SPICE及びSPICEモデルとは(SPICE活用のメリット)

SPICE及びSPICEモデルとは
2016年2月20日
ビー・テクノロジー
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Copyright (C) Siam Bee Technologies
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SPICE活用のメリット

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？
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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)
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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)。
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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。
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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。
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• 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！
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• 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！
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• 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。
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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。
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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・・・？
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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
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• 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。
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• 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。
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• 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．
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• 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？
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• 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
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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！
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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
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