CORSO DI SIMULAZIONE ELETTRONICA Studenti: Riccardo Arduini, Andrea Crea, Marco Dina, Francesco Fondi, Flavio Giorgianni, Giorgio Grilli, Matteo Lanni, Matteo Mancini, Noemi Marinelli, Daniele Pecchia, Gianluca Prosperi, Michele Ricci, Adriano Rita, Alessio Staffoli, Luca Tagnani, Roberto Testa, Alessio Volpini, Tutors: G. Corradi, M. Bazzi, D. Tagnani Stage 2006 Obiettivi • Corso di Simulazione elettronica • Esercitazioni tramite il simulatore Pspice • Simulazione di filtri (integratori e derivatori),circuiti risonanti, diodi e circuiti di polarizzazione dei transistor. • Analisi termica di vari circuiti elettronici. • Progetto di un buffer in classe a b • Progetto di un pcb Definire un circuito elettrico • Si possono creare modelli tramite il modellatore di SPICE • È possibile creare nuovi modelli di componenti tramite opportuni linguaggi “verilog” oppure il più diffuso “VHDL” • Disposti i componenti elettronici, devono essere collegati tra di loro come se fosse un circuito elettrico fisico • Si devono collegare le alimentazioni e le sorgenti di segnale • È obbligatorio connettere sempre una massa di riferimento alla quale si riferiscono tutti i generatori di tensione e di segnale • Ovviamente le modalità di connessione e di inserimento dati dipendono dal tipo di versione di SPICE Definire un circuito elettrico Simboli elettrici Generatore indipendente di Tensione continua V1 1V ac 0V dc E1 + - Generatore di tensione controllato in Tensione + - E F1 Generatore indipendente di Tensione alternata Generatore di corrente controllato in Corrente F G1 Generatore di corrente controllato in Tensione + - G I1 I2 H1 Generatore di tensione controllato in Corrente + - H E2 Generatore indipendente di Corrente alternata + - + - EP OLY Generarore di tensione controllato in tensione con legame non lineare di tipo polinomiale V 1A ac 0A dc Generatore indipendente di Corrente continua 0 Riferimento di massa Marker D1 L1 10 uH C1 1n R1 1k R2 1k Induttore D2 1 Q1 2 Diodi Q2 Transistor bipolari Condensatore M1 M1 Transistor Mosfet Resistore Resistore var. J1 J2 Transistor ad effetto di campo Definire un circuito elettrico In/out file Directory Pannello libreria Log. file Edit schema Analisi possibili con Spice • DC Operating Point • AC Analysis • Transient Analysis • DC Sweep • Temperature Sweep • Fourier Analysis • Parameter Sweep • Monte Carlo simulations DC Operating Point AC Analysis Transient Analysis Transient Analysis DC Sweep Temperature sweep 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) + + Vin - Vout - Vo*cos(w*t-f) 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 Vo*exp(-jf) Parte reale 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 R • Zeq = R + 1/jwC 1/jwC Impedenze • Impedenza parallelo R 1/jwC • Zeq = (1/R + jwC)-1 Impedenze • Si possono applicare anche teoremi importanti come il teorema di Thevenin e il teorema di Norton. Z1 Veq Z3 V Z2 Zeq Impedenze • La rappresentazione delle impedenze sul piano complesso diventa Parte immaginaria jwL R Parte reale 1/jwC Progetto di un buffer, classe a b R9 20 R1 R10 20 Q2N3906 54K IC=4mA Q2N3906 Q8 Q9 Q4 Q6 R4 10V V3 1k 100u Q2N3904 4v4 R7 40k I Q2N3906 D02BZ2_7 V2 Q2N3906 1Vac 0Vdc R2 60K V4 VOFF = 0 VAMPL = 100mv FREQ = 100k 0 C3 100u D1 I V1 V1 = 0 V2 = 100mv TD = 100ns TR = 20ns TF = 20ns PW = 100us PER = 1 Q3 C2 Q7 R3 250 Q5 PARAMETERS: Cv ar = 10p Studio della polarizzazione, banda passante e risposta a gradino. R6 I 50 Misura delle correnti di uscita. 4.0mA 0A -4.0mA 0s IE(Q4) 5us IC(Q5) 10us -I(R6) 15us 20us Time polarizzazione dei BJT di uscita. 25us 30us 35us Risposta del buffer 2.0V 1.0V 0V -1.0V 0s V(C3:2) 4us V(C2:1) 8us 12us 16us V(R3:2) Time Visualizzazione delle forme d’onda d’uscita e d’ingresso con stimolo a gradino. 20us Studio della banda passante 500mV 250mV SEL>> 0V M(V(out)) 100d 0d -100d 10Hz 100Hz P(V(out)) 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz Frequency Nella slide è rappresentato il comportamento del modulo e della fase. 10MHz 100MHz Realizzazione del PCB Realizzazione del PCB • Assegnazione dei footprint • Studio delle dimensioni • Importazione dei componenti in modo automatico a PCB layout • Studio della disposizione dei componenti ottimizzando capacità e induttanze di perdita • Connessioni tramite piste dei nodi Realizzazione del PCB CONCLUSIONI • Durante questa esperienza formativa, abbiamo analizzato il comportamento di alcuni circuiti elettronici, tramite un simulatore virtuale: “SPICE” e realizzato il progetto di un buffer. L’ obbiettivo principale: • nonostante il poco tempo a disposizione e vista la difficolta’ e vastita’ degli argomenti presentati, rimaneva quello di stimolare la nostra curiosita’ per prendere coscienza della complessita’ del meraviglioso mondo della progettazione elettronica. • Grazie alle dispenze che ci sono state fornite, abbiamo potuto affrontare al meglio tutte le problematiche che si sono presentate durante la progettazione. • Nel tentativo di conseguire questo ambizioso traguardo si e’ voluto aumentare la voglia di comprendere meglio la tecnologia elettronica che ci circonda. RINGRAZIAMENTI • tutta l’organizzazione del SIS-Divulgazione, per l’efficienza dell’ organizzazione e accoglienza; • i nostri tutors G.Corradi, D.Tagnani, M.Bazzi; • i nostri professori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage; • Il Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN per la sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsi