SPICE와 RF Circuit 시뮬레이션의 차이

SPICE란?

SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)는 1972년 버클리대학에서 처음 만들어진 전자회로 해석 프로그램이다. 1984년에는 PC용으로 PSpice가 발표되면서 워크스테이션이 없는 일반 사용자들에게 널리 응용되어 여러 가지 버전으로 발전하며 전자회로해석 프로그램의 표준으로 자리잡아 왔다.

SPICE를 이용하면 트랜지스터의 동작점, 과도특성 및 주파수응답 해석은 물론 전기,전자회로에 대한 복잡하고 다양한 해석이 가능하다. 특히 저항,콘덴서,인덕터 등의 수동 소자와 다이오드,트랜지스터 등의 능동소자에 대한 모델을 방대하게 자료화하여 학계는 물론 업계에서도 수많은 전자전기 회로설계 분야에 응용되어진다.

SPICE의 기본 해석 알고리즘은 각 소자들이 연결되는 node를 기준으로 시간영역의 에너지 분포를 iteration(반복계산)함으로써, 각 node에 알맞게 수렴되는 전압/전류의 비를 계산함으로써로 전체 회로의 동작 결과를 예측한다.

SPICE는 용도에 맞게 여러 가지 버전으로 발전되어 왔는데, 가장 범용으로 사용되어 온 PSpice를 비롯하여 어느정도 반도체/고주파 해석을 가능하게 하는 HSpice, MicroSpice, 그리고 시스템 레벨의 계산을 고려한 IsSpice등, 다양한 제품들이 있다.

 

SPICE의 한계

SPICE의 중요한 한계는, 시간영역을 기반으로 한 시뮬레이터이기 때문에 주파수가 올라가서 time step이 극히 짧아지기 시작하면 오차가 심해진다는 점이다. 또한 광대역 주파수를 계산하면 수렴시키기가 어렵다.

또한 주파수가 올라가면 파장이 짧아지는데, 작아진 파장의 신호가 중첩되면서 생기는 신호의 변동을 잡아줄 수가 없다. 물론 이런 부분을 개선하여 HSpice등에선 transmission line 해석이 가능하게 되어 있지만, 어쨌근 근본적으로 문제가 있다고 할 수 있다.

그래서 전자회로를 설계하는 사람들은 대체로 300Mhz 이상의 회로에서는 SPICE의 해석결과를 잘 믿지 않는 편이다. 사람에 따라서는 SPICE의 실제 해석 한계 주파수를 100Mhz로 보는 사람도 있고 1Ghz로 보는 사람도 있긴 하다. 하지만 Ghz 레벨의 초고주파 신호는 SPICE의 해석 영역 밖에라는 점은 분명하다.

 

SPICE와 RF circuit 시뮬레이션의 차이점

가장 큰 차이점은 역시 해석영역의 차이이다. SPICE는 time domain에서의 과도응답을, RF 시뮬레이션은 frequency domain에서의 주파수 응답을 계산한다. 물론 과도응답과 주파수응답 모두 중요하겠지만, RF에 있어서는 주파수 응답의 결과가 훨씬 중요도가 크기 때문에 해석영역 자체가 주파수축에서 이루어지고 있다. 기본적으로 iteration을 이용하는 형식적인 부분은 서로 유사하지만, 해석영역이 다르다는것은 아주 근본적인 관점에서 다르게 보아야 한다.

또한 RF 시뮬레이션은 transmission line 기반에서 중점으로 해석을 시도하기 때문에 짧은 파장의 문제와 어느정도 레벨의 선로간 coupling 문제를 고려할 수 있게 된다.

이러한 RF circuit simulation은 신호레벨의 범위에 따라 phase analysis를 이용하는 선형해석과 harmonic balance를 이용하는 비선형 해석으로 크게 나뉘어진다.

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