Realizzare un Amplificatore Differenziale BJT con LTspice

LTspice è uno dei software di simulazione circuitale più diffuso al mondo grazie ai numerosi vantaggi che fornisce rispetto alle alternative simili, tra cui simulazioni veloci, un'interfaccia utente intuitiva e una vasta libreria di modelli forniti dall'azienda produttrice. Questo articolo si rivolge a chi vuole muovere i primi passi nell'ambiente di un simulatore per capirne le funzionalità di base e prendere confidenza con i vari tipi di simulazione che LTspice offre. Nello specifico imposteremo lo schematico di un Amplificatore Differenziale BJT e vedremo insieme come eseguire l'analisi DC e in transitorio del circuito.

Introduzione

Vuoi realizzare un circuito e hai bisogno di capire, prima di mettere mano a stagno e saldatore, se tutto funziona correttamente ? Sei uno studente e vuoi verificare i calcoli che hai partorito con così tanta fatica, magari senza dover mettere mano al portafogli? La risposta a queste esigenze esiste e si chiama LTspice. LTspice è il simulatore circuitale più utilizzato nell'ambito dei circuiti analogici proprio per via della velocità con cui esegue le simulazioni e alla sua versatilità. E' un prodotto dell'azienda di semiconduttori Analog Devices (originariamente Linear Technology), si basa sul linguaggio open source SPICE (acronimo di Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Viene utilizzato da molti utenti in campi quali l'elettronica a radiofrequenza, l'elettronica di potenza, l'elettronica audio, l'elettronica digitale e altre discipline. Ne esistono varie versioni (sia gratuite che non), in questo articolo ci concentreremo sull'ultima versione, cioè LTspice XVII, disponibile gratuitamente per il download sul sito del produttore. Per l'installazione è sufficiente andare alla voce Download LTspice e scegliere la versione che si desidera scaricare, niente di più semplice!

Nella stessa pagina, alla voce Documentation potete trovare diversi tipi di guide all'utilizzo del programma. In questo spazio ci occuperemo di disegnare uno schematico e di effettuare due tipi di analisi, in modo che possiate prendere confidenza col mondo delle simulazioni circuitali. Per approfondire gli aspetti più teorici di LTspice visitate l'articolo https://it.emcelettronica.com/il-simulatore-ltspice. Non perdiamo altro tempo e iniziamo a definire il nostro progetto. Che tipo di circuito realizzeremo insieme? Un Amplificatore Differenziale BJT.
Un amplificatore differenziale è un tipo di circuito elettronico che amplifica la differenza dei due segnali in ingresso, ovvero, il guadagno differenziale, quindi dati due ingressi Vin+ e Vin- un amplificatore differenziale restituisce un'uscita Vout.
Ad è il guadagno di modo differenziale e Ac il guadagno di modo comune. Per evitare i disturbi in ingresso Ad deve tendere a 0. Se abbiamo un disturbo sotto forma di rumore che si somma in maniera uguale a Vin+ e Vin-, Ac amplifica la tensione di modo comune Vc = (Vin+ + Vin-)/2 quindi viene amplificato anche in disturbo in ingresso.
Ad invece amplifica la tensione differenziale Vd = Vin+ - Vin- quindi eventuali disturbi vengono eliminati dall'operazione di sottrazione. Nel caso dell'amplificatore differenziale BJT vengono utilizzati Transistor a giunzione bipolare (BJT, dall'inglese bipolar junction transistor), è una tipologia di transistor largamente usata nel campo dell'elettronica analogica principalmente come amplificatore di corrente e interruttore. In questo articolo approfondiremo l'utilizzo delle funzioni base di LTspice in modo da mostrarvi passo passo cosa significa impostare uno schematico ed eseguire le relative simulazioni. Per farlo decidiamo di eseguire l'analisi in DC e in transitorio dell'amplificatore differenziale per poterne calcolare il guadagno differenziale, non sapete di cosa sto parlando? Nessun problema, ve lo spiegherò nelle prossime righe! Iniziamo col primo passo: la realizzazione del circuito.

Realizzare lo schematico

Nell'immagine che segue (Figura 1) troviamo il disegno del circuito che andremo a realizzare in LTspice. Nello schematico ci sono i due transistor npn chiamati Q1 e Q2, alcune resistenze (RC1, RC2, RS1, RS2, RE) e quattro generatori: due di alimentazione (V1 e V2), cioè a tensione fissa e due che applicheranno un segnale (Vin1 e Vin2). Quindi, una volta scaricato e installato LTspice possiamo avviare il programma e iniziare un nuovo progetto. L'interfaccia del programma è molto pulita e nella toolbar sono presenti tutte le funzioni che ci serviranno per eseguire la simulazione.

Figura 1: schematico dell'Amplificatore Differenziale BJT

Figura 1: Schematico dell'Amplificatore Differenziale BJT

Per iniziare un nuovo progetto bisogna cliccare su New Schematic, l'icona del foglio con una freccia nera all'interno la trovate in alto a sinistra. New Schematic crea anche la Netlist, che è un elenco dei componenti presenti nel circuito, delle loro proprietà e dei nodi cui sono collegati. La Netlist è la rappresentazione del circuito sotto forma di file di testo che può aiutarci a verificare la presenza di eventuali errori all'interno del circuito.

Figura 2: Icona New Schematic

Figura 2: Icona New Schematic

Ora dobbiamo riprodurre lo schematico in LTspice, quindi clicchiamo su component per cercare i componenti che ci servono. Cerchiamo i transistor scrivendo npn nella barra di ricerca come mostrato nella Figura 3, in seguito specificheremo anche il modello di transistor da utilizzare. Continuiamo inserendo le resistenze cliccando su Resistor (icona a forma di resistenza) e posizionandole come nel disegno. Le componenti possono essere comodamente ruotate e specchiate con Ctrl+R e Ctrl+E.

Figura 3 : icone Resistor e Component

Figura 3: Icone Resistor e Component

Vedete come in alto a destra nello schematico della Figura 1 ho posizionato i due generatori a tensione fissa che ho chiamato V1 e V2, è importante etichettare correttamente i due generatori in modo da poter utilizzare V1 e V2 nel circuito, per farlo possiamo usare la funzione Label net, la trovate nella toolbar o usando la shortcut F4. Vin1 e Vin2 sono sorgenti che applicano un segnale dando in ingresso una funzione sinusoidale. Quindi per definirli facciamo clic destro su Vin1 -> advanced, in Functions scegliamo SINE e impostiamo i parametri DC offset, ampiezza, frequenza come mostrato nella Figura 4.

Figura 4: Independent Voltage Source Vin1

Figura 4: Independent Voltage Source Vin1

Impostiamo le sorgenti Vin1 e Vin2 con gli stessi parametri e con fase opposta (Vin1 con Phi = 0 e Vin2 con Phi =180), se le sorgenti avessero la stessa fase il segnale non verrebbe amplificato. Per connettere tutte le componenti del circuito clicchiamo l'icona wire come indicato nella Figura 5. Per rinominare le componenti è sufficiente fare clic destro sul nome e modificarlo. Invece per definire i valori delle componenti come le resistenze e i generatori V1 e V2 basta fare clic destro su R o V (sotto al nome del componente).

Figura 5: Icoma comando Wire

Figura 5: Icona del comando Wire

Ora non ci resta che definire il modello del transistor npn. Usiamo .op per definire il modello di transistor da utilizzare, si trova in alto a destra nella toolbar oppure digitando S. Più parametri caratteristici del modello specifichiamo più la simulazione sarà accurata perchè vicina a un modello reale. E' possibile trovare una lista completa dei modelli dei transistor alla pagina http://ltwiki.org/?title=Components_Library_and_Circuits e cercare nella lista Standard bjt il modello con cui vogliamo effettuare la simulazione. In questo caso ci accontentiamo di specificare il parametro bf che è più che sufficiente per ciò che vogliamo fare. E' meglio modificare il nome dei transistor chiamandoli per esempio npn1 per evitare problemi col comando .model. Una volta cliccato su .op scriviamo .model npn1 npn(bf = 100) per definire le specifiche dei transistor.

Simulazioni in LTspice

A partire dalla definizione di un circuito, LTspice consente di effettuare vari tipi di analisi:

Dc op point per calcolare il punto di lavoro in DC trattando le capacità come circuiti aperti e le
induttanze come cortocircuiti;
DC transfer trova la funzione di trasferimento per piccoli segnali in DC;
DC sweep per calcolare il punto di lavoro in DC di un circuito permettendo di variare le
correnti o le tensioni di un dispositivo specificato. Le capacità vengono trattate come circuiti
aperti e le induttanze come cortocircuiti;
analisi in corrente alternata (AC) calcola il comportamento AC di piccoli del circuito linearizzati
rispetto al punto di lavoro in DC. Fornisce la risposta in frequenza del circuito;
analisi in transitorio esegue una simulazione non lineare nel dominio del tempo;
Noise esegue un'analisi del rumore nel circuito linearizzato attorno al suo punto di lavoro in DC.
Nel nostro caso ci cimenteremo nell'analisi in transitorio che ci permetterà di ottenere informazioni importanti riguardo al guadagno differenziale dell'amplificatore.

Analisi DC

Eseguire un'analisi in continua è molto semplice, abbiamo fatto il grosso del lavoro disegnando lo schematico del circuito, ora dobbiamo solo etichettare i nodi dei due transistor per poter vedere gli andamenti delle correnti e delle tensioni relativi ai due npn, questi ci serviranno per eseguire l'analisi in transitorio. Quindi usiamo il tasto label net per etichettare base, collettore ed emettitore dei due transistor come in Figura 6. Avremo B1, C1 per il transistor npn Q1 e B2 e C2 per il transistor npn Q2. Infine troviamo E per indicare l'emettitore che in questo caso è condiviso dai due transistor. [...]

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2 Commenti

  1. arx 24 Marzo 2021
  2. Federica Caputo 24 Marzo 2021

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