TENTANG PSPICE TUTORIAL

1. Overview Tentang PSPICE dengan Orcad

SPICE merupakan sebuah simulator untuk rangkaian elektronika analog/digital yang sangat powerful yang dapat digunakan untuk meneliti dan memprediksi karakteristik rangkaian. Dirintis oleh Electronics Research Laboratory Universitas California, Berkeley (1975), nama SPICE adalah singkatan dari Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis.

PSPICE adalah SPICE versi PC dari ORCAD Corp. of Cadence Design Systems, Inc. Tersedia versi student dengan beberapa keterbatasan. Versi yang akan kita pakai adalah PSPICE Light 9.1 student version dengan keterbatasan, rangkaian maksimum mempunyai 64 titik, 10 transistor dan 2 op-amp.

SPICE dapat mengerjakan beberapa analisis rangkaian, di antaranya yang penting adalah:
• Non-linear DC analysis: menunjukkan kurva DC transfer
• Non-linear transient and Fourier analysis: memperlihatkan kurva tegangan dan arus sebagai fungsi waktu
• Fourier analysis: memperlihatkan spectrum frekuensi
• Linear AC Analysis: memperlihatkan grafik sebagai fungsi frekuensi
• Noise analysis
• Parametric analysis
• Monte Carlo Analysis

Semua analisis di atas dapat dilakukan pada beberapa temperature yang berbeda. Temperature secara default adalah 300K.

Di dalam simulator PSPICE ini tersedia library analog and digital untuk komponen-komponen standard, seperti NAND, NOR, flip-flops, MUXes, FPGA, PLDs dan sebagianya. Hal ini membuat PSPICE sebagai simulator lebih powerful untuk mengaplikasikan rangkaian-rangkaian elektronika. Rangkaian yang dapat disimulasikan dapat berisi komponen-komponen berikut:

• Sumber tegangan dan sumber arus
• Resistor
• Capacitor
• Inductor
• Mutual inductor
• Transmission line
• Operational amplifier
• Switches
• Diode
• Bipolar transistor
• MOS transistor
• JFET
• MESFET
• Digital gate
• and komponen-komponen lain.

Komponen-komponen dari vendor yang bukan bawaan PSPICE dapat ditambahkan dengan men-download library komponen yang bersangkutan dan kemudian menambahakannya ke dalam library PSPICE ini.

2. Instalasi PSPICE Light 9.1

Versi yang akan kita pakai adalah PSPICE Light 9.1 student version sebagaimana telah disebutkan sebelumnya. Ada beberapa halaman web yang menyediakan versi ini untuk di-download secara gratis. Kami telah mem-back-up juga untuk dapat di-download, di sini

Download PSPICE9.1

Gambar 1 memperlihatkan file PSPICE Light 9.1 student version terdownload. Untuk instalasi, ekstrak file ter-download ke direktori yang dikehendaki. Akan terdapat banyak file di dalam direktori yang dimaksud, salah satu di antaranya adalah setup.exe. Untuk instalasi, double klik setup.exe tersebut. Instalasi akan berjalan dengan sendirinya.

Gambar 1. File PSPICE versi 9.1

Tergantung di mana anda meletakkan file program hasil instalasi (secara default terletak di C:\Program Files\), maka struktur direktori dan file terinstall tampak seperti gambar 2.

Gambar 2..Letak file PSPICE terinstall

3. Memulai PSPICE Dengan Orcad

Untuk menjalankan PSPICE ini, mulai dari Start  All Programs  PSPICE Student  Capture Student, Klik di sana. Sebagaimana terlihat seperti gambar 3.

Gambar 3. Menjalankan PSPICE

Klik ini mengeksekusi capture.exe yang terletak di subdirektori:

C:\Program Files\OrCAD_Demo\Capture.exe.

Maka project pertama PSPICE siap untuk dibuat.
2.1.1 Membuat project baru
Sebagaimana kalau kita membuat program baru atau skema baru, setiap pekerjaan baru harus mendefisinikan project baru terlebih dahulu. Berikut langkah-langkahnya,

1. Panggil OrCAD Capture sebagaimana langkah-langkah di atas. Gambar 4 menunjukkan ORCAD Capture telah dipanggil namun belum ada project/sesuatu untuk dikerjakan,

Gambar 4. IDE Capture

2. Buat sebuah project baru dengan: menu FILE  NEW_PROJECT
3. Muncul tampilan seperti Gambar 5. Tuliskan nama project ini
4. Pilih Analog or Mixed-AD
5. Lokasi, definisikan sendiri jika tak ingin default.

Gambar 5. Tampilan membuat project baru

5. Setelah itu, muncul dialog untuk “Create PSpice Project”. Pilih saja “Create Blank Project”.

6. Akhirnya, sebuah halaman untuk perancangan rangkaian di dalam orcad pspice muncul sebagaimana terlihat pada gambar 6.

Gambar 6. Project Design Manager

2.1.2 Membuat rangkaian sederhana
Sebagai contoh, akan kita buat rangkaian seperti terlihat pada gambar 7. Berikut langkah-langkahnya,

1. Click pada jendela Schematic.
2. Untuk menambahkan kompnonen, click pada icon PLACE PART di sebelah kanan atas (lihat gambar 6). Akan muncul dialog seperti gambar 8 berikut.

Gambar 7. Rangkaian sederhana

Gambar 8. Dialog Place Part

Pilih library yang sesuai dengan komponen yang kita inginkan. Sebagai contoh adalah komponen R (resistor). Library-nya adalah Analog, kemudian scroll (gulung ke bawah) pada Part list sampai ditemukan komponen R. Maka dialog akan tampak seperti gambar 8 di atas.

Jika library pada gambar 8 masih kosong, maka anda perlu menambahkan library pada PSIPCE. Caranya, klik Add Library, kemudian untuk mudahnya tambahkan semua library yang disediakan (bawaan) oleh PSPICE ini. Ada beberapa library di sana, yaitu (dalam versi PSPICE yang berbeda mungkin library bawaan berbeda pula, namun secara garis besar adalah sama),

Ke semua library ini disediakan oleh PSPICE secara default, dan terletak di subdirektori;

C:\Program Files\OrCAD_Demo\Capture\Library\Pspice

• Analog: berisi komponen-komponen pasif (R,L,C), mutual inductance, transmission line, serta tegangan dan arus tergantung sumber(voltage dependent voltage source E, current-dependent current source F, voltage-dependent current source G and current-dependent voltage source H).
• Source: berisi berbagai macam sumber tegangan dan sumber arus dengan tipe-tipe yang berbeda. (Vdc, Idc, Vac, Iac, Vsin, Vexp, pulse, piecewise linear, dll). Simak isinya untuk mengenal lebih dekat.
• Eval: menyediakan dioda-dioda (D…), bipolar transistor (Q…), MOS transistor, JFETs (J…), real opamp seperti u741, switch (SW_tClose, SW_tOpen), berbagai gerbang dan komponen-komponen digital.
• Abm: berisi operator-operator dasar matematis yang dapat diaplikasikan ke isyarat, seperti multiplication (MULT), summation (SUM), Square Root (SWRT), Laplace (LAPLACE), arctan (ARCTAN), dan masih ada lagi.
• Special: berisi berbagai macam komponen lain, seperti PARAM, NODESET, dsb.

Click OK, komponen R akan terbawa oleh kursor untuk siap ditempatkan di dalam jendela skematik. Click kursor di posisi komponen R ini ingin ditempatkan.

Untuk mengubah nilai R, double click pada nilainya (dalam hal ini 1k). Akan muncul dialog Display Properties seperti gambar 9. Ubah nilainya sesuai dengan yang diinginkan (10k)

Gambar 9 . Display Properties

Pspice menyediakan eksponen atau factor scalar seperti terlihat pada tabel 1. Notasi di PSPICE adalah tidak case sensitive, sehingga M dan m dianggap sama.

Tabel 1. Faktor scalar PSPICE
Simbol Nilai faktor
F atau f (femto) 1e-15
P atau p (pico) 1e-12
N atau n (nano) 1e-9
U atau u (mikro) 1e-6
M atau m (mili) 1e-3

K atau k (kilo) 1e+3
MEG atau meg (mega) 1e+6
G atau g (gega) 1e+9
T atau t (Terra) 1e+12

Cara lain untuk memberi nilai komponen adalah dengan “Property Editor”. Caranya , klik pada komponen yang bersangkutan dan kemudian klik kanan “Edit Properties”. Sebuah tampilan muncul (Lihat gambar 10) menampilkan berbagai parameter (atribut). Masukkan nilai yang ingin ke atribut yang sesuai.

Gambar 10. Property Editor

3. Tambahkan komponen-komponen lain dengan cara yang sama. Resistor kapasitor berada di dalam library ANALOG, dan sumber tegangan DC dan sumber arus DC dari library SOURCE. Kombinasi klik kanan dan kiri mouse mempunyai fungsi pilihan yang berbeda. Untuk menambahkan komponen yang sama, cukup dengan klik kiri mouse. Tekan ESC untuk mengakhiri komponen.

Dalam hal kapasitor, kondisi awal dapat pula didefinisikan. Buka property editor sebagaimana gambar 10, namun untuk kapasitor. Pada kolom IC (maksudnya Initial Condition) masukkan nilai yang diinginkan, misal 2 V.

4. Setelah semua komponen dimasukkan ke dalam skema, sambungkan masing-masing komponen itu dengan kabel. Maka kita perlu Place Wire. Klik tombol “Place Wire” (lihat gambar 6) dan sambungkan semua kaki-kaki komponen sebagaimana skema yang diinginkan. Tekan tombol “ESC” untuk mengakhiri.

5. Terakhir, yang diperlukan adalah menambahkan Ground ke dalam skema rangkaian. Klik “Place Ground” (gambar 6). Akan muncul Dialog Place Ground seperti terlihat pada gambar 11. Ketika muncul dialog, pilih GND/CAPSYM dan berilah nilai 0 pada isian Name. Jangan lupa meng-nol-kan. Jika tidak PSpice akan memunculkan peringatan kesalahan ketika simulasi rangkaian dijalankan atau muncul peringatan “Floating Node”. Ini terjadi karena SPICE memerlukan terminal ground sebagai titik referensi yaitu 0 pada ground.

Gambar 11. Dialog Place Ground

6. Jika semua langkah-langkah di atas dijalankan dengan benar, maka skema rangkaian adalah seperti gambar 12. berikut ini,

Gambar 12. Rangkaian

4. Analysis Rangkaian

PSPICE dengan Orcad telah menampilkan rangkaian elektronika secara visual. Hal ini sangat mempermudah untuk mengetahui cara kerja rangkaian. Namun demikian, awal mulai spice yang berupa text untuk netlist-nya masih diperlukan, kadang untuk melacak jika ada kesalahan. Demikian juga untuk melacak arah arus.

Orcad/Pspice menyediakan menu untuk melacak/membuat text file dari rangkaian, disebut dengan netlist. Dari menu PSpice  Create Netlist, maka text file dari rangkaian akan dibuatkan. Untuk melihat rangkaian dalam bentuk text tersebut, cukup dengan memilih View Netlist. Gambar 13 di bawah memperlihatkan create netlist dan view netlist. Sedangkan gambar 14 memperlihatkan sebuah rangkaian dengan text netlist-nya.

Gambar 13. Menggenerate text rangkaian

* source TEST01
R_R1 IN OUT 10k
R_R2 0 OUT 10k
I_I1 0 OUT DC 1mAdc
C_C1 0 OUT 5uF
V_V1 IN 0 20Vdc

Gambar 14. Rangkaian dan text-nya

Simulasi dengan SPICE memungkinkan kita untuk melakukan analisis-analisis DC bias, DC Sweep, Transient, AC analysis, Montecarlo, Parameter sweep dan Temperature sweep.

Berikut akan dijelaskan analisis yang sering dipakai pada simulasi spice ini, yaitu DC bias, DC sweep, AC analysis, dan transient.

4.1 Analisis BIAS

Langkah-langkah untuk melakukan simulasi dengan analisis tegangan/arus bias adalah sebagai berikut,

1. Dengan diagram skematik, terdapat menu PSPICE. Pilihlah NEW SIMULATION PROFILE.
2. Akan muncul sebuah jendela, seperti pada gambar 15. Ketikkan nama profil simulasi, misal Bias. Pada list “Inherit From”, pilih none. Klik Create.

Gambar 15.

3. Akan muncul jendela untuk men-set nilai-nilai untuk simulasi. Lihat Gambar 16. Pada bagian “Analyis Type”, pilih Bias Point. Klik OK.

Gambar 16.

5. Jalanlan simulasi, PSPICE  RUN
6. Akan muncul sebuah jendela. Dari sini akan diketahui apakah simulasi berhasil atau ada kesalahan. Jika simulasi gagal/error, kesalahan dapat dilacak dari Output file.
7. Hasil simulasi ini dapat dilihat secara detail jika diinginkan. Bukalah Output file, atau dari diagram skematik klik pada V icon dan I icon. Lihat Gambar 17. Arah arus yang bernilai positif/negative dapat dicek dari netlist-nya. Gambar 18 di bawah memperlihatkan nilai hasil simulasi bias.

Gambar 17.

Gambar 18.

4.2 Analisis DC Sweep

Tetap dipakai rangkaian yang sama, namun sekarang yang dievaluasi adalah pengaruh sweep tegangan sumber antara 0 dan 20V. Sumber arus 1 mA. Berikut langkah-langkah analisis DC sweep,

1. Buat sebuah simulasi baru dengan “New Simulation Profile” (dari menu Pspice); Beri nama, misal DC Sweep
2. Masukkan nama tegangan sumber yang akan di-sweep. V1. Masukkan nilai awal dan akhir (start value, end value), serta nilai step kenaikannya. Dalam contoh ini, start value 0, end value 20, dan increment 0.1 V. Lihat Gambar 19 di bawah berikut.

Gambar 19. Setting untuk simulasi DC Sweep

3. Jalankan Simulasi. Pspice akan menghasilkan data output yang berisi nilai – nilai dari semua tegangan dan arus pada rangkaian.

Ketika simulasi selesai, akan muncul sebuah jendela baru, seperti pada Gambar 20. Sebut saja sebagai Probe Window.

Gambar 20. Probe Window

Untuk melihat hasilnya, dari menu Trace pilih Add Trace, lihat Gambar 21. Kemudian pilih tegangan dan/atau arus yang ingin ditampilkan. Sebagai contoh adalah V(out) dan V(in). Klik OK.

Gambar 21. Jendela Add Trace

Jika dikehendaki, dapat ditambahkan sumbu Y kedua. Misal untuk melihat arus yang melalui R2. Dari menu Plot  Add Y Axis. Pilih Trace untuk I(R2).

Nilai actual titik tertentu Vout dan Vin pada grafik juga dapat ditampilkan. Dari Trace  Cursor  Display. Di sini kursor berlaku sebagai trace pertama. Perhatikan kotak-kotak kecil grafik dan keterangan untuk V(out) di bagian bawah. Klik kiri pada trace 1, nnilai sumbu x dan y akan ditampilkan. Klik kanan pada V(out) maka nilai kursor akan ditampilkan.

Gambar 22 memperlihatkan hasil dari dc sweepn, memperlihatkan Vout, Vin dan arus yang melalui resistor R2. Kursor digunakan untuk V(out) dan V(in).

Gambar 22.

4. 3 Analisis Transien

Dipakai rangkaian yang sama seperti pada DC sweep (Gambar 23), dengan menambahkan sebuah switch untuk mengatur tegangan dan arus yang masuk, seperti terlihat pada Gambar 12. Caranya dengan memasukkan SW_TCLOSE switch dari EVAL library. Kemudian double click pada switch TCLOSE value dan masukkan nilainya setelah switch menutup. Kemudian buat nilai TCLOSE = 5 ms.

Gambar 23 : Rangkaian untuk simulasi transient

Langkah-langkah untuk analisis transient,

1. Buat PSPICE/NEW SIMULATION PROFILE
2. Berikan nama simulasi (misal : Transient). Saat jendela setting simulasi terbuka, pilih analisis “Time Domain (Transient)”. Masukkan pula Run Time, misal dengan nilai = 50 ms. Untuk ukuran Max Step, anda dapat membiarkannya kosong atau memberi masukan 10us.
3. Jalankan PSpice
4. Jendela Probe pada PSpice akan membuka. Anda dapat menambahkan traces untuk memperlihatkan hasilnya. Pada Gambar 24 di bawah, kami memplot arus melalui kapasitor pada jendela atas dan tegangan melalui kapasitor bawah. Kami menggunakan kursor untuk menemukan konstanta waktu dari bentuk eksponensial (dengan menemukan perhitungan 0,632 x V(out)max = 9,48. Kursor akan memberikan waktu yang cocok yaitu 30 ms kemudian memberikan konstanta waktu 30-5=25 ms (5 ms dikurangkan karena switch menutuh pada 5 ms)

Gambar 24 : Hasil dari simulasi transien rangkaian Gambar 23

5. Selain menggunakan switch, kita dapat pula menggunakan sumber tegangan yang berubah sesuai waktu. Seperti terlihat pada Gambar 24 dimana digunakan sumber VPULSE dan IPULSE dari SOURCE library. Dengan memasukkan nilai level tegangan (V1 dan V2), waktu tunda / delay (TD), waktu tanjakan dan turunan (Rise and Fall time), lebar pulsa (PW) dan periode (PER). Nilai tersebut dapat diindikasi pada gambar di bawah.

Gambar 24 : rangkaian dengan sebuah tegangan PULSE dan sumber arus.

6. Setelah melakukan simulasi transien hasilnya dapat ditampilkan seperti langkah sebelumnya.
7. Contoh terakhir dari analisis transien adalah menggunakan sinyal sinusoidal VSIN. Lihat Gambar 25. Rangkaian adalah seperti pada Gambar 25 di bawah. Kami membuat nilai amplitude 10 V dan frekuensi 10 Hz.

Gambar 25.

8. Jalankan PSpice.
9. Hasil simulsi untuk Vout dan Vin terlihat pada Gambar 26 di bawah ini.

Gambar 26.

4. 4 Analisis AC Sweep

Analisis AC diterapkan pada tegangan atau arus masukan sinusoidal (ac) dengan menggeser frekuensi sampai range tertentu. Analisis ini melihat hubungan antara tegangan, magnitude arus,dan fase untuk setiap frekuensi masukan.

Contoh di bawah memperlihatkan sebuah filter RC sederhana, dengan rangkaian seperti pada Gambar 27.

Gambar 27.

1. Buat “new project” dan gambar rangkaian seperti pada gambar.
2. Pada komponen tegangan input, gunakan voltage source VAC dari source library
3. Masukkan nilai amplitude input source = 1 V
4. Buat simulation profile baru. Pada simulation setting window pilih AC Sweep/Noise
5. Masukkan nilai start and end frekuensi beserta jumlah titik per decade. Misal menggunakan 0.1 Hz, 10 kHz dan 11
6. Jalankan (Run) simulasi
7. Pada probe window, tambahkan trace untuk tegangan input kemudian tambahkan jendela baru untuk memperlihatkan fase dan magnitude dari tegangan output. Tegangan dapat juga ditampilkan dalam bentuk dB dengan cara ketik Vdb(out) pada trace expression box dan ketik VP(out) untuk fasenya
8. Selain itu, untuk menampilkan Vout dalam db dapat juga dilakukan dengan menggunakan markers pada schematic (PSPICE/ MARKERS/ ADVANCED/ dBMagnitude atau fase tegangan atau arus. Kemudian letakkan markers pada titik yang diinginkan.
9. Hasil simulasi dapat dilihat dari Gambar 28 di bawah ini :

Gambar 28.

Gambar 28 menunjukkan, titik 3 dB mempunyai nilai frekuensi 6.49 Hz dengan time constant sebesar 25 ms [R1/(R2.C)]. Pada saat f=10Hz, Vout=11.4dB, dan seterusnya.

.