電気回路シミュレータqucs説明書saitoh/ja/lecture/manual_20090421.pdf · 5.4...

電気回路シミュレータQucs説明書

鳥取大学大学院工学研究科情報エレクトロニクス専攻

齊藤剛史

平成 21 年 4 月 21 日

枠付き文字はハイパーリンクを意味します．印刷時に枠は表示されません．

i

目次

第 1章 Qucs 1

1.1 Qucsとは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 本書のねらい . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 本書の取り扱い . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

第 2章 Qucsのインストール 3

2.1 準備するもの . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 インストール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.3 初期設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

第 3章 Qucsの使用方法 17

3.1 画面構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 使用方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.3 プロジェクトの作成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4 回路図の作成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.5 回路図の編集 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5.1 部品の移動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5.2 部品設定の変更 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.5.3 部品の削除 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.6 シミュレーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.6.1 DCバイアス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.6.2 DC解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6.3 パラメータスイープ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.6.4 方程式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.6.5 AC解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.6.6 過渡解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.6.7 電流計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.6.8 電圧計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.7 回路図の印刷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.8 プロジェクトの管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.9 シミュレーション結果の表示方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.9.1 グラフ（直交座標） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.9.2 表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.10 ビュー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

ii

第 4章電子回路部品 67

4.1 集中定数部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2 ソース源部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3 非線形部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.3.1 ダイオード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.3.2 バイポーラトランジスタ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.3.3 MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.4 シミュレーション部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

第 5章サンプルシミュレーション 83

5.1 ダイオードの静特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2 バイポーラトランジスタの静特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.2.1 エミッタ接地 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.2.2 ベース接地 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.3 共振回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.3.1 直列共振回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.4 整流回路・平滑回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.4.1 整流回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.4.2 平滑回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

第 6章市販モデルの構築 93

6.1 部品ライブラリ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.2 2SA1020 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.2.1 ベース・エミッタ間電圧とベース電流の関係 . . . . . . . . . . . . . 95

6.2.2 ベース・エミッタ間電圧とコレクタ電流の関係 . . . . . . . . . . . 97

6.2.3 ベース電流とコレクタ電流の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.2.4 コレクタ・エミッタ間電圧とコレクタ電流の関係 . . . . . . . . . . 99

6.2.5 データシートの比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.3 2SC2655 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102





6.3.5 データシートの比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.4 2SC1815 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109





6.4.5 データシートの比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.5 2SK170 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.5.1 ID − VDS特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.5.2 ID − VGS特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

iii

6.5.3 データシートの比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.6 2SJ74 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.6.1 ID − VDS特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.6.2 ID − VGS特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.6.3 データシートの比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

第 7章 1石トランジスタ回路のシミュレーション 125

7.1 対象の回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.2 DC解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.3 AC解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.4 過渡解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

付録A Qucsのメニュー 131

付録B Qucsのツールバー 133

B.1 [ファイル]ツールバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

B.2 [編集]ツールバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

B.3 [ビュー]ツールバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

B.4 [その他]ツールバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

付録C Qucsで使用可能な部品 135

C.1 集中定数部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

C.2 ソース源部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

C.3 プローブ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

C.4 伝送線路部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

C.5 非線形部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

C.6 Verilog-A デバイス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

C.7 デジタル部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

C.8 ファイル部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

C.9 シミュレーション部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

C.10 図表部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

C.11 図表描画部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

付録D その他 143

D.1 電圧と電流の表記方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

D.2 Qucsで使用できる記号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

D.3 方程式で使用できる表現 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

D.4 抵抗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

D.4.1 公称抵抗値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

D.4.2 抵抗値の表示 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

D.5 コンデンサ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

D.5.1 容量値の表示 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

参考文献 150

1

第1章 Qucs

1.1 QucsとはQucs（Quite Universal Circuit Simulator）1はオープンソース・ソフトウェアであり，グラフィカルなユーザインターフェースをもつ電気回路シミュレータである．Qucsは各種OS向け（Linux，Windows，Unix，Mac OSX）に提供されており，言語も日本語2などが用意されている．抵抗，コンデンサ，アンプなどを配置し，数値を決めて回路を設計する．後はシミュレート（実行）ボタンを押すだけでシミュレーションが行え，グラフや表で結果を確認できるものである．

• QucsプロジェクトのWeb

http://qucs.sourceforge.net/（英語）

• Qucsのダウンロード

http://qucs.sourceforge.net/download.html（英語）

• Qucsの技術報告書

http://qucs.sourceforge.net/tech/technical.html（英語）

• Qucsの解説サイト

http://www.sp.es.yamanashi.ac.jp/ ohki/qucs/qucs.html

（山梨大学工学部電気電子システム工学科大木先生のWeb）

Qucs以外の回路シミュレータとして，有名なものにSPICE（Simulation Program with

Integrated Circuit Emphasis）がある [1]．SPICEは電気回路，電子回路のシミュレータであり回路のアナログ動作を再現するものである．1973年，カリフォルニア大学バークレー校で開発された．部品や基板，はんだごてなどを使って実際に回路を作らなくても，回路図を入力すればその回路動作をパソコン上で解析できるソフトウェアである．プリント基板，集積回路などの設計，あるいはそれらで使用する素子の開発時などに使用される．シミュレーション対象となる回路はQucsと同様であり，一般的な受動素子（抵抗，キャパシタ（コンデンサ）など）と能動素子（ダイオード，トランジスタなど）と伝送線路，各種電源を組み合わせたものである．解析手法としては過渡解析，直流解析，小信号交流解析，雑音解析などが可能である．

12008年 4月 10日に最新バージョン 0.0.14をリリース2バージョン 0.0.10までで日本語以外に英語，ドイツ語，フランス語，スペイン語，イタリア語，ポーラ

ンド語，ルーマニア語，スウェーデン語，ハンガリー語，ヘブライ語，ポルトガル語，トルコ語，ウクライナ語，ロシア語がある．バージョン 0.0.11より，さらにチェコ語，カタロニア語が追加されている．

http://qucs.sourceforge.net/

http://qucs.sourceforge.net/download.html

http://qucs.sourceforge.net/tech/technical.html

http://www.sp.es.yamanashi.ac.jp/~ohki/qucs/qucs.html

2 1.2. 本書のねらい

1.2 本書のねらい本書は，鳥取大学工学部電気電子工学科の電気電子工学実験で利用するために作成されたものである．そのためQucsで論理回路のデジタルシミュレーションなども行えるが，本書での説明は割愛する．本書では，電気回路，電子回路の基礎を学ぶ学生を対象に，Qucsのインストール，使用方法および簡単なサンプル回路によるシミュレーション例を説明する．

1.3 本書の取り扱い本書は教育用として作成した資料です．本書を個人で利用する，あるいは教育および研究目的として利用される場合は，電子データ，印刷物のいずれで利用しても構いません．ただし，利用する際に齊藤3まで連絡をいただけるありがたいです．本書を作成するにあたり，鳥取大学工学部電気電子工学科の尾崎知幸技術専門職員に感謝します．

3E-mail: [email protected]

3

第2章 Qucsのインストール

本章ではMicrosoft Windows Vistaにインストールする画面例を参考に説明する．他のOSについても同様に行えるはずである1．

2.1 準備するもの• qucs-0.0.14-setup.exe

Windows版インストーラ，2008年 4月 12日における最新版はバージョン 0.0.14である2．入手方法は，http://qucs.sourceforge.net/download.html内の Qucs installer

for Win32をクリックすることによりダウンロードできる．ファイル容量は5.12MB．

Windows版のQucsをインストールする際，20.3MB以上の空き容量が必要である．

2.2 インストール1. インストーラ qucs-0.0.14-setup.exeをダブルクリックすると図 2.1のウィンドウが表示される．インストールを実行する場合は [実行]，キャンセルする場合は [キャンセル]をクリックする．ここではインストールを実行するため [実行]をクリックする．

図 2.1: Qucsのインストール画面 (1)

1著者はWindows Xpへのインストールを確認している．また Qucsは GNU/Linux上で開発されているが，Solaris，Net BSD，Free BSD，Mac OS，Cygwinなどでコンパイルして動作確認をしたとQucsプロジェクトのWebで記述されている．

2バージョン 0.0.14は 2008年 4月 10日にリリースされている．

http://qucs.sourceforge.net/download.html

4 2.2. インストール

2. 画面が暗くなり，ユーザアカウント制御ウィンドウが表示される．[許可 (A)]をクリックする．

3. 次に図 2.2のウィンドウが表示される．インストールを実行する場合は [Next]，キャンセルする場合は [Cancel]をクリックする．ここではインストールを実行するため[Next]をクリックする．


4. 使用許諾契約の同意ウィンドウ（図 2.3）が表示される．インストールするため，上のラジオボタン（I accept the argreement）を選択し，[Next]をクリックする．



5. インストール先の指定場所を設定するウィンドウ（図 2.4）が表示される．デフォルトのインストール先は C:\Program Files\Qucsである．ここではデフォルト設定でインストールするので，[Next]をクリックする．


6. スタートメニューの設定ウィンドウ（図 2.5）が表示される．デフォルトはスタートメニューに Qucsフォルダを作成する．スタートメニューを作成しない場合は，ウィンドウ下の [Don’t create a Start Menu folder]を選択する．フォルダ名を変更する場合は各自入力する．ここではデフォルト設定でインストールするので，何も変更せずに [Next]をクリックする．



7. 次にデスクトップ上にQucsのアイコンを作成するのかを決めるウィンドウ（図 2.6）が表示される．デフォルトではデスクトップにアイコンを作成しない設定である．デスクトップにアイコンを作成する場合は [Create a desktop icon]を選択する．ここではデフォルト設定でインストールするので，何も変更せずに [Next]をクリックする．


8. 次にこれまでのインストール条件を確認するウィンドウ（図 2.7）が表示される．正しければ [Install]をクリックする．インストールを中止する場合は [Cancel]，インストール条件を変更する場合は [Back]をクリックする．



9. 図 2.8のようなプログレスバーが表示され，インストールが開始する．インストールが終了すると，終了ウィンドウ（図 2.9）が表示される．[Finish]をクリックしてインストールを終了する．




10. インストールが終了すると，スタートメニューにQucsのメニューが追加される（図2.10）．ただし，5.でスタートメニューにQucsフォルダを作成しない設定をした場合は除く．

図 2.10: スタートメニューに作成されたQucsフォルダ


2.3 初期設定1. Qucsを起動すると図 2.11のウィンドウが表示される．Qucsの初期設定では言語は日本語でなく，システム言語（普通は英語）である．英語のままでよければ，この節をとばしてよい．以下は，その他の言語（ここでは特に日本語）に環境を変更する場合について説明する．

図 2.11: Qucsの初期起動画面

10 2.3. 初期設定

2. 画面上のメニューから [File]-[Application Settings...]を選択する（図 2.12）．

図 2.12: 日本語環境の設定 (1)

3. 図 2.13に示すウィンドウが表示される．ここで環境を設定できる．初期設定では，フォント（Font）はHelveticaでフォントサイズは 12pt，言語（Language）は system

languageである．



4. まずフォントの変更を行う．フォント情報が書かれているボタン（初期設定ではHelvetica,12,-1,5,50,0,0,0,0,0）を押す．ボタンを押すと図 2.14に示すようなウィンドウが表示される．ここで，日本語フォントを選択すればよいのだが，日本語フォント（２バイト文字）が表示されないため，どれを選択するのか不明である．例えば，図 2.14左側のフォント選択欄で，Helveticaの二つ上にHGMと記されている．これはHGゴシックMであるが，２バイト文字がで表現されている．

そこで，フォントを選択するリストボックスにおいて，MS UI Gothicを選択する．この様子を図 2.15に示す．選択した後，[OK]をクリックする．



12 2.3. 初期設定

図 2.13が図 2.16のようにフォントが変更されていることを確認する．


5. 次に言語の変更を行う．言語情報が書かれているボタン（初期設定では system lan-

guage）を押す．ボタンを押すと図 2.17に示すようなリストが表示される．ここで，日本語を選択するために Japanese (jp)を選択する．図 2.18に示すように Japanese

が表示されたのを確認した後，[OK]をクリックする．




6. 設定を変更しただけでは，変更が反映されない．一度 Qucsを終了し，再度起動すると図 2.19に示すようにメニューなどが日本語で表示される．また，先ほどの行った環境設定を確認するため，図 2.20に示すようにメニューから [ファイル]-[アプリケーションの設定．．．]を選択すると図 2.21が表示される．図 2.13と異なり日本語表示されていることが確認できる．



14 2.3. 初期設定


図 2.22に示すようなMS UI Gothic以外の日本語フォントを選ぶ場合は，フォント情報が書かれているボタン（MS Pゴシック,12,-1,5,50,0,0,0,0,0）を押すことで可能と思われる．


しかし，著者はWindows VistaでMS UI Gothic以外のフォントの変更を試みたが，図 2.23に示すように文字化けされており，フォントを正しく選べられなかった3．この原因については不明である．ただし，Windows XpではMS PゴシックなどMS

UI Gothic以外の日本語フォントも正しく表示されることを確認している．

7. 本書での説明は省くが，フォントサイズなどの変更も同様に行える．

8. フォントやフォントサイズだけでなく，回路図やデータを表示するキャンパスの背景色（バックグラウンド色）などの変更も可能である．また，インストール時の設定に戻すには，[デフォルトに戻す]をクリックする．

3誤って特殊なフォントを選択してしまうと，表示が全て文字化けされ，さらにウィンドウサイズが横長になることがある．この場合，[デフォルトに戻す]をクリックすることにより，解決できる．解決法の最終手段として，Qucsの設定ファイルを直接変更することができる．Windows Xp，Vistaであれば，Qucsをインストールすると，ユーザ設定フォルダ Documents and Settings 内に .qucs フォルダが作成される．このフォルダ内の qucsrc ファイルが Qucsの設定ファイルであり，フォント，言語，ウィンドウサイズなどの直接編集が行える．


図 2.23: Windows VistaにおいてMS UI Gothic以外の日本語環境を設定した場合

17

第3章 Qucsの使用方法

3.1 画面構成Qucsの画面例を図 3.1に示す．画面上側にはメニューとツールバー，左下にワークエリア，右下に回路図やデータを表示するキャンパスがある．ワークエリア内には [プロジェクト]，[内容]，[部品]の三つのタブがある．それぞれのタブは下記の通り構成されている．

図 3.1: Qucsの初期画面

• プロジェクトタブ

[プロジェクト]タブは下記の 3ボタンから構成されている．

– 新規

– 開く

– 削除

Qucsでは回路やシミュレーションごとにファイルを作成する．しかし多くの場合，回路とシミュレーションは互いに対応される．そのため，個々の回路やシミュレーションを別々に管理せずにプロジェクトとして管理する方が都合がよい．そのプロジェクトを作成したり，既に作成してあるプロジェクトを開いたり，削除したりするのが [プロジェクト]タブである．

18 3.1. 画面構成

• 内容タブ

[内容]タブには下記の 5項目がツリーで表現されている．

– 回路図

– VHDL

– Verilog

– データ表示

– データセット

– その他

[内容]タブでは，作業中のプロジェクト内のファイル構成がツリー状で表示される．

• 部品タブ

[部品]タブには回路作成あるいはシミュレーションのための部品がアイコンと文字で示されており，これらは下記に示す 9項目に分類されている．

– 集中定数部品

– ソース源部品

– プローブ

– 伝送線路部品

– 非線形部品

– Verilog-a デバイス

– デジタル部品

– ファイル部品

– シミュレーション部品

– 図表部品

– 図形描画部品

各項目に含まれている部品は付録Cにまとめている．ユーザはマウスでアイコンを選択することにより，キャンパス状で任意の位置に部品を貼り付けることができる．


3.2 使用方法回路製作は図 3.2に示す手順がある．この中で，Qucsを利用するのは下記の 5項目である．

1. プロジェクトの作成

Qucsでは回路図，シミュレーションなどを別々に管理せずにプロジェクトとして一括管理している．設計する回路（複数の回路でもよい）を一つのプロジェクトとして管理するために，最初にプロジェクトを作成する必要がある．プロジェクトの作成については 3.3で説明する．

2. 回路図の作成

考案した回路をQucs上で作成する．回路図の作成については 3.4で説明する．

3. 回路図の修正

作成した回路を必要に応じて部品の追加や削除，値の変更などの修正を施す．回路図の修正については 3.5で説明する．

4. シミュレーション

作成した回路に対してシミュレーションを行う．アナログ回路の解析方法としてQucs

には下記に列挙する 3通りがある．

• DC解析

• AC解析

• 過渡解析

5. 結果の解析

シミュレーション結果を表やグラフに描画する．それらの結果より，回路図の修正し再度シミュレーションを行う．

図 3.2: Qucsを利用した回路シミュレーションの手順

20 3.3. プロジェクトの作成

3.3 プロジェクトの作成最初に新規プロジェクトを作成する．[プロジェクト]タブにおいて [新規]ボタンをクリックすると図 3.3に示す画面が表示される．プロジェクト名の横にあるエディットボックス内に新しく作成するプロジェクト名を入力し，[作成]ボタンをクリックする．ここでは，プロジェクト名を “sample”とする．

[作成]ボタンをクリックすると，ウィンドウが閉じ，図 3.4に示すように [内容]タブが表示される．またウィンドウ最上部のキャプション内にプロジェクト名である “sample”

が表示されているのを確認できる．

図 3.3: 新規プロジェクト作成画面

図 3.4: プロジェクト sampleの画面


3.4 回路図の作成ここでは簡単な二つの抵抗と電源から構成される回路を例に挙げ，Qucsによる回路の作成手順を示す．プロジェクトを作成した後，まず回路を作成する．[部品]タブを表示し，回路の部品を選択する．抵抗は [集中定数部品]，電源は [ソース源部品]にある．まず二つの抵抗を配置する．[集中定数部品]を選択し，左上の抵抗の絵を左クリックする．マウスをキャンパス上に移動すると，マウスカーソルの移動にあわせて点線で描かれた抵抗が表示される（この状態をここでは配置モードと呼ぶ）．キャンパス上で左クリックすると，その位置に抵抗が配置される．初期状態では抵抗の絵の下に R1，R=50 Ohmと表示される．これは配置した抵抗の名称がR1，抵抗値が 50Ωを意味する．抵抗の左右の赤丸は端点を示している．さらにマウスカーソルを移動すると再び点線で描かれた抵抗が表示される．ここでは二つの抵抗を図 3.5に示すように配置する．二つ目の抵抗は名称がR2，抵抗値はR1と同様に 50Ωである．ツールバーの白い矢印ボタンまたはESCキー（メニューの [編集]-[選択]）を押すと，抵抗の配置モードを解除できる．また，配置モードにおいて右クリックすると反時計回りで 90度ずつ回転する．

図 3.5: 抵抗の配置

22 3.4. 回路図の作成

次に直流電源を配置する．[ソース源部品]を選択し，左上のDC電圧源をクリックする．抵抗の場合と同様にマウスカーソルの移動にあわせて点線で描かれたDC電圧源が表示される．ここではDC電圧源を図 3.6に示すように配置する．初期状態では V1，U=1 Vと表示される．これはDC電圧源の名称がV1，電圧が 1Vを意味する．

図 3.6: 直流電源の配置


これで部品の配置を終えたため，次に部品を結線する．ツールバーのワイヤボタン（メニューの [挿入]-[ワイヤ]）を押す．結線は部品の端点（赤丸）間を接続すればよい．開始点となる端点（例えばDC電圧源の上側）上でマウスをクリックすると図 3.7に示すようにカーソルにあわせてワイヤが点線状で描かれる．接続先の端点でクリックすると，図3.8に示すように，ワイヤが実線で描画される．また部品とワイヤの間に接続を意味するが表示される．

図 3.7: ワイヤの接続 1

図 3.8: ワイヤの接続 2


引き続き，他の部品の結線を行い，図 3.9のような回路を作成する．ワイヤを接続するとき，部品の端点以外の場所でクリックすると，その位置で折れ曲がったワイヤを描画できる．最後にグラウンドを配置する．グラウンドは [集中定数部品]またはツールバーのグラウンドボタン（メニューの [挿入]-[グラウンド]）で選択できる．グラウンドを図 3.10に示すように配置する．

図 3.9: 結線後の回路

図 3.10: グラウンドの配置


回路図はこれで完成だが，続いてシミュレーションの種類を回路図上で指定する必要がある．今回は直流回路であり，各部品における電圧と電流を測るため，[DCシミュレーション]を実行する．[シミュレーション部品]を選択し，左上の DCシミュレーションをクリックする．シミュレーションの種類も他の部品と同様にマウスカーソルの移動にあわせて点線で描かれたDCシミュレーションが表示される．こちらは回路の結線とは直接関係がないため，回路図付近に図 3.11のように配置する．

図 3.11: DCシミュレーションの配置


これで回路の作成を終えたので，回路をファイルに保存する．ツールバーのフロッピーディスク状のボタン（メニューの [ファイル]-[保存]）を選択すると，図 3.12に示すウィンドウが表示されるので，ファイル名を入力して [保存]ボタンをクリックする．ここではプロジェクト名と同じ “sample”をファイル名とする．回路を保存すると，キャンパス上のタブが “タイトル無し”から “sample.sch”に変更していることを確認できる．また [内容]

タブをクリックすると，図 3.13では無かった “sample.sch”が回路図のノードとして追加されている（図 3.14）．

図 3.12: 回路の保存

図 3.13: 回路の保存後の画面


図 3.14: 回路追加後のプロジェクト sampleの画面

28 3.5. 回路図の編集

3.5 回路図の編集作成した回路図は部品の削除，追加，位置の移動や値の変更などの編集を簡単なマウス操作で行える．本節では，これらの操作方法について説明する．

3.5.1 部品の移動

ここでは抵抗R1の移動を例に挙げる．まず編集対象のR1をマウスの左クリックで選択する．選択された部品R1は図 3.15で示すようにグレー枠で表示される．そのままマウスでドラッグすると，ドラッグしている間はR1とR1に接続されているワイヤが点線で描画される．マウスボタンを放すとその位置にR1が移動する（図 3.16）．

図 3.15: 部品の選択

図 3.16: 部品の移動


3.5.2 部品設定の変更

部品の設定の変更について説明する．ここではR1の抵抗値を 50Ωから 100Ωに変更する．R1にマウスカーソルを位置させてマウスの右ボタンを押すと図 3.17に示すようにポップアップメニューが表示される．メニューにおいて最上段の [プロパティ編集]を選択すると，図 3.18に示す部品プロパティウィンドウが表示される．ここで抵抗値を 50 Ohm

から 100 Ohmに変更し [OK]ボタンを押すと，R1の抵抗値が図 3.19に示すように 100Ωに変更されている．

図 3.17: 部品の選択

図 3.18: 部品プロパティウィンドウ


図 3.19: R1の抵抗値変更後の回路図


3.5.3 部品の削除

抵抗などの部品やワイヤを削除するには，まずマウスカーソルで削除する部品を選択する．選択状態にしてツールバーのハサミボタン（メニューの [編集]-[切り取り保存]，またはCtrl+X）あるいはツールバーの用紙に赤く×印が描かれているボタン（メニューの[編集]-[削除]あるいは [Delete]）を選択すると部品が削除される．図 3.20はマウスカーソルで抵抗R1を選択した後に，[Delete]キーを押してR1を削除した例である．マウスカーソルで選択範囲を増やすことにより，複数の部品やワイヤの削除が行える．

(a) 部品の選択

(b) 部品の削除

図 3.20: 部品の選択後の削除


また図 3.21はツールバーで [削除]ボタンを選択した後に，部品（ここではワイヤ）を削除した例である．[削除]ボタンを選択すると，マウスカーソルが×に変更する．削除する部品の上にカーソルを運び，左ボタンをクリックすることにより削除が行える．

(a) 削除ボタンの選択

(b) 部品の削除

図 3.21: 削除ボタンによる部品の削除


3.6 シミュレーション• DCバイアス

• DC解析

直流の入出力特性を調べる方法がDC解析である．回路の直流利得などの検証に役立つ．

• AC解析

ゲインや位相の周波数特性を調べる方法がAC解析である．

• 過渡解析

電圧や電流の波形を調べる方法が過渡解析である．信号の時間変化をオシロスコープのように表示することができる．

• パラメータスイープ

定数変化に対する特性の変動を調べる方法がパラメータスイープである．SPICEにおけるパラメトリック解析と同じ機能である．パラメータスイープを用いることにより，回路定数の決定やトラブル・シュートに有効である．

34 3.6. シミュレーション

3.6.1 DCバイアス

DCバイアスでは，回路に電源電圧（直流電圧）を加えたときの各ポイントの電圧を計算して表示するシミュレーションである．DCバイアスの計算はメニューの [シミュレーション]-[DCバイアスの計算]をクリックする．ウィンドウが表示され，そのウィンドウで処理のログが表示される．しばらくしてエラーが無ければウィンドウは消え，回路上に図3.22に示すように電圧値が表示される．図 3.14の回路では，電源電圧 1V，抵抗はR1とR2の二つとも 50Ωであるため，抵抗による電圧降下はそれぞれ 0.5Vずつである．そのため，抵抗R1で 0.5Vに，抵抗R2で 0V

に降下されている（図 3.22(a)）．また 3.5で変更した回路（図 3.19）の場合，R1で 0.33V

に降圧されており，計算結果の図 3.22(b)は図 3.22(a)と変わっていることが確認できる．

(a) 図 3.14の場合

(b) 図 3.19の場合

図 3.22: DCバイアスの計算


また，抵抗 R1の代わりにコンデンサ C1を挿入した場合のDCバイアスの計算を行った結果を図 3.23に示す．C1の左側（電源V1側）は 1Vであるのに対し，右側（R2側）は0Vである．これは，直流電圧を加えてもコンデンサの両端に電圧が加わっていないことを意味する．厳密には，回路に電源を投入した瞬間，コンデンサの両端は 0V→ 1Vと変化する．この間は，コンデンサ両端の電圧が時間によって変化する．しかしDCバイアスのシミュレーションでは，直流電圧を加えて時間が十分経過したあとの結果を示すため，図 3.23のような結果となる．

図 3.23: コンデンサ追加時のDCバイアスの計算


3.6.2 DC解析

DCバイアスでは電圧値の表示のみで電流値は表示されない．電流値や任意の部分における値を解析する手法として DC解析がある．DC解析は DCバイアスの計算と異なり，結果を表示したい部分に名前を付けておく必要がある．電源などのソース部品には自動的に名前がつくが，ここでは抵抗の両端の電圧について調べてみる（既にDCバイアスで求めているが，ここではDC解析で求める）．マウスでワイヤをクリックすると，図 3.24に示すようにワイヤが太く強調描画される．ワイヤをマウスでダブルクリックすると，図 3.25に示すようなノード追加ウインドウが表示される．名前（ここでは Vr1）を入力し，[OK]ボタンをクリックすると図 3.26に示すようにワイヤに入力した名前のラベルが接続される．また，この操作はツールバーのNAMEと書かれたボタン（メニューの [挿入]-[ワイヤラベル]）を選択すると，図 3.27に示すようにマウスカーソルの移動にあわせて点線で描かれたラベルが表示される．任意のワイヤ上でクリックすると，図 3.25のノード追加ウィンドウが表示される．ここではVr2と入力し，[OK]ボタンをクリックし，図 3.28のようにする．

図 3.24: ワイヤの選択


図 3.25: ノード追加ウィンドウ

図 3.26: ワイヤラベルVr1の登録

図 3.27: ワイヤラベルモード


図 3.28: ワイヤラベルVr2の登録

これでシミュレーションの準備が整ったため，次に実際にシミュレーションを実行する．ツールバーの歯車状のボタン（メニューの [シミュレーション]-[シミュレート]）を選択する．画面上にウィンドウ表示される．シミュレーションに成功すると，ウィンドウは直ぐに消え，自動的にキャンパスが回路図（“sample.sch”）から “sample.dpl”と表記されたタブが表示され，さらに左側は [図表部品]が表示される．ここでは，抵抗値の電流を計算しただけなので [図表部品]から右上の [表]を選択する．マウスをキャンパス上に移動すると，図 3.29に示すように，抵抗などの部品と同様にマウスカーソルの移動にあわせて点線で描かれた四角が表示される．キャンパス上で左クリックすると，図 3.30に示すグラフプロパティー編集のウィンドウが表示される．

図 3.29: 表の配置モード


図 3.30: グラフプロパティー編集ウィンドウ

グラフプロパティー編集では表中に表示するラベルを選択するものであり，リスト内において名前の左側の文字列 V1，Vr1，Vr2が回路図上のラベル，ピリオドから右の文字列I，Vが物理量を示している．すなわち Iは直流電流，Vは直流電圧である．表示したい部品をクリックして，右側のグラフ欄に登録させる．ここではすべてを登録し（図 3.31），[OK]ボタンをクリックする．

図 3.31: グラフプロパティー編集ウィンドウ


DC解析の結果として，キャンパスに図 3.32に示すように，表中に名前と値が表示される．電源電流V1.I1は，電源に流れ込む方向を正にとるため，今回のように電源から抵抗に流れ出す場合は符号が負になる．1VのDC電源に 100Ωの抵抗（50Ωの抵抗を直列に接続）を接続した結果，流れる電流が 0.01Aと計算されるため，シミュレーションが正しく行われたことがわかる．また抵抗R1の電源側であるVr1の電圧は 1V，抵抗R1の抵抗R2側であるVr2の電圧は 0.5Vは，図 3.22(a)のDCバイアスのシミュレーション結果と同じになっていることがわかる．

図 3.32: ワイヤラベル V r1の登録

1Qucsにおける電圧，電流の名前の付け方は次の通りである．端子名に対して，.Vをつけると直流電圧，.vをつけると交流電圧，.Iをつけると直流電流，.iをつけると交流電流を表す．つまり，大文字は直流，小文字は交流を意味する．詳細は付録D.1に示す．


3.6.3 パラメータスイープ

前節のDC解析では，回路内の電圧源は一定の値で固定されている．パラメータスイープを用いることにより，電圧源や電流源の値を変化（スイープ）させながら，そのときの回路各部の電圧，電流の出力の様子を調べることができる．これにより，例えば半導体素子の直流特性のグラフを描くことが可能となる．パラメータスイープは，AC解析，DC

解析，過渡解析において実行でき，回路設計時における定数決定やトラブルの解析などに有効な機能である．次に実際にパラメータスイープを用いる例について説明する．図 3.14の回路において，

[シミュレーション部品]を選択し，パラメータスイープを選択する．他の部品と同様にマウスカーソルでキャンパス内の任意の位置に図 3.33に示すように配置する．パラメータスイープを用いる場合，変化させたい電圧源をパラメータスイープで指定する必要がある．まず電圧源V1は図 3.14では U = 1Vと設定されているが，これをマウスの右ボタンでポップアップメニューを表示してプロパティを選択する．図 3.34のウィンドウが表示され，電圧を 1 Vから VDに変更し，[OK]ボタンを押す．これにより図 3.33に示すようにV1は U=VDと表示される．

図 3.33: パラメータスイープの配置

図 3.34: 部品プロパティー編集ウィンドウ


次にパラメータスイープSW1を編集する．先ほどと同様にマウス右ボタンでプロパティを選択すると，図 3.35(a)の画面が表示される．これはデフォルトの設定であり，値を変化させる対象が抵抗R1となっている．そこで，シミュレーションをDC1，スイープパラメータをVD，スタートを 0V，ストップを 10V，ステップを 0.5Vとする．ステップ数はスタート，ストップ，ステップを入力すると自動的に 21と計算される．[OK]ボタンを押すと，回路図は図 3.36に示すように SW1の項目が変更される．これは，回路において電圧源V1を 0Vから 0.5V刻みで 10Vまで変化させることを意味する．

(a) 編集前 (b) 編集後

図 3.35: 部品プロパティー編集ウィンドウ（パラメータスイープ SW1）


最後にDC解析を実行する．3.6.2で述べたように [シミュレーション]ボタンを押すと，回路図のキャンパスからデータ表示のキャンパスに自動的に変更する．[図表部品]の左上の直交座標を選択し，キャンパスに配置すると，図 3.37に示すようなグラフが表示される．このグラフは横軸VD（電圧），縦軸V1.I（電流）であり，V1.I = −0.01VDを表している．すなわち回路内の電流V1.Iは抵抗R1，R2と電圧V1よりV1.I = VD/(R1+R2) =

VD/(50 + 50) = VD/100 = 0.01VDより正しく求まっていることを確認できる．ただし，シミュレーションでは電圧源 V1に流れ込む電流 V1.Iを求めているため，負値となっている．

図 3.36: パラメータスイープの修正後

図 3.37: 直交座標表示による直流特性


前述の回路では電圧V1をパラメータとした回路であるが，ここでは抵抗R1をパラメータとした回路を示す．図 3.38(a)に回路図，図 3.38(b)にシミュレーション結果を示す．抵抗R1をRaとし，0Ω ∼ 50Ωまで 5Ω刻みで変化させるシミュレーションである．回路の合成抵抗はR = Ra + 50，電圧はV1 = 1，回路に流れる電流はV1.I = V1/R = 1/(Ra + 50)

である．よってRa = 0ΩではV1.I = 1/50 = 0.02，Ra = 50ΩではV1.I = 1/100 = 0.01

である．ゆえに理論値とシミュレーション結果が一致していることを確認できる．

(a) 回路図 (b) シミュレーション結果

図 3.38: 抵抗Raのパラメータスイープ


3.6.4 方程式

前節で述べたように電流 V1.Iは電圧源 V1に流れ込む値を求めているため符号が逆になり負値である．そのため，グラフで描画すると逆さになる．このような場合Qucsでは，シミュレーションで得られた値を用いて別の値を計算する方程式の機能がある．ツールバーの方程式のボタン（メニューの [挿入]-[方程式を挿入]）を選択する．回路図のキャンパスの任意の位置でマウスをクリックするとに図 3.39に示すように方程式Eqn1

が配置される．方程式を選択しマウスの右ボタンでポップアップメニューを表示し，プロパティを選択すると，図 3.40(a)に示すような方程式の部品プロパティが表示される．ここでは電流V1.Iを IDに置き換え，ID = −V1.Iを計算する．そのためエディットボックス内の yを ID，下の 1を-V1.Iに変更する（図 3.40(b)参照）．

図 3.39: 方程式の配置 (1)

(b) 変更前 (b) 変更後

図 3.40: 方程式 Eqn1のプロパティ


以上により回路図のEqn1の値が図 3.41に示すように変更される．その後，DC解析を行いグラフと表を表示する．ここで前節とは異なり表示する項目を IDを選択することにより，図 3.42に示すグラフが表示される．図 3.37と異なり，ID = 0.01VDとなっていることを確認できる．

図 3.41: 方程式の配置 (2) 図 3.42: シミュレーション結果

方程式について，Qucsでは三角関数などの様々な関数が組み込まれている．詳細は付録D.3に示す．


3.6.5 AC解析

次に新規にプロジェクトを作成しAC解析を説明する．プロジェクト名を “sample AC”

とし，図3.43に示すようなCR直列交流回路を作成する．この回路では，AC電圧源，抵抗，コンデンサから構成されており，それぞれの値はデフォルト値とする．すなわち，U = 1V，R = 50Ω，C = 1pFとする．またここではAC解析を行うため，[シミュレーション部品]

からACシミュレーションを選択しキャンパスに設置する．ここでAC解析のデフォルト設定では，周波数を 1GHzから 10GHzまでを 19分割して線形に変化させる．シミュレーションの設定を変更するには，マウスの右クリックでプロパティを表示させることにより，前節のパラメータスイープと同様に変更できる．さらにラベルとして VCを用意する．シミュレーションを行い，図 3.44に示すように周波数 fと電流 I（V1.I），fと電圧Vc

（VC.v）のグラフを表示する．

図 3.43: CR直列交流回路

図 3.44: AC解析の結果 (1)


ここで，V1.IとVC.vを描画させるには図 3.45(a)に示すように，それぞれのグラフで表示する項目を選択する．また図 3.44では fのラベルが acfrequency，IのラベルがV1.I，VcのラベルがVC.vである．そこでグラフプロパティーで図 3.45(b)に示すように x軸のラベルを f[Hz]と左軸のラベルを I[A]，さらに軸を対数表示にするため [x軸 LOG表示]，[対数左軸グリッド]にチェックをする．[OK]ボタンを押すことにより，グラフは図 3.44

から図 3.46に変更し，見やすいグラフとなる．

(a) データタブ (b) プロパティータブ

図 3.45: グラフプロパティーの編集

図 3.46: AC解析の結果 (2)


3.6.6 過渡解析

過渡解析（トランジェント解析）とは，横軸を時間軸として電圧や電流などの変化を観測するものであり，オシロスコープを使った波形観測に相当する．図 3.47に示す AC電圧源と抵抗のみから構成される回路を作成する．過渡解析を行うため，[シミュレーション部品]からトランジェント解析を選択しキャンパスに設置する．ここでトランジェント解析のデフォルト設定では，開始時間を 0ms，停止時間を 1msの間を 11分割して線形に変化させる．シミュレーションの設定を変更するには，マウスの右クリックでプロパティを表示させることにより，前節の AC解析と同様に変更できる．ここでは開始時間を 0ms，停止時間を 20ms，0.5ms刻みでシミュレーションすることにした．さらにラベルとして VRを用意する．シミュレーションを行い，図 3.48に示すように時間 timeと電流 i（V1.It），電圧 vr（VR.Vt）のグラフを表示する．

図 3.47: Rだけの交流回路

図 3.48: 過渡解析の結果 (1)


また抵抗Rの代わりに，コンデンサC = 1µFに変更した回路における回路図とシミュレーション結果を図 3.49に示す．コイル L = 1mHに変更した回路における回路図とシミュレーション結果を図 3.50に示す．これらの結果より電流位相の進みと遅れを確認できる．






3.6.7 電流計

Qucsの電流計は内部抵抗ゼロの理想電流計である．QucsのDCバイアス計算では，各部の電圧値しか表示されないが，電流計を用いることにより電流を表示する．ただし，実際の電流計は有限の内部抵抗をもち，回路の動作に影響を与えるのに注意する．図 3.14の回路に電流計を一つ設置する例を示す．[プローブ]で電流計を選択する．他の部品と同様にマウスで移動し任意の位置に電流計を設置する．ここでは図 3.51に示すように電流計 Pr1を設置する．次にDCバイアスの計算を行う．その結果を図 3.52に示す．図 3.22(a)では電圧値しか表示されていないが，電流計Pr1を設置することによりPr1に流れる電流 10mAが緑色で表示されている．

図 3.51: 電流計の設置

図 3.52: DCバイアスの計算（電流計の設置）


3.6.8 電圧計

Qucsの電圧計は内部抵抗無限大の理想電圧計である．QucsのDCバイアス計算で表示される電圧はグラウンドから測った電圧が表示されるが，電圧計を用いることにより任意の 2点間の電位差を表示することができる．ただし，実際の電圧計は有限の内部抵抗をもち，回路の動作に影響を与えるのに注意する．図 3.14の回路で二つの抵抗 R1，R2の両端にそれぞれ電圧プローブを設置する例を示す．[プローブ]で電圧プローブを選択する．他の部品と同様にマウスで移動しR1，R2の近くに電圧プローブを設置し，ワイヤで抵抗に並列に配線する．ここでは図 3.53に示すように電圧プローブPr1，Pr2を設置する．次にDCバイアスの計算を行う．その結果を図 3.54に示す．ここでは簡単な回路図のため図 3.22(a)と同じように電圧値が表示されていることを確認できる．

図 3.53: 電圧計の設置

図 3.54: DCバイアスの計算（電圧計の設置）


3.7 回路図の印刷回路図を印刷するためには，ツールバーのプリンタボタン（メニューの [ファイル]-[印刷]，図 3.55参照）を使用する．

図 3.55: メニューの [ファイル]-[印刷]

54 3.7. 回路図の印刷

用紙への印刷でなく，PDFファイルなどへの印刷は OSがWindowsであれば Adobe

Acrobat，PrimoPDF2などを使用する．画像ファイル（bmp 形式など）として保存する場合は，Windows の画面キャプチャ機能を用いる．画面キャプチャ機能とはデスクトップ画面全体をキャプチャする場合は[Print Screen]ボタンを押す．またアクティブなウィンドウのみをキャプチャする場合は[Alt]+[Print Screen]ボタンを押す．これにより画像ファイルとしてクリップボードに保存される．次にペイントなどのソフトウェアを起動し，ペーストを行えば画像として表示される．これを bmp形式などに保存することにより，Microsoft Wordファイルなどへの貼り付けが可能となる．回路図を表示した状態の Qucsのウィンドウをキャプチャし，Windows標準のソフトウェアであるペイントに貼り付けた例を図 3.56に示す．

図 3.56: Qucs画面のキャプチャ例

2PDF 無料作成ソフトウェア．日本語版はエクセルソフト株式会社が提供している．http://www.xlsoft.com/jp/products/primopdf/index.html

http://www.xlsoft.com/jp/products/primopdf/index.html


3.8 プロジェクトの管理これまで作成してきた回路図やシミュレーション結果は “sample”プロジェクトや “sam-

ple AC”プロジェクトに保存されている．作成したプロジェクトの一覧は左側のワークエリア内に表示される．ワークエリア内のプロジェクトを選択し，[開く]ボタンをクリック（またはプロジェクト名をダブルクリック）すると，該当するプロジェクトが開く．[内容]

タブを選択すると，開いたプロジェクトの構成をツリー表示する．図 3.57は “sample”プロジェクトの構成を示している．回路図 “sample.sch”は作成した回路図，“sample.dpl”はシミュレーション結果であり，ダブルクリックすると右側のキャンパスに表示される．

図 3.57: プロジェクト “sample”の構成

56 3.8. プロジェクトの管理

データセット “sample.dat”はシミュレーション結果のグラフデータであり，これをダブルクリックすると，図 3.58のような画面が表示される．このデータ値を変更しファイルに保存すると，シミュレーション結果のグラフデータが変更されるので注意すること．

図 3.58: データセット “sample.dat”

またプロジェクトを削除する場合は，ワークエリアで削除するプロジェクト名を選択する（図 3.59）．次に [削除]ボタンをクリックすると，図 3.60に示す確認ダイアログが表示される．プロジェクトを削除する場合は [はい]ボタンを押せばプロジェクトが削除され，図 3.61に示すようにワークエリア内でプロジェクト名が削除される．

図 3.59: プロジェクトの選択


図 3.60: プロジェクト削除のための確認ダイアログ

プロジェクト削除後の画面

図 3.61: プロジェクト削除後の画面

Windows環境（特にWindows Xp）ではQucsのプロジェクトはC:\Documents and Settings\

ユーザ名\.qucsに保存される．プロジェクト毎にフォルダが作成されている．

58 3.9. シミュレーション結果の表示方法

3.9 シミュレーション結果の表示方法

3.9.1 グラフ（直交座標）

シミュレーション結果として直交座標などのグラフを多用する．本節ではグラフの表示方法について説明する．図 3.62(a)に示す抵抗R1=10kΩに交流電源V1（5V,100Hz）を印可する回路を考える．このとき過渡解析を行った結果を直交座標で表示すると図 3.62(b)

を得る．横軸は時間，縦軸は抵抗にかかる電圧である．


図 3.62: サンプル交流回路

図 3.62(b)に示すデフォルトの表示では，自動的に軸のラベル，軸のレンジ，軸の目盛りを与える．これらの設定を変更するには，グラフを選択し，マウスの右ボタンで [プロパティ編集]を選択する．図 3.63のウィンドウが表示される．ウィンドウ上のタブを選択し，各設定を変更すればよい．

図 3.63: グラフプロパティー編集（データ）


グラフプロパティー編集の [プロパティー]タブを選択すると，図 3.64(a)が表示される．この図がデフォルト設定であり，x軸ラベル，左軸ラベル，右軸ラベルは空白，グリッド表示にチェックがあり，x軸 LOG表示，対数左軸グリッド，対数右グリッドのチェックは外れている．例えば，図 3.64(b)のように x軸ラベルに t [s]と左軸ラベルに vr [V]と入力し，[適用]ボタンを押すと図 3.65に示すようにラベルが変更される．

(a) 変更前 (b) 変更後

図 3.64: グラフプロパティー編集（プロパティー）

図 3.65: グラフ設定の変更例（ラベル変更後）


またグラフプロパティー編集の [リミット]タブを選択すると，図 3.66(a)が表示される．この図がデフォルト設定であり，3軸（x軸，左軸，右軸）のマニュアルのチェックは外れている．例えば，図 3.66(b)のように x軸と左軸にチェックを入れ，スタート，ステップ，ストップに値を入力して [適用]ボタンを押すと図 3.67に示すようにレンジが変更される．すなわちレンジは，「（スタート）値から（ステップ）刻みで（ストップ）値まで目盛りを表示する」設定が行える．

(a) 変更前 (b) 変更後

図 3.66: グラフプロパティー編集（リミット）

図 3.67: グラフ設定の変更例（レンジ変更後）


さらにグラフプロパティー編集の [データ]タブでは，色，線種，細さの変更が行える．表 3.1，図 3.68，図 3.69に線種リストとその例を示す．また図 3.69(h)は線種ソリッドで細さ=5に設定した例である．また色の変更は，[データ]タブの色右側のボタンを押すことにより，図 3.70に示すカラーパレットが表示される．これより任意の色を選択し [OK]

ボタンを押せば色が変更する．

表 3.1: グラフの線種リスト線種グラフ例

ソリッド図 3.68(a)

ダッシュ図 3.68(b)

ドット図 3.68(c)

長いダッシュ図 3.68(d)

星図 3.69(e)

円図 3.69(f)

矢図 3.69(g)

(a) ソリッド（細さ=0） (b) ダッシュ

(c) ドット (d) 長いダッシュ

図 3.68: グラフの線種 (a)


(e) 星 (f) 円

(g) 矢 (h) ソリッド（細さ=5）

図 3.69: グラフの線種 (b)

図 3.70: カラーパレット


3.9.2 表

本節では表の表示方法について説明する．図3.71(a)に示す二つの抵抗（R1=50Ω，R2=75Ω）を並列に接続し，直流電源V1を印可する回路を考える．このときDC解析を行った結果を表で表示する．[図表部品]から [表]を選択してキャンパス上に移動すると，3.6.2で説明したように，グラフプロパティー編集ウィンドウが図 3.71(b)のように表示される．グラフプロパティー編集ウィンドウで，方程式より求まる ID，電流計に流れる直流電流 Pr1.I，Pr2.I，ラベルV1における直流電圧 V1.Vと直流電流 V1.Iを選択し，[OK]を押すと，図 3.71(c)に示す表が表示される．この図を見ると，左側にスクロールバーがついている．スクロールバーを利用することにより，下方の値を見ることができる．また右上に赤い矢印がついている．これは，表のサイズが小さいため，全ての値を表示できないことを意味している．しかし，これはスクロールバーと異なっており，表のサイズを変更する必要がある．図 3.71(b)の表サイズを大きくした結果を図 3.71(d)に示す．赤い矢印が消えていることが確認できる．

(a) 回路図(b) グラフプロパティー編集ウィンドウ

(c) デフォルトサイズの表 (d) サイズ変更後の表

図 3.71: 表の使い方 (a)


また，グラフプロパティー編集ウィンドウでは，数字表記法，精度のエディットボックスがある．これを変更することにより表をカスタマイズできる．数字表記法には以下に示す 3種類がある．

• 実数／虚数

• 絶対角（ディグリー）

• 絶対角（ラジアン）

これは表示する値に応じて変更すればよい．また精度は表中で示す値の有効数字を与える．ただし，精度を大きくしても，0の場合は省略される．図 3.72に精度 5の場合と，精度 1の場合の表示結果を示す．

(a) 精度 5の場合 (b) 精度 1の場合

図 3.72: 表の使い方 (b)


3.10 ビューQucsではウィンドウのサイズを変更することにより，回路図やシミュレーション結果を表示するキャンパスの大きさを変えることができる．また，回路全体を表示したり，拡大・縮小表示をすることも可能である．本節ではビューの変更について説明する．

Qucsで設定されているビューに関するコマンドは下記の四つである．

• 1:1のスケールで見る

• 全体を見る

• ズームイン

• ズームアウト

これらのコマンドは，メニューの [ビュー]内にある．デフォルトでは 1:1のスケールで見るようになっている．図 3.73に四つのビューの表示例を示す．ここで，ズームインとズームアウトを選択すると，マウスカーソルが+⃝に変更する．マウスカーソルをズームインまたはズームアウトする中心に位置させてクリックすると，その位置を中心にズームインまたはズームアウトされて表示される．

(a) デフォルトのサイズ（1:1のスケールで見る）

(b) 全体を見る

(c) ズームイン (d) ズームアウト

図 3.73: ビューの変更

67

第4章電子回路部品

Qucsでは様々な部品が用意されている．Qucsで用意されている部品は，基本的な部品であり，実際に市販されている部品とあわせるには部品のパラメータを修正する必要がある．パラメータの修正は，3.5.2で説明したのと同様にプロパティ編集で行える．本章では，代表的な部品のパラメータをまとめる．

4.1 集中定数部品集中定数部品として抵抗，キャパシタ，インダクタ，アンプ，スイッチ，リレーがある．本節では各部品の回路シンボルとパラメータを説明する．抵抗の回路シンボルには，図 4.1に示す europeanとUSの 2種がある．両者の違いは記号が異なるだけであり，特性等は同じである．抵抗のパラメータを表 4.1に示す．

(a) european (b) US

図 4.1: 抵抗の回路シンボル

表 4.1: 抵抗のパラメータ名前説明デフォルト値単位

R 抵抗 50 Ω

Temp シミュレーション温度 26.85 C

Tc1 一次温度係数 0.0

Tc2 二次温度係数 0.0

Tnom パラメータが抽出された温度 26.85

Symol 回路シンボル [european, US]

68 4.1. 集中定数部品

キャパシタの回路シンボルには，図 4.2に示す neutralと polarの 2種がある．キャパシタのパラメータを表 4.2に示す．

(a) neutral (b) polar

図 4.2: キャパシタの回路シンボル

表 4.2: キャパシタのパラメータ名前説明デフォルト値単位

C 容量 1 p F

V トランジェント初期電圧Symol 回路シンボル [neutral, polar]


インダクタの回路シンボルを図 4.3，パラメータを表 4.3に示す．アンプの回路シンボルを図 4.4，パラメータを表 4.4に示す．

図 4.3: インダクタの回路シンボル図 4.4: アンプの回路シンボル

表 4.3: インダクタのパラメータ名前説明デフォルト値単位

L インダクタンス 1 n H

I トランジェント初期電流

表 4.4: アンプのパラメータ名前説明デフォルト値単位

G 電圧ゲイン 10

Z1 入力ポートインピーダンス 50 Ω

Z2 出力ポートインピーダンス 50 Ω

70 4.1. 集中定数部品

スイッチの回路シンボルを図 4.5，パラメータを表 4.5に示す．リレーの回路シンボルを図 4.6，パラメータを表 4.6に示す．

図 4.5: スイッチの回路シンボル図 4.6: リレーの回路シンボル

表 4.5: スイッチのパラメータ名前説明デフォルト値単位

init 初期値 [on, off] off

time 状態変化時間 1 m s

Ron on時の抵抗値 0 Ω

Roff off時の抵抗値 1e12 Ω


表 4.6: リレーのパラメータ名前説明デフォルト値単位

Vt しきい値電圧 0.5 V

Vh ヒステリシス電圧 0.1 V

Ron on時の抵抗値 0 Ω

Roff off時の抵抗値 1e12 Ω



4.2 ソース源部品DC電圧源とDC電流源の回路シンボルをそれぞれ図 4.7，図 4.8，パラメータをそれぞれ表 4.7，表 4.8に示す．

図 4.7: DC電圧源の回路シンボル図 4.8: DC電流源の回路シンボル

表 4.7: DC電圧源のパラメータ名前説明デフォルト値単位

U 電圧 1 V

表 4.8: DC電流源のパラメータ名前説明デフォルト値単位

I 電流 1 m A

72 4.2. ソース源部品

AC電圧源と AC電流源の回路シンボルをそれぞれ図 4.9，図 4.10，パラメータをそれぞれ表 4.9，表 4.10に示す．

図 4.9: AC電圧源の回路シンボル図 4.10: AC電流源の回路シンボル

表 4.9: AC電圧源のパラメータ名前説明デフォルト値単位

U ピーク電圧 1 V

f 周波数 1 G Hz

Phase 開始位相 0

Theta ダンピングファクター（過渡解析のみ） 0

表 4.10: AC電流源のパラメータ名前説明デフォルト値単位

U ピーク電流 1 m A

f 周波数 1 G Hz

Phase 開始位相 0

Theta ダンピングファクター（過渡解析のみ） 0


矩形電圧源と矩形電流源の回路シンボルをそれぞれ図 4.11，図 4.12，パラメータをそれぞれ表 4.11，表 4.12に示す．

図 4.11: 矩形電圧源の回路シンボル図 4.12: 矩形電流源の回路シンボル

表 4.11: 矩形電圧源のパラメータ名前説明デフォルト値単位

U ハイパルスの電圧 1 V

TH ハイパルス持続時間 1 m s

TL ローパルス持続時間 1 m s

Tr 立ち上がり時間 1 n s

Tf 立ち下がり時間 1 n s

Td 初期遅延時間 0 s

表 4.12: 矩形電流源のパラメータ名前説明デフォルト値単位

I ハイパルスの電流 1 m A

TH ハイパルス持続時間 1 m s

TL ローパルス持続時間 1 m s

Tr 立ち上がり時間 1 n s

Tf 立ち下がり時間 1 n s

Td 初期遅延時間 0 s

74 4.3. 非線形部品

4.3 非線形部品

4.3.1 ダイオード

ダイオードの回路シンボルを図 4.13，パラメータを表 4.13に示す．

図 4.13: ダイオードの回路シンボル


表 4.13: ダイオードモデルのパラメータ（[2]p.70）名前記号説明デフォルト値単位

Is IS 飽和電流 10−14 A

N N 放射係数 1.0

Cj0 Cj0 ゼロバイアスジャンクション（接合）容量

0.0 F

M M 等級係数 0.5

Vj Vj ジャンクション電位 0.7 V

Fc Fc 順バイアス空乏層容量係数 0.5

Cp Cp 線形容量 0.0 F

Isr ISR recombination current parameter 0.0 A

Nr NR emission coefficient for Isr 2.0

Rs RS 直流抵抗 0.0 Ω

Tt τ 推移時間 0.0 s

Temp T シミュレーション温度 26.85 C

Kf KF フリッカーノイズ係数 0.0

Af AF フリッカーノイズ指数 1.0

Ffe FFE フリッカーノイズ指数 1.0

Bv Bv 逆ブレークダウン電圧 ∞ V

Ibv IBv 逆ブレークダウン電圧時の電流 0.001 A

Xti XTI 飽和電流温度指数 3.0

Eg EG バンド幅電圧 1.11 eV

Tbv TBVBvリニア温度係数 0.0 1/C

Trs TRS Rsリニア温度係数 0.0 1/C

Ttt1 Tτ1 Ttリニア温度係数 0.0 1/C

Ttt2 Tτ2 Tt二次温度係数 0.0 1/C2

Tm1 TM1 Mリニア温度係数 0.0 1/C

Tm2 TM2 M二次温度係数 0.0 1/C2

Tnom TNOM パラメータ抽出温度 26.85 C

Area A default area for diode 1.0

76 4.3. 非線形部品

4.3.2 バイポーラトランジスタ

トランジスタの回路シンボルを図 4.14，パラメータを表 4.14に示す．これらの値を変更することにより実際の素子を想定することが可能となる．商用素子のモデルを設定するのは 5.2のダイオードと同様に行える．

(a) NPN型 (b) PNP型

図 4.14: トランジスタの回路シンボル

表 4.14: トランジスタモデルのパラメータ（[2]pp.117-

118）

名前記号説明デフォルト値単位

Type 極性 [npn, pnp]

Is IS 飽和電流 1016 A

Nf NF 順放射係数 1.0

Nr NR 逆放射係数 1.0

Ikf IKF 高電流順方向ベータ降下点 ∞ A

Ikr IKR 高電流逆 ∞ A

Vaf VAF 順初期電圧 ∞ V

Var VAR 逆初期電圧 ∞ V

Ise ISE ベースエミッタ間漏れ飽和電流 0 A

Ne NE ベースエミッタ間漏れ放射係数 1.5

Isc ISC ベースコレクタ間漏れ飽和電流 0 A

Nc NC ベースコレクタ間漏れ放射係数 2.0

Bf BF 順方向ベータ 100

Br BR 逆方向ベータ 1

Rbm RBm 高電流時の最小ベース抵抗 0.0 Ω

Irb IRB ベース抵抗中点時の電流 ∞ A

Rc RC コレクタ抵抗 0.0 Ω

Re RE エミッタ抵抗 0.0 Ω

Rb RB ゼロバイアスベース抵抗（おそらく大電流に依存）

0.0 Ω

Cje CJE ベースエミッタ間ゼロバイアス空乏容量

0.0 F

Vje VJE ベースエミッタ間電位 0.75 V


Mje MJE ベースエミッタ間接合指数係数 0.33

Cjc CJC ベースコレクタ間ゼロバイアス空乏容量

0.0 F

Vjc VJC ベースコレクタ間電位 0.75 V

Mjc MJC ベースコレクタ間接合指数係数 0.33

Xcjc XCJC 内部ベースノードにつながるB-C空乏層容量

1.0

Cjs CJS ゼロバイアス時のコレクタと基板の容量

0.0 F

Vjs VJS 基板との接合電位 0.75 V

Mjs MJS 基板との接合指数係数 0.0

Fc FC 順バイアス空乏層容量係数 0.5

Tf TF 理想的な順通過時間 0.0

Xtf XTF Tfに依存するバイアスの係数 0.0

Vtf VTF ベースコレクタ間電圧におけるTfの電圧依存

∞ V

Itf ITF Tfにおける大電流降下 0.0 A

Tr TR 理想逆通過時間 0.0 s





Kb KB バーストノイズ係数 0.0

Ab AB バーストノイズ指数 1.0

Fb FB バーストノイズのコーナー周波数 1.0 Hz

Ptf ϕTF 超過位相 0.0

Xtb XTB 順方向，逆方向ベース温度指数 0.0

Xti XTI 飽和電流温度指数 3.0

Eg EG バンド幅電圧 1.11 eV

Tnom TNOM パラメータ抽出温度 26.85 C

Area A default area for bipolar transistor 1.0

78 4.3. 非線形部品

4.3.3 MOSFET

MOSFETの回路シンボルを図 4.15，パラメータを表 4.15に示す．

(a) nN型 (b) p型

図 4.15: MOSFETの回路シンボル

表 4.15: MOSFETのパラメータ（[2]pp.129-130）

名前記号説明デフォルト値単位

Type 極性 [nfet, pfet]

Vt0 VT0 ゼロバイアススレッショルド電圧 1.0 V

Kp KP トランスコンダクタンス 2e-5 A/V2

Gamma γ バルク電圧 0.0√

V

Phi Φ 面電位 0.6 V

Lambda λ チャネル長変調 0.0 1/V

Rd RD ドレイン抵抗 0.0 V

Rs RS ソース抵抗 0.0 Ω

Rg RG ゲート抵抗 0.0 Ω

Is IS バルク pn飽和電流 1e-14 Ω

N N バルク接合放射係数 1.0

W W チャネル幅 1u m

L L チャネル長 1u m

Ld LD ラテラル拡散（長さ） 0.0 m

Tox TOX 酸化膜厚み 0.1u m

Cgso CGSO ゲート-ソース間重なり容量 / チャネル幅

0.0 F/m

Cgdo CGDO ゲート-ドレイン間重なり容量 / チャネル幅

0.0 F/m

Cgbo CGBO ゲート-バルク間重なり容量 / チャネル幅

0.0 F/m

Cbd CBD バルク-ドレイン間ゼロバイアス接合容量

0.0 F

Cbs CBS バルク-ソース間ゼロバイアス接合容量

0.0 F

Pb ΦB バルク接合電位 0.8 V


Mj MJ バルク底面接合傾斜係数 0.5

Fc FC バルク順方向バイアス時容量係数 0.5

Cjsw CJSW バルク接合ゼロバイアス時周辺容量 /

長さ0.0 F/m

Mjsw MJSW バルク側壁接合傾斜係数 0.33

Tt TT バルク通過時間 0.0p s

Nsub NSUB 基板不純物濃度 0.0 1/cm3

Nss NSS 表面状態密度 0.0 1/cm2

Tpg TPG ゲートの材料 1

・0 = アルミナ・-1 = バルクと同様・1 = バルクと相対する材料

Uo µ0 移動度低下臨界電界 600.0 cm2/Vs

Rsh RSH ドレイン-ソース間拡散広がり抵抗 0.0 Ω/square

Nrd NRD number of equivalent drain squares 1

Nrs NRS number of equivalent source squares 1

Cj CJ バルク接合ゼロバイアス時底面容量 /

面積0.0 F/m2

Js JS バルク接合飽和電流 / 面積 0.0 A/m2

Ad AD ドレイン拡散面積 0.0 m2

As AS ソース拡散面積 0.0 m2

Pd PD ドレイン接合周囲長 0.0 m

Ps PS ソース接合周囲長 0.0 m





Tnom TNOM 測定温度パラメータ 26.85 C

80 4.4. シミュレーション部品

4.4 シミュレーション部品DCシミュレーションの回路シンボルを図 4.16，パラメータを表 4.16に示す．

図 4.16: DCシミュレーションの回路シンボル

表 4.16: DCシミュレーションのパラメータ名前説明デフォルト値単位


reltol 収束公差 0.001

abstol 電流絶対公差 1 p A

vntol 電圧絶対公差 1 u V

saveOPs オペレーティングポイントをデータセットに入力 [yes, no]

no

MaxIter エラーになるまでの最大繰り返し数 150

saveAll サブサーキットノードをデータセットに保存 [yes, no]

no

convHelper 優先収束アルゴリズム none

・none

・gMinStepping

・SteepestDescent

・LineSearch

・Attenuation

・SourceStepping

Solver 回路行列を解くための方式 CroutLU

・CroutLU

・DoolittleLU

・HouseholderQR

・HouseholderLQ

・GolubSVD


トランジェントシミュレーションの回路シンボルを図 4.17，パラメータを表 4.17に示す．

図 4.17: トランジェントシミュレーションの回路シンボル

表 4.17: トランジェントシミュレーションのパラメータ名前説明デフォルト値単位IntegrationMethod integration method Trapezoidal

・Euler

・Gear

・AdamsMoulton

Order order of integration method 1 - 6

InitialStep 初期ステップサイズ 1 n s

MinStep 最小ステップサイズ 1e-16 s

MaxIter エラーになるまでの最大繰り返し数 150

reltol 収束公差 0.001

abstol 電流絶対公差 1 p A

vntol 電圧絶対公差 1 u V


LTEreltol 局所端面相対公差エラー 1e-3

LTEabstol 局所端面絶対公差エラー 1e-6

LTEvntol 局所端面の過大評価エラー 1

Solver 回路行列を解くための方式 CroutLU

・CroutLU

・DoolittleLU

・HouseholderQR

・HouseholderLQ

・GolubSVD

relaxTSR relax time step raster [yes, no] no

initialDC 初期DC解析の実行 [yes, no] yes

MaxStep 最大ステップサイズ 0 s

82 4.4. シミュレーション部品

ACシミュレーションの回路シンボルを図 4.18，パラメータを表 4.18に示す．

図 4.18: ACシミュレーションの回路シンボル

表 4.18: ACシミュレーションのパラメータ名前説明デフォルト値単位Noise ノイズ電圧計算 [yes, no] no

83

第5章サンプルシミュレーション

5.1 ダイオードの静特性ダイオードの静特性をシミュレーションするために，ダイオードに直流電源を接続した回路を考える．図 5.1(a)に順方向，図 5.2(a)に逆方向の回路を示す．ここでダイオードは[非線形部品]から選択するのではなく，メニューの [ツール]-[部品ライブラリ]内のシリコンダイオード 1N4148（Diode Inc.製）を使用する．電源は直流電源である．静特性をシミュレーションするため，電源電圧V1をVDに変更し，パラメータスイープを用いて電源電圧VDを 0Vから 3Vまで 0.06V刻み（分割数 51）で変化させる．また，3.6.4で述べたように，電流 V1.Iは電圧源 V1に流れ込む値を求めているため符号が逆になり負値となる．そのため，グラフで描画すると逆さである．そのため方程式 ID = −V1.Iを用いている．それぞれのシミュレーション結果を図 5.1(b)，図 5.2(b)に示す．

84 5.1. ダイオードの静特性

(a) 回路図 (b) DCシミュレーション結果

図 5.1: ダイオードの静特性（順方向）


図 5.2: ダイオードの静特性（逆方向）


5.2 バイポーラトランジスタの静特性

5.2.1 エミッタ接地

バイポーラトランジスタのエミッタ接地における静特性をシミュレーションするために，図 5.3(a)に示す回路を考える．ここで前節のダイオードと同様にトランジスタは [非線形部品]から選択するのではなく，メニューの [ツール]-[部品ライブラリ]内の npn型トランジスタ 2N2222を使用する．ここではベース電流 I1を IB，コレクタ－エミッタ間電圧V1をVCE，コレクタ電流 ICの関係をシミュレーションする．ベース電流をパラメータとするため，電流源 IBを用いている．静特性をシミュレーションするため，VCEをパラメータスイープ SW1で 0Vから 5Vまで 0.05V刻み（分割数 101）で変化させる．さらにVCEを変化させる（パラメータスイープ SW1）と同時に，パラメータスイープ SW2

でベース電流 IBを 0µAから 50µAまで 5µA刻み（分割数 11）で変化させる．また ICは方程式 IC = −V1.Iを用いて求める．シミュレーション結果を図 5.3(b)に示す．

5.2.2 ベース接地

前節と異なり，バイポーラトランジスタのベース接地における静特性をシミュレーションするために，図 5.4(a)に示す回路を考える．回路素子はエミッタ接地と同じである．I1

を IE，V1をVCBに変更する．静特性をシミュレーションするため，VBEをパラメータスイープ SW1で-1Vから 4Vまで 0.05V刻み（分割数 101）で変化させる．さらに VCB

を変化させる（パラメータスイープ SW1）と同時に，パラメータスイープ SW2でエミッタ電流 IEを 1µAから 10mAまで 999.9µA刻み（分割数 11）で変化させる．また ICはエミッタ接地と同様に方程式 IC = −V1.Iを用いて求める．シミュレーション結果を図 5.4(b)

に示す．

86 5.2. バイポーラトランジスタの静特性


図 5.3: バイポーラトランジスタの静特性（エミッタ接地）


図 5.4: バイポーラトランジスタの静特性（ベース接地）


5.3 共振回路共振回路とは，外部から加わったエネルギーに反応して振動や共鳴などの現象を生じる電気回路のことである．基本的な共振回路として，コイルとコンデンサで構成されたものがある．素子の接続方法によって直列共振回路と並列共振回路に分類され，共振周波数において，直列共振回路ではインピーダンスが 0に見え，同じく並列共振回路ではインピーダンスが無限大に見えるという特徴をもっている．

5.3.1 直列共振回路

直列共振回路は，コイルとコンデンサが等価的に直列に配置されている共振回路のことである．その共振点において，コイルとコンデンサのリアクタンスは相殺されるため，インピーダンスは 0となる．ただし実際の素子には抵抗分 Rが必ずあるので，直列共振回路のインピーダンスはRに等しくなる．図 5.5(a)にRLC直列回路の回路図，図 5.5(b)にシミュレーション結果を示す．シミュレーションにおいてパラメータスイープの分割数が少ないと，求まる結果の精度が低いのに注意する．分割数が多いとシミュレーションに時間を要するが，精度は向上する．ここで共振周波数 f0[Hz]の理論値を計算する．L =40mH，C =0.25µFの場合 f0は，

f0 =1

2π√

LC=

1

2π√

40 × 10−3 × 0.25 × 10−6= 1.59 × 103

である．また，その時に流れる回路に流れる電流 I0は，電圧 V = 100V，抵抗R = 5Ωの場合，

I0 =V

Z=

V√R2 + (XL = XC)2

=V

R=

100

5= 20

となる．ゆえに周波数 f0 = 1.59kHzの時に，電流 I0 = 20A流れる．この値は図 5.5(b)のシミュレーション結果より確認できる．

88 5.3. 共振回路

(a) 分割数が少ない場合のシミュレーション例

(b) 分割数が多い場合のシミュレーション例

図 5.5: 直列共振回路


5.4 整流回路・平滑回路

5.4.1 整流回路

交流の流れは，正方向と負方向の両方向の流れがあり，この流れを一方向に整えるのに整流回路がある．代表的な整流回路として半波整流回路（half-wave rectifier circuit）とブリッジ全波整流回路（full wave rectifier）がある．本節では，両回路を用いた場合のシミュレーションについて示す．半波整流回路とは，整流回路のうち交流電流で正・負いずれかの方向に流れる電流の片方だけを流すことによって整流を行う回路のことである．半波整流回路は，ダイオードなどを用いて実現される．半波整流回路は，整流素子 1個で手軽に整流回路が構成できるという利点がある．その反面，片方向の流れを遮断して整流しているという仕組み上，脈流が大きくなりやすいという難点がある．このため，半波整流回路はもっぱら簡易的な，負荷や容量の小さい整流器に使用されている．半波整流回路のシミュレーション例を図5.6(a)に示す．全波整流回路は，入力電圧の正・負に関係なく正の絶対電圧を得ることができる．ブリッジ全波整流回路のシミュレーション例を図 5.6(b)に示す．ブリッジは部品ライブラリ内に登録されているが，ここではダイオード 4個を用いた．

90 5.4. 整流回路・平滑回路

(a) 半波整流回路のシミュレーション例

(b) 全波整流回路のシミュレーション例

図 5.6: 整流回路


5.4.2 平滑回路

平滑回路（ripple filter）とは，整流された電流の中に含まれている脈流をより直流に近い状態にするための回路のことである．整流回路によって整流された電流は，正・負のどちらか片方で周期的な波形を描いている．この波形が脈流と呼ばれている．平滑回路は，コンデンサやチョークコイルなどの性質を利用することによって，脈流の波形をより平坦に近づけるはたらきを持っている．コンデンサを利用した平滑回路では，電圧がある値を超えるまではコンデンサが充電され，逆に電圧が一定値を下回ると放電する，というコンデンサの性質によって平滑化を行う．脈流の電圧が高い部分では充電を行い，低い部分では放電することにより負荷に電流を供給することで，電圧の上下差をより平坦に近づけている．コンデンサによる平滑回路を通った電流は，わずかに波打った状態を残しており，完全に直流の状態になるわけではない．このとき波形の平均値となる直線から，正方向，負方向に変動している部分がリプルと呼ばれる．さらに，交流の成分を遮断する性質を持っているチョークコイルを通すことで，リプル（ripple）をほとんど除去し，直流に近い電流を得ることができる．ここでリプルとは，直流の電流の中に含まれている脈動の成分のことである．平滑回路のシミュレーション例を図 5.7に示す．これは図 5.6(a)の半波整流回路にコンデンサを加えた回路である．図 5.7(a)はR = 10kΩ，C = 1µF，図 5.7(b)はR = 50kΩ，C = 1µF，図 5.7(c)はR = 50kΩ，C = 10µFである．抵抗値とコンデンサの容量を変えることによりリップルの違いがシミュレーション結果より観測できる．

92 5.4. 整流回路・平滑回路

(a) R=10kΩ，C=1µFのシミュレーション例

(b) R=50kΩ，C=1µFのシミュレーション例

(c) R=50kΩ，C=10µFのシミュレーション例

図 5.7: 平滑回路

93

第6章市販モデルの構築

6.1 部品ライブラリQucsはダイオード，トランジスタなどの部品ライブラリが登録されている．大まかな登録モデル数は下記の通りである．

• ブリッジ：52個

• ダイオード：121個

• JFET：145個

• LED：5個

• MOSFET：9個

• オペアンプ：12個

• トランジスタ：256個

• ツェナーダイオード：94個

これらの多くは海外製品であり，日本国内で一般的に使用されている東芝製のトランジスタなどは登録されていない．部品ライブラリを用いることにより実際に商用されている素子を想定することが可能であるが，部品ライブラリに登録されている素子の多くは海外製品である．そのため，日本国内で一般的に使用されている東芝製のトランジスタなどは登録されていない．国内製の素子を利用することを想定する場合，素子に応じたモデルを設定する必要がある．Qucs

では商用素子を部品ライブラリとして登録することが可能である思うが，今のところ，その方法について不明である．表 4.13にダイオードモデルのパラメータ，表 4.14にトランジスタモデルのパラメータをまとめる．これらの値を変更することにより実際の素子を想定することが可能となる．また，モデルを設定する際，SPICEのモデルパラメータを利用すると便利である．SPICEとQucsではモデルパラメータがほぼ同じである．

• 数理設計研究所のWebサイト内 [3]

http://www.madlabo.com/mad/edat/spice/index.htm

• 東芝Webサイトの SPICEパラメータ [4]

http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/rf/spice/index.html

94 6.1. 部品ライブラリ

• ロームWebサイトの SPICEデータ [5]

http://www.rohm.co.jp/products/ibis/index.html

本章では，SPICEで登録されているモデルパラメータを参考にしてQucsでモデルの構築を試みる．


6.2 2SA1020

東芝製音響用FETであり，シリコンPNPエピタキシャル形，電力増幅用，電力スイッチング用である．データシートは東芝セミコンダクター社のWeb[6]より入手できる．ここではデータシートと同じグラフが得られるかを確認するシミュレーションについて説明する．

6.2.1 ベース・エミッタ間電圧とベース電流の関係

温度の違いによる IB − VBE特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.1，図 6.2に示す．

2SA1020のモデルパラメータは図 6.1に示す通りである．その他のパラメータはデフォルト値である．ここでは温度特性を調べるため，2SA1020のシミュレーション温度 Temp

に変数 Taを与え，パラメータスイープ SW2において Taを 0から 100まで変化させている．またベース・エミッタ間電圧 VBE はパラメータスイープ SW1において 0.2Vから0.8Vまで変化させている．

96 6.2. 2SA1020

図 6.1: 温度の違いによる IB − VBE特性の回路図

図 6.2: 温度の違いによる IB − VBE特性のシミュレーション結果


6.2.2 ベース・エミッタ間電圧とコレクタ電流の関係

温度の違いによる IC − VBE特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.3，図 6.4に示す．前節同様に温度特性を調べるため，2SA1020のシミュレーション温度 Tempに変数 Ta

を与え，パラメータスイープ SW2において Taを 0から 100まで変化させている．またベース・エミッタ間電圧 VBEはパラメータスイープ SW1において 0.2Vから 0.8Vまで変化させている．

図 6.3: 温度の違いによる IC − VBE特性の回路図

図 6.4: 温度の違いによる IC − VBE特性のシミュレーション結果

98 6.2. 2SA1020

6.2.3 ベース電流とコレクタ電流の関係

温度の違いによる IC − IB特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.5，図 6.6に示す．前節同様に温度特性を調べるため，2SA1020のシミュレーション温度 Tempに変数 Ta

を与え，パラメータスイープ SW2において Taを 0から 100まで変化させている．またベース電流 IBはパラメータスイープ SW1において 0.0Aから 0.01Aまで変化させている．

図 6.5: 温度の違いによる IC − IB特性の回路図

図 6.6: 温度の違いによる IC − IB特性のシミュレーション結果


6.2.4 コレクタ・エミッタ間電圧とコレクタ電流の関係

VCEの違いによる IC − IB特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.7，図 6.8に示す．ここではコレクタ・エミッタ間電圧 VCE の違いを観測するため，前節までと異なり

2SA1020のシミュレーション温度 Tempを 25とし，パラメータスイープ SW2においてコレクタ電流 ICを 1µA，10µA，100µA，1 mAを与えている．また VCEはパラメータスイープ SW1において 0Vから 12Vまで変化させている．ここで，これまでパラメータスイープではある値の範囲内において，一定間隔で変化させる方式を用いていたが，パラメータスイープの Typeを listにすることにより，指定した値のみをシミュレーションさせることができる．

図 6.7: VCEの違いによる IC − IB特性の回路図

図 6.8: VCEの違いによる IC − IB特性のシミュレーション結果

100 6.2. 2SA1020

VCE の違いによる IC/IB 特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.9，図 6.10に示す．ここでは VCE をパラメータスイープ SW1において 0Vから 8Vまで変化させて，その時の IC/IBを方程式により計算している．

図 6.9: VCEの違いによる IC/IB特性の回路図

図 6.10: VCEの違いによる IC/IB特性のシミュレーション結果


6.2.5 データシートの比較

データシートと比較するための温度の違いによる IC − VBE特性を図 6.11に示す．

(a) データシート (b) シミュレーション結果

図 6.11: データシートとの比較

102 6.3. 2SC2655

6.3 2SC2655

東芝製音響用FETであり，シリコンNPNエピタキシャル形，電力増幅用，電力スイッチング用である．データシートは東芝セミコンダクター社のWeb[6]より入手できる．ここではデータシートと同じグラフが得られるかを確認するシミュレーションについて説明する．



2SC2655のモデルパラメータは図 6.12に示す通りである．その他のパラメータはデフォルト値である．ここでは温度特性を調べるため，2SC2655のシミュレーション温度 Temp


104 6.3. 2SC2655


温度の違いによる IC − VBE特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.14，図 6.15に示す．前節同様に温度特性を調べるため，2SC2655のシミュレーション温度 Tempに変数 Ta






温度の違いによる IC − IB特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.16，図 6.17に示す．前節同様に温度特性を調べるため，2SC2655のシミュレーション温度 Tempに変数 Taを与え，パラメータスイープSW2においてTaを 0から 100まで変化させている．またベース電流 IBはパラメータスイープ SW1において 0.0Aから 0.001Aまで変化させている．



106 6.3. 2SC2655



2SC2655のシミュレーション温度 Tempを 25とし，パラメータスイープ SW2においてコレクタ電流 ICを 1µA，10µA，100µA，1 mAを与えている．また VCEはパラメータスイープ SW1において 0Vから 12Vまで変化させている．




VCE の違いによる IC/IB 特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.20，図 6.21に示す．ここでは VCEをパラメータスイープ SW1において 0Vから 12Vまで変化させて，その時の IC/IBを方程式により計算している．



108 6.3. 2SC2655


データシートと比較するための温度の違いによる IC − VBE特性を図 6.22に示す．

(a) データシート(b) シミュレーション結果


データシートと比較するための VCEの違いによる IC − IB特性を図 6.23に示す．




6.4 2SC1815

東芝製音響用FETであり，シリコンNPNエピタキシャル形，低周波電圧増幅用，励振段増幅用である．データシートは東芝セミコンダクター社のWeb[6]より入手できる．ここではデータシートと同じグラフが得られるかを確認するシミュレーションについて説明する．



2SC1815のモデルパラメータは図 6.24に示す通りである．その他のパラメータはデフォルト値である．ここでは温度特性を調べるため，2SC1815のシミュレーション温度 Temp


110 6.4. 2SC1815





温度の違いによる IC − VBE特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.26，図 6.27に示す．前節同様に温度特性を調べるため，2SC1815のシミュレーション温度 Tempに変数 Ta




112 6.4. 2SC1815


温度の違いによる IC − IB特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.28，図 6.29に示す．前節同様に温度特性を調べるため，2SC1815のシミュレーション温度 Tempに変数 Taを与え，パラメータスイープSW2においてTaを 0から 100まで変化させている．またベース電流 IBはパラメータスイープ SW1において 0.0Aから 0.001Aまで変化させている．






2SC1815のシミュレーション温度 Tempを 25とし，パラメータスイープ SW2においてコレクタ電流 ICを 1µA，10µA，100µA，1 mAを与えている．また VCEはパラメータスイープ SW1において 0Vから 12Vまで変化させている．



114 6.4. 2SC1815

VCE の違いによる IC/IB 特性の変化を調べるのに作成した回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.32，図 6.33に示す．ここでは VCEをパラメータスイープ SW1において 0Vから 12Vまで変化させて，その時の IC/IBを方程式により計算している．





データシートと比較するための温度の違いによる IB − VBE特性を図 6.34に示す．



データシートと比較するための VCEの違いによる IC − IB特性を図 6.35に示す．



116 6.5. 2SK170

6.5 2SK170

東芝製音響用 FETであり，シリコン Nチャネル接合形，低周波低雑音増幅用である．データシートは東芝セミコンダクター社のWeb[6]より入手できる．ここではデータシートと同じグラフが得られるかを確認するシミュレーションについて説明する．

6.5.1 ID − VDS特性

ID − VDS特性の回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.36，図 6.37に示す．2SK170のモデルパラメータは図 6.36に示す通りである．その他のパラメータはデフォルト値である．ここでは VGS の違いによる ID − VDS 特性を調べるため，パラメータスイープ SW2において VGSを 0.0Vから 0.4Vまで変化させている．また VDSはパラメータスイープ SW1において 0Vから 40Vまで変化させている．


図 6.36: ID − VDS特性の回路図

図 6.37: ID − VDS特性のシミュレーション結果

118 6.5. 2SK170

6.5.2 ID − VGS特性

ID − VGS特性の回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.38，図 6.39に示す．ここでは VGS の違いによる ID特性を調べるため，パラメータスイープ SW1において

VGSを 0Vから 0.8Vまで変化させている．

図 6.38: ID − VGS特性の回路図

図 6.39: ID − VGS特性のシミュレーション結果



データシートと比較するための特性を図 6.40に示す．

(a) データシート

(b) シミュレーション結果


120 6.6. 2SJ74

6.6 2SJ74

東芝製音響用 FETであり，シリコン Pチャネル接合形，低周波低雑音増幅用である．データシートは東芝セミコンダクター社のWeb[6]より入手できる．ここではデータシートと同じグラフが得られるかを確認するシミュレーションについて説明する．

6.6.1 ID − VDS特性

ID − VDS特性の回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.41，図 6.42に示す．2SJ74のモデルパラメータは図 6.41に示す通りである．その他のパラメータはデフォルト値である．ここでは VGSの違いによる ID − VDS特性を調べるため，パラメータスイープ SW2において VGS を 0.0Vから 0.5Vまで変化させている．また VDS はパラメータスイープ SW1において 0Vから 24Vまで変化させている．


図 6.41: ID − VDS特性の回路図

図 6.42: ID − VDS特性のシミュレーション結果

122 6.6. 2SJ74

6.6.2 ID − VGS特性

ID − VGS特性の回路図とシミュレーション結果をそれぞれ図 6.43，図 6.44に示す．ここでは VGS の違いによる ID特性を調べるため，パラメータスイープ SW1において

VGSを 0Vから 1.2Vまで変化させている．

図 6.43: ID − VGS特性の回路図

図 6.44: ID − VGS特性のシミュレーション結果



データシートと比較するための特性を図 6.45に示す．

(a) データシート



125

第7章 1石トランジスタ回路のシミュレーション

本章では PSpiceの説明書 [1]第 11章で掲載されているトランジスタ 1個を用いた増幅回路のシミュレーションを参考に，同様のシミュレーションをQucsで試みる．

7.1 対象の回路本章で対象とする回路（図 7.1(a)）は，エミッタ共通増幅回路であり入力端子に交流信号を入力すると，電圧が約 5倍（≈ RC/RE）に増幅されて，入力信号と位相が 180違う出力信号が出力端子に現れる．シミュレーションに用いるトランジスタは6.4で説明した2SC1815とする．

7.2 DC解析DC解析については 3.6.2で簡単に説明したが，回路の静特性を測定するものであり，直流電源装置の出力電圧を変えながら，各部の電圧や電流をテストで測定してグラフを作成するようなものである．

DC解析用として作成した回路図を図 7.1(a)に示す．直流電源Vccの値を 0Vから 15V

まで 0.1V刻み，すなわち 151ステップで変化させて，ベース電圧VB，コレクタ電圧VC，エミッタ電圧VEを測定する．三つの電圧値を測定するため，図 7.1(a)に示すようにラベルVB，VC，VEを与える．DC解析によるシミュレーション結果を図 7.1(b)に示す．横軸はVCCの電圧値である．DC解析ではコンデンサをオープン，コイルをショートして計算するため，電圧や電流が時間的に変化する過渡現象がない．そのため，DC解析には時間という計算要素がない．言い換えれば，DC電源を加えてから無限時間が経過して，回路の動作が安定した後の値を表示している．シミュレーション回路に，大容量のコンデンサ，インダクタンスの大きなコイル，高抵抗を使っている場合，回路の時定数が大きくなるため，DC解析の結果と実際の測定値が異なる場合がある．このように，時間経過を考慮しなければならない場合は，過渡解析を利用する．次に，方程式を使いトランジスタのコレクタ損失Pcを求める．Pcはコレクタ電流とコレクタ－エミッタ間電圧を掛け合わせて求めた電力である．この電力が大きいとトランジスタは発熱する．ここでは，コレクタ電流を測定するため，電流計 Pr1を挿入している．

126 7.2. DC解析

(a) 回路図


図 7.1: DC解析


7.3 AC解析AC解析については 3.6.5で簡単に説明したが，解析結果をグラフで表したときに横軸が周波数になる解析である．周波数を変化させた場合の電圧ゲインや位相特性，入出力インピーダンスなどを観測するときに利用する．本節では，高周波領域の出力振幅や電圧ゲインをシミュレーションにより観測する．図 7.2(a)に示すように直流電源Vcc=15Vとする．周波数を 10kHz～100MHzまで変化させて，各部の周波数応答を観測する．ただし，周波数の変化は線形でなくログで変化させる．入力信号と出力信号の値を観測するため，VinとVoutのラベルを図 7.2(a)に示すように与える．シミュレーション結果を図 7.2(b)に示す．図中，左上のグラフが出力信号Voutを示しており，1MHz以下の帯域では出力電圧は 49Vである．入力電圧はVin=10Vであるため，電圧ゲインは約 5倍になっていることがわかる．高周波領域では，出力レベルが低下している．エミッタ共通増幅回路では，バイポーラ・トランジスタの高域遮断周波数の影響や，入力容量が大きく見えるミラー効果などによって高域のゲインが低下するためである．ここで注意すべきは，49Vという電源電圧 15Vよりも高い電圧が出力されていることである．この回路の電源電圧は 15Vであり，出力振幅は 15VP−P 以上になるはずがない．AC解析では，電源電圧の制限や高調波ひずみなどの非線形な要素がまったく考慮されず，波形歪みなどが発生しない微小信号レベルにおける周波数特性を観測するための解析である．非線形など動作をシミュレーションする場合は，過渡解析を利用する．また図 7.2(b)上段右側では，電圧ゲインをデシベル表示している．図 7.2(a)で方程式により電圧ゲインAvを定義している．10kHz付近のゲインは約 13.7dBで，周波数が高くなるにつれてゲインが低下する．著者は確認していないが，文献 [1]では，実際に回路を作り解析結果と照合している．実際に回路を作り，ネットワーク・アナライザで測定した結果，10kHzにおけるゲインは約 13.3dVで，遮断周波数は約 3.4MHzであった．シミュレーション結果と実測値で，10kHzにおける電圧ゲインはほ同じであるが，遮断周波数が大きく違っている．この理由として，実測値において使用したプローブの影響が考えられる．つまり，エミッタ共通増幅回路の出力インピーダンスとプローブの入力容量がローパスフィルタを形成して高域を減衰していると考えられる．そこで，図 7.3(a)に示すようにプローブと等価な CL=2pFを RLに並列接続する回路を考える．シミュレーション結果を図 7.3(b)に示すが，これにより実測値と一致することが確認できる．

128 7.3. AC解析

(a) 回路図


図 7.2: AC解析 (1)


(a) 回路図


図 7.3: AC解析 (2)

130 7.4. 過渡解析

7.4 過渡解析過渡解析については 3.6.6で簡単に説明したが，解析結果をグラフで表したときに横軸が時間になる解析である．オシロスコープで波形を観測するときに利用する．本節では，正弦波を入力したときの出力波形を観測する．図 7.4(a)に示すように信号源を 1kHz，1VP−P の正弦波とする．負荷として，オシロスコープのプローブを想定して，RL=10MΩ，CL=8pFとする．過渡解析の結果を図 7.4(b)

に示す．位相が 180ずれているが，入力信号の約 5倍の波形が出力されていることが確認できる．

(a) 回路図


図 7.4: 過渡解析

131

付録A Qucsのメニュー

本章ではQucsのメニューをまとめる．

図 A.1: メニューバー

図 A.2: [ファイル]メニュー

図 A.3: [編集]メニュー

図 A.4: [位置]メニュー図 A.5: [挿入]メニュー

132

図 A.6: [プロジェクト]メニュー

図 A.7: [ツール]メニュー

図 A.8: [シミュレーション]メニュー図 A.9: [ビュー]メニュー

図 A.10: [ヘルプ]メニュー

133

付録B Qucsのツールバー

本章ではQucsのツールバーをまとめる．

B.1 [ファイル]ツールバー

アイコンステータスバーの説明対応するメニュー

新しいドキュメントを作成 [ファイル]-[新規作成]

新規テキストドキュメント作成 [ファイル]-[新しいテキスト]

既存のドキュメントを開く [ファイル]-[開く]

現在のドキュメントを保存 [ファイル]-[保存]

開かれた全てのドキュメントを保存

[ファイル]-[全て保存]

現在のドキュメントを閉じる [ファイル]-[閉じる]

現在のドキュメントを印刷 [ファイル]-[印刷]

B.2 [編集]ツールバー


選択を切り取り、クリップボードに入れる

[編集]-[切り取り]

選択部をクリップボードにコピー [編集]-[コピー]

クリップボードの内容をカーソル位置に貼付けます

[編集]-[貼付け]

選択された部品を削除します [編集]-[削除]

最後のコマンドをやり直しします [編集]-[やり直し]

最後のコマンドを元に戻します [編集]-[元に戻す]

134 B.3. [ビュー]ツールバー

B.3 [ビュー]ツールバー


ページ全体を見る [ビュー]-[全体を見る]

拡大しないで見る [ビュー]-[1:1のスケールで見る]

現在のビューを拡大 [ビュー]-[ズームイン]

現在のビューを縮小 [ビュー]-[ズームアウト]

B.4 [その他]ツールバー


選択モードを有効にする [編集]-[選択]

選択された部品を無効/有効にする

[編集]-[無効にする/有効にする]

選択したアイテムをX軸で反転する

[編集]-[X軸で反転]

選択されたアイテムをY軸で反転する

[編集]-[Y軸で反転]

選択された部品を 90回転 [編集]-[回転]

選択したサブサーキットに入る [編集]-[サブサーキットに入る]

サブサーキットから出る [編集]-[出る]

ワイアを挿入 [挿入]-[ワイア]

ワイアかピンのラベルを挿入 [挿入]-[ワイアラベル]

方程式を挿入 [挿入]-[方程式を挿入]

グラウンドを挿入 [挿入]-[グラウンドを挿入]

ポートを挿入 [挿入]-[ポートを挿入]

現在の回路をシミュレートする [シミュレーション]-[シミュレート]

データディスプレーと回路図を切替えます

[シミュレーション]-[データディスプレー/回路図を見る]

グラフ上にマーカをセットします [挿入]-[グラフにマーカをセットします]

135

付録C Qucsで使用可能な部品

本章ではQucsで使用可能な部品記号およびその名称をまとめる．

C.1 集中定数部品

表 C.1: 集中定数部品

抵抗抵抗（US）

コンデンサインダクタ

グラウンドサブサーキットポート

トランス対称トランス

DCブロック電圧付加

バイアスティーアッテネータ

アンプアイソレータ

サーキュレータジャイレータ

フェーズシフタカップラ

電流計電圧プローブ

相互インダクタンス1 相互インダクタンス2

スイッチリレー

方程式の定義されたRFデバイス

方程式の定義された 2ポートRFデバイス

136 C.2. ソース源部品

C.2 ソース源部品

表 C.2: ソース源部品

DC電圧源 DC電流源

AC電圧源 AC電流源

パワーソースノイズ電圧源

ノイズ電流源電圧制御電流源3

電流制御電流源電圧制御電圧源

電流制御電圧源電圧パルス

電流パルス矩形波電圧4

矩形波電流相関ノイズ源

相関ノイズ源相関ノイズ源

AM変調源5 PM変調源

Exponential Current Pulse Exponential Voltage Pulse

ファイルによる電圧源ファイルによる電流源

C.3 プローブ

表 C.3: プローブ

電流計電圧計

1Mutual Inductorsと表記されている23 Mutual Inductorsと表記されている3電流制御電圧限と誤表記されている4矩形電圧と表記されている5AM変調ソースと表記されている


C.4 伝送線路部品

表 C.4: 伝送線路部品

トランスミッションライン 4-Terminal Transmission

Line

Twisted-Pair 同軸線路

基板マイクロストリップライン

カップルドマイクロストリップライン

マイクロストリップコーナー

マイクロストリップマイターベンド

マイクロストリップステップ

マイクロストリップティージャンクション

マイクロストリップクロス

マイクロストリップオープン

マイクロストリップギャップ

マイクロストリップビアコプレーナライン

コプレーナオープンコプレーナショート

コプレーナギャップコプレーナステップ

Bond Wire

138 C.5. 非線形部品

C.5 非線形部品

表 C.5: 非線形部品

ダイオード NPNトランジスタ

PNPトランジスタ NPNトランジスタ

PNPトランジスタ n-JFET

p-JFET n-MOSFET

p-MOSFET depletion MOSFET

n-MOSFET p-MOSFET

depletion MOSFET オペアンプ

Equation Defined Device ダイアック6

トライアックサイリスタ7

6Diacと表記されている7Thyristorと表記されている


C.6 Verilog-A デバイス

表 C.6: Verilog-a デバイス

HICUM L2 v2.1 FBH HBT

オペアンプモジュール HICUM L2 v2.22

ログアンプ npn HICUM L0 v1.12

pnp HICUM V0 v1.12 ポテンショメータ

MESFET

140 C.7. デジタル部品

C.7 デジタル部品

表 C.7: デジタル部品

デジタルソースインバータ

nポートOR nポートNOR

nポートAND nポートNAND

nポートXOR nポートXNOR

RSフリップフロップ Dフリップフロップ

JKフリップフロップ VHDLファイル

Verilog file デジタルシミュレーション

C.8 ファイル部品

表 C.8: ファイル部品

SPICEネットリスト 1ポートSパラメータファイル

2ポートSパラメータファイル

nポートSパラメータファイル

サブサーキット


C.9 シミュレーション部品

表 C.9: シミュレーション部品

DCシミュレーショントランジェント解析

ACシミュレーション Sパラメータシミュレーション

ハーモニックバランスパラメータスイープ

デジタルシミュレーション最適化

C.10 図表部品

表 C.10: 図表部品

直交座標極座標

表スミスチャート

アドミッタンスチャート極座標－スミス混合

スミス－極座標混合 3D－直交座標

ルーカスカーブタイミングダイアグラム

真値テーブル

142 C.11. 図表描画部品

C.11 図表描画部品

表 C.11: 図表描画部品

線矢印

テキスト楕円

長方形塗りつぶし楕円

塗りつぶし長方形弧

143

付録D その他

D.1 電圧と電流の表記方法Qucsでは電圧と電流の表記方法が表D.1に示すように定まっている [7]．端子名（配線のラベル）に対して.Vを付けると端子の直流電圧，.vを付けると端子の交流電圧を表す．また，ノードに対して.Iを付けるとノードに流れる直流電流，.iを付けるとノードに流れる交流電流を表す．

表 D.1: 電圧と電流の表記方法表記意味

端子名.V 端子の直流電圧端子名.v 端子の交流電圧端子名.vn 端子の雑音電圧端子名.Vt 端子の過渡電圧ノード名.I ノードに流れる直流電流ノード名.i ノードに流れる交流電流ノード名.in ノードに流れる雑音電流ノード名.It ノードに流れる過渡電流

144 D.2. Qucsで使用できる記号

D.2 Qucsで使用できる記号Qucsで使用できる物理単位を表D.2，補助単位を表D.3に示す [7]．

表 D.2: 物理単位表記読み記号意味Ohm オーム（ohm） Ω 電気抵抗を表す単位s (seconds) s 時間（秒）を表す単位S ジーメンス（siemens） S コンダクタンスを表す単位K ケルビン（kelvin） K 熱力学温度を表す単位H ヘンリー（henry） H 自己相互インダクタンスを表す単位F ファラド（farad） F 静電容量を表す単位Hz ヘルツ（hertz） Hz 周波数を表す単位V ボルト（volt） V 電圧の高さを表す単位A アンペア（ampere） A 電流の強さを表す単位W ワット（watt） W 電力の仕事率を表す単位m メートル (meter) m 長さ（メートル）を表す単位

表 D.3: 補助単位表記読み記号意味dBm dBm 10 log(x/0.001)

dB デシベル（decibel） dB 10 log(x)

T テラ（tera） T 1012

G ギガ（giga） G 109

M メガ（mega） M 106

k キロ（kilo） k 103

m ミリ（milli） m 10−3

u マイクロ（micro） µ 10−6

n ナノ（nano） n 10−9

p ピコ（pico） p 10−12

f フェムト（femto） f 10−15

a アト（atto） a 10−18


D.3 方程式で使用できる表現Qucsで用いられる関数名，変数名，定数名においてアルファベットの大文字と小文字は区別される．例えば，Aと aは異なる変数で扱われる．変数名は，先頭文字をアルファベットとし，2文字目以降はアルファベット，数値，アンダーラインの組合せで表現する．数値は 10進数表記で表現する．10の累乗は eを使って表現することができる．例えば，

1.234e6は 1234000と同値である．また複素数は iまたは jを使って表現することができる．例えば，1+2*jと記述すれば 1 + j2を意味する．また 1+j2と記述してもよい．

Qucsでは表D.4に示す定数が組み込まれている [8]．また方程式で使用できる演算子を表D.5に，関数を表D.6～表D.8に示す．

表 D.4: 組み込み定数表記意味値e オイラー定数 2.718282

i, j 虚数単位（√−1） i1

kB ボルツマン定数 1.380658e23 J/K

pi π 3.141593

表 D.5: 演算子演算子意味例( ) 括弧あるいは関数呼び出しに用いる max(x)

^ 指数 3^4

* 乗算 3*4

/ 除算 3/4

% 剰余 3%4

+ 加算 3+4

- 減算 3-4

: 範囲 3:12

146 D.3. 方程式で使用できる表現

表 D.6: 関数 (1)

関数意味例abs() 絶対値 abs(-3) → 3

abs(-3+4*i) → 5

angle(), 複素数の位相角度 [rad] arg(-3) → 3.14

arg() arg(-3+4*i) → 2.21

conj() 複素共役 conj(-3+4*i) → −3 − 4 ∗ i

deg2rad() 度単位 [deg]をラジアン単位 [rad]に変換

deg2rad(45) → 0.785

imag() 複素数の虚数成分 imag(-3+4*i) → 4

mag() 複素数の大きさ mag(-3) → 3

mag(-3+4*i) → 5

norm() ベクトルの各要素の絶対値の 2乗和

norm(-3+4*i) → 25

phase() 複素数の位相角度 [deg] phase(-3) → 180

phase(-3+4*i) → 127

polar() 複素数の極座標表現 pola(3,45) → 2.12 + j2.12

rad2deg() ラジアン単位 [rad]を度単位 [deg]に変換

rad2deg(0.785) → 45

real() 複素数の実数成分 real(-3+4*i) → −3

signum(), 符号関数 signum(-4) → −1

sign() signum(3+4*i) → 0.6 + j0.8

sqr() 2乗 sqr(-4) → 16

sqr(3+4*i) → −7 + j24

sqrt() 2乗根 sqrt(-4) → 0 + j2

sqrt(3+4*i) → 2 + j1

exp() 指数関数 exp(-4) → 0.0183

exp(3+4*i) → −13.1 − j15.2

log10() 常用対数（底は 10） log10(-4) → 0.602 + j1.36

log10(3+4*i) → 0.699 + j0.403

log2() 底を 2とした対数 log2(-4) → 2 + j4.53

log2(3+4*i) → 2.32 + j1.34

ln() 自然対数（底は e） ln(-4) → 1.39 + j3.14

ln(3+4*i) → 1.61 + j0.927


表 D.7: 関数 (2)

関数意味例cos() 余弦関数（cosine） cos(-0.5) → 0.878

cos(3+4*i) → −27.0 − j3.85

cosec() 余割関数（cosecant） cosec(1) → 1.19

cot() 余接関数（cotangent） cot(-0.5) → −1.83

cot(3+4*i) → −0.000188 − j1

sec() 割線関数（secant） sec(0) → 1

sin() 正弦関数（sine） sin(-0.5) → −0.479

sin(3+4*i) → 3.85 − j27

tan() 正接関数（tangent） tan(-0.5) → −0.546

tan(3+4*i) → −0.000187 + j0.999

arccos() arc cisine arccos(-1) → 3.14

arccos(3+4*i) → 0.937 − j2.31

arccot() arc cotangent arccot(-1) → 2.36

arccot(3+4*i) → 0.122 − j0.159

arcsin() arc sine arcsin(-1) → −1.57

arcsin(3+4*i) → 0.634 + j2.31

arctab() arc tangent arctan(-1) → −0.785

arctan(3+4*i) → 1.45 + j0.159

arctan(1,1) → 0.785

cosh() hyperbolic cosine cosh(-1) → 1.54

cosh(3+4*i) → −6.58 − j7.58

cosech() hyperbolic cosecant cosech(-1) → −0.851

cosech(3+4*i) → −0.0649 +

j0.0755

coth() hyperbolic cotangent coth(-1) → −1.31

coth(3+4*i) → 0.999 − j0.0049

sech() hyperbolic secant sech(-1) → 0.648

sech(3+4*i) → −0.0653 + j0.0752

sinh() hyperbolic sine sinh(-1) → −1.18

sinh(3+4*i) → −6.55 − j7.62

tanh() hyperbolic tangent tanh(-1) → −0.762

tanh(3+4*i) → 1 + j0.00491

148 D.3. 方程式で使用できる表現

表 D.8: 関数 (3)

関数意味例arcosh() hyperbolic arc cosine arcosh(1) → 0

arcosh(3+4*i) → 2.31 + j0.937

arcoth() hyperbolic arc cotangent arcoth(2) → 0.549

arcoth(3+4*i) → 0.118 − j0.161

arsinh() hyperbolic arc sine arsinh(1) → 0.881

arsinh(3+4*i) → 2.3 + j0.918

artanh() hyperbolic arc tangent artanh(0) → 0

artanh(3+4*i) → 0.118 + j1.41

ceil() 切り上げ ceil(-3.5) → −3

ceil(3.2+4.7*i) → 4 + j5

fix() 実数値の整数部分 fix(-3.5) → −3

fix(3.2+4.7*i) → 3 + j4

floor() 切り下げ floor(-3.5) → −4

floor(3.2+4.7*i) → 3 + j4

round() 四捨五入 round(-3.5) → −4

round(3.2+4.7*i) → 3 + j5


D.4 抵抗

D.4.1 公称抵抗値

抵抗器の抵抗値は，可変抵抗器や半固定抵抗器，特殊用途の一部特注品を除き，JISやISOで制定されたE系列と呼ばれる等比数列（10の n乗根）刻みの値で生産されている．すなわち，抵抗値は切りの良い整数値で揃えられているのではなく，2.2Ωといった半端な数値になっている．表D.9にE3，E6，E12，E24の公称抵抗値を示す．通常は 12分割した E12系列や E24系列がよく使われるが，許容差 1%以下の抵抗器では E96系列や E192

系列を取ることもある．EはExponent（指数）のことで「E12」は 1から 10までを等比級数（10の 12乗根）で分割したものである．等比級数なので対数目盛で並べると等間隔になる．2.0とか 3.0という切りの良い数字にならないので最初は戸惑うかもしれないが，実際の設計現場では「何%増減したい」という発想になり，この方が使いやすく感じる．

表 D.9: 公称抵抗値E3 E6 E12 E24

10 10 10 10 (← 24√

100 = 1.00)

11 (← 24√

101 = 1.10)

12 12 (← 24√

102 = 1.21)

13 (← 24√

103 = 1.30)

15 15 15 (← 24√

104 = 1.47)

16 (← 24√

105 = 1.62)

18 18 (← 24√

106 = 1.78)

20 (← 24√

107 = 1.96)

22 22 22 22 (← 24√

108 = 2.15)

24 (← 24√

109 = 2.37)

27 27 (← 24√

1010 = 2.61)

30 (← 24√

1011 = 2.87)

33 33 33 (← 24√

1012 = 3.16)

36 (← 24√

1013 = 3.48)

39 39 (← 24√

1014 = 3.83)

43 (← 24√

1015 = 4.22)

47 47 47 47 (← 24√

1016 = 4.64)

51 (← 24√

1017 = 5.11)

56 56 (← 24√

1018 = 5.62)

62 (← 24√

1019 = 6.19)

68 68 68 (← 24√

1020 = 6.81)

75 (← 24√

1021 = 7.50)

82 82 (← 24√

1022 = 8.25)

91 (← 24√

1023 = 9.09)

150 D.5. コンデンサ

D.4.2 抵抗値の表示

比較的大きな抵抗器には抵抗値が直接書かれていることが多いが，小さなものでは書き込みが困難なため，略数字がカラーコードで表示されるのが普通である [9]．抵抗値が直接書かれている場合にも，小数点が消えてしまう事故を考慮して，「4.7kΩ±5%」を「4K7J」と書く場合がある．最後の Jは±5%を表す誤差コード（図D.1参照）である．同様に「2.2Ω±10%」を「2R2K」と表す．Rは小数点の略で，最後のKは補助単位でなく，±10%を表す誤差コードである．抵抗の略数字表示の場合，たとえば「472J」という略数字は，はじめの 47が有効数字，三番目の 2は有効数字に掛ける 10の乗数，最後の Jが誤差コードである．したがって，47× 102 = 4.7kΩ，誤差±5%を示す．高精度の抵抗では有効数字が 3桁におよぶため，4

数字が書かれている場合がある．たとえば「4701F」は，有効数字 470にゼロを 1個付けて 4700Ω = 4.7kΩで，誤差±1%である．抵抗のカラーコードは，左の二つ（第１色帯，第２色帯）が数値を表し左から三つ目

（第３色帯）が乗数を表す．一番右側（第４色帯）が許容差を表す．抵抗のカラーコードの例および覚え方等を図D.1に示す．ここで例として抵抗のカラーコードが図D.1上側に示すように，青，灰，赤，金を考える．第１色帯：青 = 6，第２色帯：灰 = 8，第３色帯：赤 = 102，第４色帯：金 = ±5%

である．ゆえに抵抗値は下記の通りである．

R = 68 × 102Ω ± 5% = 6800Ω ± 5% = 6.8kΩ ± 5%

D.5 コンデンサ

D.5.1 容量値の表示

抵抗器と同じように，形の小さなものには略数字で表示されていることがある．また容量値が直接書かれている場合にも「6.8pF ± 5%」を「6R8J」と略する場合がある．コンデンサの略数字表示の方法は，抵抗器の 3数字表示法と同じだが，抵抗の単位が

Ωであるのに対して，コンデンサでは普通 pF単位になっている．たとえば，「472K」は，47 × 102 = 4700pF，誤差±10%となる．

151

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

-1

-2

[%]

1

2

5

10

20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

3

F

G

D

C

B

A

J

K

M

0.5

0.25

0.1

0.05

図 D.1: 抵抗のカラーコード

153

関連図書

[1] 棚木義則（編）. 電子回路シミュレータ PSpice 入門編. ツール活用シリーズ. CQ出版社.

[2] Stefan Jahn, Michael Margraf, Vincent Habchi, and Raimund Jacob. Qucs Technical

Papers. 2007.

[3] 数理設計研究所. Spice and Model. http://www.madlabo.com/mad/edat/spice/index.htm.

[4] 東芝. SPICEパラメータ. http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/rf/spice/index.html.

[5] ローム. SPICE. http://www.rohm.co.jp/products/ibis/index.html.

[6] 東芝セミコンダクター社. http://www.semicon.toshiba.co.jp/.

[7] Stefan Jahn and Juan Carlos Borras. Qucs A Tutorial – Getting Started with Qucs –.

2007.

[8] Gunther Kraut. Qucs Reference Manual – Measurement Expressions Reference Man-

ual –. 2006.

[9] トランジスタ技術編集部（編）. わかる電子回路部品完全図鑑. ハードウェアデザインシリーズ５. CQ出版社.

http://www.madlabo.com/mad/edat/spice/index.htm

http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/rf/spice/index.html

http://www.rohm.co.jp/products/ibis/index.html

http://www.semicon.toshiba.co.jp/

154

索引

2SA1020, 95

2SC1815, 109

2SC2655, 102

2SJ74, 120

2SK170, 116

AC解析, 47, 127

ACシミュレーション, 47, 82, 127

AC電圧源, 72

AC電流源, 72

DC解析, 36, 125

DCシミュレーション, 36, 80, 125

DC電圧源, 71

DC電流源, 71

DCバイアス, 34

E系列, 149

MOSFET, 78

SPICE, 1, 93

Verilog-a デバイス, 18

Windows Vista, 3, 14

Windows Xp, 3

アンプ, 69

インストーラ, 3

インダクタ, 69

演算子, 145

回路図の印刷, 53

過渡解析, 49, 130

画面のキャプチャ, 54

カラーパレット, 61

関数, 145

キャパシタ, 68

キャンパス, 17

共振回路, 87

矩形電圧源, 73

矩形電流源, 73

グラフ, 58

グラフの色の変更, 61

グラフの線種の変更, 61

グラフの細さの変更, 61

公称抵抗値, 149

コンデンサの略数字表示, 150

軸の目盛り, 58

軸のラベル, 58

軸のレンジ, 58

シミュレーション部品, 18, 80

集中定数部品, 18, 67

スイッチ, 70

数字表記法, 64

数値, 145

図形描画部品, 18

図表部品, 18

精度, 64

整流回路, 89

線種, 61

線種－円, 62

線種－ソリッド, 61

線種－ダッシュ, 61

線種－ドット, 61

線種－長いダッシュ, 61

線種－星, 62

線種－矢, 62

ソース源部品, 18, 71

索引 155

対応OS, 3

ダイオード, 74, 83

ダイオードモデルのパラメータ, 93

直列共振回路, 87

直交座標, 58

ツールバー, 133

抵抗, 67

抵抗のカラーコード, 150

抵抗の略数字表示, 150

定数, 145

デジタル部品, 18

電圧計, 52

電圧と電流の表記方法, 143

伝送線路部品, 18

電流計, 51

トランジェント解析, 49, 130

トランジェントシミュレーション, 81

トランジスタモデルのパラメータ, 93

内容タブ, 18, 55

日本語環境, 9

バイポーラトランジスタ, 76, 85

パラメータスイープ, 41

半波整流回路, 89

非線形部品, 18

ビュー, 65

ビュー－ 1:1のスケールでみる, 65

ビュー－ズームアウト, 65

ビュー－ズームイン, 65

ビュー－全体を見る, 65

表, 63

ファイル部品, 18

複素数, 145

物理単位, 144

部品タブ, 18

部品プロパティウィンドウ, 29

部品ライブラリ, 93

ブリッジ全波整流回路, 89

プローブ, 18

プロジェクトタブ, 17

プロパティ編集, 29, 67

平滑回路, 91

変数名, 145

方程式, 45

補助単位, 144

脈流, 89, 91

メニュー, 131

文字化け, 14

リプル, 91

リレー, 70

累乗, 145

ワークエリア, 17, 55

157

連絡先

本書についてご指摘・ご意見等がある場合は下記に連絡してください．ただし，回答には多少時間がかかります．また，本書の記載範囲を超えるご質問には応じられませんので，ご了承下さい．

680-8552

鳥取県鳥取市湖山町南 4-101

TEL : 0857-31-6099

FAX : 0857-31-0880

E-mail : [email protected]

2009年 4月 21日鳥取大学　齊藤剛史

mailto:[email protected]