Ανάλυση και προσομοίωση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων ενισχυτών με λογισμικό tina

Παπανικολάου, Γεώργιος

Analysis and simulation of amplifier electronic circuits with tina software tool

Διπλωματική εργασία

Author

Παπανικολάου, Γεώργιος

Date

2021-07

Advisor

Πάτσης, Γεώργιος

Papanikolaou_06555.pdf (12.71Mb)

Keywords

Ενισχυτικές διατάξεις ; DC προσομοίωση ; AC προσομοίωση ; MOSFET ; TINA ; Χρονική προσομοίωση ; MATLAB

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ερευνά και παρουσιάζει μεθόδους προσομοιώσεων βασικών ενισχυτικών διατάξεων, με σκοπό την μελέτη βασικών ιδιοτήτων τους, καθώς και την επαλήθευση της θεωρητικής τους συμπεριφοράς. Για τις προσομοιώσεις χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο το λογισμικό TINA (Texas Instruments) και το MATLAB (Mathworks). H προσομοίωση (simulation) αποτελεί αναπόσπαστο τμήμα της διαδικασίας παραγωγής ενός ηλεκτρονικού συστήματος και χρησιμοποιείται τόσο κατά το σχεδιασμό ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC-integrated circuits), όσο και κατά τη σχεδίαση κυκλωμάτων με διακριτά εξαρτήματα του εμπορίου. Παράλληλα, ωστόσο, η προσομοίωση χρησιμοποιείται ευρέως και για εκπαιδευτικούς σκοπούς, καθώς αναπαριστά τη συμπεριφορά και τη δυνατότητα λειτουργίας διατάξεων των οποίων οι ιδιότητες διδάσκονται σε θεωρητικό επίπεδο. Οι διδασκόμενοι (φοιτητές, ακροατές σεμιναρίων αλλά ακόμα και νέοι εργαζόμενοι στη βιομηχανία) έχουν την ευκαιρία να παρακολουθήσουν μια αναπαράσταση της αναμενόμενης λειτουργίας των προς μελέτη ή σχεδίαση συστημάτων. Με αυτόν τον τρόπο, αφενός θα κατανοήσουν με βέλτιστο τρόπο τις ιδιότητές τους και αφετέρου θα ελέγξουν τη συμπεριφορά της διάταξης πρωτού προχωρήσουν στην υλοποίησή της. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, πραγματοποιείται μια σταδιακή προσέγγιση τόσο στις μεθόδους προσομοίωσης όσο και στους τύπους των διατάξεων που μελετώνται. Συγκεκριμένα, η παρουσίαση των μεθόδων αυτών υλοποιείται μέσα από εκπαιδευτικού χαρακτήρα παραδείγματα, ούτως ώστε ο αναγνώστης αφενός να παρατηρεί τις δυνατότητες των εργαλείων προσομοίωσης (του ΤΙΝΑ στην εν λόγω εργασία) και αφεταίρου να κατανοήσει περισσότερο τις εκάστοτε κυκλωματικές διατάξεις, οι οποίες θεωρούνται γνωστές από τη θεωρία. Η μελέτη εκκινεί από απλά βασικά γραμμικά κυκλώματα με ιδανικά στοιχεία, χωρίς την παρουσία ημιαγωγών. Επεξηγούνται έτσι οι μέθοδοι προσομοίωσης και βασικοί χειρισμοί του προγράμματος που θα ακολουθούνται στη συνέχεια. Παράλληλα, μελετώνται οι τέσσερις γενικοί τύποι ενισχυτών (τάσης από τάση, ρεύματος από τάση, ρεύματος από ρεύμα, τάσης από ρεύμα). Η συνέχεια εστιάζεται στη μελέτη των διπολικών τρανζίστορ και τρανζίστορ MOSFET, τόσο ως ξεχωριστών στοιχείων, όσο και των ενισχυτικών διατάξεων στις οποίες αυτά χρησιμοποιούνται. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιούνται κάθε φορά τόσο σε επίπεδο συνεχούς σήματος (DC) όσο και μικρού ή εναλλασσόμενου σήματος (AC), αναδεικνύοντας και επαληθεύοντας τις ιδιότητες των εκάστοτε ενισχυτικών βαθμίδων. Έπειτα, οι μέθοδοι ανάλυσης και προσομοίωσης επεκτείνονται σε πολυσταδικούς ενισχυτές, πηγές και καθρέπτες ρεύματος, ενώ στο τέλος μελετώνται ορισμένα συχνοτικά και παρασιτικά φαινόμενα μεγάλης σημασίας για τα όρια της λειτουργίας των ενισχυτικών διατάξεων. Όλο το πλαίσιο της παραπάνω έρευνας περιλαμβάνει αρκετές συγκρίσεις και συμπεράσματα σχετικά με το πώς επηρεάζονται οι ιδιότητες των ενισχυτικών βαθμίδων από τις παραμέτρους τους. Ευελπιστώ σαν συγγραφέας ότι η εν λόγω εργασία θα μπορέσει να αποτελέσει ένα βοηθητικό εγχειρίδιο τόσο στην κατανόηση των βασικών ενισχυτικών διατάξεων, όσο και στη χρήση του προσομοιωτικού προγράμματος ΤΙΝΑ τόσο στην εκπαιδευτική διαδικασία, όσο και στην ακαδημαϊκή έρευνα και τη βιομηχανία.

Abstract

In this diploma thesis, an extensive simulation methodology of basic amplifier setups is researched and presented, in order to understand their basic concepts and verify their theoretical behavior. For the simulations, the TINA (Texas Instruments) and MATLAB softwares are mainly utilized. Simulation is a fundamental part of the design and production process of the electronic systems and is utilized in the design of integrated circuits (IC) as well as the design of discrete, commercially available electronic component circuitry. Furthermore, simulation is utilized for educational purposes, since it shows the electronic circuitries’ behavior and functionality, which are taught in a theoretical manner in such a simple way. The students, seminar participants or even newbie industry workers have the chance to watch a representation of the expected functionality of the electronic systems under research or implementation. In this way, they will understand in an optimal way the systems’ properties and verify their behavior before proceeding to hardware implementation. In this work, a progressive approach is attempted in both the simulation methods and the electronic systems searched. In particular, presentation of the methods is performed through educational examples, in such a way that the reader observes the simulation tools’ (TINA in this work) capabilities and better understands the circuitry setups properties, which are known from the theory. The research begins from basic linear circuits with ideal components, without the presence of semiconductors. In this way, basic simulation and TINA software’s handling methods that are adopted in the whole work, are explained. At the same time, the four basic amplifier categories are explained (voltage-to-voltage, voltage-to-current, current-to-current and current-to-voltage). The remainder of this work focuses on the study of the Bipolar transistors and MOSFET transistors as particular devices and as basic amplifier stages’ parts. The simulations are performed at DC and AC levels, revealing and verifying the studied amplifier stages’ properties. Then, the presented analysis and simulation methods are extended to multistage amplifiers, current sources and mirrors. In the end, some parasitic and frequency properties that are fundamental for the amplifiers’ functionality limits are also studied. The whole study’s framework includes many comparisons and conclusions about the effects of amplifiers’ parameters to their functionality properties. As the author, I hope that this particular work will assist the reader in understanding the basic amplifiers setups properties as well as in TINA software’s handling. That could be a useful tool in the educational, academic research and the industrial process.