LTspice活用のおぼえがき

基本的に自分のためのおぼえがきです、なのであまり初心者向けではありません。
分かったことがあれば時々内容が増えます。
間違ったことを書いているのを見つけてしまった場合は、こっそり教えてください。

コピー、利用、改変も再配布もOKです

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概要

 LTspiceはアナログ半導体に強いリニアテクノロジー社が、
ユーザーサービスのためにリリースしている、SPICEエンジン搭載の電子回路シミュレータです。
 フリーというと機能制限や、試用期間が設定されていると思われがちですが、
LTspiceは機能制限ナシです。
 もちろんあらかじめ登録されているデバイスはリニアテクノロジー社の物がほとんどですが、新規に部品登録も可能です。

 最新バージョン「LTspice IV」のプ レスリリースです。 20090107
 
 そのほかにもリニアテクノロジーサイトで、LTspiceのほかにもアナログ回路設計サポートツールがいろいろ公開されています。
 紹介はこちらです。 リニアテクノロジーの回路設計サポートツール について 

トピック



プローブをつかいこなせ

 シミュレーションは実行しただけでは計算結果の数値の羅列です。
 グラフにすることでシミュレーション結果の理解につながります。
 LTspiceでは回路中任意のポイントの電圧、任意の部品端子の通過電流、任意の素子の消費電力が観測できます。
 シミュレーションの実行後、回路図にマウスカーソルを持ってゆくと、右図のようにマウスカーソルの形が変るはずです。
 
 電圧プローブはすぐ判ると思いますが、電流プローブは”素子”の端子部分でしか出てきません。
 
 電流プローブには方向性があるので注意です。
 矢印の方向に電流が流れていると”+(プラス)”の電流値になります。

 また[alt]キーを押しながら素子にマウスカーソルを近づけると温度計になり、電力プローブになります。 
トランジェント解析のとき

 波形表示画面では[ctrl]キーを押しながら表示項目をクリックすると平均値を表示するダイアログが開きます。
 
 ダイアログでは電圧や電流の場合には平均値と実効値、電力の場合には平均値と電力量が表示されるようです。
 
 ちなみに表示項目内で演算も可能で、演算結果に応じてスケールの単位も自動で変更されます。
 
 たとえば電流値と電圧値を掛け算すると電力して扱われて単位が[W]になります。
 もちろん割り算すれば[Ω]あるいは[Ω-1]になります。

 トランジェント解析では直交座標(カルテシアン Cartesian)のみです。


 AC解析ではボーデBODE、ナイキストNyquist、カルテシアンCartesian(直交座標)が選択できます。

理想的な測定が出来る!

 シミュレーションの良いところは、回路の理想的な測定が出来るところ です。
 シミュレーション上の仮想的なプローブには容量もインピーダンスもありません。
 電圧源も”双方向”!いわゆるバイポーラというやつです。
 電圧源から電力を取り出すだけではなく、逆流させることが出来ます。
 物理的な測定器である”電源”で、この逆流を実現させるには2回りも高価なバイポーラ電源でないと出来ません。 

 この例はステップダウン同期型DCDCの負荷側が、DCDCの出力電圧よりも上昇してしまった場合のシミュレーションをしています。
 
 V(out)の電圧は2.7Vぐらいで上昇を抑えられ、かつV(in)側に電流が逆流しています。
 これは同期型DCDCがV(in)側から見るとステップダウンコンバータですが、V(out)側から見るとブーストコンバータなので双方向動作が可能な のです。

 これは2次電池の電圧変換に使うと、充電も放電も出来ます。 

シミュ レーションファイル一式
を置いておきますが、計算量が多めなのでちょっと時間がかかります。

 DCDCコンバータで電力が逆流している様子を観察してみてください。


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あるパラメータを、幾つかの条件に変更してシミュレーション ”ステップ”

 入力条件をいくつか変更しながらシミュレーションした波形を同時に見 たいとき。
 ".step"で条件を設定できます。
 この例は、バリキャップで通過周波数をチューニングするBPFです。
".step param Vtune list 0 5 20"
でV1の電圧を0V、5V、20Vに変更しています。

 青い線で見辛いですがBPFの通過周波数が変化しています。結合量は変化させていないのでリターンロスも通過比帯域幅も変化してしまっています。

 インダクタンスの結合量は"K3 L1 L2 .95"で表現しま す。 L1とL2は95%結合を指示しています。 変数にする時は{Kcup}と いうように{}でくくります。
 
  LTCのサンプル回路に".net I(R3) V2"を書き加 えたのでSパラメータで観測できます。

シミュレーションファイル一式

S11の位相も表示されていてちょっと見えづらいです。

グラフ右側の軸は位相です。 [°](度)が文字化けして[<]になっています。
 ちなみにシミュレーションファイルには、プロットセッティングファイ ルも入っています。
 プロット側の窓を選択している状態で
 メニューの
[Plot Settings]から
[Reload Plot Settings]で読み込めます。

 [Save Plot Settings]も見えますね。




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LTspiceでキャビティーBPFを設計する。 Sパラメータ表示

4ポールのBPFです。

LやCにロス分を考慮していないので通過帯域の損失がほとんどないです。

でもリターンロスの波形がきれいでしょ? ちゃんと4つの極の数だけ角があります。
LTspiceは4端子パラメータ解析が出来ます。これはSパラメータを表示させました。

やりかたは 信号の電圧源に出力インピーダンスを設定して、負荷抵抗をつける。
".net I(Rout) V1" でLTSPICE に入力電圧源と負荷抵抗を教えてあげると、4端子パラメータを計算してくれます。
{cap1}とか{cap2}は変数で".params cap1=0.1001P" で0.1001PFを指定しています。

シミュレーションファイル一式


 シミュレーションの定数から考えると、
素子は銀メッキ銅パイプの空心コイルにシリンダトリマコンデンサ、結合は窓って感じですね。
 入出力端子からタン クへの結合はコンデンサ結合よりインダクタ(L5,L6)で結合したほうが
高域の減衰量が取れて実用的ですよ。
 素子感度が高くなるので温度特性は十分な確認が必要です。
 最近はSAWフィルタや誘電体フィルタのほうが一般的かな。

2SC3358で広帯域アンプを作ってみました。

2SC3358はここか らもらったSPICEパラメータが入っています。 SパラメータモデルではないのでUHFの特性はあまりあてになりませんが、参考まで。

あの手この手でフラットゲインと、入出力のインピーダンスが50オームになるよう手を尽くしました。

シ ミュレーションファイル一式

 実際のアンプでは帰還部分にインダクタを入れると発振しがち・・・ おまけに帰還される電力が結構大きくてゲインに影響が出る。


右側の軸は虚数部です。 Ωの前に[i]が入っています。
インピーダンスブリッジで
Sパラメータプロット

 インピーダンスブリッジを回路図に追加してS11を電圧としてプロットできるようにしています。
 この回路図はなぜか信号の流れが左=>右になっているので注意です。


サンプル回路で
ドライブ:\Program Files\LTC\SwCADIII\
examples\Educational\
contrib\elip_grd.asc
のファイルです。
 
4端子対パラメータのプロット方法についてお問い合わせいただきました ので説明を追加します。 20091113

プロット画面(下側のグラフ)上にマウスカーソルを合わせて、マウスを右クリックすると 
 
右図のようなメニューが出てきます。
メニュー内の[Add Trace]をクリックすると下の画面になります。
[Add Trace]をクリックするとAdd Trace to Plotダイアログが出てきます。

ダイアログ内には
Avaliable Data(表示できるデータ)の一覧が表示されています。

それぞれマウスでクリックするたび
Expression(s) to add:
に加えて表示させるパラメータが列挙されてゆきます。

ココでOKをクリックすると、列挙されたパラメータが加えてプロットされます。
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スイッチング電源で、回路図上に各部品の消費電力を表示する。

 LTspiceはスイッチング電源の設計に役立つように構成されてい ます。
 スイッチング電源の高速シミュレーションのほかにも効率の算出が可能です。

 電源入力のNETに”IN”と名づけ、出力には”OUT”とつけます。 負荷は必ず電流源にします。

 トランジェント解析のオプション”steady”をつけて実行すると効率表示が可能になります。

負荷の電流源は、シミュレーション開始直後の電流値を抑えてあります。 起動直後から4Aを流そうとするとDCDCが起動しなかったので・・・ 
PWL(0 0 20m 20.001m 4)
ってやつです。
これでシミュレーションを始めて20msec後に電流値が4Aになります。

回路はLTCのサンプル回路を少し変更。






サンプルファイルはLTspiceをインストールしていれば
c:\Program Files\LTC\SwCADIII\examples\jigs\1625.asc
あたりにあるはずです。
自分で回路を変更して”Efficiency Report表示”を試してみてください。
効率表示例
効率データはクリップボードに出力する他、LTspiceの回路図上にも表示できます。


回路図上に効率、消費電力を表示する。
メニューの
[View][Efficiency Report][Show on Schematic]
ってもんです。

ココが有効になるには、上に書いた条件(net名 IN OUTを指定する。.tranにsteadyを入れる)が必要。
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DCスウィープ解析 3次元まで対応

DCのパラメータスウィープ解析も可能。
 どのソースをどの範囲で可変するか、ステップは幾つかをシミュレーションコマンドで指定する。

".dc V1 0 15 10m I1 0 100u 10u"
ってやつです。

良く見るカーブが出てきました


回路はLTCのサンプル回路
ドライブ:\Program Files\LTC\
SwCADIII\examples\
Educational\curvertrace.asc
です。
 ところが実際のデバイスと異なる点は”SPICE上の部品は壊れない。”ということ。

 汎用トランジスタの2N2222に1kVかけようが、1A流そうが発熱しないし、ブレークダウンしないし、ハジケない!
 
 そこんとこは必ずデバイスのデータシートで絶対最大定格を確認してね。
 趣味で使うなら余裕のあるデバイスを選べばいいが、仕事ではコストとの兼ね合いでぎりぎりの定格で行くこともある。
 そんな場合は実際に回路を組んで、想定される電圧電流温度などの環境に晒してテストするしかない。
 
 ちゃんと回路を試作してテストしましょう。
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素子数の制限ナシ

三端子レギュレータの等価回路を置いて、消費電力制限機能をシミュレー トしたもの。

素子は合計40個ぐらい

波形表示では電圧と電流を掛け算すれば、自動的に軸の単位が[W]になる。

回路はLTCのサンプル回路




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複数スレッド対応

 現在のバージョン から複数スレッドに対応しているようです。 SPICEエンジンが発行する最大スレッド数を指定できます。

 複数のプロセッサを搭載したPCが当たり前になっているのでかなり有効!

 CORE2DUOでもCPU使用率が100%になります。 
 単純にこれまでの倍速です。
 
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LTspiceとは

LTspiceヘルプの 序文と概要を翻訳サイトで翻訳しました
雰囲気を読み取ってくださいw

ところどころに”=>”でコメントをいれてあります。

Preface

序文

Do we need another SPICE?
 私たちは別のSPICEを必要としますか?
Analog circuit simulation has been inseparable from analogIC design.
 アナログ回路シミュレーションはanalogICデザインから不可分でした。
SPICE simulators are the only way to test circuitry prior to integration onto a chip.
 SPICEシミュレータは統合の前にチップに回路を検査する唯一の方法です。
Further, the SPICE simulation allows measurements of currents and voltages that are virtually impossible to do any other way.
 さらに、SPICEシミュレーションはいかなる他の方法でもするのが実際には不可能な電流と電圧の測定値を許容します。
The success of these analog circuit simulators has made circuit simulation spread to board level circuit design.
 これらのアナログ回路シミュレータの成功はボードレベルサーキットデザインに広げられたサーキットシミュレーションをしました。
It is easier in many cases to simulate rather than breadboard, and the ability to analyze the circuit in the simulation for performance and problems speeds the design of well-understood, robust circuits.
 多くの場合、それはブレッドボードよりむしろさらにシミュレートしやすいです、そして、性能と問題のためのシミュレーションでサーキットを分析する能力 はよく理解されていて、強健なサーキットのデザインを促進します。


Given the number of commercially available SPICE simulators why should a new simulator be written?
  商業的に利用可能なSPICEシミュレータの数を考えて、新しいシミュレータはなぜ書かれているべきですか?
Because certain analog functions are extremely difficult to simulate with commercially available SPICE simulators.
 あるアナログの機能は商業的に利用可能なSPICEシミュレータでシミュレートするのが非常に難しいので。
Switch-mode power supplies have fast high frequency switching square waves as well as slow overall loop response.
 スイッチモード電源には、遅い総合的な輪の応答と同様に速い高周波切り換え矩形波があります。
This means simulations must run for thousands to hundreds of thousands of cycles in order to see the overall response of a switching regulator.
 これは、シミュレーションがスイッチングレギュレータの総合的な応答を見るために数千から何十万サイクルの間も走らなければならないことを意味します。
Commercially available SPICE's simply take too long for this to be a useful simulation method.
 また、商業的に利用可能なSPICEのものに、これが役に立つシミュレーション方法であるために単に時間がかかります。
Simulation times for a switch-mode power supply must be in minutes not hours for a simulator to be useful.
  シミュレータが役に立つように、スイッチモード電源へのシミュレーション時間は何時間でないもの数分間あるに違いありません。


There have been analog circuit simulation methods that have shown some success in speeding up switch mode power supply simulation but at a cost of making simplifying assumptions which don't allow arbitrary control logic and fully simulate the complexity of the switching waveforms.
 スイッチモード電源シミュレーションを早くするのにもかかわらずの、作成の費用における何らかの成功が任意の規制論理を許容して、完全に切り換え波形の 複雑さをシミュレートするというわけではない仮定を簡素化するのを示したアナログ回路シミュレーション方法がありました。
A new SPICE with integrated logic primitives that perform the switch mode control provides a better answer.
 スイッチモード制御装置を実行する統合論理基関数がある新しいSPICEは、より良い答えを提供します。
It can give fast simulation times, yield detailed waveforms, and still allows the flexibility for arbitrary circuit modifications.
 それが速いシミュレーション時間を与えることができて、利回りは、波形について詳述して、まだ任意のサーキット変更のための柔軟性を許容しています。



SwitcherCAD_III is a new SPICE that was developed for modeling board level switching regulator systems.
 SwitcherCAD_IIIはモデル取締役会レベルスイッチングレギュレータシステムのために開発された新しいSPICEです。

Incorporated into the new SPICE are circuit elements to model practical board level components.
 新しいSPICEに組み入れられているのは、実用的な取締役会レベルコンポーネントをモデル化する回路素子です。

Capacitors and inductors can be modeled with series resistance and other parasitic aspects of their behavior without using subcircuits or internal nodes.
 「サブサーキット」か内部のノードを使用しないで、彼らの振舞いのシリーズ抵抗と他の寄生的な局面でコンデンサーとインダクタをモデル化できます。
=>インダクターとコンデンサは サブサーキット化したり内部ノードを使わなくても 直列抵抗やそのほかの寄生素子を表現できます。

 Also, a simulation circuit element was developed for power MOSFET's that accurately 5 exhibits their usual gate charge behavior without using sub-circuits or internal nodes.
また、シミュレーション回路素子はパワーMOSFETのもののためにそんなに正確に開発されて、5がサブサーキットか内部のノードを使用しないで彼らの普 通のゲート料金の振舞いを示すということでした。
=> MOSFETのゲートチャージもちゃんとシミュレーションしてるyo

 Reducing the number of nodes the simulator needs to solve significantly reduces the computation required for a given simulation without compromising the accuracy or detail of the switching waveforms.
シミュレータが解決する必要があるノードについて数を減らすのは与えられたシミュレーションに切り換え波形の精度か細部で妥協しないで必要である計算をか なり抑えます。

 Another benefit of these new simulation devices is that convergence problems are easier to avoid since they, like the board level component the model, have finite impedance at all frequencies.
これらの新しいシミュレーション装置の別の利益が集合問題は以来により避けやすいということである、それら、取締役会レベルコンポーネントが好きである、 モデル、すべての頻度で有限インピーダンスを持ってください。
=>これらの新しい(シミュレーション上の)部品はすべての周波数で有限のインピーダンスを持ち、現実の部品に良く似ていてconvergence problemsを避けるのが簡単になった


Modern switch mode power supplies include controller logic with multiple modes of operation.
 現代のスイッチモード電源は複数の運転モードがあるコントローラ論理を含んでいます。

 For example, devices may change from pulse switch modulation to burst-mode or to cycle skipping depending on the circuit's operation.
例えば、サーキットの操作によって、装置はパルススイッチ変調からバーストモードまでサイクルスキップであることに変化するかもしれません。

 An original new mixed-mode compiler and simulator were written into SwitcherCAD III that allows these products to be realistically modeled in a computationally fast manner.
オリジナルの新しいミックスト・モードコンパイラとシミュレータはこれらの製品が計算上速い方法で現実的にモデル化されるのを許容する SwitcherCAD IIIに書かれました。


There are currently approximately seven hundred Linear Technology products modeled in SwitcherCAD III.
現在、SwitcherCAD IIIでモデル化されたおよそ700個のLinear Technology製品があります。

 The program is freely downloadable from the Linear Technology website and is a high-performance general-purpose SPICE simulator.
プログラムは、Linear Technologyウェブサイトから自由にダウンローダブルであり、高性能汎用SPICEシミュレータです。

 Included are demonstration files that allow you to watch step-load response, start-up and transient behavior on a cycle-by-cycle basis.
含まれているのは、あなたがサイクルごとのベースでステップ荷重応答、上にから始まって、および遷移挙動を見ることができるデモンストレーションファイル です。

 Included with the SPICE is a full-featured schematic entry program for entering new circuits.
SPICEで含まれているのは、新しいサーキットに入るための完全装備の回路図入力プログラムです。


SwitcherCAD III is designed to be used by three different types of design engineers: those who know what they're doing, those who think they know, and those who are sure they know absolutely nothing about switching regulator design.
3つの異なったタイプの設計技師によって使用されるように、SwitcherCAD IIIは設計されています: 彼らが何をしているかを知っている人、彼らが知っていると思う人、および確かなそれらであるものはスイッチングレギュレータデザインに関して何も絶対に知 りません。

 The experienced designer needs a "what if" program that allows him to quickly alter aspects of a circuit to find an optimum design.
経験豊富なデザイナーは最適なデザインを見つけるためにすぐにサーキットの局面を変更できる“what if"プログラムを必要とします。

 The neophyte needs a cookbook approach that yields a reliable design based on the simplest of inputs.
新改宗者(=>新米?)は最も簡単な入力に基づく信頼できるデザインをもたらす料理の本アプローチを必要とします。

 The "loose cannon" designer needs a program that will allow him to exercise his free will, but will be intelligent enough to alert him to fatal design flaws.
「ゆるい大砲」デザイナーは彼が自由意思を運動させるのを許容しますが、致命的な設計上の欠陥に彼の注意を喚起することができるくらい知的になるプログラ ムを必要とします。

To that end, we made SwitcherCAD III an extremely flexible "what if" electronic design tool that has warning labels when things are getting out of hand.
そのために、私たちはSwitcherCAD IIIをいろいろなことが手に負えなくなっているとき警告ラベルを持っている非常にフレキシブルな“what if"電子デザインツールにしました。

We designed the program to have a complete initial design cycle based only on the essential inputs of voltage and power requirements.
私たちは、完了している初期のデザインサイクルを電圧と所要電力の不可欠の入力だけに基づかせているようにプログラムを設計しました。

 This allows the terrified designer to start with a working circuit, permits the experienced designer to have unlimited 6 fun changing things, and, we hope, provides enough safeguards to prevent bad designs.
これは、脅かされたデザイナーが働くサーキットから始まるのを許容して、ものを変えながら経験豊富なデザイナーが無制限な6をおもしろくすることを許可し て、悪いデザインを防ぐことができるくらいの安全装置を前提とします願っていること。



Please be aware, however, that SwitcherCAD III is not intended as a total solution.
しかしながら、SwitcherCAD IIIが完全な解決策として意図しないのを意識してください。

 It is only a tool to ease the design procedure, which must also include breadboarding and testing. Use common sense with the results obtained from simulation.
それは設計手順を緩和するツールにすぎません。(また、設計手順はブレッドボーディングとテストを含まなければなりません)。 シミュレーションから得る結果と共に常識を使用してください。
=>・・・常識を使用してくださいw

SwitcherCAD III Overview 概要

SwitcherCAD III is the third generation switching regulator design program by Linear Technology.
SwitcherCAD IIIはLinear Technologyによる第三世代スイッチングレギュレータデザインプログラムです。

 The program consists of a high performance SPICE simulator extended with a mixed mode simulation capability that includes new intrinsic SPICE devices for macromodeling Switch Mode Power Supply(SMPS) controllers and regulators.
プログラムはmacromodeling Switch Mode Power Supply(SMPS)コントローラと監視委員のための新しい本質的なSPICEデバイスを含んでいるミックスト・モードシミュレーション能力で広げら れた高性能SPICEシミュレータから成ります。
監視委員=>レギュレータ

 The program includes an integrated hierarchical schematic capture program that allows users to edit example SMPS circuits or design new circuits.
プログラムはユーザが例のSMPS回路を編集するか、または新しい回路を設計する統合階層的な概要の捕獲プログラムを、含んでいます。

 An integrated waveform viewer displays the simulated waveforms and allows further analysis of the simulation data.
統合波形のビューアーは、シミュレートされた波形を表示して、シミュレーションデータのさらなる分析を許します。

 There is a built-in database for most of Linear Technology's power ICs and many passive components.
Linear TechnologyのパワーICと多くの受動素子の大部分の内蔵のデータベースがあります。

 The device database, schematic editing, simulation control and waveform analysis are integrated into one program.
デバイスデータベース、概要の編集、シミュレーションコントロール、および波形解析は1つのプログラムと統合されます。


Due to the mixed mode simulation capability and many other enhancements over previous SPICE programs, the simulation speed is greatly improved while simulation accuracy is retained.
前のSPICEプログラムの上のミックスト・モードシミュレーション能力と他の多くの増進のため、シミュレーション精度は保有されますが、シミュレーショ ン速度は大いに改良されます。

 Detailed cycle-by-cycle SMPS simulations can be performed and analyzed in minutes.
数分間サイクルごとの詳細なSMPSシミュレーションを実行して、分析できます。

 A user can get a detailed analysis of power systems with a few mouse clicks without knowing anything about the device, SPICE or the schematic capture program.
装置、SPICEまたは概要の捕獲プログラムに関してマウスを数回クリックすれば何も知らないで、ユーザはパワー・システムの詳細に渡る分析を得ることが できます。

 Pre-drafted demo circuits can be used as a starting point to build the custom circuit to fit different power supply requirements.
異なった電源要件に合うようにカスタム回路を造るのに出発点としてあらかじめ作成されたデモサーキットを使用できます。

 After the new schematic is created, the system can be simulated and a report generated.
 後に、新しく概要は作成されて、システムは作られたシミュレートされるのとaレポートであるかもしれません。



The program's integrated hierarchical schematic capture and SPICE simulator are completely available for general use.
プログラムの統合階層的な概要の捕獲とSPICEシミュレータは一般的使用に完全に利用可能です。

The improved performance of the SPICE simulation engine is 7 a benefit for simulating general analog circuits and should be of interest to all electronic engineers.
SPICEシミュレーションエンジンの向上した性能は、一般的なアナログ回路をシミュレートするための1利益あたり7であり、すべての電気技師にとって、 興味深いはずです。

 With over 500,000 copies distributed so far, many users have reported that LTspice/SwitcherCAD III is their main simulation/schematic capture tool.
コピー50万部以上が今までのところ分配されている状態で、多くのユーザが、LTspice/SwitcherCAD IIIが彼らの主なシミュレーション/概要の捕獲ツールであると報告しました。

 We hope you enjoy the program and find it useful.
私たちは、プログラムを楽しんで欲しく、それが役に立つのがわかりました。

=>ココまで
ほかにもHELPを訳した方がいらっしゃいましたら、私にも教えてください。
希望がありましたらここに掲載も可能です。



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変更履歴
20090108   新規作成
20090126 LTspiceのスペルを"LTspice"に統一
20090127 インダクタの結合量表現、パラメータの変数化を追記
20090201 プローブを使いこなせ 追加
20090509 トラ技記事原文掲載
20091113 Sパラメータ表示の操作方法を追記



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