Diapositiva 1 - INFN-LNF

Attività sperimentale 2011
Elettronica
Simulazione elettronica analogica con
Spice e progettazione di un Layout
Indice:
•
Funzioni generali del simulatore
•
Tipologie di analisi possibili con Spice:
•

DC Operating point

AC Analysis

Transient Analysis

Temperature Sweep

DC Sweep

Parameter Sweep

Studio di un Alimentatore switching
Progetto finale:

Alimentatore Switching
Stage elettronica 2011
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
Stage elettronica 2011
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 degli
elementi non lineari (es: diodi, transistor, MOS);
 Per determinare le condizioni iniziali degli
elementi reattivi nel dominio del tempo.
Stage elettronica 2011
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.
Stage elettronica 2011
AC analysis
Analisi in frequenza di un passa-basso e passa-alto
Comportamento del modulo e della fase
Verifica risposta teorica tramite SPICE
Stage elettronica 2011
AC analysis
Vin
R1
200R
V8
1
R2
100R
V7
1
R3
50R
V6
1
R4
25R
V5
1
V1
1Vac
0Vdc
L1
10mH
L2
10mH
L3
10mH
L4
10mH
2
2
2
2
V1
V2
V3
V4
C1
1u
C2
1u
C3
1u
C4
1u
0
Simulazione di un circuito risonante serie
Andamento del Q e del coefficiente di smorzamento
Stage elettronica 2011
AC analysis
Nel grafico si
osserva
l’andamento della
tensione in uscita,
funzione della
resistenza di
damping.
Stage elettronica 2011
AC analysis
Vin
R4
25R
V5
1
V1
1Vac
0Vdc
L4
10mH
2
V4
C4
1u
0
Misura dell’impedenza induttiva e capacitiva
ZL = jωL ZC = -j/ωC
Stage elettronica 2011
AC analysis
 Verifica della condizione di risonanza serie
 Frisonanza =
 Verifica della fase in risonanza
Stage elettronica 2011
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.
Stage elettronica 2011
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
Studio della risposta al gradino di un RC-CR
Si osserva che:
il comportamento di un RC è opposto al CR
Stage elettronica 2011
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 2011
Temperature sweep
D1
out
D1N4148
V1
0Vdc
0
 Variando la temperatura si ottengono diverse
caratteristiche del diodo, infatti la tensione di giunzione,
diminuisce di 2.2mV per grado centigrado.
Stage elettronica 2011
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.
Stage elettronica 2011
DC sweep
200mA
D1
out
D1N4148
150mA
V1
0Vdc
100mA
50mA
0
0A
0.4V
I(D1)
0.5V
0.6V
0.7V
0.8V
0.9V
1.0V
1.1V
1.2V
1.3V
V_V1
Da notare:
L’andamento della corrente esponenziale e la
tensione di accensione 0.6 Volt.
Stage elettronica 2011
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 si cambiano nel pannello di
controllo “Simulation profile”.
Stage elettronica 2011
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 2011
Parameter sweep
 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, definendo il tempo che
impiega il condensatore a
caricarsi al 63% della
tensione finale.
 Il completo caricamento del
condensatore avviene
praticamente dopo 5 τ.
Stage elettronica 2011
Regolatori Lineari
 I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC
 I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore,
(BJT,MOSFET) in zona lineare
 Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita, con un
reference di tensione
 Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per adeguarsi
alle variazioni di carico e di ingresso
Stage elettronica 2011
Regolatori Switching
Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttore. La relazione
V : L = Δi : Δt
mette in relazione le grandezze sull’induttanza.
La proporzionalità tra tensione e variazione di corrente è lineare.
Una tensione costante sull’induttanza, produce una variazione lineare
di corrente.
Stage elettronica 2011
Regolatori Switching
 I regolatori switching impiegano un elemento attivo, funzionante tra
l’interdizione e la saturazione
 Un elemento reattivo (un induttore) immagazzina l’energia che viene
poi ceduta al carico
 Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a valori
accettabili

Una rete di controreazione confronta l’uscita con un reference di
tensione, adeguando l’energia immagazzinata nell’induttore, alle
mutevoli condizioni di carico e di ingresso
Stage elettronica 2011
Progetto: Switching
Interruttore
Volano
Oscillatore onda quadra
Stage elettronica 2011
Switching: simulazione funzionale
Andamento della tensione di uscita, sovrapposto al
ripple.
Da osservare il transiente all’istante dell’accensione.
Stage elettronica 2011
Switching: simulazione funzionale
Da notare che la corrente nell’induttore ha un
andamento a rampa, mentre la tensione ai suoi
capi è di tipo rettangolare
Stage elettronica 2011
Switching: Ripple di uscita
Si è valutato il ripple di uscita, al variare degli
elementi di carico.
Si è constatato che il ripple è solo funzione delle
perdite dell’anello di carico costituito dal diodo,
dall’induttore e dalla capacità filtro.
Stage elettronica 2011
Realizzazione del layout
Layer TOP
Stage elettronica 2011
Layer BOTTOM
Studenti partecipanti:
Abbafati Simone, Cardinali Daniele, Cerino
Alessandro, D' Anna Fabrizio, Dionisi Andrea,
Fernandes Eugenio, Gatto Davide, Gervasoni
Massimiliano, Manus Marco, Nura Muhammad Atif,
Reali
Roberto,
Rosata
Lorenzo,
Salvucci
Alessandro, Santinello Damiano, Scaramuzza Igor,
Schiavoni Cristiano, Terenzi Marco.
Stage elettronica 2011
Riconoscimenti
 All’ organizzazione del SIS-Divulgazione, per
l’efficienza dell’ organizzazione e l’ accoglienza;
 Al Professore Umberto Dosselli Direttore
dell’INFN per la sua disponibilità allo svolgimento
dei corsi;
 Ai nostri professori per essersi impegnati nella
realizzazione dello stage.
Stage elettronica 2011
TUTORI
Giovanni Corradi
Claudio Paglia
Stage elettronica 2011