求解具类PN结特性的静态工作点的方法与装置

摘要

本发明提供一种求解具类PN结特性的静态工作点的方法与装置，该方法包含如下步骤：检测非线性电路内的电压电流特性呈指数变化的元件，并标记为具类PN结特性；将标记为类PN结特性的元件进行调整；及利用非线性方程求解该非线性电路的静态工作点。

说明书

技术领域

本发明是关于一种求解非线性电路静态工作点的方法与装置，尤其是关于求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的方法与装置。

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。电路静态工作点的计算，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，电路静态工作点的收敛性问题是电路模拟中最困难的问题。

在电路仿真中，静态工作点是求解所有其它电路特性的基础。然而，非线性电路的静态工作点往往很难求得，经典的求解非线性方程的方法是N-R算法。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。然而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。由于N-R算法具有局部收敛的特性，一般的电路往往因为没有足够接近真实解的初始状态猜测值，而无法利用N-R算法得到稳定的静态工作点，因此收敛性是这些方法所遇到的最大问题。

非线性器件是造成HSPICE无法收敛的一个主要原因，以下举一个PN结元件予以说明。假如电路包含一PN结元件，其直流特性可藉由一与PN结跨压V_D相关的非线性电流源i_D表示：

$i_D=I_S(e^{\frac{v_D}{{\mathrm{nV}}_T}}-1)$

在求解过程中，HSPICE在特定的迭代数目内必须建立起电路的直流偏压点，否则会产生非收敛状况而中断模拟。由于PN结元件其I-V特性曲线为指数上升，因此电路在迭代过程中，小幅的V_D变动会造成大量的电流变化，使得电路难以收敛。为了解决该问题，在HSPICE中，针对二极管、三极管以及MOS管等非线性器件都采取了一定的措施来处里这种情况，如加并联电导(gmin)，PN结限压等。

如果HSPICE电路包含一PN结元件，则其包含一逆偏运作时的零电导区域。在电路仿真时，该区域会造成一除零(divided-by-zero)的错误情形。为了避免此一问题，在每一HSPICE半导体元件中的每一PN结会有一gmin转导元件并联于该PN结，以避免迭代过程中产生的次一电压远离最终解。

然而现在的电路设计往往会采用非线性电阻、电压控制电流源(Voltage-Controlled-Current-Source，VCCS)等器件去模拟PN结特性，称之为类PN结元件。这种类PN结元件的非线性电阻特性会对HSPICE的收敛特性构成阻碍，为了检测到该些元件以采用上述并联电导步进或PN结限压来加强收敛，有必要提出一种检测类PN结元件的方法以识别出该些元件，并提出一种用于该类PN结元件的仿真方法以改善电路的收敛性。

图1示例一求解非线性电路静态工作点过程的示意图，其中纵轴代表电流，横轴代表电压，而类PN结的指数呈递增特性。在求解静态工作点的过程中，假设在一初值点A点后进入下一个步进点B，然而因为类PN结的指数递增特性，导致A点和B点之间的差距过大，难以达到收敛。由图1中可以看的出来，由于这种强烈的非线性特性的存在，节点电压在迭代过程中一点微小的变动都会导致输出电流的大幅增长，这对接下来的N-R迭代过程是很不利的。为了避免电路中非线性器件的非线性特性导致N-R算法失败，因此事先先发现电路中的非线性器件，事先予以调整，是一件很重要的事情。

发明内容

本发明提出一种求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的方法与装置，其主要分为两阶段，第一阶段为检测具类PN结特性的元件，第二阶段为调整类PN结特性的元件。由于类PN结特性的元件是造成HSPICE无法收敛的一个主要原因，因此如果能事先检测出来，并加以调整，则可预先排除HSPICE收敛的障碍，加快HSPICE收敛的速度和机率。

本发明提供一种求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的方法，包含如下步骤：检测该非线性电路内的电压电流特性呈指数变化的元件，并标记为具类PN结特性；将标记为类PN结特性的元件进行调整；及利用非线性方程求解调整后的该非线性电路的静态工作点。

本发明提供一种求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的装置，包含一检测单元、一调整单元及一计算单元。该检测单元检测该非线性电路内的电压电流特性呈指数变化的元件，并标记为具类PN结特性。该调整单元将标记为类PN结特性的元件进行调整。该计算单元利用非线性方程求解调整后的该非线性电路的静态工作点。

本发明的一实施例的检测单元包含一非线性电阻检测模块及一VCCS检测模块。该非线性电阻检测模块对可能的非线性电阻的两端添加测试电压，并求得各组测试电压下的电导值。若该组电导值具有指数特性，则标记该非线性电阻为具类PN结特性。该VCCS检测模块对可能的电压控制电流源的两端添加测试电压，并求得各组测试电压下的电流值。若该组电流值具有指数特性，则标记该电压控制电流源为具类PN结特性。

附图说明

图1示例一求解非线性电路静态工作点过程的示意图；

图2是本发明的一实施例的求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的流程图；

图3是本发明的一实施例的检测具类PN结特性元件的流程图；

图4是本发明的一实施例的求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的装置示意图；及

图5是本发明的一实施例的检测单元的示意图。

具体实施方式

为便于更好的理解本发明的精神，以下结合本发明的优选实施例对其作进一步说明。本发明在此所探讨的方向为一种求解类PN结特性的非线性电路静态工作点的方法与装置。为了能彻底地了解本发明，将在以下的描述中提出详尽的步骤及组成。显然，本发明的实施并未限定于电路设计的技术人员所熟悉的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地实施在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以权利要求书为准。

图2是本发明的一实施例的求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的流程图。在步骤21，检测该非线性电路内的电压电流特性呈指数变化的元件，并标记为具类PN结特性。该具类PN结特性的元件是本发明要检测的标的，因此首要目标是将其检测出来。在步骤22，将标记为类PN结特性的元件进行调整。该调整方法可能为作适当的调整，例如作类PN结限压，添加并联电导(gmin)等。在步骤23，利用非线性方程求解该非线性电路的静态工作点，例如计算限压后的Jacobian矩阵，进行NR迭代，直至求得电路的静态工作点。

图3是本发明的一实施例的检测具类PN结特性元件的流程图。首先确定可能出现类PN结特性的器件为非线性电阻和电压控制电流源(VCCS)。然后对其两端添加测试电压，以测试器件的电流或电阻特性。

在步骤31，对非线性电阻的两端添加测试电压，并求得各组测试电压下的电导值。在步骤32，判断该组电导值是否具有指数特性？若答案为是，则进入步骤33，否则结束检测。对于非线性电阻，如果测试电导随着测试电压的升高呈指数型增长，则可判断该非线性电阻具有类PN结特性。在步骤33，标记该非线性电阻为具类PN结特性。

在步骤34，对电压控制电流源的两端添加测试电压，并求得各组测试电压下的电流值。在步骤35，判断该组电流值是否具有指数特性？若答案为是，则进入步骤36，否则结束检测。对于VCCS，如果测试电流随着测试电压的升高呈指数型增长，则可判断该VCCS具有类PN结特性。在步骤36，标记该电压控制电流源为具类PN结特性。

在检测到相关的具有类PN结特性的元件后，我们可以在接下来的N-R迭代过程中对其做相关的处理，如类PN结限压，添加并联电导(gmin)等。这些措施有利于限制器件电流或电阻在一定范围内，并且通过并联电导以增加该元件的线性化程度。

图4是本发明的一实施例的求解具类PN结特性的非线性电路静态工作点的装置示意图，其包含一检测单元41、一调整单元42及一计算单元43。该检测单元41检测该非线性电路内的电压电流特性呈指数变化的元件，并标记为具类PN结特性。该调整单元42将标记为类PN结特性的元件进行调整，例如作如类PN结限压，添加并联电导(gmin)等。该计算单元43利用非线性方程求解该非线性电路的静态工作点，例如计算限压后的Jacobian矩阵，进行NR迭代，直至求得电路的静态工作点。

图5是本发明的一实施例的检测单元41的示意图，其包含一非线性电阻检测模块51及一VCCS检测模块52。该非线性电阻检测模块51对可能的非线性电阻的两端添加测试电压，并求得各组测试电压下的电导值。若该组电导值具有指数特性，例如测试电导随着测试电压的升高呈指数型增长，则判断该非线性电阻具有类PN结特性，且标记该非线性电阻为具类PN结特性。该VCCS检测模块52对可能的电压控制电流源的两端添加测试电压，并求得各组测试电压下的电流值。若该组电流值具有指数特性，例如测试电流随着测试电压的升高呈指数型增长，则判断该VCCS具有类PN结特性，且标记该电压控制电流源为具类PN结特性。

本发明的步骤分为两阶段，第一阶段为检测具类PN结特性的元件，第二阶段为调整类PN结特性的元件。

在第一阶段，首先利用对非线性电阻两端添加测试电压，求得在各组测试电压下的电导值，然后根据一定的模式识别规则，判断该组测试电导值是否具有指数曲线的特性。如果具有指数曲线的特性，则判定该非线性电阻为类PN结特性电阻，将其标记。其次，本发明利用对VCCS两端添加测试电压，求得在各组测试电压下的电流值。根据一定的模式识别规则，判断该组测试电流值是否具有指数曲线的特性。如果具有指数曲线的特性，则判定该VCCS为类PN结VCCS，将其标记。

在第二阶段的调整过程，在NR迭代求解静态工作点时，对标记为具有类PN特性的元件进行类PN结限压，添加并联电导(gmin)的措施。之后计算限压后的Jacobian矩阵，进行NR迭代，直至求得电路的静态工作点。

由于本发明预先将不利于HSPICE收敛的具类PN结特性的元件检测出，并预先予以调整，因此可预先排除HSPICE收敛的障碍，加快HSPICE收敛的速度和机率。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。