Stage elettronica 2016

Attività sperimentale 2016
Elettronica
Simulazione elettronica analogica con
Spice e progettazione di un
amplificatore audio in
classe B a simmetria complementare
SIMONE MAZZOTTA - 1
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
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Indice:
Funzioni generali del simulatore
Tipologie di analisi possibili con Spice:
- DC Operating point (bias point)
- AC Analysis
- Transient Analysis
- Temperature Sweep
- DC Sweep
- Parameter Sweep
Progetto finale:
- Amplificatore audio in classe B
a simmetria complementare
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DC operating point (bias 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.
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FRANCESCO CAMPISI - 4
DC operating point (bias point):
Si notino nello schema di un amplificatore
(emettitore comune con guadagno dinamico = 5)
le tensioni e le correnti di polarizzazione.
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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.
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Transient analysis
τ = R*C = 1us
Studio della risposta al gradino di un RC (passa-basso, Vout1) – CR
(passa-alto, Vout2).
Si osserva che il comportamento del passa-basso è opposto al passa-alto,
τ (il prodotto fra R e C) definisce il tempo che impiega il condensatore a
caricarsi al 63% della tensione finale.
Il completo caricamento del condensatore avviene praticamente dopo 5 τ.
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Transient analysis
V_IN
Studio di un amplificatore ad emettitore
comune con guadagno dinamico = 5
(praticamente R4 / R5)
V_OUT
Il tracciato è analogo a quello di un oscillografo reale adoperato per
verificare che V_OUT = 5 * V_IN (si noti l’inversione di fase)
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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.
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MATTEO DE ANGELIS - 9
AC analysis
Frequenza d’incrocio ≈ 160KHz
Analisi in frequenza di un passa-basso e passa-alto
Comportamento del modulo e della fase
Verifica della risposta teorica tramite SPICE
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AC analysis
Simulazione di un circuito risonante serie.
Andamento del Q.
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AC analysis
Nel grafico si osserva l’andamento
della tensione ai capi degli elementi
reattivi, funzione di ω e della
resistenza di damping.
Si noti che il fattore di qualità Q,
corrisponde al rapporto tra
l’impedenza di LC alla frequenza di
risonanza fr (in questo caso 100
ohm) e il valore della resistenza di
damping.
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R damping 25 Ohm
100 Ohm
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AC analysis
Nel diagramma si osserva l’andamento Vout
in modulo (+6dB -> guadagno =2) e fase (-180°) nella
banda di lavoro di un amplificatore reazionato a BJT
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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”.
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NICOLA DE TOMMASO - 14
Parameter sweep
Si noti come, per valori elevati di R3 o in assenza di carico, l’effetto
del circuito integratore viene annullato dall’effetto del circuito
derivatore. Entrambi i circuiti hanno la stessa costante di tempo R*C.
Tramite la simulazione parametrica, diminuendo la resistenza di
carico, si noti come l’effetto del circuito derivatore prevalga e aumenti
l’attenuazione del segnale in uscita.
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Parameter sweep
Abbiamo verificato che la transconduttanza
gm = IC/VT* = 40mA/V per ogni mA di polarizzazione statica,
dimostrando così che tutti i semiconduttori al silicio si
comportano nello stesso modo.
Resistenza d’uscita = (1/gm) // R2
* VT = kT / q = 25.3mV dove k è la costante di Boltzmann (1.38 x 10-23 joules/K),
T è la temperatura assoluta in gradi Kelvin, q è la carica dell’elettrone (1.6 x 10 -19 coulombs)
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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.
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MATTIA BRAGAGNINI - 17
DC sweep
Da notare:
- l’andamento esponenziale della corrente nel diodo;
- la tensione di accensione = 0,6 Volt;
- ad ogni incremento di VT (25mV) ID raddoppia.
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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
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Temperature sweep
Variando la temperatura si ottengono diverse
caratteristiche del diodo, infatti la tensione di giunzione,
diminuisce di circa 2.2mV per grado centigrado.
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PROGETTO
CONCLUSIVO
CARATTERISTICHE PRINCIPALI
- Vin max = 1V per picco (2Vpp)
- Guadagno in tensione = 10
- Potenza RMS max = 15W su 4 ohm
- Stabilizzazione termica
- Alimentazione duale +/- 24V
- Senza capacitori di accoppiamento
- Protezione da sovraccarichi
Amplificatore audio in classe B
a simmetria complementare
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GIULIA DE IULIS - 21
Caratteristiche DC in assenza di segnale in ingresso
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Corrente sul carico al variare del volume.
Si noti l’intervento della protezione dal sovraccarico
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Tensione, corrente e potenza RMS max sul carico
con variazione di temperatura da 10 a 60 °C
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Risposta in frequenza
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Riconoscimenti
All’ organizzazione del SISDivulgazione, per l’efficienza
dell’ organizzazione e
l’accoglienza;
Al Dott. Pierluigi Campana,
Direttore dei Laboratori Nazionali
di Frascati dell’INFN, per la sua
disponibilità allo svolgimento dei
corsi;
Ai nostri tutori Giovanni Corradi
e Sergio Ceravolo per essersi
impegnati nella realizzazione dello
stage.
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Studenti partecipanti:
ANSELMI GABRIELE, ANTONINI MICHELE, BONZI FRANCESCO,
BRAGAGNINI MATTIA, CALIANDRO FABIO, CAMPISI FRANCESCO,
CIACCASASSI FEDERICO, DE ANGELIS MATTEO, DE IULIS GIULIA, DE
TOMMASO NICOLA, MARINO ROBERTO, MARTINELLI ALESSIO,
MASTRODASCIO CRISTIAN, MAZZOTTA SIMONE, PANNACCI SIMONE,
PICCO SIMONE, RICCARDI MATTIA, RICCI ANDREA
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
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