UNIVERSITE DE LA REUNIONFACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIESCAO/CADSIMULATION ELECTRONIQUE SOUS SPICE L3 PHYS 355-CJ.D. LAN SUN LUK, F. ALICALAPA, J. ARMAND - ANNE 2009/2010--- Consignes et prerequis ---Cestravauxpratiquessont leprolongement ducoursdlectroniqueanalogiquedupremier semestre. Unebonneassimilationdumoduleanalogiqueet uneprparationminimalesont ncessairespourpouvoirexploiterpleinementloutil de simulation que constitue le logiciel SPICE. Nous mettrons laccent dans ces TP sur la synthse et lanalyse decircuits lectriques.Nous utiliserons comme simulateur, la version student de PSPICE 9.1 car celle-ci est gratuite et donc accessiblepour votre prparation des TPs (http://personnel.univ-reunion.fr/lanson).Rgles de bonne conduite en salle de Travaux Pratiques Les GSM doivent tre dsactivs avant de rentrer en salle. Les ordinateurs sont configurs par lquipe pdagogique. Vous neffectuez des modifications quavec laccordde lenseignant pour certains Travaux Pratiques. Il est formellement interdit de boire ou de manger en salle de Travaux Pratiques. En sortant vous rangez le matriel sur votre poste et vos tabourets. Avant de sortir remettre votre document ou fichier lenseignant.I NOTATIONLobjectif recherchpar lanotation,est deplacer le logiciel Pspice entantquoutil daide lanalysedes circuits. Lesimple tracde courbenapportequunminimumde points. Pour le barme,les questions decomparaisonentre lathorie et la simulation et lanalyse des rsultats bnficieront de plus de points de notation.II CONSIGNES1. Les prparations sont rdiger sur une copie et seront remis lenseignant en dbut de sance. Votre rapportde TP sera un fichier informatique au format MSOffice Word ou Open Office (voir TP1).2. Enfindesancesurvotre bureau informatique,nedoitfigurerdans votrerpertoiredetravail quedesfichiers portant lextension .pdf 3. Lerpertoiredetravail contenant toutesvostudesetvotrefichier-rapport DOIVENTrespecter lasyntaxesuivante : TPSPICEnx_L3_Mention_NomsDuBinome Exemple : rpertoireTPSPICE2_L3_EEA_DijouxHoarauRapport TPSPICE2_L3_EEA_DijouxHoarau.doc + PDF4. Pour la sauvegarde rseau, ce rpertoire de travail doit tre plac sur le Bureau du PC.5. SPICEpeut gnrer deserreursdesimulationsi vousutilisezpour voscircuitsdesnomstroplongsoucontenantdes caractres spciauxou accentus. Ne conviennentpas aussi le nomdu fichiercommenantpar un chiffre.Eviter des noms tels 3circuit!#1@2.sch 6. Des passerelles sont prvues pour transfrer vos fichiers de prparation sur le serveur de simulation.7. Ainsi quil vous a t dit en cours, une version de Pspice est tlchargeable ladresse suivante : www.univ-reunion.fr/~lanson. Celle-ci vouspermettradevousfamiliariser aveclenvironnement desimulationet deprparer de faon optimale les TPs.8. En complment du cours que vous avez eu, voici quelques liens internet qui donnent accs des documentssur lessimulationslectriques (denombreuxsitessont prsentssur leweb, vousdetrouver celui quicorrespond votre technique dapprentissage) : http://www.gel.ulaval.ca/~lehuy/intropspice/ http://www.montefiore.ulg.ac.be/~degreve/divers/ELEN001-12.pdf http://w3.uqo.ca/d_info/statHTML/labos/laboGenie/manuels/pspice/manuPspice.htmlIII PREREQUIS SUR LUTILISATION DES OUTILS INFORMATIQUESEnvudubondroulement desTPset delEXAMENdeTP,voici une liste minimale doprationsquevousDEVEZsavoir mener la fin des sances pour obtenir les rsultats utiles lanalyse des circuits :1. Crer un nouveau dossier sur le bureau du PC et y sauvegarder un nouveau circuit.2. Organiser votre rpertoirede travail qui setrouve surle bureauduPC ensous-rpertoires pour menerunetude bien structure et efficace. Un circuit par sous dossier pour le retrouver rapidement pour complter votrerapport.3. Crer un nouveau schma lectrique, trouver et placer de faon optimale et claire les composants(commandes Edit->rotate et Edit-> flip ), modifier leur valeur.4. Donnerunnomremarquableuncomposant ouun fil pourleretrouverfacilement danslalistedessignaux simuls.5. Choisir les types de source (VDC, VAC, VSIN, VPULSE, IAC, ISIN..) en fonction du type danalyse mener6. Placer une sonde de tension, une sonde de courant, une sonde de tension diffrentielle7. Raliser unesimulationDC, TRAN, AC, DCSWEEPet savoir quelles analyses ducircuit tudisontassocies ces simulations.8. Mener unesimulation paramtrique PARAM sur la valeur dun composantou dunesourcede tension etdecourant.9. Retrouver le fichier texte de rsultat dune simulation et y retrouver les informations sur la polarisation du circuit: tensions aux nuds, courants et paramtres de transistors.10. Sous le module Probe : insrer une nouvelle courbe, un nouveau graphe, mener des oprationsmathmatiques sur les courbes, lire une valeur sur une courbe avec les curseurs, sauvegarder et rappeler un display associe affichage de courbes.Cette dernire fonctionnalit permet de ne pas retaper des quations longues chaque simulation.11. Insrer ungraphiqueobtenupar simulationdansundocument OpenOffice : il est plussimpledutiliserlesmenus de pspice (dans pspice WindowCopyToClipboard ,puis passer dans OpenOffice coller ) pourexporter ungraphequedutiliserla touche Imprime cran . Cettederniresolution, gnredailleurs uneimage au format BMP qui alourdit normment votre fichier-rapport.12. Insrer sonschmalectriquedansvotrerapport. Dans Schematics (slectionner laportiondecircuitdsir, Edit->Copy to clipboard). Positionner dans OpenOffice votre curseur lendroit souhait et appliquer lacommande coller .13. Vous devez pratiquer chez-vous lutilisation du module de saisie dquation intgrer votre diteur de texte InsertionObjetMicrosoftEquation 3.0ou quivalent (copier-collerdes quations etrgler les tailles decaractre) pour nepasperdredutempsensance. Lidal tant darriver ensanceaveclesquationsimportantes des parties thoriques dj tapes pour complter les parties rdaction et analyse.14. une certaine autonomie vous est donne sur la rdaction de votre rapport (toutes images, graphes du web oude simulation Matlab/Scilabseront apprcis)Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc1--- TP SPICE N1 ---Prise en main de l'outil de simulation PSPICE - Les diffrentes analyses Pour les sances futures : toutes les questions suivies de la mention [Prparation] sont rdiger sur copie et sont remettre en dbut desance au responsable de TP. Les autres questions sont complter directement dans votre fichier numrique.I PLANI Plan................................................................................................................................................................. 1II Objectifs du TP ............................................................................................................................................. 1III Rapport- dossier de travail .......................................................................................................................... 2IV Les analyses du simulateur : ...................................................................................................................... 2V analyse DC Sweep ou DC : Trac de la caractristique d'un transistor effet de champ ........................ 2VI Etude d'un amplificateur base de JFET................................................................................................... 5VI.1 Analyse DC (menu : analysis -> set up -> Bias point Detail) - Etude de la polarisation ............................. 5VI.2 Analyse frquentielle AC sweep - Bande passante de l'amplificateur transistor JFET............................ 6VI.3 Analyse transient - Rponse temporelle de l'amplificateur un signal d'entre venant d'un fichier externe6VI.4 Simulation PARAMETRIC - Utilisation dun paramtre dans un circuit ..................................................... 7VII Caractristiques matricielles d'un quadriple .......................................................................................... 8VII.1 Etude en rgime sinusodal : .................................................................................................................. 8VII.2 Schma quivalent pour une frquence fixe : Fo=100Khz ...................................................................... 9VIII Etude d'un quadriple amplificateur transistor bipolaire 2N2222 ........................................................ 9VIII.1 Etude en rgime statique....................................................................................................................... 9VIII.2 Etude en rgime frquentielle................................................................................................................ 9VIII.2.1 Schma d'tude pour le calcul de Ze et Av...................................................................................... 9VIII.2.2 Schma d'tude pour le calcul de Zs............................................................................................... 9VIII.3 Etude en rgime temporelle..................................................................................................................10IX bibliographie...............................................................................................................................................10II OBJECTIFS DU TPL'outil desimulationquenous utilisons nous autoriseraliser les tudes suivantes qui sont toutes auprogramme de votre licence.1) Etude en rgime statique- dtermination du point de fonctionnement d'un circuit- analyse en sensibilit- relever de caractristique d'un composant non-linaire- calcul du modle quivalent de Thvenin et de Norton d'un diple2) Etude en rgime dynamique- Etude dans le domaine Frquentiel dtermination du modle quadriple au voisinage du point de fonctionnement dtermination de la fonction de transfert du systme lectrique optimisation des performances du systme- Etude dans le domaine temporel validation de l'tude frquentielle avec une sinusode en rgime petits signaux dtermination des limites en amplitude et en frquence de notre rgime ARQS attaque de type chelon ou impulsionnelle pour caractriser le systme3) Modlisation comportementale- Modle quadriple : temporel, frquentiel- Modle de composant : Aop, IGBT,- Importation et Exportation des donnes4) Etude en rgime commut : lectronique discrte- Portes logiques, interrupteur command,- Cration des signaux d'attaque- Analyse temporelle des signaux numriques- Etude d'astable et de convertisseurs de donnesPoints du simulateur que vous allez dcouvrirtrouver et afficher les mesuresde polarisation (Bias point)simulation DC, Dcsweep simulation Transient, ACsweepUniversit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc2crer un schma, fixer lesvaleurs des composantsfaire varier un voire deuxparamtres du circuitexporter vos donnes (figures etcourbes)crer un gnrateur dentre partir dun fichier textetracer le module et la phase duneimpdance tracer le module et la phase dungainutiliser les fonctionsmathmatiques DB, P, LOG10L'objectif de cette premire sance (voir le TP5 aussi pour dautres lments dintroduction) est :- de vous familiariser avec l'outil informatique/logiciel- de vous initier aux analyses DC, TRANSIENT, AC SWEEP....- et dedcouvrirle designflow (=tapesdedveloppement) duncircuit (vousnoterezlorsdelasance le nom des diffrents outils utiliss : probe, schematic, en fonction de ltape raliser).Exemple de design flow suivre :Saisie circuit sous schematic choix des simulations trac des courbes et obtention des informations (outil PROBE)III RAPPORT- DOSSIER DE TRAVAILTousvos circuits, rsultats de simulation et analysesdevront trereportsdansunfichierinformatique(suitelogicielle OpenOffice). L'enseignant en charge des TPs, vous donnera les consignes et procdures suivre pourvous connecter au serveur et crer votre espace de travail. Il devra tre le mme pour l'ensemble des sancesde TP.- Sur le bureau de votre poste crer un dossier TP1_Spice_VotreNom - Crer des sous dossiers circuit1, circuit2, - Crer dans le dossier TP1_Spice_VotreNom , un fichier Open_office : TP1_VotreNom.doc - Crer un fichier PDF partir de votre fichier- Vrifier quil est lisible (position des graphes sur la page, des circuits)IV LES ANALYSES DU SIMULATEUR :Les analyses classiques possible via le menu Analysis type sont : time domain (transient) : analyse temporelle v(t), i(t), p(t)... DC sweep : analyse continue, variation de valeur de sources continues. AC sweep / Noise : analyse frquentielle (exemple diagramme de Bode) Bias point : calcul des points de polarisationNous allons les illustrer ci-dessous.V ANALYSE DC SWEEP OU DC : TRACE DE LA CARACTERISTIQUE D'UN TRANSISTOR A EFFET DE CHAMPSoit le transistor effet de champ J2N3819 canal N. Le simulateur peut tre utilis pour effectuer un relev decaractristiques de ce transistor et comprendre le fonctionnement de ce composant en terme detensions/courants.Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc3Noustravaillonsaveclaconfigurationquadripleducircuit enmutualisant leconnecteur source S entrel'entre et la sortie (voir figure ci-dessous). La figure ci-dessous vous donne quelques lments de paramtragedu logiciel.+-1VVGSJ2N3819J1+-1VVDS0S SGDVi5_2531Figure 1 : Transistor J2N3819 circuit 1Nousavonseffectupour exempleuneanalyseenrgimestatiqueavecunbalayagedessourcesDC(menu : analysis set up DCsweep) de tensions VGS et VDS (Nested sweep cocher seconde sourcevariable ou paramtre variable) avec les valeurs suivantes :VDS varie de 0 10V par pas de 0,1VVGS varie de 0V -3V par pas de -0.5V[GUI1] Uneanalyseen rgime continu(DC Sweep ou DC) permet deffectuer unesimulationenfonctiondunegrandeur pouvant treune tension, un courant, un paramtre global, un paramtre de modle de simulation, oula temprature. Toutes les sources sont utilisables poureffectuer unetellesimulation,cependant, les sourcesVDC (tension continue) et IDC (courant continu) sont les plus concernes. Cette analyse est souvent employepour ltude de la phase de polarisation du circuit.Le trac des graphes sous le logiciel PROBE, nous donne par exemple les courbes suivantes :V_VDS0V 2V 4V 6V 8V 10VID(J1)0A4mA8mA12mAFigure 2 : Caractristique de sortie ID = F(VDS)V_VGS-3.0V -2.5V -2.0V -1.5V -1.0V -0.5V 0VID(J1)0A4mA8mA12mAFigure 3 : Caractristique de transfert ID = F(VGS)Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc4Pour placer descomposantssur votreschma, 2possibilits : parcourir leslibrairiesoutaper lenomdescomposants dans le champ texte suivant :Ce symbole demasse sert de rfrence pour lecalcul detoutes les tensions. Ce symboleestindispensable toute simulation analogique.VDC, source de tension constante idale.Main sweep (= VDS ou = VGS) et Nested sweep ? A essayer en les permutant.Remarque : aprs avoir simul un circuit, ajouter de courbes sur votre graphique par : menuTraceAdd Trace ou icne (ajouter les fonctions mathmatiques du tableau ci-dessous si ncessaire).Devant le grand nombre des signaux visualisables, vous comprendrez lutilit de nommer vos fils survotre figure lors de la phase de saisie du schma(double clic sur le fil).Pour les prfixes des units (il nest pas utile de donner lunit : F,V,Ohms) :Question1[Rdaction] : Implmenterlecircuit sousPspice schematic enutilisant masse,transistor et VDC(placer dansledossier circuit1 par exemple). Renommervossources.Importer votre schma dans votre rapport (cf point 12 prerequis ).Question2[Rdaction] :tracer nouveaulesdeuxgraphiquesprcdents. Par contreVDSvarierade09Vparpasde0.5V, et VGSvariede0V-4Vparpasde-1Vimporter vosrsultats (voir Consignes et prerequis pour exporter le graphe). Pour augmenter lpaisseur dutrait dune courbe : clic droit sur la courbe -> properties (sous loutil probe).Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc5 Sous Probe M=106et m=10-3. Sous Schematic , MEG=106et m ou M =10-3.Decesdeuxgraphes, nouspouvonsdterminer lemodlequivalent petitssignauxdenotretransistor auvoisinage d'un point de fonctionnement :Figure 4 : Modle quivalent petits signaux du transistor J2N3819VI ETUDE D'UN AMPLIFICATEUR A BASE DE JFETSoit le circuit suivant que nous souhaitons caractriser au niveau polarisation :Rd2k+-VDS15V1MEG RuJ2N3819J11MEG Rg+-Ve100nC1200 Rs10uC20 0 0 0 01VSORTIEENTREEVi1_2531Figure 5 : Amplificateur JFET1VI.1 Analyse DC (menu : analysis -> set up -> Bias point Detail) - Etude de lapolarisationRemarque : on en dduit la lecture du fichier de sortie texte ( .out ), la valeur des paramtres utiliser pourle modle quivalent :- GM= 5.19E-03A/V- = 87,7 k = 1/GDSQuestion 3 [Analyse] : Expliquez comment partir du graphe ID=f(VDS) obtenu, nous pouvonsexpliciter la prsence de llment gm.vGS du modle (analyse qualitative).Question 4 [Analyse] : Comment trouver la tension VGS qui bloque le transistor ?Question5[Rdaction]: Implmenter ce circuit(copier votre schma dans votre document) etdonner lesvaleurscorrespondant aupoint depolarisationdutransistor enconsultant lefichier .OUT : IDo, VGSo et VDSoQuestion 6 [Rdaction] : en modifiant votre figure JFET1 (sauvegarder le sous un nom diffrent),donner le circuit de polarisation .Question 7 [Rdaction] : Faites afficher directement sur votre schma lectrique, les tensions etles courants auxdiffrents nuds. Dplacer les informations affiches si besoinpouravoirunefigure lisible. Slectionner alors tout votre circuitetcoller cette image dans votre fichier (copy toclipboard (dans pspice) collage ou collage spciale (dans le traitement de texte)).Question8[Analyse] :Comment appelle-t-onlazonedugrapheID=f(VDS)dutransistorosetrouve ce point de fonctionnement ?Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc6VI.2 Analyse frquentielle AC sweep - Bande passante de l'amplificateur transistorJFETEn considrant laspect frquentiel du circuit prcdent JFET1, le trac du diagramme de Bode en amplitude faitapparatre une bande passante de 100 MHz environ pour ce pramplificateur de14 dB de gain en tension pourune charge infinie (Ru=106).Une analyse en rgime frquentiel (AC Sweep) permet deffectuer une simulation en fonction de la frquence !Les diffrentes sources utilisables pour effectuer une telle simulation sont : VAC (tension sinusodale qui na pasdereprsentationtemporellemaisaunereprsentationfrquentielle), VSIN(tensionsinusodale, qui aunereprsentationtemporelleet unereprsentation frquentielle condition de lui complter le champAC), ainsique toutes les sources de courant correspondantes.VI.3 Analyse transient - Rponse temporelle de l'amplificateur un signal d'entrevenant d'un fichier externePour laspect temporel : soit un fichier de donnes Exc.txt (fichier normalement plac dans le mme dossier quevotrecircuit, olecreretlajouterauprojet viale menu : fenetrePspiceManager ->workspace->addobject), il contient les informations temps / tension (voir figure ci-dessous)Utiliser la source de tension adquate et faite pointer celle-ci vers File=Exc.txt . Nous prenons comme valeurpour les paramtres de la source VPWL_File : TSF=1U, VSF=1M et REPEAT_VALUE=20 01 12 1.53 24 2.55 26 1.57 18 0.59 0Rd2k+-VDS15V1MEG RuJ2N3819J11MEG Rg10nC210nC1Rs 200+-FILE=Exc.txtVe0 0 0 0 0Vi1_2531Figure 6 : Amplificateur JFET2La simulation est effectue dans le domaine temporel sur un intervalle[0s,30us]. Lors dune simulationtemporelle, le pas de calcul (step size) est adapt automatiquement en fonction de la variation des grandeurscalcules : une variationfortedusignal observentraneunediminutiondupasdecalcul. Parcontrele pasdcriture est lepas utilis pour afficher la courbe. Distinguer bien les 2 pas (poser question si besoin)Question 9 [Rdaction] : Retrouver ces rsultats par la simulation (construisez les quations du diagramme de Bode dans la fentre add trace ),en insrantdans votre rapport le graphepermettant devoir cesdeux informations. Vousajouterez votregraphe3marqueurspourexpliciterlesinformations(tools label Mark, ouvoir figureci-dessous), dutextesi besoinpour documenter votre diagramme.Question 10 [Rdaction] : pourquoi a-t-on pris Ve=1V (champ AC) pour le circuit JFET1?Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc7Figure 7 : paramtres danalyse TRANSIENT (exemple de paramtrage)Nous obtenons l'oscillogramme suivant pour ve et VRu :Time0s 5us 10us 15us 20usV2(Ru) V1(Ve)-15mV-10mV-5mV0V5mVFigure 8 : Rponse du circuitVI.4 Simulation PARAMETRIC - Utilisation dun paramtre dans un circuitNe pas raliser le circuit ci-dessous - utiliser avec la simulation de type param Vousserezsouvent amener utiliser 1paramtredanslecircuit. Leparamtreest ici la valeurdelarsistance de base.- donnercomme valeur R2 unnomdeparamtre : {RbVar} avec accolades.- placer sur le schma un symbole particulierPARAMaccessibledanslalibrairieSPECIAL , voir figure.- diter lespropritsdecesymbole(menucontextuel Edit Properties ou double clicsur le symbole)- name1= RbVar (mme nom que la valeur de la rsistance sans les accolades)- donner unevaleur par dfaut (value1=100k) et choisir letypedevariationsouhaite(pour letype value list , ordre croissant des valeurs)- quitter et paramtrer votre simulation Transient du circuit JFET2 ici. Simuler.Enconsidrantlecircuit Amplificateur JFET2 etsontudetransitoire, introduire unparamtre a surlarsistance de source.Question11[Rdaction] : Dansvotrefichiertexte, changer lesvaleurs1.51.2et 2.52.2. Donner le graphe dans le domaine temporel de ve et VRu.Question12[Analyse]: Quelleutilit voyez-vous pouvoir spcifier la sourcedentreparunfichier texte (dans quelles situations peut-on avoir faire ce type de simulation) ?Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc8VII CARACTERISTIQUES MATRICIELLES D'UN QUADRIPOLENous avons maintenant vu les 3 analyses de base. Nous souhaitons caractriser le quadriple suivant l'aidede la matrice Z, en rgime sinusodal.1k R11uC11mL10 0 0UeUsIs IeR21001u C2Vi4_2661Figure 9 : Quadriple passifVII.1 Etude en rgime sinusodal :Nous savons par dfinition des quadriples que :11 1221 22Z Z Ue IeZ Z Us Is (((=((( Z11 Z22Z21.i1 Z12.i2v1v2i1i2vi9+ +Compte tenu des composants du circuit(L1, C1 et C2),nous pouvons prvoir que les paramtres Z vont tredpendants de la frquence et seront de mme nature quun nombre complexe. Calcul des paramtres Zij :Nous donnons titre dillustration un exemple quelconque dvolution AC du module et de la phase de Z11 :Frequency10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHzV(V1:+)/I(C1)020K40KSEL>>MODULEP(V(V1:+)/I(C1))-100d-50d0dPHASEVi4_2531Figure 10 : Phase et module de Z11Question 13 [Rdaction] : Donner votre schmaQuestion14[Rdaction]: Donner VRu poura=50et 100.Vous ajouterez dutexte votregraphe pour indiquer la courbe correspondant 50 Ohms.Question15 [Rdaction] : en vous rfrant la figure transitor J2N3819 et en essayant lesoptions du sweep type , expliquez le fonctionnement de ces diffrents types.11 1221 22Ue UeZ = ZIe I sIs = 0 I e = 0Us UsZ ZIe IsIs = 0 Ie = 0((=(( ((= = (( Universit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc9VII.2 Schma quivalent pour une frquence fixe : Fo=100KhzVIII ETUDE D'UN QUADRIPOLE AMPLIFICATEUR A TRANSISTOR BIPOLAIRE 2N2222Nous choisissons comme transistor, le transistor bipolaire NPN du type Q2N2222A. Lalimentation Vcc est fixe +10V et lamplification en courant | = 180.Rb1 100k10uC11.1k Rc1KR4+-10VVcc1G RUC210uRb2 10k+-Ve1VQ2N2222AQ20Vi4_2661Figure 11 : amplificateur bipolaire BIP1VIII.1 Etude en rgime statiqueDu fichier texte de sortie,VIII.2 Etude en rgime frquentielleVIII.2.1 Schma d'tude pour le calcul de Ze et AvEn considrant le circuit BIP1 propos :VIII.2.2 Schma d'tude pour le calcul de ZsPour ltude de Zs, considrons le schma suivant :Question16[Rdaction] : comment raliser Is=0sachant quil nefaut paslaisser unnuddconnect ou flottant ?Question 17 [Rdaction] : Donner la mme caractrisation pour les 4 paramtres Z entre 10Hzet 100MHz (sparer phaseet modulesur deux graphiquesdiffrents, ajout defentresdevisualisationsur lemmecran: Plot AddPlot toWindow, utiliser lemoyennageAVGsibesoin).Question 18 [Rdaction] : Donner les caractristiques de Z11 cette frquenceQuestion 19 [Rdaction] : Donner les tensions aux diffrents nuds, le point de polarisation dutransistor et les lments du modle petits signaux du transistor.Question 20 [Rdaction] : Donner le gain DC et AC du transistor.Question21 [Rdaction] : Rappeler le rle de C1 et C2. Donner les quatre graphes permettantde caractriser Ze et Av en fonction de la frquenceUniversit de la Runion TP1_Introduction_Spice_284.doc10Rb1 100k10UC11.1kRc1KR4C210U+-10VVccRb2 10kQ1Q2N2222+-1VVs0Vi4_2661Figure 12 : amplificateur bipolaire BIP2****** FIN DU TP (la suite est faire chez soi comme exercice) *******VIII.3 Etude en rgime temporelleA partir du schma ci-dessous :Rb1 100k10UC1Rb2 10k+-10VVccC210U1.1kRcPARAMETERS:VAR1KRU 1G1KR4+-V3 Q2N2222Q20{VAR}vi4Figure 13 : amplificateur bipolaire BIP3Vous choisirez un signal de frquence situe dans la bande passante.Veillez bien rgler les paramtres devotre simulation transitoire : il est inutile davoir 100 priodes du signal sur le graphe, surtout que cela entranerasouvent un long temps de simulation et un fichier de rsultat de taille non ngligeable.IX BIBLIOGRAPHIE[GUI1] Guide_PSpice9.1.pdf*** FIN DU TP ****Question 22 [Analyse] : Commentez cette configuration dtude de Zs, en quoi diffre telle de laprcdente BIP1 ?Question 23 [Rdaction] : Caractriser le comportement frquentiel de Zs.Question 24 [Rdaction] : Donner lallure du signal de sortie pour 3 valeurs damplitude du signaldentre (choisir un cas de saturation du transistor)TP2_Filtres_Actifs_284.doc1--- TP SPICE N2 ---Etudes de Filtres Actifs avec SpiceI OBJECTIFS DU TPI Objectifs du TP ........................................................................................................................................ 1II Introduction............................................................................................................................................. 1III Cellules du premier ordre...................................................................................................................... 2IV Cellules du deuxime ordre C1 C2 - comparaison............................................................................... 4IV.1 Cellule C1 : Mise en cascade de deux cellules de premier ordre........................................................ 4IV.2 Cellule C2 : tude de linfluence dun lment actif de type AOP idal sur les caractristiques........... 4IV.3 Autres cellules de 2ndordre : cellule de Rauch passe-bande.............................................................. 6V Conclusions............................................................................................................................................ 7Points du simulateur que vous allez dcouvrirsauvegarder le display utiliser un composant ELaplace paramtrage de la source vsin paramtrage de la source vac utiliser une source de tensioncontrle en tension E dualit de comportement du circuitentre son analyse AC et son analysetransient.II INTRODUCTIONLe filtrage est une fonction essentielle en lectronique. Il permet par exemple de mettre en forme le signal,avant sa numrisation. Ou sous une autre vision, il peut tre employ pour supprimer certainescomposantes frquentielles (modification du spectre) de ce signal.Figure 1 :exemple dvolution de spectre dans le temps et de gabaritde filtreNous allons au cours de ce TP voir plusieurs structures de filtres dordre 1 et 2 (2mepartie du TP, o unecomparaisonserafaite). Laccent seramissur lasynthsedesfiltresensappuyant sur leurfonctiondetransfert.Unfiltrerel dunsystmelectriquelinaire, continueet stationnaireseracaractrisparsafonctiondetransfert :0 10 1... ( ) N( )( )... ( ) D( )mmnnN Nj N j jT jD Dj D j je e eee e e+ + += =+ + +Nous pouvons factoriser cette fonction de transfert en des polynmes dordre 1 et dordre 2 :TP2_Filtres_Actifs_284.doc21 21 2( ) ( )N( )( )( ) ( ) D( )q kq kol rl rT p T ppT p TT p T p p= =[ [[ [.Pour raliser un filtre dordre n (n tant lordre du polynme en p au dnominateur), nous avons besoin demettre en cascade:- Pour n pair, de n/2 cellules dordre 2- Pour n impair de n/2 cellules dordre 2 et de 1 cellule dordre 1.Nousvoyonsainsi apparatrela notion de cellulesquenouspouvonscascader afindatteindrelordrensouhait. Ces cellules de base sont des filtres actifs ( AOP) dordre 1 et 2. Ils font lobjet de ce TP.III CELLULES DU PREMIER ORDRELes cellules du premier ordre sont souvent passives (circuit C7 ci-dessous). On leur adjoint un lment actif(AOP) afindassurerlaconservation deleurs caractristiques lors de leur miseencascade(circuitC2ci-aprs).RC vevs RCvevsVi2_2661Figure 2 : Cellulespassives du premier ordre circuitC7Ve+-RCRuEgVs( )001. avec* *1Ru Ru RGjRu R Ru R Cjw www= = 1

( )Figure3:Cellule passive Passe-Bas du premier ordre -circuitC6Crer dans votre rpertoire de travail un dossier C6.Question 1 [Analyse] : Quelle est selon vous lutilit de mettre en uvre des cellules dordre 1 et2 au lieu dessayer de synthtiser la fonction de transfert directement avec des composants R, L,C ?Question 2 [Prparation] : Faites ltude thorique du filtre passe-bas C6 ci-dessous (fonction detransfert vs/ve, frquences caractristiquesformule G(j), ci-dessous dmontrer et commenter). Nous prendrons R = 1k, C=1F et Ru=100k.Question3 [Prparation] : partir delexpressionprcdentedelafonctiondetransfert,considrer le cas ou Ru. Donner la nouvelle fonction de transfert.Question4[Rdaction]: implmenter lecircuit C6 sous Pspiceet caractriser le laide dundiagramme de Bode en amplitude (dB) et en phase (R = 1k, C=1F et Ru=100k). Ajouter desmarkers et du texte si besoin pour annoter votre graphe.TP2_Filtres_Actifs_284.doc3Figure 4 : Composant ELAPLACE circuit C8Le composant elaplace ( rutiliser en projet si ncessaire) se trouve dans une librairie spciale. Voiciquelques lments dinformation sur les librairies Pspice :- ABM.OLB : Blocs fonctionnels : Additionneur, soustracteur, drivateur, intgrateur, filtre, transforme de Laplace,.......- ANALOG.OLB : Rsistance, condensateur, inductance, ligne de transmission. Sources de tension et de courant contrlesen tension et en courant.- ANALOG_P.OLB : Rsistance, condensateur, inductance, rsistance variable, varistance.- BREAKOUT.OLB : Elments avec tolrances (pour lanalyse de Monte Carlo). Interrupteur contrl en tension (Sbreak).Interrupteur contrl en courant (Wbreak). Potentiomtre, convertisseur ADC ou DAC.- EVAL.OLB : 20 composants analogiques et 140 composants digitaux.- SOURCE.OLB : Sources de tension et de courant analogiques, gnrateurs digitaux.- SOURCESTM.OLB : Sources de stimuli, 2 analogiques et 6 digitales.- SPECIAL.OLB : Elments de contrle de la simulation.DISPLAYRemarque : pour ne pas avoir retaper les formules associes unecourbe donne pour plusieurs simulations, vous pouvez utiliser dansla fentre probe la commande : window display control.Donner un nom a la configuration en cours dans le champ newname + save . Relancer la simulation, slectionner dans windowdisplay control, votre display dans la liste et appuyer sur restore .Source VSIN(Source de tension pour les analyses frquentielles, temporelle, DC)La dfinition de ces paramtres est la suivante : DC = dfinit la valeur de la tension lors dune analyse en continu AC = dfinit la valeur de la tension lors dune analyse ACsweepLes paramtres suivants concernent lanalyse en transitoire : VOFF = dfinit la tension de dcalage (offset) VAMPL = dfinit lamplitude crte de la tension FREQ = dfinit la valeur de la frquence TD = dfinit le dlai avant lenclenchement de la source parrapport linstant initial t = 0 DF = facteur damortissementQuestion 5 [Rdaction] : en vous inspirant des cas ci-dessous, utiliser un bloc elaplace poursimuler lafonctiondetransfert trouvepour C6(R=1k, C=1Fet Ru=100k). Donnervosrsultatset compareravec lecircuit rel (si ncessairevouspouvezplacerles2circuitssurlemme schematic ).TP2_Filtres_Actifs_284.doc4 PHASE = dphasageSource VACSource de tension pour les analyses frquentielles (NE CONVIENTPAS POUR LES ANALYSES TEMPORELLES). Pas de champ amplitude, frquence .IV CELLULES DU DEUXIEME ORDRE C1 C2 - COMPARAISONIV.1 Cellule C1 : Mise en cascade de deux cellules de premier ordreNous effectuons par suite, une mise en cascade de deux cellules du premier ordre.Ve+-RCRuEgVsRCVi2_2661( )2 2 22* *.. . 3. .1 . . .2 2Ru RRu R CGjC Ru R Ru R Rj CR Ru R Ruww w= Figure5:Cellule passive passe-basdu second ordre -circuit C1IV.2 Cellule C2 : tude de linfluence dun lment actif de type AOP idal sur les caractristiquesNous recommenons lopration, avec cette fois linsertion dlments actifs (AOP) tels indiqus sur le circuitC2. Nous utiliserons une source de tension contrle en tension E de la bibliothque pspice pour simuleridalement lAOP. Le circuit ci-dessous est le circuit quil faudra implmenter sous pspice.1KR1KR+-Ve1V1uC1uC+-+-EE1Ad=106RU{Ru}0Rzeq=1GVi2_2661Figure6:Passe-Bas du second ordre avec le composant E - Circuit C2Question 6 [Analyse] : comparer les paramtres thoriques et simuls du filtre C6.Question 7[Analyse]: raliser la mme simulation mais de faon paramtriquesur Ru pour lecircuitC6.Ru={1k,100K,106}. Tracer ou donner dans un tableau lvolution de la frquence decoupure -3dB en fonction de Ru. Commenter linfluence de Ru sur les caractristiques du filtre(est-ce logique ?).Question8 [Analyse]: pour le circuit C6, raliser 1 simulation transient pour une frquencedu signal dentre correspondant lafrquence de coupure. Commentez votrersultat desimulation ;Question9 [Prparation] : Quedeviennent les caractristiques thoriques dufiltreobtenu(formule G(j) dmontrer et commenter) ? Nous prendrons R = 1k, C=1F et Ru=1k.Question10[Analyse]: Donner comme prcdemmentlexpression de la fonction de transfertquand Ru.TP2_Filtres_Actifs_284.doc5Llment Eest cequelonappelleune source de tension contrle en tension (ouencore VCVS : voltagecontroled voltage source) : de part sa nature, elle est donc caractrise par une grande impdance dentre(par soucis de convergence, nous avons ajout Rzeq), une faible impdance de sortie et un gain en tensionAd comme le montre la figure ci-dessous :+-Ze=Zs 0 =Vs=Ad . AOP+-+-+-EE1Vi2_2661Figure 7 : Modle associ llment E Ce modle avec Ze=, Zs=0 et Ad trs grand (vous pouvez pour vos simulations par exemple fixer A=106)est ce que lon appelle le modle de lAOP idal. Pour information, lAOP rel pour sa part se rencontre sous diverses formes de botier (DIL 8 broches parexemple) :Figure 8 : Divers types de botiersFigure 9 : lintrieur de lAOP UA741- Broche 1 : rglage offset borne 1 dupotentiomtre brancher (possibilit dannulerloffset)- Broche 2 : entre inverseuse- Broche 3 : entre non inverseuse- Broche 4 : Vcc(-), alimentation ngative delAOP, souvent Vcc(-)= -15V- Broche 5 : rglage offset borne 2 dupotentiomtre brancher- Broche 6 : sortie- Broche 7 : Vcc(+), alimentation positive delAOP, souvent Vcc(+)= +15V- Broche 8 : non connecte (non utilise)Figure10:Prsentation du brochage de lAOPrelUA741Figure11:Symbole Pspice de lAOP rel UA741 et sonalimentation (20V ici)Remarque : unamplificateur oprationnel (AOP) est uncomposant lectroniqueintgr : tout lecircuitprsentsurla figureintitule intrieur delAOPUA741 est ralissurun wafer desilicium. Nousnutiliserons cependant pas ici le UA741 mais llment E .TP2_Filtres_Actifs_284.doc6Pour lesapplicationsnumriquesconcernant cefiltre, nousprendronsnouveau : R=1k, C=1FetRu=100k :21( )1 .3. . . .Hjj RC RCww w= IV.3 Autres cellules de 2nd ordre : cellule de Rauch passe-bandePourterminerce TP : pourlaralisationdunpasse-bandedusecondordre, lacelluledeRauchest trsutilise du fait quelle ncessite quun nombre rduit de composants discret (voir figure ci-dessous, ou K estun rel). Cest un circuit contre raction ngative multiple. Sachant que la fonction de transfert gnrique ou normalise dun passe-bande du second ordre est donn par :22. j.( )21 j.ooozHoT jzjeeeeeee=| |+ + |\ ., et quelafonctiondetransfert ducircuit passe-bandeci-dessousestdonn par( )22. . 2.( )1 2. . . . . . . 2.C k R jT jk C k Rj C k R R jeee e=+ + +A dmontrer :( )20 02 21 1 ., ,2. . . 1 .R k k RH zR C k RR k Rw= = =Remarque : le coefficient z est li au facteur de qualit par la formule 2z=1/Q .vevSRABVi3_2661AOP+-CR2K.RCRuFigure12:Cellule passe-bande de Raugh dordre 2 gain variable (circiutC3)Implmenterlecircuit enremplaantlAOPidal par unesourcedetensioncontrleentensionEet enchoisissant la valeur de vos composant telles que fo=10kHz, Q=5 et Ho=10 (systme dquation rsoudre).Mener une simulation paramtrique sur R et R2 (choix libre de valeurs).Question11[Prparation] : Calculer lafonctiondetransfert decettestructureC2entenantcompte des simplifications associes la prsence de E . Et donner les paramtrescaractristiques de cette fonction de transfert du second ordre.Question 12 [Analyse] : Implmenter le filtre sous Pspice (en utilisant le composant E),caractriser le, comparer et commenter vos simulations avec celles de C1.Question 13 [Prparation] : par identification, donner les expressions de Ho, z et o en fonctiondes composants du circuit. Rappeler le nom de ces paramtres.Question 14 [Prparation] : Donner les valeurs des composants que vous avez trouves ?TP2_Filtres_Actifs_284.doc7V CONCLUSIONSLescellulesdebasequenousavonstudiesseprtent trsbien laralisationdefiltresactifsparlamthodedesynthseencascade. Nanmoins, lasynthseencascadeneconvient doncquepour desralisations defiltres peuslectifs dont lordrenedpassepas 8ou10, et pour desfrquences nedpassent pas quelques dizaines de kilohertz.Pourdesgabaritsplussvres, il est prfrabledesetourner versles filtresintgrs, deplusenpluscapacits commutes, o SAW.*** FIN DU TP ***Question 15 [Analyse] : Discuter alors de linfluence de ces deux composants sur o(diagramme de Bode donner si besoin).Universit de la Runion1--- TP SPICE N3 ---Synthse dun amplificateur de tensionToutes les questions suivies de la mention [Prparation] sont rdiger sur copie et sont remettre en dbut de sance au responsable de TP.I PLAN DU TPI Plan du TP................................................................................................................................................ 1II Questions prliminaires ......................................................................................................................... 2II.1 Le premier tage : ECCR .............................................................................................................. 2II.2 Le second tage : Emetteur Commun EC ..................................................................................... 3III Simulations ............................................................................................................................................ 3III.1 Polarisation de ECCR et EC.............................................................................................................. 4III.2 Gain, Ze et Zs des circuits ECCR et EC............................................................................................. 4III.3 Mise en cascade des deux tages : AMP1 = EC + ECCR ............................................................ 4III.4 Analyse de leffet de la contre-raction sur les caractristiques de AMP1........................................... 5III.5 Circuit AMP1CR = AMP1 + contre raction tension-tension :.............................................................. 5Points du simulateur que vous allez dcouvrir trouverles paramtres dumodle dun transistor partir dela simulation .OPmener une tude paramtriquepour une analyse frquentielle ducircuit tracer dexpression utiles votretude, ici produit gain*bandepassante par exemple raliser une tude frquentielle(ACsweep), une tudecomparative du comportementfrquentielle Tracer le comportementfrquentiel dune impdancedentre et de sortie. tudier en simulation les effets dela contre raction sur un circuit pourprolonger votre cours.Nous souhaitons raliser un amplificateur de type tension en basse frquence en sappuyant sur la thoriede la contre raction.Nous appellerons cet amplificateur AMP1 . Notre cahier des charges est le suivant :Nous pouvons priori raliser AMP1 de plusieurs faons. Nous optons pour un circuit compos de 2 tages transistors : une configuration de type metteur commun contre raction avec une rsistance dmetteur, pourle 1er tage. Nous lappellerons ECCR . et metteur commun pour le 2me tage. Nous lappellerons EC .AMP1ECCR ECvi1Figure 1 : Association EC et ECCRNouscalculeronslescomposantsncessaireslapolarisationdechaquetage. Apartir dupoint defonctionnement obtenu, nousidentifieronsleschmaquivalent petitssignauxdenosamplificateursentension. Voustudierezleurimpdancedentreet desortie. Nousobserveronsenfinleffet delacontreraction sur les caractristiques et performances du montage.Ze(AMP1)>40k, Zs(AMP1)100 - Bande Passante minimale :[100Hz- 100KHz]Universit de la Runion2II QUESTIONS PRELIMINAIRESLes circuits ECCR et EC seront composs de transistors bipolaires NPN du type Q2N2222.II.1 Le premier tage : ECCR Le premier tage de notre amplificateur est donn la figure ci-dessous.Re1CL1Rb1 Rc1Q1Q2N2222Rb20VccVsVevi1IpIbFigure 3 : Circuit C1 - Montage Emetteur contre ractiontension-courant - ECCR Pourtudier legain,ZeetZs,il est ncessairede faireunetude petitsignal outudeAC. Au vudurseau de caractristiques dun transistor et du point de fonctionnement auquel nous souhaitons placer lescircuits, nous considrons que le transistor T1 possde comme modle quivalent petits signaux, un modledcrit par une matrice [H] avec : h11 = r1, h21 = Q1, 1/h22 = Q1 et h12 = 0.A partir de la dfinition de la matrice [H] de ce transistor :1 11 12 1.2 21 22 2v H H ii H H v (((= ((( ,Remarque :pour lecalcul suivant, il vous fautdabordredessinerle circuitafin dedonner le schma petitsignal (Vcc est alors une masse dynamique).Question1 [Prparation] : Nous souhaitons raliser un amplificateur de type tension. Quest-ceque cela implique surlordre de grandeur relatifentre Zg,Ze et Zs,Zu ? Expliquer (utiliserles notations proposes sur le schma ci-dessous pour justifier votre rponse) ?Est-ce logique de maximiser Av ? Pourquoi ?EgZgZeZsZuAv.veVeVsAMP1Vi5_2661Figure 2 : Modle damplificateur (Av.ve est un gnrateur de courant contrl en tension)Question 2 [Prparation] : Calculer et donner la valeur des composants, afin de fixer le point defonctionnement P aux coordonnes suivantes : Ico = 1 mA, Ibo = 6 A, Vceo = 7,5 V, Vbeo = 0,65V, Vcc=15V. Nous prendrons Ip de lordre de 60 A et Re1=200O. A dmontrer : Rb2=85.12 kO,Rc1=7.3 kO, Rb1=884.4 kO.Question 3 [Prparation] : Pourquoi sintresse-t-on ici au modle petit-signal de ECCR ?Universit de la Runion3A dmontrer :( ) ( )( )( )( )B ie fe E B fe Ee BBe BBCc feCie e E feZe r h h R r hRR r RZeR r RZs Rr hRAvr R h R hpppbbbb ll= lll = =

= = 1 1 21 1 2111// 1 //. 1. 1.. 1// R R rB=cR R r // =vg rB hie hfeibievercibREERib1// R R r =R r // =// R R r =R r // =vg rB hie hfeibievercibREERivg rB hie hfeibievercibREERiVi3_2661b2c1 chargebfe Ri hE +=1bfe RiE +1( ) bfe RiiE +1chargeet //. . . .b bentre sortieR R Rj C j C w w et dans le sous menu > les logicielssuivants :Nous nous intressons ici aux programmes suivants :- PSpice AD Student, le logiciel de simulation proprement parlJ. CourteaudTP5_NON_obligatoire_ logique_284.docTP5_NON_obligatoire_ logique_284.doc3- Schematics : le logiciel qui permet de saisir le schma simuler, de rgler les paramtres de simulation etde la lancer.Cliquez sur cetteicnepour vousrendredanslemoduleSchematics. Vousobtenez l'cranci-dessous:Maintenant quenoussommesdansSchematics, nouspouvonscrer unnouveauschmapartird'unefeuille blanche : Ouvrir un schma existant (commande File/Open) Modifier volont votre schma Paramtrer l'analyse Sauvegarder votre travail (y compris les paramtres d'analyse).III.3LesbarresdoutilsOn retrouve les fonctions classiques de Windows (ouvrir, fermer, imprimer, etc...), les fonctions de zoom etdes fonctions qui vont plus particulirement nous intresser : Choisir les composants (Get New Part) Les connecter (Draw Wire) Placer les appareils de mesure (Voltage Marker, Current Marker) Paramtrer l'analyse (Setup Analysis) lancer la simulation (Simulate)III.4SaisieduschmaOn commence par cliquer sur le bouton "Get New Part" ( ), ou si on prfre par la commande Draw/GetNew Part..., ou encore par le raccourci clavier Ctrl+ G. Une liste de composants s'affiche aussitt:J. CourteaudTP5_NON_obligatoire_ logique_284.docTP5_NON_obligatoire_ logique_284.doc4Il suffit maintenant dechoisirleoulescomposantsdanslalistedroulantepuisdecliquersurleboutonPlace (si on veut ensuite choisir d'autres composants) ou Place & Close (pour placer le composant choisi surla feuille et fermer la liste). A noter qu'une brve description du composant est affiche sous sa dsignation(Part Name):Pour gagner du temps : afin datteindre directement le composant resistor dans la (longue!) liste, on peuttaper "R" dans le champ Part Name. On tapera "C" pour capacitor, "V" pour VAC, etc...III.5LessourcesdigitalesncessairesvossimulationLes signaux logiques ou sources dentres serontreprsents par lun des symboles accessibles dans lalibrairie ). Pourlesconfigurer,vousdoublecliquerezsurcelle-ciafin de choisir lallure de votre sollicitation.Les pseudo-symboles :Ilspermettent defixerlestatslogiquessur uneentre. Cespseudo-symbolessont disponiblesparlacommande