Corso di Elettronica Industriale (CdL in Ingegneria Meccatronica, sede di Mantova) Simulatori circuitali di tipo SPICE

Transcript

1 Corso di Elettronica Industriale (CdL in Ingegneria Meccatronica, sede di Mantova)

2 Simulatori SPICE SPICE=Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis Strumenti software utilizzati per analizzare il comportamento di circuiti elettronici Analisi di circuiti contenenti una varietà di componenti: resistori, condensatori, induttori, generatori, transistori, amplificatori 2

3 Netlist Per effettuare la simulazione di un circuito, un simulatore SPICE necessita di una descrizione del circuito una lista ed una descrizione delle analisi da compiere sul circuito una lista dei risultati di cui si desidera la rappresentazione Netlist o SPICE input file Deve iniziare con il titolo e finire con lo statement.end 3

4 Descrizione del circuito La descrizione di un circuito in una netlist segue delle regole sintattiche precise; ogni elemento è specificato tramite una linea di codice contenente: il nome dell elemento (in genere con un numero di caratteri non superiore ad 8, dove la prima lettera denota il tipo di elemento) i nodi del circuito cui l elemento è connesso i valori del parametro elettrico (o dei parametri elettrici) associato Il nodo 0 viene sempre usato per indicare il nodo di massa La descrizione del circuito, nei simulatori di uso comune viene fornita attraverso un interfaccia grafica 4

5 Elementi passivi Elemento Simbolo Nodi Valori Resistore Rxxxxxxx N+ N- valore Condensatore Cxxxxxxx N+ N- valore Induttore Lxxxxxxx N+ N- valore Trasformatore Kxxxxxxx NA+, NA- NB+, NB- Lyy, Lzz, KVAL Linea di trasmissione Txxxxxxx NA+, NA- NB+, NB- Z0, TD Nel caso di componenti passivi la distinzione tra N+ ed N- è utile solo per stabilire convenzionalmente il verso di percorrenza di una corrente 5

6 Descrizione del circuito: esempio Componenti N+ N- valore R1 in out 1meg C1 out 0 1p Il circuito descritto è un filtro passabasso con frequenza di taglio di 1 MHz 6

7 Unità di misura e fattori di scala Le unità di misura sono in genere sottointese, per i fattori di scala esistono le seguenti abbreviazioni f (femto) k (chilo) 10 3 p (pico) meg (mega) 10 6 n (nano) 10-9 g (giga) 10 9 u (micro) 10-6 t (tera) m (milli)

8 Dispositivi a semiconduttore Dispositivo Simbolo Nodi Modelli Diodo Dxxxxxxx N+ N- NOME_MOD BJT Qxxxxxxx NC NB NE NS NOME_MOD MOSFET Mxxxxxxx ND NG NS NB NOME_MOD JFET Jxxxxxxx ND NG NS NOME_MOD Per il diodo, N+ rappresenta l anodo, N- il catodo NOME_MOD rappresenta un insieme di parametri relativi al dispositivo 8

9 Modelli di dispositivo (device models) Il modello di un dispositivo fornisce un elenco di valori di parametri utilizzati nelle equazioni che ne governano il funzionamento Dispositivo Diodo BJT MOSFET JFET Descrizione del modello.model NOME_MOD D (IS= n= ).model NOME_MOD NPN (o PNP) (IS= BF= ).model NOME_MOD NMOS (o PMOS) (KP= VTO= ).model NOME_MOD NJF (o PJF) (BETA= VTO= ) La parola chiave LEVEL, presente in ogni modello, fa riferimento all insieme di equazioni che descrivono il comportamento del dispositivo 9

10 Modelli di dispositivo (device models) L insieme di parametri inclusi in un modello dipende dall equazione (livello) utilizzata per la descrizione del comportamento del dispositivo dal simulatore impiegato In genere, una descrizione più accurata richiede un equazione più complessa ed un maggior numero di parametri Se il valore dei parametri non viene specificato, il simulatore assume per essi valori predefiniti 10

11 Descrizione del circuito: altro esempio Inverter NMOS con carico resistivo Componente Nodi Valore VDD (V) Vin 1 0 DC 1 (V) M1 Out modn R1 2 Out 1k.model modn nmos 11

12 Generatori I generatori possono essere di corrente o di tensione dipendenti (comandati) o indipendenti in continua (DC) e/o in alternata (AC) di segnale (corrente o tensione variabile) o di corrente o tensione costante Per l analisi del transitorio di un circuito è possibile assegnare ad un generatore un valore variabile nel tempo secondo una legge definita dall utente 12

13 Descrizione dei generatori Elemento Simbolo Nodi e grndezze di controllo Generatore di V (indip.) Generatore di I (indip.) Vxxxxxxx N+ N- Ixxxxxxx N+ N- Valore VCCS Gxxxxxxx N+ N- NC+ NC- G (transconduttanza) VCVS Exxxxxxx N+ N- NC+ NC- Av CCCS Fxxxxxxx N+ N- curr_name Ai CCVS Hxxxxxxx N+ N- curr_name R (resistenza) Nel generatore di corrente, la corrente scorre dal terminale N+ al terminale N- 13

14 Generatori in DC ed in AC I valori in continua ed in alternata dei generatori sono introdotti dalle parole chiave DC ed AC Esempi I m Generatore di corrente da 5 ma tra il nodo 1 e massa (la corrente scorre verso il nodo di massa) V1 4 7 DC 1 AC 1m Generatore di tensione tra il nodo 4 ed il nodo 7; tensione in DC pari ad 1 V e tensione in AC pari ad 1 mv 14

15 Generatori di segnale I simulatori circuitali mettono a disposizione vari tipi predefiniti di generatori di segnale Impulso (Pulse) Vxx N+ N- pulse (V1 V2 TD TR TF PW PER) 15

16 Generatori di segnale I simulatori circuitali mettono a disposizione vari tipi predefiniti di generatori di segnale Segnale di tipo esponenziale (Exponential) Vxx N+ N- exp (V1 V2 TD1 TAU1 TD2 TAU2) 16

17 Generatori di segnale I simulatori circuitali mettono a disposizione vari tipi predefiniti di generatori di segnale Segnale definito a tratti (Piece-Wise-Linear) Vxx N+ N- pwl (TN VN [TN VN]) 17

18 Generatori di segnale I simulatori circuitali mettono a disposizione vari tipi predefiniti di generatori di segnale Segnale sinusoidale (Sine) Vxx N+ N- sin (VO VA FR TD THETA) 18

19 Generatori di segnale: esempio V1 1 0 pulse (0 1 40n 5n 10n 20n) Segnale di forma impulsiva con livello di partenza pari a 0 V livello di arrivo pari ad 1 V ritardo pari a 40 ns tempo di salita pari a 5 ns tempo di discesa pari a 10 ns durata pari a 20 ns 19

20 Analisi del circuito Sono possibili vari tipi di analisi circuitale punto di lavoro risposta in continua.op.dc nome_sorgente START STOP STEP risposta in frequenza.ac DEC punti_per_dec START STOP risposta nel transitorio.tran STEP STOP 20

21 Risultati dell analisi I risultati dell analisi sono forniti in formato grafico; per esempio.plot DC V(4) permette la rappresentazione grafica dell andamento della funzione di trasferimento in continua tra un dato generatore di tensione ed il nodo 4 del circuito.plot TRAN I(VIN) permette la rappresentazione del transitori del segnale di corrente del generatore VIN 21

22 Esempio: inverter CMOS * Titolo: inverter CMOS VP Vin in 0 DC 1 MP out in 1 1 modp MN out in 0 0 modn.model modp PMOS.model modn NMOS.dc Vin

23 Esempio: catena di inverter Circuito formato dalla serie di tre circuiti (inverter CMOS) uguali tra loro (struttura ripetitiva) 23

24 Sottocircuiti Sono utili per la descrizione di circuiti nei quali siano presenti strutture più o meno complicate che si ripetono identiche In circuiti complessi offrono la possibilità di semplificare e rendere più ordinata la descrizione della struttura.subckt nome_del_sottocircuito N1 N ENDS [nome_del_sottocircuito] x1 N11 N21... nome_del_sottocircuito definizione del sottocircuito chiamata al sottocircuito 24

25 Sottocircuiti: esempio.subckt inv_cmos in out VDD VSS MN out in VSS VSS modn MP out in VDD VDD modp.ends [inv_cmos] Sottocircuito inverter CMOS; è fornito di un ingresso (in), un uscita (out) ed alimentazioni (VDD e VSS) 25

26 Catena di inverter La catena di inverter può essere rappresentata mediante la serie di tre sottocircuiti inv_cmos 26

27 Catena di inverter: netlist *Titolo:catena di inverter con sottocircuito.subckt inv_cmos in out VDD VSS MN out in VSS VSS modn MP out in VDD VDD modp.ends [inv_cmos] VP 1 0 5V Vin in1 0 1V X1 in1 out1 1 0 inv_cmos X2 out1 out2 1 0 inv_cmos X3 out2 out3 1 0 inv_cmos.model modn NMOS.model modp PMOS.dc Vin

28 Software di simulazione LTspice Nelle esperienze di laboratorio utilizzeremo il software di simulazione LTspice IV, fornito gratuitamente da Linear Technology e scaricabile dalla pagina web Sul sito sono disponibili altri pacchetti software di simulazione, tutorial e guide per l utilizzo dei diversi pacchetti e librerie di dispositivi e circuiti di Linear Technology 28

29 Relazione sulle esperienze del laboratorio di simulazione circuitale Le relazioni dovranno riguardare le esperienze svolte durante il laboratorio di simulazione circuitale Per ciascuna esperienza, la relazione dovrà comprendere una descrizione mediante schema elettrico del circuito simulato una descrizione del comportamento previsto sulla base del suo studio analitico, con riferimento alle nozioni apprese durante le lezioni una descrizione delle simulazioni effettuate e dei risultati ottenuti (necessariamente anche mediante grafici), con enfasi sulle differenze eventuali tra il risultato delle simulazioni e quello teorico previsto Le relazioni, redatte individualmente da ciascuno studente, dovranno essere consegnate in un unica soluzione (se possibile in formato elettronico, anche via ) entro il 22 maggio 29