Attività Sperimentale 2007 Elettronica Simulazione elettronica analogica e digitale con SPICE e progettazione di un layout

Studenti Partecipanti allo stages: ACATRINEI Razvan CAMPISANO Stefano CARRARINI Mauro COCULO Matteo CRISMARU Alexandru FIGARA Matteo GIGI Emanuele GIORGI Francesco MASSARO Davide MATTEI Daniele NOTO LA FAVIA Dario NUCCIARELLI Flavio PAGNOTTA Andrea PALITTI Mirko PERETTI Alessandro RAICA Catalina Mihaela RUGGER Luca SPINETTI Alessandro TRINGHIERI Luigi VITTORI Marco

Indice Fasori Caratteristiche generali del simulatore Tipologie di analisi possibili con Spice: DC Operating Point AC Analysis Transient Analysis Temperature Sweep DC Sweep Progetti sviluppati con il simulatore: Analisi di un Trasformatore Curve caratteristiche del diodo e del transistor Andamento del Beta Analisi del Filtro RC - CR Analisi del Circuito Risonante RLC Progettazione di un Alimentatore Stabilizzato Progetto finale: Preamplificatore a transimpedenza con correzione DC

Metodo Simbolico: Regime permanente sinusoidale Se ad una rete elettrica, qualunque essa sia, viene applicato un segnale sinusoidale con pulsazione w, il segnale d’uscita dopo un periodo transitorio sarà anch’esso un segnale sinusoidale con pulsazione w. Rete elettrica Vi*cos(w*t) Vo*cos(w*t-f) + + Vin Vout - -

Regime permanente sinusoidale In altri termini, l’analisi della rete elettrica può essere semplificata, passando dal dominio del tempo a quello dei “fasori”. I fasori spostano l’analisi dal campo reale a quello complesso. Il termine che contiene cos(w*t) viene ridotto considerando solo modulo e fase. Vi* cos(w*t)  Vi Vo*cos(w*t-f)  Vo*exp(-jf)

Regime permanente sinusoidale I fasori si rappresentano nel campo complesso (spazio a due dimensioni) Parte immaginaria Vi f Parte reale Vo*exp(-jf)

Impedenze Nel dominio dei fasori R , 1/jwC e jwL prendono il nome di “impedenze”. Una generica impedenza si indica con il simbolo Z. L’impedenza è molto simile alla resistenza nel dominio del tempo poichè esprime il rapporto tra tensione e corrente. In caso di più componenti è possibile calcolare il valore dell’impedenza equivalente.

Impedenze Impedenza serie Zeq = R + 1/jwC 1/jwC R

Impedenze Impedenza parallelo Zeq = (1/R + jwC)-1 R 1/jwC

Impedenze Si possono applicare anche teoremi importanti come il teorema di Thevenin e il teorema di Norton. Z1 Z2 Zeq Veq V Z3

Impedenze La rappresentazione delle impedenze sul piano complesso diventa Parte immaginaria jwL R Parte reale 1/jwC

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 rendendo semplici 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

DC Operating 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 dei elementi non lineari (es: diodi, transistor, MOS). Per determinare le condizioni iniziali degli elementi reattivi nel dominio del tempo

DC Operating Point

AC Analysis Questo tipo di analisi, elabora la risposta in frequenza di un circuito elettrico, costituiti da elementi lineari (es: resistenza, induttanza, capacità, trasformatore, generatore di tensione e di corrente) Esso ipotizza le sorgenti del segnale sinusoidale la cui frequenza è la variabile indipendente

AC Analysis

Transient Analysis Questa analisi elabora la risposta nel dominio del tempo, essendo una variabile indipendente, di un circuito elettrico L’analisi del transitorio permette di valutare il comportamento di una circuito elettrico, come lo si farebbe con uno oscilloscopio su un realistico circuito

Transient Analysis

Temperature Sweep Questa analisi ha come parametro variabile la temperatura a cui si trova il circuito Per ciò che riguarda i modelli di molti comportamenti, si riproducono diversi fenomeni legati alla temperatura

Temperature Sweep (Curve caratteristiche del diodo)

DC Sweep Questo tipo di analisi, esegue ripetute interazioni DC (corrente continua) sequenziali, considerando in ciascuna un valore per una o più sorgenti DC presenti nel circuito elettrico Permette di tracciare le funzioni di trasferimento in DC di un dispositivo attivo

DC Sweep

Analisi di un Trasformatore Studio e simulazioni di accoppiamento tra induttori Misura di una induttanza Studio della curva di Isteresi che rappresenta il campo magnetico e la permeabilità magnetica

Analisi di un Trasformatore

Andamento del Beta Si è studiata la configurazione del BJT in funzione della corrente di polarizzazione; Studio e dimostrazione del Beta di un BJT; Calcolo e verifica, per mezzo delle simulazioni con Spice, della polarizzazione con dispositivi a semiconduttore, tramite lo studio del gm = ΔIc/Kt.

Andamento del Beta

Analisi del Circuito Risonante RLC Studio della variazione d’ impedenza in funzione della frequenza Simulazioni del modulo e della fase Definizione di Banda passante (frequenza di taglio) Analisi comportamentale in risonanza

Circuito Risonante RLC Modulo - Fase

Analisi del filtro RC - CR Si definisce Banda Passante la frequenza in cui l’ampiezza del segnale si attenua di -3dB Il circuito RC, noto come Passa – Basso, è una tipologia di filtro che ha la caratteristica di attenuare le frequenze alte Il circuito CR, noto come Passa – Alto, ha la caratteristica di far passare solo le alte frequenze attenuando le basse

Andamento uscita filtro

Filtro RC – CR (Passa – Banda) Modulo - Fase

Progettazione di un Alimentatore Stabilizzato Progetto di un trasformatore con ponte di Graetz Progetto funzionale di uno stadio di regolazione lineare Simulazioni di: regolazione della tensione in uscita, studio statico e dinamico

Alimentatore Lineare

Preamplificatore a transimpedenza con correzione DC Simulazione e progetto a blocchi Analisi dello stadio di guadagno e di ingresso Analisi del driver in configurazione Push – Pull per piccoli carichi Guadagno di transimpedenza Stabilità in temperatura e compensazione in frequenza Prodotto guadagno banda Regolazione dell’Offset Progetto del circuito stampato (Studio del Layout)

Circuito elettrico di un preamplificatore

Uscita/Ingresso

RINGRAZIAMENTI All’ organizzazione del SIS-Divulgazione, per l’efficienza dell’ organizzazione e l’ accoglienza; Al Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN per la sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsi; Ai nostri professori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage.

Tutori Bazzi Massimiliano Corradi Giovanni Tagnani Diego