Attività sperimentale 2010
Elettronica
Simulazione elettronica analogica
con Spice e progettazione di un
Layout
Studenti partecipanti:
Angelini Manuel, Bertolami Matteo, Chiarolla
Massimo, Cioli Edoardo, Cosmin Damian Paul,
Di Rocco Leonardo, Duca Eugeniu, Florese
Leonardo, Fortini Alessio, Girardi Andrea, Introna
Alessio, Ippoliti Marco, Daniele Mancori, Lorenzo
Marinelli, Palma Giorgio, Tata Francesco, Tulli
Matteo.
Stage elettronica 2010
Indice:
Funzioni 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 audio
Stage elettronica 2010
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 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 2010
DC operating 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 dei
elementi non lineari (es: diodi, transistor,
MOS);
Per determinare le condizioni iniziali degli
elementi reattivi nel dominio del tempo;
Stage elettronica 2010
DC operating point
Stage elettronica 2010
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)
La sorgente genera un segnale sinusoidale la
cui frequenza varia in un range definito dal
progettista.
Stage elettronica 2010
AC analysis
Vin
R1
200R
V8
1
R2
100R
V7
1
R3
50R
V6
1
R4
25R
V5
1
V1
1Vac
0Vdc
L1
10mH
Stage elettronica 2010
L3
10mH
L4
10mH
2
2
2
2
V1
V2
V3
V4
C1
1u
0
L2
10mH
C2
1u
C3
1u
C4
1u
AC analysis
In questo grafico si
può notare come all’
aumentare della
resistenza di damping
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 2010
3.0KHz
10KHz
AC analysis
Vin
R4
25R
V5
1
V1
1Vac
0Vdc
L4
10mH
2
V4
C4
1u
0
Stage elettronica 2010
AC analysis
La reattanza
capacitiva è
XC=1/ωC,
quindi ha un
andamento
esponenziale
(caratteristica
verde).
Frisonanza =
1/2π√LC
Stage elettronica 2010
1.6K
La reattanza
induttiva è
XL=ωL,
quindi
presenterà un
andamento
lineare
(caratteristica
rossa).
1.2K
0.8K
0.4K
0
0Hz
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
Transient analysis
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 2010
Transient analysis
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 2010
Transient analysis
Stage elettronica 2010
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
Stage elettronica 2010
Temperature sweep
(curve caratteristiche diodo)
D1
out
D1N4148
V1
0Vdc
0
Stage elettronica 2010
Temperature sweep
(curve caratteristiche diodo)
Variando la
temperatura si
ottengono diverse
caratteristiche del
diodo, perché la
tensione sulla
giunzione diminuisce di
2.2mV per grado
centigrado.
Stage elettronica 2010
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.
Stage elettronica 2010
DC sweep
200mA
D1
out
D1N4148
V1
150mA
0Vdc
100mA
0
50mA
0A
0.4V
I(D1)
Stage elettronica 2010
0.5V
0.6V
0.7V
0.8V
0.9V
1.0V
V_V1
1.1V
1.2V
1.3V
1.4V
1.5V
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 del tipo di analisi si
cambiano nel pannello di controllo
“Simulations profile”
Stage elettronica 2010
Parameter sweep
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 2010
Parameter sweep
Stage elettronica 2010
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.
Progetto:
Amplificatore audio
Buffer classe B
Preamplificatore
alto guadagno
Retroazione
Stage elettronica 2010
Progetto:
Amplificatore audio (modulo)
Il guadagno in banda e’
uguale al rapporto delle
resistenze di reazione
R10/R6
La frequenza di taglio
inferiore dipende dai
condensatori C2,C4.
La frequenza di taglio
superiore dipende dalla
capacita` parassita, Cbc, del
transistor Q7
Stage elettronica 2010
Progetto:
Amplificatore audio (fase)
La curva della fase mostra,
in banda, uno sfasamento di
180˚ tra ingresso e uscita
Stage elettronica 2010
Progetto:
Amplificatore audio
La risposta al gradino
di tensione 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 2010
Progetto:
Amplificatore audio
La risposta al segnale
sinusoidale evidenzia il
guadagno
dell’amplificatore,
nonché lo sfasamento di
180° tra l’ingresso e
l’uscita e la bassa
distorsione introdotta
Stage elettronica 2010
Realizzazione del layout
Stage elettronica 2010
Riconoscimenti
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 2010
TUTORI
Giovanni Corradi
Riccardo D’Angelo
Claudio Paglia
Stage elettronica 2010
