[LTspice 활용 가이드] .STEP 명령어를 이용한 반복 분석 및 설계 최적화 기법

반복적인 설계 시나리오 자동화와 매개변수 표(Table)를 활용한 정밀한 회로 특성 분석 가이드

이 기고문은 LTspice의 .STEP 지시문을 활용하여 회로 매개변수를 자동 스윕하고, 중첩된 파형 분석을 통해 설계 트레이드오프를 최적화하는 효율적인 시뮬레이션 기법을 소개한다.[편집자 주]

글_ 안 마하페이(Anne Mahaffey) 수석 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

LTspice의 .STEP 지시문은 회로 매개변수 값을 단계적으로 변경하며 반복적으로 분석을 자동화하는 강력한 도구다. 이 기능을 활용하면 가변에 따른 시뮬레이션 결과를 하나의 파형 창에 중첩해 표시할 수 있다. 이를 통해 개발자는 회로의 동작 특성과 설계 시 고려해야 할 트레이드오프(Trade-off)를 신속하게 파악할 수 있다.

머리말

LTspice는 사용자가 시행착오를 겪어가면서 회로 설계 결정을 개선해 나가는 방식으로 활용될 수 있다. 즉, 회로의 특정 요소를 변경해 가면서 그에 따른 결과 변화를 관찰하는 방식이다. 이러한 검토 과정은 종종 수동 방식으로 수행되지만, LTspice의 .STEP 지시문을 사용하면 하나의 회로에 대해 여러 가지 변형을 자동으로 실행하고 그 결과를 하나의 파형 창에서 확인할 수 있다.

컴포넌트 값을 정의하기 위한 매개변수 사용

.STEP 지시문을 적용하려면 먼저 단계적으로 변화시킬 매개변수부터 정의해야 한다. 그림 1은 이를 예시한 것이다. 이 예에서는 펄스 신호가 RC 회로에 입력되고, OUT 노드에서의 반응이 파형 형태로 관찰된다. 이 예제 회로는 Step-Example.asc 파일에서 다운로드할 수 있다.

Alt + R 키를 누르거나, 또는 메뉴에서 Simulate → Run/Pause를 선택해 시뮬레이션을 실행한다. 이제 OUT 노드 위에서 마우스 왼쪽 버튼을 클릭하면 Waveform Viewer에서 결과 파형을 확인할 수 있다.

R1은 1kΩ의 고정값으로 설정되었지만, C1은 변수 {X}로 설정되어 있다. X 주변에 사용된 중괄호는 X가 변수라는 것을 LTspice에 알려준다(그림 2). 컴포넌트 값을 변경하려면 값(value)을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하거나 컴포넌트 심볼을 오른쪽 버튼으로 클릭해 보다 상세한 컴포넌트 속성 창을 열어 수정할 수 있다.

회로도에서는 .PARAM 지시문을 사용해 변수 X의 값을 설정한다:
.PARAM X 0.1u

.STEP을 사용한 매개변수 값 스윕

이 회로도를 여러 개의 X 값에 대해 단계적으로 시뮬레이션하도록 변경하려면 먼저 .PARAM 지시문을 주석 처리해야 한다. 이는 Shift 키를 누른 상태에서 해당 지시문을 클릭하면 된다. 주석 처리된 지시문은 회로도에서 파란색으로 표시된다.

그런 다음 키보드에서 마침표(.) 키를 누르거나 메뉴에서 Edit → SPICE Directive를 선택하여 새로운 지시문을 추가한다.

STEP 값은 목록(List) 형태로 지정할 수 있다:
.STEP PARAM X LIST 0.1u 0.2u 0.3u

또는 STEP 값을 범위(range) 형태로 지정할 수도 있다:
.STEP PARAM X 0.1u 0.3u 0.1u

두 번째 예문에서는 X 값이 0.1u에서 0.3u까지 0.1u 간격으로 단계적으로 변화한다. 두 방법 모두 X 값이 0.1u, 0.2u, 0.3u의 세 가지 값으로 설정되는 동일한 결과를 얻는다. .STEP 지시문의 추가적인 사용 예제와 문법은 LTspice 도움말 매뉴얼의 .STEP 항목에서 확인할 수 있다.

결과 확인 및 스텝 범례 추가

시뮬레이션을 실행한 후 Waveform Viewer에서 OUT 노드를 그래프로 나타내면 서로 다른 세 개의 파형이 표시되는 것을 확인할 수 있다.

Waveform Viewer에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭한 다음 Notes & Annotations → Annotate Steps를 선택한다. 이후 Waveform Viewer에 스텝 범례(step legend)를 배치한다(그림 3).

트레이스 레이블 V_(out)을 클릭하면 커서가 표시된다. 상/하 방향 표시 화살표 키를 사용하면 스텝 파형 간 전환이 가능하다. 또한 커서를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하면 그림 4와 같이 해당 스텝의 정보를 확인할 수 있다.

동일한 시뮬레이션에서 여러 매개변수 스텝 적용

회로도에 두 번째 .STEP 지시문을 추가하면 LTspice는 두 매개변수의 모든 가능한 조합에 대해 시뮬레이션을 수행한다. 매개변수 Y를 스윕하는 두 번째 .STEP 지시문을 추가하여 해당 동작을 확인하고, R1의 값을 {Y}로 설정한다.

Y에 대한 스윕 예시는 다음과 같다:
.STEP PARAM Y LIST 500 800 1.1k

그런 다음, 시뮬레이션을 실행하고 업데이트된 파형을 확인한다(그림 5).

C1과 R1은 각각 세 가지 스텝 값을 가지므로 총 9개의 시뮬레이션이 수행되며, 결과는 Waveform Viewer에 모두 표시된다. 또한 스텝 범례는 각각의 시뮬레이션을 실행하는 데 사용된 매개변수 값을 표시하도록 자동으로 업데이트된다.

표를 사용하여 매개변수 값 조합을 단계적으로 적용하는 방법

여러 개의 .STEP 지시문을 추가하는 것은 다양한 시나리오 조합을 스윕하기 위한 효과적인 방법이다. 그러나 단일 .STEP 지시문과 매개변수 표를 함께 사용하면, 시뮬레이션 실행 횟수를 줄이면서 더 넓은 범위의 값을 대상으로 보다 목표 지향적인 분석을 수행할 수 있다. 이와 관련된 예제 회로는 Step-Table-Example.asc 파일에서 다운로드할 수 있다.

표에 정의된 값들을 순차적으로 적용하려면 먼저 표의 위치를 나타내는 매개변수를 스윕하는 하나의 .STEP 지시문을 추가해야 한다:
.step param n 1 5 1

그리고 각 매개변수 값을 표 형태로 정리한 여러 개의 .PARAM 지시문을 추가한다:
.param X=table(n, 1, 0.1u, 2, 0.2u, 3, 0.3u, 4, 0.4u, 5, 0.5u)
.param Y=table(n, 1, 100, 2, 200, 3, 500, 4, 800, 5, 1k)

이 예제에서는 총 다섯 번의 시뮬레이션이 실행되며, 그 결과는 표 1과 같다:

표 1. 예제 .STEP 표 시뮬레이션에서 n 값에 따른 매개변수 X값과 Y 값

n	1	2	3	4	5
X	0.1u	0.2u	0.3u	0.4u	0.5u
Y	100	200	500	800	1k

결론

.STEP 지시문을 다양한 분석 방법과 함께 활용하는 것은 회로의 동작 특성과 설계 트레이드오프를 보다 깊이 이해할 수 있게 해주는 유용한 LTspice 활용 기법이다.

[제공. 아나로그 디바이스(ADI), https://www.analog.com/]

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저자 소개

안 마하페이(Anne Mahaffey)는 2003년에 아나로그디바이스(ADI)에 입사하여 다이렉트 디지털 합성 제품을 담당하는 테스트 엔지니어로 근무했다. 그는 조지아 공과대학교에서 전기공학 학사 학위를, 노스캐롤라이나 주립대학교에서 전기공학 석사학위를 취득했다. 그는 10년 넘게 프리시전 스튜디오(Precision Studio) 도구 모음의 설계 도구 설계 및 지원 업무를 담당해 왔으며, 현재는 수석 애플리케이션 엔지니어로서 LTspice®를 지원하고 있다.