Scarica

II. IL DIODO A GIUNZIONE
OBIETTIVO: nella cartella “DIODO” vengono riportati degli esercizi volti al consolidamento delle nozioni
teoriche sul diodo e all’apprendimento di alcuni concetti base:
- modifica dei parametri contenuti nel modello di un dispositivo;
- uso di una libreria definita in precedenza;
- analisi di Fourier;
- uso dei parametri globali (componente PARAMETERS);
- simulazione parametrica.
In PSPICE il modello del diodo consta di una resistenza parassita serie, un generatore di corrente ed una
capacità ad essa parallela. I loro valori dipendono dalle caratteristiche di costruzione e, per quanto riguarda il
generatore e la capacità, dalla tensione applicata al componente.
La relazione che lega questi valori alla tensione applicata, ma anche ad altre grandezze come la temperatura,
si avvale di un nutrito gruppo di parametri ed assegnare un “insieme” di valori a questi parametri significa
caratterizzare un particolare diodo.
Volendo scegliere i parametri descrittivi di un diodo occorre specificare il valore da associare a questi
parametri e definire l’identificativo del modello da archiviare in libreria. Negli esercizi di seguito riportati:
- vengono accettati i valori di “default” per la gran parte dei parametri;
- vengono modificati i parametri fondamentali (di seguito evidenziati in grassetto).
Si considerino i parametri contenuti rispettivamente nel modello di un diodo (il diodo D1N4148) e nel
modello di un diodo Zener (il diodo D1N750):
.model
D1N4148-X D(
Is=2.682n
N=1.836
Rs=.5664
Ikf=44.17m
Xti=3
Eg=1.11
Cjo=4p
M=.3333
Vj=.5
Fc=.5
Isr=1.565n
Nr=2
Bv=100
Ibv=100u
Tt=11.54n)
PARAMETRI
SATURATION CURRENT (A)
EMISION COEFFICIENT
PARASITIC RESISTANCE (Ω)
HIGH-INJECTION “KNEE” CURRENT (A)
Is TEMPERATURE EXPONENT
BANDGAP VOLTAGE(eV)
ZERO-BIAS p-n CAPACITANCE (F)
p-n GRADING COEFFICIENT
p-n POTENTIAL
FORWARD-BIAS DEPLETION CAPACITANCE COEFFICIENT
RECOMBINATION CURRENT PARAMETER (A)
EMISSION COEFFICIENT FOR Isr
REVERSE BREAKDOWN “KNEE” VOLTAGE (V)
REVERSE BREAKDOWN “KNEE” CURRENT (A)
TRANSIT TIME (s)
.model
D1N750-X D(
Is=880.5E-18
N=1
Rs=.25
Ikf=0
Xti=3
Eg=1.11
Cjo=175p
M=.5516
Vj=.75
Fc=.5
Isr=1.859n
Nr=2
Bv=4.7
Ibv=20.245m
Nbv=1.6989
Ibvl=1.9556m
Nbvl=14.976
Tbv1=-21.277u)
Si osservi il diverso valore della REVERSE BREAKDOWN “KNEE” VOLTAGE nei due modelli!!!
2.1
1N4148.sch
Caratteristica statica del diodo 1N4148.
La simulazione viene impostata tramite un "DC sweep" nel menu Analysis-Setup.
Si noti che la rampa di tensione ha inizio a 0.01 V per dare la possibilità di utilizzare la scala logaritmica
nell’asse delle ordinate: infatti nella caratteristica del diodo se v = 0 Þ i = 0.
Per visualizzare i parametri del diodo è necessario selezionare nello schematico il simbolo del componente
(che diventerà di colore rosso) ed il menù Edit-Model - Edit Instance Model (Text). E’ possibile quindi
MODIFICARE il valore di uno dei parametri e salvare il nuovo insieme di parametri nella directory
desiderata utilizzando: Save to Library:”directory_di_lavoro”.
Notare l'uso del "Current Marker", che permette di visualizzare direttamente con Probe la corrente che
fluisce nel diodo, senza ricorrere al menu Trace-Add. Si osservi inoltre che a differenza del "Voltage
Marker" il "Current Marker" va posizionato esattamente su un terminale del componente.
2.2
raddrizz.sch
Raddrizzatore ad una semionda.
Il modello del diodo è stato MODIFICATO (è possibile controllare le modifiche apportate visualizzando il
file RADDRIZZ.lib mediante un editor di testo), imponendo il valore della corrente di saturazione Is (per gli
altri parametri si utilizzano i valori di default). Si noti che per utilizzare il modello modificato del diodo è
necessario che nel menù Analysis – Library and Include Files venga indicata la libreria “RADDRIZZ.lib”
(fornita insieme agli esercizi risolti).
Sono state selezionate un’analisi "DC sweep" ed un'analisi in transitorio per confrontare le tensioni
d'ingresso e di uscita. Notare l'uso del "Voltage/Level Marker".
Si verifichi nell’analisi del transitori che il segnale di uscita sarà composto dalle sole semionde positive
ridotte in ampiezza per effetto della caduta di tensione sul diodo. Si può inoltre verificare il comportamento
non lineare della rete disegnando la caratteristica di trasferimento ingresso-uscita (DC sweep).
Nel caso in cui si scelga di visualizzare i risultati dell’analisi del transitorio è possibile attivare l'analisi di
Fourier (Trace-Fourier, oppure con il tasto-toggle FFT) mediante Fast Fourier Transform.
Si vari ora la frequenza del generatore di tensione e/o i parametri che regolano il transitorio al fine di
evidenziare i limiti del diodo rettificatore: il tempo di recupero inverso (un esempio viene riportato nel file
raddrizz1.sch). Tale limite si evidenzia nella transizione che porta il diodo dalla polarizzazione in diretta a
quella in inversa e consta di un tempo di “storage”, in cui le cariche diffuse devono essere smaltite, seguito
da un tempo di carica della capacità di svuotamento del diodo (tempo di transizione). La divisione dei due
tempi (tempo di immagazzinamento e tempo di transizione) è meglio evidenziata se si utilizza un segnale di
ingresso onda quadra.
Si ricordi che l'impostazione dell'analisi di Fourier nel menu Analysis-Setup-Transient è invece riferita al
calcolo delle armoniche della serie di Fourier (comando .FOUR di PSpice).
N.B.
Per utilizzare una libreria definita in precedenza (ad esempio come in questo caso per la libreria
RADDRIZZ.lib) occorre includere tale libreria, ovvero utilizzando i menù Analysis -> Library and Include
Files-> ”path\nome_file.lib”. Se si vuole invece modificare il modello fornito, si verifichi che nel menù
appena indicato sia stata inclusa la libreria che contiene tale modello.
Si osservi, invece, come viene sperimentalmente misurata in laboratorio la caratteristica del diodo nella
medesima configurazione circuitale mediante l’uso di un oscilloscopio (Ch.1 e Ch.2 individuano i due canali
dell’oscilloscopio):
Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE
2
iD = i ( v D )
iD = i =
2.3
( v A − vB ) = ( vCh.1 − vCh.2 ) ,
R
clamper.sch
R
vD = vCh.2
Circuito limitatore o clamper.
Si imposti un DC-sweep per rilevare la caratteristica ingresso-uscita e si esegua un'analisi in "transitorio" con
ingresso sinusoidale per mostrare l'effetto di limitazione della tensione d'ingresso.
2.4
rivmin.sch
Rivelatore di minimo.
Sono stati definiti due generatori sinusoidali a diversa frequenza. Si considerino le armoniche dei vari segnali
per mezzo dell'analisi di Fourier e si valuti l'influenza della caduta di tensione sul diodo.
Per i diodi si usa un modello semplificato (libreria definita in RADDRIZZ.lib).
2.5
rivmax.sch
Rivelatore di massimo.
Duale di rivmin.sch, ma senza il generatore. L'assenza del generatore provoca il taglio della tensione di
uscita per valori negativi della tensione d'ingresso. Per i diodi si usi un modello semplificato (libreria definita
in raddrizz.lib).
Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE
3
2.6
riv_rc.sch
Rivelatore di cresta.
La capacità del condensatore viene modificata passo-passo ad intervalli di un'ottava. Il valore della capacità è
fissato da un parametro globale (qui chiamato “CC1”) e la modifica passo-passo interviene per mezzo del
parametro “CC1”, che deve essere dichiarato mediante il componente PARAMETERS (icona
"PARAMETERS"). Il parametro globale si definisce in Analysis-Setup-Parametric.
Per i diodi si usi un modello semplificato (libreria definita in RADDRIZZ.lib).
L’inserimento di un condensatore in parallelo alla resistenza di carico realizza un rettificatore a semionda
con filtro. L’effetto sull’uscita è quello di ottenere una tensione pressoché costante che può essere utilizzata
per alimentare i circuiti. Le ondulazioni (ripple) presenti nella tensione di uscita dipendono dal valore del
condensatore, dal carico e dal periodo di non conduzione del diodo (intervallo di scarica del condensatore).
Si verifichi l’effetto sul segnale di uscita della variazione nel modello del diodo del parametro “Tt”.
2.7
rivcrest.sch
Rivelatore di cresta che agisce sul prodotto di due segnali sinusoidali.
Per i diodi si usi un modello semplificato (libreria definita in raddrizz.lib).
2.8
diff_cap.sch
Analogo a raddrizz.sch, ma predisposto con un generatore impulsato per la verifica
dell'influenza delle capacità di giunzione e di diffusione sul comportamento del diodo
in transitorio.
Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE
4
2.9
diff1cap.sch
Come diff_cap.sch, ma con tensione forzante sinusoidale da 10MHz.
Si consiglia di effettuare le stesse prove di diff_cap.sch. Per il diodo si usa un modello completo (in
diff1cap.lib): si osservi l'influenza non trascurabile della capacità di giunzione.
2.10 3-72.sch
Convertitore buck dello Jaeger.
Si noti che lo schema fornito da Jaeger contiene un errore: la soglia superiore per la conduzione
dell'interruttore è 1 V, mentre il generatore impulsato fornisce una tensione compresa fra -0.5 e 0.5 V. In
questo schema la soglia superiore del generatore è stata modificata a 1.5 V.
2.11 3-72_1.sch
Come il precedente, ma con un interruttore che, dopo 1 ms, simula una variazione del
carico resistivo ponendo in parallelo ad R1 (5 ohm) il resistore R2 (2 ohm).
2.12 1N750pol.sch Circuito di polarizzazione dello Zener, con uno sweep di tensione.
Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE
5