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B.5 SPICEのモデル

SPICEでは,使用できる関数が限られています. 特に,プログラム言語でいう if 文の機能がなく, どんな場合でも一本の式にまとめなければなりません. よく使う数式とSPICEによる表現の対応を以下に示します.

max(a, 0) $ \Rightarrow$ URAMP(a)
max(a, b) $ \Rightarrow$ b+URAMP(a-b) または a+URAMP(b-a)
min(a, b) $ \Rightarrow$ a-URAMP(a-b) または b-URAMP(b-a)
$ \cases{c, & if $a \ge b$\ \cr d & if $a < b$\ \cr}$ $ \Rightarrow$ U(a-b)*c+(1-U(a-b))*d

シミュレーションの速度を少しでも速くするため, 定数の計算はモデルをジェネレートする前にRの内部で行います.

B.5.1 三極管のモデル

三極管のSPICEモデルの例として,6L6の三極管接続のモデルを示します.

B.5.1.0.1 6L6T.inc

    1 *
    2 * Generic triode model: 6L6T
    3 * Copyright 2003--2006 by Ayumi Nakabayashi, All rights reserved.
    4 * Version 3.01, Generated on Wed Mar 22 17:21:06 2006
    5 .SUBCKT 6L6T A G K
    6 BGG   GG   0 V=V(G,K)+0.91804059
    7 BEP   EP   0 V=URAMP(V(A,K))+1e-10
    8 BEG   EG   0 V=URAMP(V(G,K))+1e-10
    9 BM1   M1   0 V=(0.10751078*(URAMP(V(EP)-1e-10)+1e-10))^-1.743575
   10 BM2   M2   0 V=(0.4624527*(URAMP(V(GG)+V(EP)/4.9999386)+1e-10))^3.243575
   11 BP    P    0 V=0.0016883841*(URAMP(V(GG)+V(EP)/10.811784)+1e-10)^1.5
   12 BIK   IK   0 V=U(V(GG))*V(P)+(1-U(V(GG)))*0.0021948901*V(M1)*V(M2)
   13 BIG   IG   0 V=0.0022135943*V(EG)^1.5*(V(EG)/(V(EP)+V(EG))*1.2+0.4)
   14 BIAK  A    K I=URAMP(V(IK,IG)-URAMP(V(IK,IG)-(0.00056920996*V(EP)^1.5)))+1e-10*V(A,K)
   15 BIGK  G    K I=V(IG)
   16 * CAPS
   17 CGA   G    A 4.4p
   18 CGK   G    K 5.7p
   19 CAK   A    K 5.9p
   20 .ENDS

このサブ回路の内容は,図B.9のとおりです.

図 B.9: 三極管のSPICEモデル
\begin{figure}\input{figs/trimodel_eqv}
\end{figure}
図の下側にある電圧源は,数式の途中結果を表しています.

リストの6行目は式(B.23)に, 9$ \sim$12行目は式(B.28)に, 13行目は式(B.29)に, 14行目は式(B.31)に相当します. プレート-カソード間には, 10 GΩ 相当の抵抗成分を入れています. こうすることにより,差動回路やSRPPやカスコード接続で直流的にノードが浮くのを防ぐことができます.

V(M1)*V(M2) などは1行で書けそうな気がしますが, SPICEのバグのせいで計算ができません. また,URAMP の結果は0以上なので,累乗(^)しても問題ないはずですが,これも計算不能になるので 1e-10 を加えています.

B.5.2 五極管のモデル

B.5.2.0.1 6L6.inc

    1 *
    2 * Generic pentode model: 6L6
    3 * Copyright 2003--2006 by Ayumi Nakabayashi, All rights reserved.
    4 * Version 3.01, Generated on Wed Mar 22 17:21:06 2006
    5 .SUBCKT 6L6 A G2 G1 K
    6 BGG   GG   0 V=V(G1,K)+0.91804059
    7 BEP   EP   0 V=URAMP(V(A,K))+1e-10
    8 BEG   EG   0 V=URAMP(V(G1,K))+1e-10
    9 BEG2  EG2  0 V=URAMP(V(G2,K))+1e-10
   10 BM1   M1   0 V=(0.10751078*(URAMP(V(EG2)-1e-10)+1e-10))^-1.743575
   11 BM2   M2   0 V=(0.4624527*(URAMP(V(GG)+V(EG2)/4.9999386)+1e-10))^3.243575
   12 BP    P    0 V=0.0016883841*(URAMP(V(GG)+V(EG2)/10.811784)+1e-10)^1.5
   13 BIK   IK   0 V=U(V(GG))*V(P)+(1-U(V(GG)))*0.0021948901*V(M1)*V(M2)
   14 BIG   IG   0 V=0.0022135943*V(EG)^1.5*(V(EG)/(V(EP)+V(EG))*1.2+0.4)
   15 BIK2  IK2  0 V=V(IK,IG)*(1-0.4*(EXP(-V(EP)/V(EG2)*15)-EXP(-15)))
   16 BIG2T IG2T 0 V=V(IK2)*(0.942171668*(1-V(EP)/(V(EP)+10))^1.5+0.057828332)
   17 BIK3  IK3  0 V=V(IK2)*(V(EP)+2180)/(V(EG2)+2180)
   18 BIK4  IK4  0 V=V(IK3)-URAMP(V(IK3)-(0.00056920996*(V(EP)+URAMP(V(EG2,EP)))^1.5))
   19 BIP   IP   0 V=URAMP(V(IK4,IG2T)-URAMP(V(IK4,IG2T)-(0.00056920996*V(EP)^1.5)))
   20 BIAK  A    K I=V(IP)+1e-10*V(A,K)
   21 BIG2  G2   K I=URAMP(V(IK4,IP))
   22 BIGK  G1   K I=V(IG)
   23 * CAPS
   24 CGA   G1  A  0.6p
   25 CGK   G1  K  5.7p
   26 C12   G1  G2 3.8p
   27 CAK   A   K  5.9p
   28 .ENDS

サブ回路の内容は,図B.10のとおりです.

図 B.10: 五極管のSPICEモデル
\begin{figure}\input{figs/penmodel_eqv}
\end{figure}

B.5.3 SPICEのサブ回路を出力する関数 r2spice

    1 "r2spice" <-
    2 function(p, mn, fn, mode="triode", ...)
    3 {
    4     # RのパラメータをSPICE 3のサブ回路に変換する
    5     # p: Rのパラメータ
    6     # mn: SPICEのサブ回路名
    7     # fn: SPICEのファイル名(拡張子をのぞく)
    8     # mode: 出力するモデルの種類("triode" or "pentode")
    9     # ...: 電極間容量等
   10 
   11     Paste <- function(...) paste(sep="", ...)
   12     sig <- function(x) signif(x,8)
   13     version <- Paste("* Version 3.01, Generated on ", date())
   14     a <- 1/(1 - p$alpha)
   15     b <- 1.5 - a
   16     c <- 3 * p$alpha - 1
   17     mum <- a / 1.5 * p$muc
   18     G.p <- p$G * (c * a / 3)^b
   19     Ig.ratio <- if (is.null(p$Ig.ratio)) 0.5/(1 + 1/mum)^1.5 else p$Ig.ratio
   20     G.lim <- if (is.null(p$G.lim)) G.p * (1 + 1/mum)^1.5 else p$G.lim
   21     tubetype <- if (is.null(p$pentode.chara)) "triode" else "pentode"
   22     caps <- cap(tubetype=tubetype, ...)
   23     Cgpt <- caps$Cgpt * 1e12
   24     Cgkt <- round(caps$Cgkt * 1e12, 1)
   25     Cpkt <- round(caps$Cpkt * 1e12, 1)
   26     if (tubetype == "pentode") {
   27         Cgpt <- round(caps$Cgpt * 1e12, 1)
   28         Cgp <- caps$Cgp * 1e12
   29         Cgk <- round(caps$Cgk * 1e12, 1)
   30         Cpk <- round(caps$Cpk * 1e12, 1)
   31         Cg1g2 <- round(caps$Cg1g2 * 1e12, 1)
   32     }
   33 
   34     # Spice 3f4 用のモデルを出力
   35     s <- NULL
   36     s[1] <- "*"
   37     s[3] <- "* Copyright 2003--2006 by Ayumi Nakabayashi, All rights reserved."
   38     s[4] <- version
   39     if (mode == "triode") {
   40         s[2] <- Paste("* Generic triode model: ", mn)
   41         s[5] <- Paste(".SUBCKT ", mn, " A G K")
   42         s[6] <- Paste("BGG   GG   0 V=V(G,K)+", p$Ego)
   43         s[7] <- "BEP   EP   0 V=URAMP(V(A,K))+1e-10"
   44         s[8] <- "BEG   EG   0 V=URAMP(V(G,K))+1e-10"
   45         s[9] <- Paste("BM1   M1   0 V=(", sig(c/2/p$muc), "*(URAMP(V(EP)-1e-10)+1e-10))^", sig(b))
   46         s[10]<- Paste("BM2   M2   0 V=(", sig(1.5/a), "*(URAMP(V(GG)+V(EP)/", p$muc, ")+1e-10))^", sig(a))
   47         s[11]<- Paste("BP    P    0 V=", sig(G.p), "*(URAMP(V(GG)+V(EP)/", sig(mum), ")+1e-10)^1.5")
   48         s[12]<- Paste("BIK   IK   0 V=U(V(GG))*V(P)+(1-U(V(GG)))*", p$G, "*V(M1)*V(M2)")
   49         s[13]<- Paste("BIG   IG   0 V=", sig(Ig.ratio*G.lim), "*V(EG)^1.5*(V(EG)/(V(EP)+V(EG))*1.2+0.4)")
   50         s[14]<- Paste("BIAK  A    K I=URAMP(V(IK,IG)-URAMP(V(IK,IG)-(", sig((1-Ig.ratio)*G.lim), "*V(EP)^1.5)))+1e-10*V(A,K)")
   51         s[15]<- "BIGK  G    K I=V(IG)"
   52         s[16]<- "* CAPS"
   53         s[17]<- Paste("CGA   G    A ", Cgpt, "p")
   54         s[18]<- Paste("CGK   G    K ", Cgkt, "p")
   55         s[19]<- Paste("CAK   A    K ", Cpkt, "p")
   56         s[20]<- ".ENDS"
   57     } else {
   58         s[2] <- Paste("* Generic pentode model: ", mn)
   59         s[5] <- Paste(".SUBCKT ", mn, " A G2 G1 K")
   60         s[6] <- Paste("BGG   GG   0 V=V(G1,K)+", p$Ego)
   61         s[7] <- "BEP   EP   0 V=URAMP(V(A,K))+1e-10"
   62         s[8] <- "BEG   EG   0 V=URAMP(V(G1,K))+1e-10"
   63         s[9] <- "BEG2  EG2  0 V=URAMP(V(G2,K))+1e-10"
   64         s[10]<- Paste("BM1   M1   0 V=(", sig(c/2/p$muc), "*(URAMP(V(EG2)-1e-10)+1e-10))^", sig(b))
   65         s[11]<- Paste("BM2   M2   0 V=(", sig(1.5/a), "*(URAMP(V(GG)+V(EG2)/", p$muc, ")+1e-10))^", sig(a))
   66         s[12]<- Paste("BP    P    0 V=", sig(G.p), "*(URAMP(V(GG)+V(EG2)/", sig(mum), ")+1e-10)^1.5")
   67         s[13]<- Paste("BIK   IK   0 V=U(V(GG))*V(P)+(1-U(V(GG)))*", p$G, "*V(M1)*V(M2)")
   68         s[14]<- Paste("BIG   IG   0 V=", sig(Ig.ratio*G.lim), "*V(EG)^1.5*(V(EG)/(V(EP)+V(EG))*1.2+0.4)")
   69         s[15]<- "BIK2  IK2  0 V=V(IK,IG)*(1-0.4*(EXP(-V(EP)/V(EG2)*15)-EXP(-15)))"
   70         s[16]<- Paste("BIG2T IG2T 0 V=V(IK2)*(", 1-p$g2.r, "*(1-V(EP)/(V(EP)+10))^1.5+", p$g2.r, ")")
   71         s[17]<- Paste("BIK3  IK3  0 V=V(IK2)*(V(EP)+", -p$Ea, ")/(V(EG2)+", -p$Ea, ")")
   72         s[18]<- Paste("BIK4  IK4  0 V=V(IK3)-URAMP(V(IK3)-(", sig((1-Ig.ratio)*G.lim), "*(V(EP)+URAMP(V(EG2,EP)))^1.5))")
   73         s[19]<- Paste("BIP   IP   0 V=URAMP(V(IK4,IG2T)-URAMP(V(IK4,IG2T)-(", sig((1-Ig.ratio)*G.lim), "*V(EP)^1.5)))")
   74         s[20]<- "BIAK  A    K I=V(IP)+1e-10*V(A,K)"
   75         s[21]<- "BIG2  G2   K I=URAMP(V(IK4,IP))"
   76         s[22]<- "BIGK  G1   K I=V(IG)"
   77         s[23]<- "* CAPS"
   78         s[24]<- Paste("CGA   G1  A  ", Cgp, "p")
   79         s[25]<- Paste("CGK   G1  K  ", Cgk, "p")
   80         s[26]<- Paste("C12   G1  G2 ", Cg1g2, "p")
   81         s[27]<- Paste("CAK   A   K  ", Cpk, "p")
   82         s[28]<- ".ENDS"
   83     }
   84     filename <- paste(fn, ".inc", sep="")
   85     cat("Writing", filename, "\n")
   86     write(s, file=filename)
   87 
   88     # SIMetrix用のモデルを出力
   89     s <- NULL
   90     s[1] <- "*"
   91     s[3] <- "* Copyright 2003--2006 by Ayumi Nakabayashi, All rights reserved."
   92     s[4] <- "* Thanks to Tooru Kuroda."
   93     s[5] <- version
   94     if (mode == "triode") {
   95         s[2] <- Paste("* Generic triode model: ", mn)
   96         s[6] <- Paste(".SUBCKT ", mn, " A G K")
   97         s[7] <- Paste(".param GG {(V(G,K)+", p$Ego, ")}")
   98         s[8] <- ".param EP {URAMP(V(A,K))}"
   99         s[9] <- ".param EG {URAMP(V(G,K))}"
  100         s[10]<- Paste(".param M1 {((", sig(c/2/p$muc), "*EP)^", sig(b), ")}")
  101         s[11]<- Paste(".param M2 {((", sig(1.5/a), "*URAMP(GG+EP/", p$muc, "))^", sig(a), ")}")
  102         s[12]<- Paste(".param P  {(", sig(G.p), "*URAMP(GG+EP/", sig(mum), ")^1.5)}")
  103         s[13]<- Paste(".param IK {(U(GG)*P+(1-U(GG))*", p$G, "*M1*M2)}")
  104         s[14]<- Paste(".param IG {(", sig(Ig.ratio*G.lim), "*EG^1.5*(EG/(EP+EG)*1.2+0.4))}")
  105         s[15]<- Paste("BIAK A K I=URAMP(IK-IG-URAMP(IK-IG-", sig((1-Ig.ratio)*G.lim), "*EP^1.5))+1e-10*V(A,K)")
  106         s[16]<- "BIGK G K I=IG"
  107         s[17]<- "* CAPS"
  108         s[18]<- Paste("CGA G A ", Cgpt, "p")
  109         s[19]<- Paste("CGK G K ", Cgkt, "p")
  110         s[20]<- Paste("CAK A K ", Cpkt, "p")
  111         s[21]<- ".ENDS"
  112     } else {
  113         s[2] <- Paste("* Generic pentode model: ", mn)
  114         s[6] <- Paste(".SUBCKT ", mn, " A G2 G1 K")
  115         s[7] <- Paste(".param GG  {(V(G1,K)+", p$Ego, ")}")
  116         s[8] <- ".param EP  {URAMP(V(A,K))}"
  117         s[9] <- ".param EG  {URAMP(V(G1,K))}"
  118         s[10]<- ".param EG2 {URAMP(V(G2,K))}"
  119         s[11]<- Paste(".param M1  {((", sig(c/2/p$muc), "*EG2)^", sig(b), ")}")
  120         s[12]<- Paste(".param M2  {((", sig(1.5/a), "*URAMP(GG+EG2/", p$muc, "))^", sig(a), ")}")
  121         s[13]<- Paste(".param P   {(", sig(G.p), "*URAMP(GG+EG2/", sig(mum), ")^1.5)}")
  122         s[14]<- Paste(".param IK  {(U(GG)*P+(1-U(GG))*", p$G, "*M1*M2)}")
  123         s[15]<- Paste(".param IG  {(", sig(Ig.ratio*G.lim), "*EG^1.5*(EG/(EP+EG)*1.2+0.4))}")
  124         s[16]<- ".param IK2 {((IK-IG)*(1-0.4*(EXP(-EP/(EG2+1e-10)*15)-EXP(-15))))}"
  125         s[17]<- Paste(".param IG2T {(IK2*(", 1-p$g2.r, "*(1-EP/(EP+10))^1.5+", p$g2.r, "))}")
  126         s[18]<- Paste(".param IK3 {(IK2*(EP+", -p$Ea, ")/(EG2+", -p$Ea, "))}")
  127         s[19]<- Paste(".param IK4 {(IK3-URAMP(IK3-(", sig((1-Ig.ratio)*G.lim), "*(EP+URAMP(EG2-EP))^1.5)))}")
  128         s[20]<- Paste(".param IP  {URAMP(IK4-IG2T-URAMP(IK4-IG2T-(", sig((1-Ig.ratio)*G.lim), "*EP^1.5)))}")
  129         s[21]<- "BIAK A  K I=IP+1e-10*V(A,K)"
  130         s[22]<- "BIG2 G2 K I=URAMP(IK4-IP)"
  131         s[23]<- "BIGK G1 K I=IG"
  132         s[24]<- "* CAPS"
  133         s[25]<- Paste("CGA G1 A  ", Cgp, "p")
  134         s[26]<- Paste("CGK G1 K  ", Cgk, "p")
  135         s[27]<- Paste("C12 G1 G2 ", Cg1g2, "p")
  136         s[28]<- Paste("CAK A  K  ", Cpk, "p")
  137         s[29]<- ".ENDS"
  138     }
  139     filename <- paste(fn, ".mod", sep="")
  140     cat("Writing", filename, "\n")
  141     write(s, file=filename)
  142     invisible()
  143 }

通常のSPICE用のファイルは fn.inc という名前で, SIMetrix用のファイルは fn.mod という名前で作成されます. mode"pentode" と指定すると,五極管のモデルが作成されます.

この関数を使ってR上のパラメータ t12AU7 をファイルに出力します. SPICEのサブ回路名は 12AU7 です. 引用符の使い方に注意してください.

> r2spice(t12AU7, "12AU7", "12AU7", Cgp=1.5e-12, Ci=1.6e-12, Co=0.4e-12)
> system("cat 12AU7.inc")       # 内容を確認
                                # Windowsの場合は cat を type にする
*
* Generic triode model: 12AU7
* Copyright 2003--2006 by Ayumi Nakabayashi, All rights reserved.
* Version 3.01, Generated on Wed Mar 22 17:21:35 2006
.SUBCKT 12AU7 A G K
BGG   GG   0 V=V(G,K)+0.89005722
BEP   EP   0 V=URAMP(V(A,K))+1e-10
BEG   EG   0 V=URAMP(V(G,K))+1e-10
BM1   M1   0 V=(0.028826571*(URAMP(V(EP)-1e-10)+1e-10))^-0.90897681
BM2   M2   0 V=(0.622671*(URAMP(V(GG)+V(EP)/13.089625)+1e-10))^2.4089768
BP    P    0 V=0.00087237591*(URAMP(V(GG)+V(EP)/21.021735)+1e-10)^1.5
BIK   IK   0 V=U(V(GG))*V(P)+(1-U(V(GG)))*0.00055330711*V(M1)*V(M2)
BIG   IG   0 V=0.00043618795*V(EG)^1.5*(V(EG)/(V(EP)+V(EG))*1.2+0.4)
BIAK  A    K I=URAMP(V(IK,IG)-URAMP(V(IK,IG)-(0.00049917061*V(EP)^1.5)))+1e-10*V(A,K)
BIGK  G    K I=V(IG)
* CAPS
CGA   G    A 1.5p
CGK   G    K 1.6p
CAK   A    K 0.4p
.ENDS


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平成18年3月22日