Introduzione al simulatore circuitale SPICE

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Introduzione al simulatore circuitale SPICE
Corso di Circuiti Elettronici Analogici L-A
Andrea Cappelli Bologna, 27 Gennaio 2005
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Contatti

• Andrea Cappelli
• ARCES viale Pepoli 3/2
• Telefono 051 20 93828
• E-mail acappelli_at_deis.unibo.it

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Il Simulatore SPICE
Text Editor
Text Editor
.out
Parser Solver
.cir
.sch
Graphic Interface
.dat
Schematic Editor
.lib

• Simulation Program with Integrated Circuit
  Emphasis
• Sviluppato a Berkeley negli anni 60

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Struttura della Netlist
Titolo della netlist . . ltcaricamento librerie
e definizione modelligt . . ltistanziamento
componentigt . . ltcomandi di simulazionegt . . ltistr
uzioni di post-simulazionegt
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Regole sintattiche

• La prima riga del file .cir è riservata al titolo
  e non viene interpretata
• SPICE è case insensitive
• Per continuare a capo una linea comando basta
  cominciare la seconda riga con
• Il carattere commenta unintera linea
• Il carattere commenta la restante parte della
  linea

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La Netlist

• E un elenco di dispositivi opportunamente
  connessi
• Ad ogni nodo è associato un identificativo (0 è
  riservato per il nodo di massa)
• Ogni dispositivo è caratterizzato da
• Nome
• Connettività (nodi a cui è connesso)
• Modello di riferimento
• Elenco dei parametri (es. il valore della
  resistenza)

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Componenti Lineari Passivi

• RltNomegt ltngt ltn-gt Modello ltValoregt
• CltNomegt ltngt ltn-gt Model ltValoregt ICltV0gt
• LltNomegt ltngt ltn-gt Model ltValoregt ICltI0gt
• La prima lettera del nome identifica il tipo di
  componente
• n ed n- sono i nodi a cui i componenti sono
  collegati
• Il modello è opzionale, in caso di omissione si
  considerano componenti ideali
• Il campo IC permette di specificare il valore
  iniziale di tensione (condensatori) o corrente
  (induttori) per le analisi in transitorio.

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Resistori
RltNomegt ltngt ltn-gt Modello ltValoregt

• Modello se assente viene considerato un
  resistore ideale (lineare senza effetti reattivi
  VRI)
• Valore specifica il valore della resistenza

n
I
V
n-
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Condensatori
CltNomegt ltngt ltn-gt Model ltValoregt IC ltV0gt

• IC Permette di specificare lo stato iniziale
  (tensione) del condensatore.
• Se il modello non è specificato si assume il
  condensatore come ideale

n
V
I
n-
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Induttori
LltNomegt ltngt ltn-gt Model ltValoregt IC ltI0gt

• IC Permette di specificare lo stato iniziale
  (corrente) dell induttore.
• Se il modello non è specificato si assume
  linduttore come ideale

n
I
V
n-
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Generatori Indipendenti (I)

• VltNomegt ltngt ltn-gt DC ltValoregt
• AC ltampiezzagtfase
• Stimolo Transitorio
• IltNomegt ltngt ltn-gt DC ltValoregt
• AC ltampiezzagtfase
• Stimolo Transitorio

n
I
V
n-
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Generatori Indipendenti (II)

• Il campo AC identifica il generatore come input
  per analisi AC
• Lo stimolo transitorio specifica la forma donda
  relativa a questo generatore, per le analisi in
  transitorio

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Esempio analisi DC

• Primo Esempio
• Un partitore resistivo
• VIN 1 0 DC 6
• Resistenza tra 1 e 2
• R1 1 2 100
• Resistenza tra 2 e massa
• R2 2 0 50
• Analisi DC del circuito
• .OP
• .END

R1
2
1
R2
VIN
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Stimoli Transitori (I)

• Si usa lo stimolo PULSE per generare forme donda
  periodiche
• PULSE (ltV1gt ltV2gt ltTdgt ltTrgt ltTfgt ltPWgt ltPERgt)

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Stimoli Transitori (II)

• SIN (ltVoffsetgt ltVampgt ltFREQgt ltTdgt ltDFgt ltFASEgt)
• VVoffsetVampsin2pfreq(tTd)FASE/360)exp
  -(t-Td)/DF

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Stimoli Transitori (III)

• Per generare una forma donda arbitraria si usa
  lo stimolo PULSE
• PWL (t0,V0) (t1,V1) (t2,V2) (tn,Vn)
• Ad ogni coppia corrisponde un punto
• I punti vengono interpolati tramite rette
• Lultimo valore di tensione viene mantenuto fino
  alla fine della simulazione

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Comandi di simulazione .OP

• Valuta il Punto di Riposo piu vicino allo stato
  iniziale del circuito
• Non vengono prodotte forme donda ma sul file
  .OUT di uscita del simulatore vengono riportati
  tutti i valori di tensioni e correnti nel punto
  di riposo
• Trova soltanto un punto di riposo
• La ricerca e di tipo iterativo e non e detto
  che il punto di riposo venga trovato.

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Comandi di simulazione .AC
.AC lttipogt ltn puntigt ltf inizialegt ltf finalegt

• Tipo indica il tipo di sweep
• Lineare (LIN),Logaritmico per ottave(OCT),
  Logaritmico per decadi(DEC)
• Noi useremo esclusivamente sweep per decadi
• Efettua Lanalisi ai piccoli segnali
  linearizzando il circuito attorno al punto di
  riposo piu vicino (effettua una analisi di .op
  preliminare)
• Gli ingressi sono considerati tutti i generatori
  indipendenti con lindicazione AC
• Risolve il sistema calcolando le grandezze
  complesse (parte immaginaria e reale)
• Non effettua analisi sul comportamento globale
  (ai grandi segnali) del circuito

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Comandi di simulazione .DC
.DC lttipogt ltnome vargt ltvalore inizialegt ltvalore
finalegt ltvalore incrementogt

• Permette di ricavare la caratteristica statica
  ingresso/uscita del circuito
• Calcola i punti di riposo al variare del valore
  di un generatore, di tensione o di corrente,
  esplicitato da ltnome vargt

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Comandi di simulazione .TRAN
.TRAN ltT stepgt ltT stopgt ltT startgt ltT maxgt

• Permette di Valutare il comportamento del
  circuito nel dominio dei tempi.
• La simulazione parte sempre da t 0
• Specificare ltT startgt fa si che vengano salvati
  soltanto I valori da t Tstart in poi, riducendo
  le dimensioni dei file di uscita
• ltT maxgt e il massimo valore dello step temporale
  usato per la simulazione, e quindi per la
  risoluzione dell equazioni differenziali
• Il comando .IC puo essere usato per specificare
  la condizione iniziale del circuito
• .IC ltV(ltn_nodogt,ltn_nodogt) valgtltI(ramo) valgt

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Altri comandi .MODEL
.MODEL ltModel Namegt ltTypegt (ltValori dei
parametrigt)

• .MODEL si usa per settare un set di parametri da
  utilizzare per dispositivi complessi (Diodi,
  Transistori)
• Model Name si usa per fare riferimento ad uno
  specifico modello
• Type specifica il tipo di modello da usare
• I parametri variano da modello a modello

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Altri comandi .SUBCKT
.SUBCKT ltNomegt ltNodesgt PARAMS ltParametro
Default Valuegtgt .ENDS

• Permette di definire sottocircuiti riutilizzabili
  più volte come i componenti predefiniti
• I nodi esplicitati nellintestazione e
  allinterno del corpo hanno carattere locale
  (tranne 0)
• Ogni nome ha carattere locale
• I sottocircuiti possono essere istanziati come
  componenti generici
• XltNome Ist.gt ltNodesgt ltNome Sub.gt ltValore
  Parametrigt

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Sottocircuito Amplificatore Operazionale

• .SUBCKT OPAMP INP INN OUT PARAMS VUMP10
  VUMN-10 AD400K
• E1 OUT 0 VALUEMAX(MIN(ADV(INP,INN),VUMP),VUMN
  )
• .ENDS

XAMP 1 0 2 OPAMP PARAMS AD200K
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Altri comandi .PROBE
.PROBE ltltvargt.gt

• Permette di salvare il valore di correnti e
  tensioni del circuito
• Senza argomenti salva tutto
• Nel caso di simulazioni di circuiti complessi
  specificando esclusivamente i valori di tensione
  e di corrente voluti si puo ridurre lammontare
  dei dati da salvare, velocizzando la simulazione
  e riducendo le dimensioni dei file di uscita

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Comandi Vari

• .TEMP ltvaloregt
• Permette di settare il valore della temperatura
  di simulazione
• .OPTION ltnome opzionegtltn_opzionegtltvaloregt
• Permette di settare tutta una serie di opzioni
  che possono andare da le caratteristiche di
  simulazione a quelle di output
• .PARAM ltnome opzionegtltn_opzionegtltvaloregt
• Permette di definire dei parametri a dare loro un
  valore
• I parametri possono essere utilizzati allinterno
  delle varie parti componenti la netlist
• .STEP LIN ltnome_variablegt ltstartgt ltendgt
  ltincrementgt
• Permette analisi parametriche variando
  opportunamente un parametro del circuito

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Secondo Esempio circuito RCAnalisi del
transitorio di carica

• Carica RC
• V1 1 0 PULSE 0 5
• R1 1 VOUT 6k
• C1 VOUT 0 10n
• .TRAN 5n 400u
• .PROBE
• .END

R1
VOUT
1
C1
VIN
Calcolare il tempo di salita all80 e verificare
il risultato ottenuto tramite il simulatore
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Terzo Esempio circuito RCAnalisi in frequenza
R1
VOUT

• Carica RC
• V1 1 0 PULSE 0 5
• R1 1 VOUT 6k
• C1 VOUT 0 10n
• .AC DEC 1000 1hz 10MEG
• .PROBE
• .END

1
C1
VIN
Calcolare la frequenza di taglio e verificare il
risultato ottenuto tramite il simulatore