第７章 ngspiceとXyceが動くQucsとSPICEシミュレーションモデルの概要

7.1 はじめに

回路シミュレータが、回路設計支援に有用なツールであるためには、受動素子、半導体素子、集積回路、および非電気的デバイスを含む様々なアナログ回路とデジタル回路をシミュレートすることができなければなりません。 QucsをngspiceやXyceと組み合わせることで、利用可能なシミュレーションモデルの数は大幅に増加したので、Qucsのspice4qucsバージョンは、以前のリリースと比較した場合、より柔軟で強力になりました。 spice4qucsの開発の背後にある主な動機の一つは、既存のすべてのQucsモデルとシミュレーション機能を変更せずに維持しながら、公開されたSPICEコンポーネントモデルにQucsのユーザーがアクセスできるようにすることでした。spice4qucsの最初のリリースであるQucs-0.0.19Sで、この目的は概ね達成できました。しかし、Qucs-0.0.19Sのシミュレーション能力（例えばSPICE 3f5の.PZ解析はまだ）とモデルの守備範囲（例えば大電力ようのアナログとデジタルモデルの数は限られています）には依然大きなギャップがあります。このソフトウェアの今後のリリースではモデル開発の仕事をさらに予定していますが、それには、パワーデバイスモデルの改良や真のミックスモード・アナログ・デジタルシミュレーションのためのXSPICEのデジタルモデルの導入が含まれます。Qucs開発チームが導入するQucs-0.0.19Sのモデルを補完する改良や追加はすべてこの文書に記録されます。

spice4qucsヘルプドキュメントのこの章は、2つの部分から成り、まず、簡単なコンポーネント仕様と、より詳細なテクニカルリファレンス、そして次は、様々なコンポーネントモデルの使い方を説明する典型的なシミュレーション例です。２つ目の部分は、Qucsのユーザーが新しいスタイルのソフトウェアとQucs-0.0.19SとQucsの以前のリリースとの違いをよく理解するのに役立つように追加されました。

どの2つの回路シミュレータも、同一の数、同一の種類の回路シミュレーションモデルを実装していることはありません。これは、SPICE 3ftから開発された、SPICEの様々な実装であってもそうなのです。したがって、Qucs、ngspiceとXyceを、一つの回路シミュレーションソフトウェアパッケージ内に組み合わせることにより、モデルがどのシミュレータで動作するかを識別する方法が必要です。モデル選択をさらに複雑にする第2の特徴は、同一の一般的なデバイスを表現すると思われる同一のモデル、例えばBJTが異なる物理デバイス方程式と異なる数のデバイスパラメータに基づいているかも知れないのです。

どのモデルがどのシミュレータで動くかを識別する試みとして、Qucs開発チームは、以下のようにモデルシンボルを色分けする方法を採用しました：既存のQucsモデルは濃い青色（変更なし）、ngspiceとXyceの両方で動作するSPICEモデルは赤色、ngspiceだけで動くSPICEモデルはシアン色、Xyceだけで動くSPICEモデルは濃い緑色です。いくつもの元々のQucsモデルはngspiceとXyceでも動作するので、この方法は完璧ではありません。しかし、過去の経緯から今回はこれらのモデルの色は変更しないことにしました。今後のQucsリリースではこの決定は恐らく見直されるでしょう。

図7.1に示すモデルは、ngspiceとXyceのシミュレーションに含めることができる元々のQucs-0.18モデルです。ngspiceまたはXyceのモデルのいずれかでも回路をシミュレートしたくないQucsユーザーにとっては、Qucs-0.0.18とともに配布されるすべてのモデルは、通常のSimulation コマンド（F2キー）を使って、そのままQucs-0.0.19Sで動作することに注意してください。これまでのところQucsのVerilog-AモデルをngspiceまたはXyceにインタフェースする試みは一切行われていません。このタスクは、今後のspice4qucs開発段階で予定にはいっています。

図7.1 ngspiceで動く（Xyceで動く場合もある）Qucs-0.0.18 のモデル

7.2 Spice4qucsのコンポーネント仕様とテクニカルレフェランス

Capacitor (C)

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Inductor (L)

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Resistor (R)

spic4qucsには温度の影響はまだ実装されていないことに注意してください

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Independent AC Current Source (I)

注意： AC電流源のDC値は、０アンペアに設定されている。

SPICEパラメータI0はQucsで使われておらずngspiceとXyceのジェネレータで０アンペアに設定されている。

SPICEパラメータTDはQucsで使われておらずngspiceとXyceのジェネレータで０秒が設定されている。

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Independent AC Voltage Source (V)

注意： AC電圧源のDC値は、０ボルトに設定されている。

SPICEパラメータV0はQucsで使われておらずngspiceとXyceのジェネレータで０ボルトに設定されている。

SPICEパラメータTDはQucsで使われておらずngspiceとXyceのジェネレータで０秒が設定されている。

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Independent DC Current Source (I)

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Independent DC Voltage Source (V)

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Linear Current Controlled Current Source (F)

Qucsのdelay timeのTは実装されていない

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Linear Current Controlled Voltage Source (H)

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Linear Voltage Controlled Current Source (G)

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Linear Voltage Controlled Voltage Source (E)

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Probes

Qucs Netlist

Ngspice Netlist

注意： Qucsとngspiceのネットリストを読みやすくするために、１行の幅がページ幅よりも長い行は最初の項目の後に続いて１つまたは複数の行をインデントしています。

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Relay (Voltage controlled switch) (S)

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Diode (D)

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BJT npn (Qucs T, ngspice Q)

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Ngspice diode (D)

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Ngspice resistor (R)

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Ngspice capacitor (C)

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Ngspice inductor (L)

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Ngspice mutual inductor (K)

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Ngspice independent AC voltage source (V)

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Ngspice non-linear dependent voltage and current sources (B)

B source example 1: Simulation of the DC characteristics of a diode modelled with a B source pwl function; diode series resistor set at 1e-3 Ohm

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B source example 2: Simulation of the properties of a high power half-wave rectifier circuit with 0.5 Ohm load

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7.3 Example simulations that demonstrate the use of spice4qucs models