1. MODELE SPICE Cursul nr. 1 Conf. dr. ing. Gheorghe PANĂ
Notiţe de curs
Cursul nr. 1
Conf. dr. ing. Gheorghe PANĂ

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

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

9. 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

10. 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

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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

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

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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

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

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

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

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

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

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

33. 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

34. 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

35. 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

36. 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

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

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

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

40. 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

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

42. Dioda
Exemple
Cursul nr. 1
9/20/2018

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

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

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

46. 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

47. 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

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

49. 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

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

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

52. 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

53. 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

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

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

56. TEC-J Funcţionare Exemple
Exemple
Realizat în tehnologie THT
(Through-Hole Technology)
Realizat în tehnologie SMT
(Surface-Mount Technology)
Cursul nr. 1
9/20/2018

57. 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

58. 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

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