◐ PSpice 사용법

1. PSpice 일반

1-1. PSpice 란?

전기, 전자 및 디지털 회로 등을 설계 할 경우에는 회로 특성을 평가할 수 있는 정확한 방법이 필요하다. 이러한 회로를 직접 제작하여 실험할 수도 있지만,  회로 구성 및 특성 해석에 많은 시간과 계측장비 및 경비가 필요하기 때문에 실제로 회로를 제작하기 전에 컴퓨터를 이용하여 계산하고, 측정, 평가하는 과정을 거치는 것이 현재 회로설계 및 제작 시 필수적인 사항이 되었다.

이러한 관점에서 전기회로 및 전자회로의 시뮬레이션을 목적으로 개발된 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)는 트랜지스터의 동작점, 과도 특성 해석 및 주파수 응답 해석 등의 전기, 전자회로에 대한 복잡하고 다양한 해석이 가능하고, 저항, 콘덴서, 인덕터 등의 수동소자와 다이오드, Tr, FET등 능동소자에 대한 모델을 자료화함으로써 거의 모든 회로에 대한 시뮬레이션을 손쉽게 수행할 수 있게 되었다.

SPICE는 워크스테이션 이상의 중, 대형 컴퓨터에서만 사용가능 하였으나, 1984년 PSpice(Professional Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis - MicroSim사)를 소개하면서 PC에서 회로 해석이 가능하게 되었다. 게다가 평가 버전(Evaluation Version)을 학생들의 편의를 위해 무료로 배포하여 단일 회로 안에 사용 가능한 부품 수를 25개(Tr 경우 10개, OP-amp 2∼3개), 최대 사용 가능한 노드(node)수는 64개로 제한하고 있지만 비교적 복잡한 회로의 시뮬레이션도 가능하므로 학교 및 산업체에서 많이 사용하고 있다.

1-2. PSpice Evaluation 8.0 최소 하드웨어 사양

♤ IBM 486 호환기종 이상

♤ 16M 이상 메모리

♤ win95 이상 OS

♤ 마우스

♤ 하드 여유공간 20M 이상

2. PSpice 입문

2-1. PSpice 기본 아이콘

▒ DesignLab Eval 8 클릭

♤ MicroSim FPG Presentation : FPGA의 설계 시 사용하는 프로그램

♤ MicroSim PCBbord : PCB의 layout 및 auto routing 와 관련한 art work 수행 시 사용하는 프로그램

♤ PLSyn Presentation : 디지털 논리회로에 관련하여 PLD, CPLD의 설계 시 사용하는 프로그램

♤ PSpice A_D: 시뮬레이션 동안 실제 계산을 수행하는 프로그램

♤ PSpice Optimizer : 회로의 최적 설계 값(소자 값, 소자의 파라메터)을 구해주는 프로그램

♤ Schematics : 시뮬레이션 할 회로를 그리는데 사용하는 schematic capture program

▒ Accessories 클릭

♤ Part : 표준 부품이 아닌 소자(diode, Tr, FET, OP-amp 등)의 PSpice 파라메터를 설정할 수 있도록 제공하는 프로그램

♤ Probe : 시뮬레이션 결과를 그림으로 나타내는 프로그램

♤ Stimulus Editor : 사용자가 정의하는 파형을 생성하여 입력신호원(source)으로 사용할 수 있도록 하는 프로그램

2-2 PSpice 구성

2-3. PSpice Schematics

① Design Eval v8.0에서 schematic을 클릭 한다.

- Simulation을 위한 회로를 그리는데 사용하는 platform

- Schematic을 통하여 모든 symbol과 model library를 access함.

† 제어메뉴박스(Control Menu Box) : 윈도의 닫기, 크기변경, 응용프로그램의 교체 할 때 사용.

† 타이틀 바(Title Bar) : 실행중인 응용 프로그램명, schematic 파일명, 사용 페이지, 사용중인 part표시

† 메뉴 바(Menu Bar) : 메뉴를 나타내며, 각 메뉴를 클릭 하면 submenu가 나타남.

† 수직 스크롤 바(Scroll Bar) : schematic 안의 화면을 상하 방향으로 이동

† 수평 스크롤 바(Scroll Bar) : schematic 안의 화면을 좌우로 이동

† 커서 X, Y(Cursor X, Y) : 화면상의 커서위치를 표시.

† 상태 라인(Status Line) : 현재의 정보를 표시

† 명령어 라인(Cmd Line) : 현재 사용중인 명령 혹은 바로 직전의 명령표시

† 격자(Grid) : schematic안의 격자를 표시

2-4. Schematics의 각종 파라메터 설정

① Display Option 설정

- Option/Display Option을 선택하면 아래와 같은 디스플레이 상자가 나타난다.

▒ Options

- Grid on : 화면에 격자점 표시

- Snap to Grid : 모든 선과 소자를 선택하여 화면상에 위치할 때 가장 가까운 격자 선으로 스냅

- Orthogonal : 모든 선과 소자가 교차 시에 직각을 유지하도록 함.

- Stay on Grid : 모든 선과 소자의 이동시 격자선상에 위치하도록 함.

- Auto-Scroll : 커서의 움직임에 따라 자동적으로 화면을 스크롤

- Rubberband : 소자의 이동시 소자에 연결된 선의 연결상태를 그대로 유지.

- Status Line : 화면 밑에 현재의 정보를 표시

- Cursor X and Y : 화면상에서 커서의 위치 표시

▒ Grid Spacing

- Grid Size : 격자간격을 인치(inch)로 설정

▒ Text Grid

- Stay on Grid : 사용자가 입력한 문자를 격자선 위에 위치

- Grid Size : 문자에 대한 격자간격을 인치(inch)로 설정

② Probe 설정

- Analysis/Probe Setup을 선택하면 아래와 같은 대화상자가 나타난다.

▒ Auto-run Option

- Automatically Run Probe After Simulation : 시뮬레이션을 모두 완료한 후에 probe를 수행한다.

- Monitor Waveforms(auto-update) : 시뮬레이션을 수행하면서 그래프를 화면에 그린다.

- Do nct auto-run Probe: Auto-Run Probe를 수행하지 않는다.

▒ At Probe Startup

- Restore Last Probe Session: 자동적으로 가장 최근의 probe session을 재실행한다.

- Show all markers : Schematics 화면상에 표시한 모든 marker의 전압, 전류를 자동으로 probe 화면에 표시한다.

- Show selected markers : schematics 화면상의 Marker중에서 선택한 것만을 자동적으로 probe 화면에 표시한다.

- None : Probe를 실행하고 데이터를 자동으로 로딩 하지만 자동으로 그래프를 probe화면에 표시하지 않는다.

▒ Data Collection

- At markers only : marker에 의해 schematics 화면상에 표시한 노드 데이터만 저장.

- All : 전체 회로에 대한 모든 데이터를 저장

- All except internal subcircuit data : subcircuit 안쪽에 존재하는 노드를 제외한 모든 노드의 데이터 저장.

- Text Data File Format(CSDF) : probe용 데이터를 binary 대신 text로 저장한다.

③ 시뮬레이션 해석의 설정

† Analysis/Setup을 선택하면 아래와 같은 대화 상자가 화면에 나타난다.

▒ AC Sweep : 전원의 주파수를 증가시켜 가면서 회로의 전압, 전류의 크기와 위상을 계산한 보드 선도로 출력한다.(주파수 응답)

▒ Load Bias Point : 이전에 계산하여 저장한 바이어스 포인트에 대한 데이터 파일을 load 한다.

▒ Save Bias Point : 현재 회로의 바이어스 포인트에 대한 데이터를 파일로 저장한다.

▒ DC Sweep : 전원, 모델의 파라메터나 온도를 변화시키면서 회로의 전압, 전류, 디지털 회로의 상태 등을 계산한다.

▒ Bias Point : 상세한 바이어스 포인트 데이터를 계산하고, output 파일에 출력 detail한다.

▒ Transient : 시간을 증가시켜 가면서 회로의 전압, 전류, 디지털 회로의 상태 등의 과도상태를 계산한다.

▒ Parametric : 모델의 파라메터, 소자의 값이나 동작온도를 정해진 순서에 따라 변화시키면서 특정한 기본 해석을 반복한다.

▒ Temperature : 동작온도를 정해진 순서에 따라 변화시켜 가면서 특정한 기본 해석을 반복한다.

▒ Monte Carlo/Worst-Case : 어떤 영역 안에서 모든 소자의 모델 파라메터를 임의로 랜덤 하게 변화시켜 가면서 그 변화에 따른 회로의 응답을 계산한다.

▒ Sensitivity : 어떤 영역 안에서 한 소자의 모델 파라메터를 변화시키면서 그 변화에 따른 회로의 응답을 계산한다.

④ 회로도 그리기

ⅰ) 필요한 소자를 라이브러리로부터 가져와 화면상에 배치

ⅱ) Draw/Wire(Ctrl + W)명령을 사용하여 소자들을 연결

ⅲ) 전원을 포함한 각 소자의 파라메터를 입력

ⅳ) 시뮬레이션 타입을 설정한 후 실행

3. 아날로그 시뮬레이션

example design : single phase diode bridge rectifier

* 설계 시 필요한 디바이스

인덕터	1mH	2개	L	다이오드	-	4개	Dbreak
저항	20□	1개	R	교류전원	-	1개	VSIN
콘덴서	1000□	1개	C	GND	-	1개	AGND

가> Symbol Library에 있는 DEVICE  가져오기

방법1. Draw/Get New Part

방법2. Ctrl-G

▒ 소자의 방향을 바꾸는 방법

방법1. Edit/Rotate

방법2. Ctrl_R

▒ 소자의 대칭 이동

방법1. Edit/Flip

방법2. Ctrl_F

▒ 소자를 삭제

방법1. 마우스를 이용하여 소자를 클릭

-> 선택되면 붉은 색으로 변함

-> □del" 키를 이용하여 삭제

방법2. Edit/Delete

나> Device들간의 선 연결(Wiring)

방법1. Draw/Wire

방법2. Ctrl-W

다> 파라메터 값 변경

▒ R, L, C 의 기본 값을 시뮬레이션에 필요한 값으로 변경

▒ 교류전원의 파라메터를 입력함.

†  아날로그 디바이스의 컴포넌트 값을 변경하는 방법

방법1. 값을 변경하고자 하는 소자를 마우스로 더블 클릭.

방법2. 콤포넌트 값을 더블 클릭.

† 교류전원의 파라메터 입력하기

단상교류 60□, 실효치 : 120V ---> peak 치 : 170V

교류전원 VSIN을 더블클릭

Attribute	Description
DC=	- DC 전원 - DC analysis를 수행할 경우에만 사용함. - 크기를 입력
AC=	- AC 전원 - AC analysis를 수행할 경우에만 사용함(주파수 응답
VOFF= : DC offset voltage VAMPL= : AC peak amplitude FREQ= : frequency TD=0 : time delay DF=0 : damping factor PHASE=0 : phase	- Transient analysis에서 사용 - 일반적인 교류 전압원으로 많이 사용. - Default로 DF = 0, TD = 0, PHASE = 0 설정

라> Analysis setup

▒ Analysis/setup

1. 원하는 항목을 클릭 한다.

2. 필요한 파라메터를 입력한다.

(여기서는 시뮬레이션 타입 중에서 우선 transient 부분만 다룬다.)

▒Transient Analysis

- Print setup : transient analysis의 결과를 print하거나 plot하기 위한 time interval 결정, probe용 file에는 영향을 주지 않음. 작게 했을 경우에는 시뮬레이션 시간이 다소 증가함.

- Final time : 시뮬레이션이 끝나는 시간. (기본단위 : sec)

- No-Print Delay : data를 저장하지 않는 동안의 시간 설정.

정상상태만 관심이 있고, probe용 data file의 크기를 줄일 때 사용.

- Step-Ceiling : 회로방정식을 수치해석 적으로 해석할 때 PSpice가 취하는 최대 step size -> 일반적으로 비워둠.

- Detailed Bias Pt. : enable되었을 때, out file에 상세한 bias point information을 보냄.

▒ Fourier Analysis : Fourier Analysis data를 out file에 프린트하는데 필요한 정보 입력

- Enable Fourier : Fourier Analysis data를 out file에 프린트하도록 함.

- Center Frequency : 기본 주파수 입력

- Number of Harmonics : 원하는 harmonics의 order수 입력

- Output Vars : output node name이나 node number 기입

마> 회로 시뮬레이션

1. 일반적인 시뮬레이션 방법

1) 먼저 작성한 회로를 저장한다. (file/save)

2) net list 생성. (Analysis/Create Netlist)

- *.out file 생성. 만일 에러가 발생하면 F10을 눌러 에러 리스트를 확인한다.

3) PSpice A/D 실행

방법1. Analysis/Simulate 클릭

방법2. 키보드의  F11 누름

방법3. PSpice A/D 아이콘 클릭

4) Probe mode동작

5) 전압과 전류 파형을 그리기 위해서 Trace/Add 선택

*Add Traces를 이용하여 파형을 그리기 위해서는 각 소자에 대한 part name을 알고 있어야 한다. 그러므로 node가 많은 회로에서 그 번호를 하나하나 기억하고 있는 것은 불가능하므로 복잡한 회로를 probe할 경우에는 시뮬레이션 수행이전에 schematics상에서 지정하는 것이 더 편리하다.

2. Waveform markers를 이용하는 방법

1) 보고자 하는 파형 : 입력 교류 전원 전압, 입력 교류 전원 전류, 출력 DC 전압

2) 입력 교류 전원 전압의 mark

방법 1. markers/mark voltage/Level 선택

방법 2. Ctrl-M

방법 3. 아이콘 클릭

3) 출력직류 전압의 mark

- 출력 직류 전압을 AGND에 대한 전위가 아니라 capacitor양단의 전압을 표시해야 하므로

markers/Mark Voltage Differential을 사용 해야한다. +,- 부호에 주의

4) 입력 교류 전원 전류의 mark

방법 1. markers/Mark Current into Pin 선택

방법 2. 아이콘 클릭

- 전류 선택 시 전류 방향에 대하여 주의

* plot 추가 : Plot/Add plot 하면 아래 그림과 같이 된다.

* Trace/Add.. 하여 원하는 신호를 선택

* X, Y setting 변경 : 여기서 data의 range와 축의 수, 스케일, 타이틀을 입력할 수 있다.

* VPULSE 입력 파형 넣기

V1	낮은 level의 전압
V2	높은 level의 전압
TD	delay time
TR	rising time
TF	falling time
PW	pulse width
PER	off time

5. 디지털 시뮬레이션

example design : Half adder

* 설계 시 필요한 디바이스

Exor	7486	1개	input	stim	2개
AND	7408	1개	output	global	1개

가> 아날로그와 동일한 방법으로 회로를 설계한다.

나> stim 입력 넣기

다> PSpice A/D 실행

라> Probe mode동작

마> 파형을 출력하기 위해서 Trace/Add 선택

- 아날로그 시뮬레이션과 동일

바> 시뮬레이션 파형

6. 자주 사용하는 단축 키

□ + □ : Save

□ + □ : Undo

□ + □ : Redo

□ + □ : Cut

□ + □ : Copy

□ + □ : Paste

□     : Delete

□ + □ : Rotate

□ + □ : Place Part

□ + □ : Wire

□ + □ : Bus

□ + □ : Get New Part □ 메뉴를 통해 소자를 가져옴.

□       : Simulate

□       : Run Probe

□ + □ : Mark Voltage/Level