Attività Sperimentale 2008 Elettronica Simulazione elettronica analogica e digitale con SPICE e progettazione del Layout

Studenti Partecipanti allo stages: Tascioni Massimiliano, Di Bello Davide, Franchini Roberto, Santinello Daniele, Gatta Edoardo, Vitale Claudia, Fanciulli Daniele, Lanza Daniele, Di Domenico Simone, Nunnari Marco, Lorenzi Gianmarco, Rava’ Alessandro, Di Dio Marco, De Paulis Simone, Orru’ Alessandro, Montes Rua Rafael Eduardo, Szymecki Kamil

Indice Caratteristiche generali del simulatore Tipologie di analisi possibili con Spice: DC Operating Point AC Analysis Transient Analysis Temperature Sweep DC Sweep Paramiter Sweep Progetti sviluppati con il simulatore: Analisi del Filtro RC - CR Analisi del Circuito Risonante RLC Fasori Analisi di un Trasformatore Curve caratteristiche del diodo e del transistor Progetto finale: Amplificatore controreazionato Alimentatore Switching

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

Paramiter Sweep Questo tipo di analisi parametrica, in un circuito elettronico, permette di variare le sorgenti di tensione e corrente, modelli, parametri globali e temperature. I parametri del tipo di analisi si cambiano nel pannello di controllo “Simulations profile”

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

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

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

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

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

Amplificatore reazionato

Amplificatore reazionato

Progettazione di un alimentatore switching

Analisi del transiente di un alimentatore switching

Realizzazione del Layout

Riconoscimenti 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