di Mark Patrick, Mouser Electronics
Nel corso della realizzazione di un circuito i progettisti devono effettuare numerosi calcoli. Per qualsiasi esigenza, dalla semplice selezione dei componenti alla progettazione di filtri analogici e circuiti a radiofrequenza, sono disponibili svariati tool in grado di agevolare il lavoro dei progettisti. In questo articolo verranno analizzati calcolatori e tool di progettazione online e verranno descritte le principali caratteristiche di alcuni dei tool più diffusi per la simulazione circuitale.
Calcolatori online
Nonostante parecchi produttori forniscano progetti di riferimento e circuiti applicativi, i calcoli continuano a rappresentare una parte significativa del carico di lavoro di un progettista. Alcuni calcoli sono particolarmente semplici, come quelli sulla legge di Ohm, mentre altri risultano molto complessi, in special modo quelli relativi alle tecniche di progettazione analogica, che coinvolgono filtri, sistemi di alimentazione e circuiti a radiofrequenza.
Anche i calcoli più semplici possono essere fonte di errori, mentre l’esecuzione di calcoli matematici complessi richiede tempi lunghi. Inoltre, è necessario tenere in considerazione gli effetti reali, come gli elementi parassiti, che contribuiscono ad aumentare il grado di complessità, specialmente nei casi in cui sono richiesti elevati livelli di accuratezza.
Fortunatamente sono disponibili un grande numero di risorse online, la maggior parte delle quali fruibili gratuitamente, che rappresentano un valido supporto per i progettisti. Un esempio è rappresentato dal calcolatore analogico per progettisti di Texas Instruments (Figura 1), un calcolatore base compatibile con Windows in grado di aiutare i progettisti a svolgere numerose funzioni comuni che includono l’utilizzo di componenti passivi, l’impostazione del guadagno dell’amplificatore operazionale e la valutazione degli effetti parassiti di una scheda PCB. Esso risulta particolarmente utile nei progetti che prevedono l’uso di convertitori A/D (ADC), convertitori D/A (DAC) e sensori.
Figura 1: Il calcolatore per progettisti analogici di Texas Instruments. (Fonte: Texas Instruments)
A causa della costante pressione sui tempi di progettazione e degli elevati costi legati alle revisioni (re-spin), è essenziale per i progettisti adottare un approccio di tipo “right first time” (ovvero realizzare un progetto correttamente funzionante al primo tentativo). Sono disponibili simulatori sia analogici sia digitali. Utilizzati in modo corretto, questi tool di simulazione possono fornire ai progettisti la certezza di essere molto prossimi a soluzioni finali prima i effettuare qualsiasi investimento sui prodotti hardware.
SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) è il tool standard utilizzato da mezzo secolo e sono numerosi i produttori che forniscono modelli SPICE dei propri componenti. Analog Devices, ad esempio, mette a disposizione il proprio tool di simulazione, LTspice (Figura 2), che include i propri modelli SPICE.
Figura 2: Il tool di simulazione LTspice di Analog Devices. (Fonte: Analog Devices)
Una volta che il progettista ha inserito lo schema circuitale e definito i segnali di ingresso, il software fornisce una simulazione dettagliata e altre analisi a livello di sistema. È possibile simulare un gran numero di processi analogici, tra cui le funzioni a radiofrequenza, audio e di potenza.
Oggigiorno è possibile utilizzare dispositivi mobili per la simulazione. Anche se non altrettanto sofisticato quanto la versione desktop (ed è privo del supporto che caratterizza il modello commerciale), EveryCircuit è un ottimo tool per l’apprendimento e la sperimentazione. Una versione di prova è disponibile per il download a titolo gratuito.
Sono disponibili numerosi calcolatori, molti dei quali accessibili direttamente dalla pagina “Calcolatori di conversione” del sito Web di Mouser Electronics. Mentre molti tool sono pensati per un uso generico, alcuni sono espressamente focalizzati su settori specifici come l’analogica, la radiofrequenza e la potenza.
Tool per il progetto di filtri analogici
I filtri analogici rappresentano i blocchi base di numerosi sistemi, utilizzati sia per elaborare un segnale sia per svolgere altre funzioni come, ad esempio, la cancellazione del rumore indesiderato.
I filtri analogici prevedono quattro configurazioni fondamentali:
- Passa-alto: consente il passaggio delle frequenze più elevate e blocca le frequenze più basse
- Passa-basso: permette il passaggio delle frequenze più basse mentre blocca quello delle frequenze più elevate
- Passa-banda: consente il passaggio delle frequenze comprese in un determinato intervallo
- Elimina-banda o filtro notch: non permette il passaggio di frequenze in un dato intervallo
Un semplice filtro può essere composto solamente da componenti passivi (LCR, ovvero induttori, condensatori e resistori), sebbene solitamente venga incluso un amplificatore operazionale al fine di aumentare prestazioni e flessibilità. Quando si progetta un filtro è necessario prendere in considerazione diversi parametri che ne definiscono l’efficacia nell’eseguire la propria funzione (Figura 3): tra questi è inclusa la frequenza di taglio (cut-off, ovvero la frequenza a partire dalla quale il filtro inizia a operare) e la pendenza della curva (o roll-off), che indica la velocità con la quale il filtro è in grado di bloccare le frequenze indesiderate. Un altro importante parametro è la qualità, indicato con la lettera Q che definisce in quale misura la risposta del filtro si avvicina a quella ideale (quindi a quella di un filtro perfetto).
Figura 3: Funzione di trasferimento di un filtro passa basso del primo ordine.
Nei corsi di ingegneria vengono illustrati parecchi progetti di filtri “classici”. Esempi tipici sono i filtri di Butterworth, caratterizzati da una risposta in frequenza piatta nella banda passante e i filtri di Chebyshev, che si distinguono per una limitazione della risposta (roll-off) più rapida, a fronte di una maggiore ondulazione (ripple) nella banda passante o nella banda di arresto (Figura 4).
Figura 4: Confronto tra la risposta di trasferimento di un filtro di Butterworth e un filtro di Chebyshev.
Quando si progetta un filtro, la funzione di trasferimento è definita da L, C e R, o dai valori di Q e della frequenza di taglio. Essendo le impedenze e le frequenze dei valori complessi, è necessario procedere alla risoluzione di polinomi complessi. Senza dimenticare che il calcolo della risposta di fase richiede calcoli ancora più complicati.
Per effettuare calcoli di questo tipo sono disponibili utili supporti online, forniti da numerose aziende, tra cui Analog Devices e Texas Instruments.
Il Filter Wizar di Analog Devices (Figura 5) consente agli utenti di selezionare in maniera interattiva il tipo di filtro e la risposta, e di definire i parametri fondamentali. Esso permette di utilizzare e valutare gli amplificatori operazionali e la funzione di trasferimento, ed è anche prevista la possibilità di tracciare la risposta di fase. Il progetto può essere salvato in numerosi formati, anche sotto forma di modello SPICE da usare successivamente per le simulazioni.
Figura 5: Il tool Filter Wizard di Analog Devices. (Fonte: Analog Devices)
Texas Instruments propone un tool per la progettazione di filtri con funzionalità molto simili a quelle sopra elencate, compresa la possibilità di definire la struttura del filtro e i parametri prima di effettuare il salvataggio sotto forma di modello SPICE.
Tool per la conversione di potenza
Sono numerose le tecniche a disposizione per la conversione di potenza e la scelta di quella più adatta si basa sui requisiti del carico. La tecnica più semplice prevede il ricorso a un approccio di tipo non regolato, dove la tensione di uscita può variare in risposta ai cambiamenti dell’ingresso o del carico. In questo caso è possibile realizzare una soluzione composta da un trasformatore, un rettificatore e un condensatore per il filtraggio dell’uscita.
In alcune situazioni sarà invece necessario ricorrere a un alimentatore regolato per ottenere un’uscita controllata in maniera più precisa. Si tratta di progetti più complessi che possono prevedere meccanismi destinati alla protezione dell’alimentatore e del carico in caso di malfunzionamenti. Molto spesso, gli alimentatori di tipo regolato operano in modalità commutata, anche se in alcune applicazioni specifiche si continuano a utilizzare tecniche di conversione lineari.
Nel caso fossero richieste ulteriori tensioni, si potrebbe ricorrere a regolatori di tensione per effettuare una conversione localizzata.
Il progetto di alimentatori è un’attività relativamente complessa, anche per le norme sempre più severe di sicurezza ed efficienza la cui conformità deve essere garantita. Innanzitutto, il progettista dovrà conoscere il tipo e l’intervallo della tensione di ingresso, oltre ai valori richiesti di tensione di uscita e di potenza. Altre informazioni utili per definire una soluzione per la conversione di potenza sono la capacità del carico di resistere a fenomeni quali ripple e rumore, oltre alle fluttuazioni di tensione. Dovendosi ogni progetto confrontare quotidianamente con una qualche forma di conversione di potenza, è disponibile un gran numero di tool in grado di supportare i progettisti nello svolgimento di questo compito.
Analog Devices fornisce numerosi tool per i circuiti di potenza, compreso LTpowerCAD da utilizzare per il progetto di alimentatori DC-DC e la relativa simulazione. Questo programma suggerisce i valori dei componenti più adatti ed effettua una stima delle prestazioni per una specifica applicazione. Per effettuare ulteriori analisi e simulazioni è possibile eseguire l’esportazione in LTspice.
Coilcraft propone tool online che forniscono informazioni su trasformatori e induttori da utilizzare nella maggior parte dei progetti. Essi contengono anche collegamenti a utili tool di simulazione provenienti da altre fonti.
Analog Devices propone EE-Sim Solution Finder, un tool online che consente ai progettisti di reperire i prodotti più adatti in base a caratteristiche e parametri chiave prima di passare al tool di conversione EE-Sim CC-CC per generare e simulare un progetto completo.
Il tool di progettazione WebDesigner+ Power Supply di onsemi permette ai progettisti di effettuare una scelta tra un’ampia gamma di circuiti integrati, MOSFET e diodi utilizzando filtri sofisticati (Figura 6). Adatto per lo sviluppo di alimentatori AC/DC e DC/DC, questo tool è anche in grado di fornire modelli di progetto e report.
Figura 6: Il tool di progettazione WebDesigner+ Power Supply di onsemi. (Fonte: onsemi)
Il tool eDesignSuite di STMicroelectronics include tool per la progettazione di alimentatori DC/DC e AC/DC, in particolare caricabatteria alimentati mediante energia fotovoltaica.
Il tool online TI WEBENCH Power Designer permette di configurare circuiti di alimentazione con ingresso in AC o in DC sulla base di applicazioni specifiche.
Ulteriori tool da utilizzare per la progettazione nel settore dell’alimentazione sono disponibili nella sezione Power Management del sito Web di Mouser Electronics.
Tool per la progettazione RF
Nella società odierna la progettazione RF assume un’importanza fondamentale in quanto include tecnologie come Bluetooth, Wi-Fi e 5G cellulare. In pratica, senza la radiofrequenza, le persone non sarebbero in grado di connettersi e comunicare tra di loro.
Tuttavia, la progettazione RF può risultare alquanto complessa in quanto le alte frequenze implicano lunghezze d’onda molto corte (queste grandezze sono inversamente proporzionali): in uno scenario di questo tipo è necessario prendere in considerazione anche le proprietà fisiche della scheda PCB e dei componenti. Di conseguenza, i progettisti dovranno analizzare i propri progetti in base al comportamento delle onde elettromagnetiche piuttosto che in relazione a tensioni e correnti.
Oltre a ciò, i progettisti devono prestare attenzione all’adattamento delle impedenze, alle riflessioni, alla diafonia (crosstalk), al progetto della scheda PCB, alle antenne e agli altri numerosi fenomeni che caratterizzano i progetti a radiofrequenza.
Anche se le tensioni e le correnti sono importanti per la radiofrequenza, per definire in maniera adeguata il comportamento del circuito è solitamente necessario tenere in considerazione ulteriori parametri. Tra questi si possono menzionare l’ampiezza di banda, la potenza del segnale, il rapporto tra segnale e rumore (SNR – Signal-to-Noise Ratio) e le interferenze RF (RFI). Oltre a ciò, è necessario assicurare la conformità a numerosi requisiti normativi che variano in base al tipo di progetto e alla regione geografica del luogo in cui viene utilizzato.
A causa della maggiore complessità della progettazione RF, i tool rappresentano un supporto particolarmente utile in quanto possono aiutare a effettuare i calcoli necessari per lo sviluppo del progetto e la disposizione dei componenti sulla scheda PCB. I simulatori RF devono modellare gli effetti elettromagnetici dei package dei circuiti integrati e delle interconnessioni, oltre al funzionamento del circuito.
Analog Devices propone diversi tool utili per supportare il progetto di un sistema RF, che includono un sintetizzatore PLL (ADIsimPLL) e un simulatore della catena del segnale RF a 50 stadi. ADIsimSRD Design Studio è un tool che permette ai progettisti di creare e perfezionare sistemi che operano in modalità wireless su brevi distanze.
Sul sito Web di Analog Devices è anche disponibile un tool che permette di adattare carichi complessi a un’impedenza di linea e un tool per effettuare la conversione tra le unità standard di misura della potenza e quelle relative all’intensità del segnale (ad esempio, VRMS, dBm, dBu, dBV).
Lo specialista dei componenti RF Qorvo propone numerosi tool per supportare la progettazione RF, che consentono ai progettisti su rispondere a numerose problematiche menzionate in precedenza, come l’adattamento tra sorgente e carico o il calcolo del trasferimento di potenza mediante onde stazionarie riflesse.
Considerazioni conclusive
Anche se i progetti attuali possono essere molto complessi e devono essere completati in tempi sempre più ristretti, riuscire a introdurre il prodotto corretto al primo tentativo resta un obiettivo prioritario per poter conseguire risparmi in termini di tempi e costi.
Negli ultimi anni sono stati introdotti numerosi tool di progettazione online che si propongono come un valido ausilio per i progettisti nello svolgimento di numerose funzioni, come, ad esempio, la scelta dei componenti, i calcoli di progetto e la simulazione circuitale. Grazie all’utilizzo di questi tool (spesso gratuiti), è possibile avere la certezza del corretto funzionamento del circuito sviluppato prima effettuare investimenti nella realizzazione di un prototipo hardware.
