AC DC Transient Parametric AnalysisAC DC Transient Parametric Analysis

Spice 시뮬레이션 종류 : DC 해석, AC 해석, 과도 해석, Parametric Sweep

전자 회로 시뮬레이션 Spice 프로그램마다 용어가 조금 다를 수 있지만, 대부분 기본적으로

DC Analysis, AC Analysis, Transient Analysis

는 대표적인 회로 해석 기능입니다. 이번 포스트에서는 회로 시뮬레이션 프로그램 사용법에 앞서 회로 해석 모드를 설명합니다.

회로를 안다는 것

회로를 공부하는 학생이든, 회로 설계하는 실무자이든 회로 시뮬레이션을 하는 이유는 아래와 같이 크게 두 가지 일 것 같습니다. 

  • 회로를 설계에 대한 확신 또는 최적 값으로 튜닝
  • 이미 설계된 회로를 파악

결국 내가 설계하려는 회로이든, 남이 설계한 회로이든 그 회로를 파악하기 위함입니다. 회로의 종류마다 회로의 특성을 나타내는 속성은 다르지만, '특정한 회로의 동작 원리를 안다' 라고 말하기 위해서는 적어도 그 회로에 대해 아래의 내용은 알고 있어야 합니다.

  • 회로의 입력과 출력이 무엇인지 알아야 함
  • 입력의 변화가 출력 변화에 미치는 주요한 파라미터를 이해
  • 전원 정 특성을 이해
  • 주파수 특성을 이해
  • 회로의 한계 - 전원, 노이즈 주파수 등

예를 들어, 아래와 같은 저항 하나 커패시터 하나로 구성된 간단한 회로에서 아래의 사항들에 대한 대답이 이미 머리 속에 있는 분은 이 회로에 대해서 알고, 다른 회로에 응용 할 수 있는 있다라고 표현 할 수 있을 것 같습니다.

  • Input 단자의 전압이 0V -> 5V 로 변화할 때 출력 전압의 파 형 예측
  • Input 단자의 전압은 0V -> 5V 변경시 샤프하게 변경 되지만, Output 단자 출력 파형에서 완만하게 되는 이유 와 어느 정도 완만하게 변화하는지
  • Input 단자의 전압이 직류 전압 10V 일 때 Output 단자의 전압
  • Input 단자에 주파수 0 ~ 1MHz 의 정현파 입력에 따라 Output 단자의 진폭이 어떻게 변화하는지

결국 위와 같은 회로에서 알고 싶은 내용은 그래프와 같이 표현 할 수 있습니다. 입력 되는 순간에 출력의 변화는 X축이 시간인 그래프, 입력 주파수에 따라 출력 특성의 변화는 X 축인 그래프, 커패시터의 값에 따라 출력 특정 변화는 X 축인 그래프에 다양한 Cap 값을 표현하여 확인 할 수 있습니다.

Spice 해석(1) Transient (2) AC Analysis (3) AC Analysis + Parametric Sweep

회로 해석 모드

여러가지 회로 시뮬레이션 프로그램이 있고, 프로그램마다 사용하는 용어가 조금씩 다르지만 Bias 해석, DC 해석, AC 해석, Transient 는 보편적으로 사용되는 회로 해석 종류 입니다. 각각의 해석 모드들을 간단히 정리하면 아래와 같습니다.

  • DC Bias Point : 회로의 정상 상태일 때 각 노드의 전압을 파악
  • DC Analysis : DC 전압이 변경 될 때 회로의 특성 변화 - X축이 전압의 크기 그래프
  • AC Analysis : 주파수가 변경 될 때 회로의 특성 변화 - X축이 주파수인 그래프
  • Transient Analysis : 과도 상태 일 때 회로 특성 변화 - X축이 시간인 그래프
  • Parametric Sweep : 저항, 커패시터, 인덕터 등의 값이 변경 될 때 회로 특성 변화

DC Bias Point

DC Bias Point 는 정상 상태에서 각 노드의 전압 값 또는 네트에 흐르는 전류를 알기 위해 수행되는 해석 모드입니다. 아래와 같이 일반적인 트랜지스터로 구성된 레귤레이터 회로에서 각 노드의 전압을 파악하기 위한 해석 모드입니다. 대부분의 해석 툴에서 회로만 정상적으로 작성되면 기본적으로 해석되는 모드입니다. 프로그램의 종류에 따라 DC Analysis 에 포함되기도 합니다. 

  • 출력 : 노드의 전압 표시

레귤레이터 회로의 DC Bias Point 해석레귤레이터 회로의 DC Bias Point 해석


DC Analysis

DC Analysis 는 직류 전압이 변경 될 떄 회로의 특성 변화를 분석하기 위해 수행되는 해석 모드 입니다. DC Analysis 를 하기 위해 분석할 입력 전압의 범위를 설정하게 됩니다. 프로그램의 종류에 따라 Parametric 해석을 사용하고, Parametric Sweep 설정에서 전원을 선택하고 전압 범위를 선택합니다. 아래는 위에서 소개한 회로에서 입력 전압을 가변 하면서 출력 전압의 변화를 해석한 결과입니다.

  • 설정 파라미터 : 전원의 범위
  • 출력 : x축이 전압인 그래프

레귤레이터 회로의 DC Analysis 해석레귤레이터 회로의 DC Analysis 해석


AC Analysis

AC Analysis 는 주파수가 변경 됨에 따라 회로의 특성 변화를 분석하기 위해 수행되는 해석 모드 입니다. AC Analysis 를 하기 위해 주파수의 범위를 설정하게 됩니다. 프로그램의 종류에 따라 Parametric 해석을 사용하고, Parametric Sweep 설정에서 전원의 주파수 범위를 선택합니다. 아래는 Opamp 로 구성된 Active Low Pass Filter 의 주파수 특성 해석을 수행한 결과입니다.

  • 설정 파라미터 : 주파수의 범위
  • 출력 : x축이 주파수인 그래프

Active Filter 의 AC Analysis 해석Active Filter 의 AC Analysis 해석

Transient Analysis

Transient Analysis 는 과도 시간의 회로 특성 변화를 분석하기 위해 수행되는 해석 모드 입니다. 과도 시간이란 회로에 갑작스러운 전기적 변화가 있는 상태를 말합니다. 예를 들어서 스위치가 눌러지는 시점, 전원이 들어오는 시점, 전원이 꺼지는 시점 등과 같은 상태를 말합니다. Transient Analysis 해석을 하기 위해 시간의 범위를 설정하게 됩니다. 과도 형상을 볼 수 있는 적절한 시간이 입력되어야 합니다. 아래는 Buck Convertor 에서 전압이 안정되는 시간을 알아보기 위해 Transient Analysis 를 해석한 결과입니다.

  • 설정 파라미터 : 해석 시간의 범위
  • 출력 : x축이 시간인 그래프

Buck Convertor 에서 Transient Analysis 해석Buck Convertor 에서 Transient Analysis 해석


Parametric Sweep

Parametric Sweep 은 일반적으로 저항, 커패시터, 인덕터 의 값을 변수로 지정하여 위의 DC, AC, Transient 해석을 동시에 같이 진행합니다. Parametric Sweep 을 진행하기 위해 보통 변수로 지정할 소자를 선택하고 값의 범위 또는 값의 리스트를 지정합니다. 회로 해석 프로그램에 따라 Parametric Sweep 할 때 전압, 전류, 주파수, 온도 등 다양한 선택 할 수 있습니다. 아래 그래프는 Opamp 로 구성된 Active Filter 에서 C1 과 C2 의 값이 1nF ~ 100nF 로 변경 될 때 주파수 특성을 해석한 결과입니다.

  • 설정 파라미터 : 변수(Parameter) 로 설정한 값의 범위, 다수 선택 가능
  • 출력
    • x축이 설정한 변수
    • x축이 전압 - DC Analysis 화 함께 해석 하는 경우
    • x축이 주파수 - AC Analysis 화 함께 해석하는 경우
    • x축이 시간 - Transient Analysis 화 함께 해석하는 경우 

Active Filer 회로에서 Parametric Sweep 해석Active Filer 회로에서 Parametric Sweep 해석

그외..

위에서 설명한 해석 모드 외에도 많은 해석 모드를 지원합니다. 종류는 너무 많지만 제가 실무에 도움이 되는 해석 모드만 간단히 소개하겠습니다.
  • Monte Calro / Worst Case : 회로에 사용한 부품의 오차율을 모두 분석하여 회로 특성을 확률적으로 분석
  • Temperature Sweep : 회로의 온도 변화에 따른 회로의 특성 분석

위의 Monte Calro 해석과 Temperature Sweep 을 함께 해석 하는 경우 정상상태에서 회로의 안정성 테스트를 확인 할 수 있습니다.


회로 해석 프로그램 사용에 대한 생각

회로 해석 프로그램은 단지 도구일 뿐입니다. 회로 설계자의 관점에서 회로 해석 프로그램은 남에게 나의 계산이나 확신을 증명해 주기 위해서만 사용 되는 것이 바람직 하다고 저는 생각합니다. 그 말은, 회로를 정학히 이해하고, 확신이 있는 상태에서 그것을 증명하기 위한 도구로 사용해야 합니다. 이렇게 수정하면 회로가 어떻게 될까? 와 같은 궁금증으로 회로 프로그램을 사용 하면 재대로 된 결과를 얻을 수 없습니다. 실제 회로와 회로 시뮬레이션 프로그램에서 정상적으로 컴퓨터가 회로를 인식하기 위해 그리는 회로는 다를 수 있고, 해석 설정에 따라 다른 결과가 출력 될 수 있기 때문에, 확신이 없는 상태에서 시뮬레이션을 수행하는 경우 시뮬레이션이 재대로 계산 되었는지 분별 하기 힘듭니다. 


마무리

본 포스트에서 일반적인 회로 시뮬레이션 툴에서 사용하는 해석 모드를 소개하였습니다. 이후 포스트에서는 QUCS 란 오픈소스 기반의 무료 프로그램으로 회로 시뮬레이션 하는 방법에 대해 소개 할 예정입니다.

끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.😊

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