L USO DI SPICE PER LE ESERCITAZIONI DI ELETTRONICA DIGITALE

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1 CAPITOLO 1 L USO DI SPICE PER LE ESERCITAZIONI DI ELETTRONICA DIGITALE Questo capitolo sull uso del programma di simulazione SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) è lungi dal voler essere un tutorial completo di tale programma. Il nostro obiettivo, più semplicemente, è quello di fornire agli studenti del corso di Elettronica Digitale una prima introduzione ai comandi essenziali di SPICE che verranno utilizzati nel corso delle esercitazioni proposte in questo testo. 1.1 Il simulatore SPICE Sviluppato dall Università di Berkeley per la simulazione di circuiti analogici è ora mai divenuto uno standard di riferimento ed è disponibile su diverse piattaforme hardware. Accanto alle versioni del programma distribuite dall università di Berkeley (SPICE2, SPICE3), esistono numerose versioni del simulatore prodotte a livello commerciale. In queste esercitazioni si fa riferimento al programma PSPICE, distribuito dalla Microsim. Benché PSPICE sia un prodotto commerciale, la versione dimostrativa del programma è di pubblico dominio ed è allegata al presente testo. Oltre al simulatore vero e proprio, nel dischetto è contenuto PROBE un programma di analisi ed elaborazione grafica dei risultati prodotti da PSPICE. SPICE consente di effettuare analisi in continua ed in transitorio di circuiti lineari e non lineari oltre all analisi a piccoli segnali, nel dominio della frequenza. In PSPICE i comandi e la descrizione del circuito da analizzare vengono riportati in un file d ingresso in formato ASCII, il cui nome ha come estensione.cir. I risultati dell analisi sono restituiti in un file di uscita (anch esso in formato ASCII) con estensione.out ed un file con estensione.dat utilizzato da PROBE.

2 2 Capitolo Il formato del file d ingresso (nomefile.cir) Nel file d ingresso al simulatore si definiscono la topologia del circuito e gli elementi che lo compongono e si specifica inoltre il tipo di analisi che si intende effettuare. In questo paragrafo descriveremo brevemente la sintassi prevista per tale file; per ulteriori e più accurate spiegazioni dei vari comandi è opportuno far riferimento al manuale d uso del programma. Il file di ingresso può essere scritto con un qualsiasi editor in formato ASCII ed è organizzato a righe, per cui ad ogni riga corrisponde un comando. E possibile proseguire un comando sulla riga successiva, se questa viene fatta iniziare in prima colonna con il carattere +. Ogni riga che inizia in prima colonna con il carattere * viene considerata come un commento ed è pertanto ignorata dal simulatore. La prima riga del file di ingresso rappresenta il titolo della simulazione e non viene presa in considerazione per l analisi. L ultima riga deve contenere l istruzione.end per segnalare la fine dei comandi. Fra queste due righe si inseriscono le righe contenenti la descrizione dei dispositivi che compongono il circuito e le modalità di analisi. Non vi è un ordine prestabilito da dare alle righe di comando per una corretta descrizione del circuito. Per ogni elemento che compone il circuito deve essere specificato, nell ordine: - il nome - i nodi cui sono collegati i terminali - il valore dell elemento circuitale o il nome di un opportuno modello - eventuali opzioni La prima lettera del nome (in cui solo le prime otto lettere sono considerate come distintive) denota il tipo di dispositivo: R C L V I Q M D per le resistenze per le capacità per le induttanze per i generatori di tensione per i generatori di corrente per i transistori bipolari per i transistori MOS per i diodi Separati da uno o più spazi, dopo il nome, si elencano i nodi relativi ai terminali dei dispositivi, che possono essere in numero di due o più a seconda del

3 L uso di SPICE 3 dispositivo in considerazione. E possibile utilizzare cifre o lettere per indicare i nodi; il terminale di massa è individuato dal nodo 0 che deve essere presente in ogni circuito. Per resistenze, condensatori ed induttanze l unico parametro da assegnare è il valore di resistenza [ohm], di capacità [F] o di induttanza [H]. I valori possono essere espressi con notazione scientifica; si possono inoltre utilizzare fattori di scala mnemonici come: G per 10 9 MEG per 10 6 M per 10-3 U per 10-6 N per 10-9 Per i diodi il primo nodo rappresenta l anodo ed il secondo il catodo. I transistori presentano tre (eventualmente quattro) nodi; per i BJT l ordine è: COLLETTORE, BASE, EMETTITORE e SUBSTRATO. Per i MOSFET l ordine è: DRAIN, GATE, SOURCE e BODY. Sia per i BJT sia per i MOSFET quando il quarto nodo viene omesso, viene implicitamente considerato a massa. Si noti che per i dispositivi attivi è necessario non solo definire l elenco dei nodi ma anche il nome di un opportuna scheda (.MODEL) in cui sono elencati i parametri del dispositivo. Torneremo su questo punto nel prossimo capitolo. Per i generatori di tensione e di corrente i parametri da specificare cambiano a seconda del tipo di analisi da effettuare. Nel caso di analisi in transitorio, è possibile specificare i seguenti tipi di generatori: - costanti - lineari a tratti (PWL) - ad onda quadra (PULSE) - sinusoidali e/o esponenziali (SIN) Esempi per i generatori: 1) Un generatore di tensione continua di 5V (Vin) posto fra i nodi 0 e 10 è descriztto dalla riga seguente: seguente: Vin V

4 4 Capitolo 1 2) se si vuole simulare un generatore di tensione (Vin) posto fra i nodi 0 e 10, che presenti ai suoi capi tensione nulla da 0 a 2ns, da 2ns a 3ns aumenti la tensione linearmente fino a 5V, resti costante a 5V fino a 20ns, decresca linearmente da 5V fino a 0V in 1ns, per poi permanere a questo valore di tensione fino alla fine della simulazione si utilizza la descrizione seguente: Vin 10 0 PWL(0ns,0V 2ns,0V 3ns,5V 20ns,5V 21ns,0V) a cui fa riferimento la seguente uscita grafica di PROBE. 3) se si vuole simulare un generatore di tensione periodico impulsivo (Vin) posto fra i nodi 0 e 30, che eroghi una tensione variabile fra 0V e 5V, con ritardo del primo fronte di salita di 0ns, tempi di salita di 1ns e di discesa pari a 2 ns durata dell impulso al valore alto di 50ns e periodo 100ns si utilizza la seguente descrizione: Vin 30 0 PULSE(0V 5V 0 1ns 2ns 50ns 100ns) di cui di seguito vengono rappresentati graficamente i primi due periodi 4) se si vuole simulare un generatore di tensione sinusoidale (Vin) con andamento dell ampiezza decrescente con legge esponenziale (sinusoide smorzata) posto fra i nodi 0 e 50, che eroghi una tensione con offset di 0V ampiezza iniziale di 2V, frequenza di oscillazione di 100kHz, ritardo iniziale 10µs, costante di tempo 1/3e5s e fase iniziale di 30 gradi si utilizza la seguente descrizione:

5 L uso di SPICE 5 Vin 50 0 SIN(0V 2V 100K 10us 30k 30) che graficamente viene rappresentato nella successiva figura 1.3 Possibilità di analisi. Come accennato in precedenza, diverse sono le modalità di analisi che possono essere effettuate su di un circuito. Nel seguito descriveremo brevemente solo l'analisi statica e l'analisi in transitorio che sono quelle che utilizzeremo nelle esercitazioni successive. a) L analisi statica (.DC) Quando si sceglie di effettuare un analisi del funzionamento statico di un circuito è sufficiente inserire nel file.cir una scheda con il comando:.dc Tutte le induttanze e le capacità presenti nel circuito (o nei modelli dei dispositivi specificati) vengono considerate rispettivamente come corto circuiti o circuiti aperti. Se sono stati specificati generatori variabili nel tempo, SPICE considererà il valore all istante t=0. Invece di valutare un singolo punto di lavoro, è possibile calcolare la caratteristica di trasferimento di un circuito identificando sulla scheda.dc anche: - il nome di un generatore di tensione (o di corrente) che rappresenta l ingresso del circuito, - il valore minimo assunto dal generatore - il valore massimo assunto dal generatore - il passo con cui la tensione (o la corrente) di ingresso varia dal valore minimo al massimo.

6 6 Capitolo 1 Esempio dell uso della scheda.dc: Se si vuole effettuare l analisi statica di un circuito, a diversi valori della tensione di un generatore indipendente Vin (fra 0V a 5V con passo 0.5V), si utilizza la scheda.dc in questo modo:.dc Vin 0V 5V 0.5V Si otterranno i valori statici di tutte le tensioni e correnti del circuito per i 10 valori di tensione del generatore Vin. b) L analisi in transitorio (.TRAN) Quando si vuole studiare l evoluzione in transitorio di un circuito si utilizza la scheda.tran. L analisi parte dall istante t=0 e si conclude all istante finale specificato nella scheda, in cui si indica anche il passo temporale con cui salvare i dati di uscita. Si noti che, in assenza di ulteriori opzioni sulla scheda.model, il passo di integrazione (utilizzato dal simulatore per risolvere numericamente le equazioni differenziali che governano il funzionamento del circuito) viene scelto dal programma in maniera automatica e non ha nulla a che vedere con t con cui sono salvati i dati di uscita Esempio dell uso della scheda.tran: Se si vuole effettuare l analisi in transitorio di un circuito fino all istante 50ns con passo di uscita di 0.01ns, si utilizza la scheda.tran in questo modo:.tran 0.01ns 50ns Sia durante l analisi in continua sia durante l analisi in transitorio tutti i parametri dei dispositivi a semiconduttore sono valutati alla temperatura di 27 C. Mediante la scheda.temp è possibile assegnare una diversa temperatura (espressa in gradi centigradi) a cui far effettuare le simulazioni; se si specificano più di un valore di temperatura verranno effettuate tante simulazioni quanti sono i valori specificati.

7 L uso di SPICE Un esempio La Figura seguente mostra un semplice circuito RC, con un segnale di ingresso ad onda quadra. R1=1k 1 2 Vinp R2=1k Cload 100p Il listato che descrive il circuito è il seguente: * Esempio di circuito R-C * Descrizione del circuito R E3 R k Cload p * Tipo di analisi da effettuare.tran 0.5n 500n * Generatore di ingresso Vinp 1 0 PULSE(0V, 5V, 10n, 1n, 1n, 250n, 500n) * Salvataggio dei dati di uscita.probe * Fine del circuito.end I due resistori hanno entrambi il valore di 1kΩ, mentre la capacità è di 100pF; vogliamo effettuare un analisi in transitorio fino ad un tempo di 140ns. Il segnale d ingresso è un segnale ad onda quadra con una frequenza di 10MHz. Se il nome del file è prova.cir per effettuare la simulazione è sufficiente digitare il comando: pspice prova.cir

8 8 Capitolo 1 Terminata la simulazione, i risultati ottenuti possono essere visualizzati utilizzando il programma PROBE che permette di elaborare, visualizzare e stampare in diversi modi le grandezze d interesse. SPICE genera inoltre un file.out in cui ritroviamo, oltre alla descrizione del circuito che è stato analizzato, l elenco e i valori dei parametri dei modelli utilizzati. Inoltre, se si è verificato un errore sintattico, nel file.out viene fornita l indicazione della sua possibile causa. 1.4 Caratteristiche avanzate. a) Analisi parametrica. Nella descrizione di un circuito è possibile definire dei parametri, cui è possibile assegnare un opportuno valore. E possibile quindi studiare la risposta del circuito per diversi valori assegnati al parametro in questione. Ad esempio, modifichiamo come segue il listato visto nel paragrafo precedente: * Esempio di circuito R-C * definizione di un parametro.param resist 1k * Descrizione del circuito R1 1 2 {resist} R k Cload p * Tipo di analisi da effettuare.tran 0.5n 140n * analisi parametrica.step PARAM resist LIST 500, 1k, 5k * Generatore di ingresso Vinp 1 0 PULSE(0V, 5V, 10n, 1n, 1n, 250n, 500n) * Salvataggio dei dati di uscita.probe.end

9 L uso di SPICE 9 Vengono in questo caso effettuate tre diverse simulazioni del circuito; con la scheda.step si definisce la lista dei valori che la resistenza R1 assumerà durante le diverse analisi. b) Simulazione Monte Carlo. Nel caso di simulazioni Monte Carlo è possibile assegnare delle tolleranze per gli elementi (sia attivi che passivi) che compongono il circuito. Vengono quindi effettuate più simulazioni, variando in maniera casuale i valori dei parametri utilizzando le tolleranze assegnate. E possibile definire, oltre alle tolleranze dei dispositivi, anche la distribuzione di probabilità (che può essere uniforme o gaussiana) ed il numero di simulazioni da compiere. Evidentemente, al crescere del numero di simulazioni effettuate si avranno statistiche più accurate sul funzionamento del circuito, al prezzo di un maggiore tempo di calcolo. Ad esempio, modifichiamo ancora una volta il listato visto nel paragrafo precedente: * Esempio di circuito R-C R1 1 2 CCR 1k R2 2 0 CCR 1k Cload p * Tolleranze dei resistori: * Valore nominale = 1k * Tolleranza = 15% * Distribuzione Uniforme (default).model CCR RES(R=1, LOT=15%).TRAN 0.5n 500n * analisi Monte Carlo.MC 5 TRAN V(2) YMAX LIST OUTPUT ALL Vinp 1 0 PULSE(0V, 5V, 10n, 1n, 1n, 250n, 500n).PROBE.END

10 10 Capitolo 1 Viene in questo caso definito un opportuno modello per i resistori. Il valore nominale delle resistenze è di 1kΩ, con una tolleranza del 15%. Con la scheda.mc si stabilisce di effettuare 5 analisi in transitorio: una relativa al caso nominale ed altre quattro in cui i valori delle resistenze sono variati in maniera casuale fra 900Ω ed 1.1 kω. In ognuna di queste quattro simulazioni aggiuntive la forma d onda al nodo 2 viene confrontata con quella relativa al caso nominale, valutando l istante in cui si ha la massima differenza fra le forme d onda. I risultati della simulazione Monte Carlo sono riportati nel file di uscita, oltre che essere disponibili direttamente in PROBE, come mostra la figura seguente: c) sottocircuiti e librerie Quando uno stesso insieme di elementi ricorre più volte nel circuito da studiare è utile definire un sotto circuito. Esso inizia con una scheda.subckt e termina con una scheda.ends. La scheda.subckt oltre al nome da usare per richiamare il sotto circuito durante la descrizione del circuito, elenca la lista dei terminali esterni del sottocircuito. Il sotto circuito viene quindi trattato come un normale dispositivo che presenta tanti morsetti quanti quelli definiti nella scheda.subckt. Una scheda che inizia con la lettera X richiama un sottocircuito in un listato SPICE. Vedremo nei capitoli successivi alcuni esempi dell uso di sottocircuiti. Le schede.model e le definizioni dei sottocircuiti possono risiedere in un file diverso da quello utilizzato per la descrizione del circuito da studiare. Questo file ausiliario prende il nome di libreria; l estensione dei file di libreria è.lib. Per includere i modelli ed i sottocircuiti descritti nella libreria all interno di un circuito è necessario utilizzare una scheda.lib

11 L uso di SPICE 11 Bibliografia [1] The Design Center userguide, Microsim Corporation, 20 Fairbanks, Irvine, California, 92718, (http://www.microsim.com) [2] SPICE 3F3 userguide, T. Quarles, A.R. Newton, D.O. Pederson, A. Sangiovanni-Vincentelli, Dept. Of Electr. Engin. And Computer Science, Univ. Of Calif. Berkeley, 94720, [3] Inside SPICE, Ron M. Kielkowsk, Mc Graw-Hill, 1994.

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