Attività sperimentale 2011 Elettronica Simulazione elettronica analogica con Spice e progettazione di un Layout 1 1

I n d i c e : Funzioni generali del simulatore Tipologie di analisi possibili con Spice: DC Operating point AC Analysis Transient Analysis Temperature Sweep DC Sweep Parameter Sweep Studio di un Alimentatore switching Progetto finale: Alimentatore Switching Stage elettronica 2011 2 2

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 2011 3 3

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 degli elementi non lineari (es: diodi, transistor, MOS); Per determinare le condizioni iniziali degli elementi reattivi nel dominio del tempo. Stage elettronica 2011 4 4

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 2011 5 5

AC analysis Analisi in frequenza di un passa-basso e passa-alto Comportamento del modulo e della fase Verifica risposta teorica tramite SPICE Stage elettronica 2011

AC analysis Simulazione di un circuito risonante serie Andamento del Q e del coefficiente di smorzamento Stage elettronica 2011 7 7

AC analysis Nel grafico si osserva l’andamento della tensione in uscita, funzione della resistenza di damping. Stage elettronica 2011 8

Misura dell’impedenza induttiva e capacitiva AC analysis Misura dell’impedenza induttiva e capacitiva ZL = jωL ZC = -j/ωC Stage elettronica 2011 9

AC analysis Verifica della condizione di risonanza serie Frisonanza = Verifica della fase in risonanza Stage elettronica 2011 10

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 su un circuito reale. Stage elettronica 2011 11 11

Transient analysis Studio della risposta al gradino di un RC-CR Si osserva che: il comportamento di un RC è opposto al CR Stage elettronica 2011 12 12

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 2011 13 13

Temperature sweep Variando la temperatura si ottengono diverse caratteristiche del diodo, infatti la tensione di giunzione, diminuisce di 2.2mV per grado centigrado. Stage elettronica 2011 14 14

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. Stage elettronica 2011 15 15

DC sweep Da notare: L’andamento della corrente esponenziale e la tensione di accensione 0.6 Volt. Stage elettronica 2011 16

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 2011 17

Parameter sweep Stage elettronica 2011 18

Parameter sweep Dal grafico si nota che, variando la resistenza R1 del circuito RC, tramite la simulazione parametrica, varia la costante di tempo τ. Essa è data dal prodotto fra R e C, definendo 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 2011 19

Regolatori Lineari I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, (BJT,MOSFET) in zona lineare Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita, con un reference di tensione Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per adeguarsi alle variazioni di carico e di ingresso Stage elettronica 2011

Regolatori Switching Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttore. La relazione V : L = Δi : Δt mette in relazione le grandezze sull’induttanza. La proporzionalità tra tensione e variazione di corrente è lineare. Una tensione costante sull’induttanza, produce una variazione lineare di corrente. Stage elettronica 2011

Regolatori Switching I regolatori switching impiegano un elemento attivo, funzionante tra l’interdizione e la saturazione Un elemento reattivo (un induttore) immagazzina l’energia che viene poi ceduta al carico Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a valori accettabili Una rete di controreazione confronta l’uscita con un reference di tensione, adeguando l’energia immagazzinata nell’induttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingresso Stage elettronica 2011

Oscillatore onda quadra Progetto: Switching Interruttore Volano Oscillatore onda quadra Stage elettronica 2011 23

Switching: simulazione funzionale Andamento della tensione di uscita, sovrapposto al ripple. Da osservare il transiente all’istante dell’accensione. Stage elettronica 2011

Switching: simulazione funzionale Da notare che la corrente nell’induttore ha un andamento a rampa, mentre la tensione ai suoi capi è di tipo rettangolare Stage elettronica 2011

Switching: Ripple di uscita Si è valutato il ripple di uscita, al variare degli elementi di carico. Si è constatato che il ripple è solo funzione delle perdite dell’anello di carico costituito dal diodo, dall’induttore e dalla capacità filtro. Stage elettronica 2011

Realizzazione del layout Layer TOP Layer BOTTOM Stage elettronica 2011 27

Studenti partecipanti: Abbafati Simone, Cardinali Daniele, Cerino Alessandro, D' Anna Fabrizio, Dionisi Andrea, Fernandes Eugenio, Gatto Davide, Gervasoni Massimiliano, Manus Marco, Nura Muhammad Atif, Reali Roberto, Rosata Lorenzo, Salvucci Alessandro, Santinello Damiano, Scaramuzza Igor, Schiavoni Cristiano, Terenzi Marco. Stage elettronica 2011 28 28

Riconoscimenti All’ organizzazione del SIS-Divulgazione, per l’efficienza dell’ organizzazione e l’ accoglienza; Al Professore Umberto Dosselli Direttore dell’INFN per la sua disponibilità allo svolgimento dei corsi; Ai nostri professori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage. Stage elettronica 2011 29 29

TUTORI Giovanni Corradi Claudio Paglia Stage elettronica 2011 30 30