Introdução

O KiCad é uma poderosa ferramenta de design eletrônico que facilita a criação de esquemas e layouts de PCB. Além disso, oferece recursos robustos de simulação de circuitos, permitindo que os engenheiros validem seus designs antes da fabricação física. Um dos principais motores de simulação integrados ao KiCad é o NGspice, uma implementação de código aberto do SPICE. Este artigo explora a utilização do NGspice para simulações de circuitos no KiCad e discute a integração com IBIS e Verilog-A.

O que é NGspice?

NGspice é um motor de simulação SPICE de código aberto, amplamente utilizado para simular circuitos analógicos e digitais. Ele permite que os engenheiros testem e validem seus designs sob diversas condições operacionais, suportando análises de tempo, frequência e DC.

Como Funciona a Simulação no KiCad

O KiCad integra o NGspice como seu motor de simulação principal, permitindo aos usuários criar esquemas de circuitos e executar simulações diretamente no ambiente KiCad. A seguir, detalhamos os passos para configurar e executar uma simulação no KiCad.

Passos para Simulação no KiCad

1. Criação do Esquema:

• Inicie o KiCad e crie um novo projeto.
• Use o Eeschema para desenhar o esquema do seu circuito.
• Adicione os componentes necessários do repositório do KiCad.

1. Configuração dos Modelos SPICE:

• Para cada componente a ser simulado, associe um modelo SPICE.
• Clique com o botão direito no componente, selecione “Propriedades” e depois “Modelo SPICE”.
• Escolha o modelo apropriado da biblioteca de modelos do KiCad ou adicione um novo modelo.

1. Configuração da Simulação:

• Acesse a ferramenta de simulação do KiCad e configure o tipo de análise (AC, DC, Transiente, etc.).
• Defina as condições iniciais, fontes de tensão/corrente e outros parâmetros relevantes.

1. Execução da Simulação:

• Execute a simulação e visualize os resultados na forma de gráficos de tensão, corrente, etc.

Exemplo de Simulação

Para ilustrar, vamos considerar a simulação de um filtro passa-baixa de segunda ordem.

• Esquema do Circuito:

  R1: Resistor de 1kΩ
  C1: Capacitor de 100nF
  R2: Resistor de 1kΩ
  C2: Capacitor de 100nF

• Netlist SPICE:

  * Low-pass filter
  R1 N001 N002 1k
  C1 N002 0 100n
  R2 N002 N003 1k
  C2 N003 0 100n
  V1 N001 0 DC 0 AC 1
  .ac dec 10 1 100k
  .plot ac vm(N003)
  .end

Ao configurar a análise AC, o NGspice calcula a resposta em frequência do circuito, permitindo observar como ele atenua sinais de alta frequência.

Integração com IBIS

IBIS (I/O Buffer Information Specification) é um padrão utilizado para modelagem comportamental de buffers de entrada e saída, facilitando a análise de integridade de sinal em níveis de sistema. A integração do KiCad com modelos IBIS permite uma simulação mais precisa de circuitos complexos, especialmente em designs de alta velocidade.

• Vantagens do IBIS:
• Protege informações proprietárias do design.
• Facilita a criação de modelos rápidos e precisos.
• Compatível com a maioria das ferramentas EDA do mercado.

Utilizando Verilog-A no KiCad

Verilog-A é uma linguagem de descrição de hardware focada em modelagem analógica, permitindo capturar descrições comportamentais de componentes em termos matemáticos precisos. O Verilog-A é integrado ao KiCad para permitir simulações analógicas complexas e detalhadas.

Benefícios do Verilog-A

• Modelagem Analógica: Permite descrever o comportamento analógico de componentes de forma precisa e controlada.
• Alto Nível de Abstração: Facilita a descrição de ações complexas de componentes sem necessidade de detalhes de baixo nível.
• Compatibilidade: A linguagem pode ser usada em conjunto com outros modelos e ferramentas de simulação.

Estrutura Básica de um Módulo Verilog-A

Um módulo Verilog-A é a unidade básica de descrição, composta por portas de entrada e saída, parâmetros e descrições comportamentais.

module resistor(p, n);
   electrical p, n;
   parameter real R = 1.0; // Resistor de 1 ohm
   analog V(p, n) <+ R * I(p, n); // Lei de Ohm
endmodule

Neste exemplo, um resistor é modelado utilizando a Lei de Ohm, onde a tensão entre os terminais é igual ao produto da resistência e da corrente.

Simulação com Verilog-A

A simulação de modelos Verilog-A segue passos semelhantes aos de modelos SPICE, com a diferença de que as descrições comportamentais são definidas em código Verilog-A.

Conclusão

A simulação de circuitos no KiCad utilizando NGspice, IBIS e Verilog-A oferece uma abordagem robusta para validar e otimizar designs antes da fabricação. Isso economiza tempo e recursos, além de melhorar significativamente a confiabilidade e o desempenho dos produtos eletrônicos.

Para mais informações e tutoriais detalhados sobre o uso de KiCad, NGspice e Verilog-A, visite os sites KiCad, NGspice e consulte a documentação oficiais.

Referências

• https://docs.kicad.org/7.0/en/getting_started_in_kicad/getting_started_in_kicad.pdf
• https://www.ti.com/lit/an/snla046/snla046.pdf
• https://ngspice.sourceforge.io/
• https://static.fossee.in/fossee/fellowship-report/FOSSEE-eSim-Spice%20Simulations%20using%20Kicad%20nightly%20builds.pdf
• https://edadownload.software.keysight.com/eedl/ads/2011_01/pdf/verilogaref.pdf
• https://www.siue.edu/~gengel/ece585WebStuff/OVI_VerilogA.pdf