MODELE SPICE Cursul nr. 1 Conf. dr. ing. Gheorghe PANĂ Notiţe de curs Cursul nr. 1 Conf. dr. ing. Gheorghe PANĂ gheorghe.pana@unitbv.ro

Generalităţi Structura anului univ. 2015-2016 !!! SEMESTRUL I Activitati didactice 1 octombrie 2015 – 18 decembrie 2015 Vacanta 19 decembrie 2015 – 3 ianuarie 2016 4 ianuarie 2016 – 15 ianuarie 2016 Sesiune de colocvii si examene 16 ianuarie 2016 – 14 februarie 2016 Vacanta intersemestriala 15 februarie 2016 – 21 februarie 2016 SEMESTRUL II 22 februarie 2016 – 29 aprilie 2016 30 aprilie 2016 – 8 mai 2016 9 mai 2016 – 3 iunie 2016 4 iunie 2016 – 3 iulie 2016   Sesiune de examene de toamna 29 august 2016 – 11 septembrie 2016 Sesiuni suplimentare 12 septembrie 2016 – 30 septembrie 2016 !!! Cursul nr. 1 9/20/2018

Generalităţi Disciplina face parte din categoria disciplinelor opţionale, evident până când se alege una din următoarele 2: Alegera uneia dintre discipline „se face” în semestrul al II-lea din anul I. Disciplina Codul disciplinei C1 C2 Semestrul I C S L P SI Vr Cr Tehnici CAD în realizarea modulelor electronice ETC.3.07 D O1 1 2 33 3 Modele SPICE ETC.3.08 Cursul nr. 1 9/20/2018

Generalităţi Structura disciplinei “MODELE SPICE”: 1C + 2L 3 puncte de credit COLOCVIU la laborator în săptămâna 11 – 15 ianuarie 2016 3 subiecte: desenare de circuit + simulare SPICE teorie de la CURS proiectare (simplă) de cablaj imprimat pentru circuitul desenat sau o parte a circuitului desenat la punctul 1. Cursul nr. 1 9/20/2018

Noţiuni introductive. SPICE SPICE înseamnă Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis, adică program de simulare cu precădere a circuitelor integrate; A fost realizat, iniţial, pentru simularea funcţionării circuitelor integrate, înainte de realizarea (“turnarea”) lor în siliciu; SPICE este un program de simulare a funcţionării circuitelor electrice şi electronice pentru analize neliniare de c.c. şi în timp şi analiză liniară de c.a. "Let's SPICE this circuit and see if it works" Cursul nr. 1 9/20/2018

Noţiuni introductive. SPICE A fost dezvoltat în Laboratorul de cercetare electronică din cadrul Universităţii Berkeley din California, coordonator fiind prof. Donald O. Pederson; La începutul anilor ’70 a fost creat, mai întâi, programul CANCER (Computer Analysis of Non-Linear Circuits Excluding Radiation); În 1972 este realizat SPICE 1 (scris în FORTRAN). Devine standard în industrie; În 1975, SPICE 2 (scris tot în FORTRAN) este pus la dispoziţia publicului; Cursul nr. 1 9/20/2018

Noţiuni introductive. SPICE În 1985 apare SPICE 3, rescris în limbajul de programare C; Anii ’80 şi mai târziu: Apar versiuni comerciale - HSPICE, IS_SPICE şi MICROCAP; MicroSim realizează PSPICE, prima versiune SPICE pentru PC; Companiile integrează versiunile de SPICE în pachetele de programe de desenare a circuitelor (schematic sau capture) şi de proiectare a cablajelor imprimate (layout sau PCB Editor). Cursul nr. 1 9/20/2018

Circuitul electric. Exemplu Cursul nr. 1 9/20/2018

Circuitul electric reprezintă o buclă închisă (care asigură cale de întoarcere a curentului) alcătuită, în cele mai multe cazuri, dintr-o sursă de energie electrică, fire, o siguranţă fuzibilă, o sarcină şi un comutator: Cursul nr. 1 9/20/2018

Circuitul electric Când se închide comutatorul, curentul (electroni în mişcare ordonată) curge de la terminalul negativ al sursei de energie prin fire la sarcină şi apoi spre terminalul pozitiv al sursei de energie. Sarcina poate fi un rezistor, o impedanţă sau orice dispozitiv care consumă energia electrică ce curge prin circuit şi o transformă în altă formă de energie. Becul este un exemplu de sarcină care consumă energie electrică şi o converteşte în căldură (90%) şi lumină (10%). Alt exemplu este LED-ul (dioda emisivă de lumină – Light Emitting Diode). Cursul nr. 1 9/20/2018

Circuitul electric Tipuri de circuite Circuit serie Circuit paralel Circuit serie-paralel sau Cursul nr. 1 9/20/2018

Legea lui Ohm Conceptele de curent, tensiune şi rezistenţă: Curentul electric reprezintă curgerea (deplasarea ordonată a) unor sarcini electrice. Tensiunea electrică sau diferenţa de potenţial electric reprezintă forţa care dirijează curentul într-un anumit sens. Rezistenţa reprezintă proprietatea unui material (obiect) de a se opune trecerii curentului electric prin el. Cele 3 concepte sunt legate între ele prin legea lui Ohm Cursul nr. 1 9/20/2018

Legea lui Ohm Conform legii lui Ohm, curentul dintr-un circuit electric este direct proporţional cu tensiunea şi invers proporţional cu rezistenţa. Astfel, dacă tensiunea creşte, de exemplu, atunci şi curentul va creşte iar dacă rezistenţa creşte atunci curentul va scădea. Formula legii lui Ohm este V=I x R, unde V=tensiunea în volţi, I=curentul în amperi iar R=rezistenţa în ohmi Cursul nr. 1 9/20/2018

Circuitul electronic este circuitul electric care conţine cel puţin un element activ de circuit Circuitele electronice pot fi: Circuite analogice care prelucrează semnale cu variaţie continuă în timp şi/sau frecvenţă; Circuite digitale care prelucrează semnale care pot lua, uzual, doar 2 valori, corespunzătoare cifrelor binare 0 şi 1 (tensiune 0...0,4V pentru 0 logic, respectiv 2,4V...5V pentru 1 logic, de exemplu); Circuite mixte care prelucrează atât semnale analogice cât şi semnale digitale (CAD şi CDA). CAD=Convertor Analog-Digital CDA=Convertor Digital-Analog Cursul nr. 1 9/20/2018

Componente pasive/active Elementul pasiv de circuit (componenta pasivă) reprezintă o componentă care consumă exclusiv energie electrică (fără să producă energie electrică) sau este componenta incapabilă să realizeze câstig în putere. Exemple: rezistoare, condensatoare, bobine, transformatoare, diode. Cursul nr. 1 9/20/2018

Componente pasive/active Elementul activ de circuit (componenta activă) reprezintă componenta de circuit care nu este pasivă. Elementul activ de circuit consumă energie electrică dar este capabil şi să producă energie electrică sau să realizeze câştig de putere. Pentru a funcţiona, componenta activă trebuie să fie alimentată cu energie electrică. Exemple: tranzistoare, circuite integrate, generatoare de tensiune, generatoare de curent. Cursul nr. 1 9/20/2018

Rezistorul permite să controlăm curentul în circuite. este o componenta cu 2 terminale, caracterizată prin rezistenţa R. Dacă între cele 2 terminale se aplică o diferenţă de potenţial (o tensiune U) atunci curentul I din circuit se poate determina aplicând legea lui Ohm: I=U/R, astfel încât: Cursul nr. 1 9/20/2018

Rezistorul Rol în circuitele electrice Limitarea curentului: un exemplu tipic este limitarea curentului printr-un LED; Dirijarea controlată a curentului în anumite zone ale circuitelor; Polarizarea componentelor active (stabilirea anumitor potenţiale în diferite puncte ale circuitelor) şi stabilirea PSF-ului unor componente active (PSF=Punctul Static de Funcţionare); Filtre şi circuite de temporizare (împreună cu condensatoare). Cursul nr. 1 9/20/2018

Exemplu de circuit electronic Rolul R: Limitare curent – R1, R2 Polarizare tranzistor – R2 (Q1), R3, R4, R5, R6 (Q2) Sarcină – R7 Cursul nr. 1 9/20/2018

Rezistorul Tipuri de rezistoare THT (Through-hole technology): fixe variabile semivariabile Cursul nr. 1 9/20/2018

Rezistorul Rezistoare SMT (Sourface-mount technology): fixe variabile semivariabile Cursul nr. 1 9/20/2018

Rezistorul Comportarea în curent alternativ: în cazul aplicării unei tensiuni alternative unui rezistor, în circuit apare un curent alternativ, în fază cu tensiunea (defazaj zero între curent şi tensiune) Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul este tot o componentă cu 2 terminale care acţionează ca un acumulator de sarcini electrice. Conţine 2 armături metalice plane separate printr-un material izolator numit dielectric. Prin aplicarea unei tensiuni externe între armături, electronii de pe o armătură sunt extraşi şi “împinşi” spre cealaltă armătură. pentru încărcarea cu sarcini a condensatorului are loc un consum de energie. Rezultatul este un condensator care are o armătură încărcată pozitiv iar cealaltă negativ. Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Prin conectarea unui rezistor între terminalele condensatorului, electronii “se întorc acasă” eliberând energia lor. Tensiunea dintre armături este proporţională cu numărul (cantitatea) de sarcini electrice deplasate. La orice condensator, raportul dintre cantitatea de sarcină Q şi tensiunea U este o constantă, numită capacitate, C, Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Rol în circuitele electrice cuplarea semnalului alternativ (separarea componentei continue de cea alternativă); decuplarea semnalului alternativ (scurtcircuitarea semnalului alternativ). La alimentarea circuitelor integrate, de exemplu, între pinii de alimentare se conectează un condensator (ceramic) cu valoarea 10nF…100nF cu rol de decuplare a eventualelor semnale parazite culese de firele de alimentare; filtre şi circuite de temporizare (împreună cu rezistoare). Cursul nr. 1 9/20/2018

Exemplu de circuit electronic Rolul C: Cuplare semnal – C4, C6 Decuplare semnal – C5 Filtrare tensiune continuă – C1, C2, C3 Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Tipuri: Condensatoare fixe Condensatoare variabile Condensatoare semivariabile (trimer) Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Condensatoare fixe (THT) Cu dielectric film plastic – polipropilenă, poliester, polistiren (sau stiroflex) Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Condensatoare fixe (THT) Cu dielectric ceramic Electrolitice Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Condensatoare variabile cu dielectric aer, mică sau plastic (THT) Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Condensatoare semivariabile sau trimer cu dielectric ceramic sau plastic (THT) Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Condensatoare (SMT) Cursul nr. 1 9/20/2018

Condensatorul Comportarea în curent alternativ: în cazul unei tensiuni alternative aplicate pe armăturile unui condensator, în circuitul extern condensatorului apare un curent alternativ defazat înaintea tensiunii cu 90° (grade electrice). Cursul nr. 1 9/20/2018

Bobina este componenta pasivă de circuit care poate stoca energie în câmpul magnetic creat de curentul care a trecut prin ea. Capacitatea bobinei de a stoca energie magnetică se măsoară prin inductanţa L, exprimată în H (henry). Efectul unei bobine în circuitele electrice constă în opunerea la variaţia curentului prin ea prin crearea unei tensiuni la borne proporţională cu variaţia în timp a curentului: Cursul nr. 1 9/20/2018

Bobina Tipic, o bobină se realizează din fir conductor sub formă de spirale, buclele permiţând crearea unui câmp magnetic intens în interiorul bobinei (legea lui Ampere). Datorita câmpului magnetic variabil în timp din interiorul bobinei, se induce în bobină o tensiune (legea inducţiei electromagnetice a lui Faraday), tensiune care se opune variaţiei în continuare a curentului care a produs-o (legea lui Lenz). Cursul nr. 1 9/20/2018

Bobina Rol în circuite analogice şi de procesare a semnalelor: circuite acordate (bobine cu condensatoare) – în radio, tv, comunicaţii; transformatoare – 2 sau mai multe bobine cuplate magnetic; elemente de stocare a energiei în sursele în comutaţie; în sistemele de transmitere şi distribuţie a energiei electrice. Cursul nr. 1 9/20/2018

Exemplu de circuit electronic Rolul L: Transformator – TX1 Cursul nr. 1 9/20/2018

Bobina Exemple THT: Cursul nr. 1 9/20/2018

Bobina Exemple SMT: Cursul nr. 1 9/20/2018

Bobina Comportarea în curent alternativ: în cazul unui semnal sinusoidal prin bobină, curentul este defazat în urma tensiunii la borne cu 90° (grade electrice). Cursul nr. 1 9/20/2018

Dioda este componenta electronică cu 2 terminale care conduce curentul electric într-un singur sens. Cursul nr. 1 9/20/2018

Dioda Exemple Cursul nr. 1 9/20/2018

Dioda Tipuri/Simboluri Cursul nr. 1 9/20/2018

Exemplu de circuit electronic Rolul diodelor: Puntea redresoare D1 LED-ul D2 Dioda zener D3 Cursul nr. 1 9/20/2018

Dioda Comportarea diodei la aplicarea unei tensiuni alternative: Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistorul bipolar (TB) este un dispozitiv electronic cu 3 terminale (E=emitor, B=bază şi C=colector) realizat într-un monocristal semiconductor care are 3 zone dopate (impurificate) diferit şi aflate în succesiunea npn sau pnp Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistorul bipolar (TB) La conducţia curentului electric participă atât electroni (sarcini electrice negative) cât şi goluri (sarcini electrice pozitive), de unde derivă atributul de “bipolar” dat acestor tranzistoare. Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistorul bipolar Exemple Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistorul bipolar Rol în circuite În general în circuite electrice unde se cere contolul curentului şi/sau tensiunii Amplificarea semnalelor analogice Circuite logice de mare viteză (ECL-Emitter Coupled Logic) Circuite de putere în comutaţie Amplificatoare de putere pentru microunde Cursul nr. 1 9/20/2018

Exemplu de circuit electronic Rolul TB: Controlul tensiunii – Q1 Amplificare – Q2 Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistorul bipolar Exemplu de amplificator realizat cu tranzistor bipolar şi formele de undă de la intrare şi ieşire: Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistoare unipolare la conducţia curentului electric participă un singur tip de purtători de sarcină – fie electroni, fie goluri, care au sarcină electrică de un singur fel (unipolar). Se mai numesc şi tranzistoare cu efect de câmp (TEC) deoarece comanda este realizată în tensiune (prin câmp electric). Sunt dispozitive fie cu 3 terminale: sursa – S, poarta – G, drena – D, fie cu 4 terminale: S, G, D şi baza sau substratul – B. Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistoare unipolare Pot fi de 2 feluri: TEC-J – tranzistor cu efect de câmp cu grilă tip joncţiune TEC-MOS – tranzistor cu efect de câmp de tipul metal-oxid-semiconductor Utilizare: în circuite de amplificare în circuite în comutaţie Cursul nr. 1 9/20/2018

Tranzistoare unipolare Simboluri Cursul nr. 1 9/20/2018

TEC-J Foloseşte o joncţiune polarizată invers pentru a separa grila (poarta) de canalul conductor Simbol Cursul nr. 1 9/20/2018

TEC-J Funcţionare Exemple http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/jfet.html Exemple Realizat în tehnologie THT (Through-Hole Technology) Realizat în tehnologie SMT (Surface-Mount Technology) Cursul nr. 1 9/20/2018

TEC-MOS O tensiune aplicată electrodului de comandă - poarta sau grila, izolată de canal printr-un strat de oxid, poate induce un canal conductor între sursă şi drenă. Canalul poate fi de tip n la nMOS, respectiv de tip p la pMOS. Este, de departe, cel mai întâlnit tranzistor din circuitele digitale şi analogice, aşa cum odinioară se vorbea la fel despre tranzistorul bipolar. Cursul nr. 1 9/20/2018

TEC-MOS Termenul de “metal” adesea nu mai corespunde chiar la grila de metal pentru că adesea este un strat de polisiliciu (siliciu policristalin). Până la mijlocul anilor ’70 s-a folosit aluminiul, apoi polisiliciul. Metalul a revenit pentru că numai astfel se obţin tranzistoare de viteză mare. Cursul nr. 1 9/20/2018

TEC-MOS Exemple Cursul nr. 1 9/20/2018