III 回路シミュレータSPICEを用いた電子回路設計 PSpice...
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1
PSpice (Orcad/Cadence社)
回路シミュレータSPICEを用いた電子回路設計
回路図
入力
アナログ・ディジタル回路の 動作シミュレーション
電気電子工学実験III
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電子回路・集積回路の設計
• 従来の問題点
–回路素子の最適値を見つけるのが困難
– ICのレイアウト、試作は無理?
–CADソフトが高価で難しい
–設計・試作の外注は費用・時間がかかる
パソコンで動作するCADツールを
用いた電子回路・集積回路設計
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3
集積回路の設計
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4
集積回路の設計
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5
LSI設計フロー(設計側)
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LSI設計フロー(製造側)
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7
回路シミュレータ
論理合成
計算機支援集積回路設計
Computer Aided Design
CAD
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SPICEの歴史
SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit
Emphasis:集積回路に重点をおいたシミュレーションプログラム)とは、カリフォルニア大学バークレー校(UCB)で
開発された主にアナログ回路をシミュレート(模擬)する強力な汎用回路解析プログラム.
• 1960年代に計算エンジン部開発
• 1980年SPICE2G6公開
•1990年以降ベンダーよりGUI環境の
異なるバージョンが多数発表
Hspice, PSpice, Smart-Spice etc..
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9
初期のSPICE(テキストベース)
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最新のSPICE(GUIベース)
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回路入力(結線情報)
回路図エントリ
ネットリスト
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シミュレーションの流れ
Schematics(スケマティックス)
Probe(プローブ)
Spice(スパイス)
回路図入力およびシミュレーション条件設定
シミュレータ本体。ライブラリ、回路接続データ(ネットリスト) (テキストデータ)に基づき、回路シミュレーションを行う
シミュレーション結果をグラフ表示
回路図エディタ
(Schematics)
シミュレータ
(Spice)
波形表示
(Probe)
シミュレーション設定
(Schematics)
ネットリスト
(テキスト)
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シミュレーションの流れ(回路図入力)
回路図エディタ
(Schematics)
シミュレータ
(Spice)
波形表示
(Probe)
シミュレーション設定
(Schematics)
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シミュレーションの流れ(回路図入力)
回路図エディタ
(Schematics)
シミュレータ
(Spice)
波形表示
(Probe)
シミュレーション設定
(Schematics)
1) Schematicsで回路を設計する(回路図を描く).
2) Schematicsでシミュレーションの内容,素子の
パラメータを設定する.
3) Spiceでシミュレーションを行う.
4) Probeで結果をグラフに表示する.
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15
シミュレーションの流れ(回路図入力)
回路図エディタ
(Schematics)
シミュレータ
(Spice)
波形表示
(Probe)
シミュレーション設定
(Schematics)
1) Schematicsで回路を設計する(回路図を描く).
2) Schematicsでシミュレーションの内容,素子の
パラメータを設定する.
3) Spiceでシミュレーションを行う.
4) Probeで結果をグラフに表示する.
5) 結果が予定と違っていた場合は1)に戻り
回路の設計をやり直す.
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シミュレーションの流れ(ネットリスト入力)
シミュレータ
(Spice)
波形表示
(Probe)
ネットリスト
(テキスト)
ネットリストとは?
R1 1 2 1K
C1 2 0 10p
素子のノード間の
接続情報を記述
素子名 接点名 素子値
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17
素子の記述
1 1
1 2
1
2 4
3
1 2
1 2
0
抵抗 R 1 2 10K
インダクタ L 1 2 10U
容量 C 1 2 10P
MOS M 1 2 3 4 NMOS
電圧源 V 1 0 10
D G S B モデル
単位 : P, N, U, M, K, MEG, G
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SPICEの原理
コンピュータを使ってアナログ回路をシミュレート(模擬)
各接点の電圧、電流
キルヒホッフの法則で計算
1.直流、交流解析 : 直流、交流信号に対する回路応答
V = Z・ I
Z = jωC 1
, jωL R,
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SPICEの機能(1/2)
過渡(Transient)解析 : 時刻変化に伴う回路応答
電圧・電流値等
時間
時間とともに回路の
入出力信号が変化する様子を解析
発振器、オシロスコープ
入力
出力
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SPICEの機能(2/2)
1.フーリエ解析 : 過渡解析の結果、信号の周波数成分を
求める(信号のひずみの計算)
2.雑音解析 : 抵抗、トランジスタが発生する雑音が
出力にどのように影響するか求める
3.感度解析 : 素子の変動(ばらつき、温度特性)が
出力にどのように影響するかを求める
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21
Spiceを用いた高度な解析
抵抗、コンデンサ、温度などの値を
パラメータとして変化させ、AC解析、
過渡解析等を繰り返し行う
モンテカルロ解析 パラメトリック解析
素子のバラツキが回路特性に与える
影響を乱数を用いて解析。回路の歩留
まりの見積もりなどに適した統計解析
容量の値を変化
容量に誤差10%を与える
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モンテカルロ解析
パラメトリック解析
容量値によって 特性が変化
容量値のばらつき により特性が変化
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SPICEの利点・欠点
利点
欠点
• 実際に回路を作って動作確認する必要がないため、
経済的、設計の能率がよい。
• 素子の値を自由に変更したり、温度変化による
ばらつきなどを考慮できる。
• 大規模回路のシミュレーションには膨大な時間を要する。
• 理想モデルによる机上の空論での設計に走りがち。
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演習内容
• 試作したNAND回路のSPICEシミュレーション
(動作確認,遅延時間測定)
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50%
遅延時間の定義
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26
シミュレーション結果が表示されたら、下記のインタビュー(全員)
① タイミングチャート、組み合わせ表を参考に、回路がNANDとして
動作している様子を説明してください(どの波形が入力、出力か?)
② 遅延時間はシミュレーション結果のどのあたりに見られるか?
レポートについて
① 遅延時間は ** 秒
② 本実験、前回のNAND回路製作実習の結果を踏まえ、
SPICEについての感想(特徴、興味を持った点など)を
A4レポート1/3~1/2程度にまとめてこの時間内に提出。