TEHNICI DE SIMULARE

TEHNICI DE SIMULARE Notiţe de curs Cursul nr. 1 Conf. dr. ing. Gheorghe PANĂ gheorghe.pana@unitbv.ro

Generalităţi • Structura anului univ. 2013-2014 Cursul nr. 1

Generalităţi • Structura TEHNICI DE SIMULARE: 1C + 2L • 3 puncte de credit • COLOCVIU la laborator în săptămâna 13 – 17 ianuarie 2014 • 3 subiecte: • desenare de circuit • teorie de la CURS • proiectare (simplă) de cablaj pentru circuitul desenat sau o parte a circuitului desenat Cursul nr. 1

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

Noţiuni introductive.SPICE • A fost dezvoltat în Electronics Research Laboratorydin cadrul University of California, Berkeley, coordonator 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

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 integreazăversiunile 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

Circuitul electric. Exemplu Cursul nr. 1

Circuitul electric • reprezintă o buclăînchisă (care asigură cale de întoarcere a curentului) alcătuită, în cele mai multe cazuri, dintr-o sursă de energie electrică, fire, o siguranţă fuzibilă, o sarcinăşi un comutator: Cursul nr. 1

Circuitulelectric • Când se închide comutatorul, curentul (electroni în mişcare ordonată) curge de la terminalul negativ al sursei de energie prin fire la sarcinăşi 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 transformăîn altă formă de energie. • Becul este un exemplu de sarcină care consumă energie electricăşi o converteşte în căldură (90%) şi lumină (10%). Alt exemplu este LED-ul (dioda emisivă de lumină). Cursul nr. 1

Circuitulelectric • Tipuri de circuite • Circuit serie • Circuit paralel • Circuit serie-paralel sau Cursul nr. 1

Legea lui Ohm • Conceptele de curent, tensiune şi rezistenţă: • Curentulelectricreprezintă 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

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

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 continuăîn 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); • Circuite mixte care prelucrează atât semnale analogice cât şi semnale digitale (CAD şi CDA). Cursul nr. 1

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

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 capabilă să şi 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

Rezistorul • permite să controlăm curentul în circuite. • este o componenta cu 2 terminale, caracterizată prin rezistenţa R. • Dacăîntre 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

Rezistorul • Rol în circuitele electrice • Limitarea curentului: un exemplu tipic este limitarea curentului printr-un LED (Light Emitting Diode – dioda emisivă de lumină); • Dirijarea controlată a curentuluiîn anumite zone ale circuitelor; • Polarizarea componentelor active(stabilirea anumitor potenţiale în diferite puncte ale circuitelor) şi stabilirea PSF-ului (Punctul Static de Funcţionare) unor componente active; • Filtre şi circuite de temporizare(împreună cu condensatoare). Cursul nr. 1

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

Rezistorul • Tipuri de rezistoare: fixevariabile semivariabile Cursul nr. 1

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

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 armăturăîncărcată pozitiv iar cealaltă negativ. Cursul nr. 1

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 sarcinăQşi tensiunea Ueste o constantă, numităcapacitate,C, Cursul nr. 1

Condensatorul • Rol în circuitele electrice • cuplarea semnaluluialternativ (separarea componentei continue de cea alternativă); • decuplarea semnaluluialternativ (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

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

Condensatorul • Tipuri: • Condensatoare fixe • Condensatoare variabile • Condensatoare semivariabile (trimer) Cursul nr. 1

Condensatorul • Condensatoare fixe • Cu dielectric film plastic – polipropilenă, poliester, polistiren (sau stiroflex) Cursul nr. 1

Condensatorul • Condensatoare fixe • Cu dielectric ceramic • Electrolitice Cursul nr. 1

Condensatorul • Condensatoare variabile cu dielectric aer, mică sau plastic Cursul nr. 1

Condensatorul • Condensatoare semivariabile sau trimer cu dielectric ceramic sau plastic Cursul nr. 1

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

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, exprimatăîn 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

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

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 energieiîn surseleîn comutaţie; • în sistemele de transmitere şi distribuţie a energiei electrice. Cursul nr. 1

Exemplu de circuit electronic • Rolul L: • Transformator – TX1 Cursul nr. 1

Bobina • Exemple: Cursul nr. 1

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

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

Dioda • Exemple Cursul nr. 1

Dioda • Tipuri/Simboluri Cursul nr. 1

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

Dioda • Comportarea diodei la aplicarea unei tensiuni alternative: Cursul nr. 1

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

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

Tranzistorul bipolar • Exemple Cursul nr. 1

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

Rolul TB: • Controlul tensiunii – Q1 • Amplificare – Q2 Exemplu de circuit electronic Cursul nr. 1

Tranzistorul bipolar • Exemplu de amplificatorrealizat cu tranzistor bipolar şi formele de undă de la intrare şi ieşire: Cursul nr. 1

Tranzistoare unipolare • la conducţia curentului electric participă un singur tip de purtători de sarcină – fie electroni, fie goluri, care au sarcinăelectrică 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

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

Tranzistoare unipolare • Simboluri Cursul nr. 1

TEHNICI DE SIMULARE