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

● 解析と波形表示の設定

　メニュー・バーから「Simulation」→「Setup...」を選択すると，図6の解析設定ダイアログが現れます．左上がDCスイープ解析，過渡解析，ACスイープ解析などの設定ボタンとなっています．その下は波形プロットの設定です．

［図6］ 解析の設定メイン・ダイアログ

　［Transient Analysis］ボタンをクリックすると図7のダイアログが表示されます．過渡解析の最終時間200μsと，刻み幅になるステップ時間を入力します．ステップ時間は，解析実行時にはシミュレータが内部で自動的に可変させています．求める精度によっておおよそ最終時間の1/100～1/1000位に設定します．

［図7］ 過渡解析の設定ダイアログ
波形を拡大して見たい場合，特に正弦波が滑らかに見えないなど，ステップ時間が自動的に大きくなってしまい困る場合には，ステップ時間の上限値を指定する．［Step Ceiling］の欄に入力する．ここでは，後で数値を読み取る目的があるので，小さな値を入力した．

　通常はここまでで完了ですが，波形を拡大して見る場合には，ステップ時間が自動的に大きくなっていて困ることがあります．特に正弦波が滑らかに見えないなどの問題がある場合には，ステップ時間の上限値を指定します．Step ceiling欄に適当な小さな値を入力します．ここでは，後で数値を読み取る目的があるので，100nsを入力します．なお，上限時間を指定した場合は間引きされませんので，いつもより解析時間がかかるようになります．

　図6中の［AC Sweep］ボタンをクリックすると図8のダイアログが表示されます．周波数のスイープ方法の設定です．この例では1Hz～100MHzを10倍刻みで30ポイントずつスイープします．

［図8］ AC解析の設定ダイアログ

　図6中の［Output Options］の設定では，［Save Data］ボタンのチェックは外さないようにします．ここはデータが膨大となり，その処理時間などの問題が発生したときに詳細を設定します．

　その下の二つのボタンはいずれも出力表示の指定です．波形表示プログラムを直接操作する［Auto Plot］ボタンにチェックを入れ，ボタンをクリックします．

　図9，図10，図11が設定ダイアログです．図9でAC解析における表示出力変数を指定しています．上述のように複素数ですので，ほかの解析ではノードaの電圧は単にV（a）ですが，電圧ゲインをデシベル表示するために，VDB（a）としています．VP（a）は電圧の位相を度（°）で表す指定方法です．右側の［Next］ボタンをクリックすると図10，さらに［Next］で図11となります．これらは，過渡解析の出力表示指定です．見やすいように，plot#の設定によりプロットを2段にして表示させます．

［図9］ AC解析のプロット設定
AC解析における表示出力変数を指定している．複素数のため，他の解析ではノードaの電圧はV（a）だが，電圧ゲインをデシベル表示するためにVDB（a）とした．VP（a）は電圧の位相を度（°）で表す．

［図10］ 過渡解析のプロット設定1
右側の［Next］ボタンをクリックすると図11となる．これらは，過渡解析の出力表示指定．

［図11］ 過渡解析のプロット設定2
見やすいようにプロットを2段にして表示．

● 解析の実行と結果表示

　回路図エディタのメニュー・バーから「Simulation」→「Run Simulation」とクリックすると解析を実行します．この例ではAC解析と過渡解析の二つを同時に行っていますので，どちらの結果を波形表示するか聞いてきます（図12）．AC Sweepを選択し，［OK］をクリックします．

［図12］ 解析終了時に表示する解析結果の選択
AC解析と過渡解析の二つを同時に行っているために，どちらの結果を表示するか選択．

　AC解析結果が図13です．上がノードa，bのゲイン，下が位相を表しています．カーソルからカットオフ周波数（－3dB点）が10kHzとなっていることが読みとれます．ΔΣ型A-Dコンバータでは，アンチエイリアス・フィルタが1次で済む場合が多く，周波数fc＝1/（2πRC）をコンバータのデータ・レートと等しくして使います．

［図13］ AC解析結果のグラフ
カットオフ周波数（－3dB点）が10kHｚとなっていることが読み取れる．

　波形を表示しているウィンドウのメニュー・バーから，「Plot」→「Autoplot」と選択すると，先ほどと同じ図12のダイアログが表示されるので，今度はTRANSIENTを選択します．解析実行を再び行う必要はありません．なお，一般的に回路図の状態から前回の結果を表示させたい場合は，「Simulation」→「Plot Data（Post-Processor）」を選択します．

　過渡解析の結果が図14です．同じ回路を周波数領域ではなく時間領域で見た結果です．カーソルは時定数τ＝CR＝15.9μsとして，1τで入力ステップ電圧の63.2%（カーソル1），5τで99.3%（カーソル2）となっています．ノードaがある回路は1次遅れ回路，ノードb側の回路は1次進み回路とも呼ばれます．

［図14］ 過渡解析結果
 同じ回路を周波数領域ではなく時間領域で見た結果，カーソルは，時定数τ＝CR＝15.9μsとして，1τで入力ステップ電圧の63.2%（カーソル1），5τで99.3%（カーソル2）となっている．