電子機器設計における回路シミュレータの役割

電子回路や電気回路の製作は、時間がかかり、技術的に高度な要求があり、さらに費用もかかるものです。電子回路を作成した後、設計者はその機能を確認し、必要な調整を行うために、回路の機能性をテストしなければなりません。実際の基板と部品で回路を作る代わりに、回路の数学的記述を得ることができたらどうでしょうか？これが回路シミュレーションの背後にある考え方です。本記事ではこのテーマを概観し、さまざまな種類の回路シミュレーションを見ていきます。

回路シミュレーションが精巧さと性能の両面で進歩し、設計中の生産性が大幅に向上したことは驚くには当たりません。その結果は、開発速度の向上だけでなく、ユーザーが回路を素早く構築し、プローブし、解析できる容易さによる、より徹底した設計にもつながっています。概念実証であれ改訂であれ、回路シミュレーションは現代のPCB設計に紛れもない枠組みを提供します。このようにして、回路内でさまざまな部品を置き換えてその性能をテストおよび検証します。See what type of electronics components and symbols シミュレーションを実行できる電子部品や記号の種類と、それらがどのように機能するかを見てみましょう。

回路シミュレーションとは何か？

日々リリースされる膨大な家電製品、デバイス、ガジェットのために、円滑な製造プロセスを確保し、さまざまな技術標準や規則に準拠することが不可欠です。PCB設計だけでなく、シミュレーションはエンジニアリングのあらゆる分野で非常に重要な役割を果たしています。エレクトロニクスでは、実際に（実体のある部品で）回路を作ることなく、その性能を研究するために回路の数学的モデルを作成します。数学的方程式を用いて回路をモデル化し、電子回路や電気回路の設計を検証・確認するこの方法は、回路シミュレーションと呼ばれます。

回路シミュレーションを、論理シミュレーションや機能シミュレーションなどの他の種類のシミュレーションと比較評価すると、さまざまな回路部品の詳細な物理モデル（数学的方程式の形で）を用いて、複雑な代数方程式や微分方程式を解きます。その結果は、ノード電圧や部品電流の正確な時間波形を用いた精密なシミュレーションとなります。つまり、基本的なレベルでは、シミュレータは数学的方程式を解き、さまざまなプロットの形で結果を提示しているのです。

回路シミュレーションの必要性：

回路シミュレーションを使えば、回路を作ることなくその能力を評価できることは明らかです。

• コスト効率： 回路シミュレーションはコスト効率が良く、時間も節約できます。ソフトウェアの助けを借りて、複雑な回路を素早く設計できます。これにより、設計エンジニアや企業は時間と費用の両方を大幅に節約できます。
• 簡単な検証： シミュレーション結果に基づいて回路を簡単に再設計できます。シミュレーションと設計の各段階で、エンジニアは回路の性能を確認し、理論的な応答と比較できます。
• 簡単な変更： 回路シミュレーションソフトウェアは、新しいアイデアや概念の出発点です。PCBを作成することなく、既存のものを変更することも可能です。

物理的なプロービングやオシロスコープの波形観測と同様のことを、回路シミュレーションでも行えます。回路内のさまざまな場所をプローブし、シミュレーションで波形を確認するのは簡単です。

回路シミュレーションの種類：

次に、回路シミュレーションに見られるさまざまな種類を見てみましょう。シミュレーションは以下の3つの方法に分類できます：

1) アナログ回路シミュレーション

2) デジタル回路シミュレーション

3) 混合モード回路シミュレーション

1) アナログシミュレーション：

名前が示すように、アナログシミュレーションは通常、アナログ部品と信号を使用します。このタイプのシミュレーションでは、周波数領域（AC）、時間領域（過渡）、および非線形静止（DC）モードで動作するために、数学的モデルが極めて正確でなければなりません。SPICE、FastSPICE、およびFastSPICEは、回路の動作を研究するために非常に正確な線形および非線形部品モデルを利用する、よく知られた2つのアナログシミュレータです。

2) デジタルシミュレーション：

アナログシミュレータの複雑な数学的モデルと比較すると、デジタルシミュレータは比較的単純です。VerilogやVHDLなどのHDLがデジタルシミュレーションの基礎を構成します。継続的に変化する信号が必要なアナログシミュレータとは対照的に、デジタルシミュレーションでは実際には2つの異なる電圧レベルで作業します。デジタルエレクトロニクスでは、これらは論理0と論理1と呼ばれます。ここでは機能チェックだけでなく、STA（静的タイミング解析）が重要な役割を果たします。これはセットアップ、ホールド、および最大伝播遅延の決定に役立ちます。

3) 混合モードシミュレーション：

これはデジタルシミュレーションとアナログシミュレーションの両方を組み合わせたものです。このタイプのシミュレーションは、混合回路システムの設計と解析に非常に有益です。混合モードシミュレーションでは、デジタル部分とアナログ部分は、それぞれ独自の計測器とソースを持つ別個の実体です。

シミュレーションのレベル：

前のセクションでは、さまざまな種類のシミュレーション回路について説明しました。これらの種類は、回路の性質と、従う必要のある解析手順を定義します。回路の抽象度と複雑さによって、さまざまなシミュレーションレベルを指定することもできます。

ブロックレベルシミュレーション： 使用したシミュレーションは、機能部分を異なるブロックに分離し、ブロックに対して統一的にシミュレーションを実行しました。これはモジュラー設計に不可欠であり、他の回路に既に存在する機能ブロックの再利用を支援します。

チップレベルシミュレーション： 名前が示すように、チップレベルシミュレータでは、1つの集積回路（チップ）を取り上げ、その機能を単一のユニットとしてモデル化します。これは、チップが意図したとおりに動作することを保証するのに役立ちます。

シミュレーションにおける解析の種類：

1. 過渡解析：

このシミュレーションは時間経過に伴う回路の動作を調べ、エンジニアが信号の変動、起動条件、時間依存の動作を理解するのに役立ちます。出力は時間に対してプロットされます。

2. AC解析：

AC解析は、特にアンプやフィルタ設計において、周波数応答と安定性を研究するために使用されます。出力は周波数スイープに対してプロットされます。

3. DC解析：

DC解析は、定常状態の電圧と電流レベルを評価し、適切なバイアスと電力分配を確保するのに役立ちます。トランジスタやMOSFETのDCバイアス条件と動作点を見つけるために使用されます。

4. 熱シミュレーション：

熱解析は、部品内の熱放散と温度上昇を予測し、高電力アプリケーションにおける信頼性に不可欠です。熱解析は、IC内部にいくつかの熱的に独立した回路を設計する上で極めて重要な役割を果たします。

回路シミュレーションの利点：

SPICE、LTspiceなど、最も一般的な回路シミュレーションソフトウェアの大部分は無料で利用できます。一部のツールはプロプライエタリですが、それらはすべてSPICEアルゴリズムで開発されています。

• メモリ関連プロセスのテスト： 特別に設計されたアナログシミュレーションにより、メモリ関連プロセスの速度とレイテンシを解析できます。
• トラブルシューティングの効率化： 時間の面では、故障した回路をデジタルで発見しトラブルシューティングする方が、値を手計算で解く（例：電圧、電流、電力）よりもはるかに短時間で済みます。
• ノイズとクロストークのモデリング： より複雑なRFや高速設計におけるクロストークを研究するためのシミュレータも利用可能です。

通常の回路に加えて、シミュレータには電源（SMPS）や電力分配ネットワークの設計をテストするためのツールも付属しています。デジタルシミュレータは論理0の電圧レベルを監視し、アナログシミュレータを使用する場合は、これらの論理レベル間の変化の時間を測定できます。

一般的なシミュレーションソフトウェア：

市場にはさまざまな回路シミュレータソフトウェアとツールが存在します。SPICEは、Simulation Program With Integrated Circuit Emphasisの略で、よく知られた回路シミュレータです。バークレー校の電子工学研究所が、当初米国政府のためにこのソフトウェアを開発しました。

オープンソースソフトウェアであるため、SPICEアルゴリズムを使って独自のシミュレータを開発した他の設計者の間で人気になりました。そのようなツールの1つがLTspiceです。SPICEをベースにしたもう1つの非常に人気のあるSPICE回路シミュレータは、NIのMultisimです。ただし、LTspiceとは異なり、これは高価なソフトウェアです。以下に、いくつかのよく知られた回路シミュレータを挙げます。

• SPICE
• Ngspice
• LTspice (SPICE)
• PSIM
• Multisim (SPICE)
• Cadence Spectre
• Synopsys PrimeSim (SPICE and FastSPICE)

結論：

回路シミュレーションは、電子製品を製作する上で極めて重要な部分です。シミュレータの助けを借りて、電子回路や電気回路を作成し、その動作を確認し、性能を解析できます。製造に進む前に必要な調整を行うことができます。これにより、企業は多くの時間と費用を節約できます。本記事では、回路シミュレーションの基本とその利点について見てきました。また、さまざまな種類の回路シミュレーションと、いくつかの一般的なシミュレータプログラムについても見てきました。