Attività sperimentale 2018 Gruppo Elettronica Simulazione elettronica analogica con Spice e progettazione di un amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018 1 1

Caratteristiche generali del simulatore: I programmi di simulazione circuitale costituiscono uno strumento di estrema utilità per chi si occupa di progettazione di circuiti elettronici Essi semplificano le verifiche funzionali di un progetto Il simulatore SPICE “Simulation Program with Integrated circuit Emphasis” è utilizzato universalmente per la simulazione di circuiti elettronici analogici e digitali Stage elettronica 2018 Marios SHANAJ 2 2

I n d i c e : - Studio di un amplificatore reazionato a BJT Funzioni generali del simulatore Tipologie di analisi possibili con Spice: - DC Operating point (bias point) - Transient Analysis - AC Analysis - Parameter Sweep - DC Sweep - Temperature Sweep Progetto finale: - Studio di un amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018 3 3

DC operating point (bias point): Questo tipo di analisi definisce il punto di lavoro “in regime continuo” di un circuito elettrico: - è usata per determinare le condizioni di lavoro di uno o più dispositivi elettronici; - per osservare le funzioni di trasferimento degli elementi non lineari (es: diodi, transistor, MOS); - per determinare le condizioni iniziali degli elementi reattivi nel dominio del tempo. Stage elettronica 2018 4 4

DC operating point (bias point): Si notino nello schema di un amplificatore (emettitore comune con guadagno dinamico = 5) le tensioni e le correnti di polarizzazione. Stage elettronica 2018 5 5

Transient analysis L’analisi al transiente, elabora la risposta nel dominio del tempo di un circuito elettronico. Permette quindi di valutare il comportamento di un circuito elettrico, come lo si farebbe con uno oscilloscopio e un circuito reali. Stage elettronica 2018 Alessandro MAURI 6 6

Transient analysis τ = R*C = 1us Studio della risposta al gradino di un circuito RC (passa-basso, Vout1) e di e di un circuito CR (passa-alto, Vout2). Si osserva che il comportamento del passa-basso è opposto al passa-alto. τ (il prodotto fra R e C) definisce il tempo che impiega il condensatore a caricarsi al 63% della tensione finale. Il completo caricamento del condensatore avviene praticamente dopo 5 τ. Stage elettronica 2018 7 7

Transient analysis Studio di un amplificatore ad emettitore comune con guadagno dinamico = 5 (praticamente R4 / R5) Il tracciato è analogo a quello di un oscillografo reale adoperato per verificare che V_OUT = 5 * V_IN (si noti l’inversione di fase) Stage elettronica 2018 8 8

AC analysis Questo tipo di analisi, elabora la risposta in frequenza di un circuito elettrico, costituito da elementi lineari (es: resistenza, induttanza, capacità, trasformatore, generatore di tensione e di corrente), ed elementi non lineari, linearizzandoli. La sorgente genera un segnale sinusoidale la cui frequenza varia in un range definito dal progettista. Stage elettronica 2018 William IAMBRENGHI 9 9

AC analysis Analisi in frequenza dei circuiti Frequenza d’incrocio ≈ 160KHz Analisi in frequenza dei circuiti passa-basso e passa-alto: Comportamento del modulo e della fase Stage elettronica 2018

AC analysis f𝑟= 1 2𝜋 L∗C ≅ 4.8KHz Z0= 𝐿 𝐶 ≅ 150Ω Simulazione di circuiti risonanti LC: Si osservi l’andamento della tensione e l’andamento della fase in uscita al variare della frequenza. f𝑟= 1 2𝜋 L∗C ≅ 4.8KHz Z0= 𝐿 𝐶 ≅ 150Ω Si noti che in entrambi i circuiti l’impedenza caratteristica Z0 alla frequenza di risonanza ≅ 150Ω ed è puramente resistiva come indica la fase = 0. Stage elettronica 2018 11 11

Parameter sweep Questo tipo di analisi permette di variare le sorgenti di tensione e corrente, modelli, parametri globali e temperature di un circuito elettronico. I parametri si cambiano nel pannello di controllo “Simulation profile”. Stage elettronica 2018 Matteo TUVERI 12

Parameter sweep Dal grafico si nota che, variando il valore della R1, R2: 10k 5k 1k Dal grafico si nota che, variando il valore della resistenza sia nel circuito integratore (R1) che nel derivatore (R2), tramite la simulazione parametrica, varia la costante di tempo τ e di conseguenza la frequenza centrale del filtro passa banda. Si noti come la fase, alla frequenza d’incrocio, sia pari a zero. Stage elettronica 2018 13

Parameter sweep f𝑟= 1 2𝜋 L∗C Q= 𝑍0 𝑅𝑣𝑎𝑙 Nel tracciato si osserva l’andamento della tensione in uscita in funzione della variazione del valore resistenza di damping. f𝑟= 1 2𝜋 L∗C Q= 𝑍0 𝑅𝑣𝑎𝑙 Il fattore di qualità Q corrisponde al rapporto tra l’impedenza di LC alla frequenza di risonanza fr (in questo caso ~150 Ω) e il valore della resistenza di damping. Z0= 𝐿 𝐶 Stage elettronica 2018 14

Parameter sweep Abbiamo verificato che la transconduttanza gm = Δ IC / KT = 40mA/V a 1mA di polarizzazione statica, dimostrando così che tutti i semiconduttori al silicio si comportano nello stesso modo. Resistenza vista all’emettitore = 1/gm. KT = k * T / q = 25.3mV dove k è la costante di Boltzmann (1.38 x 10-23 Joules/K), T è la temperatura assoluta in gradi Kelvin, q è la carica dell’elettrone (1.6 x 10-19 Coulombs) Stage elettronica 2018 Alessandro SPILA 15

DC sweep Questo tipo di analisi consente di simulare il circuito variando il valore delle sorgenti DC. Permette di visualizzare la funzione di trasferimento in DC di un dispositivo attivo o di un quadrupolo. Alessandra DEL GIORNO Stage elettronica 2018 16 16

DC sweep Da notare: - l’andamento esponenziale della corrente nel diodo; - la tensione di accensione = 0,6 Volt; - ad ogni incremento di Kt (25mV) ID raddoppia. Stage elettronica 2018 17

Temperature sweep Questa opzione di analisi ha come parametro variabile la temperatura a cui si trova il circuito Permette di valutare i cambiamenti delle variabili elettriche di un componente al variare della temperatura Stage elettronica 2018 18 18

Temperature sweep Variando la temperatura si ottengono diverse caratteristiche del diodo, infatti la tensione di giunzione, diminuisce di circa 2.2mV per grado centigrado. Stage elettronica 2018 19 19

Amplificatore reazionato a BJT 𝐴𝑣=− 𝑅𝑓 𝑅𝑠 𝑅𝑓 Victoria AMBLER Stage elettronica 2018 20 20

Amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018 21 21

Amplificatore reazionato a BJT Lo Stadio di Ingresso è costituito da un Amplificatore BJT, al cui ingresso è posto il segnale che vogliamo amplificare. Al fine di applicare una retroazione negativa a questo amplificatore, abbiamo posto un guadagno in tensione ad anello aperto massimizzato, tramite un condensatore posto in parallelo alla resistenza di emettitore. Stage elettronica 2018 22 22

Amplificatore reazionato a BJT Il generatore di corrente serve a fornire una corrente di 1 mA ai due diodi che fanno parte del driver di uscita a bassa impedenza. Quest’ultimo è costituito anche da due transistor, uno PNP e l’altro NPN, che conducono in modo alternato. In fine ci sono due condensatori di disaccopiamento in AC. Francesco PASSA Stage elettronica 2018 23 23

Amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018 24 24

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Concetti base Stage elettronica 2018 Marios SHANAJ 25 25

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Pads e Vias (Piazzole e Passaggi) (piazzole e attraversamenti) Stage elettronica 2018 26 26

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Footprint (Impronta del componente) Stage elettronica 2018 27 27

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Circuit Track (Stesura delle piste) Stage elettronica 2018 28 28

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Gerber files (standard ASCII per la produzione di circuiti stampati) Stage elettronica 2018 29 29

Riconoscimenti All’ organizzazione del SIS-Divulgazione, per l’efficienza dell’organizzazione e l’accoglienza Al Dott. Pierluigi Campana, Direttore dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, per la sua disponibilità allo svolgimento dei corsi Ai nostri tutori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage Stage elettronica 2018 30 30

PRESENTAZIONE CURATA DA: TUTORI Giovanni Corradi Sergio Ceravolo Maurizio Gatta PRESENTAZIONE CURATA DA: Luca VENDETTA Luca SPAZIANI Lorenzo QUADRINI Stage elettronica 2018 31 31

GRAZIE PER L’ATTENZIONE Studenti partecipanti: Victoria AMBLER Leonardo ARCANGELI Cristian BRANCALEONI Matteo CICARELLI Alessandra DEL GIORNO Simone DESSI William IAMBRENGHI Alessandro MAURI Francesco PASSA Luca PUTIGNANO Lorenzo QUADRINI Marios SHANAJ Luca SPAZIANI Alessandro SPILA Matteo TUVERI Luca VENDETTA Stage elettronica 2018 32 32