CN102279896B - Hspice兼容等效电路仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种Hspice兼容等效电路仿真系统及方法，该系统包括：资料采集模块，用于从计算机的资料存储单元内读取Touchstone格式的多端口电路系统资料文件，从该多端口电路系统资料文件内获取S参数矩阵；参数检查模块，用于检查S参数矩阵内的所有S参数是否满足电路被动特性；函数产生模块，用于设定产生S参数的有理数函数所需的极值-残值数量与系统误差；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S参数的有理数函数矩阵，根据该有理数函数矩阵仿真合成Hspice兼容等效电路。实施本发明，能够利用多端口系统资料产生Hspice兼容等效电路，提高电路仿真效能以及解决仿真电路的收敛性问题。

Description

Hspice兼容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Hspice兼容等效电路仿真系统及方法。

背景技术

S参数被广泛运用在封装与印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)的信道模型上。通过量测仪器如网络分析仪，或全波型式场效求解软件如Ansoft公司的HFSS软件，可对待测信道系统萃取S参数，由此可得到信道系统的等效全波模型。其次，此等效系统模型的准确度较高，可应用在高速信号电路仿真流程中。

Synopsys公司所开发的Hspice电路仿真软件使用傅立叶转换(InverseFourier Transform，IFT)演算方式来处理S参数模型在时域上的问题。当S参数与系统电路连结后，时域模拟的过程中会消耗大量的处理器(例如CPU)运算时间以致于影响产品开发速度。再者，S参数不符合电路被动特性(passivity)，会造成仿真软件在时域求解过程中无法达到仿真电路的收敛性问题。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种Hspice兼容等效电路仿真系统及方法，能够利用多端口系统资料仿真产生Hspice兼容等效电路，提高电路仿真效能，以及解决仿真电路的收敛性问题。

所述的Hspice兼容等效电路仿真系统，安装并运行于计算机中。该系统包括：资料采集模块，用于从计算机的资料存储单元内读取多端口电路系统资料文件，及从该多端口电路系统资料文件内获取S参数矩阵；参数检查模块，用于检查S参数矩阵内的所有S参数是否满足电路被动特性，当S参数矩阵内的S参数不满足电路被动特性时，执行内差算法补足具有电路被动特性的S参数；函数产生模块，用于设定产生S参数的有理数函数所需的极值-残值数量及系统误差；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S参数的有理数函数矩阵，及根据该有理数函数矩阵仿真合成Hspice兼容等效电路。

所述的Hspice兼容等效电路仿真方法，该方法包括步骤：从计算机的资料存储单元内读取多端口电路系统资料文件；从该多端口电路系统资料文件内获取S参数矩阵；检查S参数矩阵内的所有S参数是否满足电路被动特性；当S参数矩阵内的S参数不满足电路被动特性时，执行内差算法补足具有电路被动特性的S参数；设定产生S参数的有理数函数所需的极值-残值数量及系统误差；基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生S参数的有理数函数矩阵；根据有理数函数矩阵仿真合成Hspice兼容等效电路。

相较于现有技术，本发明所述的Hspice兼容等效电路仿真系统及方法能够利用Touchstone格式的多端口电路系统资料仿真产生Hspice兼容等效电路，避免复杂的傅立叶转换运算，提高电路仿真效能。此外，本发明通过内差算法避免非被动特性的S频域参数，从而解决仿真电路的收敛性问题。

附图说明

图1是本发明Hspice兼容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Hspice兼容等效电路产生方法较佳实施例的流程图。

图3是多端口电路系统的示意图。

图4是Hspice兼容等效电路的主电路示意图。

图5是Hspice兼容等效电路的子电路示意图。

主要元件符号说明

计算机              1

等效电路仿真系统    12

资料采集模块        121

参数检查模块        122

函数产生模块        123

等效电路产生模块    124

资料存储单元        10

中央处理器          11

输出设备            2

具体实施方式

如图1所示，是本发明Hspice兼容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，该等效电路仿真系统12安装并运行于计算机1中。所述的计算机1包括资料存储单元10以及中央处理器(centralprocessing unit，CPU)11。该计算机1连接输出设备2，例如显示器。资料存储单元10用于存储Touchstone格式(例如*.SNP)的多端口(N-ports)电路系统(参考图3所示)资料文件，该多端口电路系统资料文件包括电子元件的频域参数与S参数资料。所述的Touchstone格式是IBIS协会所规范的一种资料存储的标准文件格式(Touchstone File FormatSpecification)。所述的等效电路仿真系统12用于从资料存储单元10内读取Touchstone标准文件格式的多端口电路系统资料文件，根据该多端口电路系统资料文件的S参数资料产生Hspice兼容等效电路(参考图4-5所示)，并将该等效电路输出至输出设备2，例如显示器。所述Hspice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，集成电路仿真程序)是一种电路仿真软件，其能够在给定电路结构和电子元件参数的条件下仿真出电路以及计算电路的性能。Hspice规定了一系列输入、输出语句，用于描述电路的模型、连接方式、电子元件的名称、参数，以及分析电子元件的类型。

所述的等效电路仿真系统12包括资料采集模块121、参数检查模块122、函数产生模块123、以及等效电路产生模块124。本发明所称模块是一种能够完成特定功能的计算机程序段，其比程序更适合于描述软件在计算机中的执行过程，因此本发明对软件的描述均以模块描述。

所述的资料采集模块121用于从资料存储单元10内读取Touchstone标准文件格式的多端口电路系统资料文件，以及从该多端口电路系统资料文件内获取S参数矩阵。如图3所示的多端口电路系统，该多端口电路系统定义了电子元件的频域参数与S参数资料，V1和VN是端口1(Port1)和端口N(PorN)上的电压，I₁和I_N是流入到端口1与端口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穿透电压波与反射电压波之间关系的散射矩阵，其中S参数是建立在入射波电压波、反射电压波关系基础上的频域参数。

所述的参数检查模块122用于检查S参数矩阵内的所有S参数是否满足电路被动特性(passivity)，当S参数矩阵内的S参数不满足电路被动特性时，执行内差算法补足具有电路被动特性的S参数。所述的电路被动特性也称电子元件的无源特性，是电子元件电阻、电感、电抗及电容的一项基本特性。

所述的函数产生模块123用于设定产生S参数的有理数函数f(S)的极值-残值(pole-residue)数量、递归次数与系统误差。该系统误差是仿真等效电路所允许的最大误差，该S参数的有理数函数表示为如下公式：

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

其中，f(s)为连续函数，r_m为残值(residue)，p_m为极值(pole)。函数产生模块123通过设定pole-residue数量与算法递归次数，可增加有理数函数f(S)的准确度。

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(Vector Fitting)算法产生由S参数的有理数函数f(S)构成的有理数函数矩阵(Rational function matrix)，以及根据该有理数函数矩阵仿真合成Hspice兼容的等效电路。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等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Hspice兼容等效电路产生方法较佳实施例的流程图。在本实施例中，该方法能够利用多端口系统资料仿真产生Hspice兼容等效电路，以及通过内差算法避免非被动特性频域范围的S参数，从而解决仿真电路的收敛性问题以及提高电路仿真效能。

步骤S21，资料采集模块121从资料存储单元10内读取Touchstone标准文件格式的多端口电路系统资料文件，其包括电子元件的频域参数与S参数资料。所述的Touchstone格式是IBIS协会所规范的一种存储资料的标准文件格式(Touchstone File Format Specification)。

步骤S22，资料采集模块121从Touchstone标准文件格式的多端口电路系统资料文件内获取S参数矩阵。如图3所示的多端口(N-ports)电路系统，该多端口电路系统定义了电子元件的频域参数与S参数资料，V₁和V_N是端口1(Port1)和端口N(PorN)上的电压，I₁和I_N是流入到端口1与端口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穿透电压波与反射电压波之间关系的散射矩阵，其中S参数是建立在入射波电压波、反射电压波关系基础上的频域参数。

步骤S23，参数检查模块122检查S参数矩阵内的所有S参数是否满足电路被动特性(passivity)。若S参数矩阵内的S参数不满足电路被动特性时，执行步骤S24。若S参数矩阵内的S参数满足电路被动特性时，执行步骤S25。

步骤S24，参数检查模块122执行内差算法补足具有电路被动特性的S参数。由于原始S参数必须符合电路被动特性条件，若S参数为非被动特性，则所有电子元件的频域参数点的S参数必需满足如下公式(1)：

I-S^H(s)S(s)＞0        (1)

其中，I为单位(identity)矩阵，s＝jω，H为矩阵共轭转置运算(transpose conjugate)。经由公式(1)的检验，可筛选出S参数不满足被动特性的电子元件的频域参数点，再通过内差算法可确保在执行向量拟合算法前S参数的被动特性。

步骤S25，函数产生模块123设定产生S参数的有理数函数f(S)的极值-残值(pole-residue)数量、递归次数与系统误差。所述的有理数函f(S)表示为如下公式(2)：

$f\left(s\right)\≈\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{r_m}{s+p_m}+d+\mathrm{se}---\left(2\right)$

其中，f(s)连续函数，r_m为残值(residue)，p_m为极值(pole)。函数产生模块123通过设定pole-residue数量与算法的递归次数，可增加有理数函数f(S)的准确度。

步骤S26，等效电路产生模块124基于pole-residue数量执行向量拟合(Vector Fitting)算法产生S参数的有理数函数(Rational funcrion)矩阵。在本实施例中，经由参数检查模块122检查S参被动特性修正后，对于多端口(N-ports)电路系统(参考图3所示)的S参数矩阵以如下公式(3)表示：

$S\left(s\right)=\left[\begin{array}{cccc}{S}_{11}\left(s\right)& S_{12}\left(s\right)& ...& S_{1N}\left(s\right)\\ S_{21}\left(s\right)& S_{22}\left(s\right)& ...& S_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ S_{N1}\left(s\right)& S_{N2}\left(s\right)& ...& S_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

等效电路产生模块124将公式(3)每一项元素(element)分别代入向量拟合算法，可得到如下公式(4)所示的有理数函数矩阵：

$S\left(s\right)\≈\hat{S}\left(s\right)=\left[\begin{array}{cccc}{\hat{S}}_{11}\left(s\right)& {\hat{S}}_{12}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{1N}\left(s\right)\\ {\hat{S}}_{21}\left(s\right)& {\hat{S}}_{22}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ {\hat{S}}_{N1}\left(s\right)& {\hat{S}}_{N2}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中 ${\hat{S}}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{r_m^{i,j}}{s+p_m^{i,j}}+k^{i,j}+{\mathrm{se}}^{i,j}.$

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，返回步骤S26再执行向量拟合算法。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产生Hspice兼容等效电路。

如图3所示，是多端口(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)，Z_O为相对应的参考电阻。该多端口电路系统的S参数可被表示成如下公式(4)所示的矩阵方程式：

b＝Sa，其中 $a=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ ...\\ a_N\end{array}\right],b=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ ...\\ b_N\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，入射波a和反射波b与输入输出端口电压和电流关系可分别表示为如下公式(6)：

$a=\frac{1}{2}{Z}_0^{-1/2}(V+Z_{0}I),$ $b=\frac{1}{2}{Z}_0^{-1/2}(V-Z_{0}I)---\left(6\right)$

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

由公式(5)和(6)可得到电压和电流与S参数关系，如公式(7)所示：

$I=Z_0^{-1}V-Z_0^{-1/2}S{Z}_0^{1/2}(Z_0^{-1}V+I)---\left(7\right)$

将所得到有理数函数(Rational function)矩阵的公式(4)代入公式(7)，得到如下公式(8)所示：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ ...\\ I_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{V_1}{Z_{o,1}}\\ \frac{V_2}{Z_{o,2}}\\ ...\\ \frac{V_2}{Z_{o,N}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cccc}{\hat{S}}_{11}\left(s\right)& {\hat{S}}_{12}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{1N}\left(s\right)\\ {\hat{S}}_{21}\left(s\right)& {\hat{S}}_{22}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ {\hat{S}}_{N1}\left(s\right)& {\hat{S}}_{N2}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\tilde{V}}_1\\ {\tilde{V}}_2\\ ...\\ {\tilde{V}}_N\end{array}\right],$ 其中 ${\tilde{V}}_i=(\frac{V_i}{Z_{o,i}}+I_i)---\left(8\right)$

由此，根据公式(8)将公式(4)所示的有理数函数(Rational function)矩阵合成出如图4-5所示的Hspice兼容等效电路。

如图4所示，是Hspice兼容等效电路的主电路示意图。其中，该主电路中的电压V₁至V_N以及电流源I₁至I_N由图5所示的子电路提供。如图5所示，是Hspice兼容等效电路的子电路示意图。该Hspice兼容等效电路所描述电压相依电流源(Voltage dependent Current source)系数为在Hspice仿真环境下可使用Laplace电路转换语法来描述，其语法描述如下所示：

其中k与d系数可由如下公式(9)求得：

${\hat{S}}_{\mathrm{ij}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{r_m^{i,j}}{s+p_m^{i,j}}+k^{i,j}+{\mathrm{se}}^{i,j}=\frac{k_0^{\mathrm{ij}}+k_1^{\mathrm{ij}}+...+k_{M+1}^{\mathrm{ij}}}{d_0^{\mathrm{ij}}+d_1^{\mathrm{ij}}+...+d_M^{\mathrm{ij}}}---\left(9\right)$

通过本发明所述的等效电路仿真系统及方法利用多端口系统资料仿真产生的Hspice兼容等效电路，避免了复杂的傅立叶转换(IFT)运算，提高了电路仿真效能。此外，本发明通过内差算法避免非被动特性的S频域参数，从而解决仿真电路的收敛性问题。

Claims (10)

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

资料采集模块，用于从计算机的资料存储单元内读取多端口电路系统资料文件，以及从该多端口电路系统资料文件内获取S参数矩阵，该多端口电路系统资料文件包括电子元件的频域参数与S参数，其中S参数是一种建立在电子元件的入射波电压波、反射电压波关系基础上的频域参数；

参数检查模块，用于检查S参数矩阵内的所有S参数是否满足电路被动特性，当S参数矩阵内的S参数不满足电路被动特性时，执行内差算法补足具有电路被动特性的S参数；

函数产生模块，用于设定产生S参数的有理数函数所需的极值-残值数量、算法递归次数与系统误差；

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S参数的有理数函数构成的有理数函数矩阵，以及根据该有理数函数矩阵仿真合成Hspice兼容等效电路。

2.如权利要求1所述的Hspice兼容等效电路仿真系统，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Hspice兼容等效电路仿真系统，其特征在于，所述的多端口电路系统资料文件是以Touchstone标准文件格式存储于资料存储单元内。

4.如权利要求1所述的Hspice兼容等效电路仿真系统，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。

5.如权利要求1所述的Hspice兼容等效电路仿真系统，其特征在于，所述的Hspice兼容等效电路包括电阻与相依电流源的电子元件资料。

6.一种Hspice兼容等效电路仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

从计算机的资料存储单元内读取多端口电路系统资料文件，该多端口电路系统资料文件包括电子元件的频域参数与S参数，其中S参数是一种建立在电子元件的入射波电压波、反射电压波关系基础上的频域参数；

从该多端口电路系统资料文件内获取S参数矩阵；

检查S参数矩阵内的所有S参数是否满足电路被动特性；

当S参数矩阵内的S参数不满足电路被动特性时，执行内差算法补足具有电路被动特性的S参数；

设定产生S参数矩阵的有理数函数所需的极值-残值数量、算法递归次数与系统误差；

基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生S参数的有理数函数构成的有理数函数矩阵；

根据有理数函数矩阵仿真合成Hspice兼容等效电路。

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

判断有理数函数的均方根误差是否小于选定的系统误差；

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Hspice兼容等效电路仿真方法，其特征在于，所述的多端口电路系统资料文件是以Touchstone标准文件格式存储于资料存储单元内。

9.如权利要求6所述的Hspice兼容等效电路仿真方法，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。

10.如权利要求6所述的Hspice兼容等效电路仿真方法，其特征在于，所述的Hspice兼容等效电路包括电阻与相依电流源的电子元件资料。