[发明专利]非线性电路直流工作点的伪瞬态分析方法与装置

说明书

技术领域

本发明是关于一种非线性电路的分析方法与装置，尤其是关于一种非线性电路直流工作点的伪瞬态分析方法与装置。

背景技术

电路模拟软件(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，HSPICE)在进行任何形式前，首先需进行直流分析，藉以建立电路的直流偏压点。以此为起点，才可以进行瞬态、交流小信号、噪声等其它性能的模拟。电路直流工作点的计算，其实质在数学上就是解一个非线性的代数方程组。为了建立电路的直流分析点，HSPICE必须求解描述电路行为的一组非线性方程式，其可藉由常用的非线性代数方程数值求解的方法有：直接牛顿迭代法(Newton-Raphson Algorithm，N-R算法)、延拓法和伪瞬态法。这些方法的基本原理虽然已经众所周知，但如何针对电路模拟的特点，实现出具有优异性能和很强收敛性的算法却一直是集成电路设计人员最为困扰的问题。特别是，电路直流工作点的收敛性问题是电路模拟中最困难的问题。

N-R算法的步骤为首先给定一适当的初始值后，代入方程式中以进行迭代，直至相邻两次的解向量彼此间差的绝对值小于某一设定的允许误差为止。N-R算法在某些状况下会出现不收敛的问题，例如当该非线性方程式为不连续，或者在计算过程中所采用的初值不准确。当在计算过程中难以收敛时，HSPICE会增加迭代运算的数目或是在减少步进大小(step size)后重新进行运算，该些步骤增加了模拟时间，并且在该些步骤后节点电压或电流可能依旧不收敛使得模拟中断，因此收敛性是这些方法所遇到的最大问题。

非线性代数方程数值求解的方式基本上都是通过迭代的方式，因此初值的选择就很重要。一般而言，可将初值的选择视为伪瞬态，而在时间趋近无穷大时达到稳态，电容充电足够了，电压亦不再变化，即可视为达到直流工作点，而整个过程可称为瞬态分析。

而伪瞬态法的基本原理为在每个独立电压源和每个非线性电压相关支路上串联一个伪电感，在每个独立电流源和每个非线性电流相关枝路上关联一个伪电容。这些伪组件上的初始条件取为零，然后采用后退欧拉法进行瞬态分析，这样求得的稳态解即为电路的直流解。相关的数据可参考《集成电路计算机辅助设计基础教程》一书，作者：张天义，北京大学出版社、及《电子电路的计算机辅助分析与设计方法》一书，作者：杨准中、罗嵘、汪惠，清华大学出版社。然而，伪瞬态法却因为在模拟时额外加入伪电感及伪电容而增加了产生振荡的机率，造成需花费更多的时间才能收敛或难以收敛的情形，且在该些步骤后节点电压或电流可能依旧不收敛使得模拟中断。

因而，如何有效地提高伪瞬态分析的收敛性，使得HSPICE求解非线性方程组时可以减少运算时间及收敛速度及如何获得一种更有效的方法，一直是业界关注的问题。

发明内容

本发明提供一种非线性电路直流工作点的伪瞬态分析方法与装置，该方法将伪瞬态分析分为两个阶段。在第一个阶段加入较大的常数阻尼因子，而在第二个阶段逐步去掉阻尼因子。该阻尼因子可有效地提高伪瞬态分析的收敛性，故可大幅增加电路模拟器的收敛速度和缩短运算时间。

本发明的一实施例的非线性电路直流工作点的伪瞬态分析方法，其包含如下步骤：在该非线性电路内的每个金属场效应管(MOS)管的PN结上并联一并联电导，在该等MOS管的每个节点至地之间连接一旁路电导及一旁路电容；将该并联电导和旁路电导的初值设为大于一预定的默设值；将所有的独立源置零；在该旁路电导和旁路电容所构成的时间常数的一特定倍数时间之内，逐渐升高独立源的数值至其原始的数值；以逐渐缩小该旁路电导的方式进行迭代，至最终完全去掉该旁路电导；以逐渐缩小该并联电导的方式进行迭代，至该并联电导等于其预定的默设值；及继续进行伪瞬态分析，并检查该旁路电容的电流是否小于一给定的误差，以判定是否已完成伪瞬态分析。