Diapositiva 1 - INFN-LNF

Simulazione elettronica analogica con
Spice e progettazione di un Layout
Sara Felici, Saverio Salvagno, Alessio Paoletti,
Alessandro Sbardella, Simone Leva, Luca
Gerardi, Cristiano Succi, Fabio Guerrieri, Sonny
Di Veronica, Alessandro Monti, Ivan Gentili,
Patrizio Caciotosto, Edimir Leitao, Valerio
Maria Valente, Nabeel Haris, Riccardo Ludovisi,
Massimiliano Ciufo, Tiziano Di Domenico, Luca
Scannella, Emanuele Sgherza, Fabrizio Lo
Verde
Stage elettronica 2009



Caratteristiche generali del simulatore
Tipologie di analisi possibili con Spice:
 DC Operating Point
 AC Analysis
 Transient Analysis
 Temperature Sweep
 DC Sweep
 Parameter Sweep
Progetto finale:
 Amplificatore
controreazionato
Stage elettronica 2009
I programmi di simulazione circuitale
costituiscono uno strumento di estrema
utilità per chi si occupa di progettazione di
circuiti elettronici
 Essi rendono semplici 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 2009
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 dei
elementi non lineari (es: diodi, transistor,
MOS);
 Per determinare le condizioni iniziali degli
elementi reattivi nel dominio del tempo;

Stage elettronica 2009
Stage elettronica 2009
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)
 La sorgente genera un segnale sinusoidale la
cui frequenza varia in un range definito dal
progettista.

Stage elettronica 2009
Vin
R1
200R
V8
1
R2
100R
V7
1
R3
50R
V6
1
R4
25R
V5
1
V1
1Vac
0Vdc
L1
10mH
Stage elettronica 2009
L3
10mH
L4
10mH
2
2
2
2
V1
V2
V3
V4
C1
1u
0
L2
10mH
C2
1u
C3
1u
C4
1u

In questo grafico si può
notare come all’
aumentare della
resistenza di dumping la
tensione ai capi del
condensatore
diminuisce, senza avere
effetti sulla frequenza
di risonanza del
circuito.
5.0V
4.0V
3.0V
2.0V
1.0V
0V
100Hz
V(V1)
V(V2)
300Hz
V(V3) V(V4)
1.0KHz
Frequency
Stage elettronica 2009
3.0KHz
10KHz


Misurando la tensione
tra l’induttore e il
condensatore si può
vedere come al variare
della resistenza di
dumping corrisponda
una variazione della
banda di frequenze
eliminate dal circuito.
Al diminuire della
resistenza aumenta la
selettività del filtro.
1.0V
0.8V
0.6V
0.4V
0.2V
0V
100Hz
V(V8)
V(V7)
300Hz
V(V6) V(V5)
1.0KHz
Frequency
Stage elettronica 2009
3.0KHz
10KHz

Nel grafico è
rappresentato
l’andamento della
fase. Alle basse
frequenze il circuito
ha una reattanza
capacitiva, alla
frequenza di
risonanza è
puramente resistiva
e alle alte frequenze
induttiva.
100d
50d
0d
-50d
-100d
100Hz
300Hz
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
P(V(V8))- P(V(Vin)) P(V(V7))- P(V(Vin)) P(V(V6))- P(V(Vin)) P(V(V5))- P(V(Vin))
Frequency
Stage elettronica 2009
Vin
R4
25R
V5
1
V1
1Vac
0Vdc
L4
10mH
2
V4
C4
1u
0
Stage elettronica 2009

La reattanza
capacitiva è
XC=1/ωC, quindi
ha un
andamento
esponenziale
(caratteristica
verde).

1.6K
1.2K
0.8K
0.4K
0
0Hz
Stage elettronica 2009
1.0KHz
M(V(V4))/ M(I(C4))
2.0KHz
3.0KHz
M(V(V5)-V(V4))/ M(I(L4))
Frequency
4.0KHz
5.0KHz
6.0KHz
La reattanza
induttiva è
XL=ωL, quindi
presenterà un
andamento
lineare
(caratteristica
rossa).


Questa analisi elabora la risposta nel dominio
del tempo del circuito
Permette quindi di valutare il comportamento
di un circuito elettrico, come lo si farebbe
con uno oscilloscopio su un circuito reale
Stage elettronica 2009
C2
VoutCR
1n
R1
Vin
VoutRC
R2
1k
{Rv al}
1Vac
0Vdc
V1 = 0
V2 = 1
TD = 1n
TR = 1n
TF = 1n
PW = 10u
PER = 1
V1
C1
1n
V2
0
Stage elettronica 2009
1.0V

0.5V

0V
0s
1.0us
2.0us
V(VoutRC)
V(VoutCR)
3.0us
4.0us
Time
Stage elettronica 2009
5.0us
6.0us
7.0us
Il circuito CR ha un
comportamento di tipo
derivatore (verde) e
l’uscita sente le
variazioni veloci del
segnale di ingresso.
Il circuito RC ha un
comportamento
integratore (rossa) e
l’uscita segue l’ingresso
in ritardo.


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 2009
D1
out
D1N4148
V1
0Vdc
0
Stage elettronica 2009

Variando la
temperatura si
ottengono diverse
caratteristiche del
diodo, perché la
tensione sulla giunzione
diminuisce di 2.2mV per
grado centigrado.
Stage elettronica 2009


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.
Stage elettronica 2009
200mA
D1
out
D1N4148
150mA
V1
0Vdc
100mA
50mA
0
0A
0.4V
I(D1)
0.5V
0.6V
0.7V
0.8V
1.0V
0.9V
V_V1
Stage elettronica 2009
1.1V
1.2V
1.3V
1.4V
1.5V
Questo tipo di analisi permette di variare
le sorgenti di tensione e corrente, modelli,
parametri globali e temperature di un
circuito elettronico.

I parametri del tipo di analisi si cambiano
nel pannello di controllo “Simulations profile”

Stage elettronica 2009
C2
VoutCR
1n
R1
Vin
VoutRC
R2
1k
{Rv al}
1Vac
0Vdc
V1 = 0
V2 = 1
TD = 1n
TR = 1n
TF = 1n
PW = 10u
PER = 1
V1
C1
1n
V2
0
Stage elettronica 2009

Stage elettronica 2009
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, e
definisce il tempo che
impiega il condensatore
a caricarsi al 63% della
tensione finale. Il
completo caricamento
del condensatore
avviene praticamente
dopo 5τ.
VCC
VCC
V5
R2
1k8
10V
Q2
0
Q2N3904
C2
c
out
Q1
1u
in
Q2N3904
I2
-100u
0Adc
0
I1 = 0
I2 = -100u
TD = 10n
TR = 5n
TF = 5n
PW = 100n
PER = 1
C1
1u
I1
0
R5
0
0
1k8
R4
680R
0
Stage elettronica 2009
R6
1Meg
R3
3k3
 Il guadagno in banda
e’ uguale al valore
della resistenza di
reazione R4, in cui la
tensione in uscita e’
legata al prodotto
della resistenza R4
per la corrente in
ingresso, con uno
sfasamento di 180°
 La frequenza di taglio
inferiore dipende dai
condensatori C1,C2.
Stage elettronica 2009
 La risposta al
gradino di corrente
evidenzia il guadagno
dell’amplificatore,
nonché lo sfasamento
di 180°
 Lo slew-rate del
segnale in uscita e’
limitato dalla banda
dell’amplificatore.
Esso dipende dal polo
dominante
equivalente.
Stage elettronica 2009
Stage elettronica 2009
Stage elettronica 2009
Stage elettronica 2009

All’ organizzazione del SIS-Divulgazione, per
l’efficienza dell’ organizzazione e l’ accoglienza;

Al Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN
per la sua disponibilità allo svolgimento dei corsi;

Ai nostri professori per essersi impegnati nella
realizzazione dello stage.
Stage elettronica 2009
Giovanni Corradi
Claudio Paglia
Stage elettronica 2009