Apprendre l`électronique par la simulation

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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)
Apprendre l’électronique par la simulation : SPICE - ISIS
Nabil Al-HOSSRI, département GEII IUT Bordeaux1
E-mail : [email protected]
APPRENDRE L’ELECTRONIQUE PAR LA SIMULATION : SPICE - ISIS.................... 1
RESUME ............................................................................................................ 1
SPICE.............................................................................................................. 1
ISIS ................................................................................................................ 2
I- ATTRIBUTION D’UN MODELE SPICE A UN COMPOSANT
SOUS
ISIS ...................................... 2
PRIMITIVE = ANALOGUE, SUBCKT: .................................................................. 4
SPICEMODEL = LM317, LM317.LIB :................................................................. 4
SPICEPINS = VIN, ADJ, VOUT : ....................................................................... 4
II- QUELQUES EXEMPLES DE REALISATION ..................................................................... 5
II- 1) Alimentation régulée utilisant le LM317 .................................................... 5
II- 2) Alimentation à découpage type « Boost » ................................................. 5
II- 3) Le principe de base d’un 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 » 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- Attribution d’un modèle SPICE à un composant sous 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 = ANALOGUE, 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 « Edit Component »
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 courant
Exemple d'application : alimentation régulée de 1,8 V à 12 V. Courant de sotie 0,5 A.
D2
Vs
LM317
VIN
Vs2
VOUT
ADJ
RV1 = 2200 ohms
Vs = 1,25 (1+( 2200 +120 )/270) =12 V
R2
1
Vs = 1,25 ( 1 + 120/270 ) = 1,8 V
Avec le curseur en butée maxi :
2
Is
ic = 0
3
ic = 0
Vred
Lorsque le curseur de RV1 est à 0 :
270
+
VSINE
VA=15 * 1.41
FREQ=50
Vs1
ISOURCE
C1
R1
C2
100n
RPAR=1000k
RSER=10m
C=470u
120
C3
100n
I=700m
RINT=1000k
RV2
2.2k
Vs
Vs
Vs
Au delà de la limite du
bon fonctionnement
N. AL-HOSSRI
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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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.
Alimentation à découpage ( 12V - 1.5A ) type BOOST Elévateur
à partir d'une source de tension 5V continue
V=5
RINT=0.02
MBRS340T3
M1
Puls
FREQ = 400KHz
PW = 58%
Vs
Id
ic = 0
Vmos
Imos
VSOURCE
F=400k
R1=3600
R2=0.001
C=93.8e-12
K1=9.78e-7
K2=1.4
K3=6.8
K4=8.4e-2
K5=1.01e-5
IL
Is
ic = 0
Ic
COILCRAFT_DT3316
CAP_CHIMIQUE
RPAR=1000k
RSER=20m
C=100u
ISOURCE
I=1.5A
RINT=1000k
FDS6690A_8PINS
N. AL-HOSSRI
Figure 5 Alimentation à découpage utilisant le MOSFET FDS6690A,
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 fonctionnement de l'analyseur de spectre à balayage
Réalisé avec des composants parfaits
Analyse d'un signal impulsionnel de rapport cyclique = %20
spectre
Rampe
VCO
VCO
Vmod
R2
X
W
MULTIPLIEUR
Y
Y
L1
W
VPULSE
X
V2=1
TR=10m
PER=10m
R1
10k
MULTIPLIEUR
ACS1
De 500KHz a 1MHz
Va
C1
4e-5*V(A,B)
470u
210p
1000k
C2
10n
Signal à analyser :
Fréquence = 50KHz
Rapport cyclique = 20%
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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