計算機工学特論Ｂ
計算機工学特論B
SPICE実習 Part I
講師 弓仲 康史
（群馬大学大学院 工学研究科電気電子工学専攻 准教授）
1
計算機工学特論Ｂ
1. SPICEシミュレーションの解析の基礎
AC解析
過渡（Transient）解析
周波数
電圧・
電流値等
電圧値等
ゲイン・
位相等
電圧・
電流値等
DC解析
時間
直流電圧/電流を変化させ、
それに対応する出力を解析
周波数を変化させ、
それに対応する出力を解析
時間とともに回路の信号が
変化する様子を解析
電源、カーブトレーサ
ネットワークアナライザ
発振器、オシロスコープ
2
計算機工学特論Ｂ
2. 実習内容
[1] RCフィルタの解析（周波数特性解析、過渡解析）
1. 0V
0
0. 5V
フィルタ動作の視覚的理解、
SPICE解析の基礎の習得
0V
- 50
- 0. 5V
- 100
10Hz
VDB( R1: 2)
30Hz
VP( C1: 2)
100Hz
300Hz
1. 0KHz
3. 0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
- 1. 0V
0s
V( V1: +)
1ms
V( R1: 2)
2ms
3ms
4ms
5ms
6ms
7ms
8ms
9ms
10ms
Ti me
Fr equency
[2] SPICEの高度な活用（パラメトリック解析、モンテカルロ解析）
20
P
e
r
c
e
n
10
t
-0
SEL>>
0
9. 6K
- 20
10. 0K
n s ampl es
= 100
n di vi s i ons = 10
10. 4K
mean
s i gma
10. 8K
= 11217. 2
= 644. 851
11. 2K
11. 6K
LPBW( v( out ) , 3)
mi ni mum
10t h %i l e
= 10078. 1
= 10396. 3
12. 0K
medi an
90t h %i l e
= 11080. 3
= 12154. 8
12. 4K
maxi mum
12. 8K
13. 2K
= 12682. 5
0
- 40
回路シミュレーションの
効率化手法の習得
- 4. 0
- 60
10Hz
VDB( R1: 2)
100Hz
VP( C1: 2)
1. 0KHz
10KHz
100KHz
1. 0MHz
Fr equency
- 8. 0
10Hz
. . . VDB( OUT)
100Hz
1. 0KHz
10KHz
100KHz
1. 0MHz
Fr equency
[3] PLL回路を用いた負帰還回路の安定性の解析
100
負帰還回路の安定性の理解、
素子モデル活用法の習得
0
- 100
- 200
10mHz
VDB( C3: 2)
VP( C3: 2)
1. 0Hz
100Hz
10KHz
Fr e que nc y
3
計算機工学特論Ｂ
[実習1-1] RCフィルタの解析（周波数特性解析）
フィルタ設計に必要な周波数特性のシミュレーション法の習得
① Schematic の起動
デスクトップ上のアイコンを
ダブルクリック
作業画面
※注意
参考ファイル保存先 ： C:¥analogk2010
ファイル保存の際、ファイル名・フォルダ名等に日本語を使用しないこと.
マイドキュメント、デスクトップも不可。C:¥analogk2010に保存。
4
計算機工学特論Ｂ
② 素子（R、C）、信号源、Gndの呼び出し、配置
(1) Get New Part
配置された
RとC
(3) 左クリックで配置
右クリックEndで終了
(2) 素子（R、C）を選択
(4) Cを配置後、Cを選択
状態（赤くハイライト）にし、
[Ctrl-R]で回転。
(6) AGNDを選択、配置
(5) VACを選択,配置
パーツの向き、パラメータ値は
配置後に編集。
5
計算機工学特論Ｂ
③ パーツ間の配線
(1) Draw Wireを選択し
パーツ間を接続
(2) 素子のパラメータをダブルクリック
F
フェムト
P
ピコ
N
ナノ
U
マイクロ
M
ミリ
K
キロ
MEG メガ
G
ギガ
※ ACMAG=1Vの意味：
AC解析時に入力を１V
(0dB)とし、周波数を変化。
GAIN=出力/入力＝出力
ACMAG=1V
R=16ｋ
C=0.01u
④ 素子値の変更 ACMAG=1V, R=16ｋ, C=0.01u，
6
計算機工学特論Ｂ
⑤ AC解析の設定
(1) Setup Analysis
(3) AC Sweepをクリック
(2) AC解析にチェック
(4) 解析条件の設定
Pts 101
Start: 10Hz
End: 100kHz
Decade
※10Hz～100KHzまで
logスケールで10倍毎に
101点ずつ変化
7
計算機工学特論Ｂ
⑥ マーカの設定 ： オシロスコープ
のプローブ（観測点）に対応
ゲイン：vdb (デジベル）
ゲインの定義
２０log(出力振幅/入力振幅）
位相：vphase（度）
⑦ 回路図の保存
C:¥analogk2010に移動
「RCfilter」として保存
(1) 「Markers」 →「Mark Advanced」 を選択
⑧ SPICE起動！
ゲイン、位相
マーカの設定
(2) vdb選択、出力に配置、 vphaseも同様に
8
計算機工学特論Ｂ
⑨ エラーがなければProbeが起動し、マーカの波形が表示される
(2) カーソルで詳細な
数値を測定可能
(3) サーチコマンド
SLE(y): Y軸上の(y)の位置に移動
SXV(x)：X軸上の(x)の位置に移動
(1) 「Plot」→「Axis Settings」
で軸の表示範囲を変更可能
カーソルを表示させる
波形の切り替え
9
計算機工学特論Ｂ
課題１：周波数１kHｚでのゲインと位相の値を測定せよ
0
- 50
カットオフ周波数
ｆc＝
Hz
- 100
10Hz
VDB( R1: 2)
30Hz
VP( C1: 2)
ゲイン ：
100Hz
300Hz
1. 0KHz
3. 0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
Fr equency
（ｄB）
位相 ：
（deg）
発展課題： RとCを入れ替えた回路の
周波数特性を確認せよ。
10
計算機工学特論Ｂ
Tips: 解析結果波形をパワーポイント等に見やすく表示する技
グラフの線を太く表示
(2) Width で線幅を選択
(1) グラフ上で右クリック
「Properties」を選択
0
グラフイメージの取得
- 50
表示通り
(2) PPTなどに
ペースト
- 100
10Hz
VDB( R1: 2)
30Hz
VP( C1: 2)
100Hz
300Hz
1. 0KHz
3. 0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
Fr equency
0
- 50
(1) 「Window」→
「Copy to Clipboard」
白黒反転
- 100
10Hz
VDB( R1: 2)
30Hz
VP( C1: 2)
100Hz
300Hz
1. 0KHz
3. 0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
Fr equency
11
計算機工学特論Ｂ
[実習1-2] RCフィルタの解析（過渡解析）
① 過渡解析の設定
(2) VACをVSIN
に変更
過渡解析の習得とフィルタの
入出力波形の視覚的理解
(1) dB、Phase
マーカを消去
入力に正弦波を入力し、
出力応答波形を解析
(4) 電圧マーカを
入力と出力に
(3) VSINの
パラメータを設定
VOFF=0
VAMPL=1
FREQ=1kHz
ダブル
クリック
12
計算機工学特論Ｂ
(6) 解析条件の設定
Final: 10m
チェックoff
※0～10mSまで解析
チェックon
(5) 解析モード「Transient」の設定
(7) 回路保存[RCTran]後、SPICE起動
1. 0V
0. 5V
0V
- 0. 5V
- 1. 0V
0s
V( V1: +)
1ms
V( R1: 2)
2ms
3ms
4ms
5ms
6ms
7ms
8ms
9ms
10ms
Ti me
※解析時間の1/1000程度
(8) 解析ステップの設定が不適切だと波形が不正確となる。
解析ステップを再設定して再シミュレーション
13
計算機工学特論Ｂ
課題２：周波数１kHｚの出力波形の振幅と入出力の位相差を測定せよ
(9) RCフィルタの過渡解析結果
動作しない場合は“1_RCtran”をopen
1. 0V
0. 5V
0V
- 0. 5V
- 1. 0V
0s
V( V1: +)
1ms
V( R1: 2)
振幅 ：
2ms
3ms
4ms
5ms
6ms
7ms
8ms
9ms
10ms
Ti me
（V）
位相差 ：
（deg）
発展課題２：周波数10kHｚの出力波形の振幅を測定せよ
発展課題３：過渡応答波形のFFT解析を行い、スペクトルを観測せよ
14
計算機工学特論Ｂ
参考：
周波数領域と時間領域の波形の関係
1. 0V
1. 0V
0. 5V
0. 5V
0V
0V
- 0. 5V
- 0. 5V
- 1. 0V
0s
V( R1: 1)
10ms
V( R1: 2)
20ms
30ms
40ms
50ms
60ms
70ms
80ms
90ms
V( R1: 1)
①
0
①１００Hz
- 1. 0V
0s
100ms
Ti me
0. 1ms
V( R1: 2)
0. 2ms
0. 3ms
- 50
カットオフ周波数
ｆc＝１kHz
100Hz
300Hz
3. 0KHz
10KHz
30KHz
0. 5V
0. 5V
0V
0V
- 0. 5V
- 0. 5V
1ms
V( R1: 2)
2ms
3ms
4ms
5ms
Ti me
6ms
7ms
0. 9ms
1. 0ms
100KHz
Fr equency
1. 0V
V( R1: 1)
0. 8ms
④ １00ｋHz(-40dB)
1. 0KHz
1. 0V
- 1. 0V
0s
0. 7ms
周波数10倍で
ゲイン1/10 (-20dB)
→ -20dB/dec
(1次フィルタ）
④
30Hz
VP( C1: 2)
0. 6ms
③ １0ｋHz(-20dB)
③
- 100
10Hz
VDB( R1: 2)
0. 5ms
Ti me
②
②１ｋHz(-3dB)
0. 4ms
8ms
9ms
10ms
- 1. 0V
0s
V( R1: 1)
10us
V( R1: 2)
20us
30us
40us
50us
60us
70us
80us
90us
100us
Ti me
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計算機工学特論Ｂ
パラメトリック解析とは？
回路シミュレーションの
効率化手法の習得
デモ： “2_RCpara”をopenし、動作を確認せよ
0.05μF
0.01μF
Cを0.01μFから0.05μF
まで0.01μF刻みで変化
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、過渡解析等を自動的に繰り返し行う。
・ 素子値を手作業で変化させて何度もシミュレーションを行う必要なし。
・ 素子値の大小による出力変化の傾向を確認可能。
16
計算機工学特論Ｂ
回路シミュレーションの
効率化手法の習得
モンテカルロ解析とは？
抵抗、コンデンサなどの素子の誤差が回路特性に与える影響を
乱数を用いて解析。
⇒ 素子精度の決定や回路の歩留りの見積りなどに適した統計解析
例：抵抗2%、容量10%のばらつき
デモ： “3_RCmonte”をopenし、動作を確認せよ
0
- 2. 0
- 4. 0
- 6. 0
- 8. 0
10Hz
. . . VDB( OUT)
100Hz
1. 0KHz
10KHz
100KHz
1. 0MHz
Fr equency
17
計算機工学特論Ｂ
[実習３] ＰＬＬ回路のシミュレーション
f1
位相比較器
平滑化フィルタ
（ループフィルタ）
負帰還回路の安定性の理解、
素子モデル活用法の習得
周波数
電圧制御発振器
（ＶＣＯ）
n f1
負帰還回路
分周器
（周波数：１／ｎ）
f1
+ -
Kp
F(S)
Kv/s
位相は周波数の
積分(1/s)
モデル化
周波数
n f1
1/n
18
計算機工学特論Ｂ
素子モデル、ＰＬＬ回路
PLLシミュレーションは
長い時間を要する
⇒モデル化が重要！
19
計算機工学特論Ｂ
ＰＬＬ回路のモデル化
+ -
Kp
F(S)
Kv/s
位相は周波数の
積分(1/s)
1/n
位相比較器＋VCO⇒積分器
９０度位相
遅れ
ラグ・リードフィルタ
位相
遅れ
１８０度遅れ
で発振！
↓
位相補償が必要
20
計算機工学特論Ｂ
Verilog-A を用いたCo-simulation / SmartSpice Verilog-A
21
計算機工学特論Ｂ
Matlab/Simulinkを用いたPLLシステムシミュレーション
22
計算機工学特論Ｂ
アナログ･ビヘービア･モデル
（Analog Behavioral Modeling；ABM）
「回路ブロックや素子を、関数やテーブルの記述で表現する」
・回路ブロックを関数で記述して回路の設計とシミュレーションを行い、
その後実際の素子に置き換えるトップダウン設計が可能となる。
・設計済みの部分をABMで置き換えて、その他の部分を設計することにより、
シミュレーション時間の短縮を図ることが可能。
①数式（Value）：伝達関数
②ルックアップテーブル（LUT）：
入力値に対する出力値をテーブル記述によって表現。
③ラプラス変換式（LAPLACE）：
ラプラス演算子Sを使用した電圧関数記述。
④周波数応答表（FREQ）
周波数応答のテーブルによって記述
A
AｘB
B
精度のよいモデルは解析時間がかかる。解析内容に適したモデリングを！
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計算機工学特論Ｂ
参考： 積分器のモデル作成
-1倍
アンプ
R1,C1を決定し、
周波数特性、位相特性を
確認せよ。
位相比較器＋VCO⇒積分器
積分係数 1/RC [rad]
100
理想積分器
f0dB=160Hzで設計
RC=1＊10-3
Gain:-20dB/dec
0
R=
C=
[Ω]
[F]
位相：-90
- 100
10mHz
VP( R2: 1)
1. 0Hz
VDB( ABM11: OUT)
1/（2πRC）
100Hz
Fr e que nc y
10KHz
1. 0MHz
24
計算機工学特論Ｂ
参考： ラグリードフィルタ（パッシブ）の設計
“4_Passivellfilter.sch”をopen
周波数特性、位相特性を
確認せよ。位相が戻る特
性に着目せよ。
-0
振幅（ｄB）
- 40
- 80
- 120
10mHz
VP( C2: 2)
位相（deg）
1. 0Hz
VDB( C2: 2)
100Hz
10KHz
1. 0MHz
Fr e que nc y
25
計算機工学特論Ｂ
参考： ラグリードフィルタ（パッシブ）
パラメトリック解析：抵抗を20k～140kまで変化
①素子名
「PARAM」→
変化させるパラメータ
②抵抗値を{R}と書き換える
ダブルクリック
③変更パラメータ
設定
④シミュレーション設定
⑤Rを20k～140kΩまで
30kΩ刻みで変化させる
26
計算機工学特論Ｂ
解析結果
パラメトリック解析：抵抗を20k～140kまで変化
-0
- 20
- 40
- 60
- 80
- 100
- 120
10mHz
100mHz
VP( C2: 2)
1. 0Hz
VDB( C2: 2)
10Hz
100Hz
1. 0KHz
10KHz
100KHz
1. 0MHz
Fr e que nc y
27
計算機工学特論Ｂ
R1
R2
ＶＩＮ
C2
C1
LagLead-Small
Signal AC-0
(deg) +1.000
+20.000
+3.162
+10.000
+31.623
+100.000
+316.228
+1.000k
0
0.0
C1>>C2
R1>>R2
ＶＯＵＴ
Frequency (Hz)
+3.162k
+10.000k
G
+31.623k
+100.00
-20dB/Dec.
-20
-20.000
-40
-40.000
-60.000
-60
-80.000
-80
f1
fL ≅
位相
(deg)
1
2π R 2C1
1
1
1
f
≅
≅
1
-100.000
-100
f
≅
H
2π (R1 +R
)C1VDB((IVM)
2π R1C-1.000
1
FREQ
-1.000 2
VP_DEG((IVM)
2π R C-1.000
D(VP_DEG((IVM)) -1.000
fH
fL
1
2
振幅
(dB)
G≅
D(FREQ)
R2
R
≅ 2
R-1.366e+250
R1
1 +R 2
28
計算機工学特論Ｂ
参考: PLLのシミュレーション（パッシブラグリードフィルタ）
“5_PLLpassivell-close.sch”
（ 6_ ～open.sch”）
パッシブラグリード
フィルタ
（チャージポンプ構成
に用いられる）
-1倍アンプ
（位相反転）
100
0
0
Open-loop
Close-loop
- 100
-133
- 100
- 200
10mHz
VDB( C3: 2)
1. 0Hz
100Hz
VP( C3: 2)
Fr e que nc y
10KHz
- 200
10mHz
VDB( C3: 2)
VP( C3: 2)
1. 0Hz
100Hz
10KHz
Fr e que nc y
29
計算機工学特論Ｂ
参考: PLLのシミュレーション（パッシブラグフィルタ）
“7_PLLpassivel-close.sch”
（ 8_ ～open.sch”）
パッシブラグフィルタ
（通常のローパスフィルタ）
ゲインにピーク
（不安定動作）
100
位相余裕 小
0
0
Open-loop
Close-loop
- 100
-175
- 100
- 200
10mHz
VDB( R4: 2)
VP( C2: 2)
1. 0Hz
100Hz
Fr e que nc y
10KHz
- 200
10mHz
VDB( R4: 2)
VP( C2: 2)
1. 0Hz
100Hz
10KHz
Fr e que nc y
30
計算機工学特論Ｂ
ループフィルタの設計がPLLの性能（安定性、収束特性）を
決定する鍵となる。
100
位相余裕 大
0
ラグリードフィルタ
-133
- 100
- 200
10mHz
VDB( C3: 2)
1. 0Hz
100Hz
10KHz
VP( C3: 2)
Fr e que nc y
100
位相余裕 小
ラグフィルタ
0
- 100
- 200
10mHz
VDB( R4: 2)
-175
1. 0Hz
100Hz
10KHz
VP( C2: 2)
Fr e que nc y
31