Stages Estivi 2013 corso di simulazione elettronica con Spice

Introduzione Prima di realizzare un circuito si seguono le seguenti fasi. - Studio delle specifiche - Progettazione col CAD e simulazione - Realizzazione del prototipo Per simulare un circuito esistono moltissimi software , ma tutti quanti si basano su Spice.

Spice - SPICE è stato sviluppato dall'Electronics Research Laboratory dell'Università della California di Berkeley nel 1975 dal team di Ron Rohrer, tra cui in particolare Larry Nagel e Donald Peterson. Come un software open source primitivo, SPICE fu largamente utilizzato e distribuito, al punto tale che nella lingua inglese, l'espressione "to SPICE a circuit" assume lo stesso significato di analizzarne il comportamento attraverso simulazione.

Caratteristiche generali del simulatore - Spice nella sua versatilità consente di effettuare vari tipi di simulazioni tra cui: - Analisi statica; - Analisi dinamica; - Analisi parametrica; - Analisi in frequenza.

Il Metodo Simbolico - Nel metodo simbolico 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. - In questo contesto è facile vedere che la rete elettrica introduce un’abbattimento dell’ampiezza del segnale d’ingresso, e uno sfasamento ( che può essere o un’ anticipo o un ritardo) del segnale pari all’angolo f. Nel caso dei componenti discreti (resistenza, condensatore e induttore) tutto ciò è particolarmente vantaggioso. - Il metodo simbolico viene utilizzato quando ad una rete elettrica viene applicato un segnale sinusoidale con pulsazione w.

I componenti discreti RESISTENZA: nel caso della resistenza vale la legge di ohm ( V = R x I ) dove però sia V che I sono dei fasori. Il fasore della corrente è in fase con la tensione e non presenta sfasamento. CONDENSATORE: il condensatore necessita che venga introdotta una corrente affinchè si possa avvertire una d.d.p. ai suoi capi. Ciò fa si che la tensione sia in ritardo di 90° rispetto alla corrente. In formule V = I/jwC dove il termine 1/jwC si misura in Ohm come le resistenze(reattanza capacitiva). INDUTTORE: l’ induttore necessita invece di una variazione di tensione ai suoi capi per innescare la corrente e per questo motivo la corrente è in ritardo di 90° rispetto alla tensione. In formule V = jwL*I dove, anche in questo caso, il termine jwL viene misurato in Ohm (reattanza induttiva).

Le impedenze - Nel dominio dei fasori R, 1/jwC e jwL vengono denominate impedenze. Il simbolo delle impedenze e` la lettera Z. L’impedenza e` 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. - Il concetto di impedenza diventa piu` significativo se dal regime permanente sinusoidale si passa al dominio della frequenza, ossia se invece di considerare una sola pulsazione w consideriamo tutte le frequenza dello spettro. Attraverso il calcolo di impedenze equivalenti o l`uso dei teoremi sulle reti elettriche si puo` facilmente calcolare la funzione di trasferimento.

Transistor - Il transistor è un dispositivo a semiconduttore e risulta il componente fondamentale dell’elettronica moderna. - I transitor più utilizzati sono I FET ed I BJT - I transistor vengono impiegati per l realizzazione di oscillatori,amplificatori,interruttori e circuiti integrati. Germanio Silicio

-Fisicamente il transistor e’ realizzato grazie ad una particolare tecnica detta planare ed e’ asimmetrico. EX : BJT NPN

Zone di funzionamento del transistor - Il transistor si può trovare nelle seguenti regioni di funzionamento: N B-E B-C FUNZ.NTO 1 D SATURAZIONE 2 I ATT.DIR 3 ATT.INDIR. 4 INTERDIZIONE

Rete di polarizzazione del transistor

Tipologie di simulazione Con spice è possibile effettuare diversi tipi di simulazione: - BIAS POINT - DC SWEEP; - TIME DOMAIN (TRANSIENENT); - AC SWEEP/NOISE; Per ogni simulazione è possibile realizzarne una parametrica con la quale possiamo avere piu grafici sovrapposti al variare di un parametro.

Bias point - Questa analisi consente di visualizzare I valori statici che i vari nodi del circuito assumono.

Dc sweep - Questa analisi consente di analizzare il circuito al variare di una sorgente DC - Permette di visualizzare la curva caratteristica di un bipolo o quadripolo

- In questo grafico viene rappresentata la curva caratteristica di un diodo D1N4148

- In questo grafico realizzato con un analisi parametrica vengono rappresentate le curve caratteristiche di un transitor quando alla sua base vengono applicati diversi valori di tensione.

Time Domain - Questa simulazione consente di fare un`analisi dinamica del circuito nel dominio del tempo. - Permette di osservare il comportamento di un qualsiasi circuito elettronico proprio come farebbe un oscilloscopio.

- In questo grafico viene rappresentata la variazione di corrente e di tensione nel tempo in una configurazione switch del BJT

Ac Sweep - Questo tipo di analisi elabora la risposta in frequenza di un circuito elettrico costituito da elementi lineari e non (resistenza, condensatore etc.). - La sorgente genera un segnale sinusoidale la cui frequenza varia in un range predefinito dall'utente

- In questo grafico viene rappresentata la risposta in frequenza di un amplificatore realizzato con un BJT.

Stadi dell'amplificatore

Realizzazione di un amplificatore di segnale audio

Caratteristiche - Stadio d'ingresso: alta impedenza d'ingresso, disaccoppia l'ingresso dall'uscita - Stadio di guadagno: amplifica il segnale - Stadio d'uscita: bassa impedenza d'uscita, collegato all'altoparlante

Realizzazione dei layout - Layer TOP - Layer BOTTOM

Procedimento: - FootPrint - Sbroglio - Tracciamento piste - Piani di massa e alimentazione