TP SIMULATION LT-SPICE

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1 TP SIMULATION LT-SPICE Sommaire : 1/ Introduction 2/ Amplificateur d instrumentation à 3 AOP 3/ Oscillateur à pont de Wien 4/ Modulation et démodulation de signaux 5/ Filtre de Rauch 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 : ainsi que de nombreux tutoriaux. Parmi les sites ressources : 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. Ce TP suppose que la séance de «prise en main» du logiciel LT-Spice, dans le cadre de l UE EPI_1, ait été suivie et que l intégralité du travail demandé ait été effectué. 1

2 2/ Amplificateur d instrumentation à 3 AOP L objectif de ce paragraphe est de simuler la réponse d un amplificateur d instrumentation à 3 AOP en termes de gain différentiel et de mode commun. Il est fortement conseillé d avoir fini votre travail sur cette partie 2/ en moins de 60mn. 2.1 Tracer sous Schematic le circuit de la Figure 1 : Figure 1 : Source de tension Remarques : - L Aop est le modèle idéal opamp que vous trouverez dans la bibliothèque des composants [opamps]. Il est nécessaire d inclure la directive Spice.lib opamp.sub pour pouvoir utiliser ce modèle. - L étiquette Vd _2 est obtenue en écrivant _ Vd _ 2 dans la zone de texte correspondante Représenter les tensions Vmc et ( Vd _2 - Vd _2) dans une simulation en transitoire. En déduire que ce circuit permet de disposer d une source de tension non référencée, d amplitude Vd dont la valeur est portée par un mode commun Vmc Dans un autre fichier de simulation, ajouter à côté du circuit précédent, le circuit de la Figure Représenter sur une fenêtre de temporelle de 10ms les tensions suivantes : V(in+) ; V(in-) ; V(out) ; V(mc). 2

3 Figure 2 : Amplificateur d instrumentation 2.5. Quel gain différentiel du montage lit-on à la vue du graphique? Confronter à la valeur donnée par les résistances et la théorie (cf. 2 ème partie du TD7 ou le cours) 2.6. La sortie dépend-elle apparemment du mode commun? Confronter à la valeur du mode commun théorique si l on suppose qu il ne dépend que des résistances (cf. 2 ème partie du TD7 ou le cours) Dans un autre fichier de simulation, compléter et modifier le circuit pour obtenir celui de Figure Représenter le diagramme de Bode des gains respectivement différentiels(1) et de mode commun(2) de l amplificateur d instrumentation : à définir comme (1) «V(out_diff)/(V(vd_2)-V(_vd_2))» et (2) V(out_mc)/V(mc) respectivement. On pourra se limiter à une bande fréquentielle de [10Hz ; 100kHz] Noter les valeurs des gains et confronter ces observations à celle des questions 2.5. et A partir du fichier correspondant au circuit de la Figure 2, faire un nouveau fichier de simulation dans laquelle on a simplement modifié les valeurs de résistances : R1=R4=10,5k ; R2=R3=9,5k. A quel écart à la situation idéale cela correspond en termes d incertitudes sur les résistances? Quel doit être la conséquence en termes de gain différentiel et gain de mode commun (cf. 2 ème partie du TD7 ou le cours)? La tension de sortie est-elle sensible au mode commun? Dans un autre fichier de simulation, modifier de même les valeurs de résistance du circuit de la Figure 3. Représenter à nouveau les diagrammes de Bode des gains différentiels et de mode commun et commenter. 3

4 Figure 3 : Amplificateur d instrumentation pour représenter les diagrammes de Bode des gains différentiels et de mode commun Sur une autre simulation basée sur le circuit précédent, remplacer les AOP par le modèle du TL081. Vous pourrez suivre les recommandations du TD LT-SPICE de EPI1, question «2.12» du polycopié (reproduit ici en ANNEXE), en installant la librairie dans le répertoire \Temp de votre machine On prendra comme valeur de résistance : Ra = 500k, et Rb = 499. Les valeurs de R1, R2, R3 et R4 seront restaurées à 10k. La source de tension différentielle devra valoir 50mV. Que remarquez-vous sur la valeur des gains et la bande passante de l amplificateur? Justifier en fonction de la fiche de spécification du composant. 3/ 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 l ensemble du système. 4

5 3.1 Représenter le schéma de la Figure 4. Figure 4 : Oscillateur à pont de Wien 3.2 En vous aidant éventuellement de votre cours et/ou du TD5 : - prévoir la fréquence d oscillation éventuelle du système - prévoir si la condition d oscillation est en principe atteinte dans cette configuration. 3.3 Indiquer où il est le plus pertinent d observer le signal avec un oscilloscope sans influencer le comportement du système. Décrire et commenter la forme temporelle du signal (régimes, amplitude, fréquence ) 3.4 Restreindre la fenêtre temporelle de la simulation (cf. paramètres Stop Time et Time to Start Saving Data) pour ne faire apparaître que le régime stationnaire pour quelques centaines de périodes. Le signal est-il sinusoïdal ou observe-t-on des distorsions? Faire alors apparaître la fenêtre d analyse de Fourier pour confirmer vos observations précédentes. 3.5 Choisir un réglage des composants pour lequel aucun signal oscillatoire ne soit observable, en principe, et vérifier votre prévision par la simulation. 3.6 Choisir R6 = 10k et R5 = 3k. Commenter vos observations, en comparer au cas de la question Choisir un réglage des composants pour obtenir une fréquence d oscillation de 10kHz. 3.8 Reproduire le montage de la Figure 5. Quelle est sa fonction (cf. CM Modulation EPI_1)? Lancer la simulation et confronter à vos prévisions. Figure 5 : Montage à diode 5

6 3.9 Reproduire le schéma de la Figure 6. Lancer la simulation en représentant sur le même graphique, le rapport Tension Drain-Source / Courant dans la branche AB, pour des valeurs de tension de grille (négatives) variant de -1V à 0V, par pas de 0,1V. - Que peut-on dire de la résistance équivalente du composant dans la branche AB en fonction de la tension de commande? (adapter l échelle des ordonnées!) Remarque : le transistor est un N-Channet JFET que l on trouvera dans la bibliothèque générique désigné par njf, et qu il est ensuite conseillé d éditer (clic droit) et de remplacer par un le modèle U309 de chez Fairshild. Figure 6 : Montage à transistor à effet de champ 3.10 Simuler le circuit de la Figure 7 à partir du fichier modifié de la Figure 4 (c est-à-dire en le complétant par des portions de circuits des Figure 5 et 6. Représenter également la transformée de Fourier du signal et interpréter. Figure 7 : Oscillateur à pont de Wien avec contrôle automatique du gain Expliquer le comportement du circuit et la fonction des différents éléments à l aide de vos analyses précédentes. 6

7 4/ Modulation/démodulation L objectif de ce paragraphe est de présenter succinctement quelques outils pour représenter des signaux modulés et démodulés 4.1. Reproduire l ensemble de la Figure 8. Remarque : - La source de tension désignée par A1 sur le schéma est de type «Modulate» qui se trouve dans le répertoire de composants spécifiques «Special Functions». Figure 8 : Démodulateur incohérent de signaux modulés en amplitude 4.2. Identifier la fonction de chacun de chaque sous-circuit («bloc») en représentant les signaux de sortie Calculer les fréquences de coupure des différents filtres et justifier ce choix Compléter par des représentations de Fourier pour confirmer vos réponses Reproduire l ensemble de la Figure 9. Remarque : - La source de tension désignée par B1 sur le schéma est de type «Arbitrary behavioral voltage source» qui se trouve dans le répertoire de composants génériques. Il suffit de l éditer (clic droit) et d inscrire l opération désirée. Figure 9 : Démodulateur cohérent de signaux modulés en amplitude 4.6. Répondre aux questions 4.2., 4.3., et 4.4. pour ce circuit. 7

8 5/ Filtre de Rauch L objectif de ce paragraphe est de simuler le comportement électrique d un filtre analogique (se reporter au TD 3) élaboré à partie de cellules de Rauch Reproduire le schéma de la Figure 10. Figure 10 : Filtre constitué de cellules en structure de Rauch 5.2. Tracer le diagramme de Bode du filtre global et de chacune des cellules, et vérifier la cohérence avec les résultats attendus En mode de simulation temporelle, programmer une source de tension sinusoïdale de fréquence 9kHz et d amplitude 1V. La tension de sortie est elle conforme à ce à quoi vous vous attendez? 5.4. Faire la même chose avec une source de tension sinusoïdale de fréquence 9kHz et de d amplitude 12V. Interpréter le résultat. Comment faut-il modifier le filtre pour améliorer son comportement? 5.5. Représenter la réponse indicielle de chacune des cellules en les considérant séparément et en leur associant une source de tension indépendante (Programmer la source comme PULSE( ) ). Etablir le lien entre et le facteur de qualité propre à chaque cellule. 8

9 RAPPEL ANNEXE du TD-LT_SPICE EPI1 «2.12» La méthode précédente n est utile que lorsque vous avez possibilité de modifier les fichiers source du programme LT-SPICE, ce qui est le cas sur votre ordinateur personnel. Mais dans le cas d une station de travail à l université, vous ne disposez souvent pas des accès pour le faire. Il faut donc utiliser une autre méthode pour pouvoir insérer un nouveau modèle de composant qui ne se trouve pas dans la bibliothèque fournie par défaut. - Créer un répertoire \Librairie_de_XXXXX (XXXXX étant votre nom) sur le Bureau. - En cliquant droit sur le répertoire et en allant dans le sous-menu «Propriétés» noter quelle est l adresse du répertoire de la librairie sur votre station de travail (du type «C:\...\Desktop\Librairie_de_XXXXX\») - Télécharger sur internet le fichier PSpice de l AOP TL081 ( ) et l installer dans le répertoire précédemment crée. - Décompresser le fichier et le copier dans votre répertoire. Renommer le fichier TL081 au lieu de TL Ouvrir le fichier avec un éditeur de texte et s assurer que TL081 est bien écrit devant l instruction.subckt. Si ce n est pas le cas, corriger! - Télécharger sur Spiral le fichier TD_LTSPICE.zip) et ouvrir la simulation TD_LTSPICE_2_12.asc - Lancer la simulation et tracer les diagrammes de Bode des tensions de sortie VoutA et VoutB. Noter que les deux circuits sont identiques! - Suivre les instructions suivantes : 1/ A l aide de l outil Cut, supprimer l AOP du 2 nd circuit : 2/ A l aide de l outil Component, sélectionner le modèle de composant opamp2 3/ Insérer ce modèle à la place de l AOP précédemment supprimé 9

10 4/ Une fois être sortie do mode insertion de composant (par Echap par exemple), cliquer droit sur le composant Opamp2 pour éditer ses propriétés 5/ Dans la fenêtre, double cliquer sur opamp2 et remplacer par le nom TL081 6/ A l aide de l outil noté.op insérer une SPICE directive et inscrire : «.lib», suivi du nom du répertoire où se trouve le fichier du composant (ex : «C:\...\Desktop\Librairie_de_XXXXX\»), suivi du nom TL081. Valider. Cliquer gauche sur la fenêtre graphique pour que la directive s inscrive. 10