回路シミュレータ

(1)

回路シミュレータ

1

^st

2015/06/01 L

^st

2020/03/22

v2.0, Mar.2029

SPICEの問題点

²

SPICEは強力なツールであり、扱いにくい問題にも適用できる。SPICEの基本的な機能の根幹にあるのは、時間領域でキルヒホッフの公式を解くことである。SPICEでは、回路ネットリストからコンダクタンス行列を生成し、行列演算を用いて計算を行う。計算の進め方としては、1つ目の時間ステップにおいて計算を繰り返し、結果が正解に十分近いと判定できると、

次の時間ステップに進むということを繰り返す。SPICEでは、抵抗/インダクタ/コンデンサなどの単純な受動素子が直列/

並列に接続されたネットワークとして回路をモデル化する。このモデルは温度による影響も表現する。能動素子は受動素子の組み合わせとしてモデル化し、それに可変電圧源と可変電流源を組み合わせる。また、ノイズの印加など直接モデル化しにくい現象/効果は、仮想素子を用いた式によって与えることができる。

SPICEの問題点は、解析結果の良しあしがモデルの良しあしによって決まることである。ICの設計者はSPICEに頼っているが、その結果が現実には起こり得ないようなものであることは珍しくないし、基板の設計者もSPICEに不満を感じたことがあろう。そのような経験を持つ人が多いことから、SPICEの出す解析結果の妥当性、SPICEそのものの有用性について疑問が呈されることが多くなっている。

ICの設計部門は、現実のトランジスタや受動素子の動作によりよく適合するモデルを入手しようと、数十～数百万米ドルもの費用を払っている。このような努力にもかかわらず、動作温度や高密度配置の影響によって、ICの特性を予測することが困難になっている。

米National Semiconductor社のBob Pease氏は、「SPICEには何度もだまされたし、明らかに間違っている解もあった。

SPICEの結果がどうであれ、それを信じ込むのは良くない。設計者はとにかく頭を使わなければならない。シミュレーションではなく、紙と鉛筆を使うのだ。SPICEの結果が正しいこともあるが、回路がどのように動作するのかについて自分自身で解析し理解しなければ、正しいのかどうかも判断できないだろう」と述べる。

設計者はSPICEの解析結果を十分に吟味し、予期しない結果があれば、その妥当性を十分に検討しなければならない。

SPICEは線形性を前提として行列計算を行うが、ダイオードやトランジスタの特性は本質的に非線形である。また、特にダイオードでは指数関数的な電流/電圧特性を扱うため、電流/電圧の動作点がわずかに狂うと、それ以降の計算結果が大きくずれることになる。このような計算が時間ステップごとに繰り返されると、結果が収束しない確率も高くなり、最終的にシミュレーションが「収束エラー」のメッセージで終了することになる。SPICEによってトランスのような非線形磁気素子を解析する場合には、このような収束性の問題がさらにクローズアップされることになる。

http://ednjapan.com/edn/articles/0704/01/news006.html

ハーモニックバランス手法

³

【周波数領域解析の利点】

マイクロ波回路の設計者は周波数領域解析を多用し、Sパラメータを重用している。彼らが SPICEツールによる時間領域解析を利用することは珍しく、LNA(Linear Network Analysis)/

ハーモニックバランス手法を使用して周波数領域で回路解析を行うことが多い。ハーモニックバランス手法は、周波数領域でキルヒホッフの公式を解くものである。キルヒホッフの公式は、

任意の閉回路における電圧降下の総和とその閉回路の起電力の総和は等しい（電圧則：キルヒホッフの第2法則）、任意の点に流れ込む電流の総和とその点から流れ出す電流の総和は等しい（電流則：キルヒホッフの第1法則）という2つの法則から成る。ハーモニックバランス手法を適用したシミュレータはロシアの数学者で海軍士官であったAlexei Krylov氏（写真1）が20世紀初頭に発明した手法を利用する。Krylov氏の手法は、マイクロ波領域の問題を解析するための計算を、時間領域シミュレータよりも短時間で行える。言い換えれば、ハーモニックバランス手法では単一周波数のマイクロ波信号の応答を短時間で解析できる。SPICEシミュレータによる時間領域の解析では、回路動作が定常状態に入るまでは微小時間ステップごとに計算して解を求める。それに対し、ハーモニックバランス手法では、システムが定常状態にあることを前提とし、代数問題としてスパース行列（0要素がほとんどである行列）を計算することになる。

この計算によって単一周波数に対する解を求めるのである。ハーモニックバランス手法を採用した解析ツールで、例えば「order=5」と入力すると、基本周波数と第2次～第5次の4個の高調波に対する解が得られる。マイクロ波では少数の高調波の中に大半のエネルギが含まれる。

そのため、こうした問題を解析する上で、ハーモニックバランス手法は効率的な手段となる。一方、マイクロ波/RF回路用のシミュレータの多くは、LNAのようなSパラメータシミュレータともいえるモジュールを備えており、Sパラメータを入力とする解析が可能である。

http://ednjapan.com/edn/articles/0704/01/news006_5.html