Simulare il CD40106 con “LTspice”

Il software di simulazione elettronica “LTspice” è uno tra i migliori in circolazione ed è utilizzato da milioni di utenti in tutto il mondo. Oltre ai componenti standard passivi (resistenze, condensatori, induttori) esso prevede una vasta libreria di dispositivi prodotti dalla stessa azienda che ha creato il programma, l’Analog Devices. E’, tuttavia possibile, aggiungere altri componenti esterni di qualsiasi altra azienda e di ogni tipologia. E’ sufficiente disporre delle direttive SPICE e seguire alcune semplici operazioni, al fine di utilizzare e simulare altre tipologie di componenti. Si presuppone che il lettore sappia già utilizzare il programma “LTspice”, per meglio muoversi tra le varie operazioni richieste.

CD40106

Il circuito integrato CD40106 è un Inverter Hex Schmitt triggerato (vedi in figura 1). E’ costituito da sei porte inverter integrate in un unico chip. Esso inverte il segnale dell’ingresso, presentandolo all’uscita con uno stato logico invertito. Se l’ingresso è LOW l’uscita sarà HIGH, e viceversa. Il cerchio bianco all’uscita del simbolo elettrico indica che si tratta di un trigger di Schmitt invertente.


Figura 1: il circuito integrato CD40106

Esso è utilizzato per diversi scopi:

  • come generatore di segnali e d’impulsi;
  • nei sistemi ad alto tasso di rumore;
  • come oscillatore;
  • come multivibratore monostabile;
  • come multivibratore astabile;
  • e molti altri.

La tabella della verità dell’integrato CD40106 è mostrata in figura 2. Quando l’ingresso è al livello logico alto (es: 12 V), l’uscita è a livello logico basso (es: 0 V). Viceversa, quando l’ingresso è al livello logico basso (es: 0 V), l’uscita è a livello logico alto (es: 5 V).


Figura 2: la tabella della verità dell’integrato CD40106

Per comprendere meglio il funzionamento dell’inverter si può osservare lo schema della rete in cascata di cui alla figura 3. Se l’ingresso, in tale rete, è ALTO, l’uscita sarà BASSA, e viceversa. Come si può notare, l’uscita di un inverter entra direttamente nell’ingresso dell’inverter successivo.


Figura 3: un esempio di rete d’inverter in cascata

Implementazione del modello in “LTspice”

Vediamo, adesso, come importare e utilizzare, in “LTspice”, il modello del CD4016. Tale procedura è comune per qualsiasi altro modello, con le dovute eventuali variazioni.

Primo passo: reperire la libreria CD4000.lib

Il primo passo da seguire è quello, ovviamente di trovare, in Rete, la libreria. Si tratta di un documento di testo molto lungo (vedi esempio di figura 4), che contiene la maggior parte dei componenti CMOS. Si consiglia di utilizzarlo interamente e di non tagliarlo in quanto, al suo interno, vi sono diversi riferimenti che non possono essere omessi. Ovviamente occorre controllare che al suo interno sia presente il componente elettronico che interessa.


Figura 4: uno stralcio della libreria CD4000.lib

Secondo passo: disegnare il simbolo Asy

Si può passare, dunque, a disegnare il simbolo elettrico del componente in questione. Tale operazione si deve eseguire all’interno di “LTspice”. Come si nota in figura 5, è presente un ambiente di disegno che permette la predisposizione della forma fisica del simbolo e l’inserimento delle porte dello stesso componente. Per questa operazione, ovviamente, si può fare riferimento ai datasheet ufficiali.


Figura 5: il disegno dell’invertitore CD40106

In questa fase è estremamente importante predisporre le porte (pin) del componente esattamente come sono rappresentate nella libreria del modello SPICE. La figura 6 chiarisce perfettamente proprio tale aspetto. Se il nome delle porte non corrisponde a quello specificato nel modello, la simulazione non potrà avvenire.

Figura 6: le porte del componente devono corrispondere alla definizione del modello SPICE

Terzo passo: disegno dello schema elettrico

Si può passare, adesso, al disegno dello schema elettrico vero e proprio, come evidenziato in figura 7. Occorre però rispettare alcune disposizioni:

  • nello schema occorre inserire la direttiva SPICE “.inc CD4000.lib”;
  • inserire anche le direttive “.PARAM vdd=5”, “.PARAM speed=1” e ”.PARAM TRIPDT=1e-9”;
  • nelle proprietà del componente inserire la tipologia “X” nel campo PREFIX e CD40106B nel campo VALUE;
Figura 7: per simulare il nuovo componente occorre seguire alcune regole

Prima simulazione elettronica: squadratore d’onda

La figura 8 mostra lo schema elettrico e la simulazione di uno squadratore d’onda. Il segnale sinusoidale a 12 Hz entra nell’ingresso dell’inverter e dall’uscita è possibile prelevare il segnale squadrato alla stessa frequenza, dal momento che la sua natura è digitale.

Figura 8: un semplice squadratore d’onda realizzato con il CD40106B

Seconda simulazione: oscillatore a onda quadra

Con opportuni collegamenti e componenti passivi è possibile realizzare uno stabile oscillatore a onda quadra, sfruttando l’effetto di retroazione. La figura 9 mostra lo schema elettrico con le relative forme d’onda. La frequenza di oscillazione dipende dai valori della resistenza e del condensatore. Essa non può superare, ovviamente, quella intrinseca del CD40106. Nell’esempio proposto essa è pari a circa 1.23 kHz.

Figura 9: un oscillatore a onda quadra con il CD40106B

Terza simulazione: ritardatore

Un ritardatore (sia sul fronte di salita o di discesa) è utile in tante occasioni. Può servire per comandare le luci della scala di uno stabile con un certo ritardo o per un sistema di temporizzazione di un bromografo. Lo schema elettrico di cui in figura 10 mostra la struttura base di un circuito di ritardo di ON, la cui temporizzazione è dettata da C1 e da R2. All’accensione, la tensione sul condensatore tende a salire gradatamente fino al punto di soglia d’innesco del CD40106.

Figura 10: un circuito ritardatore realizzato con il CD40106B

Conclusioni

Un software di simulazione elettronica dovrebbe sempre consentire l’importazione di componenti elettronici provenienti da terze parti. “LTspice” permette, tramite diverse strade, tali procedure. In questo modo è possibile eseguire un grande numero di simulazioni. In Rete, inoltre, oggi è molto semplice reperire i modelli SPICE di tutti i componenti in commercio, anzi sono proprio le stesse aziende costruttrici che li mettono a disposizione agli utenti e ai progettisti.