シミュレーションモデルの作成

Altium Designerのアナログ/ディジタル混載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ためには、回路内のすべてのコンポーネントがシミュレーション対応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、回路図の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）を作成するなど、最初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。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場合もあります。そのような状況では、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の内容を新しいモデルファイルにコピー＆ペーストできます。ファイル » 新規 » ミックスドシミュレーション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ためのコマンド。

モデルの正しいタイプ（*.MDL、*.CKTなど）を決定するには、モデルのテキスト内容を確認してください。 その後、モデルファイルの情報をモデルエディタにコピー＆ペーストできます。
シミュレーションモデルのテキスト内容の例。

• インダクタンスを通じた電流の使用は、機能的なソース値表現でサポートされています。
• 初期条件指令（.IC）はサブサーキット内でサポートされています。

• 繰り返しのトランジェントバーストをシミュレートするには、以下のパラメータを持つ独立したソースでEXP関数を使用できます：

  EXP(V1 V2 Td1 Tau1 Td2 Tau2 Tpulse Npulse Tburst),

  ここで：

  • Tpulse – パルス周期
  • Npulse – バーストあたりのパルス数
  • Tburst – 繰り返しバースト周期
• Pチャネルトランジスタ（BJT、JFET、MOSFET、MESFET）の出力電流は、入力電流として扱われ、Nチャネルトランジスタと一致しています。

• 別のモデルに基づいてモデルを作成する場合、AKOモデルキーワードを使用できるようになりました。以下に示す例では、モデルQPはQP350と同じパラメータを持っていますが、BFが変更され、VAが設定されています。

  .MODEL QP350 PNP(IS=1.4E-15 BF=70 CJE=.012P CJC=.06P RE=20 RB=350 RC=200)

  .MODEL QP AKO:QP350 PNP(BF=150 VA=100)

  AKO構文を使用する際に、モデル定義が無限再帰（ 画像を表示）または基本モデルの欠如（ 画像を表示）を含む場合に、エラー検出が適用されます。

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一度作成されると、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. コンポーネントパネルを開き、パネルの上部にあるボタンをクリックしてモデルを選択し、モデルの表示を有効にします。

   
   コンポーネントパネルでモデルの表示を有効にする

2. シミュレーションカテゴリに移動し、ボタンメニューからコンポーネントの作成を選択します。

    
   コンポーネント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. 開いた新規アイテムの作成ダイアログで必要な情報を入力し、作成後に編集を開く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、デザインスペースにアクティブドキュメントとして.SimModelドキュメントが表示されます。このドキュメントはアイテム-リビジョンに従って命名され、形式は<アイテム><リビジョン>.SimModel（例：SIM-001-0001-1.SimModel）となります。

   
   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サーバーに保存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。コンポーネントパネルのシミュレーションカテゴリにシミュレーションモデルが表示されます。

   
   コンポーネント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。エクスプローラーパネルで、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。適用される場合は、モデルレベルのパラメータも表示されます。

   
   エクスプローラー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。

保存し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、シングルコンポーネント編集モードまたはバッチコンポーネント編集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。 デザイナーの観点から見ると、ワークスペースコンポーネントは、単一のエンティティ内で、すべての設計ドメインを通じてそのコンポーネントを表すために必要なすべての情報を集めます。この点で、それはコンテナと考えることができます - すべてのドメインモデルとパラメトリック情報が格納される「バケツ」です。さまざまなドメインでのその表現において、ワークスペースコンポーネントはワークスペースドメインモデル自体を含んでいませんが、これらのモデルへのリンクを持っています。これらのリンクは、コンポーネントを定義する際に指定されます。 ワークスペースシミュレーションモデルも、既存の古い世代（SchLib、PcbLib、IntLib、DbLib、SVNDbLib）のコンポーネントライブラリをインポートする一環としてワークスペース内で作成することができます。このプロセスへのインターフェースであるライブラリインポーターは、初期に選択されたライブラリを取り、それらをワークスペースにインポートする直感的なフローを提示します。ライブラリインポーターについてもっと学びましょう。

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：

• モデル名 – 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。これがモデル名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。これがモデル名フィールドに入力する必要がある名前です。

• モデルファイル – .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参照ボタンを使用します。
• 説明 – 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。
• パラメータ – モデルのレベルパラメータ（モデルレベルパラメータを参照）。
• モデルプレビュー – 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できます。これは、自然にモデルの定義の一部となります。パラメータ領域は、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パラメータ値フィールドをクリックし、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、必要な値に編集します。

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。シミュレーションカテゴリをコンポーネントパネルで選択します（このカテゴリにアクセスするには、パネルのメニューでモデル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上で右クリックし、コンテキストメニューから編集コマンドを選択します。再び、一時エディタが開き、ファイル（ワークスペースシミュレーションモデルのソースシミュレーションモデル定義を含む）が編集のために開かれます。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てください。

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、事実上古いものになります。ほとんどの場合、こ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利用可能な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の後、ワークスペースモデルを再保存する際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対して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 – <ModelItemRevision>に関連するアイテムを更新 – はデフォルトで有効になっています。

再保存されるワークスペースシミュレーションモデルを参照している関連するワークスペース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、リビジョンの作成ダイアログで、変更されたシミュレーションモデル定義がWorkspaceに保存され、関連する一時エディタが閉じられます。そのWorkspaceシミュレーションモデルを参照するすべてのWorkspaceコンポーネントは、自動的に新しいリビジョンを使用して再保存されます（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ツール » SimModelファイルを生成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、SimModelファイルの生成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。

「SimModelファイルを生成」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。生成が進行し、プロセスが完了すると、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、現在有効な表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：

• スキーマティックライブラリ - 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。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）を含む複数のスキーマティックコンポーネントがある場合、その名前を使用して単一のSimModelファイルのみが生成されます。
• 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）を含む場合、その名前を使用して単一のSimModelファイルのみが生成されます。

SPICEモデルウィザード

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）でパラメトリックに高度な動作特性を定義することができます（例：半導体抵抗器、ダイオード、BJT）。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ことはかなり手間がかかります。SPICEモデルウィザードは、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モデルウィザードは、SPICEに組み込まれているデバイスやリンクされたモデルファイル（*.mdl）が必要な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で半自動的なソリューションを提供します。モデルの動作特性は、ウィザードに供給する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、スキーマティックシンボルエディタからツール » XSpiceモデルウィザードコマンドを選択することでアクセスします。

SPICEモデルウィザードの初期ページ

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。
• その後生成された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そのドキュメントに追加される新しいコンポーネントに追加するか。

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
• 一様分布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、名前を入力するまでウィザードのパラメータ定義ステージに進むことはできません。

作成後、この名前はSim Modelダイアログのモデル名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）。ウィザードを使用して新しいライブラリコンポーネントにモデルを追加する場合、モデルに指定された名前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、短い説明を入力するオプションもあります。これはモデルの機能（例：半導体抵抗）や、値や構成に関するより具体的な参照（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。

• 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、データからのパラメータ抽出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。

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が可能です。

モデル定義に満足したら、次へをクリックしてウィザードの最後に進みます。完了をクリックすると、モデルを保存できます。SPICEモデルファイルを保存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。

モデルを新しいコンポーネントに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、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そのエントリーは存在しません。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）。

半導体のキャパシタンス

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。

半導体の抵抗

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

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。

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。

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デバイスについて、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、モデル化する予定のダイオードやBJTの特性によって異なります。

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、他の場合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、利用可能なデータのインポート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、入力し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提示されます。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。グラフィカルな比較は、変更を反映して更新されます。

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各特性について詳しく説明します。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。

バイポーラ接合トランジスタ (BJT)

バイポーラ接合トランジスタ (BJT) モデルを作成する際、SPICEモデルウィザードでは、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動作のすべ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デバイスのすべての側面をモデル化するために必要な情報レベルを含んでいません。しかし、通常、フォワード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の直流電流-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、パラメータの抽出方法が2つの間で同一です。

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各特性と、ソースデータ（測定データまたはデータシート）の種類に関連して詳細に説明します。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。