Elettronica Introduzione a SPICE

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1 Elettronica Introduzione a SPICE Valentino Liberali Dipartimento di Fisica Università degli Studi di Milano valentino.liberali@unimi.it Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 / 3 Contenuto Simulazione di circuiti elettronici 2 SPICE 3 Analisi nodale 4 Analisi nodale modificata Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 2 / 3

2 Progettazione di circuiti elettronici Fino a qualche decina di anni fa, i circuiti erano semplici e venivano progettati risolvendo manualmente le equazioni e realizzando prototipi su scheda con componenti discreti ( bread-board ). Attualmente, questo approccio è impossibile, perché il numero di componenti elettronici è elevato le prestazioni dipendono dalle dimensioni di ciascun componente i componenti e le interconnessioni hanno un comportamento non ideale di cui bisogna tenere conto Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 3 / 3 Simulazione di circuiti elettronici Si effettua una simulazione al calcolatore per verificare il progetto prima di realizzarlo per ottimizzare i parametri di progetto per stimare gli effetti dovuti alle variazioni dei parametri e agli elementi parassiti Programmi per la simulazione circuitale: SPICE: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (University of California at Berkeley) ASTAP: Advanced STatistical Analysis Program (IBM) Spectre (Cadence Design Systems) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 4 / 3 2

3 SPICE SPICE = = Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Versione originale: University of California at Berkeley Linguaggio originale: FORTRAN (schede perforate) Formato originale di ingresso e uscita: solo testo (e solo caratteri maiuscoli) Nelle versioni successive: linguaggio C; interfacce grafiche di ingresso e uscita Numerose versioni commerciali e proprietarie Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 5 / 3 SPICE (Berkeley) SPICE è disponibile presso la University of California at Berkeley Il codice sorgente per UNIX (Linux, Solaris, etc.) è scaricabile da L ultima versione è Spice3f5: file spice3f5.tar.gz (.2 MB) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 6 / 3 3

4 PSpice (/2) PSpice = SPICE per PC Windows Prodotto dalla MicroSim, acquistata dalla Orcad, che a sua volta è stata acquistata dalla Cadence Esiste una versione demo aggiornata e completa di tutorial, compresa nel pacchetto Orcad 6.3 (in tutto 72 MB), scaricabile dal sito: Alcune versioni demo precedenti (8. e 9.) sono scaricabili da: Il prodotto da installare è: PSpice A/D con editor Schematics La versione demo di PSpice ha tutte le funzionalità, ma ha questi limiti: una pagina A4 per il disegno dello schema non più di 64 nodi nel circuito al massimo 5 componenti, di cui transistori Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 7 / 3 PSpice (2/2) Il circuito può essere disegnato tramite un interfaccia grafica, selezionando i componenti e disegnando le interconnessioni. Dallo schema circuitale viene estratta una netlist, cioè una descrizione in forma di listato in cui ogni ad ogni nodo e ad ogni elemento è associato un identificatore unico. Il circuito deve sempre contenere un nodo di riferimento: (GND = GrouND), denotato con il simbolo circuitale e indicato con il numero ; tutte le tensioni vengono riferite a questo nodo. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 8 / 3 4

5 Elementi circuitali in SPICE (/2) I tipi di elementi circuitali sono identificati da SPICE tramite l iniziale del nome. Componenti passivi: R Resistore C Condensatore L Induttore K Mutua induttanza T Linea di trasmissione Generatori (indipendenti e dipendenti): V Generatore di tensione I Generatore di corrente E Voltage-controlled voltage source F Current-controlled current source G Voltage-controlled current source H Current-controlled voltage source Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 9 / 3 Elementi circuitali in SPICE (2/2) Dispositivi a semiconduttore: D Diodo a giunzione Q Transistore bipolare a giunzione (BJT) J Transistore a effetto di campo a giunzione (JFET) M Transistore a effetto di campo MOS (MOSFET) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 / 3 5

6 Netlist SPICE (/3) La netlist è una descrizione del circuito in formato testo; contiene le stesse informazioni dello schema circuitale. Netlist e schema sono due rappresentazioni di tipo strutturale: descrivono un circuito attraverso i componenti e le loro interconnessioni. Nella descrizione netlist ad ogni nodo del circuito corrisponde un numero; il numero è riservato al nodo di terra (GND) che deve essere sempre presente. Non è necessario che i nodi siano nell ordine, 2, 3,... Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 / 3 Netlist SPICE (2/3) Per resistenze, capacità, induttanze e generatori indipendenti, il formato è: Rxxxxxxx n+ n- valore Cxxxxxxx n+ n- valore Lxxxxxxx n+ n- valore Vxxxxxxx n+ n- valore Ixxxxxxx n+ n- valore I nomi devono avere non più di 8 caratteri; SPICE non distingue tra maiuscole e minuscole (Spectre invece sì!). I nodi + e vanno sempre considerati secondo la convenzione degli utilizzatori. I valori devono essere espressi nelle unità di misura del sistema internazionale: R in ohm, C in farad, L in henry, V in volt, I in ampere. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 2 / 3 6

7 Netlist SPICE (3/3) Per i generatori controllati in tensione, il formato è: Exxxxxxx n+ n- nc+ nc- valore Gxxxxxxx n+ n- nc+ nc- valore Per i generatori controllati in corrente, il formato è: Fxxxxxxx n+ n- Vmeasure valore Hxxxxxxx n+ n- Vmeasure valore dove Vmeasure è il nome di un generatore di tensione nulla (cortocircuito) in cui passa la corrente di ingresso del generatore controllato. SPICE calcola le tensioni in tutti i nodi (riferite al nodo ), e le correnti in tutti i generatori di tensione. Per ottenere le correnti negli altri rami, bisogna inserire un generatore di tensione fasullo. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 3 / 3 Tipi di analisi in SPICE SPICE può effettuare questi tipi di analisi:.op.dc.ac.tran.tf.four.disto.noise Punto di lavoro (operating point) Caratteristica di trasferimento ingresso-uscita (in continua) Analisi in frequenza Risposta nel dominio del tempo (transient) Funzione di trasferimento Analisi di Fourier Distorsione armonica Analisi di rumore (noise) Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 4 / 3 7

8 Esempio di netlist SPICE (/3) V = 9 V, R = Ω, R 2 = 3.9 kω, R 3 = 25 Ω, F =. Calcolare V AB. R 2 R 3 + F A V I i I o V AB R B Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 5 / 3 Esempio di netlist SPICE (2/3) V + 9 I i R 2 F I o R 3 A 2 R 3 V AB B La corrente I i viene letta attraverso un generatore di tensione nulla. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 6 / 3 8

9 Esempio di netlist SPICE (3/3) CIRCUITO DI PROVA PER SPICE * LA PRIMA RIGA E` SEMPRE IL TITOLO * I COMMENTI COMINCIANO CON UN ASTERISCO V 9V R 3 R K R * VSENS SERVE PER LEGGERE LA CORRENTE VSENS 9 3 F 2 3 VSENS * PUNTO DI LAVORO (OPERATING POINT).OP * L ULTIMA RIGA E` SEMPRE.END.END Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 7 / 3 Analisi nodale La soluzione del circuito si trova risolvendo un sistema di equazioni ottenute applicando le leggi di Kirchhoff (KCL e KVL) e usando la caratteristica V-I di ciascun elemento circuitale. SPICE usa il metodo detto ANALISI NODALE MODIFICATA (MNA = Modified Nodal Analysis). Il sistema di equazioni che descrive il circuito è costituito da: KCL applicata a tutti i nodi, tranne il nodo KVL applicata alle maglie contenenti i generatori di tensione Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 8 / 3 9

10 Calcolo del punto di lavoro in SPICE Nel caso più generale, la KCL ad un nodo si può scrivere: dove i(v(t)) + d q(v(t)) + u(t) = dt i(v(t)): corrente nei bipoli resistivi (se il bipolo è lineare, i = Gv) d dt q(v(t)): corrente nei bipoli capacitivi u(t): segnali di ingresso (generatori di corrente) In continua, l equazione si riduce a: i(v DC ) + u DC = la cui soluzione è il punto di lavoro del circuito. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 9 / 3 Esempio : Analisi nodale (/6) I Y RD I X Ricaviamo la soluzione del circuito in forma matriciale. Siccome non ci sono generatori di tensione, basta scrivere la KCL per tutti i nodi tranne uno (il nodo di riferimento). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 2 / 3

11 Esempio : Analisi nodale (2/6) Si sceglie un nodo come nodo di riferimento (GND), e si numerano progressivamente tutti i nodi: (= GND),, 2,... I Y 3 2 I X Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 2 / 3 Esempio : Analisi nodale (3/6) I Y 3 2 I X Per ogni nodo, tranne il nodo, si scrive la KCL: : I X + I Y (V ) 2 : (V V 2 ) 3 : (V 2 V 3 ) (V V 2 ) = (V 2 V 3 ) I Y = (V 3 ) = Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 22 / 3

12 Esempio : Analisi nodale (4/6) I X + I Y (V ) (V V 2 ) = (V V 2 ) (V 2 V 3 ) I Y = (V 2 V 3 ) (V 3 ) = + V V 2 = I X + I Y V + + V 2 V 3 = I Y V V 3 = Sistema di equazioni in forma matriciale: V V 2 V 3 = I X + I Y I Y Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 23 / 3 Esempio : Analisi nodale (5/6) ( ) V V 2 V 3 = I X + I Y I Y G V = I G è la matrice delle conduttanze (coefficienti): ciascun elemento sulla diagonale principale G jj è la somma delle conduttanze incidenti nel nodo j; gli altri elementi G jk sono le conduttanze tra le coppie di nodi (j, k) prese con il segno negativo; la matrice G è simmetrica. V è il vettore delle tensioni ai nodi (incognite). I è il vettore delle correnti dei generatori in ciascun nodo (termini noti): la corrente è positiva se entra nel nodo. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 24 / 3 2

13 Esempio : Analisi nodale (6/6) I Y 3 2 I X Da G V = I, moltiplicando a sinistra per G, si ha la soluzione: V = G I che esiste se la matrice G è invertibile. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 25 / 3 Analisi nodale modificata (/5) I Y + I X V Z Se nel circuito sono presenti anche generatori di tensione, occorre scrivere ANCHE l equazione della differenza di tensione tra i nodi ai capi di ciascun generatore di tensione. Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 26 / 3 3

14 Analisi nodale modificata (2/5) I Y 2 + I X V Z : I X + I Y (V ) (V V 2 ) = 2 : I Y I VZ + (V V 2 ) (V 2 ) = V Z : V 2 = V Z Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 27 / 3 Analisi nodale modificata (3/5) I X + I Y (V ) (V V 2 ) = I Y I VZ + (V V 2 ) (V 2 ) = V 2 = V Z + V V 2 = I X + I Y V + + V 2 + I VZ = I Y V 2 = V Z ( ) V V 2 I VZ = I X + I Y I Y V Z Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 28 / 3 4

15 Analisi nodale modificata (4/5) ( ) + ( +.. ) V V 2 I VZ = I X + I Y I Y V Z G V = I Gli elementi della matrice G non sono omogenei tra loro (ci sono anche numeri), e così pure gli elementi dei vettori V e I non sono omogenei tra loro (entrambi contengono sia tensioni sia correnti). Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 29 / 3 Analisi nodale modificata (5/5) I Y 2 + I X V Z Anche in questo caso, la soluzione è: V = G I Valentino Liberali (UniMI) Elettronica Introduzione a SPICE 4 aprile 2 3 / 3 5