simuladores analógicos muy populares que utilizan modelos de componentes lineales y no lineales muy precisos para analizar el comportamiento de un circuito.

Digital

Si comparamos los complejos modelos matemáticos de los simuladores analógicos, los digitales son relativamente sencillos. HDL como Verilog y VHDL son la columna vertebral de la simulación digital.

A diferencia de los simuladores analógicos, en los que necesitamos señales que varíen continuamente, en la simulación digital trabajamos con dos niveles de tensión discretos. En electrónica digital, los llamamos Lógica 0 y Lógica 1.

Modo Mixto

Es una combinación de simulaciones analógicas y digitales. Este tipo de simulación es muy útil en el diseño y análisis de sistemas de circuitos mixtos. Con la simulación de modo mixto, las partes analógica y digital son entidades separadas con sus respectivas herramientas y recursos.

Niveles de Simulación

En la sección anterior hemos visto diferentes tipos de simuladores de circuitos. Estos tipos definen el tipo de circuito y sus correspondientes pasos de análisis que debemos seguir. Pero también se pueden definir varios niveles de simulación en función de la abstracción del circuito.

• Simulación a nivel de bloque: En esta simulación, dividimos diferentes partes de varios bloques funcionales y realizamos la simulación en estos bloques como un todo. Esto es muy importante en un diseño modular y también ayuda a reutilizar los bloques funcionales existentes en otros circuitos.
• Simulación a nivel de chip: Como su nombre indica, en una simulación a nivel de chip, tomamos un circuito integrado (un chip) y simulamos su funcionalidad como una entidad única. De este modo se garantiza que el chip funciona según lo previsto.
• Simulación de memoria: La memoria es una parte importante de los sistemas informáticos modernos (grandes o pequeños). De ahí que existan herramientas y simuladores dedicados a probar los tiempos de la memoria con gran precisión. Puede simular SRAM, DRAM, NAND Flash, etc.
• Simulación de señal mixta: Los modernos sistemas-en-chip o SOC son en realidad una combinación de varios elementos funcionales analógicos y digitales. Por lo tanto, podemos utilizar técnicas de simulación de señal mixta para ver cómo se comportan e interactúan las señales analógicas y digitales en un espacio reducido.
• Simulación de RF: Aunque el diseño de RF sigue siendo magia para algunas personas, los ingenieros utilizan complejas herramientas de simulación de RF para probar y verificar diversos circuitos integrados relacionados con la RF, como mezcladores, amplificadores, PLL y muchos más.

Programas de Simulación de Circuitos

En el mercado existen varias herramientas y programas de simulación de circuitos. SPICE, abreviatura de Simulation Program with Integrates Circuit Emphasis, es un simulador de circuitos muy popular. El Laboratorio de Investigación Electrónica de la Universidad de Berkeley desarrolló este software, originalmente destinado al Departamento de Defensa de EE.UU.

Al tratarse de un software de código abierto, se convirtió en una opción muy popular para otros diseñadores, que crearon sus propios simuladores utilizando algoritmos SPICE. Una de estas herramientas es LTspice.

Otro popular simulador de circuitos basado en SPICE es Multisim de NI. Pero a diferencia de LTspice, es un software de pago. Aquí tienes una lista de algunos simuladores de circuitos populares.

• SPICE
• ngspice
• LTspice (SPICE)
• PSIM
• Multisim (SPICE)
• Cadence Spectre
• Synopsys PrimeSim (SPICE y FastSPICE)

Conclusión

La simulación de circuitos es un proceso importante del diseño de un producto electrónico. Con la ayuda de simuladores, se pueden diseñar circuitos eléctricos y electrónicos, probar su funcionamiento, analizar su rendimiento y hacer los cambios necesarios antes de seguir adelante con la fabricación. Esto ahorra mucho tiempo y dinero a las empresas. En esta guía hemos visto los conceptos básicos de un simulador de circuitos y sus ventajas. También vimos diferentes tipos de simuladores de circuitos y también algunos programas populares de simulación.