Elettronica I Introduzione a SPICE

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1 Elettronica I Introduzione a SPICE Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell Informazione Università di Milano, 263 Crema liberali Elettronica I Introduzione a SPICE p. Progettazione di circuiti elettronici I circuiti semplici erano 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 hanno un comportamento non ideale di cui bisogna tenere conto Elettronica I Introduzione a SPICE p. 2

2 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 Programmi per la simulazione circuitale: SPICE (University of California at Berkeley) ASTAP (IBM) Spectre (Cadence Design Systems) Elettronica I Introduzione a SPICE p. 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 Elettronica I Introduzione a SPICE p. 4 2

3 SPICE (Berkeley) SPICE è disponibile presso la University of California at Berkeley Il codice sorgente per UNIX (Linux, Solaris, etc.) è scaricabile da /pubs/downloads/spice/ L ultima versione è Spice3f5: file spice3f5.tar.gz (.2Mb) Elettronica I Introduzione a SPICE p. 5 PSpice (/3) PSpice = SPICE per PC Windows Prodotto dalla MicroSim, acquistata dalla Orcad, che a sua volta è stata acquistata dalla Cadence Esiste una versione demo completa di tutorial, compresa nel pacchetto Orcad 5.7 (in tutto 683 MB) scaricabile dal sito: /downloads/orcad demo/index.aspx Alcune versioni demo precedenti (8. e 9.) sono scaricabili da: liberali/spice/spice.html Il prodotto da installare è: PSpice A/D con editor Schematics Elettronica I Introduzione a SPICE p. 6 3

4 PSpice (2/3) 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. Elettronica I Introduzione a SPICE p. 7 PSpice (3/3) 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 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. Elettronica I Introduzione a SPICE p. 8 4

5 Elementi circuitali in SPICE (/2) I tipi di elementi circuitali sono identificati da SPICE tramite l iniziale del nome: R Resistore C Condensatore L Induttore K Mutua induttanza T Linea di trasmissione 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 Elettronica I Introduzione a SPICE p. 9 Elementi circuitali in SPICE (2/2) I dispositivi a semiconduttore sono: 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) Elettronica I Introduzione a SPICE p. 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) e deve essere sempre presente. Non è necessario che i nodi siano nell ordine, 2, 3,... Elettronica I Introduzione a SPICE p. 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. 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). Elettronica I Introduzione a SPICE p. 2 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 dovevmeasure 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. Elettronica I Introduzione a SPICE p. 3 Tipi di analisi in SPICE SPICE può effettuare questi tipi di analisi:.op Punto di lavoro (operating point).dc Caratteristica di trasferimento ingresso-uscita (in continua).ac Analisi in frequenza.tran Risposta nel dominio del tempo (transient).tf Funzione di trasferimento.founalisi di Fourier.DISTO Distorsione armonica.noise Analisi di rumore (noise) Elettronica I Introduzione a SPICE p. 4 7

8 Esempio di netlist SPICE (/3) V = 9 V, = Ω, R 2 = 3.9 kω, R 3 = 25Ω, F=. Calcolare V AB. R 2 R 3 V + I i F I o A V AB B Elettronica I Introduzione a SPICE p. 5 Esempio di netlist SPICE (2/3) V + 9 I i R 2 F I o R 3 A 2 3 V AB B La corrente I i viene letta attraverso un generatore di tensione nulla. Elettronica I Introduzione a SPICE p. 6 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 Elettronica I Introduzione a SPICE p. 7 Analisi nodale La soluzione del circuito si trova risolvendo un sistema di equazioni ottenute applicando le leggi di Kirchhoff (KCL e KVL). 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 e i nodi in cui incidono i generatori di tensione KVL applicata alle maglie contenenti i generatori di tensione Elettronica I Introduzione a SPICE p. 8 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 dt q(v(t))+u(t)= i(v(t)): corrente nei bipoli resistivi (se il bipolo è lineare, i=gv) d dtq(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. Elettronica I Introduzione a SPICE p. 9 Esempio : Analisi nodale (/6) I Y R D I X Ricavare il sistema di equazioni per questo circuito. Siccome non ci sono generatori di tensione, basta scrivere la KCL per tutti i nodi tranne uno (il nodo di riferimento). Elettronica I Introduzione a SPICE p. 2

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 R D I X Elettronica I Introduzione a SPICE p. 2 Esempio : Analisi nodale (3/6) I Y 3 2 R D I X Per ogni nodo, tranne il nodo, si scrive la KCL: I X + I Y A (V ) B (V V 2 )= (V V 2 ) C (V 2 V 3 ) I Y = (V 2 V 3 ) R D (V 3 )= Elettronica I Introduzione a SPICE p. 22

12 Esempio : Analisi nodale (4/6) I X + I Y A (V ) B (V V 2 )= (V V 2 ) (V 2 V 3 ) I Y = (V 2 V 3 ) D (V 3 )= ( ) RA + V B B V 2 = I X + I Y V + ( + ) V2 V 3 = I Y V 2 + R D V 3 = Sistema di equazioni in forma matriciale: ( RA + ) ( RB + ) RD V V 2 V 3 = I X + I Y I Y Elettronica I Introduzione a SPICE p. 23 Esempio : Analisi nodale (5/6) ( RA + ( B RB + ) ) RD G V=I V V 2 V 3 = I X + I Y I Y G è la matrice delle conduttanze: ciascun elemento sulla diagonale principale G j j 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 incidenti in ciascun nodo (la corrente è positiva se entra nel nodo). Elettronica I Introduzione a SPICE p. 24 2

13 Esempio : Analisi nodale (6/6) I Y 3 2 R D 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. Elettronica I Introduzione a SPICE p. 25 Analisi nodale modificata (/4) I Y + I X V Z Se nel circuito sono presenti anche generatori di tensione, per i nodi a cui sono applicati i generatori di tensione NON si scrive la KCL, ma si scrive l equazione della differenza di tensione tra i nodi ai capi del generatore. Elettronica I Introduzione a SPICE p. 26 3

14 Analisi nodale modificata (2/4) I Y 2 + I X V Z I X + I Y (V ) (V V 2 )= V 2 =V Z Elettronica I Introduzione a SPICE p. 27 Analisi nodale modificata (3/4) I X + I Y A (V ) B (V V 2 )= V 2 =V Z ( ) RA + R V B V 2 = I X + I Y V 2 = V Z ( + ) V V 2 G V=I = I X+I Y V Z Gli elementi della matrice G non sono omogenei tra loro (ci sono anche numeri), e così pure gli elementi del vettore I non sono omogenei tra loro (ci sono anche tensioni). Elettronica I Introduzione a SPICE p. 28 4

15 Analisi nodale modificata (4/4) I Y 2 + I X V Z Anche in questo caso, la soluzione è: V=G I Elettronica I Introduzione a SPICE p. 29 5

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