2006/1/30
石飛
spiceの選択
現在では非常に多くの、多機能なspiceを入手することができます． 代表的なspiceの入手法を紹介します
- UCBK Spice
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これがオリジナルのSPICEです． 無料でソースファイルをダウンロードできます． マニュアルもありますが全てが英語で、 実行にはunixと互換性のある開発環境が必要です． もちろん、マウスとは無縁で、全てをエディタで入力して、コマンドラインや スクリプトを組んで操作します． ちょっと気軽に試してみる、、、タイプのプログラムではありません．
- H-SPICE
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IC回路設計などにたぶん一番使われていると思います．Sonnetのbbextractが正式にサポートしています． が，高価です．ちょっと気軽に試してみるわけにはいきません．
- OrCAD/PSPICE
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おそらく日本で一番多く使われていると思います．有料ですが、 日本語のマニュアルや、 日本代理店から技術サポートを受けることができます． Sonnetのbbextractが正式にサポートしています． 但し、雑誌や書籍の付録から入手できる無料版には回路規模制限があるので Sonnetのbbextractが抽出したネットリストを扱うことはできません．
製品版をお持ちのかたは、下記の例題をpspiceで実行できると思います．
- 5SPICE
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個人利用は無料です．継続的な商用利用には有料の登録が必要ですが、$199です． Sonnetのbbextractは正式にはサポートしていませんが 回路規模の制限は無く Sonnetのbbextractが抽出したネットリストを扱うことができます．
下記に実際の操作の例を紹介します．
- LTSPICE IV
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LINEAR Technology社が無料で配布しています． 国内で使っている人が多く、日本語の資料がネット上にあります． Sonnetのbbextractは正式にはサポートしていませんが 解析規模制限が無く、 Sonnetのbbextractが抽出したネットリストを扱うことができます．
下記に実際の操作の例を紹介します．
電磁界解析とネットリスト抽出
電磁界解析モデル
ここでは例題として、単純なスタブを取り上げます． スタブの長さは1.6GHzの1/4波長です． ex.zon
何の変哲もなさそうなモデルですが、 これはProfessional版でなくては解析できません． 解析周波数としてDC(とみなせるほど低い周波数)と10Mhzから3decadeにもおよぶ広帯域な解析を指定しているからです． 一般の高周波用電磁界シミュレータはDCの特性を解析できませんし、これほどの広帯域の解析は困難です．
Spiceの解析は本質的に広帯域な特性を表現するので、その元になるデータも
高周波電磁界シミュレータにとっては厳しいほどに広帯域なデータを含む必要があります．
pi-modelの抽出
pi-modelはSonnet Liteにも実装されている一番単純な等価回路の抽出法です． この方法の問題点は抽出された等価回路が、狭い周波数範囲でしか信頼できない 事です．
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操作は簡単です． 右図のようにグラフを表示しておいて、 [Output]-[PI model file]です．
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PI model fileでは 周波数毎に多くの.subcktが生成され、 周波数毎に別の名前が自動的につけられます．
[Save]ボタンをクリックすると、ファイル名を指定するように促されるので、 名前をつけて保存します． ここではex_pi.libという名前にしました．
bbextractモデルの抽出
bbextractモデルを抽出するには[Output]-[broadband model file]です． 詳しくは Sパラメータファイルから広帯域Spiceモデルを作る操作方法 に説明してあります． ここではex_bb.libという名前で保存します．
LT-SPICEでの時間軸解析の例
ここでは、 Sonnetのbbextractが抽出した広帯域なネットリストex_bb.libを LT-SPICEに読み込み時間軸解析する様子を紹介します．
2010/12/22追加
シンボルを定義する
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[File]-[New Symbol]を選んで新しいシンボルの定義を始めます． |
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[Edit]-[Add Pin/Port]を選んで、端子を設定します． |
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必要な数の端子を定義します． この例では 2port Sパラメータに対応するシンボルなので 三つの端子を定義し、三番目の端子はcommonという意味で"c"というlabelにしました． |
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[Edit]-[Attributes]-[Edit Attributes]を選んで、
シンボルの属性を定義します． |
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[File]-[Save As]で名前をつけて保存します． これでシンボルの定義は終わりです．[File]-[Close]で ファイルを閉じてしまいましょう． |
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回路を定義する
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[File]-[New Schematic]で新しい回路の定義を始めます． |
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同様に抵抗も追加します． |
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重要
ここで一旦、
[File]-[Save As]で名前をつけて保存してください．保存場所は、この上で定義したシンボルと同じ場所でなければなりません． | |
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[Edit]-[Component]を選び、先ほど定義したシンボルを追加します． |
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グランドも追加し、右図のように配線してください． |
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ネットリストの読み込み
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重要
Sonnetのbbextractが抽出したネットリスト ex_bb.lib は予め
この上で定義した回路と同じ場所に保存しておいてください．
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[Edit]-[SPICE Directive]を選びます． |
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回路図の適当な場所に".inc"という文字が現れます． |
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Sonnetのbbextractが抽出したネットリスト ex_bb.lib
を選択してください． |
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重要
スクロールして ".SUBCKT" という文字列で始まる行を探してください．
その行の二番目の単語がこのネットリストが定義する特性の名前です．
これは後で必要になります．
右図の例では "ex_bb"です．
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シンボルとネットリストを関連付ける
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回路ブロックのシンボルを右クリックしてください． |
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信号と解析条件を定義する
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電圧源のシンボルの上で右クリックしてください． 注意：波形に含まれる周波数成分についてよく検討してから信号波形を設定してください．信号波形に含まれる周波数成分が，元の電磁界解析結果に含まれるように注意してください． |
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[Simulate]-[Run]か、右クリックして[Edit Simulation Cmd.]を選ぶと、
解析条件の指定ダイアログになります． |
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5spiceでの時間軸解析
ここではSonnetのbbextractが抽出した広帯域なネットリスト ex_bb.libと 狭帯域なpi-modelを 5spiceに読み込んで、 時間軸解析し、結果の違いを示します
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まず、sonnetで作った ex_pi.libと ex_bb.libを spiceに認識させねばなりません． 5spiceの場合は、 C:¥Documents and Settings¥All Users¥Application Data ¥5Spice Analysis¥Library¥SubCircuitsにlibファイルを置いて、右図のように [Tools]-[Rebuild Spice Libraly..]を選んで、 ライブラリリストを更新します． 右のモデルでは、EX SUB3というブロックがsonnetで解析した結果から抽出した ネットリストで、 それに、50Ωの電圧源と負荷を接続してあります． 電圧源は周波数320MHzの矩形波で、振幅は0-2Vです． |
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右図は最も低い周波数のpi-modelを使った解析結果です． 赤が入力側、青が出力側です． この系ではインピーダンス整合がとれているので反射はありませんが、 入力側と出力側の時間差があります． また、出力波形はなだらかで、高周波成分が失われていることがわかります． |
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右図では、1.6GHz付近のpi-modelを使った解析結果です． 上の図とは似ても似つきません． pi-modelで抽出したnetlistでは、 信号周波数に対して適切な周波数から抽出したnetlistを選択しないと、 大きく誤った結果になってしまいます． |
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右図は bbextractを使った解析結果です． 信号レベルや、入出力の時間差は pi-modelとほぼ同じですが、 全体に波形の解像度がくっきりと見えます． この信号波形には320MHzの奇数倍の高調波が含まれますが、 5倍高調波だけが、スタブの影響で阻止されています． 右図の出力側の波形（青）は5倍高調波成分が失われて 立ち上がり立下り時間が遅くなっていますが、 より高次の高調波が再現されているので、 波形は正弦波よりも台形に近い形になっています． |
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まとめ
- sonnet liteでもpi modelのnetlistを抽出してspiceとリンクする事ができます．
- pi modelでは適切な周波数でのモデルを選択しないと間違った結果になります．
- sonnet professionalのbbextractオプションを使うと、より正確で簡単にspiceとリンクする事ができます．
- sonnetで解析した全ての周波数領域で矛盾しないnetlistを抽出できます．
- spiceの直流解析や、時間軸解析に必要なDC特性を含めることができます．