Introduction à Altium Designer : Schémas et simulations

Introduction à Altium Designer : Schémas et simulations Benoit Gosselin Hiver 2014 Objectifs ü Familiarisation avec le logiciel Altium Designer ü Réalisation du schéma d un circuit analogique ü Simulation SPICE d un circuit et analyse des résultats Description Dans ce didacticiel, vous réaliserez le schéma d un filtre actif passe- haut utilisant l amplificateur opérationnel large bande TL082 de la compagnie National Semiconductor. Le filtre en question, dont le schéma est montré à la Figure 1, est un filtre actif comportant deux pôles, donc d ordre 2. Nous analyserons ce circuit à l aide d Altium Designer et vérifierons sa réponse temporelle et fréquentielle par simulation SPICE. Notez que les laboratoires se font en équipes de deux étudiants. Figure 1: Schéma d un filtre actif passe- haut de 2 ième ordre. Réalisation du schéma Dans cette section, vous créerez un nouveau projet et y ajouterez un nouveau schéma. Ensuite, vous réaliserez le schéma du filtre constitué de plusieurs composants. Configuration initiale Effectuez les étapes préalables suivantes :

2 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés 1) Tout d abord, démarrez le logiciel d Altium Designer : dans le menu principal, sélectionnez «File - > New - > Project - > PCB Project», comme illustré à la Figure 2. Un nouveau fichier de projet apparait. Enregistrez ce nouveau fichier dans un répertoire vide dans votre compte. Figure 2: Création d un nouveau projet. 2) À gauche de la fenêtre principale, dans l onglet «Projects», cliquez avec le bouton droit sur l icône de projet ( ); une liste de commandes apparait; de cette liste choisissez «Add New to Project - > Schematic». La Figure 3 illustre ces étapes. Un nouveau schéma s ouvre. N oubliez pas d enregistrer ce nouveau fichier. Ensuite, il faut ajouter les librairies nécessaires à la construction du schéma souhaité. Ces librairies contiennent les symboles des composants électroniques nécessaires à la réalisation d un circuit. De plus, des modèles SPICE sont associés à ces symboles afin de simuler le comportement du circuit avec grande précision. Les modèles SPICE des composants intégrés courants sont normalement fournis par les fabricants de puces. Par exemple, le modèle SPICE de l amplificateur TL082 est fourni par la compagnie National Semiconductor. La librairie «NSC Amplifier.IntLib» contient les modèles de plusieurs composants fabriqués par cette compagnie, dont celui du TL082. Par ailleurs, les symboles des composants génériques, dont des résistances et des condensateurs, se trouvent dans la librairie «Miscellaneous Devices.IntLib», alors que la librairie «Simulation Sources.IntLib» contient tous les types de sources de tension/courant nécessaires à la simulation du filtre. Par conséquent, la simulation du filtre montré à la Fig. 1 nécessite au moins trois librairies.

3 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Figure 3: Ajouter un nouveau schéma au projet. 3) Pour ajouter ces librairies au projet, ouvrez d abord la fenêtre de gestion de librairies d Altium en sélectionnant «Design - > Add/Remove Library» dans le menu principal. La fenêtre «Available Libraries» apparait, comme montré à la Figure 4. Dans le premier onglet de cette fenêtre cliquez sur le bouton «Add Library». La fenêtre «Open» apparait. Il suffit de sélectionner les librairies à ajouter au projet. Par défaut, le chemin du répertoire contenant les librairies d Altium est «C:\Users\Public\Documents\Altium\AD 10\Library\». La libraire «Miscellaneous Devices.IntLib» se trouve à la racine de ce chemin, alors que la librairie «NSC Amplifier.IntLib» se trouve dans le repertoire «National Semiconductor». La librairie «Simulation Sources.IntLib» se trouve dans le repertoire «Simulation» toujours à la racine du même répertoire. Notez que la libraire «Miscellaneous Devices.IntLib» contient des composants génériques. Par consquent, cette libraire est déjà installée par défaut et il n est normalement pas nécessaitre de l ajouter au projet. Par ailleurs, il se pourrait que les trois librairies voulues ne soit pas disponible sur votre poste. Dans ce cas, téléchargez- les à l adresse suivante et placez- les dans un répertoire que vous créerez dans votre compte: http://wcours.gel.ulaval.ca/2013/h/gel3000/default/6travaux/labos/gel- 3000%20- %20Librairies%20Altium.rar Schéma du filtre Pour construire le schéma du filtre, il faut placer les symboles des condensateurs, des résistances et celui d un amplificateur opérationnel. Ces symboles sont disponibles dans les librairies que vous avez ajoutées ci dessus. 1) Dans le menu principal, sélectionnez «Design - > Browse Library»; La fenêtre «Libraries» apparait du côté droit de l écran, comme montré à la Figure 5. Cette fenêtre contient une liste

4 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés des librairies qui sont attachées au projet. D ailleurs, la fenêtre «Libraries» permet de chercher le contenu de chaque librairie. Figure 4: Ajouter les librairies de composants au projet. Dans le haut de la fenêtre «Libraries», trois boutons permettent d ajouter/enlever des librairies, d effectuer une cherche dans leur contenu et de placer un ou des composants dans le schéma. Une liste déroulante permet de sélectionner les librairies afin de visualiser leurs contenus. Sous cette liste existe une zone de texte permettant de restreindre le contenu affiché des librairies sélectionnées. Laissez cette zone vide ou entrez- y «*» afin d afficher tous les composants appartenant aux librairies qui auront été sélectionnées dans la liste «Component Name». La fenêtre «Libraries» donne également quelques spécifications pour chaque composant de la librairie courante. Par exemple, on y voit une représentation symbolique de chaque composant. Cette fenêtre permet en plus de savoir si un modèle SPICE est déjà attaché à un composant ou pas. 2) Maintenant, dans la fenêtre «Librairies», sélectionnez la librairie «Miscellaneous Device». Puis, tapez «cap» juste en dessous, comme illustré à la Figure 5 : Altium affiche tous les éléments dont les noms commencent par «cap». Sélectionnez le premier modèle de condensateur dans la liste et cliquez sur le bouton «Place Cap». Déplacez le pointeur de la souris sur la page du schéma. Vous voyez votre modèle attaché au pointeur. On peut aussi se servir de la commande «Place Part»; À cet effet, choisissez «Place - > Part» dans le menu principal ou cliquer sur l icône dans la barre «Wiring». 3) Ensuite, appuyez sur la touche TAB pour faire apparaitre la fenêtre de propriétés, comme montré à la Figure 6. Entrez «C1» comme «designator» pour cet élément. Dans la partie de «Parameters», entrez 10n comme valeur de condensateur C1. N oubliez pas de désélectionner l option «Visible» pour «Comment». 4) Cliquez sur «OK» pour confirmer ces changements. Maintenant, vous pouvez placer autant de condensateurs que vous en avez besoin en cliquant autant de fois dans le schéma. Placez 2 condensateurs dans le schéma du filtre, puis appuyez sur la touche «ESC».

5 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Figure 5: La fenêtre «Librairies». Figure 6: La fenêtre de propriétés d un condensateur. 5) En procédant de la même façon, placez 2 résistances et 1 amplificateur opérationnel TL082 dans le schéma en cours. Notez que l ampli- op n a pas de paramètre «value» car il n est pas un élément générique comme une résistance. (Ce modèle d ampli- op est disponible dans la librairie «NSC Amplifier») 6) À présent, branchez tous les composants ensemble pour réaliser le schéma complet du circuit (Figure 1). Disposez d abord chaque composant comme montré à la Figure 1 en les déplaçant et en les alignant. Ensuite, choisissez «Place - > Wire» dans le menu principal ou cliquez sur l icône

6 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés dans la barre «Wiring». Avec la fonction «Place Wire» activée, connectez les composants les uns aux autres en cliquant sur leurs terminaux. 7) Placez les terminaux d alimentations et la masse du circuit identifiés VDD, VSS, et GND. Pour effectuer cette étape, choisissez «Place - > Power Port» dans le menu principal» ou cliquez sur l icône ou dans la barre «Wiring». Vous verrez un terminal d alimentation attaché au pointeur de la souris. Ensuite, appuyez sur la touche «TAB». Comme montré à la Figure 7, on peut configurer le terminal en changeant le nom du «Net», sa couleur et son style désiré. Or, le plus important pour la simulation est le nom attribué au terminal (paramètre «Net»). Les autres paramètres permettent simplement de faciliter la compréhension du schéma. Entrez «VDD» pour le paramètre «Net» et choisissez le style approprié comme «bar» ou «Arrow». Confirmez ces changements en cliquant sur «OK» et placez le terminal dans le schéma. Répétez ces étapes pour placer les terminaux VSS et GND. 8) Placez un terminal identifiant la sortie du circuit à l aide de la fonction «Place - > Power Port». En procédant de la même façon qu à l étape précédente, activez cette fonction, entrez «Vout» pour le paramètre «Net» et choisissez le style approprié, comme «circle». 9) Vous pouvez enfin compiler le circuit. Cette étape sert à vérifier la validité du circuit et à identifier les erreurs avant la simulation. Choisissez «Project - > Compile PCB Project» dans le menu principal. Ensuite, assurez- vous de recevoir le message suivant dans la console : «Compile successful, no errors found.». Sinon, corrigez votre schéma et effectuez la compilation à nouveau jusqu à ce que vous n ayez plus d erreur. Figure 7: La fenêtre de propriétés d un port d alimentation. Simulation du schéma Avant de simuler le circuit, vous devez effectuer les étapes de préparation suivantes: 1) Vérifier les modèles SPICE des composants, 2) ajouter une source de signal à l entrée du circuit, 3) spécifier les paramètres de cette source ainsi que ceux des sources d alimentation, 4) configurer le simulateur convenablement.

7 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Vérification des modèles SPICE Les modèles SPICE des composant permettent au simulateur de calculer la réponse du filtre. Les modèles des composants génériques sont très accessibles, or vous devrez souvent ajouter de nouveaux composants, dont des ampli- op. Dans ce cas, il sera important de vérifier que le modèle SPICE choisi pour simuler le circuit est compatible avec les paramètres de son symbole. Double- cliquez sur le symbole du «TL082»; la fenêtre de propriété de l ampli- op s ouvre; C est dans la partie «Model» qu on peut ajouter ou enlever un modèle SPICE; On constate que Altium propose un modèle SPICE par défaut pour l ampli- op «TL082». Un aperçu de ce modèle est montré dans l onglet «Model File», dans la section du bas de la fenêtre «Sim Model» (Figure 8); Figure 8: Vérification du modèle SPICE de l ampli- op. Soyez vigilants car parfois les noms/numéros des entrées/sorties du modèle SPICE ne correspondent pas aux broches en vigueur dans le symbole du composant. Par conséquent, il est important de toujours vérifier que le modèle SPICE utilisé est compatible avec le symbole du composant. Pour vérifier le modèle SPICE du «TL082», sélectionnez le modèle «LF353» puis cliquez sur le bouton «Edit». La fenêtre «Sim Model» s ouvre. Sélectionnez l onglet «Port Map» en haut et l onglet «Model File» en bas. Notez la correspondance établie dans l onglet «Port Map» entre les broches du symbole (Schematic Pin) et celles du modèle SPICE (Model Pin). Par exemple, dans le modèle «LF353», la ligne «* PINOUT ORDER +IN IN V+ V- OUT» signifie que la broche 1 de l ampli- op joue le rôle de l entré «+IN». De plus, les broches 2, 3, 4, et 5 jouent les rôles des terminaux «- IN», «V+», «V-», et «OUT». Cet ordre ne peut pas être modifié. Par conséquent, il est très important de respecter la correspondance établie pour que le modèle génère les bonnes réponses lorsque stimulé par le simulateur.

8 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Stimulation Comme montré à la Figure 1, ajoutez une source de tension sinusoïdale pour stimuler le filtre. Altium Designer permettra de simuler la réponse du circuit à cette entrée. Placez une source de tension sinusoïdale VSIN de la librairie «Simulation Sources» et branchez- la à l entrée du filtre. Référez- vous à la partie «Réalisation du Schéma» de ce guide si vous éprouvez des problèmes pour cette étape. Double- cliquez sur la source VSIN afin d ouvrir la fenêtre de propriétés de ce composant. Dans la partie «model», cliquez sur le bouton «Edit». Une nouvelle fenêtre s ouvre. Dans le premier onglet de cette fenêtre, assurez- vous que le type de source «Sinusoidal» est sélectionné. Ensuite, cliquez sur l onglet «Parameters» et entrez «1» comme valeur pour «AC Magnitude», «1m» comme valeur pour «Amplitude» et «1meg» comme valeur pour «Frequency», comme montré à la Figure 9. Confirmez ces changements en cliquant sur le bouton «OK» dans ces deux fenêtres. Figure 9: La fenêtre de modèle pour une source d e voltage. Étiquette de signal Lors de la simulation, il sera utile de comparer le signal d entrée avec le signal de sortie. «Vout» représente le signal de sortie, alors que «Vin» représente le signal d entrée. Utilisez la commande «Place Net» afin de placer ces étiquettes dans le circuit : Sélectionnez «Place - > Net» du menu principal ou cliquez tout simplement sur l icône barre «Wiring». Ensuite, appuyez sur la touche TAB. La fenêtre «Net Label» apparait., dans la Entrez «Vin» pour le signal d entrée et confirmez en appuyant sur «OK». L étiquette est attachée au pointeur de la souris. Sélectionnez le fil connecté à la patte gauche du condensateur «C1» pour ajouter l étiquette dans le schéma. Appuyez sur «ESC» pour terminer cette opération.

9 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Tensions d alimentation Déterminez les valeurs de tension d alimentation VDD et VSS du circuit : placez d abord deux sources VSRC (librairie «Simulation Source») dans votre schéma. Ensuite, configurez les sources, placez quatre terminaux d alimentation et branchez le tout, comme montré à la Figure 10. Activez l option «Visible» dans les propriétés des sources VSRC (fenêtre «Properties») pour que leurs valeurs de tensions soient affichées dans le schéma comme à la Figure 10. Figure 10: Sources d alimentation DC. Configuration du simulateur Effectuez ces étapes pour configurer le simulateur SPICE adéquatement : 1) Dans le menu principal, choisissez «Design - > Simulate - > Mixed Sim». Si le schéma ne contient aucune erreur, la fenêtre «Analyses Setup» de la simulation analogique apparait. Sinon, un message vous avisera du contraire. Vous devez corriger toutes les erreurs avant de lancer la simulation. 2) À cette étape, il faut déterminer les signaux à visualiser. Pour cette simulation, vous devez visualiser les signaux «Vin» et «Vout». Il faut indiquer ces signaux dans la partie «General Setup» de la fenêtre «Analyses Setup», comme montré à la Figure 11. Pour ce faire, sélectionnez ces deux signaux dans la colonne «Available Signals» et transférez- les dans la colonne «Active Signals» à l aide des boutons appropriés.

10 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Figure 11: La partie «General Setup» de la fenêtre «Analyses Setup». 3) Ensuite, configurez 3 simulations. Pour activer des simulations, il faut les sélectionner dans la partie gauche de la fenêtre «Analyses Setup», comme montré dans la Figure 11. Ajoutez les simulations «Operating Point Analysis», «Transient Analysis», et «AC Small Signal Analysis» en cochant les cases correspondantes. La première simulation (Operating Point Analysis) ne requiert aucune configuration car elle sert à trouver le point d opération DC du circuit. Suivez les étapes suivantes pour configurer les 2 autres simulations. 4) Sélectionnez «Transient Analysis». Les paramètres de configuration de l analyse temporelle s affichent dans la fenêtre «Analyses Setup». Utilisez les paramètres par défaut. 5) Comme montré à la Figure 12, sélectionnez ensuite «AC Small Signal Analysis». Cette simulation calcule et affiche la réponse fréquentielle du circuit. Entrez «1k» et «10meg» comme valeurs pour les paramètres «Start Frequency» et «Stop Frequency». Choisissez «Decade» pour le paramètre «Sweep Type». Réponses temporelle et fréquentielle Enfin, confirmez les configurations effectuées à l étape précédente en cliquant sur «OK» dans la fenêtre «Analyses Setup». Si le schéma ne contient aucune erreur, Altium calcule immédiatement le point d opération, la réponse en fréquence et la réponse temporelle du circuit et affiche les résultats. La Figure 13 et la Figure 14 montrent les résultats pour ces deux dernières. Vous pouvez visualiser les résultats de simulation en sélectionnant l onglet correspondant dans la fenêtre principale. La réponse fréquentielle montre que le filtre atténue les basses fréquences et laisse passer les hautes fréquences. On constate qu un signal d entrée Vin, dont la fréquence est située dans la bande passante du filtre, en l occurrence à 1 MHz, donne un signal de sortie Vout identique au signal d entrée Vin.

11 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Figure 12: Paramètres de configuration de l analyse fréquentielle. Figure 13: La réponse temporelle du filtre.

12 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Figure 14: La réponse fréquentielle du filtre. Notez que la fenêtre «Sim Data» de l environnement de simulation permet d afficher la tension présente à n importe quel nœud du circuit. D ailleurs, il est possible d enregistrer les données d une simulation dans un format spécial d Altium (format.sdf) pour consultation ultérieure. Pour ce faire, cliquez tout simplement sur l icône d enregistrement. Par défaut, Altium propose d enregistrer les données sdf sous le même nom que celui du projet en cours (Nom_projet.sdf). Diagramme de Bode Lors de la conception d un filtre, il est essentiel de connaitre sa fréquence de coupure. La fréquence de coupure du filtre est la fréquence pour laquelle le gain du filtre chute de 3 db par rapport au gain en bande. Le simulateur SPICE d Altium permet d afficher le diagramme de Bode du filtre afin de trouver la fréquence de coupure : Cliquez avec le bouton droit de la souris sur les signaux de la réponse fréquentielle et sélectionnez «Remove Waveform» dans le menu contextuel afin d effacer les signaux «Vout» et «Vin». Ensuite, cliquez avec le bouton droit de la souris dans la partie du haut de la fenêtre de la simulation fréquentielle et choisissez «Add waveform to Plot» dans le menu contextuel. Sélectionnez «Vout» avec l option «Magnitude (db)» dans la partie «Complex Functions», comme montré dans la Figure 15. Confirmez cet ajout en cliquant sur «OK». Répétez les mêmes étapes dans la partie du bas de la fenêtre principale, mais sélectionnez «Vout» avec l option «Phase (Deg)». La fenêtre affiche maintenant le diagramme de Bode, soit le module et la phase du signal sélectionné. Placez deux curseurs sur la courbe du gain : cliquez avec le bouton droit sur la courbe du haut. Sélectionnez «Cursor A» dans le menu contextuel. Répétez cette étape pour faire apparaitre le «Cursor B». En utilisant ces curseurs, trouvez la fréquence de coupure à - 3dB, comme illustré à la Figure 15. On peut également obtenir la fréquence de coupure à l aide de «Measurement cursors» dans la fenêtre «Sim Data», comme montré à la Figure 15. Il faut d abord déplacer le curseur B pour qu il

13 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés montre la valeur maximum du signal (gain en bande). Ensuite, entrez la valeur «YB- 3» dans la colonne Y du curseur A. Le curseur A se place sur le point - 3 db de la courbe. Relevez la fréquence de coupure dans la colonne X du curseur A. Figure 15: Diagramme de Bode du filtre. Analyse par balayage Il est souvent très utile de savoir comment un circuit se comporte lorsque les valeurs de certains de ses composants changent. L analyse par balayage permet d obtenir les réponses qui correspondent à une plage de valeurs : La Figure 16 montre un exemple de configuration d analyse par balayage. Sélectionnez l item «Parameter Sweep» dans la fenêtre «Analyses Setup». Configurez votre fenêtre «Analyses Setup» comme à la Figure 16. Cette configuration fait varier les valeurs des condensateurs C1 et C2 du filtre sur la plage de 1 nf à 5 nf avec un pas de 1 nf et affiche toutes les combinaisons de réponses. Cliquez sur «OK» dans la fenêtre «Analyses Setup». Altium lance la simulation et affiche la réponse temporelle et la réponse fréquentielle. La Figure 17 montre la réponse temporelle de cette analyse pour une source sinusoïdale d entrée d une fréquence de 10 khz. La Figure 18 montre la réponse fréquentielle de l analyse par balayage. On voit que changer la valeur des condensateurs déplace la fréquence de coupure le long de l axe des fréquences.

14 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Figure 16: La configuration de l analyse par balayage. Figure 17: La réponse temporelle d e l analyse par balayage.

15 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Figure 18: La réponse fréquentielle de l analyse par balayage : la fréquence d e coupure du filtre change.

16 GEL- 3000 Électronique des composants intégrés Exercices facultatifs Répondez aux questions suivantes : 1) Quelle est la différence entre un filtre actif et un filtre passif? Expliquez. 2) À quoi sert un filtre passe- haut? Expliquez et nommez quelques applications. Donnez la fréquence de coupure passe- haut du filtre montré à la Figure 1. 3) L alimentation du circuit du filtre (Fig. 1) est- elle de type bipolaire ou unipolaire? Expliquez. 4) Donner le gain en bande du filtre en V/V et en db. 5) Pour l analyse fréquentielle effectuée à la page 10, mesurez la bande passante du filtre. Indice : la bande passante correspond à la bande de fréquence pour lesquelles le gain reste contant et supérieur au gain maximum 3dB. 6) Relevez la fréquence de coupure passe- bas du filtre et expliquez la présence d une telle fréquence de coupure. 7) Notez la pente d atténuation sur la courbe du gain du filtre, au delà de la fréquence de coupure passe- bas. Exprimez votre réponse en db par décade. 8) Pour l analyse par balayage effectué à la page 13, expliquez ce qui arrive lorsqu on augmente simultanément la valeur de C1 et de C2. Relevez les fréquences de coupure minimum et maximum obtenues pour cette simulation. 9) Expliquez le comportement obtenu en variant simultanément les résistances R1 et R2 de 10 kω à 100 kω avec un pas de 10 kω. Quel paramètre de l amplificateur est- il modifié par une telle manipulation.