概要
プロトタイピングの分野では、回路シミュレーションがより一般的に利用されるようになりました。その結果、広範なアプリケーション分野においてシミュレーション用のモデルはより重要な要素となりました。その中でも、SPICEモデルとIBISモデルは非常に代表的なものだと言えます。これらのシミュレーション・モデルを活用すれば、プリント回路基板を開発する際、プロトタイピングの段階でコストの削減を図ることができます。本稿では、まずSPICEモデルとIBISモデルの比較を行い、その違いを明らかにします。続いて、プリント回路基板を製作する前に実施される検証が重要な理由について説明します。更に、ユース・ケースごとに各種のサンプルを示しながら、回路設計における両モデルの使い分けについて解説します。なお、SPICEシミュレータである「LTspice®」やプリント基板用の検証ツールである「HyperLynx®」など、よく使われるシミュレーション・ツールについても解説を加えことにします。
はじめに
デジタル技術は急速な進化を遂げています。電子機器のメーカーがこのデジタル化の流れに応えるためには、新たな技術の導入が不可欠です。その具体的な例となるコンポーネントやツールの開発も絶えず進められています。シミュレーションの世界で言えば、様々な種類のモデルが提供されるようになりました。そうしたモデルは、プリント回路基板を開発する際、設計したシステムの機能を確認したり、検証を行ったりすることを目的として利用されます。つまり、基板の製作に進む前の段階で、設計に問題がないかどうかを確認するということです。その際に使用される代表的なシミュレーション・モデルは2つ存在します。それがSPICEモデルとIBISモデルです。いずれも本質的に動作モデル（behavioral model）として位置づけられます。ただ、それらをどのように使い分けるべきなのかは、シミュレーションの目的によって異なります。
シミュレーション・モデルがもたらすメリット
一般に、シミュレーション・モデルは、プロトタイピングの前の段階で、設計した回路のシミュレーションを実施する際に使用します。ただ、IBISモデルやSPICEモデルを使用して単にシミュレーションを実施すればそれでよいというわけではありません。シミュレーションの目的は、信号の完全性に関するあらゆる問題を検出し、設計した回路の性能を確認することです。そうした問題は、配線パターンを含めて、設計した基板の特性に起因していることが少なくありません。ただ、コンポーネントの機能のレベルで単純な問題が生じていることもあります。
IBISモデルは、コンポーネントのクランプ動作や駆動能力を表現するために使用されます。それだけでなく、デジタルI/O（入出力）バッファのインピーダンスも表現されます。つまり、デジタル系のドライバやレシーバーの入出力インピーダンスなどが網羅されるいうことです。ただ、それらの情報はモデルに直接記述されているわけではありません。コンポーネントの動作を表す電圧と電流のデータに暗黙的に含まれています。クロストークや反射といった信号の完全性の問題を解決する上では、バッファのインピーダンスが鍵になります。そのため、シミュレーションを実施する際には、それらの値が明確になっていることが重要です。なお、クロストークとは、ある配線パターンを伝わる信号が別の配線パターンを伝わる信号に結合して発生する干渉のことです。一方の反射は、基板を製作する前の段階で、信号の完全性についてシミュレーションを実施すると遭遇する非常に一般的な問題です。反射の問題は、入力バッファまたは出力バッファのインピーダンスと配線パターンの特性インピーダンスの間にミスマッチがある場合に発生します。機器に入力された信号は、配線パターンに沿って伝わり、一切の干渉を受けることなく配線パターンの他端に到達するのが理想です。しかし、実際にはそのようにはなりません。インピーダンス・ミスマッチによって、信号の完全性に影響が及ぶからです。そうすると、伝送線路に沿って伝搬する信号の一部が他端に到達し、その信号の一部が反射成分として元の場所に戻ってきます。この問題への代表的な対処策は、バッファに終端を施すことです。これについては、IBISモデルのインピーダンス機能を活用すると便利です。つまり、IBISモデルを使用したシミュレーションにより、終端に適用する直列抵抗またはシャント抵抗の値を計算します。それによって、ピンと伝送線路のインピーダンスをマッチングさせるということです。その結果、信号の反射という問題を解消できます。
SPICEモデルを使用すれば、回路の詳細な動作を予測することができます。このことは、時間とコストの有効活用に役立ちます。プロトタイプを製作する前に、起こり得る問題を確認／検討／解決し、回路の性能向上を図れるからです。SPICEモデルによるシミュレーションは、主にコストと時間の面でメリットをもたらします。コストと時間のかかるプロトタイプの修正作業や、コンポーネントの再発注、ハンダ付けのやり直しにつながる可能性のある回路の誤りを早い段階で検出することが可能になるからです。最近のシミュレーション・モデルは更なる進化を遂げており、コンポーネントの性能をより正確に模擬できるようになりました。シミュレーションであれば、様々なコンポーネントを即座に交換しながら回路の設計について詳細な評価を実施できます。また、回路のプロトタイピングに多くの時間を費やしたり、プロトタイプに誤りがあった場合にハンダ付けをやり直したりする必要もなくなります。
SPICEモデルとは何か？
SPICEというのは、Simulation Program with Integrated Circuit Emphasisの頭文字をとったものです。その実体は、汎用の回路シミュレータだと説明することができます。SPICEシミュレータには、回路素子（トランジスタ、抵抗、コンデンサなど）とそれらの接続について記述したテキスト・ベースのネット・リストを受け渡します。すると、同シミュレータは節点解析を使用して数式を生成し、それらを解く処理を実行します。SPICEモデルというのは、テキスト・ベースの動作モデルのことです。このモデルを使用することで、SPICEシミュレータは様々な条件下のデバイスの動作を数学的に予測します。
IBISモデルとは何か？
IBISは、Input/Output Buffer Information Specificationの頭文字をとったものです。IBISモデルは、デバイスのデジタル入出力バッファのアナログ的な動作を表現するためのものです。この動作モデルは、プレーンなASCIIテキスト形式のデータとして記述されます。具体的には、デジタル・バッファ内のコンポーネントの電圧と電流の関係（V-I）が記述されます。また、出力バッファまたはI/Oバッファのスイッチング特性を表す記述も盛り込まれます。このスイッチング特性は、時間の経過と電圧の関係（V-t）の形で表現されます。IBISモデルには、V-I/V-tについて記述した表形式のデータが盛り込まれます。このようなモデルを使用することにより、基板を製作する前に信号の完全性を解析することができます。IBISモデルには、リバース・エンジニアリングの対象となり得るデバイスの内部情報は含まれません。つまり、ブラックボックス・モデルのようなものであり、機密情報は一切開示されないことを特徴とします。
モデルとは、どのようなものなのか？
上述したように、IBISモデルとSPICEモデルはいずれもテキスト・ベースの動作モデルです（図1）。単純なテキスト・ファイルとして提供されるので、Windowsの「メモ帳」のようなシンプルなツールによって内容を表示することも可能です。ただ、より検討を行いやすくするためには専用のツールを使用した方がよいでしょう。IBISモデルについては、「Cadence Model Integrity」やSiemensのHyperLynxを使って表示することをお勧めします。一方、SPICEモデルについては、SPICEシミュレータを使うことで、そのファイルを読み込んだり開いたりすることができます。代表的なSPICEシミュレータとしては、LTspice、NIの「Multisim™」、「OrCAD® PSpice®」などが挙げられます。
SPICEモデルとIBISモデルは、どちらも実行可能ファイルではありません。あくまでも、モデルの内容をテキスト・ベースで記述しただけのものです。いずれのモデルも、主に次の3つの部分で構成されています。
- ヘッダ・ファイル：モデル、デバイス、改訂履歴、モデルに固有の特記事項、モデル化の対象であるデバイスのメーカー／ブランドに関する簡単な説明や一般的な情報を提供します。
- モデル名／タイトル：通常は、デバイス名、ピンの構成、ピンとバッファのマッピングに関する情報を記述します。SPICEでは、「.subckt ADGxx < ピンの構成 >」という行を記述します。ここで「ADGxx」はモデル名です。一方、IBIS では、「[Component] ADGxx」という記述を使用します。
- モデルの構造：モデルの詳細をテキスト・ベースで表現します。SPICE モデルは、デバイスの各パラメータを表す様々なブロックで構成されます。それには、コンデンサ、抵抗、ダイオード、電圧源、電流源といったプリミティブ・コンポーネントや、ネイティブ・コンポーネントで構成されるピンの機能などが含まれます。一方、IBIS モデルは、各デジタル I/O バッファをモデル化した V-I/V-t のデータ・テーブル（表）で構成されます。
どこで入手すればよいのか？
ほとんどの場合、SPICEモデルとIBISモデルは、各半導体メーカーのウェブ・ページで提供されています。多くの半導体メーカーは、自社の製品に対応するシミュレーション・モデルを開発しています。そして、モデルに含まれる内容や、モデルの精度、サポートに関するメンテナンスを行っています。図2に示したのは、アナログ・デバイセズのウェブサイトの例です。数多くの製品に対応するSPICEモデルとIBISモデルを提供していることがわかります。
また、多くのSPICEシミュレータは、SPICEモデルのライブラリを備えています。そのライブラリには、数多くの製品のモデルが格納されています。図3に示したのは、LTspiceが備えるスイッチのライブラリの例です。ご覧のように、アナログ・デバイセズのほとんどのスイッチ製品が網羅されています。シミュレーションを滞りなく行うためには、広範なSPICEモデルを網羅するライブラリが用意されたシミュレータを選択するべきでしょう。
シンボル用のファイル
シミュレータでSPICEモデルとIBISモデルを使用するには、どちらにもシンボルと呼ばれる付随的なファイルが必要です。通常、IBISモデルはテキスト・ベースで表現したデータの形で提供されます。EDA（Electronic Design Automation）ツールを使用してシミュレーションを実施するためには、他のコンポーネントが接続されるコンポーネントのシンボル内にそのIBISモデルを配置する必要があります。IBISモデルと同様に、SPICEモデルについてもシンボル用のファイルを用意しなければなりません。通常、そのファイル（拡張子は.asy）はドット・シンボルの形式です。そのファイルを、SPICEシミュレータのライブラリにインストールする必要があります。モデルとシンボルの両方のファイルをライブラリに追加／設定すれば、回路シミュレーションでそのモデルを使用できるようになります。図4と図5に示したのは、IBISモデルとSPICEモデルに対応するシンボルの例です。
通常、メーカーはIBISとSPICEのシンボル・ファイルは提供していません。ただ、ほとんどのシミュレータには、シンボルのテンプレートが用意されています。これを、ピンの配置／数やデバイスの種類に応じて使用することができます。また、SPICEについては、シミュレータによって機能の詳細は異なりますが、シンボル・ファイルを自動生成することも可能です。
SPICEとIBISの比較
続いて、SPICEモデルとIBISモデルとでは何が違うのか両者の比較を通して説明することにしましょう。
SPICEモデルの詳細
一般に、SPICEモデルは、ピンの配置、ピンの構成、機能、その他の動作を含むコンポーネントの振る舞いを再現します。それらのモデルには標準的なアーキテクチャが用意されているわけではありません。SPICEモデルを使用することにより、ピンの機能を含めてコンポーネントに期待される動作性能を正確に再現するアーキテクチャを構築することになります。SPICEモデルは、抵抗やコンデンサなどの受動部品、ダイオード、トランジスタなどで構成されます。適切な設計を行えば、対象とするコンポーネントの動作を再現可能なモデルを構築できます。但し、その際には留意すべきことがあります。コンポーネントの動作を正確に再現するためには、SPICEモデルに複雑な回路を盛り込まなければなりません。ただ、あまりにも複雑すぎると、シミュレーションの実行速度が低下してしまいます。例えば、抵抗のような受動部品のSPICEモデルであれば、1行のテキスト・データとして記述できるでしょう。しかし、より複雑な回路やサブサーキットの場合、その記述は数百行にも達する可能性があります。
先述したように、SPICEモデルはテキスト・エディタのようなツールによって開くことができます。ただ、最近のSPICEシミュレータは、等価回路図を描画することで非常に簡単に回路解析を実施できるようになっています。図6に示したのは、3つのオペアンプから成る状態変数フィルタの例です。このような回路図を描くことにより、回路で使用する素子とその接続を記述したテキスト・ベースのネット・リストが生成されます。
SPICEモデルについては、対象とするデバイスのデータシートに記述された仕様／機能に近い性能を提供することが期待されます。例えば、スイッチのSPICEモデルにはオン抵抗やタイミングなどのパラメータを用意する必要があります。それに対し、オペアンプのモデルにはゲイン帯域幅や入力オフセットといったパラメータが必要です。通常、SPICEモデルでは、データシートに記載されている代表値、最小値、最大値を網羅する形で機能や仕様が記述されます。
IBISモデルの詳細
一般に、IBISモデルは、デジタルI/Oバッファを表現する標準的なアーキテクチャに従って記述されます。そのアーキテクチャは、図7に示すようなものです。各コンポーネントのデジタル・バッファについて記述するためには、IBISの仕様で定義されているキーワードを使用します。V-Iルックアップ・データ・テーブルとV-tルックアップ・データ・テーブルは、各キーワードの下に記述します。
図8（左）は、IBISモデルに記述されたV-Iルックアップ・テーブルの例です。一方、同図（右）には、HyperLynxを使用してこのV-Iルックアップ・テーブルを波形としてプロットしたものを示しました。通常、このテーブルには、-VDD～VDD×2の電圧範囲で測定した電流の値が記述されます。また、3つの条件（標準コーナー、スロー・コーナー、ファスト・コーナー）におけるコンポーネントの電流値（動作）が示されます。それらの条件は、デバイスのプロセス・コーナー、動作電圧、動作温度を考慮して設定されています。例えば、デジタル系のレシーバーにおいてクランプを実現する保護用コンポーネントの動作は、V-Iルックアップ・テーブルと、キーワード[Power_clamp]、[GND_clamp]を使用して記述します。また、I/Oバッファの駆動能力はキーワード[Pullup]、[Pulldown]を使用して記述します。これら4種のキーワードを使用した記述はモデル内で独立して存在することになります。信号の完全性をシミュレーションするには、受信モードと駆動モードの両方が必要です。
一方、V-tテーブルはデジタル系のドライバのスイッチング特性を表します。具体的には、負荷がVDDとグラウンドを基準としている場合に、ある状態から別の状態に遷移するときの動作を表すデータが記述されます。そのテーブルは、キーワード[Rising_Waveform]、[Falling_Waveform]を使用して記述します。また、キーワード[Ramp]の下には、I/Oバッファのスルー・レートが記述されます。スルー・レートの電圧については、遷移エッジにおける振幅の20%から80%が対象になります。これらの波形／ランプのデータは、ドライバのコンポーネントが時間に対してどの程度高速にターン・オン／ターン・オフするのかを表します。
上記のキーワードを使用した記述は、モデル内で独立した形で存在することになります。シミュレーションで使用する場合、EDAツールはそれらV-IデータとV-tデータを組み合わせます。それにより、動作領域に基づいてバッファのモデルを構築します。構築されたモデルを使用し、基板上の信号の完全性についてシミュレーションやタイミング解析を行います。
また、IBISモデルには、デバイスのピンやパッケージの寄生RLC成分の値、各I/Oバッファのバッファ容量C_compの値も含まれています。C_compはパッドからバッファを見た場合の容量であり、パッケージの容量は含まれていません。
IBISモデルで使用するV-I/V-tデータ・テーブルやキーワードの詳細については、「IBISモデルの開発方法【Part 1】 IBISモデルの開発が設計の成功に不可欠な理由」をご覧ください。
代表的なシミュレーション・ツール
SPICEシミュレータとIBISシミュレータとしては、様々な製品が標準的に使用されています。技術者向けのものもあれば、教育向けのものもあります。なかには、高速システムやアナログ・システム、ミックスド・シグナル・システムなど、ほとんどの回路に対応可能なシミュレータも存在します。通常、SPICEシミュレータは、回路の接続／ノードに基づいて節点方程式を生成し、各ノードにおける電流値と電圧値を算出します。一方、IBISシミュレータでは、モデル内に記述されたV-I/V-tルックアップ・データ・テーブルを参照して信号の出力動作を予測します。以下、よく使用されているシミュレータをいくつかピックアップして紹介することにします。
代表的なIBISシミュレータ
ここでは、代表的なIBISシミュレータを2つ紹介しておきます。
- Siemens の HyperLynx：この EDA ツールは、高速回路の設計における信号の完全性や電源の完全性の解析、電気的な設計ルールのチェック、電磁モデリングなどに使用されます。また、HyperLynx を使用すれば、IBIS モデルの表示、編集、シミュレーションを実施することができます。
- Keysight Technologies の ADS（Advanced Design System）：周波数領域／時間領域での回路シミュレーション、回路図の設計とレイアウト、設計ルールのチェック、電磁界シミュレーションなど、様々な設計プロセスで使用可能な EDAツールです。ADS は IBIS モデルを使用するシミュレーションにもよく使用されています。
代表的なSPICEシミュレータ
続いて、代表的なSPICEシミュレータを3つ紹介します。
- アナログ・デバイセズの LTspice®：高性能の SPICE シミュレータです。回路図のキャプチャ用のグラフィカルなインターフェースを備えていることが特徴の 1 つです。回路図中のノードにプローブを当てれば、LTspice が内蔵する波形ビューワによってシミュレーション結果を表示することができます。LTspice の GUI（Graphical User Interface）は、回路図の入力に必要なキーボード入力とマウスの操作を統計的に分析した結果に基づいて設計されています。そのため、他のSPICE シミュレータと比較して、よりインタラクティブな操作が実現されています。LTspice のライブラリには、シグナル・チェーン製品を含むアナログ・デバイセズのほとんどの製品の SPICE モデルが含まれています。それだけでなく、数多くの受動部品の SPICE モデルも用意されています。
- NI Multisim：Multisim を使用すれば、電子回路の動作を即座に視覚化、解析することができます。回路図を扱うためのインタラクティブな環境が用意されていることも特徴の 1 つです。加えて、仮想的なオシロスコープ、デジタル・マルチメータなど、様々な装置に対応する機能を備えています。そのため、標準的な実験／評価環境で体験するのと似たような形で回路のシミュレーションを実施できます。
- OrCAD PSpice Designer：回路図の入力、ネイティブなアナログ対応機能、ミックスド・シグナル機能、解析エンジンが統合されたツールです。回路のシミュレーションと検証に対応する完全なソリューションだと言えます。簡単な回路のプロトタイピング、複雑なシステムの設計、あるいはコンポーネントの歩留まりや信頼性の検証などにも対応できます。そうしたあらゆる作業に対し、極めて高い性能の回路シミュレーション機能を提供します。基板のレイアウトや製作に移行する前の段階で、回路、コンポーネント、パラメータの解析と改良を図ることができます。
IBISとSPICEの使用例
続いては、IBISモデルとSPICEモデルの使用例を紹介していきます。
IBISモデルの使用例
先述したように、IBISモデルはテキスト・データの形で提供されます。EDAツールを使用してシミュレーションを行う際には、他のコンポーネントが接続されているシンボルの中にそのモデルを取り込みます。シミュレータはモデルに記述されたデータを使用し、特定の条件下におけるバッファの動作の解析／予測を行います。
SiemensのHyperLynxとKeysightのADSには、シミュレーションで使用可能なIBISモデルのシンボルが用意されています。各ツールにおいて、各シンボルは図9のように表示されます。
HyperLynxでは、シングルエンドの入力バッファまたは出力バッファをシミュレーションする場合、図9（左）で強調表示されている最初のバッファを使用します。その中にIBISモデルをロードし、シミュレーションの対象とする特定のバッファを選択します。出力バッファのモデルが選択されたら、同ツールはその出力バッファを自動的に表示します。入力バッファのシミュレーションを実施する場合には、同ツールが自動的にシンボルを入力バッファのシンボルに変換します。
ADSの場合、Signal Integrity-IBISのパレットに様々な種類のバッファのモデルが表示されます。例えば、オープン・ドレイン出力が必要な場合、OSNKというラベルが付加されたシンボルを選択します。終端抵抗のシミュレーションを実施する場合には、Tというラベルが付加されたシンボルを使用します。シンボルの選択を誤ると、エラーが発生する可能性があるので注意してください。例えば、入力バッファが必要なのに出力バッファのシンボルを回路図に配置してしまったとします。その場合、IBISモデルが備える入力バッファのピンを確認することはできません。ADSとしては、出力バッファのピンしかシンボルにロードすることができないからです。
ここで、IBISモデルによるシミュレーションの目的について考えてみましょう。バッファと、伝送線路として機能する配線パターンの間には、インピーダンス・ミスマッチが存在することがあります。IBISモデルによるシミュレーションの目的の1つは、そのミスマッチに起因する望ましくない信号の振る舞いを検出することです。
ここでは、図10（左）に示した回路を例にとります。この回路では50Ωの配線パターンを使用していますが、出力バッファは終端されていません。この回路図を基に、HyperLynxを使用してシミュレーションを実行してみます。図10（右）のシミュレーション結果を見ると、望ましくないオーバーシュートとアンダーシュートが生じていることがわかります。ただ、この問題には、直列の終端抵抗を追加することで対処できます。それにより、バッファと配線パターンの間のインピーダンスをマッチングさせるということです。そのためには、まず出力バッファのインピーダンスを明確にする必要があります。
IBISモデルには、グラウンドを基準とする[Rising_Waveform]とVDDを基準とする[Falling_Waveform]のV-tテーブルが用意されています。これらを使用することで、バッファの出力インピーダンスを導出することができます。つまり、分圧器が構成されていることを考慮すれば、バッファのインピーダンスの値を計算できるということです。得られた値を使用すれば、モデルに追加すべき適切な終端抵抗の値も計算できます。つまり、バッファと配線パターンの間のインピーダンスをマッチングさせることが可能になるということです。インピーダンス・ミスマッチを解消し、信号に望ましくないオーバーシュートやアンダーシュートが生じないようにするためには、この手法が有効です。
図11に示したのは、上述した分圧器の回路図です。Zbがバッファのインピーダンスです。そして、R_fixtureとV_fixtureはモデル内にあらかじめ用意されています。VSETTLEはV-tの波形がセトリングする電圧です。
終端抵抗の値が決まったら、それを回路図に追加します。図13に示したのは、終端抵抗を追加した回路図とそれに対応するシミュレーション結果です。この結果を見ると、オーバーシュートとアンダーシュートが改善されていることがわかります。
上述したのは、バッファのインピーダンスを計算し、インピーダンス・ミスマッチによる問題を解決するための手段の1つに過ぎません。IBISモデルに含まれるプルダウンのV-Iテーブルを使用したり、動作点を特定するために負荷線解析を実行したりするといった方法も考えられます。そうした方法によっても、出力インピーダンスと直列終端抵抗の値を導出することができます。
SPICEモデルの使用例
図14に示したのは、SPICEシミュレーションによって過渡解析を行う例です。ここでは、アナログ・スイッチ「ADG1634L」をシミュレーションの対象とし、その性能を評価します。シミュレーション結果を時間領域でプロットすることで、同スイッチの機能やタイミングについて確認することができます。過渡解析は、指定された期間におけるコンポーネントの動作の予測を可能にします。SPICEモデルを使えば、DC解析やAC解析など、様々な解析手法によってシミュレーションを実施できます。DC解析では、ある範囲のDC入力値に基づいて回路の電圧と電流が計算されます。AC解析を実施すれば、回路の特定のノードにおける信号の振幅と位相を確認できます。AC解析は、周波数領域で回路の動作を確認したい場合に役立ちます。
SPICEとIBISの使い分け
ここまで、SPICEモデルとIBISモデルについて詳しく説明してきました。どちらのモデルを使用すべきなのかは、回路やシミュレーションしたい内容によって異なります。IBISモデルを使用すべきケースとしては、以下のようなものが挙げられます。
- バッファのインピーダンス、駆動能力、立ち上がり時間、立下がり時間など、デジタル I/O バッファの動作特性を把握したい場合
- 評価しようとしているコンポーネントが FPGA などのデジタル・コンポーネントである場合
- コンポーネントを配線パターンに接続した際のデジタル I/Oピンにおける信号の完全性や伝送線路で起こり得る問題を懸念している場合
では、SPICEモデルはどのような場合に使用すべきなのでしょうか。それは、回路シミュレーションにおいて、コンポーネントのより完全な性能が必要とされるケースです。コンポーネントのアナログ・ピン、デジタル・ピン、電源ピンの振る舞いや、回路内の複数のコンポーネントに接続されている場合の動作応答などを把握したい場合にはSPICEモデルを使用するのが最適です。以下のようなケースでは、IBISモデルではなくSPICEモデルを使用すべきです。
- 回路内で使用した場合のコンポーネントの機能と動作性能を評価したい場合
- 様々な解析手法を使って、時間領域／周波数領域のコンポーネントの動作応答を評価したい場合
- 複雑な設計において、集中的な節点解析を必要とする場合や、回路内の電流／電圧ノードの解析を実施したい場合
まとめ
SPICEモデルとIBISモデルは、シミュレーション用のモデルとして広く使われています。これらのモデルを利用することにより、プロトタイピングの段階に移行する前（あるいはプロトタイピングの最中）に、対象とする回路の性能を検証することができます。それにより、コストと時間を節約することが可能になります。SPICEモデルもIBISモデルも、その本質は動作モデルです。一般に、SPICEモデルは、ピン配置、ピンの構成、機能、その他の動作を含むコンポーネントの振る舞いを再現します。一方のIBISモデルは、V-I/V-tのデータ・テーブルを用意することにより、デバイスのI/Oの動作を再現します。これらのモデルをシミュレータ上で利用するには、シンボル用の付随的なファイルが必要になります。SPICEモデルによるシミュレーションを実施すれば、ピンの機能や構成を踏まえた上でコンポーネントの性能を予測することができます。一方、IBISモデルによるシミュレーションは、信号の完全性に関する問題を予測するために使用されることが多いでしょう。例えば、基板上にコンポーネントを実装した際にデジタルI/Oピンで生じるインピーダンス・ミスマッチや、クロストーク、反射、アンダーシュート／オーバーシュートなどについて検証したい場合です。どちらのモデルを使用すべきなのかは、目的に応じて異なります。基板の配線パターンにコンポーネントを接続した際、デジタルI/Oピンの信号の完全性や伝送線路で起こり得る問題を懸念している場合には、IBISモデルの使用を強くお勧めします。一方、コンポーネントを回路内で使用する際、アナログ・ピン、デジタル・ピン、電源ピンの振る舞いやコンポーネントの性能を回路シミュレーションによって検証したい場合には、SPICEモデルを使用することをお勧めします。
参考資料
Gabino Alonso「LTspice活用への第一歩」Analog Dialogue、Vol. 53、No. 4、2019年12月
Mike Engelhardt「SPICE Differentiation（SPICEの差別化）」LT Journal of Analog Innovation、2015年1月
Roy Leventhal「How to Use the IBIS Model（IBISモデルの使い方）」2014年3月
Roy Leventhal、Lynne Green「Semiconductor Modeling: For Simulating Signal, Power, and Electromagnetic Integrity（半導体のモデリング：信号、電力、電磁界インテグリティのシミュレーション）」Springer、2006年
Jermaine Lim、Keith Francisco-Tapan「IBISモデルの開発方法【Part 1】 IBISモデルの開発が設計の成功に不可欠な理由」Analog Dialogue、Vol. 55、No. 3、2021年9月
「Advanced Design System（ADS）」Wikipedia、The Free Encyclopedia、2022年5月
「HyperLynx High-Speed Design Analysis & Verification（HyperLynxにより、高速回路の設計を解析／検証する）」Siemens
「IBIS Modeling Cookbook for IBIS Version 4.0（IBISバージョン4.0のためのIBISモデリング・クックブック）」The IBIS Open Forum、 2005年9月
「LTspice®: Schematic Editor（LTspice: 回路図エディタ）」Analog Devices
「LTspice®: Overview（LTspice: 概要）」Analog Devices
「Why IBIS?（IBISの導入に伴うメリット）」Advanced Micro Devices, Inc.
