전자 회로 시뮬레이터의 역할

전자 및 전기 회로를 제작하는 것은 시간도 많이 걸리고 기술적으로도 복잡하며, 비용 또한 적지 않게 듭니다. 전자 회로를 만든 후에는 디자이너가 회로의 기능을 테스트하고 필요한 조정을 해야 합니다. 실제 보드와 부품으로 회로를 만드는 대신 회로의 수학적 설명을 얻을 수 있다면 어떨까요?  이것이 바로 회로 시뮬레이션의 개념입니다. 이 글에서는 해당 주제를 살펴보고 다양한 종류의 회로 시뮬레이션에 대해 알아보겠습니다.

회로 시뮬레이션 기술의 정교함과 성능이 향상되면서 설계 단계의 생산성은 눈에 띄게 증가했습니다. 그 결과, 개발 속도만 빨라진 것이 아니라 사용자들이 손쉽게 회로를 구성하고 분석할 수 있게 되어 보다 철저한 설계가 가능해졌습니다. 개념 검증이든 회로 수정이든, 회로 시뮬레이션은 현대 PCB 설계에 있어 확고한 기반을 제공합니다. 이와 같은 방식으로 다양한 부품의 성능을 테스트하고, 회로 내에서 이를 교체하면서 검증할 수 있습니다. 어떤 종류의 전자 부품과 기호들이 시뮬레이션 가능한지, 그리고 그것들이 어떻게 작동하는지도 살펴보세요.

회로 시뮬레이션이란?

매일 대량의 가전제품, 기기 및 장치가 출시되기 때문에 원활한 제조 공정과 다양한 기술 표준 및 규칙을 준수하는 것이 필수적입니다. 시뮬레이션은 PCB 설계뿐만 아니라 공학의 모든 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 전자공학에서는 실제 부품을 사용하지 않고 회로의 성능을 연구하기 위해 회로의 수학적 모델을 만듭니다. 수학 방정식을 사용하여 전자 및 전기 회로의 설계를 검증하고 확인하는 이 회로 모델링 방식이 바로 회로 시뮬레이션입니다.

회로 시뮬레이션을 논리 시뮬레이션이나 기능 시뮬레이션과 같은 다른 종류의 시뮬레이션과 비교하면, 다양한 회로 부품의 물리적 특성을 수학 방정식의 형태로 정밀하게 모델링하여 복잡한 대수 및 미분 방정식을 풉니다. 그 결과는 노드 전압 및 부품 전류의 정밀한 시간 파형을 사용한 정밀한 시뮬레이션입니다. 따라서 기본적으로 시뮬레이터는 수학적 방정식을 풀고, 다양한 그래프 형태로 결과를 출력하는 것입니다.

회로 시뮬레이션의 필요성:

회로 시뮬레이션을 통해 실제 회로를 제작하지 않고도 회로의 성능을 평가할 수 있습니다.

• 비용 효율성: 회로 시뮬레이션은 비용과 시간을 모두 절약할 수 있습니다. 소프트웨어를 사용해 복잡한 회로를 신속하게 설계할 수 있어, 설계자와 기업 모두 시간과 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

• 간편한 검증: 시뮬레이션 결과를 기반으로 회로를 손쉽게 재설계할 수 있습니다. 설계의 각 단계에서 엔지니어는 회로의 성능을 확인하고 이론적인 반응과 비교할 수 있습니다.

• 간편한 수정: 회로 시뮬레이션 소프트웨어는 새로운 아이디어나 개념의 출발점이 되며, 기존 설계를 PCB를 만들지 않고도 수정할 수 있습니다.

물리적으로 회로를 측정하고 오실로스코프 파형을 확인하는 것처럼, 회로 시뮬레이션에서도 동일한 작업을 수행할 수 있습니다. 회로 내 여러 지점을 쉽게 선택하여 측정하고 파형을 확인할 수 있습니다.

회로 시뮬레이션의 종류:

이제 회로 시뮬레이션의 다양한 유형을 살펴보겠습니다. 시뮬레이션은 다음의 세 가지 방식으로 분류됩니다:

1) 아날로그 회로 시뮬레이션(Analog Circuit Simulation)

2) 디지털 회로 시뮬레이션(Digital Circuit Simulation)

3) 혼합 모드 회로 시뮬레이션(Mixed-Mode Circuit Simulation)

1)  아날로그 시뮬레이션(Analog Simulation):

이름에서 알 수 있듯이, 아날로그 시뮬레이션은 아날로그 부품과 신호를 사용합니다. 이 시뮬레이션에서는 회로가 주파수 영역(AC), 시간 영역(Transient), 그리고 비선형 정상상태(DC) 모드에서 작동할 수 있도록 매우 정밀한 수학 모델이 필요합니다. SPICE와 FastSPICE는 매우 정밀한 선형 및 비선형 부품 모델을 사용하여 회로 동작을 분석하는 잘 알려진 아날로그 시뮬레이터입니다.

2) 디지털 시뮬레이션(Digital Simulation):

아날로그 시뮬레이터의 복잡한 수학 모델과 비교하면 디지털 시뮬레이션는 상대적으로 단순합니다. Verilog나 VHDL과 같은 HDL가 디지털 시뮬레이션의 기반이 됩니다. 아날로그 시뮬레이션에서는 연속적으로 변하는 신호가 필요하지만, 디지털 시뮬레이션에서는 두 가지 전압 수준(로직 0과 로직 1)을 사용합니다. 여기서는 단순한 기능 검증뿐만 아니라, STA(정적 타이밍 분석)도 중요한 역할을 하며, 설정 시간, 유지 시간, 최대 전파 지연 등을 결정하는 데 도움이 됩니다.

3) 혼합 모드 시뮬레이션(Mixed-Mode Simulation):

이는 디지털과 아날로그 시뮬레이션을 결합한 방식입니다. 혼합 회로 시스템 설계 및 분석에 매우 유용한 시뮬레이션 방식입니다. 혼합 모드 시뮬레이션을 통해 디지털 부품과 아날로그 부품은 각각 독립적인 도구와 소스를 사용하여 작동합니다.

시뮬레이션의 레벨:

앞서 우리는 다양한 종류의 회로 시뮬레이션에 대해 논의했습니다. 이러한 분류는 회로의 특성과 분석 절차를 정의하며, 회로의 추상화 수준과 복잡성에 따라 여러 단계의 시뮬레이션 레벨을 지정할 수 있습니다.

블록 레벨 시뮬레이션 (Block-Level Simulation): 블록 레벨 시뮬레이션은 회로의 기능적 부분을 개별 블록으로 나누고, 이 블록들을 통합적으로 시뮬레이션하는 방식입니다. 이는 모듈화 설계에 필수적이며, 기존 회로에서 사용된 기능 블록을 재사용하는 데에도 도움이 됩니다.

칩 레벨 시뮬레이션 (Chip-Level Simulation): 칩 레벨 시뮬레이션은 하나의 집적회로(IC)를 단일 유닛으로 모델링하여 그 기능을 검증하는 방식입니다. 이 방법은 칩이 의도한 대로 동작하는지를 확인하는 데 유용합니다.

시뮬레이션 분석의 종류:

1. 과도 분석(Transient Analysis):

과도 분석은 시간에 따른 회로의 동작을 살펴보는 시뮬레이션으로, 신호의 변동, 회로 기동 시 상태, 시간 의존적인 특성 등을 이해하는 데 도움이 됩니다. 출력은 시간에 따른 파형으로 표시됩니다.

2. AC 분석:

AC 분석은 주파수 응답 및 안정성을 확인하는 데 사용되며, 특히 증폭기나 필터 설계에 중요합니다. 출력은 주파수 스윕에 따른 파형으로 표시됩니다.

3. DC 분석:

DC 분석은 회로의 정상 상태 전압 및 전류 값을 평가하며, 적절한 바이어싱과 전력 분배를 확인하는 데 사용됩니다. 트랜지스터 및 MOSFET의 DC 바이어스 조건 및 동작점을 찾는 데 활용됩니다.

4. 열 시뮬레이션(Thermal Simulation):

열 시뮬레이션은 부품의 열 방출 및 온도 상승을 예측하여 고전력 회로의 신뢰성을 확보하는 데 필수적입니다. 열 분석은 하나의 IC 내에서 열적으로 독립된 회로들을 설계하는 데 중요한 역할을 합니다.

회로 시뮬레이션의 장점:

SPICE, LTspice 등 대부분의 유명한 회로 시뮬레이션 소프트웨어는 무료로 제공됩니다. 일부 상용 툴도 있지만, 이들 역시 모두 SPICE 알고리즘을 기반으로 개발되었습니다.

• 메모리 관련 프로세스 테스트: 메모리 관련 프로세스의 속도와 지연시간을 분석할 수 있도록 설계된 아날로그 시뮬레이션이 존재합니다.

• 문제 해결 효율성: 오류가 있는 회로를 디지털 방식으로 진단하고 수정하는 데 걸리는 시간은, 수작업으로 전압, 전류, 전력 등을 계산하는 시간보다 훨씬 짧습니다.

• 노이즈 및 크로스토크 모델링: 고속 또는 RF 설계에서 발생할 수 있는 크로스토크(crosstalk)를 분석할 수 있는 시뮬레이터도 존재합니다.

일반적인 회로 외에도, 시뮬레이터는 전원공급(SMPS)이나 전력 분배 네트워크 설계를 테스트하는 도구를 제공합니다. 디지털 시뮬레이터는 로직 0의 전압 수준을 감시하고, 아날로그 시뮬레이터에서는 이러한 로직 레벨 간 전환 시간을 측정할 수 있습니다.

주요 시뮬레이션 소프트웨어:

시장에는 다양한 회로 시뮬레이터 소프트웨어와 도구들이 있습니다. 그중에서도 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)는 잘 알려진 회로 시뮬레이터입니다. 이 소프트웨어는 미국 국방부를 위해 버클리 대학교 전자공학 연구소에서 처음 개발한 것입니다.

SPICE는 오픈소스 소프트웨어이기 때문에, 다른 많은 설계자들이 이 알고리즘을 기반으로 자체 시뮬레이터를 개발하게 되었습니다. 대표적인 예로 LTspice가 있으며, 또 다른 인기 있는 SPICE 기반 시뮬레이터는 NI의 Multisim입니다. 하지만 Multisim은 LTspice와는 달리 유료 소프트웨어입니다. 다음은 널리 사용되는 회로 시뮬레이터 목록입니다.

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

결론:

회로 시뮬레이션은 전자 제품 개발에서 매우 중요한 요소입니다. 시뮬레이터를 활용하면 전자 및 전기 회로를 설계하고, 기능을 확인하며, 성능을 분석할 수 있습니다. 실제 제조에 들어가기 전에 필요한 조정을 할 수 있어 기업 입장에서는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 이 글에서는 회로 시뮬레이션의 기본 개념, 장점과 종류, 그리고 대표적인 시뮬레이터 프로그램들에 대해 살펴보았습니다.