シミュレーションモデルの作成

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Altium Designerの混合信号回路シミュレータを使用して回路設計をシミュレートするには、回路内の全てのコンポーネントがシミュレーション準備完了である必要があります。つまり、各コンポーネントにはリンクされたシミュレーションモデルが必要です。

モデルの種類と入手方法は、主にコンポーネントによって、そしてある程度は設計者の個人的な好みによって異なります。多くのデバイスメーカーは、製造しているデバイスに対応するシミュレーションモデルを提供しています。通常、必要なモデルファイルをダウンロードして、回路図コンポーネントに接続するだけです。設計にシミュレーションモデルを追加するについてもっと学びましょう。

一部のモデルは、階層的なサブサーキット構文を使用して必要なサブサーキットモデルファイル（*.ckt）をゼロから書く必要があるかもしれません。

新しいシミュレーションモデルの作成

一部のモデルは、メーカーやサプライヤーによってダウンロード可能なテキストファイルとして提供されています。時には、モデルの詳細がダウンロードファイルではなくブラウザページ上のテキストとして提示されることもあります。このような状況では、Altium Designerで新しいモデルファイルを作成し、ブラウザページから内容をコピー＆ペーストして新しいモデルファイルに追加できます。File » New » Mixed Simulationのサブメニューで関連するコマンドを使用します。下記のように表示されます。

新しい、空のモデルファイルを作成するコマンド。

その後、モデルファイルの情報をコピー＆ペーストして、モデルエディタに入力します。

シミュレーションモデルの例文です。

ワークスペースシミュレーションモデルの作成

Altium Designerは、接続されたワークスペースと連携して、ワークスペースシミュレーションモデルの作成と管理を行う機能を提供します。ワークスペースシミュレーションモデルが作成されると、一つまたは複数のワークスペースコンポーネントの作成に使用することができます。

ワークスペースシミュレーションモデルは、コンポーネントエディタのシングルコンポーネント編集モードで定義されているコンポーネントにシミュレーションモデルファイルを追加し、そのコンポーネントをワークスペースに保存すると自動的に作成されますが、以下に説明するように、ワークスペース内で直接ワークスペースシミュレーションモデルを作成することもできます。

1. Componentsパネルを開き、パネル上部のボタンをクリックしてModelsを選択し、モデルの表示を有効にします。

   
   Componentsパネルでモデルの表示を有効にする

2. Simulationsカテゴリに移動し、ボタンメニューからCreate Componentを選択します。

    
   Componentsパネルでシミュレーションモデルに移動し、新しいモデルを作成するコマンドを選択

3. Create New Itemダイアログで必要な情報を入力し、Open for editing after creationオプションが有効になっていることを確認してOKをクリックします。ワークスペースシミュレーションモデルが作成され、一時的なSimModelエディタが開き、設計スペースに.SimModelドキュメントがアクティブドキュメントとして表示されます。このドキュメントはアイテム-リビジョンの形式で命名されます：<Item><Revision>.SimModel（例：SIM-001-0001-1.SimModel）。

   
   ワークスペースシミュレーションモデルの初期リビジョンの編集例 - 一時的なSimModelエディタは、シミュレーションモデルを定義するためのドキュメントを提供します。

4. 必要に応じてドキュメントを使用してワークスペースシミュレーションモデルを定義します。これについての詳細は、シミュレーションモデルの定義を参照してください。
5. プロジェクトパネル内のシミュレーションモデルのエントリの右にあるSave to Serverコントロールを使用して、モデルをワークスペースに保存します。リビジョンの編集ダイアログが表示され、必要に応じて名前、説明を変更し、リリースノートを追加できます。保存後、ドキュメントとエディタは閉じます。

6. ソースシミュレーションモデル定義を含むドキュメント*.SimModelは、ワークスペースシミュレーションモデルのリビジョンに保存されます。ComponentsパネルのSimulationsカテゴリにシミュレーションモデルが表示されます。

   
   Componentsパネルに保存されたワークスペースシミュレーションモデル

   ワークスペースに保存されたデータには、.SimModelファイルのモデル定義と、参照された.mdlまたは.cktファイルが含まれます。Explorerパネルで、プレビューアスペクトビュータブに切り替え、参照されたファイルをクリックしてその内容のプレビューを表示します。該当する場合は、モデルレベルのパラメータも表示されます。

   
   Explorerパネルで保存されたワークスペースシミュレーションモデルを参照。保存されたデータを見るためにプレビューアスペクトビュータブに切り替えます。

保存されたワークスペースシミュレーションモデルは、コンポーネントエディタでコンポーネントを定義する際に、Single Component EditingモードまたはBatch Component Editingモードでワークスペースコンポーネントにリンクできます。

シミュレーションモデルの定義

SimModelファイルでモデルを定義するために必要な情報は以下の通りです：

• Model Name – このフィールドを使用して、モデルの名前を指定します。ワークスペースに保存される際、このエントリーはシミュレーションモデルアイテムリビジョンの名前として使用されます。

  これは、参照されるモデルやサブサーキットファイルに表示される名前でなければなりません。

  MDLファイルを参照する場合、名前はモデルの定義の.MODEL行に表示されるものでなければなりません。以下の定義を持つダイオードのモデルを考えてみましょう：

  .MODEL 1N4002 D(IS=2.55E-9 RS=0.042 N=1.75 TT=5.76E-6 CJO=1.85E-11 + VJ=0.75 M=0.333 BV=100 IBV=1E-5 )

  ここでのモデル名は1N4002です。これがModel Nameフィールドに入力する必要がある名前です。

  CKTファイルを参照する場合、名前はモデルの定義の.SUBCKT行に表示されるものでなければなりません。以下の定義を持つヒューズのモデルを考えてみましょう：

  .SUBCKT FUSE 1 2 PARAMS: CURRENT=1 RESISTANCE=1m SW1 1 2 3 0 SMOD OFF BNLV 3 0 V=(abs(v(1,2)))
.MODEL SMOD SW (VT=\{(CURRENT*RESISTANCE)\} RON=1g ROFF=\{RESISTANCE\})
.ENDS FUSE

  ここでのモデル名はFUSEです。これがModel Nameフィールドに入力する必要がある名前です。

• Model File – .mdlまたは.cktファイルを使用して定義されたモデルの場合、利用可能なライブラリから必要なファイルを指名するためにBrowseボタンを使用します。
• Description – モデルの目的など、モデルの説明を入力します。ワークスペースに保存される際、このエントリーはシミュレーションモデルリビジョンの説明として使用されます。
• Parameters – モデルのモデルレベルパラメータ（モデルレベルパラメータを参照）。
• Model Preview – 参照された.mdlまたは.cktファイルの内容の読み取り専用表示。

モデルレベルのパラメータ

該当する場合、モデルレベルのパラメータはSimModelファイル内で直接定義することができます。これは、それらが自然とモデルの定義の一部であるためです。Parameters領域は、選択されたモデルに適用されるパラメータで自動的に埋められます。パラメータ値は、リスト内のパラメータに関連付けられたParameter Valueフィールドをクリックして、直接必要な値を入力することで編集できます。

モデルの定義の一部としてパラメータを定義します - 直接、その場での編集を使用して。

ワークスペースシミュレーションモデルの編集

どの段階でも、任意のワークスペースシミュレーションモデルに戻って直接編集することができます。ComponentsパネルでSimulationsカテゴリを選択します（このカテゴリにアクセスするには、パネルのメニューでModelsオプションを有効にする必要があります）。シミュレーションモデルのエントリを右クリックし、コンテキストメニューからEditコマンドを選択します。再び、一時エディタが開き、ワークスペースシミュレーションモデルに含まれるファイル（ソースシミュレーションモデル定義を含む）が編集用に開かれます。必要に応じて変更を加え、そのドキュメントをワークスペースシミュレーションモデルの次のリビジョンに保存します。

関連するワークスペースコンポーネントの更新

ワークスペースのドメインモデル（シンボル、フットプリントモデル、またはシミュレーションモデル）に変更を加えた場合、その変更をモデルの新しいリビジョンとして保存する瞬間、そのモデルを使用しているワークスペースコンポーネントは、以前のリビジョンを使用し続けるため、事実上古くなってしまいます。ほとんどの場合、それらのワークスペースコンポーネントを再保存し、関連するモデルリンクを最新のリビジョンに更新したいと思うでしょう。このプロセスを合理化するために、ワークスペースはAltium Designerと連携して、モデルの直接編集機能を通じてそのモデルに加えた変更後に、関連するコンポーネントを更新する機能を提供します。

この更新を親コンポーネントに実行するオプションは、変更されたワークスペースシミュレーションモデルを対象のワークスペースに保存する際に表示されるリビジョンの作成ダイアログにあります。このオプション – Update items related to <ModelItemRevision> – はデフォルトで有効になっています。

再保存されるWorkspaceシミュレーションモデルを参照している関連するWorkspaceコンポーネントを更新するオプションにアクセスする。

OKをクリックすると、Create Revisionダイアログで、変更されたシミュレーションモデル定義がワークスペースに保存され、関連する一時エディタが閉じられます。そのワークスペースシミュレーションモデルを参照するすべてのワークスペースコンポーネントは、自動的に新しいリビジョンを使用するように再保存されます（各コンポーネントの次のリビジョンが自動的に作成され、保存が実行されます）。

SimModelファイルの生成

SimModelファイルは、アクティブな回路図ライブラリドキュメントまたはデータベースライブラリドキュメントからTools » Generate SimModel Filesコマンドを使用して生成できます。

コマンドを起動すると、Generate SimModel Filesダイアログが表示されます。各SimModelファイル（および構成するシミュレーションモデル定義）は、アクティブな回路図ライブラリ内の回路図コンポーネントのシミュレーションモデルリンク、またはアクティブなデータベースライブラリ内のコンポーネントレコードのシミュレーション情報に基づいて作成されます。ダイアログ内のコントロールを使用して、必要に応じて1つ以上のSimModelファイルの生成を設定します。デフォルトでは、Sim Modelsという名前のサブフォルダが作成されます。必要に応じて、この名前をより適切なものに変更してください。指定されたフォルダが存在する場合は、そのフォルダが使用されます。存在しない場合は、作成されます。

Generate SimModel Filesダイアログ

必要に応じてオプションを定義した後、OKをクリックします。生成プロセスが進行し、プロセスが完了したときには、生成されたSimModelファイルの数を示す確認ダイアログが表示されます。参照された.mdl、.ckt、または.scbファイルもSimModelファイルと一緒に保存されます。

統合ライブラリから移行する場合、ソースの回路図ライブラリ（SchLib）は、Altium DesignerでIntLibを開き、ソースライブラリを抽出することを選択することによって取得できます。データベースライブラリからSimModelファイルを生成する場合、現在有効なテーブル内のコンポーネントのみが考慮されます。

SimModelファイルの命名は、ソースライブラリのタイプに依存します：

• 回路図ライブラリ - 各SimModelファイルは、シミュレーションモデルの名前を使用して命名されます。複数の回路図コンポーネントが同じシミュレーションモデル実装（同じ名前のシミュレーションモデル）を含む場合、その名前を使用して単一のSimModelファイルが生成されます。
• データベースライブラリ - 各SimModelファイルは、コンポーネントレコードのSim Model Nameフィールドで指定されたシミュレーションモデルの名前を使用して命名されます。複数のコンポーネントレコード（有効なテーブル全体で）が同じシミュレーションモデル実装（Sim Model Nameフィールドの同じエントリー）を含む場合、その名前を使用して単一のSimModelファイルが生成されます。

SPICE Model Wizard

SPICEに組み込まれている特定のアナログデバイスモデルは、関連するモデルファイル（*.mdl）で高度な振る舞い特性（例えば、半導体抵抗器、ダイオード、BJTなど）をパラメトリックに定義することができます。このモデルファイルを手作業で作成し、必要な回路図コンポーネントに手動でリンクする作業はかなり骨の折れるものです。SPICE Model Wizardは、この作業を容易にします。ウィザードを使用すると、ユーザーが取得したデータに基づいてそのようなデバイスの特性を定義できます。直接入力されたパラメータ、または提供されたデータから抽出されたパラメータは、自動的にモデルファイルに書き込まれ、そのファイルが指名された回路図コンポーネントにリンクされます。

SPICE Model Wizardは、アナログデバイスの範囲に対してSPICEシミュレーションモデルを作成し、リンクするための便利な半自動ソリューションを提供します。これらのデバイスには、SPICEに組み込まれているものと、リンクされたモデルファイル（*.mdl）が必要なものがあります。モデルの動作特性は、ウィザードに入力した情報に基づいて定義されます。この情報の範囲は、モデルを作成したいデバイスのタイプによって異なり、モデルパラメータの単純な入力から、メーカーのデータシートから得られたデバイスデータや、物理デバイス自体から得られた測定値の入力まで様々です。

以下のセクションでは、ウィザードの使用方法について、アクセスから検証までを説明します。

ウィザードへのアクセス

ウィザードは、回路図シンボルエディターからTools » XSpice Model Wizardコマンドを選択することでアクセスします。

SPICE Model Wizardの初期ページ

ウィザードの次の2ページでは、以下を選択できます：

• サポートされているデバイスタイプのリストから、モデル化したい特定のデバイス。
• その後に生成されるSPICEモデルを、ライブラリドキュメント内の既存のコンポーネントに追加するか、ウィザードによって作成された新しいコンポーネントに追加してそのドキュメントに追加する。

サポートされているデバイスタイプ

ウィザードは、以下のアナログデバイスタイプのSPICEモデルを作成するために使用できます：

• ダイオード
• 半導体キャパシタ
• 半導体レジスタ
• 電流制御スイッチ
• 電圧制御スイッチ
• バイポーラ接合トランジスタ
• 損失のある伝送線
• 均一分布RC伝送線

モデルの命名

ウィザードのページを進む上で最も重要なステップの一つは、作成しているモデルに名前を付けることです。実際、名前を入力しないと、ウィザードのパラメータ定義ステージに進むことができません。

作成後、この名前はSim ModelダイアログのModel Nameフィールドに表示されます。モデルファイル自体もこの名前を使用して作成されます（<ModelName>.mdl）。新しいライブラリコンポーネントにモデルを追加する際にウィザードを使用する場合、指定したモデル名がコンポーネントの名前としても使用されます。

モデルに名前を付ける際には、短い説明も入力するオプションがあります。これはモデルの機能（例：Semiconductor Resistor）や、より具体的な値や構成への参照（例：NPN BJT）などが該当します。

モデル化される特性

モデルに名前を付けた後、モデル化する特性を扱う1ページ以上のページに進みます。ウィザードでサポートされているモデルタイプは、以下の2つのグループに分類できます：

• 様々なモデルパラメーターの値を直接入力する必要があるモデル。詳細については、直接パラメータ入力によるデバイスモデルの作成セクションを参照してください。

• 選択したデバイスの特性を定義するパラメータを抽出するためにデータの入力が必要なモデル。入力されるデータは、物理デバイスからの直接の測定結果、またはメーカーのデータシートから得られる。詳細については、データからパラメータ抽出によって作成されたデバイスモデルセクションを参照してください。

モデルの生成

必要なデータ/パラメータを定義した後、ウィザードは生成されたモデルを表示します。これがMDLファイルに保存される内容です。

生成されたモデルファイルの内容をプレビューしています。

このページで直接モデルの編集が行えるため、モデル仕様に対する最大限のコントロールを提供します。

モデル定義に満足したら、Nextをクリックしてウィザードの最後に進みます。Finishをクリックすると、モデルを保存できます。Save SPICE Model Fileダイアログを使用して、結果のMDLファイルを保存する場所を決定します。デフォルトでは、ファイルは回路図ライブラリドキュメントと同じディレクトリに保存されます。この段階で、ファイルの名前を変更することもできます。

新しいコンポーネントにモデルを添付するように要求した場合、そのコンポーネントは作成されてライブラリドキュメントに追加されます。

直接パラメータ入力によって作成されるデバイスモデル

以下のデバイスモデルについて、ウィザードは入力されたデータからパラメータ情報を抽出しません。むしろ、これらのモデルは関連するパラメータの値を直接入力することに基づいて作成されます。パラメータ値を入力する際には、いくつかの点を考慮する必要があります：

• パラメータの値が指定されていない場合、作成されるモデルファイルにはそのエントリーがありません。この場合、SPICE内部に保存されているデフォルト値が使用されます。別の言い方をすると、モデルファイルにパラメータの値が指定されている場合、そのモデルファイルの値がそのパラメータのデフォルト値を上書きします。
• ウィザードでパラメータのデフォルトエントリーが「-」であり、そのパラメータに特に値が入力されていない場合、計算用にゼロのデフォルト値が使用されます（SPICE内部で）。

半導体キャパシタ

以下のパラメータは、ウィザードを使用してこのデバイスモデルに対して定義可能です。値を入力すると、そのパラメータが生成されたMDLファイルに書き込まれます。

半導体抵抗器

このデバイスモデルには、ウィザードを使用して定義可能な以下のパラメータがあります。値を入力すると、そのパラメータが生成されたMDLファイルに書き込まれます。

電流制御スイッチ

以下のパラメータは、ウィザードを使用してこのデバイスモデルに対して定義可能です。値を入力すると、そのパラメータが生成されたMDLファイルに書き込まれます。

電圧制御スイッチ

このデバイスモデルには、ウィザードを使用して定義可能な以下のパラメータがあります。値を入力すると、そのパラメータが生成されたMDLファイルに書き込まれます。

損失のある伝送線路

このデバイスモデルには、ウィザードを使用して定義可能なパラメータがあります。値を入力する（またはフラグを設定する）と、そのパラメータが生成されたMDLファイルに書き込まれます。

結果のモデルをシミュレートするためには、R、L、G、Cのパラメーターのうち少なくとも2つに値を設定し、LENパラメーターにも値を入力する必要があります。これらの条件が満たされるまで、ウィザードで先に進むことはできません。

一様分布RC伝送線

このデバイスモデルには、ウィザードを使用して定義可能なパラメーターがあります。値を入力すると、そのパラメーターが生成されたMDLファイルに書き込まれます。

データからパラメータ抽出によって作成されたデバイスモデル

ダイオードとBJTデバイスの場合、ウィザードは入力したデータからパラメータ情報を抽出します。モデルファイルに含まれる特定のパラメータは、モデル化することを選択したダイオードまたはBJTの特定の特性に依存します。

データの入力方法は特性によって異なります。場合によっては、直接データ値を入力する必要がありますが、他の場合にはプロットデータの入力が必要です。いずれにせよ、すべてのデータは直接的なデバイス測定、メーカーのデータシート、またはその両方から取得されます。

プロットベースのデータについては、より多くのデータポイントを入力することで、ウィザードにソースデータのより正確な「画像」を提供し、それによって抽出されるパラメータ値の精度が向上します。 プロットデータを入力する必要がある場合は、グラフィカルなソースデータから得られた一連のデータポイントを、ウィザードが提供するグリッドに入力してください。データがコンマ区切り値形式（*.csv）で保存されている場合は、利用可能なImport Dataボタンを使用してデータをインポートできます。ウィザードは、入力されたデータを使用して必要なモデルパラメータを抽出します。抽出の結果は、ウィザードの後続のページに、抽出されたパラメータ値自体と、入力されたデータと抽出されたパラメータを使用して計算された値の比較プロットの形で表示されます。下の画像は、そのようなパラメータ結果の表示の例を示しています。

ウィザードが必要なモデルパラメータを抽出できるように、ソースデータを入力してください。

抽出されたパラメータ値を編集して、ダイオードモデルの精度をさらに洗練させることができます。変更を反映して、グラフィカルな比較が更新されます。

ダイオード

以下のセクションでは、ダイオードデバイスのモデル化に選択できる特性ごとに詳細を説明します。各セクションでは、抽出されるパラメータと、その抽出を容易にするためにウィザードによって必要とされるソースデータについて議論します。

バイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（BJT）

バイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（BJT）モデルを作成する際、SPICE Model Wizardでは、パラメータ情報を抽出するソースデータを選択する必要があります：

• 測定データ - ソースデータが物理デバイスの測定から来る場合、このオプションを選択し、DC動作の全ての側面を記述する正確なモデルを開発したい場合に選択します。
• メーカーデータシート - ソースデータがデータシートから来る場合、このオプションを選択します。データシートは通常、BJTデバイスの全ての側面をモデル化するのに必要な情報レベルを含んでいません。しかし、通常は前方アクティブ領域でのみ使用するデバイスモデルを作成するのに十分な情報を含んでいます。

これら2つのオプションの違いは、主にBJTのDC電流-電圧特性をモデリングするパラメータがどのように抽出されるかに影響します。逆バイアス接合容量とトランジット時間に関しては、2つの間でパラメータが抽出される方法は同一です。

以下のセクションでは、BJTデバイスにモデル化することができる特性の詳細と、ソースデータ（測定データまたはデータシート）の種類との関連について説明します。各ケースで抽出されるパラメータと、その抽出を容易にするためにウィザードが必要とするソースデータについて議論されます。