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SPICE及びSPICEモデルとは(SPICE活用のメリット)

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SPICE及びSPICEモデルとは(SPICE活用のメリット)

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SPICE及びSPICEモデルとは(SPICE活用のメリット)

  1. 1. SPICE及びSPICEモデルとは 2016年2月20日 ビー・テクノロジー http://www.beetech.info/ Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 1 SPICE活用のメリット
  2. 2. SPICEって何ですか? • SPICEと聞くと・・・ – 回路に付けると良さそうな新しい部品か何かです か? – ノイズ対策部品的な何かですか? – それは香辛料的な何かではないですよね? – SPICEガールではないですよね? Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 2
  3. 3. SPICEとは • SPICEとは – Simulation – Program with – Integrated Circuit – Emphasis の略です。日本語では「ICのためのシミュレーション・プロ グラム」です。元々はIC開発のためのシミュレータでした が、現在では回路設計において広く利用されています。 詳細は、 https://ja.wikipedia.org/wiki/SPICE_(%E3%82%BD%E3%83 %95%E3%83%88%E3%82%A6%E3%82%A7%E3%82%A2) Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 3
  4. 4. SPICEとは • 市場にはいくつかのシミュレータ(SPICE)が出回って いますが、有名どころは三つくらいです – LTspice(リニアテクノロジー社) 同社の半導体拡販のために無償で提供しているツール。無 償とはいえ制約が非常に少なく汎用的であり、現在急速に 盛り上がりつつある。 – PSpice A/D(ケイデンス社) 同社の回路設計ツールOrCADシリーズの一部。パッケージ 価格で130万円くらい。 – Micro-Cap(Spectrum Software社) シミュレーション専用ツールで90万円くらい。制約事項がいく つかついた簡易版がCQ出版から2万円くらいで販売されて いる(小規模回路しかシミュレーションできない)。 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 4
  5. 5. SPICEとは(ちなみに) • SPICE自体はカリフォルニア大学バークレー校 で開発された無償のソフトウェア(研究開発結 果)です。 • 現在市場に出回っているSPICEは、そのプロ グラムをベースとして、演算の高速化やグラ フ描画機能、回路図描画機能など、便利な機 能(GUI)をつけたものです。 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 5
  6. 6. SPICEでできること • 実際の回路を作らなくても,設計した回路の あらゆる部分の電圧、電流波形を観測するこ とができます。 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 6
  7. 7. SPICEでできること • 安価です! – 高価な測定器も不要で波形観測できます • 例えば、標準的な波形観測をするものとして • オシロスコープ:30万円 • 電源装置:10万円 • ファンクションジェネレータ:10万円 • 電流プローブ:30万円 • インピーダンスアナライザー:200-850万円 • カーブ・トレーサー:250万円 • 容量測定機器:100万円 • etc • でもSPICE(LTspice)を使えば(ツール代は)タダ! Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 7
  8. 8. SPICEでできること • 安全です! – SPICEはシミュレーションなので、部品を壊す恐れ も、感電する恐れも、火災の恐れもありません. もちろんPCが壊れることもありません。 – たとえば強電(数千V)回路を実際に組んで試験し て、もし失敗したら火災になるか感電するか、い ずれにしても危険が伴います。 – もちろん、弱電にも使えます! Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 8
  9. 9. SPICEでできること • 設計を効率化できます! – SPICEを使わない回路設計手順では 回路を設計する→試作する→測定する→修正する→試作す る→測定する→運が良ければここで終わり でも失敗すれば延々と試作と測定を繰り返す羽目に・・・ – SPICEを使えば 回路を設計する→シミュレーションする→回路を修正する→ シミュレーションする→設計ミスがない状態で試作に移れる • 試作の回数を削減することで、トータルコストと設計 時間の削減が可能です!また、設計品質が向上し ます。 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 9
  10. 10. SPICEは万能か? • ではSPICEを使いさえすれば完全な設計が可能 なのか? • 答えはNo!SPICEはあくまでもシミュレーションで あり,理論に基づいた計算をしているにすぎませ ん。 • つまり、普通にシミュレーションしたのでは、理論 どおりの結果しか得られません。実物の挙動と は異なった結果が得られます。 • 回路図通りに入力しても教科書的な波形しか得 られません。寄生素子を考慮することで、再現性 が大幅に向上します。 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 10
  11. 11. SPICEは万能か? • 一方で,こんな事を言う人もいます – 「シミュレーションと実値が異なるのは、シミュレー ション・モデルの作り方が悪いだけ!モデルが正 しければシミュレーション結果と実値は一致する」 • では,正しいモデルとは・・・? Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 11
  12. 12. SPICEモデルとは • 実際に存在する電子部品そのものの挙動を 真似る、プログラムの「部品」です. 中身はこんなのです(等価回路モデル)。↓ * Copyright ゥ Linear Technology Corp. 1998, 1999, 2000. All rights reserved. * .subckt 4N27 1 2 3 4 5 R1 N003 2 2 D1 1 N003 LD G1 3 5 N003 2 .582m C1 1 2 18p Q1 3 5 4 [4] NP .model LD D(Is=1e-20 Cjo=18p) .model NP NPN(Bf=610 Vaf=140 Ikf=15m Rc=1 Cjc=19p Cje=7p Cjs=7p C2=1e-15) .ends 4N27 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 12
  13. 13. SPICEモデルとは • SPICEモデルはこのように作られます – OPアンプなどのICは、データシートに記載の仕様から 各種の値を導き出してモデルを作ります。 – ダイオードやトランジスタは、実際に通電して電圧と 電流の加わり方を測定しながらモデル化します。 – そのほかのモデルも、基本的には実際のものを動か した結果からモデルを作ります。 • つまりSPICEモデルは実物の動きを疑似します。 • SPICEモデル作成には高度なデバイスモデリング 技術が必要になります。 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 13
  14. 14. SPICEモデルとは • 一般に、SPICEに備わっているモデルは理想 モデルか,モデルそのものが備わっていない 場合がほとんどです。 – 理想モデルとは「理論上こう動く」というモデルで あってその通りに動く「実際の部品」は存在しませ ん。 – ポイントはデバイスの等価回路にあります。 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 14
  15. 15. SPICEモデルとは • 一番簡単な回路で試してみる – 2本のダイオード(理想ダイオードと実際の 1N4148)に0~1Vの電圧をかけて,電流の流れ方 を観測してみる. Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 15
  16. 16. SPICEモデルとは • 理論的にはシリコンダイオードは0.7Vをポイン トとして急速に電流が流れる・・・はず • では実際の部品はどうなのか? Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 16
  17. 17. SPICEモデルとは • ダイオードの理想モデルと実際のモデルの差 – ダイオード1本でこれだけ違うのだから,複雑な部 品になればなるほど挙動は個々に異なる 緑の線が理想モデル、赤い線が1N4148の実際の挙動 Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 17
  18. 18. SPICEモデルの重要性 • 理想モデルで組んだシミュレーション・モデル は正しい結果を出さない • 正しい結果を得るには実際の部品と全く同じ 動きをするSPICEモデルを使うことが重要 • 実デバイスのSPIECモデルを使ってシミュレー ションモデルを作れば、かなりの精度で実物 の挙動を把握できる • 安く、安全に、効率的に、設計品質向上に! Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 18
  19. 19. SPICEモデルの重要性 • 複雑化,微細化する現代の電子回路は,シ ミュレーションで挙動を追うことが不可欠です – 部品が微細化したので,試作しても実測できるポ イントはわずかです – 高精度の測定器はめちゃくちゃ高価です – 試作と実測を繰り返す時代は終わりました • 正しいシミュレーションを行うには,正しい SPICEモデルを使うことが重要です Copyright (C) Siam Bee Technologies 2016 19

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