CORSO DI SIMULAZIONE
ELETTRONICA
Studenti:
Riccardo Arduini, Andrea Crea, Marco Dina,
Francesco Fondi, Flavio Giorgianni, Giorgio
Grilli, Matteo Lanni, Matteo Mancini, Noemi
Marinelli, Daniele Pecchia, Gianluca Prosperi,
Michele Ricci, Adriano Rita, Alessio Staffoli,
Luca Tagnani, Roberto Testa, Alessio Volpini,
Tutors: G. Corradi, M. Bazzi, D. Tagnani
Stage 2006 Obiettivi
• Corso di Simulazione elettronica
• Esercitazioni tramite il simulatore Pspice
• Simulazione di filtri (integratori e
derivatori),circuiti risonanti, diodi e
circuiti di polarizzazione dei transistor.
• Analisi termica di vari circuiti elettronici.
• Progetto di un buffer in classe a b
• Progetto di un pcb
Definire un circuito elettrico
• Si possono creare modelli tramite il modellatore di SPICE
• È possibile creare nuovi modelli di componenti tramite
opportuni linguaggi “verilog” oppure il più diffuso “VHDL”
• Disposti i componenti elettronici, devono essere collegati tra
di loro come se fosse un circuito elettrico fisico
• Si devono collegare le alimentazioni e le sorgenti di segnale
• È obbligatorio connettere sempre una massa di riferimento
alla quale si riferiscono tutti i generatori di tensione e di
segnale
• Ovviamente le modalità di connessione e di inserimento dati
dipendono dal tipo di versione di SPICE
Definire un circuito elettrico
Simboli elettrici
Generatore
indipendente
di Tensione continua
V1
1V ac
0V dc
E1
+
-
Generatore di tensione
controllato in Tensione
+
-
E
F1
Generatore
indipendente
di Tensione alternata
Generatore di corrente
controllato in Corrente
F
G1
Generatore di corrente
controllato in Tensione
+
-
G
I1
I2
H1
Generatore di tensione
controllato in Corrente
+
-
H
E2
Generatore
indipendente
di Corrente alternata
+
-
+
-
EP OLY
Generarore di tensione controllato in
tensione con legame non lineare
di tipo polinomiale
V
1A ac
0A dc
Generatore
indipendente
di Corrente continua
0
Riferimento
di massa
Marker
D1
L1
10 uH
C1
1n
R1
1k
R2
1k
Induttore
D2
1
Q1
2
Diodi
Q2
Transistor bipolari
Condensatore
M1
M1
Transistor Mosfet
Resistore
Resistore
var.
J1
J2
Transistor ad effetto
di campo
Definire un circuito elettrico
In/out file
Directory
Pannello libreria
Log. file
Edit
schema
Analisi possibili con Spice
• DC Operating Point
• AC Analysis
• Transient Analysis
• DC Sweep
• Temperature Sweep
• Fourier Analysis
• Parameter Sweep
• Monte Carlo simulations
DC Operating Point
AC Analysis
Transient Analysis
Transient Analysis
DC Sweep
Temperature sweep
Metodo Simbolico:
Regime permanente sinusoidale
• Se ad una rete elettrica, qualunque essa sia, viene
applicato un segnale sinusoidale con pulsazione w, il
segnale d’uscita dopo un periodo transitorio sarà
anch’esso un segnale sinusoidale con pulsazione w.
Rete elettrica
Vi*cos(w*t)
+
+
Vin
-
Vout
-
Vo*cos(w*t-f)
Regime permanente sinusoidale
• In altri termini, l’analisi della rete elettrica può essere
•
•
semplificata, passando dal dominio del tempo a quello
dei “fasori”.
I fasori spostano l’analisi dal campo reale a quello
complesso.
Il termine che contiene cos(w*t) viene ridotto
considerando solo modulo e fase.
Vi* cos(w*t)  Vi
Vo*cos(w*t-f)  Vo*exp(-jf)
Regime permanente sinusoidale
• I fasori si rappresentano nel campo complesso (spazio a
due dimensioni)
Parte immaginaria
Vi
f
Vo*exp(-jf)
Parte reale
Impedenze
• Nel dominio dei fasori R , 1/jwC e jwL prendono il nome
di “impedenze”. Una generica impedenza si indica con il
simbolo Z.
• L’impedenza è molto simile alla resistenza nel dominio
del tempo poichè esprime il rapporto tra tensione e
corrente.
• In caso di più componenti è possibile calcolare il valore
dell’impedenza equivalente.
Impedenze
• Impedenza serie
R
• Zeq = R + 1/jwC
1/jwC
Impedenze
• Impedenza parallelo
R
1/jwC
• Zeq = (1/R + jwC)-1
Impedenze
• Si possono applicare anche teoremi importanti come il
teorema di Thevenin e il teorema di Norton.
Z1
Veq
Z3
V
Z2
Zeq
Impedenze
• La rappresentazione delle impedenze sul piano
complesso diventa
Parte immaginaria
jwL
R
Parte reale
1/jwC
Progetto di un buffer, classe a b
R9
20
R1
R10
20
Q2N3906
54K
IC=4mA
Q2N3906
Q8
Q9
Q4
Q6
R4
10V
V3 1k
100u
Q2N3904
4v4
R7
40k
I
Q2N3906
D02BZ2_7
V2
Q2N3906
1Vac
0Vdc
R2
60K
V4
VOFF = 0
VAMPL = 100mv
FREQ = 100k
0
C3
100u
D1
I
V1
V1 = 0
V2 = 100mv
TD = 100ns
TR = 20ns
TF = 20ns
PW = 100us
PER = 1
Q3
C2
Q7
R3
250
Q5
PARAMETERS:
Cv ar = 10p
Studio della polarizzazione, banda passante e risposta a gradino.
R6
I
50
Misura delle correnti di uscita.
4.0mA
0A
-4.0mA
0s
IE(Q4)
5us
IC(Q5)
10us
-I(R6)
15us
20us
Time
polarizzazione dei BJT di uscita.
25us
30us
35us
Risposta del buffer
2.0V
1.0V
0V
-1.0V
0s
V(C3:2)
4us
V(C2:1)
8us
12us
16us
V(R3:2)
Time
Visualizzazione delle forme d’onda d’uscita e d’ingresso con stimolo a gradino.
20us
Studio della banda passante
500mV
250mV
SEL>>
0V
M(V(out))
100d
0d
-100d
10Hz
100Hz
P(V(out))
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
Frequency
Nella slide è rappresentato il comportamento del modulo e della fase.
10MHz
100MHz
Realizzazione del PCB
Realizzazione del PCB
• Assegnazione dei footprint
• Studio delle dimensioni
• Importazione dei componenti in modo
automatico a PCB layout
• Studio della disposizione dei componenti
ottimizzando capacità e induttanze di
perdita
• Connessioni tramite piste dei nodi
Realizzazione del PCB
CONCLUSIONI
• Durante questa esperienza formativa, abbiamo analizzato il comportamento
di alcuni circuiti elettronici, tramite un simulatore virtuale: “SPICE” e
realizzato il progetto di un buffer.
L’ obbiettivo principale:
• nonostante il poco tempo a disposizione e vista la difficolta’ e vastita’ degli
argomenti presentati, rimaneva quello di stimolare la nostra curiosita’ per
prendere coscienza della complessita’ del meraviglioso mondo della
progettazione elettronica.
• Grazie alle dispenze che ci sono state fornite, abbiamo potuto affrontare al meglio
tutte le problematiche che si sono presentate durante la progettazione.
• Nel tentativo di conseguire questo ambizioso traguardo si e’ voluto
aumentare la voglia di comprendere meglio la tecnologia elettronica che ci
circonda.
RINGRAZIAMENTI
• tutta l’organizzazione del SIS-Divulgazione, per l’efficienza
dell’ organizzazione e accoglienza;
• i nostri tutors G.Corradi, D.Tagnani, M.Bazzi;
• i nostri professori per essersi impegnati nella
realizzazione dello stage;
• Il Professore Mario Calvetti Direttore dell’ INFN per la
sua disponibilita’ allo svolgimento dei corsi