アナログ集積回路のメーカーは、アナログ設計は多くの点で科学であると同時に芸術でもあることを長い間認識してきました。Burr-BrownやNational Semiconductor (現在はどちらもTexas Instrumentsの傘下) などの企業は、ほぼ当初から、現役のエンジニアが自社製品を理解して応用できるように、今では伝説となっている書籍やアプリケーション ノート集を制作してきました。これらは最初の設計ツールと考えることができます。
時間（とテクノロジー）は誰も待ってくれません。これらの古い本は貴重な助けとなり、更新されてダウンロードも可能になっていますが、アナログおよびミックスドシグナル デバイスの大手メーカーは現在、いくつかの例外を除いて、マイクロコントローラーの大手メーカーでもあります。したがって、同社がエディター、コンパイラー、デバッガーとともに、さまざまなソフトウェアベースのアナログ設計ツールを提供しているのも不思議ではありません。
アナログ アプリケーション用のシンプルなソフトウェア設計ツールは、スプレッドシートにロードされる方程式のセットから始まり、フロッピー ディスクやCD上のプログラムに至るまで、長年にわたって存在してきました。インターネットの出現により、定期的に更新されるコードのダウンロードが可能になりました。
ここで強調しておきたいのは、エンジニアがアナログ集積回路を設計するのに役立つツールについてのみ説明しているということです。半導体メーカー自身も、チップの設計、検証、テストに使用するツール一式を所有していますが、それらはこの議論の範囲外です。
現在の最先端技術
これらの初期のプログラムは、主にオペアンプなどの単機能デバイスを扱っていました。しかし、アナログ設計は、以前は別々だった複数のコンポーネントが1つのデバイスに統合されるサブシステム アプローチに移行しています。さらに、利用可能なデバイスの数が大幅に増加し、特定の設計上の問題に対する潜在的な解決策が数十個存在するようになりました。これにより、回路の設計と最適なデバイスの選択の両方でユーザーを支援する製品選択ツールを含むオンライン設計ツールが誕生しました。
しかし、最近の変化は、高度にインタラクティブな「エキスパート システム」アプローチに向かっています。設計ツールは、主要なアプリケーション パラメータの指定から始めて、最適なデバイスを提案するだけでなく、BOMコストや回路基板のフットプリントなどの要素に基づいてユーザーが設計を微調整できるようにします。
図1:「エキスパート システム」ベースの設計ツール、Texas InstrumentsのWEBENCH Power Designerの例。(出典: テキサス・インスツルメンツ)
この新しいアプローチによってどのような利点がもたらされるのでしょうか?古い設計ツールでは外部コンポーネントの値を計算するために教科書的な公式を使用していましたが、新しいツールではパラメトリック検索エンジンを利用して適切なデバイスを選択し、デバイス固有のパラメータを設計アルゴリズムへの入力として追加します。
たとえば、電圧フィードバック増幅回路の場合、標準のゲイン帯域幅積に加えて、スルーレート、寄生入力容量、ノイズ、フリッカーノイズコーナーなどのオペアンプパラメータを設計に含めることでメリットが得られます。出力負荷の問題や、それがアンプ周波数応答とどのように相互作用するかなど、より微妙な影響も組み込むことができます。
回路ブロックが設計された後、多くの新しい設計ツールでは、そのブロックをより一般的なシミュレーション プラットフォームに移植できるため、設計者は複数のブロックを組み合わせたり、他の必要なコンポーネントを追加したり、熱シミュレーションを実行したりすることができます。また、回路またはPCBレイアウトをCADプログラムに直接ダウンロードすることもできます。
アナログ設計ツールの例
WEBENCH – Texas Instrumentsは、WEBENCHプラットフォームで、電源、FPGA、LED、アンプ、医療用AFEなどを扱う設計者向けのツールを含む、アナログ設計ツールの完全なセットを提供しています。ツールは現実世界の要件に敏感です。たとえば、センサー ツールは、最適化された信号パスのパフォーマンス、部品表、予算コスト、およびシミュレートされたソリューションをテストおよび検証するための評価ボードやその他のツールへのリンクを提供します。
LTspice – Linear TechnologyのLTspiceバージョンIVは、スイッチング レギュレータのシミュレーションを容易にするための機能強化とモデルを備えた高性能SPICEシミュレータ、回路図キャプチャ、波形ビューアです。ダウンロード可能なWindowsアプリケーションには、LTの何百ものオペアンプとスイッチング レギュレータのマクロ モデルのほか、抵抗器、トランジスタ、MOSFETモデルが含まれています。
フィルター ウィザード – Analog Devicesのフィルター ウィザードは、ローパス フィルター、ハイパス フィルター、またはバンドパス フィルターの設計に役立ちます。まず、主要なパラメータ（通過帯域と阻止帯域の周波数とゲイン、フィルタ応答時間）を入力します。すると、プログラムがトポロジを選択し、回路図を生成して、最適なADIコンポーネントを選択できるようにサポートします。
図2: フィルター ウィザードのスクリーンショット。(出典: アナログ・デバイセズ)
Analog Devicesは、幅広いRFポートフォリオをサポートする包括的な設計ツール スイートも提供しています。たとえば、ADIsimRFは、カスケード ゲイン、ノイズ指数、IP3、P1dBなどのシステム パラメータや総消費電力を計算できるRF信号チェーン計算機です。ステージ数は最大15まで変更できます。ADIsimRF設計ツールには、ADIの多くのRF ICおよびデータ コンバータからの埋め込みデータが含まれており、設計者はプルダウン メニューを使用して簡単にアクセスし、コンポーネントを選択できます。
iSim – IntersilのiSimは、Intersilのポートフォリオからデバイスを選択してシミュレートするためのインタラクティブなWebベースの設計ツールです。ユーザーは他のツールと同様の設計手順に従います。
1) 入力と出力の仕様を選択します。
2) iSimは適切なIntersilデバイスを見つけ、最適なコンポーネントを計算します。
3) アプリケーションのテストのために設計がオンライン回路図に表示されます。
4) 設計が検証されると、iSimはBOMと設計レポートを生成します。
現在、iSimはIntersilの電源管理デバイスとオペアンプに対してのみ利用可能です。
Mindi – Microchip社のこのインタラクティブな設計ツールは、アクティブ フィルター、アンプ、バッテリー チャージャー、DC-DCコンバータ、デジタル電源を扱う設計者を対象としています。たとえば、バッテリー チャージャー モジュールは、Li-Ion、NiMH、NiCdバッテリーを使用した双方向電力コンバーターまたはマルチケミストリー バッテリー チャージャーの設計に役立ちます。基本パラメータを選択すると、システムはインタラクティブな回路図を生成します。ユーザーは個々のコンポーネントを変更したり、シミュレーションを実行したり、回路性能のボード線図を表示したり、回路図を印刷したりできます。アンプ ツールは、反転構成と非反転構成、差動アンプ、積分器、微分器など、さまざまな一般的なオペアンプ回路に対応しています。過渡解析などの同様の機能を提供します。
Power Supply WebDesigner (PSW) – FairchildのPower Supply WebDesigner (PSW) は、一次側安定化 (PSR) または二次側安定化 (SSR) フライバック コンバータを設計およびシミュレーションするためのツールです。他のツールと同様に、回路図、シミュレートされた検証、部品表を生成します。ただし、PSWを使用すると、BOMに、 優先販売業者のカタログからの部品の自動選択を含めることができます。フェアチャイルドは、バックブーストトポロジ、絶縁型および非絶縁型設計、DC-DCコンバータ、力率補正 (PFC) 回路など、他の電源アプリケーション向けにも同様の設計ツールを提供しています。
Arrowのデザインツール
当社のウェブサイトでは、デジタル デザイン ツールを豊富に取り揃えています。ただし、ここで取り上げたアナログ ツールのほぼすべては、メーカーのWebサイトから直接無料で入手できます。ただし、BOMのコンポーネントは……あ、それはまったく別の話です。