Attivit sperimentale 2018 Gruppo Elettronica Simulazione elettronica analogica

Attività sperimentale 2018 Gruppo Elettronica Simulazione elettronica analogica con Spice e progettazione di un amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018

Caratteristiche generali del simulatore: I programmi di simulazione circuitale costituiscono uno strumento di estrema utilità per chi si occupa di progettazione di circuiti elettronici Essi semplificano le verifiche funzionali di un progetto Il simulatore SPICE “Simulation Program with Integrated circuit Emphasis” è utilizzato universalmente per la simulazione di circuiti elettronici analogici e digitali Stage elettronica 2018 Marios SHANAJ

Indice: Funzioni generali del simulatore Tipologie di analisi possibili con Spice: - DC Operating point (bias point) - Transient Analysis - AC Analysis - Parameter Sweep - DC Sweep - Temperature Sweep Progetto finale: - Studio di un amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018

DC operating point (bias point): Questo tipo di analisi definisce il punto di lavoro “in regime continuo” di un circuito elettrico: - è usata per determinare le condizioni di lavoro di uno o più dispositivi elettronici; - per osservare le funzioni di trasferimento degli elementi non lineari (es: diodi, transistor, MOS); - per determinare le condizioni iniziali degli elementi reattivi nel dominio del tempo. Stage elettronica 2018

DC operating point (bias point): Si notino nello schema di un amplificatore (emettitore comune con guadagno dinamico = 5) le tensioni e le correnti di polarizzazione. Stage elettronica 2018

Transient analysis L’analisi al transiente, elabora la risposta nel dominio del tempo di un circuito elettronico. Permette quindi di valutare il comportamento di un circuito elettrico, come lo si farebbe con uno oscilloscopio e un circuito reali. Stage elettronica 2018 Alessandro

Transient analysis τ = R*C = 1 us Studio della risposta al gradino di un circuito RC (passa-basso, Vout 1) e di un circuito CR (passa-alto, Vout 2). Si osserva che il comportamento del passa-basso è opposto al passa-alto. τ (il prodotto fra R e C) definisce il tempo che impiega il condensatore a caricarsi al 63% della tensione finale. Il completo caricamento del condensatore avviene praticamente dopo 5 τ. Stage elettronica 2018

Transient analysis Studio di un amplificatore ad emettitore comune con guadagno dinamico = 5 (praticamente R 4 / R 5) Il tracciato è analogo a quello di un oscillografo reale adoperato per verificare che V_OUT = 5 * V_IN (si noti l’inversione di fase) Stage elettronica 2018

AC analysis Questo tipo di analisi, elabora la risposta in frequenza di un circuito elettrico, costituito da elementi lineari (es: resistenza, induttanza, capacità, trasformatore, generatore di tensione e di corrente), ed elementi non lineari, linearizzandoli. La sorgente genera un segnale sinusoidale la cui frequenza varia in un range definito dal progettista. Stage elettronica 2018 William IAMBRENGHI

AC analysis Frequenza d’incrocio ≈ 160 KHz Analisi in frequenza dei circuiti passa-basso e passa-alto: Comportamento del modulo e della fase Stage elettronica 2018

AC analysis Simulazione di circuiti risonanti LC: Si osservi l’andamento della tensione e l’andamento della fase in uscita al variare della frequenza. Stage elettronica 2018

Parameter sweep Questo tipo di analisi permette di variare le sorgenti di tensione e corrente, modelli, parametri globali e temperature di un circuito elettronico. I parametri si cambiano nel pannello di controllo “Simulation profile”. Stage elettronica 2018 Matteo TUVERI

Parameter sweep R 1, R 2: 10 k 5 k 1 k Dal grafico si nota che, variando il valore della resistenza sia nel circuito integratore (R 1) che nel derivatore (R 2), tramite la simulazione parametrica, varia la costante di tempo τ e di conseguenza la frequenza centrale del filtro passa banda. Si noti come la fase, alla frequenza d’incrocio, sia pari a zero. Stage elettronica 2018

Parameter sweep Nel tracciato si osserva l’andamento della tensione in uscita in funzione della variazione del valore resistenza di damping. Il fattore di qualità Q corrisponde al rapporto tra l’impedenza di LC alla frequenza di risonanza fr (in questo caso ~150 Ω) e il valore della resistenza di damping. Stage elettronica 2018

Parameter sweep Abbiamo verificato che la transconduttanza gm = Δ IC / KT = 40 m. A/V a 1 m. A di polarizzazione statica, dimostrando così che tutti i semiconduttori al silicio si comportano nello stesso modo. Resistenza vista all’emettitore = 1/gm. KT = k * T / q = 25. 3 m. V dove k è la costante di Boltzmann (1. 38 x 10 -23 Joules/K), T è la temperatura assoluta in gradi Kelvin, q è la carica dell’elettrone (1. 6 x 10 -19 Coulombs) Stage elettronica 2018 Alessandro SPILA

DC sweep Questo tipo di analisi consente di simulare il circuito variando il valore delle sorgenti DC. Permette di visualizzare la funzione di trasferimento in DC di un dispositivo attivo o di un quadrupolo. Stage elettronica 2018 Alessandra DEL GIORNO

DC sweep Da notare: - l’andamento esponenziale della corrente nel diodo; - la tensione di accensione = 0, 6 Volt; - ad ogni incremento di Kt (25 m. V) ID raddoppia. Stage elettronica 2018

Temperature sweep Questa opzione di analisi ha come parametro variabile la temperatura a cui si trova il circuito Permette di valutare i cambiamenti delle variabili elettriche di un componente al variare della temperatura Stage elettronica 2018

Temperature sweep Variando la temperatura si ottengono diverse caratteristiche del diodo, infatti la tensione di giunzione, diminuisce di circa 2. 2 m. V per grado centigrado. Stage elettronica 2018

Amplificatore reazionato a BJT Victoria AMBLER Stage elettronica 2018

Amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018

Amplificatore reazionato a BJT Lo Stadio di Ingresso è costituito da un Amplificatore BJT, al cui ingresso è posto il segnale che vogliamo amplificare. Al fine di applicare una retroazione negativa a questo amplificatore, abbiamo posto un guadagno in tensione ad anello aperto massimizzato, tramite un condensatore posto in parallelo alla resistenza di emettitore. Stage elettronica 2018

Amplificatore reazionato a BJT Il generatore di corrente serve a fornire una corrente di 1 m. A ai due diodi che fanno parte del driver di uscita a bassa impedenza. Quest’ultimo è costituito anche da due transistor, uno PNP e l’altro NPN, che conducono in modo alternato. In fine ci sono due condensatori di disaccopiamento in AC. Stage elettronica 2018 Francesco PASSA

Amplificatore reazionato a BJT Stage elettronica 2018

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Concetti base Stage elettronica 2018 Marios SHANAJ

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Pads e Vias (Piazzole e Passaggi) (piazzole e attraversamenti) Stage elettronica 2018

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Footprint (Impronta del componente) Stage elettronica 2018

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Circuit Track (Stesura delle piste) Stage elettronica 2018

Passare da un circuito elettrico ad un PCB (Printed Circuit Board) Gerber files (standard ASCII per la produzione di circuiti stampati) Stage elettronica 2018

Riconoscimenti All’ organizzazione del SIS-Divulgazione, per l’efficienza dell’organizzazione e l’accoglienza Al Dott. Pierluigi Campana, Direttore dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, per la sua disponibilità allo svolgimento dei corsi Ai nostri tutori per essersi impegnati nella realizzazione dello stage Stage elettronica 2018

TUTORI Giovanni Corradi Sergio Ceravolo Maurizio Gatta PRESENTAZIONE CURATA DA: Luca VENDETTA Luca SPAZIANI Lorenzo QUADRINI Stage elettronica 2018

GRAZIE PER Studenti partecipanti: L’ATTENZIONE Victoria AMBLER Leonardo ARCANGELI Cristian BRANCALEONI Matteo CICARELLI Alessandra DEL GIORNO Simone DESSI Francesco PASSA Luca PUTIGNANO Lorenzo QUADRINI Marios SHANAJ Luca SPAZIANI Alessandro SPILA Matteo TUVERI Luca VENDETTA Stage elettronica 2018