시뮬레이션을 위한 구성 요소와 검증

회로 시뮬레이터는 도면을 보지 않는다. 도면에서 뽑아낸 넷리스트(netlist) 문자열을 읽는다. 그러므로 심볼(symbol)이 시뮬레이션을 위해 갖춰야 하는 것은 “넷리스트 한 줄을 만들어 낼 수 있는 정보” 다.

주의

시뮬레이션 관련 오류는 대부분 조용하다. 노드 순서가 어긋난 모델은 오류를 내지 않고 그럴듯한 파형을 낸다. 그 파형을 믿고 설계를 진행하면 시제품에서 처음 드러난다. 그래서 이 축은 검사보다 대조가 중요하다.

1. 넷리스트 한 줄에 필요한 것

시뮬레이터가 소자 하나를 이해하려면 다음이 필요하다.

R1  N001  N002  10k
X1  N003  N004  N005  OPA333
│    └─────┬─────┘     └── 모델 이름
│          └── 노드 — 순서가 의미를 갖는다
└── 소자 종류를 나타내는 첫 글자

필요한 것	심볼의 어디에서 오는가
소자 종류	소자 종류 접두사 속성
참조 지정자(reference designator)	Reference
노드 목록	핀에 연결된 넷 — 순서가 심볼이 정한 순서다
값 또는 모델 이름	Value 또는 모델 속성
파라미터	사용자 특성

1.1 소자 종류 접두사

넷리스트의 첫 글자가 소자의 종류를 정한다. 이것이 틀리면 시뮬레이터는 다른 소자로 해석한다.

접두사	소자
R · C · L	저항 · 커패시터 · 인덕터
V · I	전압원 · 전류원
D	다이오드
Q · M · J	바이폴러 · MOS · JFET
X	부속 회로(subcircuit) 호출

연산증폭기·레귤레이터·로직 IC 처럼 내부가 회로로 기술된 부품은 거의 전부 X 다. 제조사가 배포 하는 모델이 부속 회로 형태이기 때문이다. 트랜지스터도 모델이 부속 회로로 제공되면 Q 가 아니라 X 를 쓴다 — 접두사는 부품의 종류가 아니라 모델의 형태를 따른다.

1.2 값의 표기

값은 문자열 그대로 넷리스트로 나간다. 그러므로 시뮬레이터가 읽는 표기여야 한다.

• 공학 접두어를 쓴다 — 10k · 4u7 · 1meg
• M 과 meg 를 구분한다. 대부분의 SPICE 계열에서 M 은 밀리(10⁻³)이고 메가는 meg 다. 1M 저항은 1 밀리옴으로 해석된다
• 단위 기호를 붙이지 않는다 — 10kΩ 이 아니라 10k
• 허용오차·정격은 별도 속성으로 둔다. 값 문자열에 섞으면 넷리스트가 깨진다

2. 노드 순서 — 가장 흔한 오류

부속 회로 모델은 노드를 순서로 받는다.

.SUBCKT OPA333  IN+  IN-  V+  V-  OUT

이 모델을 호출할 때 넷은 정확히 이 순서로 나열되어야 한다. 그런데 심볼의 핀 번호는 패키지의 물리적 핀 번호다. 두 순서는 일치하지 않는 것이 정상이다.

	순서의 근거
심볼 핀 번호	패키지 — 데이터시트의 물리적 배치
모델 노드 순서	모델 작성자 — .SUBCKT 줄에 적힌 차례

예를 들어 SOT-23-5 연산증폭기는 물리적으로 1=OUT, 2=V−, 3=IN+, 4=IN−, 5=V+ 인데, 모델은 IN+, IN−, V+, V−, OUT 순서를 요구한다. 핀 번호를 그대로 노드로 넘기면 전원과 입력이 뒤바뀐다.

그래서 심볼은 핀 번호 → 노드 순서 대응표를 가져야 한다.

주의

이 대응이 틀려도 시뮬레이터는 오류를 내지 않는다. 노드 개수만 맞으면 계산을 수행하고 파형을 출력한다. 자동으로 검출할 방법이 없으므로 사람이 대조하는 절차를 두는 수밖에 없다.

3. 모델 연결 방식

방식	내용	쓰는 곳
내장 소자	시뮬레이터가 아는 소자. 값만 있으면 된다	저항·커패시터·인덕터
.MODEL 참조	소자 종류는 내장이고 파라미터만 외부에서 온다	다이오드·트랜지스터
.SUBCKT 호출	내부가 회로로 기술된다	IC 전반

부속 회로를 쓰는 심볼이 갖춰야 하는 것은 넷이다.

1. 모델 파일의 위치 — 절대 경로를 박지 않는다. 라이브러리와 함께 옮겨 다녀야 한다
2. 부속 회로 이름 — 파일 안의 .SUBCKT 이름과 정확히 같아야 한다
3. 노드 대응 — §2
4. 파라미터 — 모델이 인자를 받으면 그 값

참고

모델 파일 안의 이름과 심볼이 부르는 이름이 다르면 시뮬레이터는 “정의되지 않은 부속 회로” 오류를 낸다. 이것은 조용하지 않은 오류라 오히려 다행이다. 진짜 위험한 것은 이름이 맞고 순서가 틀린 경우다.

4. 시뮬레이션이 요구하는 회로 조건

심볼 자체는 옳아도 다음이 없으면 시뮬레이션이 서지 않는다. 심볼 라이브러리를 만들 때 함께 고려해야 하는 항목이다.

조건	내용
접지 기준	모든 노드는 접지(0)에 직류 경로로 이어져야 한다. 떠 있는 노드는 해가 없다
전원 노드	실제 모델은 전원 핀을 갖는다. 회로도(schematic)에서 전원을 실제로 연결해야 한다
초기 조건	되먹임 회로는 동작점(operating point)을 못 찾는 경우가 있다. 초기값을 줄 수 있어야 한다
이상적 소자 회피	이상 전압원끼리 병렬로 두면 해가 없다

전원 핀을 숨긴 심볼이 여기서 문제가 된다. 회로도에서 편하려고 전원 핀을 감춰 두면, 시뮬레이션 넷리스트에서 그 노드가 어디에도 이어지지 않는다. 시뮬레이션을 쓸 라이브러리라면 전원 핀을 보이게 두거나 전원 전용 게이트로 분리하는 편이 안전하다.

5. 검증

5.1 심볼 단계에서 기계가 잡을 수 있는 것

#	검사	판정
1	소자 종류 접두사가 있는가	없으면 넷리스트를 만들 수 없다
2	모델 참조가 비어 있지 않은가	X 인데 부속 회로 이름이 없다면 오류
3	모델 파일에서 그 이름이 실제로 찾아지는가	파일을 파싱해 .SUBCKT 이름과 대조
4	노드 개수가 모델의 노드 개수와 같은가	개수는 기계로 셀 수 있다
5	대응표에 빠지거나 중복된 항목이 없는가	핀 하나가 두 노드에 가면 안 된다
6	값 문자열이 시뮬레이터 표기인가	10kΩ · 1M 같은 것을 걸러낸다

4번까지가 자동으로 갈 수 있는 한계다. 개수가 맞고 이름이 맞아도 순서는 기계가 알 수 없다.

5.2 사람이 대조해야 하는 것

노드 순서는 다음 절차로 확인한다.

1. 모델 파일의 .SUBCKT 줄을 연다
2. 심볼의 노드 대응표를 나란히 배치한다
3. 왼쪽에서 오른쪽으로 한 항목씩 짚어 가며 대조한다
4. 데이터시트의 핀 배치와 심볼의 핀 번호를 함께 확인한다

건너뛰지 않고 한 항목씩 짚는 것이 요령이다. 한꺼번에 대조하면 전원 두 개(V+ · V−)가 뒤바뀐 것을 놓친다.

5.3 회로로 확인하는 방법

대조만으로 확신이 서지 않으면 알려진 답이 있는 회로로 검증한다.

부품	시험 회로	기대 결과
연산증폭기	이득 1 버퍼	출력이 입력을 따라간다
연산증폭기	반전 증폭, 저항비 10	출력이 −10배
레귤레이터	입력 12 V · 부하 저항	출력이 규격 전압
로직 게이트	입력 조합 전수	진리표와 일치
다이오드	직류 스윕	순방향 전압이 데이터시트 범위

결과가 명백히 틀리면 노드 순서를 의심한다. 전원과 입력이 바뀌면 출력이 전원 레일에 붙고, 입력 두 개가 바뀌면 되먹임이 양이 되어 발산한다. 증상이 원인을 가리킨다.

이 시험 회로들은 한 번 만들어 라이브러리와 함께 보관한다. 부품을 추가할 때마다 같은 회로에 끼워 돌려 보면 검증이 절차가 된다.

6. 확정 전 점검 항목

축	확인
종류	소자 종류 접두사가 모델 형태와 맞는가 — 부속 회로면 X 인가
모델	부속 회로 이름이 모델 파일 안에서 찾아지는가
모델	모델 경로가 상대 경로인가 — 다른 사람이 열어도 찾아지는가
노드	노드 개수가 .SUBCKT 과 같은가
노드	노드 순서를 한 항목씩 대조했는가
값	단위 기호가 붙어 있지 않은가 · M 과 meg 를 혼동하지 않았는가
전원	전원 핀이 넷리스트에 실제로 나가는가
확인	알려진 답이 있는 회로로 한 번 돌려 보았는가