ESERCIZIO DC1
Si valutino manualmente ed in simulazione le tensioni e le correnti nel circuito a
singolo diodo in figura 1.
Figura 1
Successivamente si confrontino i risultati, giustificando lo scostamento dei risultati
carta e penna rispetto alle simulazioni, sulla base delle approssimazioni introdotte.
ANALISI CARTA E PENNA:
Le incognite sono la tensione VD1 e la corrente ID1 del diodo D1. Per
semplificare l’analisi circuitale, il diodo viene schematizzato con un bipolo lineare
la cui caratteristica dipende dalla regione di funzionamento:
polarizzazione diretta generatore di tensione costante pari a Von0.7 V
polarizzazione inversa circuito aperto (si trascura la debole corrente
inversa di saturazione)
Si noti che, a seconda del circuito considerato, potrebbe essere necessario
considerare un modello del diodo più accurato, e quindi più complesso. Nella
risoluzione di un qualunque circuito è necessario individuare un livello di
approssimazione opportuno per la descrizione dei dispositivi, in modo da ottenere
risultati vicini alla realtà senza complicare inutilmente l’analisi carta e penna. Nel
caso specifico, considerare la dipendenza della tensione dalla corrente del diodo in
polarizzazione diretta è chiaramente superfluo, in quanto nella maglia il generatore
VCC ha una tensione decisamente maggiore della possibile variazione di VD1
(poche centinaia di mV). Analogamente, nel caso in cui il diodo lavorasse in
polarizzazione inversa, l’effetto della corrente inversa di saturazione IS sarebbe
decisamente trascurabile, in termini di caduta di tensione su R1 in quanto questa è
dell’ordine delle decine di k.
Una volta stabilito il modello del diodo, il circuito è immediatamente risolto
dopo che si sia stabilito in quale regione lavori il diodo. Essendo il catodo di D1
connesso al potenziale minore disponibile (in questo caso la massa), deduciamo
intuitivamente che il diodo dovrebbe essere polarizzato direttamente. Pertanto,
assumiamo D1 in polarizzazione diretta, e quindi sostituiamo a D1 un generatore di
tensione Von0.7 V. Pertanto si ottiene VD1=0.7 V, mentre la corrente ID1 (che è
uguale a quella che circola in R1, fornita dal generatore VCC) si calcola scrivendo
l’equazione alla maglia:
VCC=Von+R1IR1= Von+R1ID1
ID1=(VCC-Von)/R1=0.43 mA
Il valore di corrente del diodo è positivo rispetto alla convenzione adottata, cioè
corrente entrante nell’anodo ed uscente dal catodo, pertanto è compatibile con
l’ipotesi iniziale di funzionamento in polarizzazione diretta, e la soluzione trovata è
corretta.
Un metodo alternativo di risoluzione è quello di supporre per assurdo che il
diodo lavori in polarizzazione inversa, e di verificare quindi che la tensione del
diodo sia positiva (in questo caso pari a VCC, dato che la caduta sulla resistenza
sarebbe stata nulla), il che conduce ad un assurdo. A questo punto, avendo scartato
il funzionamento in polarizzazione inversa, si dovrebbe supporre quello in
polarizzazione diretta e svolgere i calcoli prima effettuati.
È evidente che sia più efficiente individuare sin dall’inizio la corretta regione di
funzionamento del diodo, in modo che la risoluzione del circuito conduca
direttamente alla soluzione corretta. La scelta della corretta regione richiede una
certa sensibilità nell’analisi circuitale, che si acquisisce con l’esercizio. È quindi
opportuno esercitarsi in tal senso, cercando di individuare velocemente la regione
di funzionamento dei dispositivi di un gran numero di circuiti. Inoltre, per acquisire
familiarità con l’analisi dei circuiti a diodi, è consigliabile applicare entrambi i
ragionamenti anche agli esercizi successivi, benchè inutile ai fini della loro
risoluzione.
SIMULAZIONE DEL CIRCUITO CON PSPICE
1. DISEGNO DEL CIRCUITO
Avviare il programma di disegno: Start-> PPpice Student->Schematics per ottenere la
seguente schermata:
INSERIMENTO DI UN COMPONENTE
Lo schema del circuito da simulare è riportato in figura 1, ed è stato disegnato con lo
schematic editor appena avviato; disponiamo i componenti del circuito sul foglio di
lavoro a partire dalla resistenza R1. Digitiamo R, il nome di libreria del simbolo
grafico corrispondente alla resistenza (part name) nella finestra di testo della barra
menu in figura.
Il simbolo della resistenza adesso è "attaccato" al cursore e può essere spostato in
qualunque parte del foglio, per fissare il simbolo, cliccare una volta sul pulsante
sinistro del mouse. Ogni volta che premete il pulsante del sinistro del mouse, viene
inserito un simbolo, per terminare l'inserzione, premere una volta sul pulsante destro
del mouse.
La figura illustra il nome delle etichette che appaiono vicino al simbolo.
Effettuare la stessa sequenza di operazioni per inserire il simbolo del diodo, part name
Dbreak, il simbolo della sorgente di F.E.M. continua ideale, part name VDC, ed il
simbolo del nodo di massa, part name AGND. Poiché SPICE usa il metodo dei nodi
per trasformare il circuito in un sistema di equazioni, almeno un simbolo del nodo di
massa deve essere presente in tutti i circuiti.
Una volta posizionati i componenti sul foglio, questi possono venire selezionati
puntando la freccia del mouse sul corpo del componente e premendo una volta il
pulsante sinistro. Il componente selezionato diventa rosso ed è possibile effettuare una
serie di operazioni:
- cambiare la sua posizione puntandolo con il mouse e tenendo premuto il
pulsante destro
- ruotarlo, cancellarlo,copiarlo,etc. selezionando una delle voci del menu Edit
con il mouse oppure digitando le sequenze di tasti corrispondenti.
A ciascun simbolo grafico sono associati degli attributi, la lista completa è visibile
selezionando il componente e premendo due volte in rapida successione il pulsante
sinistro del mouse (doppio click), oppure selezionando il menu EDIT->ATTRIBUTES
con il mouse.
Esempio di lista degli attributi associati al simbolo del resistore.
Solo il valore degli
attributi
contrassegnati
dall'asterisco può
essere modificato a
questo livello.
Selezionando con il
mouse il nome di un
attributo è possibile
modificarne il valore
oppure decidere se il
nome e/o il valore debba essere visibile o meno a livello di schema (change display).
Gli attributi REFDES e VALUE sono editabili ed il loro valore è sempre visibile sullo
schema. Quando il valore di un attributo è visibile nello schema, se possibile, si può
modificare semplicemente cliccando due volte sulla etichetta corrispondente ed
inserendo il valore nella finestra.
.
Quando il valore di un attributo rappresenta il
valore di una grandezza elettrica si intende
espresso nelle unità corrispondenti del Sistema
Metrico Internazionale. Per esempio, nel caso
di un resistore, l'attributo VALUE = 500 indica
una resistenza di 500 . Si possono usare
anche i simboli letterali per indicare multipli e
sottomultipli delle unità di misura, secondo la
seguente tabella (è indifferente l'uso di
maiuscole o minuscole):
Sottomultipli:
m=10-3, u=10-6, n= 10-9, p=10 -12
Multipli:
k=103, meg=106, g=109
Sempre nel caso di un resistore VALUE = 5meg significa 5000000. Ricordarsi che
per SPICE il punto (.) è il separatore decimale.
L' attributo REFDES viene impostato automaticamente all'atto dell'inserimento di un
componente per la prima volta, e se modificato bisogna fare attenzione a non attribuire
lo stesso valore a due componenti diversi.
Per la resistenza R1 impostare l'attributo VALUE = 10k, per il generatore l'attributo
DC=5
COLLEGAMENTO DEI COMPONENTI
Dalla barra menu, selezionare DRAW->WIRE, il cursore del mouse si trasforma in
matita e spostandolo, tenendo premuto il pulsante sinistro, fra i terminali di due
componenti si inserisce un nodo, rappresentato nel disegno da una linea continua.
E' possibile associare un'etichetta a ciascun nodo del circuito; con il cursore del mouse
a freccia, cliccare due volte rapidamente sulla linea che rappresenta il nodo in
questione, appare la finestra
nella quale inserire il nome dell'etichetta (label).
Assegnare un nome ad un nodo può facilitare la
ricerca di errori, nel caso che la procedura di
simulazione non vada a buon fine.
2. SIMULAZIONE
I tipi fondamentali di simulazione sono tre:
1- SIMULAZIONE DC (punto di lavoro): è un'analisi di tipo non lineare, il
simulatore descrive il circuito come un sistema di equazioni non lineari indipendenti
dal tempo. Tutti i generatori indipendenti di corrente e di tensione sono considerati
come generatori in DC, ed il valore della grandezza generata è quello espresso
dall'attributo DC.Il comportamenteo dei componenti non lineari come il diodo, è
rappresentato con un insieme di equazioni non lineari parametriche che costituiscono il
modello del dispositivo. Essendo il circuito non lineare, non è assolutamente detto che
l'algoritmo di calcolo del simulatore riesca sempre a convergere ad una soluzione
accettabile dando luogo ad un errore di convergenza.
2- SIMULAZIONE AC: è analisi di tipo lineare fasoriale, il simulatore effettua
un'analisi DC dalla quale ricava il punto di lavoro del circuito che gli permette di
linearizzare il comportamento dei dispositivi non lineari rispetto alle variazioni
infinitesime delle grandezze del circuito attorno al punto di lavoro (regime di piccoli
segnali).Il modello lineare del circuito così ricavato viene studiato nell'ipotesi di
regime sinusoidale permanente nel dominio della frequenza. Ciascun generatore di
corrente o di tensione è interpretato dal simulatore come generatore di fasore, la cui
ampiezza è espressa dall'attributo AC. con questo tipo di analisi si ottengono dei
risultati che hanno un senso fisico solo nell'ipotesi di piccoli segnali e di regime
permanente.
3- SIMULAZIONE TRAN: è analisi non lineare dipendente dal tempo e per poterla
effettuare è necessario eccitare il circuito con un generatore di grandezze variabili nel
tempo, altrimenti il risultato è identico a quello ottenibile con la simulazione DC.
Come per la simulazione DC, non è detto che il simulatore converga sempre ad una
soluzione.
CONFIGURAZIONE DEL SIMULATORE
Dalla barra menù dello schematic editor selezionando analysis->setup si apre la
finestra che permette di controllare il comportamento del simulatore:
Per effettuare solo l'analisi DC non è necessario modificare le impostazioni
predefinite, infatti il simulatore esegue sempre come prima cosa questo tipo di analisi,
semplicemente perché il risultato è il punto di partenza dell'analisi AC e TRAN.
MODELLIZZAZIONE DEI DISPOSITIVI ELETTRONICI
Per una introduzione generale sull' argomento si consiglia di leggere il capitolo 4 a
pag. 128 del manuale "Orcad Pspice A/D User's guide", di seguito sono riassunti e
brevemente descritti i parametri più importanti del diodo a semiconduttore.
SINTESI PARAMETRI DEL MODELLO DEL DIODO:
Nome in Spice
Significato del parametro
Unità
IS
Corrente di saturazione
inversa
Resistenza di massa
Coefficiente di emissione
Tempo di transito
Capacità di giunzione in
condizioni
di
tensione
applicata nulla
Energia di attivazione
Coefficiente di graduazione
drogaggio
Potenziale di giunzione
Coefficiente di temperatura
della corrente di sat.
Tensione di breakdown
inversa
Corrente di breakdown
inversa
A
Valore
default
1X10-15
Sec
F
0
1
0
0
eV
-
1.11(Si)
0.5
V
-
0.6
3
V
A
1X10-10
RS
N
TT
CJO
EG
M
VJ
XTI
BV
IBV
Il comportamento in DC del diodo è governato dai parametri IS ed N, la resistenza RS
tiene conto della resistenza serie del diodo .
Gli effetti dell'accumulo di carica (risposta dinamica del diodo) sono modellati dal
tempo di transito TT a da una capacità di svuotamento non lineare,controllata dai
parametri CJ, VJ,M ed FC
.La dipendenza dalla temperatura della corrente di saturazione inversa è definita dai
parametri FG ed XTI.
IL fenomeno del breakdown è modellato da un esponenziale controllato dai parametri
BV ed IBV.
Per vedere a quale modello si riferisce il simbolo del diodo nello schema, selezionarlo
con il mouse e poi selezionare Edit->Model, appare la finestra:
Leggiamo che il nome del modello a cui si fa riferimento è Dbreak, abbiamo la
possibilità di modificare il riferimento opppure i parametri associati al modello
Dbreak. Scegliamo quest'ultima strada selezionando Edit Istance Model (Text),
appare la finestra:
Leggendo in alto a sinistra sappiamo che il nome del modello è Dbreak ed è stato
copiato dalla libreria contenuta nel file breakout.lib, mentre leggendo in alto a destra
apprendiamo che se facciamo delle modifiche alla definizione del modello, queste
verranno salvate nel file di libreria C:\documenti\santina\dc1.lib.
Un file di libreria dei modelli è un file ASCII che può essere modificato con un editor
di testi qualsiasi e comprende generalmente la definizione di più modelli oppure il
riferimento ad altre librerie. Quando ci riferiamo al nome di un modello, lo schematic
editor deve sapere in quali file di libreria per cercare la sua definizione; per istruire lo
schematic editor su dove cercare le definizioni dei modelli selezionare analysis>library and include files per aprire la finestra:
Il file di libreria nom.lib fa parte delle configurazione di base dello schematic editor e
contiene il riferimento alle librerie eval.lib e breakout.lib.
Per aggiungere un file di libreria che contiene la definizione di modelli particolari
condultare la speciale sezione dell'ipertesto.
AVVIO SIMULAZIONE
Adesso che abbiamo definito il comportamento del diodo possiamo avviare il
simulatore selezionando Analysis->simulate. Se non ci sono errori, si apre la finestra:
Qui., nel caso sia stata impostata una simulazione AC o TRAN, è rappresentato in
forma grafica l'andamento di una tensione o corrente in funzione del tempo (TRAN) o
della frequenza(AC).Avendo effettuato soltanto la simulazione DC, l'area del grafico è
vuota e per vedere le grandezze elettriche del circuito calcolate dal simulatore
selezionare nello schematic editor il menù analisys->display results on schematic>enable voltage display/enable current display.
I risultati della simulazione sono rappresentati sullo schema con delle etichette, verdi
per le tensioni, blu per le correnti
Per precisare a quale nodo si riferisce la tensione espressa da un etichetta verde, basta
selezionarla con il mouse ed automaticamente appare un collegamento grafico con il
rispettivo nodo. La stessa cosa vale per le etichette di corrente, in questo caso è
specificato con una freccia rossa anche il verso convenzionalmente positivo della
corrente.
Per concludere l'esercizio, provate a ripetere la simulazione sullo stesso circuito dopo
avere cambiato il valore del parametro IS del modello del diodo: IS=10-6.
Riflettere sulle variazioni rispetto ai risultati precedenti ed a quelli calcolati con il
metodo "carta e penna".
