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Simulation Electronique pour le Radioamateur

1 Introduction

En 1994, l'ARRL introduisait Amateur Radio Designer (ARD), un simulateur linéaire dans le domaine fréquentiel (voir définitions de ces mots ci-dessous). Aujourd'hui ce produit n'est plus en vente, mais d'autres l'ont remplacé. Dans le domaine temporel, le simulateur de base est SPICE, dont il existe de nombreux dérivés (voir ci-dessous).

2 Simulation

De nos jours, les concepteurs de circuits électroniques ne construisent (presque) plus de prototypes de leurs circuits, mais ils en prédisent les performances au moyen de programmes de simulation.

Il y a effectivement deux façons de vérifier le bon fonctionnement d'un circuit, soit en le construisant (sous forme d'un prototype) soit en simulant son fonctionnement au moyen d'un ordinateur. Même un circuit très simple peut gagner à être simulé, ou optimisé, particulièrement pour ceux d'entre nous pour qui la conception de circuits électroniques n'est qu'un hobby ou pour ceux qui manquent d'expérience dans ce genre d'exercice.

La simulation peut aussi être utile pour rapidement essayer une idée, sans même brancher le fer à souder. Dans le cas de circuits complexes, la simulation peut permettre de limiter les problèmes, en simulant certaines parties du circuit, ou même en simulant tout le circuit avant sa construction.

2.1 Qu'est-ce qu'une simulation?

Une simulation de circuit électronique, se fait au moyen d'un programme, sur un ordinateur, et permet de prédire avec une certaine fiabilité le fonctionnement d'un circuit. Le circuit est décrit pour le programme au moyen d'un schéma ou d'un fichier texte appelé netlist. Les signaux d'entrée du circuit sont aussi décrits, et finalement le genre de simulation désiré est stipulé en fin du netlist.

Le netlist est soumis au programme de simulation, qui calcule le comportement du circuit en fonction des signaux d'entrée. Finalement, le programme peut afficher de différentes manières le comportement calculé du circuit. Ceci permet de vérifier que le circuit se comporte bien comme il était prévu; dans le cas contraire, le netlist peut être modifié (ce qui correspond à une modification du schéma), et la simulation relancée, pour déterminer le comportement de ce nouveau circuit.

Il est même possible, dans certains cas, de demander au simulateur d'optimiser le circuit : pour une topologie donnée du circuit, le simulateur peut déterminer les valeurs optimales des composants du circuit pour atteindre le but désiré (par exemple courbe de réponse d'un filtre).

2.2 Processus de simulation

Le circuit à simuler est ainsi décrit soit à l'aide d'un schéma, soit à l'aide d'un netlist; en fait, si le circuit est entré sous forme d'un schéma, il doit être ensuite transformé en netlist au moyen d'un netlister qui est un programme faisant généralement partie du simulateur, capable de produire un fichier texte, de format adéquat, à partir d'un schéma entré au moyen d'un éditeur graphique (dessin du schéma).

Le netlist décrit le schéma au moyen d'éléments simples (résistances, condensateurs) ou d'éléments plus complexes (transistors) eux-mêmes décrits au moyen d'un modèle et de ses paramètres.

Dans ce cas, un modèle peut être considéré comme une description (mathématique) unique d'un élément utilisé plusieurs fois (un même type de transistor peut se retrouver plusieurs fois dans un schéma) ou comme une description en terme d'éléments simples (R, L et C) d'une structure complexe (par exemple un connecteur ou segment d'un circuit imprimé).

Dans les cas simples qui nous concernent, nous utilisons un même modèle pour (par exemple) tous les transistors d'un même circuit, mais nous utilisons un jeu de paramètres différent pour chaque type de transistor utilisé. Ce jeu de paramètres n'est qu'un ensemble de valeurs (de chiffres) utilisé par le simulateur pour calculer le fonctionnement de chaque transistor. Un exemple d'un tel jeu de paramètres (appelé improprement 'modèle') est donné dans le netlist de la page suivante ('Simulateurs SPICE : description et exemple' dont le lien se trouve en bas de la présente page).

Le travail de simulation demandé doit ensuite être décrit au programme de simulation, généralement sous forme de lignes de commande dans le netlist, par exemple :

Une fois le netlist prêt, le simulateur peut être lancé. Selon le travail demandé et la puissance de calcul de l'ordinateur à disposition, la simulation peut prendre de quelques secondes à plusieurs minutes (voire quelques heures pour des circuits complexes), à la suite de quoi, le programme est prêt à afficher les résultats de la simulation.

La plupart des simulateurs font preuve d'une grande souplesse dans l'affichage des résultats. Soit des courbes, soit des listes de valeurs sont disponibles, non seulement pour la sortie du circuit, mais aussi pour les noeuds internes du circuit. Les graphiques de sortie peuvent se faire en fonction du temps, de la fréquence, ou même quelquefois dans le domaine complexe (abaques de Smith). Les grandeurs représentées peuvent être des tensions, des courants, des impédances ou des paramètres de transmission (TOS ou Paramètres-S par exemple).

2.3 Domaines Temporel et Fréquentiel

Il existe deux domaines principaux de simulation :

2.4 Simulations Linéaire et Non-Linéaire

Peu de phénomènes électroniques sont linéaires, cependant tant que l'on reste dans le domaine des petits signaux (signaux de faible amplitude), la plupart des circuits peuvent être considérés comme linéaires; alors que l'analyse en grands signaux nécessite des simulateurs adaptés à la simulation non-linéaire.

Cependant l'absence de simulation non-linéaire n'est pas nécessairement un grand obstacle, d'abord ces éléments de circuit peuvent être simulés par l'une des versions de SPICE, ou ils peuvent êtres 'linéarisés' en étant conscient des limitations que cela impose (voir QST mars 1995 pp 76-78).

Si après avoir examinés les pages ci-dessus, vous désirez obtenir SPICE, effectuez une recherche dans votre moteur de recherche favori avec +SPICE +simulation. De nombreuses versions de SPICE sont disponibles pour téléchargement.


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