CN102402639B - 一种基于局部补偿的电路仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于局部补偿的电路仿真方法，属于集成电路设计技术领域。首先采用电磁仿真的方法生成一个用于电路建模的数据文件，根据数据文件，利用向量拟合方法，建立初始仿真模型；然后对初始仿真模型进行有源频段检验，根据有源频段的起止频率和传递函数H(s)的特征根在有源频段的最小值和最大值，建立一个补偿系统；将补偿系统连接到初始仿真模型上得到电路仿真模型，得到电路仿真模型；将电路仿真模型的传递函数输入到电路仿真器中，进行计算，得到电路参数。将本发明电路仿真方法应用到集成电路设计中，可以提高电路仿真的可靠性和电路设计效率，进而缩短电路产品的上市时间。

Description

一种基于局部补偿的电路仿真方法

技术领域

本发明涉及一种基于局部补偿的电路仿真方法，特涉及根据电磁仿真数据建立组成电路的无源器件的模型的方法，属于集成电路设计技术领域。

背景技术

在工作频率较高的电路，例如毫米波电路的设计验证流程中，根据电磁仿真数据建立用于描述电路器件或子电路的电学特性的模型从而进行仿真是其中重要的一步。这里所说的电路器件或子电路一般是具有无源性的。而无源性指的是器件或者电路的平均功率不大于零的特性；电磁仿真指的是对于组成电路的电路器件或子电路进行电磁学仿真，电磁仿真的输入是这些电路器件或子电路的几何尺寸、构造与工作环境，电磁仿真的输出是描述这些器件在不同频率下的工作特性的数据，例如S参数或混合参数。根据电磁仿真数据建立电路器件或子电路的模型后，将这些模型用于电路仿真，则可以得到电路的参数，评估电路的性能。

由于电路中的很多电路器件或子电路本身就具有无源性，那么它们的模型最好也具有无源性，否则会影响电路仿真的稳定性，也就是影响电路仿真能否得到真实合理的结果。因此电路仿真过程中无源的电路器件或子电路的模型需要保证是无源的。

下面对无源性做数学描述。传递函数与状态空间方程是模型的两种不同的表示方法。模型的传递函数是指系统的输入与输出信号拉普拉斯变换之比，而状态空间是指由模型的状态变量及其导数构成的空间。一个器件或模型的状态空间方程由下面两个方程组成：

$\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}$

y＝Cx+Du

其中，x、u、y是向量，分别代表状态、输入和输出，

代表x的导数，A、B、C、D为系数矩阵，其中A矩阵的大小通常被定义成系统的阶次。在这样的状态空间表达式下，系统的传递函数可以表示成：H(s)＝C(sI-A)^-1B+D。由于一个模型的传递函数可以在混合参数(H参数)或散射参数(S参数)下进行描述。所以在这里分别给出两种参数描述下的模型的无源性的数学描述。

对于混合参数描述的传递函数，模型的无源性相当于满足下面的条件：

$H\left(s\right)+H^H\left(s\right)\≥0,\∀s=j\·2\mathrm{\πf}$

其中，f表示频率，H^H(s)为H(s)的共轭转置。(2)式表明，在任何频率下，模型对应的H(s)+H^H(s)都是半正定的，也就是说，H(s)+H^H(s)在任何频率下都具有非负的特征根。

对于S参数描述下的传递函数，模型的无源性相当于满足下面的条件：

$I-H\left(s\right)H^H\left(s\right)\≥0,\∀s=j\·2\mathrm{\πf}$

其中，I表示单位矩阵。(3)式表明，在任何频率下，模型对应的H(s)H^H(s)的特征根都是小于1的。而对电路器件或子电路建立具有无源性的模型，其实就是要找到尽量精确地符合电磁仿真得到的数据的模型，同时使模型的传递函数H(s)满足上述无源性的数学表达。

根据电磁仿真数据建立电路器件或子电路的模型从而进行电路仿真，当前的方法主要有两类：一类方法是将建立电路器件或子电路的模型的问题描述成凸优化问题，再通过凸优化算法进行求解。这类方法算法复杂度很高，一般难以用在系统阶次超过一百的系统上；另一类方法是将这一过程分为两个阶段。第一阶段中不考虑无源性的要求，直接根据电磁仿真数据建立精确的模型，然后在第二阶段中通过无源修正的手段修正模型，使其满足无源性的要求。然而，这些方法大多存在收敛性的问题，也就是说应用现有方法，对于某些电路不可能得到一个无源模型。对于工作频率较高的电路，一个不满足无源性的模型将导致电路仿真的错误。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于局部补偿的电路仿真方法，以克服已有技术的不足之处，提出合理有效的电路器件或子电路仿真过程中的无源模型建模过程，并将其应用在电路仿真中，进而得到正确的电路参数，提高电路仿真的可靠性和电路设计效率，进而缩短电路产品的上市时间。

本发明提出的基于局部补偿的电路仿真方法，包括以下步骤：

(1)采用电磁仿真的方法，生成一个用于电路建模的数据文件，该数据文件中包括电磁仿真的环境参数、用于表述仿真结果的数据格式和仿真结果，根据数据文件，利用向量拟合方法，建立该电路的初始仿真模型；

(2)利用基于哈密尔顿矩阵的有源频段检验方法，对上述初始仿真模型进行有源频段检验，若检验不到有源频段，则进行步骤(5)，若检验到有源频段，则计算上述初始仿真模型中有源频段的起始频率ω₁和终止频率ω₂以及上述初始仿真模型的传递函数H(s)的特征根在有源频段的最小值和最大值，其中若传递函数H(s)是在混合参数下定义的，则计算H(s)+H^H(s)的特征根在有源频段的最小值λ_min，并将与该最小值相对应的有源频段的频率记为ω₀，若传递函数H(s)是在S参数下定义的，则计算H(s)H^H(s)的特征根在有源频段的最大值λ_max，并将与该最大值相对应的有源频段的频率记为ω₀；

(3)根据上述有源频段的起始频率和终止频率以及传递函数H(s)的特征根在有源频段的最小值和最大值，建立一个补偿系统；

建立补偿系统的过程如下：

当上述初始模型使用混合参数时，补偿系统的传递函数如下：

$G_c\left(s\right)=\frac{\mathrm{Ks}}{s^2+\mathrm{as}+b}$

其中：

$a=\min \left\{\frac{\sqrt{2}}{2}\right|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_1}-{\mathrm{\ω}}_1|,\frac{\sqrt{2}}{2}|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_2}-{\mathrm{\ω}}_2\left|\right\}$

b＝ω₀ ²

K＝-0.6·a·λ_min

当上述初始模型使用S参数时，补偿系统的传递函数如下：

$G_c\left(s\right)=1-\frac{\mathrm{Ks}}{s^2+\mathrm{as}+b}$

其中：

$a=\min \left\{\frac{\sqrt{2}}{2}\right|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_1}-{\mathrm{\ω}}_1|,\frac{\sqrt{2}}{2}|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_2}-{\mathrm{\ω}}_2\left|\right\}$

b＝ω₀ ²

$K=a-\frac{a}{1.1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\max }}}$

(4)将上述补偿系统连接到上述初始仿真模型上得到电路仿真模型：当上述初始模型使用混合参数时，将上述补充系统并联到上述初始仿真模型上，当上述初始模型使用S参数时，将上述补充系统串联到上述初始仿真模型上；以连接后的模型作为新的初始模型，重复步骤(2)和(3)，直到利用基于哈密尔顿矩阵的有源频段检验方法无法检验到有源频段，得到电路仿真模型；

(5)将上述电路仿真模型的传递函数输入到电路仿真器中，进行计算，得到电路参数。

本发明提出的基于局部补偿的电路仿真方法，其优点是：与已有的基于凸优化的方法相比，本发明的仿真方法计算效率更高，可以建立阶次较高模型。与已有的两步建模的方法相比，本发明仿真方法的建模过程中每一次补偿都能保证使模型的无源性得到改善，使迭代的次数更少，由于每次迭代会给仿真结果带来误差，因此迭代次数的减少可以使仿真结果更加精确；同时迭代次数的减少提高了计算效率，还使仿真过程有更好的收敛性，从而得到正确的电路参数。将本发明电路仿真方法应用到集成电路设计中，可以提高电路仿真的可靠性和电路设计效率，进而缩短电路产品的上市时间。

附图说明

图1为电磁仿真数据文件的示意图。

图2使用图1所示的电磁仿真数据文件，利用已有电路仿真方法进行电路仿真得到的电路输出波形。

图3使用图1所示的电磁仿真数据文件，利用本发明电路仿真方法进行电路仿真得到的电路输出波形。

具体实施方式

本发明是一种基于局部补偿的电路仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)采用电磁仿真的方法，生成一个用于电路建模的数据文件，该数据文件中包括电磁仿真的环境参数、用于表述仿真结果的数据格式和仿真结果。

(2)利用基于哈密尔顿矩阵的有源频段检验方法，对上述初始仿真模型进行有源频段检验，若检验不到有源频段，则进行步骤(5)，若检验到有源频段，则计算上述初始仿真模型中有源频段的起始频率ω₁和终止频率ω₂以及上述初始仿真模型的传递函数H(s)的特征根在有源频段的最小值和最大值，其中若传递函数H(s)是在混合参数下定义的，则计算H(s)+H^H(s)的特征根在有源频段的最小值λ_min，并将与该最小值相对应的有源频段的频率记为ω₀，若传递函数H(s)是在S参数下定义的，则计算H(s)H^H(s)的特征根在有源频段的最大值λ_max，并将与该最大值相对应的有源频段的频率记为ω₀；

(3)根据上述有源频段的起始频率和终止频率以及传递函数H(s)的特征根在有源频段的最小值和最大值，建立一个补偿系统；

建立补偿系统的过程如下：

当上述初始模型使用混合参数时，补偿系统的传递函数如下：

$G_c\left(s\right)=\frac{\mathrm{Ks}}{s^2+\mathrm{as}+b}$

其中：

$a=\min \left\{\frac{\sqrt{2}}{2}\right|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_1}-{\mathrm{\ω}}_1|,\frac{\sqrt{2}}{2}|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_2}-{\mathrm{\ω}}_2\left|\right\}$

b＝ω₀ ²

K＝-0.6·a·λ_min

当上述初始模型使用S参数时，补偿系统的传递函数如下：

$G_c\left(s\right)=1-\frac{\mathrm{Ks}}{s^2+\mathrm{as}+b}$

其中：

$a=\min \left\{\frac{\sqrt{2}}{2}\right|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_1}-{\mathrm{\ω}}_1|,\frac{\sqrt{2}}{2}|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_2}-{\mathrm{\ω}}_2\left|\right\}$

b＝ω₀ ²

$K=a-\frac{a}{1.1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\max }}}$

(4)将上述补偿系统连接到上述初始仿真模型上得到电路仿真模型：当上述初始模型使用混合参数时，将上述补充系统并联到上述初始仿真模型上，当上述初始模型使用S参数时，将上述补充系统串联到上述初始仿真模型上；以连接后的模型作为新的初始模型，重复步骤(2)和(3)，直到利用基于哈密尔顿矩阵的有源频段检验方法无法检验到有源频段，得到电路仿真模型；

(5)将上述电路仿真模型的传递函数输入到电路仿真器中，进行计算，得到电路参数。

以下结合附图，详细介绍本发明方法的内容：

如图1所示为一个数据文件，该文件用于描述一个三端口器件，特征阻抗R为50欧姆，数据在25摄氏度、直流偏置电流为0的条件下得到，数据中频率的单位是兆赫兹，数据采用幅值相位的形式进行描述。根据图1所示的数据文件，利用向量拟合方法，建立该电路的初始仿真模型。

使用图1中所示的电磁仿真数据文件，根据已有的仿真方法直接进行电路仿真，得到的电路输出波形图如图2所示，若使用本发明的利用电磁仿真数据文件后建立模型，再进行电路仿真，将得到如图3的电路输出波形图。两个输出波形在起振点、振幅等参数上都是不同的，通过对实际电路的测量，判断出图3所示波形是正确的，这说明本发明提出的仿真方法有利于获得正确的电路参数。

Claims (1)

1.一种基于局部补偿的电路仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）采用电磁仿真的方法，生成一个用于电路建模的数据文件，该数据文件中包括电磁仿真的环境参数、用于表述仿真结果的数据格式和仿真结果，根据数据文件，利用向量拟合方法，建立该电路的初始仿真模型；

（2）利用基于哈密尔顿矩阵的有源频段检验方法，对上述初始仿真模型进行有源频段检验，若检验不到有源频段，则进行步骤（5），若检验到有源频段，则计算上述初始仿真模型中有源频段的起始频率ω₁和终止频率ω₂以及上述初始仿真模型的传递函数H(s)的特征根在有源频段的最小值和最大值，其中若传递函数H(s)是在混合参数下定义的，则计算H(s)+H^H(s)的特征根在有源频段的最小值λ_min，并将与该最小值相对应的有源频段的频率记为ω₀，若传递函数H(s)是在S参数下定义的，则计算H(s)H^H(s)的特征根在有源频段的最大值λ_max，并将与该最大值相对应的有源频段的频率记为ω₀，其中H^H(s)为H(s)的共轭转置；

（3）根据上述有源频段的起始频率和终止频率以及传递函数H(s)的特征根在有源频段的最小值和最大值，建立一个补偿系统；

建立补偿系统的过程如下：

当上述初始模型使用混合参数时，补偿系统的传递函数如下：

$G_c\left(s\right)=\frac{\mathrm{Ks}}{s^2+\mathrm{as}+b}$

其中：

$a=\min \left\{\frac{\sqrt{2}}{2}\right|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_1}-{\mathrm{\ω}}_1|,\frac{\sqrt{2}}{2}|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_2}-{\mathrm{\ω}}_2\left|\right\}$

b＝ω₀ ²

K＝-0.6·a·λ_min

当上述初始模型使用S参数时，补偿系统的传递函数如下：

$G_c\left(s\right)=1-\frac{\mathrm{Ks}}{s^2+\mathrm{as}+b}$

其中：

$a=\min \left\{\frac{\sqrt{2}}{2}\right|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_1}-{\mathrm{\ω}}_1|,\frac{\sqrt{2}}{2}|\frac{{{\mathrm{\ω}}_0}^2}{{\mathrm{\ω}}_2}-{\mathrm{\ω}}_2\left|\right\}$

b＝ω₀ ²

$K=a-\frac{a}{1.1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{\max }}}$

（4）将上述补偿系统连接到上述初始仿真模型上得到电路仿真模型：当上述初始模型使用混合参数时，将上述补偿系统并联到上述初始仿真模型上，当上述初始模型使用S参数时，将上述补偿系统串联到上述初始仿真模型上；以连接后的模型作为新的初始模型，重复步骤（2）和（3），直到利用基于哈密尔顿矩阵的有源频段检验方法无法检验到有源频段，得到电路仿真模型；

（5）将上述电路仿真模型的传递函数输入到电路仿真器中，进行计算，得到电路参数。

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