Simulación frente a creación de prototipos

Question

Veo muchas preguntas aquí en las que la gente ha visto un determinado circuito mencionado en alguna parte, y su primer paso es pasarlo por un simulador. En algunos casos me pregunto si el hardware real llega a construirse.

Como soy de una generación mayor, llegué a los simuladores bastante tarde. Me resultan útiles, sobre todo cuando es necesario ajustar los componentes (por ejemplo) de un circuito de filtro. Pero casi siempre va acompañado de pruebas en el banco y de mediciones reales.

Creo que el trabajo en el banco ha sido uno de los aspectos más enriquecedores de mi desarrollo como ingeniero. Incluso los circuitos más sencillos pueden tener "características" inesperadas y uno puede aprender valiosas lecciones averiguando qué está pasando y por qué.

¿Tiene ventajas específicas simular incluso los circuitos básicos antes de construirlos? ¿O viceversa? Si es así, ¿cuáles? Si puede elegir entre los dos enfoques, ¿qué prefiere?

Answer 1

¿Existen ventajas específicas para simular incluso circuitos básicos antes de construirlos?

La conclusión es la siguiente: si simulas el circuito que intentas diseñar y la simulación no muestra resultados adecuados, las posibilidades de que funcione cuando lo construyas son muy, muy cercanas a cero.

Así que un simulador te dice categóricamente que algo no va a funcionar. Esto te ahorra construir un prototipo que no va a funcionar. Así se evita perder el tiempo y se ahorra dinero en hardware casi inútil.

Utilizo un simulador para cada uno de los circuitos que diseño y lo hago por las claras y evidentes ventajas de coste y tiempo. Mi último circuito (un convertidor histerético tipo Cuk bastante complejo y potente) funcionó a la primera con cero cambios de componentes o de valores. Esto lo considero un éxito de una manera muy real. Todavía está en fase de pruebas, pero estoy seguro.

Además, los resultados de mi simulación constituyen una prueba fehaciente de que he diseñado el circuito con la debida diligencia, lo cual es importante para los sistemas de calidad.

Aproximadamente el 50% de los circuitos que diseño funcionan a la primera sin modificar los componentes. Del otro 50%, aproximadamente la mitad requiere ajustes en los valores de los componentes y la cuarta parte restante de todos los circuitos que diseño requieren otra iteración. De esa cuarta parte que requiere otra iteración, el 90% de las modificaciones necesarias podrían haberse encontrado retrospectivamente con una simulación más amplia.

En mi opinión (y tengo años de experiencia práctica reconociendo esto), cuanto más esfuerzo se pone en la simulación, más económico es el resultado global.

En resumen, es ingenuo no utilizar la simulación antes de construir algo.

Mi consejo es que simules todo lo que diseñes y que lo hagas antes de colocar la placa de circuito o de comprar los componentes.

Answer 2

La segunda parte de la pregunta está "basada en la opinión" y está fuera del alcance de este sitio..

Pero la simulación no es algo que sustituya a las pruebas en el mundo real. Es una herramienta más en nuestra caja de herramientas de desarrollo. Tiene algunas ventajas, pero también algunos escollos. La simulación es tan buena como el modelo que se utilice.

Un aspecto clave de la simulación es la capacidad de "medir" cantidades que no son mesurables en el mundo real. Por ejemplo, la temporización interna de un chip. No se puede acceder fácilmente a las partes internas del chip.

Otro aspecto es la rapidez con la que se puede ajustar y probar cosas nuevas, sin crear un nuevo prototipo a cada paso.

Como he dicho es sólo una herramienta. La mayoría de las veces, algunas partes del diseño son simuladas. Cuando otras no lo son.

Pero todo usuario de herramientas de simulación sabe (o debería saber) que los modelos de simulación no son perfectos y que, por tanto, la simulación tiene algunas limitaciones. "Funciona en la simulación" no significa que "vaya a funcionar en el mundo real". Al final, sólo las pruebas en el mundo real, a diferentes temperaturas, cargas, lotes de componentes críticos, etc. son capaces de validar el diseño frente a sus especificaciones.

Una simulación de una retroalimentación negativa de un OPAMP podría indicarle que tiene un margen de fase de 60°. Bien, pero esa simulación no te dice cuál será el margen de fase real. Lo único que puedes concluir es que es muy probable que tu sistema sea estable porque tienes un gran margen de simulación y si el modelo no es muy pobre, debería coincidir con el real de alguna manera. No estoy diciendo que todas las simulaciones de OPAMP no sean precisas, era sólo un ejemplo. Puedes encontrar modelos muy buenos que tengan en cuenta la temperatura e incluso algún parámetro de tolerancia que dará excelentes resultados.

Pero si estás simulando "cosas básicas": resistencias, inductores, MOSFETS, BJT, etc, la probabilidad de tener una respuesta correcta que se acerque al mundo real es muy alta, y puede que no tengas que hacer un prototipo de esa parte del circuito.

La cuestión es elegir la herramienta adecuada para el trabajo adecuado. Como no vas a utilizar la relatividad general para resolver el movimiento de una manzana que cae por un árbol. Aunque sepas que las leyes del movimiento de Newton son sólo un caso especial que funciona bien sólo en condiciones específicas y si estas condiciones específicas se cumplen, ¡elige Newton! Es mucho más fácil y rápido.

Lo mismo para las simulaciones electrónicas, estás diseñando filtros de 60 GHz, no utilices una simulación en spice utilizando los modelos R L y C internos, no llegarás muy lejos. En este caso, la herramienta adecuada sería un paquete de simulación que tenga en cuenta la RF. Pero simular un MOSFET para un controlador de LED a 100KHz a temperatura ambiente, no tendrá ningún sentido utilizar Agilent ADS para esa tarea. Spice es perfectamente adecuado para esa tarea y puede permitirle identificar problemas como el tiempo de encendido fuera de las especificaciones...

Answer 3

Algunas grandes respuestas aquí ya. Yo también opino que las simulaciones han sustituido al 90% de las pruebas de banco para mí. Sin embargo, hacer buenas simulaciones es una habilidad que hay que desarrollar. Las hojas de datos de los componentes y los modelos suelen ser muy buenos hoy en día.

Otra cosa: los Sims también me permiten ir más allá de los límites de lo posible porque puedo explorar circuitos muy sensibles a la tolerancia y luego seguir considerando si son en absoluto prácticos.