Leggere ed imparare nuovi argomenti su di un libro è sicuramente una fase importante nel migliorare le proprie conoscenze, ma uno studio non supportato da esperienze pratiche rende spesso inutilizzabile le conoscenze apprese da un testo. Un laboratorio che permetta di sperimentare ogni componente di nostro interesse  può risultare costoso rendendo le esperienze pratiche spesso impossibili. Anche se non sostituisce le esperienze di laboratorio, simulare i circuiti elettronici per mezzo di CAD (Computer Aided Design) dedicati può risultare molto utile. In questa Brief Note verranno introdotti i CAD principali per la simulazione di circuiti elettronici concentrandosi prevalentemente sui software gratuiti.

Simulare un circuito elettronico non deve essere visto come una esperienza prettamente didattica necessaria solo a studenti. Il simulatore di circuiti elettronici è uno strumento utilizzato da molti progettisti al fine di accertarsi che il proprio sistema o subsistema funzioni correttamente come da progetto, prima ancora di avere i componenti sulla propria scrivania.

Questo approccio risulta particolarmente utile qualora si stia lavorando con componenti i cui Package (contenitori) siano particolarmente piccoli e il loro utilizzo in laboratorio richiederebbe PCB (Print Circuit Board) dedicati. Per esperienza personale a supporto di dipartimenti di ricerca e sviluppo di sistemi ad alta frequenza, posso affermare che la simulazione degli stadi amplificatori in ingresso (front-end) è un passo molto importante nella fase di progettazione.

A supporto di questo approccio di sviluppo, tutte le case produttrici di componenti elettronici, (National Semiconductor, TI, Analog, Intersil, Maxim, Microchip, Infineon, Fairchild Semiconductor, ecc.) forniscono per i propri componenti elettronici i modelli SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) per permettere la simulazione dei propri componeti all'interno di sitemi elettronici. Oltre ai modelli SPICE molti circuiti integrati sono spesso supportati da evaluation board o reference board che possono essere utilizzate per testare i componenti d'interesse direttamente in laboratorio, senza dover progettare una propria board.

Il modello SPICE discende da una tecnica sviluppata dall'Electronics Research Laboratory dell'Università della California in Berkeley, per rappresentare e simulare componenti e sistemi elettronici. In particolare SPICE rappresenta il software e i modelli che rispettano lo standard SPICE vengono definiti modelli SPICE. Il modello di un componete permette di descrivere il componente e il suo comportamento all´interno di un circuito, in particolare a seconda di come venga realizzato un modello questo potrà o meno essere idoneo per determinate simulazioni. Per esempio un modello SPICE di un amplificatore operazione potrebbe non rappresentare al suo interno la tensione di offset. Questo significa che il modello non potrà essere utilizzato per simulare circuiti in cui l´offset sia una figura di merito importante. Tra le simulazioni che spesso si eseguono a verifica delle funzionalità dei circuiti vi è l´analisi temporale, transitori e analisi in frequenza. Oltre a queste simulazioni è possibile parametrizzare alcuni componenti e studiare il comportamento del circuito al variare della tensione o corrente in determinati punti, come anche variare componenti quali resistori, condensatori e induttori. Altre analisi importanti includono la possibilità di simulare gli effetti del rumore e derive termiche. Quello che è possibile simulare dipende spesso dal simulatore adottato, che potrebbe o meno includere la possibilità di simulare quanto appena descritto.

Un esempio di modello SPICE dell´operazionale LM358 è sotto riportato (fornito dalla National Semiconductor)

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*LM358 DUAL OPERATIONAL AMPLIFIER MACRO-MODEL
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*
* connections:      non-inverting input
*                   |   inverting input
*                   |   |   positive power supply
*                   |   |   |   negative power supply
*                   |   |   |   |   output
*                   |   |   |   |   |
*                   |   |   |   |   |
.SUBCKT LM358/NS    1   2  99  50  28
*
*Features:
*Eliminates need for dual supplies
*Large DC voltage gain =             100dB
*High bandwidth =                     1MHz
*Low input offset voltage =            2mV
*Wide supply range =       +-1.5V to +-16V
*
*NOTE: Model is for single device only and simulated
*      supply current is 1/2 of total device current.
*      Output crossover distortion with dual supplies
*      is not modeled.
*

****************INPUT STAGE**************
*
IOS 2 1 5N
*^Input offset current
R1 1 3 500K
R2 3 2 500K
I1 99 4 100U
R3 5 50 517
R4 6 50 517
Q1 5 2 4 QX
Q2 6 7 4 QX
*Fp2=1.2 MHz
C4 5 6 128.27P
*
***********COMMON MODE EFFECT***********
*
I2 99 50 75U
*^Quiescent supply current
EOS 7 1 POLY(1) 16 49 2E-3 1
*Input offset voltage.^
R8 99 49 60K
R9 49 50 60K
*
*********OUTPUT VOLTAGE LIMITING********
V2 99 8 1.63
D1 9 8 DX
D2 10 9 DX
V3 10 50 .635
*
**************SECOND STAGE**************
*
EH 99 98 99 49 1
G1 98 9 POLY(1) 5 6 0 9.8772E-4 0 .3459
*Fp1=7.86 Hz
R5 98 9 101.2433MEG
C3 98 9 200P
*
***************POLE STAGE***************
*
*Fp=2 MHz
G3 98 15 9 49 1E-6
R12 98 15 1MEG
C5 98 15 7.9577E-14
*
*********COMMON-MODE ZERO STAGE*********
*
*Fpcm=10 KHz
G4 98 16 3 49 5.6234E-8              
L2 98 17 15.9M
R13 17 16 1K
*
**************OUTPUT STAGE**************
*
F6 50 99 POLY(1) V6 300U 1
E1 99 23 99 15 1
R16 24 23 17.5
D5 26 24 DX
V6 26 22 .63V
R17 23 25 17.5
D6 25 27 DX
V7 22 27 .63V
V5 22 21 0.27V
D4 21 15 DX
V4 20 22 0.27V
D3 15 20 DX
L3 22 28 500P
RL3 22 28 100K
*
***************MODELS USED**************
*
.MODEL DX D(IS=1E-15)
.MODEL QX PNP(BF=1.111E3)
*
.ENDS

Il modello mette in evidenza che componenti complessi come un operazionale sono realizzati per mezzo di resistenze, condensatori, diodi, transistor, ovvero componenti più o meno elementari. Per questo motivo tali modelli sono spesso definiti come macro-modelli. Componenti semplici come transistor sono a loro volta modellizzati per mezzo di resistori condensatori, ma è possibile scrivere direttamente altri parametri fondamentali per descrivere le varie giunzioni del transistor. Si noti che per l´analisi in frequenza vengono aggiunte informazioni dei poli che caratterizzano la risposta in frequenza degli stadi interni all´operazionale stesso. In ultimo è bene notare come nel modello stesso, essendo definito come file ASCII, vengano spesso descritti i limiti del modello stesso. Quando si sta utilizzando un modello SPICE è buona abitudine leggere i limiti di validità del modello, infatti un modello, per sua definizione significa approssimazione del componente reale. Se il modello è pensato per descrivere certi fenomeni questi saranno visibili, altrimenti il componente si potrebbe comportare come componente ideale o non funzionare correttamente. Anche se una simulazione può portare dei risultati molto simili a quelli ottenibili sul tavolo di laboratorio, i risultati devono essere sempre interpretati e valutati criticamente in accordo con il modello utilizzato. Questo permette di evitare brutte sorprese in caso si realizzi il circuito in pratica e non dovesse funzionare a causa di un problema non descritto/rappresentato nel modello utilizzato.

Dopo la nascita del software SPICE sono stati sviluppati molti altri sofware compatibili con SPICE, visto che quest´ultimo è stato rilasciato sotto licenza BSD. Tra i programmi più noti vi sono Pspice, LTspice, Altium e altri programmi di supporto a CAD quali Eagle, nati solo per realizzare schemi elettrici e relativi PCB. Oltre ai CAD ora elencati, ogni produttore di componenti elettronici fornisce strumenti gratuiti online o programmi dedicati alla realizzazione di progetti specifici.

Di seguito vine presentata una lista di produttori e tool di sviluppo gratuiti offerti dagli stessi. In alcuni casi è richiesta la registrazione prima di poter utilizzare/scaricare il programma d´interesse. I programmi sotto riportati sono prevalentemente per il sistema operativo Windows o basati su applicazioni flash, ciononostante sono presenti anche programmi per ambiente Linux.

Nota:

tutti i nomi dei prodotti utilizzati di seguito sono marchi registrati dai rispettivi fornitori.

• Analog Devices fornisce tra i vari strumenti di supporto:

Multisim Spice (Simulatore Spice per circuiti)

Il simulatore SPICE della Analog rappresenta una edizione speciale del Multisim della NI (Nationa Instrument). L´edizione dell´Analog Devices puo´ essere scaricata alla seguente pagina.  Maggiori informazioni generiche sul prodotto NI possono essere trovate alla seguente pagina.

• Fairchild fornisce tra i vari strumenti di supporto:

FETBench (Simulatore per transistor)

I tool di supporto possono essere avviati dalla seguente pagina.

• Infineon fornisce tra i vari strumenti di supporto:

SimT (Simulatore per MOSFET a bassa tensione)

IPOSIM (Simulatore per moduli di potenza Infineon)

• Intersil fornisce tra i vari strumenti di supporto:

iSim

Strumento di simulazione online che permette di testare alimentatori DC-DC e amplificatori della Intersil. Il suo utilizzo risulta pratico solo se si stanno utilizzando componenti della Intersil. L´applicazione può essere eseguita a partire dalla seguente pagina.

• Linear Technology fornisce tra i vari strumenti di supporto:

LTspice IV (Simulatore Spice per circuiti)

FilterCAD (Programma per realizzare filtri attivi di vario tipo)

LTspice è un simulatore completo con precaricata la libreria contenente componenti della Linear Technology. Il programma può essere utilizzato anche per modelli SPICE di altre case costruttrici di componenti. Tutti i programmi di supporto della Linear Technology, possono essere scaricati dalla seguente pagina.

• Maxim fornisce tra i vari strumenti di supporto:

EE-SIM (Simulatore online per circuiti)

EE-SIm può essere eseguito a partire dalla seguente pagina. Il simulatore è specifico per prodotti maxim; qualora non si voglia utilizzare il componente maxim il simulatore può risultare non molto pratico per scopi didattici.

• Microchip fornisce tra i vari strumenti di supporto:

Mindi (Simulatore Spice per circuiti)

Il simulatore è ottimizzato nella sua versione online per la realizzazione di filtri attivi, amplificatori, caricatori di batteria, convertitori DC-DC. Il programma può anche essere scaricato per poter essere eseguito in locale. La versione scaricabile si presenta molto più versatile e molto simile a LTspice, è scaricabile dalla seguente pagina. Il simulatore è basato sui tool forniti dalla società SIMetrix/SIMPLIS ( http://www.simetrix.co.uk/)

• National Semicondcutor fornisce tra i vari strumenti di supporto:

Active Filter

Sensor Path

LED Lighting

EasyPLL

Diversamente dai simulatori precedenti gli applicativi Webench appena elencati sono tutti per un utilizzo online rendendoli specifici per applicazioni basate su componenti National. Ciononostante le soluzioni presentate possono essere facilmente adattate anche per l´utilizzo di altri componenti. Tutti programmi di supporto della National possono essere eseguiti dalla seguente pagina.

• TI fornisce tra i vari strumenti di supporto:

FilterPro (Programma per realizzare filtri attivi di vario tipo)

TINA-TI (Simulatore Spice per circuiti)

Analog eLAB (Insieme di strumenti per la simulazione di circuiti e sviluppo di nuovi progetti).

TINA-TI si presenta come simulatore SPICE molto simile a LTspice e Mindi.

Tutti i programmi eLAB incluso FilterPro e TINA-TI possono essere scaricati dalla seguente pagina.

Molti degli strumenti ora presentati e basati su applicazioni Web, usano indirettamente modelli SPICE e permettono con pochi passi, diversamente dai CAD più complessi, di realizzare semplici circuiti e simularli. Naturalmente questa semplicità si paga con la poca flessibilità e l´impossibilità d'integrare modelli SPICE di componenti diversi da quelli prodotti dalla casa che fornisce lo strumento stesso.

La simulazione di un circuito elettrico complesso viene eseguita dal simulatore interpretando i modelli dei singoli componenti e analizzando le interazioni tra i modelli a seconda del modo con cui vengono connessi i vari input/output del modello stesso. Le connessioni tra i modelli non sono altro che lo schema elettrico, disegnato spesso graficamente, tradotto in un file di Netlist, in cui sono descritti i nodi (terminali) dei vari componenti e le loro interconnessioni. Un esempio di schema elettrico e relativo file di Netlist è rportato in Figura 1 (esempio creato per mezzo di Eagle):

Figura 1: Schema elettrico e relativo file Netlist realizzato per mezzo del CAD Eagle

Considerando i nomi delle piste riportate nello schema, il file di Netlist dovrebbe risultare di non difficile lettura. Per esempio il filo B risulta collegato al pin 2 del resistore R1 e al pin B del transistor TR1. Il file di Netlist viene spesso utilizzato per importare schemi elettrici generati da altri CAD. Per esempio il simulatore creato per il CAD Eagle consiste nell´importare un file Netlist creato a partire dallo schema elettrico. Dal momento che i resistori hanno un in un certo qual modo un riferimento associato al pin, alcuni simulatori nel calcolo delle correnti possono invertire il segno della corrente a seconda del modo con cui si collega la resistenza. La legge dei nodi, per cui la somma di tutte le correnti entranti ed uscenti in un nodo sia pari a 0, viene comunque verificata.

In ultimo, a solo scopo di completezza, si ricorda che alcuni circuiti integrati, specialmente di tipo digitale (FPGA, microprocessori, Tranceiver, Comparatori) possiedono spesso un modello IBIS (le specifiche di un modello IBIS possono essere trovate al sito http://www.eda.org/ibis/).

Il modello IBIS permette di caratterizzare da un punto di vista temporale, gli ingressi e le uscite di un circuito integrato.

Per periferiche come tranceiver e comparatori è possibile trovare un modello Spice ma spesso i progettisti hanno più interesse nei modelli IBIS. Nel caso di FPGA o microprocessori, parlare di simulazione significa spesso eseguire un programma e sue funzionalità. Tale simulazione è differente dal simulare un circuito e verificare se funziona o meno. I modelli IBIS permettono di caratterizzare gli ingressi e le uscite includendo anche informazioni sul contenitore, in particolare interconnettendo per mezzo di linee elettriche modelli IBIS di componenti diversi, è possibile testare se i circuiti che verranno tra loro collegati sul sircuito riusciranno a funzionare correttamente trasmettendo informazioni senza problemi. Si capisce che i modelli IBIS hanno importanza soprattutto nel campo delle telecomunicazioni, ovvero qualora si abbia esigenza di trasmettere ad elevate frequenze.