CMOS 電圧比較器の SPICE 変換

モデルを開く

この例では、CMOS 電圧比較器の典型的な実装と、関数 subcircuit2ssc を使用して SPICE サブサーキットを Simscape™ コンポーネントに変換する方法を説明します。CMOS 電圧比較器は、アナログデジタルコンバーター (ADC) または弛張発振器の回路で使用できます。

システムの小信号周波数応答を取得するために、この例には、入力 u、出力 y、およびパラメーター [定常状態からシミュレーションを開始] が選択された状態の Solver Configuration ブロックが含まれています。関数 linmod を使用してこのモデルを線形化することができます。

CMOS 電圧比較器のサブサーキットを開く

この例では、この電圧比較器のサブサーキットを Simscape コンポーネントに変換し、それを既存のモデル内で解析します。VoltageComparatorFromSPICE.cir という名前の SPICE ネットリストは、CMOS 電圧比較器のモデルを説明するネットリストです。

* CMOS Voltage Comparator
* Simulation of Two-stage comparator

* Input Signals
VIN VP 0 AC 1V
VOS VN 0 DC 0V

* Power Supplies
VDD VDD 0 DC 5V
VSS VSS 0 DC -5V

* External Components
CL  VOUT  0        2pF

X1 VDD VSS VP VN VOUT COMPARATOR1
* Subcircuit for CMOS Voltage Comparator
.SUBCKT COMPARATOR1 VDD VSS VP VN VOUT
M1  N1  VN N2 VSS    NMOS1  W=680u   L=5u
M2  N3  VP N2 VSS    NMOS1  W=680u   L=5u
M3  N1  N1 VDD VDD    PMOS1  W=5u     L=5u
M4  N3  N1 VDD VDD    PMOS1  W=5u     L=5u
M5  N2  N4 VSS VSS    NMOS1  W=5u     L=5u
M6  VOUT  N3 VDD VDD    PMOS1  W=60u    L=5u
M7  VOUT  N4 VSS VSS    NMOS1  W=30u    L=5u
M8  N4  N4 VSS VSS    NMOS1  W=30u    L=5u
IS  0  N4      20u

.MODEL NMOS1 NMOS VTO=1 KP=17U
+ LEVEL=1
+ GAMMA=0.8 LAMBDA=0.015 PHI=0.6
+ LD=0.5U CJ=5E-4 CJSW=10E-10
+ U0=425 MJ=0.5 MJSW=0.5 CGSO=0.4E-9 CGDO=0.4E-9
.MODEL PMOS1 PMOS VTO=-1 KP=8U
+ LEVEL=1
+ GAMMA=0.4 LAMBDA=0.02 PHI=0.6
+ LD=0.8U CJ=5E-4 CJSW=10E-10
+ U0=200 MJ=0.5 MJSW=0.5 CGSO=0.4E-9 CGDO=0.4E-9
.ENDS

* Analysis
*.DC VIN  -1e-3 1e-3 1e-5
.AC DEC 10 1e-1 1e6
.PROBE
.END

CMOS Comparator サブシステムを開く

VoltageComparatorFromSPICE モデルを開きます。これは、Simscape Electrical™ の Additional Components ライブラリの SPICE ブロックを使用して SPICE ネットリストをモデル化したものです。このモデルには、CMOS Comparator というサブシステムが含まれています。このサブシステムは電圧比較器のサブサーキットを手動で実装したものであり、これを、SPICE サブサーキットから変換した Simscape コンポーネントに置き換えます。

サブシステムは、比較器を図解で説明します。以下のプロットは、CMOS 比較器回路の出力を示しています。

ゲインはおよそ 100 dB、帯域幅はおよそ 3 kHz です。DC スイープ入力電圧と AC スイープ周波数の最小値と最大値を定義するために、モデルの最上位に戻って、Define Sweep Parameters とラベル付けされたブロックをダブルクリックします。モデル内で Plot DC AC simulation results をクリックしてシミュレーションを実行し、結果をプロットします。

ただし、複数のサブサーキットをもつ大規模な SPICE ネットリストの場合、手動による変換は非効率で時間がかかり、エラーが発生しやすくなる可能性があります。Simscape Electrical には、関数 subcircuit2ssc を使用して SPICE ネットリストを自動的に変換する方法が備わっています。

SPICE サブサーキットの Simscape コンポーネントへの変換

.cir または .lib の拡張子をもつ SPICE コンポーネントを、関数 subcircuit2ssc を使用して Simscape コンポーネントに変換できます。関数 subcircuit2ssc は、SPICE ネットリスト内の .subckt セクションを、それぞれ単一のコンポーネントに変換します。

検証ファイル VoltageComparatorFromSPICETransferCharacteristic.mat および VoltageComparatorFromSPICEFrequencyResponse.mat は、SPICE の転送特性および小信号周波数応答のデータを保存する MATLAB ファイルです。

関数 subcircuit2ssc を使用して、電圧比較器のサブサーキット VoltageComparatorFromSPICE.cir を Simscape ファイルに変換し、+myComparator という新しいディレクトリに配置します。

Netlist converted. Review Simscape component files and make
manual edits for any unsupported items before building the
Simscape library located at:
+myComparator.

関数 ssc_build を使用して Simscape ライブラリを生成します。

Generating Simulink library 'myComparator_lib' in the current directory '/tmp/Bdoc23b_2347338_178958/tp65a8e0c0/simscapeelectrical-ex00700277' ...

シミュレーション結果の検証

CMOS Comparator サブシステムを変換後のコンポーネントに置き換えて、端子を再結線しなければなりません。認証コードを確認するには、MATLAB コマンドウィンドウで「edit VoltageComparatorFromSPICEVerification」と入力します。スクリプトは、変換によって生成された Simscape コンポーネントをモデルに自動的に接続します。その後、線形化の方法を使用して、Simscape モデルの転送特性と小信号周波数応答を取得します。転送特性の入力電圧は -1 V ～ 1 V の範囲である一方、ボード線図の周波数範囲は 0.1 Hz ～ 1 GHz です。最後にスクリプトは、純粋な SPICE ネットリストモデル、Simscape サブシステムを含む元のモデルと、subcircuit2ssc を使用して取得した変換後の Simscape コンポーネントを含むモデルのシミュレーション結果を、プロットして比較します。

以下のプロットは、3 つの異なるモデルからのシミュレーション結果を示しています。変換後の Simscape コンポーネントを含むモデルの転送特性と周波数応答は、元の SPICE ネットリストのものと一致しています。