전자 회로 시뮬레이션의 기초 – SPICE란?

[테크월드=정환용 기자] 최근 전자 회로를 설계∙평가할 때, 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션이 널리 이용되고 있다. 이런 추세에는 다양한 이유가 있을 것으로 생각된다. 예를 들어 동작과 신호의 고속화와 더불어 전자부품의 소형화∙면실장화 등으로 인해, 기존의 브레드보드를 사용한 평가가 비현실적인 경우가 증가하고 있다.

그러나 무엇보다 간단하고 신속하게 동작과 특성을 확인할 수 있으며, 거의 최적화된 조건에서 실제의 평가를 실시할 수 있기 때문에, 프로토타입 제작 횟수 등 개발 공수와 시간을 절약할 수 있다는 점이 큰 메리트가 된다고 보고 있다. 전자부품 메이커는 이런 상황과 요구에 대응하기 위해 시뮬레이션용 부품 데이터를 제공해, 시뮬레이터라는 시뮬레이션 소프트웨어가 다수 존재한다.

비교적 많이 보급돼 있고 무상 버전도 제공하는 ‘SPICE’ 베이스의 시뮬레이션에 대해, 도입을 포함한 기초적 내용을 설명하고자 한다.

SPICE란?
스파이스(SPICE)는 전자 전기 회로 시뮬레이터의 일종으로, 1973년 미국의 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스(University of California, Berkeley)에서 개발됐다. 집적회로용 시뮬레이션 프로그램(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)의 이니셜인 스파이스는, 당시 OP Amp 등의 IC, 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등에 의한 아날로그 회로 동작의 시뮬레이션을 주된 목적으로 사용했다.

1985년 SPICE3까지 개발된 스파이스는 이후 SPICE를 베이스로 개량과 기능 추가 버전이 상용 전개됐다. 현재에도 자주 사용되고 있는 ‘PSPICE’는 마이크로심(MicroSim)이 발매한 최초의 상용 스파이스로, 메인 프레임 컴퓨터상에서 동작하는 스파이스를 퍼스널 컴퓨터로 사용할 수 있도록 한 것이다. 마이크로심은 ‘OrCAD’사에 통합됐고, 이후 OrCAD는 ‘Cadence’사에 매수됐다. PSPICE는 Cadence의 설계 지원 툴 OrCAD의 일부가 됐다.

주요 시뮬레이션 소프트웨어
주요 상용 시뮬레이션 소프트웨어는 [표 1]을 참조하면 된다. 기본적으로 회로 동작 시뮬레이션이 목적이란 점은 비슷하지만, GUI(Graphical User Interface)가 다소 달라진다. 성능과 사양 면에서는 수속(収束) 알고리즘과 사용 가능 모델, 사용 소자 수 상한 등에 차이가 있으며, 동일한 소프트웨어에서도 제한을 둔 무상 버전이 제공되고 있는 것도 있다.

동작의 원리
일반적으로는 먼저 시뮬레이션을 하고자 하는 회로도를 입력한다. 트랜지스터와 IC, 콘덴서, 다이오드, 저항, 인덕터 등의 부품(모델)이 제공되므로, 부품을 선택해 결선(結線)한다. 이 단계는 평소에 회로도를 작성할 때와 동일한 감각으로 실시할 수 있다.

회로가 완성되면 시뮬레이션 실행 버튼 클릭만으로 설정한 시뮬레이션이 실행된다. [그림 1]에서는 ‘Pch-MOSFET의 게이트를 GND 접지해 드레인에 0~10V의 전압을 0.1V step으로 인가했을 때, MOSFET에 흐르는 전류를 모니터’하기 위한 회로도를 작성해, 실행 결과로서 전류치의 그래프를 얻은 것이다(왼쪽, 청색 화살표의 흐름).

사용자가 보기에는 이런 조작 이미지지만, 실제로 작성한 회로도는 넷 리스트(Net List)라 부르는 부품과 회로, 시뮬레이션 조건 등의 모든 정보가 기술된 소스로 변환된다. 그리고 시뮬레이터는 넷 리스트에 따라 회로 계산, 즉 시뮬레이션을 실행해 데이터를 출력한다. 이런 경우에는 0.1V 마다의 전류치가 수치화돼 저장된다. 이 데이터를 바탕으로 그래프화 기능을 사용해 그래프가 출력된다(황색 화살표 흐름). [그림 2]는 앞의 예와는 다른 시뮬레이터에서 동일한 내용을 시뮬레이션했을 때의 넷 리스트 예시다.

제공: 로옴 세미컨덕터(Rohm)