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» 2014年05月30日 09時45分 公開

SPICE応用設計(その1):パラメトリック解析SPICEの仕組みとその活用設計(12)(4/4 ページ)

[加藤博二(Sifoen),EDN Japan]
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パラメトリック解析について

 パラメトリック解析とは回路網のある要素の値を切り替えながら指定された解析を複数回実行し、回路の特性がどのように変化していくかを結果の比較を通じてできるようにしたものです。

 例えば、ある抵抗値と回路の最大出力電圧の関係とか、インダクタンス値と共振周波数の関係とかを解析できますので、最適設計を目指す時に使用できます。

*1)SPICE3Fにはこの機能に対応するコマンドがなく、同じような機能として会話型コマンドのAlter文があります。ですからこの機能は商用ツールになってからの拡張機能だと思われます。各ツール間でのコマンドの互換性は100%ではありませんが、PSpiceとLTSPICEのこの種のコマンド体系はほぼ同じで互換性は高いといえます。その他のSPICEについてはお手持ちのツールのマニュアルを参照してください。

パラメトリック解析の実際

【図A】GUIによるパラメトリック解析の指定

 商用ツールの多くはパラメトリック解析の設定手法として、図AのようなGUIを採用していますが、中にはフリーツールとして有名なLTSPICEのようにコマンド入力型を採用しているツールもあります。

 GUIによるものでも最終的にはコマンドを解析用cirファイルに書き出していますので、コマンド体系を理解しておくことはGUIでも役に立つことがあると思います。

同じような構文を採用しているツールの代表という意味でPSpiceの構文を基に説明していきます(拡張機能ですのでバークレーでの標準的な構文が不明)。


 パラメータとして設定できる因子には次の4つの因子があります。

  • Source(電圧・電流源)
  • グローバル変数*2)
  • モデルのSPICEパラメータ
  • 温度(TEMP)
【図B】抵抗値のグローバル変数化

*2)グローバル変数とは回路図を複数枚に分割しても回路図間で共通で使える変数です。モデルの特定の属性値を変数化することもでき、図Bのように属性値を{変数名}のように波括弧“{ }”でくくって変数である旨を指定します。変数名は予約語と重複せず、もとの属性を想像できるものが良いでしょう。SPICEのバグによって通常の方法で可変できない場合でもこのグローバル変数化することでうまく行える場合があります。

 また、「変数の値をどのように変えていくか?」を指定するコマンドとして表Aのものがあります。

コマンド 内容 第1項 第2項 第3項
LIN*3) 線形(等間隔) スタート値 終了値 刻み巾
OCT 等比(オクターブ:2倍比) スタート値 終了値 2倍の区間の分割数
DEC 等比(デカード:10倍比) スタート値 終了値 10倍の区間の分割数
LIST 値のリスト 値1、値2、値3、…*4)
【表A】パラメトリック解析の変数変化特性の指定

*3)LINの場合のみスタート値とストップ値の大小は問われません。刻み巾も正値のままで構いません。

*4)値のリストによるステップの与え方:リストの構造はスペース区切りか、またはカンマ区切りでなくてはなりません。カンマ区切りですと、ピリオドと見分けにくいのでスペース区切りが良いでしょう。また、リストの内容は増分、あるいは、減少の一方向が原則です。

 実際の指定を行うコマンドの構文は次のようになります。

.STEP  DEC┇OCT┇LIN  パラメータ名 表Aの1項 2項 3項

 パラメータ名には温度を指定する「TEMP」や、電圧源・電流源の回路図番号が、またトランジスタなどのパラメータを指定する場合は「NPN Q2N2222 (BF)」のような指定が入り、グローバル変数の場合は「PARAM 変数名」が入ります。

 ただし、値をリストで与える場合のみ構文が次のように変わりますので注意してください。

.STEP パラメータ名 LIST 128 256 512

 参考までに図3の解析コマンドは次のようになっています。

.DC LIN I1 0 10m 10u  ……(1)

.STEP I2 LIST 0.1 0.2 0.5 1  ……(2)

(1):通常のDC解析の指定部です。I1(ベース電流)を直線的に0〜10mAまで10μA刻みで増加させます。

(2):パラメトリック解析の部分です。電流源I2を指定値(0.1A、0.2A、0.5A、1.0A)に切り替え、(1)の解析を複数回実行します。

パラメトリック解析の注意事項

  • パラメトリック解析が適用できる解析モードはDC解析、過渡解析、温度解析、AC解析です。ただし、AC解析では信号源のAC成分は可変できず、DC成分(バイアス成分)だけを可変できます。
  • 抵抗、キャパシタ、インダクタのような基本パーツの定数をパラメトリックに可変するにはパラメータを含んだ特別モデルを作成する方法もありますが、図Bのようにグローバル変数化する方法が簡単、明快です。
  • グローバル変数を使うケースにはパラメトリック解析以外にもVddやVcc、などのように分割された回路図間で同じ値を使いたいケースもあります。ツールにとってはどちらの目的で設定されたのか分かりませんのでパラメトリック解析でも変数の値を.PARAM {変数名}=○○のように指定しておかないとエラーになるケースがあります(注:PARAMの前にはコマンドを示すピリオド"."が必要)。

執筆者プロフィール

加藤 博二(かとう ひろじ)

1951年生まれ。1972年に松下電器産業(現パナソニック)に入社し、電子部品の市場品質担当を経た後、電源装置の開発・設計業務を担当。1979年からSPICEを独力で習得し、後日その経験を生かして、SPICE、有限要素法、熱流体解析ツールなどの数値解析ツールを活用した電源装置の設計手法の開発・導入に従事した。現在は、CAEコンサルタントSifoenのプロジェクト代表として、NPO法人「CAE懇話会」の解析塾のSPICEコースを担当するとともに、Webサイト「Sifoen」において、在職中の経験を基に、電子部品の構造とその使用方法、SPICE用モデルのモデリング手法、電源装置の設計手法、熱設計入門、有限要素法のキーポイントなどを、“分かって設計する”シリーズとして公開している。



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