Simulazione elettronica analogica con Spice e progettazione di un Layout

Simulazione elettronica Simulazione elettronica analogica con Spice e analogica con Spice e progettazione di un Layoutprogettazione di un Layout

Attività sperimentale 2011Attività sperimentale 2011ElettronicaElettronica

Stage elettronica 2011Stage elettronica 2011

I n d i c e :I n d i c e :• Funzioni generali del simulatoreFunzioni generali del simulatore

• Tipologie di analisi possibili con Spice:Tipologie di analisi possibili con Spice: DC Operating pointDC Operating point AC AnalysisAC Analysis Transient AnalysisTransient Analysis Temperature SweepTemperature Sweep DC SweepDC Sweep Parameter SweepParameter Sweep Studio di un Alimentatore switchingStudio di un Alimentatore switching

• Progetto finale:Progetto finale: Alimentatore SwitchingAlimentatore Switching

I programmi di simulazione circuitale I programmi di simulazione circuitale costituiscono uno strumento di estrema costituiscono uno strumento di estrema utilità per chi si occupa di progettazione di utilità per chi si occupa di progettazione di circuiti elettronicicircuiti elettronici

Essi semplificano le verifiche funzionali di Essi semplificano le verifiche funzionali di un progettoun progetto

Il simulatore SPICE “Simulation program Il simulatore SPICE “Simulation program With Integrated circuit Emphasis” è With Integrated circuit Emphasis” è utilizzato universalmente per la utilizzato universalmente per la simulazione di circuiti elettronici analogici simulazione di circuiti elettronici analogici e digitalie digitali


Caratteristiche generali del Caratteristiche generali del simulatore:simulatore:

Questo tipo di analisi definisce il punto di Questo tipo di analisi definisce il punto di lavoro “in regime continuo” di un circuito lavoro “in regime continuo” di un circuito elettrico;elettrico;

È usata per determinare le condizioni di È usata per determinare le condizioni di lavoro di uno o più dispositivi elettronici;lavoro di uno o più dispositivi elettronici;

Per osservare le funzioni di trasferimento Per osservare le funzioni di trasferimento degli elementi non lineari (es: diodi, degli elementi non lineari (es: diodi, transistor, MOS);transistor, MOS);

Per determinare le condizioni iniziali degli Per determinare le condizioni iniziali degli elementi reattivi nel dominio del tempo.elementi reattivi nel dominio del tempo.


DC operating point:DC operating point:

Questo tipo di analisi, elabora la risposta in Questo tipo di analisi, elabora la risposta in frequenza di un circuito elettrico, costituito frequenza di un circuito elettrico, costituito da elementi lineari (es: resistenza, da elementi lineari (es: resistenza, induttanza, capacità, trasformatore, induttanza, capacità, trasformatore, generatore di tensione e di corrente), ed generatore di tensione e di corrente), ed elementi non lineari, linearizzandoli.elementi non lineari, linearizzandoli.

La sorgente genera un segnale sinusoidale La sorgente genera un segnale sinusoidale la cui frequenza varia in un range definito la cui frequenza varia in un range definito dal progettista.dal progettista.


AC analysisAC analysis


Analisi in frequenza di un passa-basso e passa-altoComportamento del modulo e della faseVerifica risposta teorica tramite SPICE


C 11 u

C 21 u

C 31 u

C 41 u

L 11 0 m H

1

2

L 21 0 m H

1

2

L 31 0 m H

1

2

L 41 0 m H

1

2

R 12 0 0 R

R 21 0 0 R

R 35 0 R

R 42 5 R

V 11 V a c0 V d c

V 8

V in

V 7 V 6 V 5

V 4V 3V 2V 1

0



Simulazione di un circuito risonante serieAndamento del Q e del coefficiente di smorzamento

Nel grafico si Nel grafico si osserva osserva l’andamento l’andamento della tensione della tensione in uscita, in uscita, funzione della funzione della resistenza di resistenza di dampingdamping..

Stage elettronica Stage elettronica 20112011


C 41 u

L 41 0 m H

1

2

R 42 5 R

V 11 V a c0 V d c

V in

V 5

V 4

0



Misura dell’impedenza induttiva e capacitiva

ZL = jωL ZC = -j/ωC



Verifica della condizione di risonanza serieVerifica della condizione di risonanza serie

FFrisonanzarisonanza = =

Verifica della fase in risonanzaVerifica della fase in risonanza

L’ analisi al transiente, elabora la risposta L’ analisi al transiente, elabora la risposta nel dominio del tempo di un circuito nel dominio del tempo di un circuito elettronicoelettronico

Permette quindi di valutare il Permette quindi di valutare il comportamento di un circuito elettrico, comportamento di un circuito elettrico, come lo si farebbe con uno oscilloscopio come lo si farebbe con uno oscilloscopio su un circuito reale.su un circuito reale.

Stage elettronica 2011

Transient analysisTransient analysis

V 11 V a c0 V d c

R 1

{R v a l}

C 11 n

0

V o u t R C

C 2

1 n

R 21 k

V in

V o u t C R

V 2

TD = 1 n

TF = 1 nP W = 1 0 uP E R = 1

V 1 = 0

TR = 1 n

V 2 = 1


Transient analysisTransient analysis

Studio della risposta al gradino di un RC-CRSi osserva che:

il comportamento di un RC è opposto al CR

Questa opzione di analisi ha Questa opzione di analisi ha come parametro variabile la come parametro variabile la temperatura a cui si trova il temperatura a cui si trova il circuitocircuito

Permette di valutare i Permette di valutare i cambiamenti delle variabili cambiamenti delle variabili elettriche di un componente al elettriche di un componente al variare della temperaturavariare della temperatura


Temperature sweepTemperature sweep

D1

D1N4148V1

0Vdc

out

0


Temperature sweepTemperature sweep

Variando la temperatura si ottengono diverse Variando la temperatura si ottengono diverse caratteristiche del diodo, infatti la tensione di caratteristiche del diodo, infatti la tensione di giunzione, diminuisce di 2.2mV per grado giunzione, diminuisce di 2.2mV per grado centigrado.centigrado.

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.


DC sweepDC sweep

D1

D1N4148V1

0Vdc

out

0 V_V1

0.4V 0.5V 0.6V 0.7V 0.8V 0.9V 1.0V 1.1V 1.2V 1.3V 1.4V 1.5VI(D1)

0A

50mA

100mA

150mA

200mA


DC sweepDC sweep

Da notare:

L’andamento della corrente esponenziale e la tensione di accensione 0.6 Volt.

Questo tipo di analisi permette di Questo tipo di analisi permette di variare le sorgenti di tensione e variare le sorgenti di tensione e corrente, modelli, parametri globali corrente, modelli, parametri globali e temperature di un circuito e temperature di un circuito elettronico.elettronico.

I parametri si cambiano nel I parametri si cambiano nel pannello di controllo “Simulation pannello di controllo “Simulation profileprofile”.”.


Parameter sweepParameter sweep

V 11 V a c0 V d c

R 1

{R v a l}

C 11 n

0

V o u t R C

C 2

1 n

R 21 k

V in

V o u t C R

V 2

TD = 1 n

TF = 1 nP W = 1 0 uP E R = 1

V 1 = 0

TR = 1 n

V 2 = 1



Dal grafico si nota che, Dal grafico si nota che, variando la resistenza R1 variando la resistenza R1 del circuito RC, tramite la del circuito RC, tramite la simulazione parametrica, simulazione parametrica, varia la costante di tempo varia la costante di tempo ττ. Essa è data dal prodotto . Essa è data dal prodotto fra R e C, definendo il fra R e C, definendo il tempo che impiega il tempo che impiega il condensatore a caricarsi condensatore a caricarsi al 63% della tensione al 63% della tensione finale. finale.

Il completo caricamento Il completo caricamento del condensatore avviene del condensatore avviene praticamente dopo 5praticamente dopo 5 τ τ..



Regolatori LineariRegolatori Lineari I regolatori di tensione stabilizzano una tensione DCI regolatori di tensione stabilizzano una tensione DC

I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, I regolatori lineari impiegano un elemento a semiconduttore, (BJT,MOSFET) in zona (BJT,MOSFET) in zona linearelineare

Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita, Una rete di controreazione confronta la tensione di uscita, con un reference di tensione con un reference di tensione

Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per Lo stato di conduzione del transistor viene cambiato, per adeguarsi alle variazioni di carico e di ingressoadeguarsi alle variazioni di carico e di ingresso


Regolatori SwitchingRegolatori SwitchingSi controlla l’energia immagazzinata nell’induttore. La Si controlla l’energia immagazzinata nell’induttore. La relazione relazione

V : L = V : L = ΔΔi : i : ΔΔtt

mette in relazione le grandezze sull’induttanza.mette in relazione le grandezze sull’induttanza.

La proporzionalità tra tensione e La proporzionalità tra tensione e variazionevariazione di corrente è di corrente è linearelineare.

Una tensione costante sull’induttanza, produce una Una tensione costante sull’induttanza, produce una variazione lineare di corrente. variazione lineare di corrente.


Regolatori SwitchingRegolatori Switching I regolatori switching impiegano un elemento attivo, I regolatori switching impiegano un elemento attivo,

funzionante tra l’funzionante tra l’interdizioneinterdizione e la e la saturazionesaturazione

Un elemento reattivo (un Un elemento reattivo (un induttoreinduttore) immagazzina l’energia ) immagazzina l’energia che viene poi ceduta al caricoche viene poi ceduta al carico

Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a Una capacità di uscita livella la tensione, portando il ripple a valori accettabilivalori accettabili

Una rete di controreazione confronta l’uscita con un Una rete di controreazione confronta l’uscita con un reference di tensione, adeguando l’energia immagazzinata reference di tensione, adeguando l’energia immagazzinata nell’induttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingressonell’induttore, alle mutevoli condizioni di carico e di ingresso



Progetto: Progetto: SwitchingSwitching

Oscillatore onda quadra

Volano

Interruttore

Switching: simulazione Switching: simulazione funzionalefunzionale


Andamento della tensione di uscita, sovrapposto al ripple.Da osservare il transiente all’istante dell’accensione.

Switching: simulazione Switching: simulazione funzionalefunzionale


Da notare che la corrente nell’induttore ha un andamento a rampa, mentre la tensione ai

suoi capi è di tipo rettangolare

Switching: Ripple di uscitaSwitching: 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.


Realizzazione del layoutRealizzazione del layout

Layer TOP Layer BOTTOM


Abbafati Simone, Cardinali Daniele, Cerino Abbafati Simone, Cardinali Daniele, Cerino Alessandro, D' Anna Fabrizio, Dionisi Andrea, Alessandro, D' Anna Fabrizio, Dionisi Andrea, Fernandes Eugenio, Gatto Davide, Gervasoni Fernandes Eugenio, Gatto Davide, Gervasoni Massimiliano, Manus Marco, Nura Massimiliano, Manus Marco, Nura Muhammad Atif, Reali Roberto, Rosata Muhammad Atif, Reali Roberto, Rosata Lorenzo, Salvucci Alessandro, Santinello Lorenzo, Salvucci Alessandro, Santinello Damiano, Scaramuzza Igor, Schiavoni Damiano, Scaramuzza Igor, Schiavoni Cristiano, Terenzi Marco.Cristiano, Terenzi Marco.

Studenti partecipanti:Studenti partecipanti:

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.


RiconoscimentiRiconoscimenti

Giovanni Giovanni CorradiCorradi

Claudio PagliaClaudio Paglia


TUTORITUTORI

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