JPS61501800A - 回路の解を反復して求める電子回路シュミレ−タにおける数値収束を制御するアクティブな漏れ抵抗制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 回路の解を反復してめる電子回路シミュレータにおける数値収束を１ｌｌｔｌｌ するアクティブな漏れ抵抗制御ＺＪ目と１！− この発明は、電子回路シミュレータに関し、より特定的には、ＶＬＳ　１回路の 動作上の挙動のシミュレーションのために用いられる５ＰＩＣＥ電子回路シミュ レータに関する。

ＶＬｉＳ回路シ回路シミュレーションペレーショナルなＶＬＳ　１回路の開発に おける重要な道具になってきている。

ＶＬＳ　１回路の設計において、回路シミュレーションは、何百何千の、金１１ Ｎ化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタのような能動素子から構成される大規模集 積回路の動作特性を決定する遊具として回路ブレッドポーディング（ｃ＋ｒｃｕ ｔｔ　ｂｒｅａｄ　ｂｏａｒｄｉｎｏ）に本質的に取って代わっている。

５ＰＩＣＥ電子回路シミュレータは、１９７２年頃、カリフォルニア大学、バー クレー（Ｕ　ｎ１ｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ　、　３ｅｒｋ ｅｌｅｙ　）において発明された。それは現在では、米国および世界中を通じて 少なくとも２ｏ００の施設において使用されている。５ＰＩＣＥシミユレータは 、キーボード端末入力装置およびディスプレイ、プリンタまたは図形出力装置を 有する、汎用デジタルコンピュータ、ミニコンピユータまたはマイクロコンピュ ータに関して典型的に実現された、誰でも自由に実施できるシミュレータである 。この誰でも自由に実施できる５ＰＩＣＥプログラムは、カリフォルニア大学、 パークレーのカレッジ・オブ・エンジニアリングのエレクトロニクス研究実験Ｗ （Ｅｌｅｃｔｒｏ’ｎ１ｃｓ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｌ　ａｂｏｒａｔｏｒｙ　、 　Ｃｏ１１ｅａｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎａ＞のＬ　ａｕｒｅｎｃｅ　Ｗ 、　Ｎ　ａｇｅｌによる１９７５年５月９日のメモランダムナンバーＥＲＬ−Ｍ ５２０の“スパイス２：半導体回路をシミュレートするコンピュータプログラム （ＳＰＩＣＥ２：Ａ　ＣＯＭＰＵＴＥＲＰＲＯＧＲＡＭＴｏ　ＳＩＭＵＬＡＴＥ 　ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＣＩＲＣＵＩＴＳ）″と題された刊行物において 示されており、この刊行物は、４３３　Ｃｏｒｙ　Ｈａｌｌ　、　Ｕｎｉｖｅｒ ｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃａ１Ｎｏｒｎｉａ　、　Ｂｅｒｋｅｌｅｙ　、　Ｃａ１ｉｆ ｏｒｎｉａ　９４７２０のＥＲＬ出版事務所かられずかな取扱い手数料で入手可 能である。この５ＰＩＣＥシミユレータは一般的に、工業において利用可能であ る。発表された５ＰｉＣＥ２の文書およびプログラムリストは、引用されてここ に含められかつその一部をなしている。

５ＰＩＣＥシミユレータの典型的な実施は、そこにディスプレイ装置、端末およ びプリンタが結合されたＩＢＭタイプ３０８１コンピュータ上のオペレーション に対してコンパイルされた約２００００行のコーディングを含むフォートランプ ログラムとしてである。回路シミュレータは、専用ハードワイヤード装置であり 得るが、しかしそのような装置は一般的に、非常に複雑かつ高価であり、有用な 道具としては非実用的であると考えられている。５ＰｔＣＥシミユレータにおけ る回路は、各回路素子の動作特性を特定する１組の方程式とそのような種々の回 路素子を相互接続するノードおよびブランチを特定するデータとによって規定さ れている。シミュレータの最も重要な部分は、相対的に任意の開始条件から解が 反復して計算される数値方法を用いる、回路素子を特徴づける非線形微分方程式 の解法である。５ＰＩＣＥでプログラムされた汎用コンピュータは、規定された 特徴および特性を有する専用されたシミュレーション装置として取扱われる。

５ＰＩＣＥシミユレータは、複雑な回路による収束の問題を示すということがよ （知られている。特に、多くの能動素子を伴う回路の定常状態（Ｄ、Ｃ，）解は 、その数値計算特性に関連するシミュレータの特徴のために５ＰＩＣＥシミユレ ータでは得ることが困難である。これらの深刻な問題はしばしば、ＶＬＳＩ回路 の設計者の意欲を喪失させ、さらに重大かつ高価な計画の遅延とともに望ましく ない時間の浪費をもたらしていた。したがって、非常に競争の激しい環境におい て予想に従って実行する回路設計チームの能力は深刻に妨げられていた。５ＰＩ ＣＥによる問題は、シミュレートの広範囲の使用およびその周知の欠点にもかか わらず長年にわたって未解決のままであった。

しかしながら、５ＰＩＣＥシミユレータは、収束の問題点を有することが知られ た唯一の回路シミュレータではない。にもかかわらず、５ＰＩＣＥシミユレータ は、誰でも自由にそれを実施できかつ非常に幅広く用いられているために、この 発明によって提案された典型的な状況である。

この発明に従うと、解の収束をそこから得ることが困難な素子を用いる回路をモ デル化する５ＰＩＣＥシミユレータまたはその種の他のものにおいて大規模集積 回路設計の回路解における収束を実現する方法が提供されている。この手法は、 現実の回路解の収束を助ける初期状態として用いられるように回路解を容易に発 生するために、現実の回路において存在することが知られているよりもより小さ な接合漏れ抵抗で現実の回路をモデル化している。５ＰＩＣＥのようなシミュレ ータにおいて、典型的な初期条件は、各回路ノードにおけるゼロＶであり、これ は非収束の主な源とみなされている。この回路シミュレータは、中間の反復的な 結果に基づいて収束を達成するために２つの方法の中で選択することができる、 各能動回路に対するアクティブな内部接合漏れ抵抗制御構成を用いている。

この発明の方法は、安定した解に対する収束のための条件内で計算された限界内 の回路の解を維持する一方で、回路の解の計算期間中における初期接合漏れ抵抗 を知られた接合漏れ抵抗に近づけるようにアクティブに修正することである。２ つの異なる方法が開示されている。一方の方法は、知られた現実の接合漏れ抵抗 の値でおよび知られた現実の接合漏れ抵抗の値の分数で交互に解を得ようと試み 、この分数は反復して増大されて後続の反復計算のための１相の初期条件を発展 させている。

第２の方法は、知られた現実の接合漏れ抵抗の分数がパラメータであり、さらに その後知られた現実の接合漏れ抵抗パラメータによって解が得られるまで分数を 反復して増大させた回路モデルを用いることによって解を得るように試みる。

特定の実施例において、知られた高い内部漏れ抵抗を伴う能動素子は、著しく小 さい値の初期漏れ抵抗値を有するものとしてシミュレートされる。

この発明に従う方法は、回路を収束するのが困難な多数の解に向かって収束を助 けることがテストされかつ証明された。

この方法は、回路方程式に対する解を反復してめるどのような回路シミュレータ によっても作動するであろう。

この発明は、添付した図面に関連して行なわれる以下の詳細な説明を参照するこ とによってより良く理解されるであろう。

図面の簡単な説 第１図は、接合漏れ抵抗値に対するモデルを示すダイオードの回路モデルの概略 図である。

第２図は、この発明に従う方法のフロー図である。

第３図は、５ＰＩＣＥのようなコンピュータシミュレーションプログラムの関連 した反復方法を説明するフロー図である。

の　の１ 第１図を参照すると、カソード端子１４およびアノード端子１６を規定するｐ− ｎ接合１２を有するダイオードの記号を示すダイオードの回路モデルの概略図が 示されている。これは、ｐ−ｎ接合モデルの一般化された形態であり、接合トラ ンジスタおよび電界効果トランジスタの双方を含む種々のトランジスタを含む、 他のすべての素子に対するモデルを描くのに役立っている。通常のオペレーショ ンにおいて、順方向バイアス電圧ｖＯがアノード端子１６と力ンード端子１４と の間に与えられる。第１図はさらに、カソード端子１１４と、アノード端子１１ ６と、ｐ−ｎ接合のすべての関連ある特徴とを有するダイオードモデル１１０を 示している。特に、ダイオードモデル１１０は、接合キャパシタンスＣＤ、電流 源１ｏおよび漏れ抵抗Ｒ，からなる並列結合に対して直列の大きな抵抗Ｒｏによ ってシミュレートされ得る。ダイオードにおける大きな抵抗は典型的には、数オ ームまたはそれ以下の範囲にある。現実の回路における漏れ抵抗は典型的には、 １００００００ＭΩ（１Ｘ１０’　２）の範囲内にある。ダイオード電流源１゜ に対応するダイオード電流は、次の周知の関係によって与えられる。

そのような関係を含むネットワークの問題の解決は、安定した解を矛盾なく得る には不十分であると見い出されていた反復的な数値手法の適用を要求している。

この発明は、改善された整合性を伴って回路の解を安定させる反復的な数値方法 の収束を実現する手法である。

この発明に従って、電子回路シミュレータの安定した解に対する収束は、ダイオ ードモデル１１０におけるような能動素子の内部漏れ抵抗Ｒ１を能動的に制御す る一方で、線形化された回路方程式を用いる非線形の解の通常の反復的な計算期 間中に安定した回路の解をめることによって改善される。この発明に従う方法は 、すべてのダイオードおよびトランジスタにおける接合抵抗Ｒｙがプリセットさ れさらにその後解法の過程においてその後修正されるということを命令する。こ の発明の特定の見地に従うと、接合抵抗ＲＪは最初に１ＭΩに選択され、これは 現実の回路における現実の漏れ抵抗の１００００００分の１のオーダである。接 合抵抗Ｒ５を１００００００ＭΩの最終的な通常の接合抵抗値に漸次変更してい く方法がその後適用される。

この発明の特定の局面に従うと、２つの異なる方法が用いられてもよい。より詳 細に説明すると、２つのＫなる方法は、外部の介在を最小にしながら収束を実現 しようとする試みにおいてともに連続的に用いることができる。

第２図、すなわちこの発明に従う２つの方法を示すフロー図を援用してこの発明 が説明されている。最初に、解の発生に用いられる値が予め指定される。この値 ＩＮＸは、接合抵抗の初期１１ＲＪと、接合抵抗に対する最終値ＲＪＦＮＬとの 間の繰り返しの回数を制御するためのインデックスである。Ｉ　Ｃ０ＮＶＧの指 定の下に２進フラグが与えられている。ＩＣ０ＮＶＧ−１のときに、第１の方法 が用いられる。ｒｃＯＮＶＧ−２のときに、この発明に従う第２の方法が用いら れる。この発明の方法は、第１の方法が収束を実現できない場合に第２の方法が 開始されるように構成されてもよい。

初期値は、第２の方法において用いられる初期値と最終値との中間の７レイ接合 抵抗値に指定される。特定の実施例において、このアレイは、１から１０まで番 号が付された１０個の値から構成されてもよい。このアレイにストアされた値は 、反復的なプロセスの期間中に収束解を実現する各々の番号が付された試みに対 して用いられるべき初期条件である。アレイにおいて直接先行する値は、次の繰 返しに対する初期条件を発展させるのを助けるように機能する。アレイの最後の 番号は、回路の解を回路におけるすべての電圧および電流に対して望まれた最終 値に収束させるために、互いに等しくかつ試みられた解放のいくつかの繰返しに 対する最終的な通常の接合抵抗に等しい。この“特性は、後で説明されるフロー 図を調べたときに明白となるであろう。

最後に、値ＲＪＵＰ−０，２のような、接合抵抗上の更新に対する初期値が選択 される。ＲＪＵＰは、初期方法が繰返し期間中に収束群を発生しない場合に用い られる接合抵抗ＲＪに対する乗数である。その機能は、フロー図を参照したとき に、明らかとなるであろう。

この発明に従う方法の一例は次のとおりである。最初に、値の割当ての後に、イ ンデックスｒＮＸは、１に設定され（ステップＡ）さらにその後、この場合１０ である、インデックスに対する最終的な所望の値よりも大きいかどうかを調べる ためにテストされる（ステップＢ）。もしもそうでなければ、その接値ｒｃＯＮ ＶＧは、どの方法が用いられるべきかを判断するようにテストされる（ステップ Ｃ）。

もしも第１の方法が用いられるならば、与えられた回路条件の下で回路の解を計 算するために用いられるサブルーチンに対する呼出しが即座になされる。５ＰＩ ＣＥ回路シミュレータの特定の実施例において、このサブルーチンは■ＴＥＲ８ として知られている。もしもＩＣ０ＮＶＧが１に等しければ、初期条件は、アレ イにおける値を参照することなく代入文によってセットされた条件である。もし もＩＣ０ＮＶＧが２に等しければ、接合抵抗ＲＪの現在の値は。

現在のインデックス値に対応する接合抵抗のアレイの値にセットされる（ステッ プＤ）。いずれの場合にも、サブルーチンＩＴ、ＥＲ８のような、解の計算サブ ルーチンに対する呼出しが続いてなされる（ステップＥ）。Ｉ　ＴＥＲ８サブル ーチンは、従来の態様でその計算を実行し、収束によって特徴づけられる解が実 現されたかどうかを示すフラグを戻す。用いられるフラグは、ＩＧＯＯＦと呼ぼ る（ステップＦ）。収束群は、値ＩＧＯＯＦ−０によって示される。

非収束解は、値ＩＧＯＯＦ−１によって示される。ＩＧＯＯＦが１に等しい場合 には、第１の方法が用いられているかまたは第２の方法が用いられているかを判 断するためにＩＣ０ＮＶＧテストを用いてテストがなされる（ステップＧ）。も しも第１の方法が用いられているならば、ＲＪに対する初期値は、値ＲＪＵＰに 従うファクタだけ接合抵抗値を減少さぜることによって更新される（ステップＨ ）。

この例において、ＲＪＵＰは０．２に等しい。それゆえに、１ＭΩの初期値は、 ２００にΩの初期値に減少される。この方法はその後、ステップＡに戻りかつイ ンデックスＩＮＸをインクリメントすることによって再開される（ステップＡ） 。代わりに、もしも第２の方法が用いられていれば、第２の方法において収束群 を発生する接合抵抗に対する初期値が存在するかどうかは既に判断されているの で、ＲＪＵＰを用いる必要はない。ステップＦに戻って、ＩＴＥＲ８サブルーチ ンを用いて収束群が発生したと仮定すると、接合抵抗ＲＪに対する現在の値が接 合抵抗に対する指定された最終値に等しいかどうかを判断するテストが実行され る（ステップＪ）。もしも回路シミュレータがその従来のモードで作動している ならば、接合抵抗ＲＪは最終的な接合抵抗に等しくなり、それゆえにこの使用は 必要ではなかった。しかしながら、この発明に従うと、初期接合抵抗は最終接合 抵抗に等しくなくかつ収束群が実現されたかどうかを判断するために少なくとも １つの繰返しが必要とされている。

それゆえに、第１の方法が用いられているがまたは第２の方法が用いられている かを判断するテストが実行される（ステップＫ）。もしも第１の方法が用いられ ていれば、そのときは接合抵抗ＲＪに対する値は、最終値ＲＪＦＮＬにセットさ れる（ステップＬ）。そこで直ちに、ステップＡ、ステップ８．ステップＣおよ びステップＥは、前のように実行される。この回路解法ルーチンは、収束群が見 い出されたかどうかを示す最終値ＩＧＯＯＦを戻す（ステップＦ）。もしもこの 場合、収束群もまた見い出されるならば、そのときは現在の値の接合漏れ抵抗が 最終値の接合漏れ抵抗ＲＪＦＮＬに等しいかどうかを判断するテストが実行され る（ステップＪ）。もしもこのテストが肯定的であれば、そのときは、解が収束 しているということを示す安定した信号の形で出力表示が与えられる（ステップ Ｍ）。

したがって、この発明に従うと、回路解法サブルーチンの少なくとも２つの繰返 しが、収束群の存在を確立するために必要とされる。

しかしながら、この発明の能力は、繰返して回路を解く試みの期間中における接 合漏れ抵抗の値を調整する能力である。たとえば、初期接合抵抗は下向きに調整 されて（ステップＨ）収束群がより達成されやすいポイントに回路の状態を向け るように調整され得るということが既に示されている。この下向きの調整は、非 収束解が得られたという表示が与えられたときはいつでも実行され得る。したが って、接合漏れ抵抗を所望の高い値に向けて壜大させようとする試みがなされる ときに、ＩＴＥＲ８サブルーチンが収束を規定する条件内の解のその範囲を維持 できないときはいつでも更新ステップ（ステップＨ）は、接合抵抗を下向きに再 調整するために用いることができる。

第１の方法に従うと、ステップＥを通じて収束群が得られたときはいつでも現在 の接合抵抗値の代わりに最終接合抵抗値を用いることによって収束が実現され得 るかどうかを判断する試みがなされる。第１のＩＴＥＲ８サブルーチン呼出しの 後に得られた回路の解が実際の解の良好な推測を形成するので、ＩＴＥＲ８ルー チンへの第２の訪れの期間中にＲＪ−ＲＪＦＮＬで現実の回路に回路に対して比 較的急速に最終の解が実現され得る正当な機会が存在する。

しかしながら、インデックスＩＮＸの１０回の繰返しの後に、ステップＬおよび ステップＨを用いて接合抵抗値を変更するように接合抵抗を調整するこの方法に よって収束群が達成されなかったならば、収束の実現を試みるための異なる方法 が用いられる。この第２の方法において、第１のステップは、第２の方法が既に 用いられているかどうかをテス゛卜することである〈ステップＮ）。もしもこれ が用いられていたならば、そのときは結果は、収束解は見い出されていないとい うことである（ステップＰ）。この計算はその後終了する〈ステップＱ）。もし も一方で第２の方法が未だ用いられていなければ、収束インデックスは２にセッ トされ（ステップＲ）かつ繰返しインデックスＩＮＸはゼロ（０）にリセットさ れる（ステップＳ）。制御はその後、ステップＡに戻りかつ種々のテストがもう 一度開始される。たとえば、ステップＳは、第１の方法が利用されるべきかまた は第２の方法が利用されるべきかを判断するようにテストする。もしも第２の方 法が利用されるべきであれば、そのときは接合抵抗ＲＪは、対応するインデック スの接合抵抗アレイＲＪＡＲＹ　（ＩＮＸ）にストアされた所定の値に対応する ように更新される（ステップＤ）。そこで直ちに、ＩＴＥＲ８ルーチンへの呼出 しがなされ（ステップＥ）、さらに収束が実現されたかどうかを示す値が戻され る。もしも、収束が実現されいなければ、接合抵抗ＲＪＦＮＬの最終値に対応す る収束解が見い出されるようなときまでステップＡで始まってステップＦのテス トを介するプロセスが反復される。用いられた方法のいずれに対しても、収束基 準が最終接合抵抗ＲＪＦＮＬで満りされるとすぐにこの手順が完了されかつ良好 な解が得られる。

この状況を説明する目的で、第３図が参照される。第３図は、５ＰＩＣＥ回路シ ミュレータによって用いられる■ＴＥＲ８サブルーチンのような、典型的な回路 解法サブルーチンを描いている。これは、非線形方程式を解くために線形回路方 程式を用いるサブルーチンである。第１ステツプ（ステップＡＡ）を参照すると 、ＩＴＥＲと呼ばれるカウンタのような初期カウンタが初期値にプリセットされ る。

この場合、ＩＴＥＲは最初にゼロにセットされている。その後、カウンタＩ　Ｔ ＥＲは、インクリメントされる（ステップＢＢ）。カウンタＩＴＥＲが、値ＩＴ ＭＡＸによって表わされるレジスタにストアされた、値２００のような最大の予 め選択された反復を越えるかどうかを判断するテストが実行される（ステップＣ Ｃ）。もしも収束基準が満たされていなければ、サブルーチンは終了しかつ解が 得られていないということを示すフラグがセットされる。これは、この発明に従 う方法を信号で知らせるために用いられるフラグＩＧＯＯＦ−１（ステップＤＤ ）である。もしも、一方で繰返しの最大限許容され得る回数が越えられていなけ れば、検討中の回路に対する回路マトリクス係数およびソースタームが計算のた めに指定されたレジスタにロードされる（ステップＥＥ）。その後、たとえば直 接マトリクス反転によって線形回路方程式が解かれる（ステップＦＦ）。

直接マトリクス反転解法は、線形方程式のシステムに対する正確な解という利点 を有している。しかしながら、回路方程式を解く他の方法もまた用いられてもよ い。

線形回路方程式の鍵が得られた後に、収束基準が満たされているかどうかを判断 する収束テストが解に対して適用される（ステップＧＧ）。収束基準の例は、反 復的な計算によって得られた連続する解における小さな差である。もしも収束基 準が満たされていなければ、そのときは収束基準が満たされるまでまたは繰返し の回数が許される最大回数を越えるまで、ステップＢＢで始まるステップが反復 される。もしも、収束基準を満たす解が得られるならば、そのときはこの発明に 従う方法によって、値ＩＧＯＯＦ＝０がもどされる（ステップＨＨ）。

この発明は、特定の実施例を参照して説明された。たとえば、５ＰＩＣＥ回路シ ミュレータの状況において選択された実施例が用いられてもよい。この発明はま た、収束解に関連しやすい回路方程式を解くことを試みる他の回路シミュレータ に関連して実現されてもよい。そのような回路シミュレータは常に、本質的に反 復的である。それゆえに、この発明は、添付された請求の範囲によって示される 内容以外に限定されるものではない。

ＦＩＧ−了 ＦＩＧ、２゜ 国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．回路方程式に対する解を反復して求める回路シミュレータにおいて用いるた めの、回路評価解の収束を改善する方法であって、 （ａ）前記回路シミュレータにおける半導体素子の接合のモデルを変更してテス ト接合漏れ抵抗値を実質的に現実の接合漏れ抵抗値よりも小さい値に等しくし、 これにより前記回路モデルのより巌重ではない回路状態のシミュレーションを許 容するステップと、その後、（ｂ）前記回路モデルの各回路ノードにおいておよ び各回路ブランチ上において正当な初期条件を発生するように変更された前記回 路モデルを用いるステップと、その後、（ｃ）回路ノード電圧および回路ブラン チ電流を反復して計算して収束回路解を求めるステップと、その後、（ｄ）収束 回路解が達成されたときはいつでも、前記接合モデルを再変更して前記テスト接 合漏れ抵抗値を前記現実の接合漏れ抵抗値により似たものにし、かつさもなけれ ば前記テスト接合漏れ抵抗値を前記現実の接合漏れ抵抗値により似ていない値に 再変更するステップと、その後、（ｅ）前記テスト接合漏れ抵抗値を前記現実の 接合漏れ抵抗値に等しくしながら収束回路解が達成されるまでステップ（ｃ）お よび（ｄ）を反復するステツプとを含む、方法。
2. ２．前記再変更ステップは、収束回路解のときはいつでも前記テスト接合漏れ抵 抗値を前記現実の接合漏れ抵抗値にセットするステップを含む、請求の範囲第１ 項記載の方法。
3. ３．前記再変更ステップは、前記計算ステップことの後に前記テスト接合漏れ抵 抗値を前記現実の接合漏れ抵抗値に向かってインクリメンタルに増大させるステ ップを含む、請求の範囲第１項記載の方法。
4. ４．前記変更ステップは、前記テスト接合漏れ抵抗値を前記現実の接合漏れ抵抗 値の１００００分の１以下の初期値にセットするステップを含む、請求の範囲第 １項、第２項または第３項のいずれかに記載の方法。
5. ５．前記変更ステップは、前記テスト接合漏れ抵抗値を前記現実の接合漏れ抵抗 値の１００００００分の１以下の初期値にセットするステップを含む、請求の範 囲第１項，第２項または第３項のいずれかに記載の方法。