LSI周りのアナログ回路をシミュレータで理解する ―― RCフィルタ，降圧型，DC-DCコンバータ，アクティブ・フィルタなど

LSIを搭載するボード上でよく見かけるアナログ回路について，その動作をシミュレーションで理解する．利用するのは米国Penzar Development社のSPICE系回路シミュレータ「Top SPICE/Win32」の評価版である．（編集部）

　電子回路の世界は，マイクロコンピュータとともにディジタル回路が急速に進歩し，今やアナログ回路に取って代わり全盛期を迎えました．昔ながらのアナログ回路は，もう必要ないのでしょうか．写真1は，シリアルATA転送方式のハード・ディスクの基板です．手前に巻き線チップ・コイルが3個実装されています．ドライブに供給される5Vや12Vから内部の専用LSIなどに必要な1.2V～3.3V，マイナス電圧を生成するためのDC-DCコンバータ部を形成しています．ディジタル・データを記録，制御するための回路も，電源というアナログ回路がなければ動きません．

［写真1］ ハード・ディスク制御基板に使われているアナログ回路

● ディジタル基板の中のアナログ回路

　一般的に，アナログとディジタルは相反するもの，相対するものとして認識されがちです．しかし自然界は，少なくとも人間を基準にしてみるとアナログの世界です．電子回路も自然の法則に従っています．また，ディジタル回路は，アナログである自然現象を2値論理に近似したものであるともいわれます．さらにディジタル回路は，飽和するまで駆動したアナログ回路であるともいわれています．

　主要機能がディジタル技術であっても，自然現象の入力となるセンサ回路，電源を供給する電源回路，人間の五感に訴えるヒューマン・インターフェース回路，モータなどのアクチュエータ駆動回路などは，どうしてもなくせないアナログ回路です．これらを考えると，ディジタル回路とアナログ回路の関係は，「ディジタル回路がアナログ回路の中に包含されている」と，とらえる必要があるようです．

● さらにアナログ技術が必要な部分

　ディジタルの情報には，アナログの情報に対して次のような利点があります．

• 数値化されているので，プログラムによって正確に計算や処理ができる．
• 送信の際，減衰による誤認識が少ない．
• ノイズによる影響が小さい．
• 記録保存する場合に劣化がほとんどない．

　アナログ情報という連続量を，ディジタル情報という離散量に変換するには，標本化（サンプリング）と量子化が行われます．連続量がとびとびの値になるので，ディジタル化によって精度が悪くなるように感じます．しかしアナログ情報に戻したときに十分な精度を持てるようにディジタルのビット数を増やせば，問題はありません．以上のような多くの利点が現在のディジタル技術の躍進の源です．ディジタルは複雑な機能を容易に実現できる技術です．

　しかし，困ったことに，ディジタル技術の進歩とともに，ディジタル回路にもアナログ的な現象が発生するようになってきました．それは，クロック周波数が高くなったこと，回路の集積度が上がったこと，低電圧化したことに起因しています．ディジタル信号でも，ノイズやクロストークが大きな問題となり，ディジタル的な誤り訂正やディジタル・フィルタに加えて，アナログ・フィルタやPLLのようなアナログ技術も必要となっています．特に最先端のディジタル通信，ディジタル記録の分野では，高度化したディジタル回路を正しく動かすためのアナログ技術の必要性が増大しています．これからのエレクトロニクス・エンジニアは，ディジタル回路のためのアナログ技術が求められます．

　ここで紹介するアナログ回路シミュレータ「SPICE」は，アナログ回路を学習，理解していく上での基本的な部分を補ってくれる有用なツールであると考えています．

　米国Penzar Development社の「TopSPICE/Win32」というSPICE系回路シミュレータの評価版を使って，簡単なアナログ回路やアナデジ混在回路のシミュレーションを体験してみましょう．TopSPICEの特徴は，回路図入力とSPICEのステートメント（構文）による入力を組み合わせてシミュレーションできることです．複雑な設定はステートメントの方がシンプルで便利です．なおTopSPICE/Win32の評価版は，シムサーキットのWebページからダウンロードできます．