tp simulation lt-spice

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TP SIMULATION
LT-SPICE + FilterPro
Sommaire :
1/ Introduction
2/ Prise en main
3/ Montage à amplificateur opérationnel
4/ Réponses harmonique et indicielle d’un filtre actif
5/ Pureté spectrale d’un oscillateur à pont de Wien
6/ Annexes
-------------------------------------------
1/ Introduction
LTspice est basé sur un logiciel standard créé pour simuler des circuits électroniques appelé
SPICE (Simulated program with Integrated Circuit Emphasis). SPICE (Simulation Program
with Integrated Circuit Emphasis) fut conçu dans les années 70 à l'université de Californie
(Berkeley) puis a été amélioré au fil des années.
LTspice IV est un simulateur gratuit qui possède un module Schématique (Schematic), pour
éditer des schémas électroniques ainsi qu'un module de visualisation des résultats.
LTSpice contient plus de 100 modèles d'amplificateurs opérationnels, des modèles de
transistors, des portes logiques etc...
Il est très utile pour réaliser une première ébauche d'un circuit électronique et pour
comprendre son fonctionnement.
LT-SPICE est disponible en ligne à l’adresse suivante :
http://www.linear.com/designtools/software/ltspice.jsp
…ainsi que de nombreux tutoriaux. Parmi les sites ressources :
http://denethor.wlu.ca/ltspice/
Bonne pratique :
Tous vos schémas et tracés divers seront sauvegardés dans un dossier à votre nom, qui vous
permettra de montrer vos résultats et la progression de votre travail à chaque passage de
l’enseignant.
TP Simulation EA EEAP E31I-CDSI / version 2 / Avril 2012
1
2/ Prise en main
L’objectif de ce paragraphe est de simuler des circuits élémentaires (RC puis
RLC) pour utiliser les fonctions principales du logiciel.
Les étapes 2.1 à 2.10 pourront être effectuées en vous reportant à l’Annexe 2 du document si
votre expérience d’un logiciel de type SPICE est insuffisante. Dans tous les cas, il est
fortement conseillé d’avoir fini votre travail sur cette partie 2/ en moins de 90mn.
2.1
Tracer sous Schematic un circuit R-C série avec R=10k et C=100nF excité par une
source de tension sinusoïdale.
2.2.
Tracer le diagramme de Bode sur la bande [10Hz – 1MHz]. La tension de sortie sera
observée aux bornes du condensateur. Vérifier précisément la valeur de la fréquence
de coupure.
2.3
Modifier les composants pour obtenir et observer une fréquence de coupure fc=1kHz.
On choisira la résistance dans la série E24.
2
2.4
Charger la cellule par une résistance de 10M puis 50. Prévoir, observer et
commenter dans chaque cas les modifications du diagramme de Bode. La mise en
place de 2 schémas sur la même feuille (par l’outil dupliquer puis en modifiant le
composant concerné) doit vous permettre d’obtenir les deux diagrammes de Bode
correspondants, sur le même graphique.
2.5
Comparer les résultats précédents en introduisant un montage suiveur qui débite le
courant sur la charge (10M puis 50). Vous choisirez l’amplificateur opérationnel
LT1001, dont vous consulterez la fiche de spécifications. Observez-vous un «défaut» ?
2.6
Revenir au montage de 2.2. Ajouter une inductance L de 25mH pour obtenir un circuit
résonnant à la fréquence fR=1kHz , en modifiant R et C pour obtenir un facteur de
qualité Q1 ~16. (La sortie du circuit sera mesurée aux bornes de la résistance !)
2.7
Modifier la source pour introduire une impédance de sortie de 50. Observer les
conséquences sur le diagramme de Bode. Calculer le facteur de qualité Q2 du circuit.
Tracer les deux diagrammes de Bode sur le même graphique.
Tracer sur le même graphique les diagrammes de Bode de circuits ayant des capacités
variant de 500nF à 1,5µF par pas de 200nF. Prévoir, observer et commenter l’impact
de ces différents réglages.
2.8
3
2.9
Tracer la réponse indicielle du circuit pour la source de tension idéale puis pour la
source de tension sous 50. Pour cela, modifier d’abord le type de source de tension et
le type d’analyse.
2.10
Exporter les données du graphique en format .txt et visualiser dans un éditeur de texte
ces données qui pourraient être représentées graphiquement au moyen d’un tableur
(Open Office, Excel…)
Les composants disponibles par défaut sous LT-Spice correspondent pour l’essentiel à des
produits développés et vendus par la firme LT ! Cependant il est tout à fait possible
d’incorporer dans le logiciel des modèles supplémentaires de composants correspondant à
des produits d’autres fabricants.
2.11
- Créer un répertoire \Librairie_de_XXXXX (XXXXX étant votre nom) dans
C:\Program Files\LTC\LTspiceIV\lib\sub
- Télécharger sur internet le fichier PSpice de l’AOp TLE2037 et l’installer dans le
répertoire précédemment crée (http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tle2037.html)
- Renommer le fichier TLE2037.lib (vous pourrez vérifier qu’il s’agit d’un fichier
lisible ASCII)
- Créer de même C:\Program Files\LTC\LTspiceIV\lib\sym\Librairie_de_XXXXX.
- Repérer le fichier C:\Program Files\LTC\LTspiceIV\lib\sym\Opamps\LT1001.asy
que vous copierez dans le répertoire précédemment créé. Renommer le fichier
TLE2037.asy
- Ouvrir le fichier
4
- Changer son nom (LT1001 en TLE2037) [clic droit sur le nom par défaut]
- Editer ses caractéristiques :
- Associer le modèle convenable à ce symbole :
- Application : dans le circuit du paragraphe 2.5 supprimer l’AOp LT1001. Insérer le
composant TLE2037 se trouvant dans le répertoire \Ma librairie :
5
- Vérifier le bon fonctionnement de la simulation ainsi modifiée et une amélioration
éventuelle des performances du montage
3/ Montage à amplificateur opérationnel
L’objectif de ce paragraphe est de simuler des circuits élémentaires à
amplificateur opérationnel et d’évaluer quelques unes de leurs performances
dynamiques.
3.1
Dans le répertoire C:\Program Files\LTC\LTspiceIV\examples\Educational ouvrir le
fichier LM741.asc (simple double-clic). Sauver ce fichier dans votre répertoire
propre.
3.2
Identifier les parties principales de l’amplificateur opérationnel 741. Est-il monté ici
en boucle ouverte ? Lancer la simulation. Modifier l’alimentation en +/-10V.
3.3
Restaurer une alimentation en +/-10V. Tracer le diagramme de Bode en boucle fermé
de ce montage puis sur le même graphique, le diagramme de Bode du montage noninverseur avec un gain de 40dB. Commenter.
3.4
Tracer la réponse indicielle du montage initial (avant modification du gain). Sur le
même graphique, tracer la réponse indicielle du même montage, qui comporte une
capacité C1 de 3pF. Comparer les diagrammes de Bode correspondants. Commenter.
3.5
Tracer sur le même graphique le diagramme de Bode d’un montage suiveur et d’un
montage non-inverseur de gain 20dB, tous deux basés sur le TLE2037. Comparer
également les réponses indicielles. Confronter aux caractéristiques fournies dans la
fiche de spécifications donnée par le constructeur.
4/ Réponses harmonique et indicielle d’un filtre actif
L’objectif de ce paragraphe est de simuler le comportement électrique d’un
filtre actif établi à partir d’un gabarit, mais réalisé avec deux types
d’amplificateurs opérationnels. Les solutions de mise en œuvre proposées par
un logiciel annexe (Filter Pro) seront simulées sous LT-Spice en termes de
réponse harmonique puis réponse indicielle.
6
4.1
Lancer le logiciel Filter Pro Desktop (Texas Instrument®). Sélectionner le type de
filtre passe-bas. Valider.
4.2
Implémenter les caractéristiques suivantes : Gain dans la bande passante 20dB
Fréquence de coupure 10kHz
Atténuation dans la bande atténuée 45dB
Fréquence d’entrée dans la bande atténuée 50kHz
(Taux d’ondulation maximum dans la bande
passante à justifier par la suite !)
4.3
Choisir une réponse de type Butterworth et une topologie Sallen-Key. Choisir des
composants dans la série E24 à 5% (R et C).
4.4
Simuler ce filtre sous LT-Spice en implémentant un AOp de type LT1112 (s’inspirer
directement de la structure proposée par FilterPro). Tracer sur le même graphique le
diagramme de Bode de chacun des étages et le gain en boucle ouverte du LT1112. Que
remarquez-vous en bord de bande passante ?
4.5
Dupliquer la structure en remplaçant l’AOp par un TLE2037. Confronter le
diagramme de Bode de ce montage par rapport et expliquer à partir du gain en boucle
ouverte du TLE2037 comparé à celui du LT1112.
4.6
Tracer la réponse indicielle de chacun des deux filtres ne se différenciant que par le
type d’AOp. Le résultat était-il qualitativement prévisible ?
7
5/ Pureté spectrale d’un oscillateur à pont de Wien
L’objectif de ce paragraphe est de simuler le comportement électrique d’un
oscillateur à pont de Wien. La première étape consistera à analyser le
comportement du système sans boucle d’asservissement du gain ; la seconde
partie consiste à analyser la boucle d’asservissement du gain de façon isolée ;
la dernière partie est consacrée à la boule entière.
5.1
Représenter le schéma suivant en ayant prévu la fréquence de la composante
fondamentale du signal, prélevé en sortie du circuit.
5.2
Modifier la valeur de R2 et interpréter le résultat. Représenter également la
transformée de Fourier du signal et interpréter. On pourra choisir de simuler le signal
sur un intervalle temporel pour lequel le régime permanent est établi.
5.3
Représenter le schéma suivant en confrontant sur le même graphique le signal d’entrée
et de sortie. De quel type de montage s’agit-il ?
5.4
Représenter le schéma suivant en confrontant sur le même graphique, le rapport
Tension Drain-Source/Courant de Drain, pour plusieurs valeurs de tension de grille
(négatives). Que peut-on dire de la résistance équivalente du composant dans la
branche en fonction de la tension de commande ?
8
5.5
Simuler le schéma suivant. Représenter également la transformée de Fourier du signal
et interpréter. Expliquer le comportement du circuit et la fonction des différents
éléments à l’aide des analyses précédentes.
9
6/ Annexes
ANNEXE 2
Tracer sous Schematic un circuit R-C série avec R=10k et C=100nF excité par une
source de tension sinusoïdale.
2.1
- Lancer LTSpice IV
- Faire apparaître une nouvelle fenêtre de Schematic
- Nommer et sauvegarder votre simulation (à renouveler périodiquement !)
-
Placer un condensateur
Astuce : { il existe, pour la plupart des fonctions, un raccourci sur la barre du menu }
(Clic droit ou Echap pour le « décrochage » du composant)
10
-
Placer une résistance
(Le composant étant lié à la souris, modifier son orientation par la commande de Rotation)
-
Placer le composant source…
-
… en sélectionnant la tension
11
-
… Placer la masse du circuit
-
Relier les composants par des liaisons filaires.
-
Paramétrer chaque composant en cliquant droit sur le composant et en renseignant les
paramètres adéquats dans la fenêtre associée.
12
(Le paramétrage de la source de tension se fait en 2 étapes par le biais de la touche Advanced)
- Ajouter des étiquette explicites qui permettent d’identifier clairement les nœuds (ici « IN »
et « OUT ») du circuit
13
-
Tracer le diagramme de Bode sur la bande [10Hz – 1MHz]. La tension de sortie sera
observée aux bornes du condensateur. Vérifier précisément la valeur de la fréquence
de coupure.
Lancer la simulation
-
Choisir une analyse petit signal AC et renseigner la fenêtre de configuration d’analyse.
2.2.
(Observer l’élaboration de la commande d’analyse en ligne, dans le bas de la fenêtre)
-
Choisir la grandeur à représenter
14
- Substituer la grandeur choisie (V(out)) par la grandeur calculée (V(out)/V(in)) de la fonction
de transfert (résultat identique dans ce cas). Vous accéderez à la fenêtre de commande en
cliquant droit sur l’étiquette « V(out) »
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- Vérifier la valeur du point de la fréquence de coupure à -3dB, au moyen du curseur de
graphique vous ferez apparaître en cliquant gauche sur l’étiquette « V(out)/V(in) »
2.3
Modifier les composants pour obtenir et observer une fréquence de coupure fc=1kHz.
On choisira la résistance dans la série E24.
- Après avoir modifié la valeur des composants pour avoir fc=1kHz, on obtient bien le
diagramme de Bode correspondant :
2.4
Charger la cellule par une résistance de 10M puis 50. Prévoir, observer et
commenter dans chaque cas les modifications du diagramme de Bode. La mise en
place de 2 schémas sur la même feuille (par l’outil dupliquer puis en modifiant le
composant concerné) doit vous permettre d’obtenir les deux diagrammes de Bode
correspondants, sur le même graphique.
- Sélection de l’outil de duplication de circuit pour éviter un recopiage « manuel » :
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- Duplication du circuit (après entourage de la zone à dupliquer par clic-gauche de souris,
maintenu)
- Après avoir dupliqué les circuits et chargés avec 10M ou 50 l’ensemble devient (penser à
changer les noms des labels et éviter de dupliquer la commande de simulation (« ac dec …) !):
- Après avoir lancé la simulation, ajouter de plusieurs tensions (ici deux) à représenter, par
sélections successives de variables dans la liste
2.5
Comparer les résultats précédents en introduisant un montage suiveur qui débite le
courant sur la charge (10M puis 50). Vous choisirez l’amplificateur opérationnel
LT1001, dont vous consulterez la fiche de spécifications.
- En suivant le même chemin que pour l’insertion d’une source de tension, choisir « LT1001 »
dans la large liste d’amplificateurs opérationnels disponibles.
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-
-
Vérifier par le lien direct avec le site du constructeur, les caractéristiques techniques
du composant.
Ne pas oublier d’insérer des sources d’alimentation du composant actif.
-
Ici, l’utilisation d’étiquettes permet d’éviter le recouvrement de fils :
18
2.6
Revenir au montage de 2.2. Ajouter une inductance L de 25mH pour obtenir un circuit
résonnant à la fréquence fR=1kHz , en modifiant R et C pour obtenir un facteur de
qualité Q1 ~16. (La sortie du circuit sera mesurée aux bornes de la résistance !)
- Diagramme de Bode :
2.7
Modifier la source pour introduire une impédance de sortie de 50. Observer les
conséquences sur le diagramme de Bode. Calculer le facteur de qualité Q2 du circuit.
Tracer les deux diagrammes de Bode sur le même graphique.
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2.8
Tracer sur le même graphique les diagrammes de Bode de circuits ayant des capacités
variant de 500nF à 1,5µF par pas de 200nF. Prévoir, observer et commenter l’impact
de ces différents réglages.
- Paramétrer le condensateur avec la syntaxe particulière « entre accolades »
- Editer une Directive Spice
- Utiliser la syntaxe indiquant un balayage paramétrique des valeurs de C par pas de 200nF à
partir de la valeur 500nF
20
2.9
Tracer la réponse indicielle du circuit pour la source de tension idéale puis pour la
source de tension sous 50. Pour cela, modifier d’abord le type de source de tension et
le type d’analyse.
- Modifier le type de source (cocher PULSE) et paramétrer l’amplitude du niveau bas, du
niveau Haut et le temps d’arrivée du front montant
-
Modifier le type d’analyse
-
Préciser que l’on s’intéresse au 100 premières millisecondes du régime transitoire.
- Lancer la simulation. Faire de même en ayant pris une impédance de sortie nulle pour la
source de tension.
21
2.10
Exporter les données du graphique en format .txt et visualiser dans un éditeur de texte
ces données qui pourraient être représentées graphiquement au moyen d’un tableur
(Open Office, Excel…)
2.11
Retour à Partie 2 : pas d’aide spécifique sur cette question.
22

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