回路シミュレーションを使用した設計の分析

Created: 12月 04, 2023 | Updated: 5月 24, 2024 | Applies to version: 24

電子機器の機能をシミュレートする主な目的は、設計の性能を表現および分析することです。最も単純なデバイスの設計でさえ、シミュレーションが提供する機能なしには想像できません。シミュレーションソフトウェアを使用することで、設計中のデバイスのすべてのモードを損傷することなく解析したり、実際の条件では測定が困難なパラメータや特性を決定したり、高価な測定機器の使用が必要な測定を実行したりすることができます。

SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)は、オープンソースのソフトウェアパッケージとして開発され、広く普及し、開発が続けられています。Altium DesignerのMixed Simulation(MixedSim)テクノロジーは、SPICEアルゴリズムに基づいて改良されたコアを使用し、アナログ、デジタル、またはA/D混合デバイスの電気回路をシミュレートするように設計されています。これは真のミックスド・シグナル・シミュレータであり、アナログ・デバイスとデジタル・デバイスの両方を含む回路を解析できます。SPICE3f5と完全互換で、PSpice^®およびLTspice^®のさまざまなデバイス・モデルをサポートしています。

Altium DesignerのシミュレーションエンジンでサポートされているSPICEモデルについて詳しくは、サポートされているSpiceモデルのナレッジベース記事を参照してください。

シミュレータがインストールされているかどうか

混合シミュレーション機能は、Altium Designerにデフォルトでインストールされている混合シミュレーションシステム拡張を通じて利用可能です。この拡張機能は、Altium Designerの拡張機能と更新ページから手動でインストール/削除または更新できます（現在のユーザー制御メニューから拡張機能と更新オプションを選択します - ）。

Altium Designerの拡張機能をインストールして管理する方法の詳細については、インストールの拡張と更新を参照してください。

Altium Designerでシミュレーションをすぐに始めるために、共有ドキュメントフォルダー（デフォルトインストールの場合はC:\Users\Public\Documents\Altium\AD<Version>\Examples\Simulation Quick Start）にシミュレーションの例のセットがあります。各例は、シミュレータの設定と結果の解釈に関する情報を含む、実世界の使用例を示しています。

Altium Designerは、OrCAD^®、LTSpice、KiCad^®を含むさまざまな形式の回路図をインポートできます。これらはインポートウィザードを使用してインポートされ、各ファイルタイプはAltium Designerにインストールされた拡張機能によって処理されます。他の設計ツールとのインターフェースについてもっと学ぶ。

Altium Designerでのシミュレーションプロセスは、以下の段階に分けることができます：

プロジェクトのシミュレーション準備と検証 - シミュレートされる設計は、適切なシミュレーション結果を得るために検証され、十分に準備される必要があります。これには、シミュレーションモデルを持つコンポーネントの配置、信号源の設定、プローブを使用して回路内の関心点を定義することが含まれます。検証プロセスは、分析される回路図に何か問題がある場合にフィードバックを提供します。
シミュレーションの設定と実行 - シミュレーションは回路図から直接実行され、シミュレーション波形を分析するにつれて再実行することもできます。必要な分析タイプとプロットされる出力表現をすばやく設定してから、シミュレーションを実行します。
シミュレーション結果の扱い - シミュレーション結果はSimDataエディタで表示されます。これは、シミュレーション結果を迅速かつ効率的に分析できる機能豊富な環境であり、設計の操作に自信を持って取り組むことができるように、評価、デバッグを行うことができます。

混合シミュレーション - 例題ガイド

以下の折りたたみセクションでは、フィルタ回路のシミュレーション準備が整った回路図を作成するプロセスを説明し、その後、いくつかの回路シミュレーション分析を実行します。

新しい設計プロジェクトの作成

メインメニューから File » New » Project コマンドを選択します。
Create Projectダイアログが開きます：

新しいプロジェクトが作成され、プロジェクトエントリがProjectsパネルに表示されます。
1. ロケーションリストで、ワークスペースのエントリ(ワークスペースを使用していない場合はローカルプロジェクトエントリ)を選択します。
2. Project Typeボックスの一覧で、PCBの種類の下の<Empty>エントリを選択します。
3. Project NameフィールドにFilterと入力します。
4. 必要に応じてダイアログの右側で他のオプション(ストレージフォルダなど)を設定し、Createボタンをクリックします。
Projectsパネルでプロジェクトエントリを右クリックし、コンテキストメニューからAdd New to Project » Schematicコマンドを選択します。
新しい回路図ドキュメントの空白シートが表示されます。ハードドライブに保存するには、Projectsパネルでエントリを右クリックし、コンテキストメニューから名前を付けて保存コマンドを選択します。名前を付けて保存ダイアログが開き、ドキュメントをプロジェクトファイルと同じ場所に保存する準備が整います。ファイル名フィールドにFilterと入力し、保存をクリックします (拡張子は自動的に追加されるため、入力する必要はありません)。
新しいドキュメントをプロジェクトに追加したため、プロジェクトファイルが変更されました。Projectsパネルでプロジェクトエントリを右クリックし、保存を選択してプロジェクトの変更を保存します。

回路の取り込み

以下に示されているフィルタ回路をシミュレートします。このセクションでは、必要なコンポーネントを見つけ、それらのコンポーネントのプロパティを設定し、次に回路図を配線します。

フィルタ回路の回路図

シミュレーション用コンポーネントの配置

回路図のコンポーネントは、デフォルトでAltium Designerインストールに付属しているSimulation Generic Componentsライブラリから取得されます：
1. デザインスペースの右下にあるPanelsボタンをクリックし、表示されるメニューからComponentsを選択してComponentsパネルを開きます。
2. パネルの上部にあるドロップダウンからSimulation Generic Componentsライブラリを選択します（パネルがコンパクトモードの場合）または、パネルの左上にあるボタンをクリックしてCategoriesペインにアクセスします（パネルが通常モードの場合）。ライブラリが提供するコンポーネントのリストがパネルに表示されます。
オペアンプを配置します：
1. コンポーネントリストでOpAmp with power terminalsコンポーネントを見つけ、そのエントリを右クリックしてメインメニューからPlaceコマンドを選択します。コンポーネントがデザインスペースにカーソルに添付された状態で表示されますが、まだ配置しません。
  
  必要なコンポーネントをすばやく見つけるには、ComponentパネルのSearchフィールドを使用できます。
2. オペアンプがカーソルに浮かんでいる間に、Tabキーを押してPropertiesパネルを開き、回路図にコンポーネントを配置する前にそのプロパティを編集します。
3. PropertiesパネルのGeneral領域で、指定子をU1に変更します。
4. デザインスペースで一時停止ボタン（）をクリックして、コンポーネント配置に戻ります。
5. デザインスペースをクリックしてオペアンプのインスタンスを配置します。
6. さらにコンポーネントインスタンスを配置するためにコンポーネント配置モードにとどまります。この回路にはオペアンプコンポーネントのインスタンスが1つだけ必要なので、右クリックしてコンポーネント配置モードを終了します。
抵抗を配置します：
1. ComponentsパネルでResistorコンポーネントを見つけ、そのエントリを右クリックしてメインメニューからPlaceコマンドを選択します。
2. 抵抗がカーソルに浮かんでいる間に、Tabキーを押します。
3. 開いたPropertiesパネルでコンポーネントのプロパティを次のように変更します：
  - General領域で、指定子をR1に変更します。
  - Parameters領域で、ValueパラメータのValueを100Kに変更します。
4. デザインスペースで一時停止ボタン（）をクリックして、コンポーネント配置に戻ります。
5. デザインスペースをクリックして抵抗のインスタンスを配置します。
6. カーソルを移動して、同じ値の別の抵抗のインスタンスをデザインスペースにクリックして配置します。新しいインスタンスのデザイネータは自動的にインクリメントされます（R2）。
7. 右クリックして構成部品配置モードを終了します。
コンデンサを配置します：
1. Componentsパネルで Capacitorコンポーネントを見つけ、そのエントリを右クリックして、メインメニューから Placeコマンドを選択します。
2. コンデンサがカーソル上でフローティング状態になっているときに、Tabキーを押します。
3. 次のようにPropertiesパネルを開き、コンポーネントのプロパティを変更します：
  - General領域で、指定子をC1に変更します。
  - Parametersリージョンで、Valueパラメータの値を112pに変更します。.
4. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、コンポーネントの配置に戻ります。
5. 設計領域内をクリックして、コンデンサのインスタンスを配置します。
6. キャパシタがカーソル上に浮いたままで、キャパシタの別のインスタンスを配置する準備ができている間に、Tabキーを押します。
7. PropertiesパネルのParameters 領域で、Valueパラメーターの値を 56pに変更します。
8. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、コンポーネントの配置に戻ります。
9. Spacebarを押して、正しい向きになるまでコンポーネントを90°ずつ回転させます。
10. カーソルを移動し、設計領域内をクリックして、コンデンサーの別のインスタンスを配置します。新しいインスタンスの指定子は自動的にインクリメントされます (C2)。
11. 右クリックして構成部品配置モードを終了します。

電圧源

シミュレーション時に回路に電力を供給するには、電圧源が必要です。

VDD電圧源を配置します：
1. メインメニューからSimulate » Place Sources » Voltage Sourceコマンドを選択します。
2. 電圧源がカーソル上でフローティング状態になっているときに、Tabキーを押します。
3. 開くプロパティパネルでソースプロパティを次のように変更します：
  - General領域で、指定子をVDDに変更し、ソースのStimulus TypeとしてDC電圧源を選択します
  - Parameters領域で、パラメータ値を次のように変更します：
    
    DC Magnitude = 5
    AC Magnitude = 0
    AC Phase = 0
4. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、電圧源の配置に戻ります。
5. 設計領域内をクリックして、電圧源のインスタンスを配置します。
VSS電圧源を配置します：
1. 電圧源がカーソル上にフローティング状態のままで、電源の別のインスタンスを配置する準備ができているときに、Tabキーを押します。 key.
2. 次のように開くPropertiesパネルでソースのプロパティを変更します。
  - General領域で、指定子をVSSに変更し、ソースのStimulus TypeとしDC電圧源を選択します。
  - Parameters領域で、パラメータ値を次のように変更します。
    
    DC Magnitude = -5
    AC Magnitude = 0
    AC Phase = 0
3. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、電圧源の配置に戻ります。
4. カーソルを移動し、設計領域内をクリックして、電圧源の別のインスタンスを配置します。
正弦波電圧源を配置します：
1. 電圧源がカーソル上にフローティング状態のままで、電源の別のインスタンスを配置する準備ができているときに、Tabキーを押します。
2. 開くプロパティパネルでソースプロパティを次のように変更します：:
  - PropertiesパネルのGeneral領域で、指定子を VINに変更し、ソースのStimulus Typeとして正弦波を選択します。
  - Propertiesパネルの Parameters領域で、パラメーター値を次のように変更します：
    
    DC Magnitude = 0
    AC Magnitude = 1
    AC Phase = 0
    Offset = 0
    Amplitude = 5
    Frequency = 50K
    Delay = 0
    Dampling Factor = 0
    Phase = 0
3. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、電圧源の配置に戻ります。
4. カーソルを移動し、設計領域内をクリックして、電圧源の別のインスタンスを配置します。
5. 右クリックして構成部品配置モードを終了します。

回路の配線

配線は、回路のさまざまなコンポーネント間の接続を作成するプロセスです。このセクションでは、下の画像に従って回路を配線します。

メインメニューからPlace » Wireコマンドを選択します。
オペアンプの「+」ピンのホットスポットにカーソルを置くと、カーソルの位置に赤い接続マーカー(赤い十字)が表示されます。これは、カーソルがコンポーネント上の有効な電気接続ポイント上にあることを示します。
クリックしてワイヤの始点を固定します。
カーソルが赤い接続マーカーに変わるまで、R2の最も近いピンのホットスポットにカーソルを置きます。
クリックしてワイヤをピンに接続します。カーソルがそのワイヤから解放されます。
下のビデオに示すように、回路の残りの部分を配線します。
すべてのワイヤの配置が終了したら、右クリックして配置モードを終了します。

設計領域内をクリックして、ワイヤの形状を定義する一連の頂点を固定します。
ワイヤが間違った方向にコーナーを形成している場合は、Spacebarを押してコーナーの方向を切り替えます。

電源ポートの追加

GNDポートの配置：
1. メインメニューからPlace » Power Portコマンドを選択します。
2. 電源ポートがカーソル上でフローティング状態になっているときに、Tabキーを押します。
3. PropertiesパネルのProperties領域で、set Name = GND and Style = Power Ground.
4. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、電源ポートの配置に戻ります。
5. 下の図に示すように、電圧源コンポーネントの「-」ピンのそれぞれに1つずつ、合計3つの電源ポートを配置します。
  
  必要に応じて、Spacebarを押してフローティング電源ポートを回転させます。
VDD電源ポートの配置:
1. 電源ポートがカーソル上でフローティング状態の状態で、Tabキーを押し、Properties パネルでset Name = VDD and Style = Barを設定します
2. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、電源ポートの配置に戻ります。
3. 下の図に示すように、2つの電源ポートを配置します。
VSS電源ポートの配置:
1. 電源ポートがカーソル上にフローティング状態の状態で、Tabキーを押し、Properties パネルでset Name = VSS and Style = Barを設定します。
2. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、電源ポートの配置に戻ります。Click the
3. 下の図に示すように、3つの電源ポートを配置します。
4. 右クリックして配置モードを終了します。

ネットラベルの追加

入力ネットにネットラベルを追加：
1. メインメニューからPlace » Net Label コマンドを選択します。
2. 電源ポートがカーソルにフローティングしている状態で、Tabキーを押して Net Name = INに設定します。
3. 設計領域のPauseボタン( )をクリックして、ネットラベルの配置に戻ります。
4. クリックすると、VINと R1の間のワイヤにネットラベルが貼られます。ネットラベルの左下隅がホットスポットであり、このポイントがワイヤーに接触している必要があることに注意してください。
出力ネットのネットラベルを配置します。
1. 電源ポートがカーソルにフローティングしている状態で、Tabキーを押してNet Name = OUTに設定します。
2. クリックすると、オペアンプの出力ピンから出るワイヤにネットラベルが貼られます。
3. 右クリックして配置モードを終了します。
回路図ドキュメントを保存するには、Projectsパネルでそのエントリを右クリックし、コンテキストメニューから保存を選択します。

解析の準備

Altium Designerでは、回路図から直接回路シミュレーションを実行できます。シミュレーションは、Simulation Dashboardネルから構成および操作されます。

設計領域の右下にあるPanelsボタンをクリックし、表示されるメニューからSimulation Dashboard を選択して、Simulation Dashboardパネルを開きます。
パネルのVerification折りたたみ可能な領域を展開し、Start Verificationボタンをクリックします。領域内のElectrical Rule CheckエントリとSimulation Modelsエントリの両方に緑色のチェックが表示されます。
違反が検出された場合は、違反条件を見つけて修正し、続行します。
パネルのPreparation折りたたみ可能領域を展開し、回路図に追加された 3 つの電圧源がすべてSimulation Sourcesリストに表示され、有効になっていることを確認します。

詳細については、シミュレーションのためのプロジェクトの検証と準備ページを参照してください。

解析の設定

過渡解析の設定

過渡解析は、通常オシロスコープに表示されるような出力を生成し、ユーザー指定の時間間隔にわたって時間の関数として過渡出力変数（電圧、電流、または電力）を計算します。

Simulation Dashboardパネルの解析設定 & 実行折りたたみ領域とその中の過渡領域を展開します。
間隔オプションが選択されていることを確認し（）、以下の値を入力します:
- 開始 = 0
- 終了 = 60u
- ステップ = 100n
入力信号の新しい式を追加します。この式はシミュレーション結果ドキュメントで波形として出力されます:
1. 出力式ヘッダーの下にある追加コントロールをクリックして、シミュレーション結果ドキュメントで波形として出力される新しい式のフィールドを追加します。
2. 追加されたフィールドの右にあるボタンをクリックして、Add Output Expressionダイアログにアクセスします。ここで出力式を設定できます。
3. Add Output Expressionダイアログで、波形領域のドロップダウンからノード電圧を選択し、以下のリストからv(IN)エントリをクリックします。v(IN)式がダイアログの式Yフィールドに追加されます。
4. 出力式の追加ダイアログで作成をクリックします。式がSimulation Dashboardパネルに表示されます。
出力信号の出力式を追加します:
1. Simulation Dashboardパネルの追加コントロールをクリックして、別の出力式のフィールドを追加し、その後追加されたフィールドの右にあるボタンをクリックします。
2. Add Output Expressionダイアログで、波形領域のドロップダウンからノード電圧を選択し、以下のリストからv(OUT)エントリをクリックします。
3. シミュレーション結果ドキュメントの別のプロットでこの式の波形を描画するために、プロット番号ドロップダウンで新しいプロットを選択します。選択後、ドロップダウンは2を表示します。
4. 出力式の追加ダイアログで作成をクリックして、式をSimulation Dashboardパネルに追加します。
この時点で、過渡解析が設定されます。Simulation Dashboardパネルに以下のように表示されるはずです。

ACスイープ解析の設定

ACスイープ解析は、回路の周波数応答を示す出力を生成し、周波数の関数として小信号AC出力変数を計算します。AC小信号解析の望ましい出力は通常、伝達関数（例えば、電圧ゲイン）です。

シミュレーションダッシュボードパネル内の解析設定 & 実行折りたたみ領域内のACスイープ領域を展開します。
スイープタイプとしてDecadeを選択し、次の値を入力します：
- Start Frequency = 100m
- End Frequency = 1meg
- Points/Dec = 100
入力信号の振幅 (デシベル単位) の出力式を追加します：
1. Output Expressions ヘッダーの下にある追加コントロールをクリックして、新しい式のフィールドを追加し、追加したフィールドの右側にあるボタンをクリックします。
2. Add Output Expressionダイアログで、Waveform領域のドロップダウンからNode Voltagesを選択し、下のリストのv(IN) エントリをクリックします。
3. Add Output ExpressionダイアログのComplex FunctionsドロップダウンからMagnitude (dB)を選択し、作成をクリックします。
出力信号の振幅 (デシベル単位) の出力式を追加します：
1. Output Expressionsヘッダーの下にある追加コントロールをクリックして、新しい式のフィールドを追加し、追加したフィールドの右側にあるボタンをクリックします。
2. Add Output Expressionダイアログで、Waveform領域のドロップダウンからNode Voltagesを選択し、下のリストのv(OUT)エントリをクリックします。
3. Add Output ExpressionダイアログのComplex FunctionsドロップダウンからMagnitude (dB)を選択し、作成をクリックします。
入力信号の位相の出力式 (度数) を追加します：
1. Simulation Dashboard パネルの追加コントロールをクリックして、別の出力式のフィールドを追加し、追加したフィールドの右側にあるボタンを追加します。
2. Add Output Expressionダイアログで、Waveform領域のドロップダウンからNode Voltagesを選択し、下のリストのv(IN) エントリをクリックします。
3. Add Output ExpressionダイアログのComplex FunctionsドロップダウンからPhase (Deg) を選択します。
4. Plot NumberドロップダウンでNew Plot を選択し、Add Output Expressionダイアログで作成をクリックします。
出力信号の位相の出力式を度数で追加します：
1. Simulation Dashboardパネルの追加コントロールをクリックして、別の出力式のフィールドを追加し、追加したフィールドの右側にあるボタンを追加します。
2. Add Output Expressionダイアログで、Waveform領域のドロップダウンからNode Voltagesを選択し、下のリストの(OUT)エントリをクリックします。
3. Add Output ExpressionダイアログのComplex FunctionsドロップダウンからPhase (Deg) を選択します。
この時点で、ACスイープ解析が構成されます。そのオプションは、以下に示すように Simulation Dashboardパネルにあるはずです。
シミュレーション構成ファイル (project_sim_config.simcfg) は、Projectsパネルのプロジェクト構造のSettings\Simulation Documentsフォルダーに表示されます。ドキュメントを保存するには、プロジェクトパネルでエントリを右クリックし、コンテキストメニューから名前を付けて保存コマンドを選択します。

名前を付けて保存ダイアログが開き、ハードドライブのプロジェクトフォルダにドキュメントを保存する準備が整います。保存をクリックして、ドキュメントをこのデフォルトの場所にデフォルト名で保存します。
プロジェクトファイルを保存するには、Projectsパネルでエントリを右クリックし、コンテキストメニューから保存コマンドを選択します。

詳細については、シミュレーションの設定と実行ページを参照してください。

解析の実行と結果の探索

Simulation Dashboardパネルの過渡解析領域ヘッダーの右にある実行ボタンをクリックして、過渡解析を実行します。
シミュレーションが成功すると、Messagesパネルがシミュレーションの成功を報告します。これは閉じても構いません。
新しいシミュレーション結果ドキュメントFilter.sdfがSimDataエディターでドキュメントタブとして自動的に開きます。これには、過渡解析チャート（ドキュメントの下部にあるタブによって示されます）が1つ含まれ、それぞれにv(IN)およびv(OUT)の単一波形が含まれる2つのプロットがあります。
設計スペースの上部にあるそのタブをクリックして、回路図ドキュメントに切り替えます。
Simulation DashboardパネルのACスイープ領域ヘッダーの右にある実行ボタンをクリックして、ACスイープ解析を実行します。
Messagesパネルを閉じます。
単一のAC解析チャートを含むシミュレーション結果ドキュメントが開きます。チャートには、それぞれに2つの波形が含まれる2つのプロットが含まれます。
測定カーソルを使用して3dBポイントを決定します：
1. dB(v(OUT))波を右クリックし、カーソルAを選択します。
2. マーカーをドラッグしてカーソルAをローパスセクションに配置します（ローパス領域内である限り、場所は重要ではありません）。
3. 再度dB(v(OUT))波を右クリックし、カーソルBを選択します。
4. Sim Dataパネルを使用してカーソルの位置を特定します（パネルが表示されていない場合は、設計スペースの右下にあるパネルボタンをクリックし、表示されるメニューからSim Dataを選択して表示します）。
5. Sim Dataパネルの測定カーソル領域にあるB-A測定値を見ながら、Y（ゲイン）値が-3になるようにカーソルBをクリックしてドラッグします。
6. 波形名BのX結果が約20kであることがわかり、フィルタ回路の3dBポイントが20kHzであることを示しています。
7. カーソルをクリアするには、各カーソルマーカーを右クリックしてカーソルオフを選択します。
8. ドキュメントのフィルタリングをクリアするには、設計スペースの右下にあるクリアボタンをクリックします。
シミュレーション結果ドキュメント（Filter.sdf）がプロジェクト構造のGenerated\Simulation Documentsフォルダに表示されます。プロジェクトパネルでそのエントリを右クリックし、コンテキストメニューから名前を付けて保存コマンドを選択してドキュメントを保存します。

名前を付けて保存ダイアログが開き、プロジェクトフォルダのSimulationサブフォルダにドキュメントをデフォルトの名前で保存する準備ができます。保存をクリックして、このデフォルトの場所にドキュメントを保存します。
設計スペースの上部にあるそのタブをクリックして、回路図ドキュメントに切り替えます。
Simulation Dashboardパネルで、結果折りたたみ領域を展開します。この領域には、実行されたシミュレーション実行のリスト（この例では過渡解析とAC解析）が含まれます。
以前に実行した過渡解析の結果を表示するには、過渡解析エントリの右にあるボタンをクリックし、結果を表示を選択します。

シミュレーション結果ドキュメントが開き、過渡解析の結果が表示されます。
変更したプロジェクトドキュメントとプロジェクト自体を保存するには、Projectsパネルでエントリを右クリックし、コンテキストメニューから保存コマンドを選択します。
接続したワークスペースでプロジェクトを作成した場合は、Projectsパネルでプロジェクトエントリを右クリックし、コンテキストメニューから Save to Server コマンドを選択し、開いたSave to ServerダイアログでOKをクリックします。