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Badreddine Bouzouita Cours CA0 : ENISO 2011-2012

Introduction générale

La CAO électronique (pour Conception Assisté par Ordinateurélectronique), nommée également en anglais EDA (pour ElectronicDesign Automation), est la catégorie des outils servant à laconception et la production des systèmes électroniques allant descircuits imprimés jusqu’aux circuits intégrés.

2Badreddine Bouzouita Cours CA0 : ENISO 2011-2012

Introduction générale

Le premier simulateur de CAO électronique est apparu aux débuts desannées 1970 grâce aux étudiants de l’université de Berkely. Cesimulateur, nommé SPICE (acronyme de Simulation Program withIntegrated Circuits Emphasis qui signifie programme de simulationpour circuits intégrés), a été développé en FORTRAN. La premièreversion PC (Personnel Computer) de SPICE, nommée PSPICE, a étéélaborée par la société MICROSIM en 1984 et qui a inclus un modulegraphique PROBE. Cette société a été rachetée en 1999 par le groupeORCAD grand spécialiste des logiciels de simulation sur PC.

Ce langage est devenu le noyau de plusieurs logiciels de simulationélectronique tels qu’Altium, Proteus, Eagle, OrCad, etc.


PSPICEPartie 1


Introduction

SPICE est donc avant tout un logiciel de simulation de composants etde circuits électroniques analogiques puis devenu mixte (associationdes circuits numériques et analogiques) dans ces versions les plusélaborées.

Les modèles permettant la simulation des composants sont desmodèles issus de la physique des composants et leurs paramètressont le plus souvent des paramètres physiques. En effet, chaquecomposant a un comportement spécifique qui est décrit par un jeud’équations et de paramètres. Ces modèles, basés sur la physique etla mesure, sont relativement complets et réalistes, ce qui permet dessimulations fiables.


Présentation du langage PSPICE

PSPICE est un langage interpréteur, c'est-à-dire qu'il lit un fichierd'entrée contenant le programme et génère un fichier de sortie. Parexemple, supposons qu'on désire effectuer une simulation du circuitdiviseur de tension de la figure suivante :



Pour ce faire, on doit rédiger dans un fichier un programme décrivantle circuit en question. On appelle le fichier par exemple circuit1.cir.On entre dans le fichier le programme suivant :

7

* Diviseur de tension

V1 1 0 125V

R1 1 2 25

R2 2 0 100

.OP

.END



Il reste à sauvegarder les résultats dans un fichier nommécircuit1.out. À cet effet, on peut faire intervenir l'interpréteur PSPICEen entrant la commande suivante :

PSPICE circuit1.cir circuit1.out


Syntaxe du fichier de simulation

Le fichier d’entrée ou fichier de simulation est un fichier standardASCII (ici l’extension est du type « *.CIR ») qui contient toutes lesdonnées caractérisant le circuit à analyser : les composants, lesnœuds, les paramètres, les commandes d’analyse, les modèles utiliséset les sorties désirées.



Ce fichier est composé de :

– Titre du circuit (obligatoire).

– Une "netlist" donnant une description du circuit à analyser :

• Sources d'alimentation, sources de signaux

• Description des éléments

• Déclaration des modèles

» Type d'analyse.

» Les sorties.

» Modèles associés.

– FIN.



Il est possible d'insérer des commentaires n'importe où dans le corpsdu fichier. Il suffit d'entrer un astérisque « * » au début de la ligne.

À noter également que le texte d'une ligne peut se poursuivre sur laligne suivante à condition qu'on inscrive un « + » au début de cetteligne.

Les caractères : « Espace ou blanc », « TAB », « , » , « ( » et « )» sontéquivalents et sont évalués comme séparateurs de champ.


Description du circuit

Pour décrire la structure d’un circuit, il suffit de définir le contenu de chaquebranche. Dans PSPICE chaque nœud porte un numéro (ce peut aussi être unnom) défini par l’utilisateur ou attribué automatiquement par le logiciel desaisie de schéma. L’un de ces nœuds est la masse GND (ou AGND) qui porteobligatoirement le numéro 0.

Le fichier de description (NETLIST) réserve une ligne pour chaque branche.Cette ligne débute par une lettre caractéristique du composant (R pourrésistance, C pour condensateur, etc.) suivi d’un numéro (ou de lettres)indiquant le N° du composant. La ligne se termine par la valeur ducomposant ou sa désignation précise s’il s’agit d’un composant actif.

Exemple :

R4 1 2 1k ; Ceci est un commentaire

décrit une résistance nommée R4 de valeur 1000Ω placée entre les nœuds1 et 2.


Description du circuit

Les valeurs numériques peuvent être suivies d'un suffixemultiplicateur parmi les suivants :

Remarque : Il ne doit pas y avoir d'espace entre les chiffres et lesuffixe.

13

F Femto 10-15

P Pico 10-12

N Nano 10-9

U Micro 10-6

M Milli (pas MEG) 10-3

K Kilo 103

MEG Méga 106


Résistance

Les composants élémentaires

La spécification d'une résistance prend la forme générale suivante :

Rnom N1 N2 VALEUR <TC = TC1 <, TC2>>

Avec :

• N1 et N2 sont deux nombres entiers (ou lettres) qui désignent lesdeux nœuds de la résistance.

• VALEUR est la valeur de la résistance, qui doit être autre que zéro.

• TC1 et TC2 sont des données optionnelles qui représentent lescoefficients de température. La valeur de la résistance en fonction dela température suit la règle suivante :

valeur(T)=valeur(TNOM)*(1+TC1(T-TNOM)+TC2(T-TNOM)²)

où TNOM est la température nominale (27°C par défaut) et Treprésente la température à laquelle on veut effectuer la simulation,qu'on doit d'abord spécifier dans la commande de contrôle .TEMP


Résistance


Lorsqu'on ne spécifie pas TC1 et TC2, PSPICE assume qu'ils prennentla valeur zéro; autrement dit, la valeur de la résistance correspond àcelle de VALEUR.

Exemple :

R1 1 2 100

RC1 12 17 1K TC=0.001

R12 20 25 1.2K TC=0.003, 0.01


Condensateur et bobine


La forme générale de la spécification d'un condensateur est commesuit :

Cnom N1 N2 VALEUR <IC=INCOND>

et celle d'une bobine :

Lnom N1 N2 VALEUR <IC=INCOND>

Dans ces expressions, N1 et N2 sont deux nombres entiers (ou lettres)qui représentent les deux nœuds de l'élément. VALEUR correspond àla valeur de la capacité en farads ou celle de l'inductance en Henry.

Exemple :

C1 13 0 1UF

Cpar 17 23 10U IC=3V

C2 13 43 47.7U IC=-5V




Pour le condensateur, la condition initiale (IC) dont la spécification estfacultative représente sa tension initiale exprimée en volts. La polaritéde cette tension initiale est positive au noeud N1 et négative aunoeud N2. Dans le cas de la bobine, la condition initiale est le courantinitial qui la parcourt, exprimé en ampères. Ce courant initial va de N1vers N2.




Remarque :

Si la spécification des éléments ne mentionne pas de conditionsinitiales, le programme adopte la valeur zéro par défaut. Par ailleurs,le programme ne tient compte des conditions initiales, mêmespécifiées, que lorsque la commande .TRAN indique l'option UIC(« Use initial condition »). .TRAN est la commande de contrôle àutiliser pour effectuer une analyse de simulation temporelle.


Diodes


La forme générale de la spécification d'une diode est comme suit :

Dnom N_Anode N_cathode Dmodel

Avec N_Anode désigne l’anode (n+) et N_cathode représente lacathode (n-).

Les paramètres de la diode sont définis par le modèle « Dmodel ».


Sources continues

Les sources de tension et de courant indépendantes

Sources employées pour l'analyse continue (DC)

Tension : Vnom N1 N2 <DC> <VALEUR>

Courant : Inom N1 N2 <DC> <VALEUR>

Dans le cas de la source de tension, N1 et N2 servent à désignerrespectivement le nœud positif et le nœud négatif. Avec la source decourant, le courant positif passe du nœud N1 vers le nœud N2.


Sources continues

Les sources de tension et de courant

Dans le programme en SPICE, on se sert des sources de tensioncomme ampèremètres. Pour connaître l'intensité du courant dansune branche d'un circuit, il suffit d'y ajouter une source de tensionayant une valeur égale à zéro. Cette source, puisqu'elle se comporte àla façon d'un court-circuit, n'a aucun effet dans le circuit.

Exemple : On veut mesurer le courant i du circuit suivant :


Sources alternatives (AC)


Source employée pour l’analyse fréquentielle (AC)

Courant : Inom Nœud+ Nœud- AC Amplitude Phase

Tension : Vnom Nœud+ Nœud- AC Amplitude Phase

où Amplitude = valeur de la tension alternative appliquée entre lesnœuds Nœud+ et Nœud- ou valeur du courant alternatif traversant labranche située entre les nœuds Nœud+ et Nœud- ; Phase =Déphasage initial (en degré, 0 par défaut).


Sources combinées


Source employée pour l’analyse continue et analyse fréquentielle.

Courant : Inom Nœud+ Nœud- AC Amplitude Phase DC Valeur

Tension : Vnom Nœud+ Nœud- AC Amplitude Phase DC Valeur


Les sources variantes dans le temps

Outre les sources continues de tension et de courant et les sources àfréquences variables, on dispose en SPICE de cinq types de sourcesindépendantes : source à pulsation (PULSE), source exponentielle(EXP), source sinusoïdale (SIN), source linéaire par intervalle (PWL :Piece Wise Linear) et source modulée en fréquence unique (FM).


Sources exponentielles


Vnom/Inom N+ N- EXP (v1 v2 td1 tau1 td2 tau2)

avec :

v1 : tension initiale; v2 : tension finale ; td1 : retard ; tau1 : constantede temps de montée ; td2 : instant de descente ; tau2 : constante detemps de descente


Sources de signaux rectangulaires


Vxxx N+ N- PULSE (Valeur initiale, Valeur crête, Retard, T de montée, Tde descente, Largeur, Période)

Avec v1 : Valeur initiale ; v2 : Valeur crête ; td : Retard ; tr : T demontée ; tf : T de descente ; pw : Largeur, Période


Sources de signaux linéaires par morceaux (PWL)


La commande PWL permet de construire un signal formé de segmentsde droite :

Vnom N+ N- PWL(t1 V1 t2 V2 ....tn Vn)

où ti Vi sont les coordonnées des points de cassure.


Sources sinusoïdales


Vnom N+ N- SIN( Vo, Va, Freq, td, df, phase )

où V0 = Valeur continue ; Va = Amplitude de la sinusoïde ; Freq =Fréquence du signal sinusoïdal ; td = Retard du débutd’amortissement ; df = Facteur d’amortissement ; Phase = Déphasageinitial (en degré).


Les sources contrôlées

Ce sont des tensions ou courants en fonction d’autres tensions oucourants. Ces sources peuvent utiliser pour modéliser des élémentsactifs (transistor, diode, amplificateur opérationnel, etc.)

PSPICE supporte 4 types de sources contrôlées :

Sources de tension contrôlées par une tension : Enom

Sources de courant contrôlées par un courant : Fnom

Sources de courant contrôlées par une tension : Gnom

Sources de tension contrôlées par un courant : Hnom

Le contrôle peut être linéaire ou polynomial. Dans ce cours, ons’intéresse au contrôle linéaire.


Sources linéaires de tension commandée par une tension


Pour une source de tension commandée en tension, le format est :

Enom N+ N- Nc+ Nc- G

avec N+ et N- sont les deux bornes de la source (sortie) et Nc+ et Nc-sont les deux nœuds entre lesquels est prise la tension de commandeG est le gain :

V(N+,N-) =G * V(Nc+,Nc-)

Exemple :

Eampli 3 0 1 2 1E5

Cette ligne représente un amplificateur opérationnel idéal de gain100000 de sortie 3 0 et d’entrées + et – sont resp. les nœuds 1 et 2.


Sources linéaires de courant commandées par une tension


Pour une source de courant commandée en tension, le format est :

Gnom N+ N- Nc+ Nc- G

avec N+ et N- sont les deux bornes de la source et Nc+ et Nc- sont lesdeux nœuds entre lesquels est prise la tension de commande G est legain :

I(N+,N-) =G * V(Nc+-Nc-)


Sources linéaires de courant commandées par un courant


La forme générale de ce type de source est :

Fnom N+ N- VNOM G

avec N+ et N- sont les deux bornes de la source et VNOM correspondau nom de la source de tension à travers laquelle passe le courant decommande qui se dirige du nœud positif vers le nœud négatif deVNOM :

IF=G*I(VNOM)


Sources linéaires de courant commandées par un courant


Exemple : transistor

Vbase Base Emetteur 0

Ftransistor Collecteur Emetteur Vbase 300

Ici, la première ligne de code introduit une source de tension Vbaseégale à 0V entre les nœuds Base et Émetteur (source ampèremètre).La seconde ligne définit un dipôle Collecteur-Emetteur par une SCCCavec un gain de 300 par le courant traversant Vbase.


Sources linéaires de tension commandée par un courant


Hnom N1 N2 VNOM Valeur

Les paramètres N1 et N2 sont les nœuds de la source de tensiondépendante. Le nœud positif de la source est connecté à N1 et le nœudnégatif à N2. Lorsque l'élément de commande est une source de tension, leparamètre VNOM correspond au nom de la source de tension à traverslaquelle passe le courant de commande. Le courant de commande positif sedirige du nœud positif vers le nœud négatif de VNOM.

En revanche, si l'élément de commande n'est pas une source de tension(une résistance, par exemple), il faut insérer une source de tension ayantune valeur de tension nulle dans la branche de commande considérée. Lecourant de commande sera alors égal au courant qui traverse cette sourcede l'élément de commande en question.

Le paramètre VALEUR représente la transrésistance de la source, expriméeen ohms (constante de proportionnalité).



Type de source Schéma Forme générale

Source de courant

commandée par une tension

Gxxx N1 N2 Nc+ Nc-

VALEUR

Source de tension

commandée par une tension

Exxx N1 N2 Nc+ Nc-

VALEUR



Type de source Schéma Forme générale

Source de courant

commandée par un courant

Fxxx N1 N2 VNOM

VALEUR

où

VNOM Nc+ Nc- 0

Source de tension

commandée par un courant

Hxxx N1 N2 VNOM

VALEUR

où

VNOM Nc+ Nc- 0


Cette commande a comme effet de calculer le point d'opération ducircuit. Elle fournit :

– la tension en chaque nœud.

– le courant dans chaque générateur de tension

– le point de fonctionnement pour chaque élément actif

Le point d'opération se calcule après le remplacement des bobinespar des courts-circuits et des condensateurs par des circuits ouverts.

Analyse du point de fonctionnement .OP

Les modes de simulations


Cette commande nous permet de déterminer les différents points defonctionnement d’un circuit en faisant un balayage de sources detension continues ou de courant.

Syntaxe :

Première forme :

.DC [LIN\OCT\DEC] SRC1 START1 STOP1 INC1 <SRC2START2 STOP2 INC2>

Le balayage est effectué de manière linéaire [LIN] par défaut, ou paroctave [OCT], ou par décade [DEC] de la variable spécifiée.

Le paramètre SRC1 représente le nom d'une source indépendante detension ou de courant qui doit être déjà déclaré dans le netlist. Lesparamètres START1, STOP1 et INC1 désignent respectivement lesvaleurs du début, de l'arrêt et du pas d'incrémentation, exprimées envolts ou en ampères, de tension ou de courant de la source.

Analyse de balayage en continu .DC



Si les données de balayage d’une deuxième variable sont spécifiées(<SRC2 START2 STOP2 INC2>), un balayage complet de la premièrevariable est réalisé pour chaque valeur de la seconde source.

Seconde forme :

.DC variable balayée LIST listes valeurs <autresvariables balayées>

Dans ce cas, une liste de valeur est utilisée pour effectuer le balayage.

Exemple :

*caractéristiques statiques d'un transistor bipolaire

.DC VCE 0 10V 0.1V IBASE 0 5MA 1MA

* (les sources VCE et IBASE sont supposées exister)

Analyse de balayage en continu .DC



La simulation dans le domaine fréquentiel (Bode, Nyquist, Black)s’effectue avec la présence de la directive .AC. Dans ce cas, on utiliseles sources de tension ou de courant AC.

Syntaxe :

.AC LIN nbre de points, fréquence de départ, fréquence de fin

.AC OCT nbre de points, fréquence de départ, fréquence de fin

.AC DEC nbre de points, fréquence de départ, fréquence de fin

avec :

LIN, OCT et DEC spécifient le type de balayage effectué,respectivement, linéairement, par octave, par décade.

<nbre de points> représente le nombre total de points sur l’intervallebalayé.

<fréquence de départ> doit être obligatoirement inférieur à<fréquence de fin> et les deux grandeurs positives.

Analyse Harmonique ou « AC sweep »



Affichage de résultats :

.PRINT AC variable de sortie

.PLOT AC variable de sortie

Les variables que nous éditons sont des tensions ou courantscomplexes. Nous pouvons les traiter sous différentes formes :

(pas de suffixe) : c’est « module » par défaut

M : module

P : phase

DB : module en dB: 20 log10(grandeur)

R : partie réelle

IMG ou I : partie imaginaire

Analyse Harmonique ou « AC sweep »



La simulation dans le domaine temporel s’effectue avec la présence de lacommande .TRAN. Sa spécification prend la forme générale :

.TRAN AFF_PAS TSTOP <TSTART <TMAX>> <UIC>Le programme en SPICE commence toujours à calculer les résultats autemps 0s et s'arrête au temps TSTOP avec un pas d'incrémentation interneajusté automatiquement pour garder une certaine précision. Le paramètreTMAX permet d'indiquer la valeur maximale du pas d'incrémentationinterne. Lorsqu'on ne spécifie pas ce paramètre, la valeur TSTOP/50 estprise par défaut.L'utilisateur ne peut décider que des temps pour lesquels il désire obtenirun affichage des résultats sous forme de tableau (.PRINT TRAN )ou sousforme de graphique (.PLOT TRAN) avec un pas d'affichage égal AFF_PAS.Lorsqu'il y a une valeur spécifiée pour le paramètre TSTART, seuls lesrésultats du temps TSTART au temps TSTOP sont affichés bien que SPICE aitcalculé les résultats à partir de 0s.Note : Si on spécifie le paramètre UIC (Use Initial Condition), le programmetiendra compte de l'ensemble des conditions initiales des élémentsdynamiques.

Analyse Temporelle



Pour effectuer plusieurs fois la même simulation en faisant varier lavaleur d’un paramètre, d’une variable (température, tension d’unnœud, paramètre d’un modèle, etc.), on utilise la commande .STEP.La syntaxe générale de cette commande est comme suit :

.STEP [LIN] varname start end incr

.STEP [OCT][DEC] varname start end points

.STEP varname LIST valeur1, valeur2, …

où :

varname = Variable ; start = Valeur de début de la variable ;

end = Valeur de fin de la variable ; inc = Pas de simulation ;

points = Nombre de points de simulation ;

La première forme est pour réaliser un balayage linéaire. La deuxièmeforme est pour réaliser un balayage logarithmique et la dernièreforme pour utiliser une liste de valeurs.

Analyse Paramétrique : .PARAM et .STEP



« varname » peut-être soit :

une source de tension ou de courant indépendante déjà déclarerdans le Netlist.

Exemple :

VCE 1 0 5V

R1 1 2 1K

R2 2 0 1K

.STEP VCE 1V 5V 1V




Le paramètre d’un modèle.

Exemple :

R1 1 2 RMOD 1

.MODEL RMOD RES(R=30) ; il ne faut pas utiliser R={30}

.STEP RES RMOD(R) 30,50,5

Ici RMOD est le nom du modèle, RES est le nom de la variable debalayage, et R est le paramètre dans le modèle à balayer. Afin de varier lavaleur de la résistance, la valeur de résistance de ligne e est multipliée par lavaleur du paramètre R pour atteindre la valeur de résistance finale, qui est:

valeur de la résistance finale = valeur de résistance de ligne×R

Par conséquent, si la valeur de la résistance de la ligne est mise à 1 ohm, lavaleur de résistance finale est 1×R ou R. Balayant R de 30 à 50 ohms alorsla valeur de résistance varie de 1×30 ohms à 1×50 ohms.




Température : dans ce cas, le champ “varname” reçoit TEMP. Pourchaque valeur de la température, tous les composants du circuit ontleurs paramètres du modèle mis à jour pour cette température.

Exemple :

.STEP TEMP LIST 0,20,50,100

Paramètre global : La directive .PARAM est utilisée dans ce cas.Cette directive est équivalente du point de vue de la programmation,à la déclaration d’une variable globale.

Exemple :

.PARAM RVAL = 1

R1 1 2 {RVAL}

.STEP PARAM RVAL 30, 50, 5 ; La simulation va être effectuéeavec ces valeurs de la résistance R1




Afin d'alléger le fichier d’entrée, principalement quand une structurese répète plusieurs fois, on associe un ensemble d’éléments à un blocnommé sous-circuit. Ce dernier est une liste d'éléments encadrée parles commandes .SUBCKT et .ENDS. La syntaxe employée est alors lasuivante :

.SUBCKT nom noeud_1 noeud_2 … noeud_X

…

… Description des branches identiques (Netlist)

.ENDS

Les noms des éléments et des nœuds sont locaux, sauf le nœud 0 quiest global.

Sous-circuit

Les structures hiérarchiques et sous-circuits


L’appellation d’un sous-circuit se fait par la commande suivante :

Xnom1 N1 N2 … NX SS_nom

Avec SS_nom est l’identifiant du sous-circuit (.subckt SS_nmo …).

Exemple : Donner le Netlist de ce circuit.

Sous-circuit



La directive PARAMS nous permet de passer des paramètres à unsous-circuit. A titre d’exemple, on va réaliser le potentiomètresuivant :

La déclaration de ce sous circuit est comme suit :.SUBCKT POT (Nœud_1, Nœud_2, Nœud_3) PARAMS: r = 1k set = 0.1 ; où r est larésistance totale

Rleft Nœud_1 Nœud_2 {(1.001-set)*r} ; c’est la résistance entre Noeud_1 etNoeud_2

Rright Noeud_2 Noeud_3 {(0.001+set)*r} ; c’est la résistance entre Noeud_2 etNoeud_3

.ENDS

Faire passer de paramètres à un sous-circuit


50

Nœud_1

Nœud_2

Nœud_3


Xpot1 2 5 6 pot PARAMS: r = 10k set = 0.5 ; déclarer un potentiomètre entre lesnœuds 2 5 et 6 avec une résistance totale égale à 10k. Le potentiomètre dans ce casest positionné au milieu (set =0.5).

*Analyse paramétrique

.PARAM alpha = 5 ; déclaration d’une variable globale

.STEP PARAM(alpha) 0.1 1 0.2 ; (valeur initiale, valeur finale, pas)

Xpot 2 4 4 Pot PARAMS: R = 100K SET = {alpha}

Faire passer de paramètres à un sous-circuit



Création d’un nouveau composant dans ISIS avec un modèle PSPICE


Création d’une nouvelle bibliothèque

Il peut être intéressant de se créer sa propre librairie afin d’y stockerdes nouveaux composants ou des composants personnalisés.

1) Démarrez ISIS.

2) Cliquez sur le menu : « Library /Library manager »

La fenêtre ‘Devices Libraries Manager’ s’ouvre :

3) Cliquez sur le bouton : « Create library. »

4) Indiquez le nom de la librairie (par exemple « lib_EI ») et lerépertoire où elle sera enregistrée (choisir C:\ProgramFiles\LabcenterElectronics\Proteus 7 Professional\LIBRARY).

Une fenêtre ‘Nouvelle bibliothèque’ s’ouvre.

5) Cliquez sur OK


Création d’un nouveau composant

Dans ISIS, on peut créer des nouveaux composants directement sur leschéma. Comme exemple, nous allons créer un diviseur de tension.

Pour pouvoir simuler ce circuit dans ISIS, nous allons lui attribuer un modèlequi est décrit en langage SPICE :

* comportement du composant

.subckt diviseur 1 2 3

R1 1 2 10k

R2 2 3 10k

.ends

Il suffit donc d’enregistrer ce fichier sous l’extension .CIR (DIV_R.CIR) qui estreconnu par ISIS (par exemple DIV.LIB).

54

R1

10k

R2

10k

1 2 3



On va maintenant tracer notre composant dans ISIS.

- Tracer le contour du symbole du composant : sélectionner lestyle COMPONENT dans le sélecteur d'objets 2D Grafics Box Mode ( )). Placez le pointeur de souris sur la fenêtre d'édition et tracez unrectangle. N'essayez pas d'obtenir la taille exacte vous pourreztoujours modifier sa taille plus tard.



- Placez les pattes : Sélectionnez le bouton ‘Pin de composant.’. Le sélecteur d'objets vous donne la liste des types de pattesdisponibles. Choisissez, le type 'Default', Placez les 3 pattes commeindiqué (la croix représente l'extrémité où vous connecterez un fil).



- Annotez les pattes : Après avoir adapté le corps ducomposant et les pattes à notre convenance, nous devons maintenantannoter les pattes avec des noms et des numéros, et leur attribuer untype électrique. Le type électrique (entrée, alimentation, passif, etc.)est utilisé par l'outil de contrôle des règles électriques pour vérifierl'interconnexion des pattes dont le type est compatible.

Pour ce faire, marquez chaque patte (clic droit), puis modifiezla patte marquée (clic gauche). La patte affiche alors sa fenêtre dedialogue 'Edition patte'.



Créer le composant : Sélectionnez toutes les pattes et le corps. Cliquezsur le bouton 'Créer Composant' .

Cours CA0 : ENISO 2010-2011 59

DIVR

DR

Badreddine Bouzouita


Cours CA0 : ENISO 2010-2011 60Badreddine Bouzouita


Appuyer sur le bouton « New » et choisir PRIMITIVE.

61

ANALOG,SUBCKT

Show Name & Value



Appuyer sur le bouton « New » et choisir SPICEMODEL.


Diviseur, DIV_R.CIR

Show Name & Value



-PRIMITIVE = ANALOG,SUBCKT: Cette affectation indique ausimulateur ISIS que le comportement du composant est décrit par unsous-circuit analogue de type SPICE.

-- SPICEMODEL=diviseur, DIV_R.CIR : Cette ligne précise le nom dusous-circuit à utiliser (diviseur) et le nom du fichier ASCII qui contientsa description (le fichier DIV_R.CIR). Le fichier peut contenir plusieursmodèles.

Remarque : il faut spécifier le chemin du fichier .CIR (c:\programfiles\...\DIV_R.CIR). Ce chemin peut être décrit dans SPICEFILE. Dansce cas, on aura la déclaration suivante :

SPICEMODEL=diviseur

SPICEFILE=c:\prgram files\...\DIV_R.CIR



On peut aussi définir le chemin où trouver ses bibliothèques. Pourcela il dispose de variables à configurer dans le menu "Systeme >Définir chemins". Vous devez ensuite sauvegarder la configuration."Système > Sauver Préférences"

- SPICEPINS= N1,N2,N3 : La propriété SPICEPINS permet de relier un àun les noms des broches du notre composant aux noms des nœudsreprésentant les entrées et les sorties du modèle SPICE. L’ordre desconnexions doit être le même pour le composant :

.SUBCKT diviseur 1 2 3

La fenêtre « Edit Component » est ainsi validée.




Choisir la catégorie et la sous catégorie

La bibliothèque où va être enregistré


LES CIRCUITS IMPRIMÉSPartie 2


Définitions

Circuit imprimé

Un circuit imprimé (en anglais, PCB pour Printed Circuit Board) est unsupport, en général une plaque, assurant la fixation et la connexionélectrique entre les divers composants. On le désigne aussi par leterme de carte électronique.


Plaque de circuit imprimé : standard et présensibilisée

Circuit imprimé

Une plaque de circuit imprimé standard est une plaque en bakélite(marron) ou en verre époxy (verte), recouverte d'une mince pelliculede cuivre (photo de gauche).

Une plaque de circuit imprimé présensibilisé est une plaque decircuit imprimé standard (en bakélite ou en epoxy) qui a étérecouverte d'une couche de produit chimique sensible aux UV(ultraviolets). Pour ne pas être exposé aux rayonnements UV naturelsdu soleil, ce type de plaque est livrée avec un film protecteur anti-UV,qu'il convient de retirer au dernier moment.


Historique

Circuit imprimé

1940 : Invention aux USA pour des applications militaires (missiles)

1946 : L’armée américaine autorise la publication des brevets

1948 : Le circuit imprimé devient un procédé de fabrication industrielproductif


Définitions

Circuit imprimé

Un composant électronique est un élément destiné à être assembléavec d'autres afin de réaliser une ou plusieurs fonctionsélectroniques. Il peut être classé en :

Composant actif/passif :

- Un composant actif est un dispositif qui permet d'augmenter lapuissance d'un signal (tension, courant, ou les deux) ou decontrôler les courants ou tensions. La puissance supplémentaireest récupérée au travers d'une alimentation. Exemple : diode,transistor, amplificateur opérationnel, circuit intégré.

- Au contraire, un composant est dit passif lorsqu'il ne permetpas d'augmenter la puissance d'un signal ou de contrôler unetension ou un courant (dans certains cas, il s'agit même deréduire la puissance, souvent par effet Joule) : résistance,condensateur, bobine, filtre passif, transformateur, diode, ainsique les assemblages de ces composants.


Définitions

Circuit imprimé

Classification par type d'intégration :- Un composant discret ne réalise qu'une fonction (résistance,

condensateur, diode, transistor,...).

- Circuit intégré ou au circuit hybride regroupent un certain nombre defonctions actives ou passives dans un même boîtier.

Classification par boîtier : Parmi les composants à monter sur circuitimprimé, on distingue deux catégories principales :

- les composants montés en surface, également appelés CMS ou SMD(pour Surface-Mount Device) :

- les composants traversants (ou TRAD pour Traditional) nécessitant leperçage du PCB

- Certaines branches de l'électronique telles que l'électronique depuissance utilisent également des boîtiers avec des connexions àvisser ou à sertir. Les contraintes de puissance, d'isolation etd'ergonomie ne permettent pas dans certains cas l'utilisation decircuits imprimés.


Technologie du circuit imprimé

Une plaque de circuit imprimé se présente généralement sous laforme d'une plaque isolante recouverte d'une couche de cuivre puisd'une couche photosensible (réagissant aux U.V.).



L'isolant : L'isolant a une épaisseur courante de 1,6 mm, mais cetteépaisseur peut varier de 0,2 mm à 6 mm selon le matériau employé et sonutilisation.

Les différents matériaux sont :

– le verre époxy : pas cher ; bonnes propriétés mécaniques

– le Téflon : excellentes propriétés mécaniques ; excellente tenue auxagents extérieurs (température, ... ) ; très cher ( emplois particuliers :H.F., ... )

– le mylar (ou polyester) : utilisé en très faibles épaisseurs pourfabriquer des circuits souples

Cours CA0 : ENISO 2010-2011 73Badreddine Bouzouita


Le cuivre : C'est du cuivre pur. La largeur de la piste dépend del'intensité du courant à véhiculer et de l'élévation de températureadmise pour ce conducteur. Les différentes valeurs apparaissent dansle tableau suivant :


Intensité du courant(en ampères)

Largeur du conducteur (en mm)

T = +10°C T = +20°C

12345

0,82

3,8--

0,61,22,23,45



La couche photosensible : Elle permet, par un procédéphotographique, de distinguer puis d'éliminer les parties cuivréesinutiles grâce à sa réaction aux ultraviolets. Elle peut être de typepositif ou négatif.


La gravure anglaise

Méthode de fabrication de circuits imprimés

Le principe est simple : un outil va isoler les fils ou plans portés à despotentiels différents. On ne retire donc ici que le strict nécessaire ducuivre par un procédé mécanique quelconque : fraise ou cutter


La gravure directe


Le procédé consiste à protéger le cuivre à conserver et à supprimerl'excédent par chimie cette fois.

Pour tracer manuellement le PCB, deux méthodes sont possibles :

- soit par dessin au feutre spécial.

- soit par collage sur la feuille de cuivre des pastilles et desrubans prédécoupés et autocollants.


La méthode photographique


Elle consiste à préparer un film qui servira à insoler un supportphotosensibilité. Ce dernier est recouvert d’une laque de protection(résistant e au perchlorure de fer) photosensible (sensible aux rayonsUV) ; celle-ci protégera la couche de cuivre contre l’action de l’acide.Ainsi, il faut réaliser un masque (typon) qui protégera la laque contreles UV lors de l’insolation (exposition aux rayons U.V.). La laquerestante protégera à son tour le cuivre (les pistes du circuit) lors de lagravure chimique.


Boîtiers de circuits intégrés

Un boîtier de circuit intégré (ou package) est un boîtier servantd'interface mécanique entre le composant lui-même et le circuitimprimé (également appelé PCB). Il est généralement composé deplastique, parfois de céramique, rarement de métal. Certains boîtierspossèdent des fenêtres transparentes permettant par exemplel'effacement par ultraviolet de certaines mémoires (EPROM).


Les boîtiers plats (flat package)


Les boîtiers plats sont couramment utilisés dans les applications où lalégèreté est une exigence essentielle. Beaucoup de militaires et deapplications spatiales utilisent ce type de boîtier. Le nombre debroches varie d‘un boîtier à un autre.


Les boîtiers DIL (Dual In Line)


Ces boîtiers, nommés aussi DIP (Dual Inline Package), peuvent êtredirectement soudés sur le circuit imprimé (PCB), ou insérés dans dessupports eux-mêmes soudés, permettant un remplacement facile ducomposant et une réduction des risques de destruction lors de lasoudure.

Le X de DIL-X indiquant le nombre de pattes du circuit intégré.


Les boîtiers SIL (Single In Line)


Les connexions dans ce cas sont placées que d’un seul coté :

On trouve aussi d’autre boîtiers tel que le :

- Quad (Q) sur les 4 côtés du boîtier

- zig-zag (Z, en quinconce sur un côté)

- axiale (A) et radiale (R)


Les boîtiers SO (Small OutLine)


Ce type de boîtier, appelé aussi SOIC (Small Outline IntegratedCircuit), est semblable au DIL dont l’espace entre deux sorties estdivisé par 2 et dont les connexions ne sont plus droites, mais coudéesafin de permettre une soudure du côté composant (soudure sanstrous). Ce type de boîtier est deux fois plus épais que les boîtiersplats.

Le X de SO-X indiquant le nombre de pattes du circuit intégré.

83Badreddine Bouzouita

Les boîtiers Chip Carrier


- Ces boîtier sans broches extérieurs (métallisations localesencastrées).

- Boîtier enfichable dans des supports spéciaux.

- Numérotation dans le sens trigonométrique et sortie n°1 repérée


Les boîtiers pin grid array (réseau de connexion)


Une matrice de broches, ou PGA (sigle du nom en anglais pin gridarray), est un type d'interconnexion entre un composant monté ensurface (CMS) et un circuit imprimé (PCB). C'est un connecteur carréen plastique (ou autrefois en céramique) présent sur les cartes mèreset se présentant généralement sous la forme d'une grille dotée denombreuses perforations disposées en carré ou en quinconce servantà accueillir les pattes d'un processeur.


Les boîtiers TO-220 et TO92


Le TO-220 (vient du nom complet original : Transistor OutlinePackage) est un boîtier de composant électronique courammentutilisé pour les transistors, les diodes, les régulateurs de tension etcertains circuits intégrés. Une caractéristique notable de cescomposants est la présence d'une languette généralement métalliquepercée d'un trou, utilisée pour le montage du composant sur undissipateur thermique.

Les composants réalisés en boîtiers TO-220 peuvent dissiperdavantage de puissance que ceux réalisés en boîtiers TO-92.

TO-220 TO-92



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T0-46 3pins

DO-35/41/204


Evolution générale : - de traversant/+ de CMS



Réalisation du typon

Réalisation du circuit imprimé

En électronique, le typon désigne le masque transparent sur lequelsont imprimées les pistes, dans une encre opaque aux ultraviolets,afin de permettre la gravure d'un circuit imprimé. Le typon sert lorsde l'insolation de la plaque présensibilisée.


1er phase : Réalisation du typon


Remarque :

Il faut imprimer le typon de façon à ce que se soit la face encrée quise trouve en face de la résine photosensible. Le côté composantsnécessite donc un miroir lors de l’envoi vers l’imprimante.


2e phase : Insolation


L’insolation est l’exposition d’une préparation sensible à la lumière.

Une plaque d'époxy avec cuivre et couche photosensible est soumiseà un rayonnement d'UV (par machine à insoler à UV).

La couche photosensible exposée aux U.V. est dégradée et pourra êtreéliminée par le révélateur.

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Insoleuse


2e phase : Insolation


Après insolation, le dessin du typon apparaît sur la résine photosensible :


3e phase : Révélation (par action chimique)


La plaque est plongée dans un bain révélateur (soude diluée) pourfaire partir les zones ou la résine a été exposée par les UV.

ATTENTION : la soude est un produit dangereux. Une goutte dans lesyeux peut avoir de grave conséquence.


4e phase : Gravure (par action chimique)


Une fois le circuit révélé, le cuivre apparait à l’endroit qui ne sert pas.Il faut donc le retirer. Pour cela on utilise une graveuse ou un bacplastique pour plonger le circuit dans un bain de perchlorure de fer .

Le perchlorure de fer ( 2Fe3+ + Cu ) attaque la fine couche de cuivrequi n’est pas protégé par la résine par réaction chimique, ce serabeaucoup plus rapide si il est chaud et agité.


5e phase : L’élimination


On frotte les plaques avec un chiffon imprégné de solvant (alcool àbrûler ou acétone) afin d’élimine la résine restante sur les pistes etpastilles de cuivre :


6e phase : L’étamage


La carte est plongée dans une solution ionique à base d’étain(étamage à froid) qui se dépose sur le cuivre pour le protéger del’oxydation.

Il reste encore à réaliser les opérations de perçage et de placement decomposants et éventuellement de protection du circuit imprimé parun vernis.


Circuits imprimés multicouches


Industriellement, les circuits imprimés doubles faces sont à trous métallisés.Dans le cas de circuit très complexe, on utilise des circuits imprimésmulticouches (jusqu'à 16 couches de circuits très minces compressées puiscollées), le plus employé étant les 4 couches (les couches du milieuvéhiculant l'alimentation et la masse).


Court-circuit et microcoupure

Contrôle du circuit imprimé

Une fois le circuit imprimé est terminé, il faut le contrôler pour vérifier qu’iln’a pas de défauts :

– un circuit imprimé peut présenter deux types de défauts souventinvisibles à l’œil nu: le court-circuit et la microcoupure.

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Court-circuit Micro-coupure


Tracé des pistes

Il y a certaines règles à respecter, en fonction des courants circulant dans lespistes et des tensions présentes sur celles-ci.

– Les pistes véhiculant la tension secteur (220V) doivent être distantesd’au moins 3mm.

– Ces pistes doivent être distantes d’au moins 6mm du bord de la carte,du boîtier, ou de la partie basse tension si vous ne prévoyez pas deprise de terre.

– la largeur d’une piste doit être choisie en fonction de sa résistanceélectrique et de sa puissance dissipée, surtout si des courants élevésdoivent la parcourir (>1A).


Tracé des pistes

– Le tracé de vos pistes doit être effectué en évitant au maximum lesangles droits et les angles aigus. Favorisez au maximum les angles à135°. Ce réglage peut être imposé dans certains logiciels.

Mauvais tracés Bon tracés


Routage simple face

Le routage peut être effectué en simple face : les pistes setrouvent toutes côté cuivre. Utilisé pour des cartes simples, lasimple face peut vite devenir un vrai casse-tête pour desschémas plus conséquents. Pour arriver à vos fins, vous pouvezutiliser des « STRAPS » : sortes de « ponts » en fil rigideconducteur permettant de passer au dessus d’un ensemble depistes gênant.


Routage simple face

Attention à la taille des pastilles, trop petites, elles risquent de disparaître autirage ou d’être difficiles à percer.

Les « straps » sont droites et les plus courts possible (meilleure tenue auxvibrations). Ils sont toujours placés horizontalement ou verticalement,jamais en diagonale.

Les « straps » ne doivent pas être placées sous un autre composant : Il fautpouvoir les atteindre pour des réparations éventuelles.


Routage en double face

Les pistes se trouvent des deux côtés de la carte électronique (cuivreet composants). Plus aisé, ce routage permet de tracer autant depistes côté cuivre que côté composants. Pour passer d’un côté àl’autre, vous pouvez vous servir des pattes de composants traversantla carte, ou de VIAS : pastilles permettant de passer d’un côté àl’autre. Industriellement, on se sert de TROUS METALLISES.


Conseils et valeurs à utiliser

Bord de carte :

Tracez votre bord de carte à l’aide d’une grille métrique 1mm.

Placement des composants :

– Placez vos composants à l’aide d’une grille anglaise 50th, sauf pour lesC.M.S.

– Changez les pastilles des composants si nécessaire : minimum 60thpar 120th pour une pastille DIL standard,

– Utilisez une pastille carrée de 60th par 60th pour repérer la « patte 1» des circuits intégrés.

– Pour le reste, des pastilles carrées ou rondes de 60th par 60th saufcas particulier (transformateurs, gros composants, puissance).



Pistes :

Tracez vos pistes à l’aide d’une grille anglaise de 25th, et si nécessaire,descendez à 12th sauf pour les courants élevés.

Vias, Straps :

Utilisez des pastilles de 60th, percez au diamètre d’une patte decomposant (0,8mm) ou du fil rigide que vous utilisez.

Remarque :

1 puce = 2,54cm ; 1pas = 2,54mm ; 1th = 25,4µm


Mise en place des pistes





Le plus court chemin




Espacer les conducteurs de manière identique.


Création d’une bibliothèque d’empreintes

Les empreintes déjà intégrées à ARES peuvent ne pas suffire pour uncomposant spécifique. Dans ce cas, il peut-être intéressant de créer sapropre bibliothèque.

– Démarrez ARES.

– Cliquez sur le bouton « Placement et édition d’un package » .

– Cliquez sur le bouton .

La fenêtre ‘Packages Libraries Manager’ s’ouvre :

– Cliquez sur le bouton : « Créer biblio »

– Indiquez le nom de la librairie (par exemple « pkg_nom ») et lerépertoire où elle sera enregistrée (C:\ProgramFiles\LabcenterElectronics\Proteus 6 Professional\LIBRARY).

Une fenêtre « Nouvelle bibliothèque » s’ouvre. Cliquez sur OK


Création de l’empreinte d’un composant

Nous allons créer l’empreinte d’un bouton poussoir, très utilisé enélectronique numérique.

1) Placez les pastilles comme indiqué sur le dessin. ci-contre, en respectant les dimensions réelles du .bouton.

2) Editez chaque pastille afin de lui affecter un numéro depatte.

3) Tracez le contour du composant.

4) Sélectionnez tous les objets. Appelez la commande'Bibliothèque / Créer boîtier' du menu (ou le bouton ). Nommezl’empreinte « BP_pkg » et affectez-la à votre une bibliothèque(pkg_nom).


cao_badre_08_06_2012.pdf

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