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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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

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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集積回路の設計

4

集積回路の設計

5

LSI設計フロー（設計側）

6

LSI設計フロー（製造側）

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

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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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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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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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

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,

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

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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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

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）

５０％

遅延時間の定義

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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。