Spice ISIS

numEctron http://nalhossri.free.fr ________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ___________________ ___ Cet article a fait l’objet d’une publication parue en décembre 2007 et destinée à la collectivité nationale des enseignants des départements GEII (N. AL-HOSSRI, « Apprendre l’électronique par la simulation SPICE-ISIS », GESI : Revue des départements de Génie Electrique & Informatique Industrielle, n° 70, déc. 2007, pp. 27-31)

App A pprr end endrr e l’ élec t r on i q ue par p ar l a si s i m ul ati on : SPICE - ISIS Nabil Al Al-HOSSRI, -HOSSRI, département GEII IUT Bordeaux1 E-mail : [email protected]

APPRENDRE L’ELECTRONIQUE PAR LA SIMULATION SIMULATION : SPICE - ISIS.................... 1 RESUME ..................... ............................................. ................................................ ................................................ ....................................... ............... 1 SPICE............................................... SPICE....................... ................................................ ................................................ ....................................... ............... 1 ISIS ..................... ............................................. ................................................ ................................................ ........................................... ................... 2 I- ATTRIBUTION D’ UN UN MODELE SPICE A UN COMPOSANT

SOUS

ISIS ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 2

PRIMITIVE = ANALOGUE, ANALOGUE, SUBCKT: ........................ ................................................ .......................................... .................. 4 SPICEMODEL = LM317, LM317.LIB :....................... :............................................... .......................................... .................. 4 SPICEPINS = VIN, VIN, ADJ, VOUT : ..................... ............................................. ................................................ .......................... .. 4 II- QUELQUES EXEMPLES DE REALISATION ....................... ............................................... .............................................. ......................5 5 II- 1) Alimentation régulée utilisant le LM317 ..................... ............................................. ............................... ....... 5 II- 2) Alimentation Alimentation à découpage type « Boost » ...................... .............................................. ........................... ... 5 II- 3) Le principe de base d’un analyseur analyseur de spectre ....................... ........................................... .................... 6 CONCLUSION ....................... ............................................... ................................................ ............................................... ............................... ........ 7

Résumé Dans cet article nous montrons comment enrichir la bibliothèque des composants du simulateur ISIS à partir des fichiers modèles disponibles chez les fondeurs. Nous présentons quelques réalisations ayant fait l’objet d’exercices pédagogiques en travaux de réalisation.

SPICE est l’acronyme de Simulation « Program with Integrated Circuits Emphasis » Emphasis » qui signifie programme de simulation pour circuits intégrés. Ce langage est un noyau logiciel de simulation électronique. La simulation rend en effet d'énormes services aux électroniciens pendant la phase de conception des circuits : elle permet de limiter les essais réels. Ce procédé fait donc gagner du temps et de la souplesse puisque, dans l'idéal, on n'a plus besoin de câbler un circuit pour vérifier son

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fonctionnement. Mais cette simulation n'évitera en aucun cas l'essai réel final, seule étape permettant de valider rigoureusement un circuit. Les modèles utilisés sont des fichiers texte qui font appel à un certain nombre de paramètres physiques prédéfinis (tension de seuil d'une diode, coefficient de température d'une résistance, ...). Ces paramètres sont caractérisés par le fondeur avec une précision inférieure à 1 % et publiés, parfois en totalité, dans les DATASHEETS des différents composants.

ISIS est un éditeur de schémas possédant une interface graphique assez puissante. Développé par MULTIPOWER dans les années 90, il intègre un simulateur analogique, logique ou mixte, un microcontrôleur programmé. Des circuits interactifs animés peuvent être insérés dans un schéma pour effectuer une simulation de l’ensemble. Il intègre un noyau SPICE version industrielle standard 3F5. L'appel de ce noyau est complètement transparent pour l'utilisateur. Il suffit d'entrer le circuit sous forme graphique puis de lancer la simulation. Malheureusement aucun logiciel de simulation électronique ne possède une bibliothèque comprenant tous les composants existant ou en cours de développement. Pour mener à bien une application conçue entièrement par ordinateur il est parfois nécessaire de modifier, d’adapter ou même de créer un modèle. Notre objectif est donc d’enrichir la bibliothèque d’ISIS en apportant, en partenariat avec les fondeurs, des modèles fiables de composants que nous pensons indispensables.

I- Att rib uti on d’ un mo dèle SPICE à un compo sant sou s ISIS Les modelés SPICE, donnés par les fondeurs de composants, sont des fichiers texte à l’état brut, généralement avec l’extension (.TXT). Ils sont éditables avec n’importe quel éditeur de texte : Nodepad, Wordpad, … Les modèles SPICE sont souvent enregistrés avec l’extension (.CKT), (.MOD), (.MDL) ou encore (.CIR). Il est également possible de trouver des fichiers intégrant plusieurs modèles. Ils portent dans ce cas l’extension (.LIB). Ces fichiers multi-modèles ont l’avantage de limiter le nombre de fichiers, mais ils ont l’inconvénient d’être plus longs à traiter lors de la simulation. Prenons par exemple le modèle SPICE d’un régulateur de tension LM317, le début du fichier texte est donné à la figure (1). http://www.gel.usherbrooke.ca/pspice/librairies_s3/s3.LIB

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* connections: * | input * | | adjustment pin * | | | output * | | | .subckt LM317 in adj out * positive adjustable voltage regulato * adjustment pin current jadj in adj adj jadjmod vref 4 adj 1.250 dbk in 13 dmod

Figure 1 : Début du fichier texte du régulateur LM317

La première procédure à suivre pour attribuer ce modèle à un composant existant ou à créer sous ISIS est de l’enregistrer avec une extension reconnue par le simulateur. Notre choix a privilégié l’extension (.LIB). Il faut donc maintenant procéder par étapes : 1 - Copier le fichier modèle sans aucune modification dans: (C:\Program Files\Labcenter Electronics\Proteus 6 Professional\MODELS) ou bien dans un répertoire au choix, dont on indiquera le chemin lors de la configuration du simulateur. 2 - Faire le dessin du symbole du composant sous ISIS : A ce stade, il n’y a pas de restriction sur le choix des noms donnés aux broches d’entrées ou sorties du circuit. Dans cet exemple le choix est :

VIN :

Tension d’entrée,

ADJ :

Entrée d’ajustement,

VOUT : Tension de sortie.

Figure 2 : Symbole créé sous ISIS du régulateur LM317

Les numéros des broches 1, 2, et 3 (Figure 2) ne sont pas indispensables, ils sont utiles uniquement si l’on souhaite router le circuit. 3 - Placer le symbole du LM317 que l’on vient de dessiner dans une nouvelle fenêtre ISIS. Le sélectionner (bouton droit de la souris) et cliquer dans son centre (bouton gauche) pour pouvoir éditer ses propriétés. La fenêtre « Edit Component » s’ouvre (Figure 3). Dans la case « Edit all Properties as text » saisir les informations suivantes:


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PRIMITIVE = ANAL OGUE, SUBCKT: Cette affectation est invariable. Elle indique au simulateur ISIS que le comportement du composant est décrit par un sous-circuit analogique de type SPICE.

Figure 3 : La fenêtre « E d i t Co m p o n e n t »

SPICEMODEL = LM317, LM317.LIB : Cette ligne transmet à ISIS le nom du sous-circuit à utiliser (LM317) et le nom du fichier modèle (LM317.LIB) qui contient sa description. SPICEPINS = VIN, ADJ, VOUT : Cette propriété SPICEPINS permet de relier un à un les noms des broches du symbole LM317 d’ISIS aux noms des nœuds représentant les entrées et les sorties du modèle SPICE. Pour mieux comprendre on doit examiner les commentaires (en italique) du fichier modèle (Figure 1). L’ordre des connexions doit être le même pour le composant (VIN ADJ VOUT) et son modèle (in adj out). La fenêtre « Edit Component » est ainsi validée. 4 - Mettre à jour le composant dans la librairie afin que ces propriétés soient associées à tous les LM317 : Sélectionner le symbole du LM317 et cliquer sur « Créer composant » du menu « Bibliothèques ». Remplir le tableau et cliquer sur OK. Le régulateur de tension LM317 est enfin fonctionnel. Il peut maintenant remplir son rôle de maître régulateur… sans qu’il chauffe suite à une mauvaise manipulation... Tous les modèles SPICE sont proches de la réalité physique et donnent une idée assez significative sur le comportement d’un composant.


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Trois autres méthodes permettent d’attribuer un modèle SPICE dit « bridé » à un composant sous ISIS. Les modèles qui en résultent ne sont pas toujours très proche de la réalité, car ils exploitent uniquement les paramètres physiques prépondérants d’un composant. Ces différentes techniques d’adaptation d’un modèle SPICE sous ISIS sont abordées à l’adresse: http://www.brive.unilim.fr/index.php?option=com_content&task=view&id=76&Itemid=109

On y trouve aussi des notices d’utilisation concernant la version 6.5 d’ISIS.

II- Quelques exemples de réalisation II- 1) Alimentation régulée utilisant le LM317 La Figure (4) montre le schéma de simulation d’une alimentation régulée et ajustable faisant appel au composant LM317. alimentation régulée sans limitation externe de cour ant Exemple d'application : alimentation régulée de 1,8 V à 12 V. Courant de sotie 0,5 A. D2

Vs LM317

Vred 3

VIN

0

VOUT

2 0

ADJ

=

Vs2

VA=15 * 1.41

s I

270 ISOURCE C1

R1

C2 100n

RPAR=1000k RSER=10m

Vs1

c i

R2

1

+

VSINE FREQ=50

=

c i

Lorsque le curseur de RV1 est à 0 : Vs = 1,25 ( 1 + 120/270 ) = 1,8 V Avec le curseur en butée maxi : RV1 = 2200 ohms Vs = 1,25 (1+( 2200 +120 )/270) = 12 V

120

C=470u

C3 100n

I=700m RINT=1000k

RV2 2.2k

Vs

Vs Vs

Au delà de la limite du bon fo nctionnement

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Figure 4 : Alimentation régulée utilisant le LM317 et les principaux signaux observés

II- 2) Alimentation à découpage type « Boost » D’autres modèles SPICE ont été ainsi adaptés, comme par exemple : 

FDS6690A : Transistor haute fréquence de puissance, type MOSFET à canal N. Son modèle SPICE est distribué à l’adresse (s’enregistrer au préalable) : http://www.fairchildsemi.com/models/email_model_file.jsp?file=FDS6690A.mod.



MBRS340T3 : Diode Schottky de puissance moyenne :


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numEctron http://nalhossri.free.fr _______________________________________________________________________________ http://www.onsemi.com/PowerSolutions/supportDoc.do?type=models&part=MBRS340. 

DT3316 : Une self ferrite de « COILCRAFT » : http://www.coilcraft.com/modelseagleware.cfm

L’alimentation à découpage type « Boost » élévateur de tension de la figure 5 utilise les trois composants mentionnés ci-dessus ; ces composants sont spécialement dédiés à ce type de réalisation. L’alimentation délivre une tension de (12V – 1.5A) à partir d’une tension de 5V continue. Ce montage est dit « sans résistances » par les électroniciens, car ses différents circuits présentent à leur état actif une résistance bien inférieure à une fraction d’ohm. On peut voir du tableau donné par le fabriquant, inséré dans la Figure (5) que la résistance ohmique de l’inductance DT3316 est de 1 milli-ohm. Dans cette application, on mesure toute l’importance du choix des composants ; le simulateur n’est là que pour nous conforter quant au bon choix des composants. Alim ent ati on à d éco up age ( 12V - 1.5A ) ty pe B OOST Elévat eur à partir d'une source de tension 5V continue COILCRAFT_DT3316 ic = 0

IL

Vmos

F=400k

C=93.8e-12 K1=9.78e-7

RINT=0.02

K2=1.4

0 =

R2=0.001 V=5

Vs Id

c s c I i o m CAP_CHIMIQUE I

R1=3600

VSOURCE

MBRS340T3

RPAR=1000k

Puls

M1

s I

ISOURCE

RSER=20m

I=1.5A

C=100u

RINT=1000k

K3=6.8 K4=8.4e-2

FREQ = 400KHz

K5=1.01e-5

PW = 58%

FDS6690A_8PINS

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Figure 5 Alimentation à découpage utilisant le MOSFET FDS6 690A, la diode Schottky MBRS340T3 et la ferrite DT3316

II- 3) Le principe de base d’un analyseur de spectre Pour une raison purement pédagogique et didactique, des modèles parfaits écrits en langage SPICE ont été élaborés (un multiplieur de tension, un VCO, etc.). Il est possible, à l’aide de très peu de ces modèles, d’expliquer un phénomène ou de réaliser des montages complexes. Ainsi, le principe de base d’un analyseur de spectre à balayage est


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représenté à l’aide de deux de ces composants, comme nous le montre le schéma de la Figure (6) http://poujouly.club.fr/index.htm. Principe du fonc tionnement de l'analyseur de spectr e à balayage Réalisé avec des composants parfaits Analyse d'un signal impulsionnel de rapport cyclique = %20 spectre

Rampe VCO

VCO

Vmod

W

MULTIPLIEUR L1

W X

V2=1

C1

R1

MULTIPLIEUR

ACS1

De 500KHz a 1MHz

Va

10k

Y

Y

VPULSE

R2

X

4e-5*V(A,B)

470u

210p

1000k

C2 10n

Signal à analyser : Fréquence = 50KHz Rapport cyclique = 20%

TR=10m PER=10m

Modulateur de fréquence

Filtre sélectif centré sur 500KHz

puissance du spectre

L'équivalence en fréquence est de 100KHz par division

Figure 6 Simulation d'un analyseur de spectre, les éléments de base sont : un multiplieur de tension, un V.C.O. et un filtre passe bande.

Conclusion Cette étude bibliographique a abouti à l’enrichissement de la librairie des modèles du simulateur ISIS. En partenariat avec les fondeurs, on lui a injecté des modèles SPICE fidèles et proches du comportement réel. Ceci nous a permis d’insérer, dans le cadre de l’enseignement de travaux de réalisation, des projets entièrement conçus par ordinateur. Malheureusement, il n’y a pas de modèle SPICE pour tous les composants existants. Dans ce cas la tâche est plus fastidieuse, car il faut d’abord expérimentalement caractériser le composant, et par la suite procéder à une simulation en faisant appel à un schéma simplifié du composant, un modèle générique modifié,… Dès lors, le plus proche de la réalité sera choisi comme modèle dit « comportemental ».


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