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2018.09.20 시뮬레이션

SPICE란?

전자 회로 시뮬레이션의 기초

최근 전자 회로의 설계 및 평가 시, 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션이 널리 이용되고 있으며, 이러한 추세에는 다양한 이유가 있을 것으로 생각됩니다. 예를 들어, 동작 및 신호의 고속화와 더불어 전자부품의 소형화 및 면실장화 등으로 인해, 기존의 브레드보드를 사용한 평가가 비현실적인 경우가 증가하고 있습니다. 그러나, 무엇보다 간단하고 신속하게 동작 및 특성을 확인할 수 있으며, 거의 최적화된 조건에서 실제의 평가를 실시할 수 있으므로 프로토타입 제작 횟수 등 개발 공수와 시간을 절약할 수 있다는 점이 큰 메리트가 된다고 생각합니다. 전자부품 메이커는 이러한 상황과 요구에 대응하기 위해 시뮬레이션용 부품 데이터를 제공하여, 시뮬레이터라는 시뮬레이션 소프트웨어가 다수 존재합니다.

본 페이지에서는 비교적 많이 보급되어 있고, 무상 버전도 제공하는 SPICE 베이스의 시뮬레이션에 대해 도입을 포함한 기초적 내용을 설명하고자 합니다.

SPICE란?

SPICE는 전자 전기 회로 시뮬레이터의 일종으로, 1973년 미국의 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스 (University of California, Berkeley)에서 개발되었습니다. SPICE (스파이스)는 Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (집적 회로용 시뮬레이션 프로그램)의 이니셜을 조합한 단어입니다. 당시에는 OP Amp 등의 IC, 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등에 의한 아날로그 회로 동작의 시뮬레이션을 주된 목적으로 사용하였습니다.

SPICE는 SPICE3 (1985년)까지 개발되었으며, 그 후에는 SPICE를 베이스로 개량 및 기능을 추가한 것이 상용 전개되었습니다. 현재에도 자주 사용되고 있는 PSPICE는 MicroSim사*가 발매한 최초의 상용 SPICE로, 메인 프레임 컴퓨터 상에서 동작하는 SPICE를 퍼스널 컴퓨터로 사용할 수 있도록 한 것입니다. *MicroSim사는 OrCAD사에 통합되었으며, 이후에 OrCAD사는 Cadence사에 매수되었다. PSPICE는 Cadence사의 설계 지원 툴 OrCAD의 일부가 되었다.

주요 시뮬레이션 소프트웨어

주요 상용 시뮬레이션 소프트웨어는 하기 표를 참조하여 주십시오. 기본적으로는 회로 동작 시뮬레이션이 목적이라는 점이 비슷하지만, GUI (Graphical User Interface)가 다소 달라집니다. 성능 및 사양면에서는 수속 (収束) 알고리즘 및 사용 가능 모델, 사용 소자수 상한 등에 차이가 있으며, 동일한 소프트웨어에서도 제한을 둔 무상 버전이 제공되고 있는 것도 있습니다.

SIM1-1_graf01

동작의 원리

시뮬레이터의 동작 원리를 간단히 설명하겠습니다.

일반적으로는, 먼저 시뮬레이션하고자 하는 회로도를 입력합니다. 트랜지스터 및 IC, 콘덴서, 다이오드, 저항, 인덕터 등의 부품 (모델)이 제공되므로, 부품을 선택하여 결선 (結線)합니다. 이 단계는 평소에 회로도를 작성할 때와 동일한 감각으로 실시할 수 있습니다.

회로가 완성되면 시뮬레이션 실행 버튼 클릭만으로, 설정한 시뮬레이션이 실행됩니다. 하기 그림에서는 「Pch-MOSFET의 게이트를 GND 접지하여 드레인에 0~10V의 전압을 0.1V step으로 인가했을 때 MOSFET에 흐르는 전류를 모니터」하기 위한 회로도를 작성하여, 실행 결과로서 전류치의 그래프를 얻은 것입니다. (왼쪽, 청색 화살표의 흐름)

사용자가 보기에는 이러한 조작 이미지이지만, 실제로 작성한 회로도는 네트 리스트 (Net List)라고 부르는 부품과 회로, 시뮬레이션 조건 등의 모든 정보가 기술된 소스로 변환됩니다. 그리고, 시뮬레이터는 네트 리스트에 따라 회로 계산, 즉 시뮬레이션을 실행하여 데이터를 출력합니다. 이러한 경우에는 0.1V 마다의 전류치가 수치화되어 저장됩니다. 이 데이터를 바탕으로 그래프화 기능을 사용하여 그래프가 출력됩니다. (황색 화살표 흐름)

하기는 앞의 예와는 다른 시뮬레이터에서 동일한 내용을 시뮬레이션했을 때의 네트 리스트 예입니다. 상세 내용에 대해서는 별도로 설명할 예정이므로, 본 페이지에서는 네트 리스트에 기록된 내용의 이미지를 떠올리는 것만으로 충분하리라 생각합니다.

다음에는 직접 활용이 가능하도록 시뮬레이션 소프트웨어 다운로드 방법을 설명하겠습니다.

키 포인트

・전자 회로의 설계 및 평가 시, 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션이 널리 이용되고 있다.

・소프트웨어를 사용한 시뮬레이션을 통해, 간단하고 신속한 평가가 가능하여 개발 공수와 시간을 절약할 수 있다.

・Spice 베이스의 다양한 시뮬레이터를 입수할 수 있다.