超微小電流を検出するための回路を検討するのにTIの回路シミュレータTINA-TIを使ってみたところ、思いのほか使い易くて感心した話です。
TINA-TIはTexas Instrumentsが提供しているSPICEベースの回路シミュレータで登録すれば無償で使うことが出来ます。
回路シミュレータはマイコン技術者の必須ツール
マイコンが高性能になってソフトウェアで信号処理が出来るようになってもアナログ回路の知識が無くては実用的な回路は組めません。
例えばマイコンの出力でモーターを動かす場合のモータードライブ回路、センサの入力をA/D変換して取り込む部分にはアナログ素子を使った回路が必要です。
0～3.3Vの電圧を取り込むだけなら入力電圧を直接マイコンのピンに接続してもA/D変換した値を得ることが出来ます。
ただしノイズ等で範囲外の電圧が加わってもマイコンを壊さないための保護回路や正確な電圧を取り込むためのローパスフィルター・入力インピーダンスの整合を考慮して実用的な回路を組むためには簡単なアナログの知識が必要となります。
かく言う私もアナログ技術を専門的に勉強したことは無く基本的なオペアンプの使い方や入力インピーダンスについてはインターネットで収集した情報と試行錯誤で得た経験で対処できるようになりましたが、オペアンプを使ったフィルター回路（アクティブフィルター）を設計する場合に理論的な計算式から定数を求めることは出来ません、というかそんな面倒なことは今更やりたくありません。
回路シミュレータを使えばアナログ回路を設計するための難しい理論を知らなくても入力信号と出力の関係をグラフで確認しながら回路設計が出来るためデジタル回路が得意なマイコン技術者でもアナログのインターフェース回路まで自分で設計できるようになります。
回路シミュレータの役割
アナログ信号の入力に良く使われているアクティブフィルターについてはWeb上に様々な回路例や定数を求める計算サイトを提供されている親切な方がおられるのでそれを利用すれば基本的な回路設計が出来ます。
しかし実際のOPアンプは出力電圧電流の制限、入力バイアス電流、入力オフセット、周波数特性、位相遅れ等様々な動作に影響を与える特性があります。
端的な例だと理論的にはOPアンプを使ってフィードバック制御でモータードライブが出来ますが実際には出力電流の制限、発熱の問題でOPアンプを使ったモーターのドライブ回路は全く実用に適していません。
試作回路を組んでテストする前に回路シミュレータで実際のICを使った回路の動作特性をチェックしておくことで失敗の確率が減り開発を効率的に行うことが出来ます。
回路シミュレータを使っても実際の回路と全く同じにはなりませんがデバイスモデルは良く出来ているのでかなり精度のよいシミュレーションが可能となります。
回路シミュレータは簡単に使えるか？
有用で出来れば使いたい回路シミュレータですが設計の補助的ツールとして使う場合が多いので、使い勝手が悪いと使うのが面倒になります。
最近はちょっとした基板CADにも回路シミュレータ機能は統合されていますが使い勝手が悪く、つい使うのが億劫になっていました。
使いたいアナログICが最初から入っていることは殆ど無いので、そのICのデバイスモデルを探してきてシミュレータに組み込んで使うことになりますが、その手順が結構面倒なのです。
TI提供のTINA-TIが想定外の使い易さだった件
検討していたのはイオン数を測る測定装置が特殊なOPアンプを使うものでした。
イオンが保有する電荷は電気素量
e =1.6021766208(98)×10−19 C
単位なので イオン一個単位で検出しようとすれば サブa（アト 10−18）単位の電流 を測定する回路が欲しいところです。
実際にはアトという単位はOPアンプのデータシートで使用されることはなくそのような回路は実現不可能ですが少なくともf（フェムト 10−15 ）オーダーの分解能を持つ回路が必要となります。
そのような回路を実現するためには出来るだけ入力電流が小さいOPアンプが必要なので、DigiKeyのリストで入力バイアスの小さい順に並べるとTIのLMC6041という入力電流Typ. 2fAのOPアンプが最上位に出てきます。
このLMC6041 を回路シミュレータで使うためのデバイスモデルがTIのサイトで見つかり、このデバイスモデルを基板CADのシミュレータに組み込むための情報を検索していると「TIの回路シミュレータTINA-TIなら簡単にLMC6041のデバイスモデルが使える。」と書いてあるのが目に留まりました。
「新しいシミュレータの使い方を覚えるのは面倒だけど、とりあえずインストールして使ってみようか。」と軽い気持ちでダウンロード＆インストールして使ってみたところ、
何度かの試行錯誤はありましたがヘルプを見ることなく回路の入力から過渡解析の結果をグラフに出力するところまで出来てしまいました。
今まで使っていたシミュレータで手間取っていた信号源やコンデンサ、抵抗のパラメータを変更して再解析する手順も簡単ですっかりこのシミュレータのファンになってしまいました。
お勧めの回路シミュレータ
余り高度な使い方は出来ない私ですが今まで使った回路シミュレータの中でこのTIのTINA-TIはダントツお勧めのシミュレータです。
TIが提供していないパーツのデバイスモデルを組み込むための手順は調べていませんし、それなりに面倒だと思いますが、ベーシックなOPアンプLM358を作っていたナショナルセミコンダクタや高機能なA/Dコンバータを作っていたバーブラウンも今はTIの一部門になっているのでTIのアナログICだけでもたいていのことは出来そうな気がします。
この回路シミュレータを使った結果としてTIのアナログICを多用することになってしまうのがTIの営業戦略だと思いますが設計者としては簡単確実に望み通りの動作をする回路が出来さえすればよいのですから有り難いことです。
最近は各社から電子部品の３Dデータが提供されていて基板CADのフットプリントに組み込むことで基板の３Dモデルが出力出来てケースとの干渉を簡単にチェックできるようになった結果、コネクタ等は３Dモデルのある部品を優先的に選定するようになってしまいました。
アナログ素子も回路シミュレータで簡単に動作確認ができる部品を優先的に使っていくようになると思いますので他のメーカーにも使い易い回路シミュレータの環境作りに頑張ってほしいものです。