CORSO DI SIMULAZIONECORSO DI SIMULAZIONEELETTRONICAELETTRONICA

Studenti: Studenti:

Riccardo Arduini, Andrea Crea, Marco Riccardo Arduini, Andrea Crea, Marco Dina, Francesco Fondi, Flavio Giorgianni, Dina, Francesco Fondi, Flavio Giorgianni,

Giorgio Grilli, Matteo Lanni, Matteo Giorgio Grilli, Matteo Lanni, Matteo Mancini, Noemi Marinelli, Daniele Mancini, Noemi Marinelli, Daniele

Pecchia, Gianluca Prosperi, Michele Pecchia, Gianluca Prosperi, Michele Ricci, Adriano Rita, Alessio Staffoli, Luca Ricci, Adriano Rita, Alessio Staffoli, Luca Tagnani, Roberto Testa, Alessio Volpini, Tagnani, Roberto Testa, Alessio Volpini,

Tutors:Tutors: G. Corradi, M. Bazzi, D. G. Corradi, M. Bazzi, D. TagnaniTagnani

Stage 2006 ObiettiviStage 2006 Obiettivi• Corso di Simulazione elettronicaCorso di Simulazione elettronica

• Esercitazioni tramite il simulatore Esercitazioni tramite il simulatore PspicePspice

• Simulazione di filtri (integratori e Simulazione di filtri (integratori e derivatori),circuiti risonanti, diodi derivatori),circuiti risonanti, diodi e circuiti di polarizzazione dei e circuiti di polarizzazione dei transistor.transistor.

• Analisi termica di vari circuiti Analisi termica di vari circuiti elettronici.elettronici.

• Progetto di un buffer in classe a b Progetto di un buffer in classe a b

• Progetto di un pcbProgetto di un pcb

Definire un circuito Definire un circuito elettricoelettrico• Si possono creare modelli tramite il modellatore di SPICESi possono creare modelli tramite il modellatore di SPICE

• È possibile creare nuovi modelli di componenti tramite È possibile creare nuovi modelli di componenti tramite opportuni linguaggi “verilog” oppure il più diffuso “VHDL”opportuni linguaggi “verilog” oppure il più diffuso “VHDL”

• Disposti i componenti elettronici, devono essere collegati Disposti i componenti elettronici, devono essere collegati tra di loro come se fosse un circuito elettrico fisicotra di loro come se fosse un circuito elettrico fisico

• Si devono collegare le alimentazioni e le sorgenti di Si devono collegare le alimentazioni e le sorgenti di segnalesegnale

• È obbligatorio connettere sempre una massa di È obbligatorio connettere sempre una massa di riferimento alla quale si riferiscono tutti i generatori di riferimento alla quale si riferiscono tutti i generatori di tensione e di segnaletensione e di segnale

• Ovviamente le modalità di connessione e di inserimento Ovviamente le modalità di connessione e di inserimento dati dipendono dal tipo di versione di SPICEdati dipendono dal tipo di versione di SPICE

Definire un circuito Definire un circuito elettricoelettrico

Generatore di corrente

-+

+-

E1

E

di

Q1

Generatore di corrente

controllato in

+-

G1

G

Transistor bipolari

di

0

M1

R1

1k

Tensione

D21 2

Riferimento

indipendente

Induttore

J1

C1

1n

V11Vac0Vdc

Corrente alternata

Tensione

Condensatore

L1

10uH

Generatore

+-

H1

H

Transistor ad effettodi campo

D1

Resistore

di

R2

1k

Q2

J2

Marker

I1

tensione con legame non lineare

di

Generarore di tensione controllato in

massa

controllato in

Diodi

indipendente Corrente

Transistor Mosfet

V

F1

F

indipendente

Tensione alternata

-+

+-

E2

EPOLY

controllato in

Corrente continua

Generatore

Corrente

di tipo polinomiale

Tensione continua

controllato in

Resistorevar.

Generatore di tensione

I2

0Adc1Aac

di

Generatore Generatore di tensione

M1

indipendente

Generatore

Simboli elettriciSimboli elettrici

Definire un circuito Definire un circuito elettricoelettrico

Pannello libreria

Directory

In/out file

Log. file

Edit

schema

Analisi possibili con SpiceAnalisi possibili con Spice• DC Operating PointDC Operating Point

• AC AnalysisAC Analysis

• Transient AnalysisTransient Analysis

• DC SweepDC Sweep

• Temperature SweepTemperature Sweep

• Fourier AnalysisFourier Analysis

• Parameter SweepParameter Sweep

• Monte Carlo simulationsMonte Carlo simulations

DC Operating PointDC Operating Point

AC AnalysisAC Analysis

Transient AnalysisTransient Analysis

Transient AnalysisTransient Analysis

DC SweepDC Sweep

Temperature sweepTemperature sweep

Metodo Simbolico:Metodo Simbolico:Regime permanente Regime permanente

sinusoidalesinusoidale• Se ad una rete elettrica, qualunque essa sia, viene Se ad una rete elettrica, qualunque essa sia, viene

applicato un segnale sinusoidale con pulsazione applicato un segnale sinusoidale con pulsazione , , il segnale d’uscita dopo un periodo transitorio sarà il segnale d’uscita dopo un periodo transitorio sarà anch’esso un segnale sinusoidale con pulsazione anch’esso un segnale sinusoidale con pulsazione ..

Rete elettrica

Vin Vout

Vi*cos(*t) Vo*cos(*t-)+ +

- -

Regime permanente Regime permanente sinusoidalesinusoidale• In altri termini, l’analisi della rete elettrica può In altri termini, l’analisi della rete elettrica può

essere semplificata, passando dal dominio del essere semplificata, passando dal dominio del tempo a quello dei “tempo a quello dei “fasorifasori”.”.

• I fasori spostano l’analisi dal campo reale a quello I fasori spostano l’analisi dal campo reale a quello complesso.complesso.

• Il termine che contiene cos(Il termine che contiene cos(*t) viene ridotto *t) viene ridotto considerando solo modulo e fase.considerando solo modulo e fase.

Vi* cos(Vi* cos(*t) *t) Vi Vi

Vo*cos(Vo*cos(*t-*t-) ) Vo*exp(-j Vo*exp(-j))

Regime permanente Regime permanente sinusoidalesinusoidale• I fasori si rappresentano nel campo complesso I fasori si rappresentano nel campo complesso

(spazio a due dimensioni)(spazio a due dimensioni)

Parte reale

Parte immaginaria

Vi

Vo*exp(-jVo*exp(-j))

ImpedenzeImpedenze

• Nel dominio dei fasori R , 1/jNel dominio dei fasori R , 1/jC e jC e jL prendono il L prendono il nome di “nome di “impedenzeimpedenze”. Una generica impedenza ”. Una generica impedenza si indica con il simbolo Z.si indica con il simbolo Z.

• L’impedenza è molto simile alla resistenza nel L’impedenza è molto simile alla resistenza nel dominio del tempo poichè esprime il rapporto tra dominio del tempo poichè esprime il rapporto tra tensione e corrente.tensione e corrente.

• In caso di più componenti è possibile calcolare il In caso di più componenti è possibile calcolare il valore dell’impedenza equivalente.valore dell’impedenza equivalente.

ImpedenzeImpedenze

• Impedenza serieImpedenza serie

• Zeq = R + 1/jZeq = R + 1/jCC

R 1/jC

ImpedenzeImpedenze

• Impedenza paralleloImpedenza parallelo

• Zeq = (1/R + jZeq = (1/R + jC)C)-1-1

R

1/jC

ImpedenzeImpedenze

• Si possono applicare anche teoremi importanti Si possono applicare anche teoremi importanti come il teorema di Thevenin e il teorema di come il teorema di Thevenin e il teorema di Norton.Norton.

Z1 Z2

Z3

VZeq

Veq

ImpedenzeImpedenze

• La rappresentazione delle impedenze sul piano La rappresentazione delle impedenze sul piano complesso diventacomplesso diventa

Parte immaginaria

R

1/j1/jCC

jjLL

Parte reale

Progetto di un buffer, classe Progetto di un buffer, classe a ba b

R 1

5 4 K

R 26 0 K

D 1

D 0 2 B Z 2 _ 7

R 32 5 0

V 11 0 V

0

V 21 V a c0 V d c

V 3

TD = 1 0 0 n s

TF = 2 0 n sP W = 1 0 0 u sP E R = 1

V 1 = 0

TR = 2 0 n s

V 2 = 1 0 0 m v

R 4

1 k

PARAMETERS:C v a r = 1 0 p

V 4

F R E Q = 1 0 0 kV A M P L = 1 0 0 m vV O F F = 0

IC=4mA

4v4

C 2

1 0 0 u

Q 3

Q 4

Q 2 N 3 9 0 4

Q 5

Q 2 N 3 9 0 6

R 92 0

R 1 02 0

R 65 0

C 3

1 0 0 u

I

I I

Q 6

Q 7

Q 2 N 3 9 0 6

Q 8

Q 2 N 3 9 0 6

R 74 0 k

Q 9

Q 2 N 3 9 0 6

Studio della polarizzazione, banda passante e risposta a gradino.

Misura delle correnti di Misura delle correnti di uscita.uscita.

Time

0s 5us 10us 15us 20us 25us 30us 35usIE(Q4) IC(Q5) -I(R6)

-4.0mA

0A

4.0mA

polarizzazione dei BJT di uscita.

Risposta del buffer Risposta del buffer

Time

0s 4us 8us 12us 16us 20usV(C3:2) V(C2:1) V(R3:2)

-1.0V

0V

1.0V

2.0V

Visualizzazione delle forme d’onda d’uscita e d’ingresso con stimolo a gradino.

Studio della banda passante Studio della banda passante

Frequency

10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHzP(V(out))

-100d

0d

100dM(V(out))

0V

250mV

500mV

SEL>>

Nella slide è rappresentato il comportamento del modulo e della fase.

Realizzazione del PCBRealizzazione del PCB

• Assegnazione dei footprintAssegnazione dei footprint

• Studio delle dimensioni Studio delle dimensioni

• Importazione dei componenti in Importazione dei componenti in modo automatico a PCB layoutmodo automatico a PCB layout

• Studio della disposizione dei Studio della disposizione dei componenti ottimizzando capacità e componenti ottimizzando capacità e induttanze di perditainduttanze di perdita

• Connessioni tramite piste dei nodiConnessioni tramite piste dei nodi

Realizzazione del PCBRealizzazione del PCB

Realizzazione del PCBRealizzazione del PCB

CONCLUSIONICONCLUSIONI• Durante questa esperienza formativa, abbiamo analizzato il Durante questa esperienza formativa, abbiamo analizzato il

comportamento di alcuni circuiti elettronici, tramite un simulatore comportamento di alcuni circuiti elettronici, tramite un simulatore virtuale: “SPICE” e realizzato il progetto di un buffer.virtuale: “SPICE” e realizzato il progetto di un buffer.

L’ obbiettivo principale:L’ obbiettivo principale:

• nonostante il poco tempo a disposizione e vista la difficolta’ e nonostante il poco tempo a disposizione e vista la difficolta’ e vastita’ degli argomenti presentati, rimaneva quello di stimolare la vastita’ degli argomenti presentati, rimaneva quello di stimolare la nostra curiosita’ per prendere coscienza della complessita’ del nostra curiosita’ per prendere coscienza della complessita’ del meraviglioso mondo della progettazione elettronica.meraviglioso mondo della progettazione elettronica.

• Grazie alle dispenze che ci sono state fornite, abbiamo potuto affrontare al Grazie alle dispenze che ci sono state fornite, abbiamo potuto affrontare al meglio tutte le problematiche che si sono presentate durante la meglio tutte le problematiche che si sono presentate durante la progettazione.progettazione.

• Nel tentativo di conseguire questo ambizioso traguardo si e’ Nel tentativo di conseguire questo ambizioso traguardo si e’ voluto aumentare la voglia di comprendere meglio la tecnologia voluto aumentare la voglia di comprendere meglio la tecnologia elettronica che ci circonda. elettronica che ci circonda.

RINGRAZIAMENTIRINGRAZIAMENTI• tutta l’organizzazione del SIStutta l’organizzazione del SIS-Divulgazione-Divulgazione, per , per

l’efficienza dell’ organizzazione e accoglienza;l’efficienza dell’ organizzazione e accoglienza;

• i nostri tutors G.Corradi, D.Tagnani, M.Bazzi;i nostri tutors G.Corradi, D.Tagnani, M.Bazzi;

• i nostri professori per essersi impegnati nella i nostri professori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage;realizzazione dello stage;

• Il Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN Il Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN per la sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsiper la sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsi