CN102270248A - 通用spice等效电路仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种通用SPICE等效电路仿真系统及方法，该系统包括：资料读取模块，用于从存储设备内读取Tabular W-element格式的资料文件，利用内差算法从该资料文件中获取RLGC传输线矩阵；矩阵转换模块，用于将传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；参数选择模块，用于使用内差算法选定S参数频率范围，选定向量拟合算法所需的极值-残值数量；等效电路产生模块，用于基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生对应于S参数矩阵的有理数函数矩阵，及根据该有理数函数矩阵产生相应的等效电路。实施本发明，能够将Tabular W-element格式的资料文件导入到通用SPICE格式的仿真软件下仿真等效电路。

Description

通用SPICE等效电路仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电路仿真系统及方法，特别是关于一种通用SPICE等效电路仿真系统及方法。

背景技术

封装与印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)通道中的微带(microstrip)与带线(stripline)架构传输线，透过场效求解(Filed Solver)软件，例如Ansoft公司的Q3D软件或Synopsys公司的Hspice软件，可输出频率相依电阻、电感、电抗、电容(Frequency dependent RLGC)模型来表示等效的传输线效应。其次，为了解决模型因果关系与精准度问题，例如传输线肌肤效应和介电损失。在电路仿真流程中，可使用Intel公司所发展的SISTAI进行模型转换，通过萃取频率相依RLGC模型来解决以上问题。其中，模型输出格式使用Synopsys公司规范的表格W元素语法(TabularW-element)标准，对于一般电路仿真软件如Cadence公司的Pspice软件、Sigrity公司的SPDSIM软件和SIMetrix公司的Simplis软件无法接受此类型格式，使得对于Tabular W-element模型的使用上受到限制。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种通用SPICE等效电路仿真系统及方法，能够将Tabular W-element格式的资料文件导入到通用SPICE格式的仿真软件下仿真等效电路。

所述的通用SPICE等效电路仿真系统安装并运行于计算机中，该系统包括：资料读取模块，用于从存储设备内读取表格W元素语法(TabularW-element)格式的资料文件，利用内差算法从该格式资料文件中获取频率相依传输线矩阵；矩阵转换模块，用于将频率相依传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；参数选择模块，用于使用内差算法选定S参数矩阵频率范围，以及选定向量拟合算法所需的极值-残值数量、递归次数及系统误差；等效电路产生模块，用于基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生对应于S参数矩阵的有理数函数矩阵，以及根据有理数函数矩阵产生相应的通用SPICE等效电路。

所述的通用SPICE等效电路仿真方法包括步骤：从存储设备内读取表格W元素语法格式的资料文件；利用内差算法从该格式资料文件中获取频率相依传输线矩阵；将频率相依传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；使用内差算法选定S参数频率范围；选定向量拟合算法所需的极值-残值数量、递归次数及系统误差；基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生对应于S参数矩阵的有理数函数矩阵；根据有理数函数矩阵产生相应的通用SPICE等效电路。

相较于现有技术，本发明所述的通用SPICE等效电路仿真系统及方法能够产生的等效电路具有较高的可行性及准确性，其可广泛应用于信号仿真领域，可将Tabular W-element格式的资料文件导入到通用SPICE格式的仿真软件下运作。

附图说明

图1是本发明通用SPICE等效电路仿真系统较佳实施例的实施架构图。

图2是本发明通用SPICE本发明等效电路仿真方法较佳实施例的流程图。

图3是N端口电路系统的示意图。

图4是等效电路的主电路示意图。

图5是等效电路的子电路(一)示意图。

图6是等效电路的子电路(二)示意图。

主要元件符号说明

计算机                     1

存储设备                   10

中央处理器                 11

等效电路仿真系统           12

资料读取模块               121

矩阵转换模块               122

参数选择模块               123

等效电路产生模块           124

输出设备                   2

具体实施方式

如图1所示，是本发明通用SPICE等效电路仿真系统较佳实施例的实施架构图。在本实施例中，等效电路仿真系统12安装并运行于计算机1中，该计算机1包括存储设备10以及中央处理器(central processing unit，CPU)11。该计算机1连接输出设备2，例如显示器，用于显示产生的等效电路。存储设备10用于存储表格W元素语法(Tabular W-element)的标准档案格式的电阻、电感、电抗及电容(RLGC)资料。所述TabularW-element是Synopsys公司所规范的一种表格元素的语法规范标准。所述等效电路仿真系统12用于从存储设备10中读取Tabular W-element标准格式的资料文件，例如*.tab格式的资料文件，根据该资料文件的RLGC资料产生等效电路，并将该等效电路输出至输出设备2。所述等效电路可在通用SPICE格式的仿真软件下运作，例如Cadence公司的Pspice软件、Sigrity公司的SPDSIM软件和SIMetrix公司的Simplis软件。所述SPICE软件(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，集成电路仿真程序)是一种用于电路描述与仿真的语言仿真软件，用于检测电路的连接和功能的完整性、预测电路的行为，以及用于模拟电路或混合信号电路的仿真。

在本实施例中，所述等效电路仿真系统12包括资料读取模块121、矩阵转换模块122、参数选择模块123、以及等效电路产生模块124。所述的资料读取模块121用于从存储设备10内读取Tabular W-element标准格式的资料文件，利用内差算法(interpolation)从Tabular W-element格式资料文件中获取频率相依(Frequency dependent)传输线矩阵。所述频率相依传输线矩阵是一种表格W元素RLGC模型，包括电阻、电感、电抗及电容资料信息。

所述的矩阵转换模块122用于将RLGC传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵。所述的ABCD参数矩阵是一种用来描述多输入输出端口电路特性的链参数矩阵，用于多输入输出端口电路的级联连接。如图3所示的N端口(N-ports)电路系统，该N-ports系统定义的ABCD矩阵，V₁至V_N是埠1至端口N上的电压，I₁至I_N是流入到埠1至端口N的分支电流。所述的S参数矩阵是一种用于描述高频电路中入射电压波和反射电压波之间关系的散射矩阵，其中S参数是建立在入射电压波、反射电压波关系基础上的电路频率参数。

所述的参数选择模块123用于使用内差算法选定S参数频率范围，来增加RLGC传输线矩阵中向量拟合(Vector Fitting)的准确度，以及用于选定向量拟合算法所需的极值-残值(pole-residue)数量、递归次数与系统误差。所述的系统误差是等效电路仿真所允许的最大误差。

所述的等效电路产生模块124用于基于pole-residue数量执行向量拟合算法产生S参数的有理数函数(Rational function)矩阵，以及根据有理数函数矩阵产生通用SPICE等效电路。该等效电路产生模块124还用于判断有理数函数矩阵的均方根误差(rms)是否小于选定的系统误差，以及当系统误差大于均方根误差时增加pole-residue数量继续执行向量拟合算法。

如图2所示，是本发明通用SPICE等效电路仿真方法较佳实施例的流程图。在本实施例中，该等效电路仿真方法能够利用Tabular W-element标准格式的RLGC资料模型产生适用于通用SPICE软件下运作的等效电路。所述SPICE软件，是一种用于电路描述与仿真的语言仿真软件，用于检测电路的连接和功能的完整性、预测电路的行为，以及用于模拟电路或混合信号电路的仿真。

步骤S21，资料读取模块121从存储设备10内读取Tabular W-element标准格式的资料文件。所述Tabular W-element格式是Synopsys公司所规范的一种表格元素的语法规范标准。步骤S22，资料读取模块121利用内差算法从Tabular W-element格式资料文件中获取频率相依(Frequencydependent)RLGC传输线矩阵。所述频率相依传输线矩阵是一种表格W元素RLGC模型，包括电阻、电感、电抗及电容资料信息。

步骤S23，矩阵转换模块122将RLGC传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数转换为S参数矩阵。以下为ABCD参数矩阵与S参数转换矩阵的转化方法：将RLGC传输线矩阵的电阻、电感、电抗及电容资料信息代入公式(1)，得到系统ABCD参数矩阵T：

T＝e(D+sE)l，其中 $D=\left[\begin{array}{cc}0& -R\left(s\right)\\ -G\left(s\right)& 0\end{array}\right],E=\left[\begin{array}{cc}0& -L\left(s\right)\\ -C\left(s\right)& 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中s＝jω，l为传输线长度。其次，将公式(1)代入公式(2)：

$Y=\left[\begin{array}{cc}{Y}_{11}& Y_{12}\\ Y_{21}& Y_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-T_{12}^{-1}{T}_{11}& T_{12}^{-1}\\ -T_{21}+T_{22}{T}_{12}^{-1}{T}_{11}& -T_{22}{T}_{12}^{-1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

将公式(2)的Y参数代入公式(3)：

$S={(I_N+Z_0^{1/2}{\mathrm{YZ}}_0^{1/2})}^{-1}(I_N-Z_0^{1/2}{\mathrm{YZ}}_0^{1/2})---\left(3\right)$

其中，I_N为N×N单位(identity)矩阵，Z₀为S参数参考电阻(reference resistor)，且Z₀＝50I_N。由公式(3)，可得到传输线S参数矩阵。

步骤S24，参数选择模块123使用内差算法选定S参数频率范围，以便增加RLGC传输线矩阵中向量拟合(Vector Fitting)的准确度。步骤S25，参数选择模块123选定向量拟合算法所需的极值(pole-residue)数量、递归次数以及系统误差。在本实施例中，经由以下向量拟合算法可得到一组由M对极值-残值(pole-residue)组合而成的有理数函数(Rationalfunction)，如公式(4)所示。其中，透过设定pole-residue数量与算法递归次数，可增加公式(4)的准确度。

$f\left(s\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{r_m}{s+p_m}+d+\mathrm{se}---\left(4\right)$

其中，f(s)为连续函数，r_m为残值(residue)，p_m为极值(pole)。经由公式(3)得到S参数后，对于N端口电路系统(如图3所示)的S参数矩阵以公式(5)表示：

$S\left(s\right)=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{11}\left(s\right)& S_{12}\left(s\right)& ...& S_{1N}\left(s\right)\\ S_{21}\left(s\right)& S_{22}\left(s\right)& ...& S_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ S_{N1}\left(s\right)& S_{N2}\left(s\right)& ...& S_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

将公式(5)每一向量分别进行向量拟合，可得到公式(6)中的有理数函数矩阵：

$S\left(s\right)\≈\hat{S}\left(s\right)=\left[\begin{array}{cccc}{\hat{S}}_{11}\left(s\right)& {\hat{S}}_{12}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{1N}\left(s\right)\\ {\hat{S}}_{21}\left(s\right)& {\hat{S}}_{22}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ {\hat{S}}_{N1}\left(s\right)& {\hat{S}}_{N2}& ...& {\hat{S}}_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right],{\hat{S}}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{r_m^{i,j}}{s+p_m^{i,j}}+k^{i,j}+{\mathrm{se}}^{i,j},---\left(6\right)$

其中，

的实数部分大于0，亦即

步骤S26，等效电路产生模块124基于选定的pole-residue数量执行Vector Fitting算法产生S参数的有理数函数矩阵(Rational functionmatrix)。步骤S27，等效电路产生模块124判断有理数函数矩阵的均方根误差(rms)是否小于选定的系统误差(tol)，亦即判断rms＜tol。若均方根误差大于等于系统误差，步骤S28，等效电路产生模块124增加pole-residue数量再执行Vector Fitting算法。若均方根误差小于系统误差，步骤S29，等效电路产生模块124根据有理数函数矩阵模拟合成对应的通用Spice等效电路。

如图3所示，是N端口(N-ports)电路系统的示意图。其中，a与b分别为S参数的入射波(incident wave)和反射波(reflected wave)，Z₀为相对应的参考电阻。该N端口电路系统的S参数可表示成公式(7)：

b＝Sa，其中 $a=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ ...\\ a_N\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ ...\\ b_N\end{array}\right]---\left(7\right)$

其中，入射波a和反射波b与输入输出端口电压V和电流I关系分别表示为公式(8)：

$a=\frac{1}{2}{Z}_0^{-1/2}\left({V+Z}_{0}I\right),b=\frac{1}{2}{Z}_0^{-1/2}\left({V-Z}_{0}I\right),$

其中 $V=\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ ...\\ V_N\end{array}\right],I=\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ ...\\ I_N\end{array}\right],Z_0=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{\mathrm{0,1}}& 0& ...& 0\\ 0& Z_{\mathrm{0,2}}& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& ...& Z_{0,N}\end{array}\right]---\left(8\right)$

由公式(7)和(8)可得到电压和电流与S参数关系，如公式(9)所示：

$I=Z_0^{-1}V-Z_0^{-1/2}{\mathrm{SZ}}_0^{1/2}(Z_0^{-1}V+I)---\left(9\right)$

将所得到有理数函数矩阵公式(6)代入公式(9)，得到公式(10)所示：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ ...\\ I_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{V_1}{Z_{o,1}}\\ \frac{V_2}{Z_{o,2}}\\ ...\\ \frac{V_2}{Z_{o,N}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cccc}{\hat{S}}_{11}\left(s\right)& {\hat{S}}_{12}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{1N}\left(s\right)\\ {\hat{S}}_{21}\left(s\right)& {\hat{S}}_{22}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ {\hat{S}}_{N1}\left(s\right)& {\hat{S}}_{N2}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{V}}_1\\ {\tilde{V}}_2\\ ...\\ {\tilde{V}}_N\end{array}\right],---\left(10\right)$

其中 ${\tilde{V}}_i=(\frac{V_i}{Z_{o,i}}+I_i)$

将公式(10)中的残值(residue)分为实数(real)与合数(complex)表示的形态，如以下公式(11)所示：

${\hat{S}}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)={\hat{S}r}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)+{\hat{S}c}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)+k^{i,j}+{\mathrm{se}}^{i,j}---\left(11\right)$

其中，

与

分别以公式(12)表示：

${\hat{S}r}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)=\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{r_u^{i,j}}{s+p_u^{i,j}},$ $r_u^{i,j}>0\mathrm{foru}<U^{+},$ $r_u^{i,j}\&le;0\mathrm{foru}>U^{+}---\left(12a\right)$

${\hat{S}c}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{c_v^{i,j}+d_v^{i,j}j}{s+(a_v^{i,j}+b_v^{i,j}j)}+\frac{c_v^{i,j}-d_v^{i,j}j}{s+(a_v^{i,j}-b_v^{i,j}j)},---\left(12b\right)$

$c_v^{i,j}\&le;0\mathrm{forv}\&le;V^{+},$ $c_v^{i,j}<0\mathrm{forv}>V^{+}$

其中，U+2V＝M，且

其次，可利用公式(10)-公式(12)模拟合成出如图4-6所示的等效电路。

如图4所示，是通用SPICE等效电路的主电路示意图。如图5-6所示，是等效电路的子电路(一)及子电路(二)示意图。通过本发明所述的等效电路仿真系统及方法产生的等效电路具有较高的可行性，其可广泛应用于信号仿真领域，可将Tabular W-element档案格式(*.tab)连结到通用SPICE格式的仿真软件下运作。

Claims (10)

1.一种通用SPICE等效电路仿真系统，安装并运行于计算机中，其特征在于，该系统包括：

资料读取模块，用于从计算机的存储设备内读取表格W元素语法格式的资料文件，利用内差算法从该资料文件中获取频率相依传输线矩阵；

矩阵转换模块，用于将频率相依传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；

参数选择模块，用于使用内差算法选定S参数矩阵频率范围，以及选定向量拟合算法所需的极值-残值数量、递归次数及系统误差；及

等效电路产生模块，用于基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生对应于S参数矩阵的有理数函数矩阵，以及根据该有理数函数矩阵产生相应的通用SPICE等效电路。

2.如权利要求1所述的通用SPICE等效电路仿真系统，其特征在于，所述的等效电路产生模块还用于判断有理数函数矩阵的均方根误差是否小于选定的系统误差，以及当均方根误差大于等于系统误差时，增加极值-残值数量继续执行向量拟合算法。

3.如权利要求1所述的通用SPICE等效电路仿真系统，其特征在于，所述的频率相依传输线矩阵是一种表格W元素RLGC模型，其由电阻、电感、电抗及电容资料组成。

4.如权利要求1所述的通用SPICE等效电路仿真系统，其特征在于，所述的ABCD参数矩阵是一种描述电路特性的链参数矩阵，用于多输入输出端口电路的级联连接。

5.如权利要求1所述的通用SPICE等效电路仿真系统，其特征在于，所述的S参数矩阵是一种用于描述高频电路中入射电压波和反射电压波之间关系的散射矩阵。

6.一种通用SPICE等效电路仿真方法，该方法包括步骤：

从存储设备内读取表格W元素语法格式的资料文件；

利用内差算法从该资料文件中获取频率相依传输线矩阵；

将频率相依传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；

使用内差算法选定S参数频率范围；

选定向量拟合算法所需的极值-残值数量、递归次数及系统误差；

基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生对应于S参数矩阵的有理数函数矩阵；及

根据有理数函数矩阵产生相应的通用SPICE等效电路。

7.如权利要求6所述的通用SPICE等效电路仿真方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

判断有理数函数矩阵的均方根误差是否小于选定的系统误差；及

当均方根误差大于等于系统误差时，增加极值-残值数量继续执行向量拟合算法。

8.如权利要求6所述的通用SPICE等效电路仿真方法，其特征在于，所述的频率相依传输线矩阵是一种表格W元素RLGC模型，其由电阻、电感、电抗及电容资料组成。

9.如权利要求6所述的通用SPICE等效电路仿真方法，其特征在于，所述的ABCD参数矩阵是一种描述电路特性的链参数矩阵，用于多输入输出端口电路的级联连接。

10.如权利要求6所述的通用SPICE等效电路仿真方法，其特征在于，所述的S参数矩阵是一种用于描述高频电路中入射电压波和反射电压波之间关系的散射矩阵。

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