Modulo di Teoria dei Circuiti Laurea specialistica in Ingegneria Informatica, Elettronica e delle Telecomunicazioni

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1 Modulo di Teoria dei Circuiti Laurea specialistica in Ingegneria Informatica, Elettronica e delle Telecomunicazioni Prof. Massimiliano de Magistris Una breve introduzione alla simulazione numerica nei circuiti con SPICE Novembre 2005

2 Introduzione /1 la simulazione numerica è essenziale nell analisi e nella progettazione circuitale si possono studiare reti lineari con un elevato numero di componenti, ovvero con componenti non lineari la soluzione ottenuta con un simulatore è naturalmente solo un approssimazione di quella reale, dunque occorre fare attenzione! Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 2

3 Introduzione /2 esistono molti simulatori circuitali, ed ambienti matematici per il calcolo fra questi sicuramente SPICE è il più diffuso, principalmente a causa della sua generalità Spice nasce circa nel 1975 all Università della California (acronimo di Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis) Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 3

4 Filosofia generale /1 SPICE è basato su un compilatore in grado di inerpretare una sintassi specifica per descrivere i circuiti i passi di utilizzo sono: creare un file sorgente (con un editor) eseguire la simulazione (con SPICE) manipolare i risultati (visualizzazione, stampa, esportazione) Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 4

5 SPICE permette di effettuare i seguenti tipi di analisi Analisi DC (di default, trova anche il punto di lavoro in DC) Analisi AC Filosofia generale /2 Analisi in transitorio Simulazione Monte Carlo Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 5

6 Filosofia generale /3 nelle versioni più moderne, SPICE è dotato di:...un pre-processore grafico (es. Schematics) che permette di disegnare il circuito da analizzare e di dare in forma grafica le istruzioni di controllo e di un post-processore grafico per visualizzare i risultati delle simulazioni (es. Probe) Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 6

7 Struttura di PSpice (Orcad) Schematics Esempio.cir File PSpice Esempio.out File File Probe Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 7

8 La struttura funzionale per utilizzare Spice è necessario compilare in un certo modo un file di input, che descrive il circuito ed il tipo di analisi da effettuare successivamente all elaborazione Spice produce un file di output con i risultati. Nelle versioni moderne entrambi i file sono nascosti dal pre-processore e post processore, ma conviene comunque curiosarvi un po Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 8

9 Le istruzioni Spice si dividono essenzialmente in: Data Statements descrivono compiutamente il circuito in termini di connessioni e caratteristiche dei componenti Control Statements specificano il tipo di analisi da effettuare (es, DC, AC, Tran). L analisi in DC è di default Output Statements Sintassi di SPICE specificano il formato in cui fornire i risultati e le variabili da calcolare esplicitamente. Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 9

10 Sintassi: un esempio * Schematics Netlist * (Data Stat.) I_I1 $N_ DC 10A V_V1 $N_ V R_R1 0 $N_ R_R2 0 $N_ R_R3 $N_0002 $N_ Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 10

11 Sintassi: prefissi simbolo forma esp. valore f (femto) 1e p (pico) 1e n (nano) 1e u (micro) 1e m (milli) 1e k (chilo) 1e meg (mega) 1e g (giga) 1e t (tera) 1e Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 11

12 Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 12 metodo dei potenziali di nodo (modificato) A J V E R R R = = Ω = Ω = Ω = G 1 = 1 / R 1, G 2 = 1 / R 2, G 3 = 1 / R 3 nodo 1 : i 1 i 2 + i 3 = J G 1 e 1 ( G 2 e 1 ) + G 3 (e 1 e 2 ) = J nodo 2 : i 3 + i E = 0 G 3 (e 1 e 2 ) + i E = 0 equazione aggiuntiva e 2 = E ovvero = + + E 0 J i E e e G G G G G G Formulazione equazioni in SPICE

13 Soluzione equazioni in SPICE soluzione statica del sistema (lineare) con il metodo di Gauss. soluzione statica del sistema (non lineare) con l algoritmo di Newton Raphson. soluzione della dinamica con algoritmi di integrazione tipo trapezi o Gear. Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 13

14 Riferimenti M. Biey, Introduzione a PSpice, CLUT, 1993 A. Vladimirescu, Spice, Mc Graw-Hill, Modulo di TEORIA DEI CIRCUITI - Introduzione alla simulazione circuitale con SPICE 14