Simulatori circuitali di tipo SPICE

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Corso di Elettronica Industriale (CdL in Ingegneria
Meccatronica, sede di Mantova)
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
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
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
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
NA+, NA-
NB+, NB-
Z0, TD
Txxxxxxx
Nel caso di componenti passivi la distinzione tra N+ ed N- è utile solo
per stabilire convenzionalmente il verso di percorrenza di una
corrente
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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
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)
10-15
k (chilo)
103
p (pico)
10-12
meg (mega)
106
n (nano)
10-9
g (giga)
109
u (micro)
10-6
t (tera)
1012
m (milli)
10-3
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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
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
Descrizione del modello
Diodo
.model NOME_MOD D (IS=… n=…)
BJT
.model NOME_MOD NPN (o PNP) (IS=… BF=…)
MOSFET
.model NOME_MOD NMOS (o PMOS) (KP=… VTO=…)
JFET
.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
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
Descrizione del circuito: altro esempio
Inverter NMOS con carico resistivo
Componente
Nodi
Valore
VDD
2
0
5 (V)
Vin
1
0
DC 1 (V)
M1
Out
1
R1
2
Out
0
0
modn
1k
.model modn nmos
11
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
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Descrizione dei generatori
Elemento
Simbolo
Nodi e grndezze di
controllo
Generatore
di V (indip.)
Vxxxxxxx
N+
N-
Generatore
di I (indip.)
Ixxxxxxx
N+
N-
VCCS
Gxxxxxxx
N+
N-
NC+
NC-
Valore
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 NSimulatori circuitali di tipo SPICE
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Generatori in DC ed in AC
I valori in continua ed in alternata dei generatori sono introdotti
dalle parole chiave DC ed AC
Esempi
I1
1
0
5m
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
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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)
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Segnale di tipo esponenziale (Exponential)
Vxx
N+
N-
exp (V1 V2 TD1 TAU1 TD2 TAU2)
16
Segnale definito a tratti (Piece-Wise-Linear)
Vxx
N+
N-
pwl (TN VN [TN VN])
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Segnale sinusoidale (Sine)
Vxx
N+
N-
sin (VO VA FR TD THETA)
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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
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Analisi del circuito
Sono possibili vari tipi di analisi circuitale
• punto di lavoro
.OP
• risposta in continua
.DC nome_sorgente START STOP STEP
• risposta in frequenza .AC DEC punti_per_dec START STOP
• risposta nel transitorio
.TRAN STEP STOP
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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
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Esempio: inverter CMOS
* Titolo: inverter CMOS
VP
1
0
5
Vin
in 0
MP
out
in
1
1
modp
MN
out
in
0
0
modn
DC
1
.model modp PMOS
.model modn NMOS
.dc Vin 0 5 .1
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Esempio: catena di inverter
Circuito formato dalla serie di tre circuiti (inverter CMOS) uguali tra
loro (struttura ripetitiva)
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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 N2...
.....
.ENDS [nome_del_sottocircuito]
.....
.....
x1 N11 N21... nome_del_sottocircuito
definizione del
sottocircuito
chiamata al
sottocircuito
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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)
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Catena di inverter
La catena di inverter può essere rappresentata mediante la serie di
tre sottocircuiti inv_CMOS
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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 0 5 .1
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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
http://www.linear.com/designtools/software/#LTspice!
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
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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 email) entro il 22 maggio
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