通用SPICE等效电路仿真系统及方法

摘要

一种通用SPICE等效电路仿真系统及方法，该系统包括：资料读取模块，用于从存储设备内读取Tabular W-element格式的资料文件，利用内差算法从该资料文件中获取RLGC传输线矩阵；矩阵转换模块，用于将传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；参数选择模块，用于使用内差算法选定S参数频率范围，选定向量拟合算法所需的极值-残值数量；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对应于S参数矩阵的有理数函数矩阵，及根据该有理数函数矩阵产生相应的等效电路。实施本发明，能够将Tabular W-element格式的资料文件导入到通用SPICE格式的仿真软件下仿真等效电路。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电路仿真系统及方法，特别是关于一种通用SPICE 等效电路仿真系统及方法。

背景技术

封装与印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)通道中的微带 (microstrip)与带线(stripline)架构传输线，透过场效求解(Filed Solver)软件， 例如Ansoft公司的Q3D软件或Synopsys公司的Hspice软件，可输出频率相 依电阻、电感、电抗、电容(Frequency dependent RLGC)模型来表示等 效的传输线效应。其次，为了解决模型因果关系与精准度问题，例如传输 线肌肤效应和介电损失。在电路仿真流程中，可使用Intel公司所发展的 SISTAI进行模型转换，通过萃取频率相依RLGC模型来解决以上问题。其 中，模型输出格式使用Synopsys公司规范的表格W元素语法(Tabular W-element)标准，对于一般电路仿真软件如Cadence公司的Pspice软件、 Sigrity公司的SPDSIM软件和SIMetrix公司的Simplis软件无法接受此类型 格式，使得对于Tabular W-element模型的使用上受到限制。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种通用SPICE等效电路仿真系统及方 法，能够将Tabular W-element格式的资料文件导入到通用SPICE格式的 仿真软件下仿真等效电路。

所述的通用SPICE等效电路仿真系统安装并运行于计算机中，该系 统包括：资料读取模块，用于从存储设备内读取表格W元素语法(Tabular W-element)格式的资料文件，利用内差算法从该格式资料文件中获取频 率相依传输线矩阵；矩阵转换模块，用于将频率相依传输线矩阵转换为 ABCD参数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；参数选择模 块，用于使用内差算法选定S参数矩阵频率范围，以及选定向量拟合算法 所需的极值-残值数量、递归次数及系统误差；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对应于S参数矩阵的有理数函 数矩阵，以及根据有理数函数矩阵产生相应的通用SPICE等效电路。

所述的通用SPICE等效电路仿真方法包括步骤：从存储设备内读取 表格W元素语法格式的资料文件；利用内差算法从该格式资料文件中获 取频率相依传输线矩阵；将频率相依传输线矩阵转换为ABCD参数矩阵， 并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵；使用内差算法选定S参数频率 范围；选定向量拟合算法所需的极值-残值数量、递归次数及系统误差； 基于极值-残值数量执行向量拟合算法产生对应于S参数矩阵的有理数函 数矩阵；根据有理数函数矩阵产生相应的通用SPICE等效电路。

相较于现有技术，本发明所述的通用SPICE等效电路仿真系统及方 法能够产生的等效电路具有较高的可行性及准确性，其可广泛应用于信号 仿真领域，可将Tabular W-element格式的资料文件导入到通用SPICE格 式的仿真软件下运作。

附图说明

图1是本发明通用SPICE等效电路仿真系统较佳实施例的实施架构 图。

图2是本发明通用SPICE本发明等效电路仿真方法较佳实施例的流 程图。

图3是N端口电路系统的示意图。

图4是等效电路的主电路示意图。

图5是等效电路的子电路(一)示意图。

图6是等效电路的子电路(二)示意图。

主要元件符号说明

计算机                     1

存储设备                   10

中央处理器                 11

等效电路仿真系统           12

资料读取模块               121

矩阵转换模块               122

参数选择模块               123

等效电路产生模块           124

输出设备                   2

具体实施方式

如图1所示，是本发明通用SPICE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，等效电路仿真系统12安装并运行于计算机 1中，该计算机1包括存储设备10以及中央处理器(central processing unit， CPU)11。该计算机1连接输出设备2，例如显示器，用于显示产生的等 效电路。存储设备10用于存储表格W元素语法(Tabular W-element)的 标准档案格式的电阻、电感、电抗及电容(RLGC)资料。所述Tabular W-element是Synopsys公司所规范的一种表格元素的语法规范标准。所述 等效电路仿真系统12用于从存储设备10中读取Tabular W-element标准 格式的资料文件，例如*.tab格式的资料文件，根据该资料文件的RLGC 资料产生等效电路，并将该等效电路输出至输出设备2。所述等效电路可 在通用SPICE格式的仿真软件下运作，例如Cadence公司的Pspice软件、 Sigrity公司的SPDSIM软件和SIMetrix公司的Simplis软件。所述SPICE 软件(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，集成电路仿真 程序)是一种用于电路描述与仿真的语言仿真软件，用于检测电路的连接 和功能的完整性、预测电路的行为，以及用于模拟电路或混合信号电路的 仿真。

在本实施例中，所述等效电路仿真系统12包括资料读取模块121、 矩阵转换模块122、参数选择模块123、以及等效电路产生模块124。所 述的资料读取模块121用于从存储设备10内读取Tabular W-element标准 格式的资料文件，利用内差算法(interpolation)从Tabular W-element格 式资料文件中获取频率相依(Frequency dependent)传输线矩阵。所述频 率相依传输线矩阵是一种表格W元素RLGC模型，包括电阻、电感、电 抗及电容资料信息。

所述的矩阵转换模块122用于将RLGC传输线矩阵转换为ABCD参 数矩阵，并将ABCD参数矩阵转换为S参数矩阵。所述的ABCD参数矩 阵是一种用来描述多输入输出端口电路特性的链参数矩阵，用于多输入输 出端口电路的级联连接。如图3所示的N端口(N-ports)电路系统，该 N-ports系统定义的ABCD矩阵，V₁至V_N是埠1至端口N上的电压，I₁至I_N是流入到埠1至端口N的分支电流。所述的S参数矩阵是一种用于 描述高频电路中入射电压波和反射电压波之间关系的散射矩阵，其中S 参数是建立在入射电压波、反射电压波关系基础上的电路频率参数。

所述的参数选择模块123用于使用内差算法选定S参数频率范围，来 增加RLGC传输线矩阵中向量拟合(Vector Fitting)的准确度，以及用于 选定向量拟合算法所需的极值-残值(pole-residue)数量、递归次数与系 统误差。所述的系统误差是等效电路仿真所允许的最大误差。

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 合算法产生S参数的有理数函数(Rational function)矩阵，以及根据有理 数函数矩阵产生通用SPICE等效电路。该等效电路产生模块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，是本发明通用SPICE等效电路仿真方法较佳实施例的 流程图。在本实施例中，该等效电路仿真方法能够利用Tabular W-element 标准格式的RLGC资料模型产生适用于通用SPICE软件下运作的等效电 路。所述SPICE软件，是一种用于电路描述与仿真的语言仿真软件，用 于检测电路的连接和功能的完整性、预测电路的行为，以及用于模拟电路 或混合信号电路的仿真。

步骤S21，资料读取模块121从存储设备10内读取Tabular W-element 标准格式的资料文件。所述Tabular W-element格式是Synopsys公司所规 范的一种表格元素的语法规范标准。步骤S22，资料读取模块121利用内 差算法从Tabular W-element格式资料文件中获取频率相依(Frequency dependent)RLGC传输线矩阵。所述频率相依传输线矩阵是一种表格W 元素RLGC模型，包括电阻、电感、电抗及电容资料信息。

步骤S23，矩阵转换模块122将RLGC传输线矩阵转换为ABCD参 数矩阵，并将ABCD参数转换为S参数矩阵。以下为ABCD参数矩阵与 S参数转换矩阵的转化方法：将RLGC传输线矩阵的电阻、电感、电抗及 电容资料信息代入公式(1)，得到系统ABCD参数矩阵T：

T＝e(D+sE)l，其中$D=\left(\begin{array}{cc}0& -R\left(s\right)\\ -G\left(s\right)& 0\end{array}\right),E=\left(\begin{array}{cc}0& -L\left(s\right)\\ -C\left(s\right)& 0\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中s＝jω，l为传输线长度。其次，将公式(1)代入公式(2)：

$Y=\left(\begin{array}{cc}{Y}_{11}& Y_{12}\\ Y_{21}& Y_{22}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}-T_{12}^{-1}{T}_{11}& T_{12}^{-1}\\ -T_{21}+T_{22}{T}_{12}^{-1}{T}_{11}& -T_{22}{T}_{12}^{-1}\end{array}\right)---\left(2\right)$

将公式(2)的Y参数代入公式(3)：

$S={(I_N+Z_0^{1/2}{\mathrm{YZ}}_0^{1/2})}^{-1}(I_N-Z_0^{1/2}{\mathrm{YZ}}_0^{1/2})---\left(3\right)$

其中，I_N为N×N单位(identity)矩阵，Z₀为S参数参考电阻 (reference resistor)，且Z₀＝50I_N。由公式(3)，可得到传输线S参数矩阵。

步骤S24，参数选择模块123使用内差算法选定S参数频率范围，以 便增加RLGC传输线矩阵中向量拟合(Vector Fitting)的准确度。步骤 S25，参数选择模块123选定向量拟合算法所需的极值(pole-residue)数 量、递归次数以及系统误差。在本实施例中，经由以下向量拟合算法可得 到一组由M对极值-残值(pole-residue)组合而成的有理数函数(Rational function)，如公式(4)所示。其中，透过设定pole-residue数量与算法递归 次数，可增加公式(4)的准确度。

$f\left(s\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{r_m}{s+p_m}+d+\mathrm{se}---\left(4\right)$

其中，f(s)为连续函数，r_m为残值(residue)，p_m为极值(pole)。经 由公式(3)得到S参数后，对于N端口电路系统(如图3所示)的S参数 矩阵以公式(5)表示：

$S\left(s\right)=\left(\begin{array}{cccc}{S}_{11}\left(s\right)& S_{12}\left(s\right)& ...& S_{1N}\left(s\right)\\ S_{21}\left(s\right)& S_{22}\left(s\right)& ...& S_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ S_{N1}\left(s\right)& S_{N2}\left(s\right)& ...& S_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right)---\left(5\right)$

将公式(5)每一向量分别进行向量拟合，可得到公式(6)中的有理数函 数矩阵：

$S\left(s\right)\approx \hat{S}\left(s\right)=\left(\begin{array}{cccc}{\hat{S}}_{11}\left(s\right)& {\hat{S}}_{12}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{1N}\left(s\right)\\ {\hat{S}}_{21}\left(s\right)& {\hat{S}}_{22}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ {\hat{S}}_{N1}\left(s\right)& {\hat{S}}_{N2}& ...& {\hat{S}}_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right),{\hat{S}}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{r_m^{i,j}}{s+p_m^{i,j}}+k^{i,j}+{\mathrm{se}}^{i,j},---\left(6\right)$

其中，的实数部分大于0，亦即

步骤S26，等效电路产生模块124基于选定的pole-residue数量执行 Vector Fitting算法产生S参数的有理数函数矩阵(Rational function matrix)。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数量再执行Vector Fitting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模拟合成对应的通 用Spice等效电路。

如图3所示，是N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)，Z₀为相对 应的参考电阻。该N端口电路系统的S参数可表示成公式(7)：

b＝Sa，其中$a=\left(\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ ...\\ a_N\end{array}\right),b=\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ ...\\ b_N\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中，入射波a和反射波b与输入输出端口电压V和电流I关系分别 表示为公式(8)：

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

其中$V=\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ ...\\ V_N\end{array}\right),I=\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ ...\\ I_N\end{array}\right),Z_0=\left(\begin{array}{cccc}{Z}_{\mathrm{0,1}}& 0& ...& 0\\ 0& Z_{\mathrm{0,2}}& ...& 0\\ ...& ...& ...& ...\\ 0& 0& ...& Z_{0,N}\end{array}\right)---\left(8\right)$

由公式(7)和(8)可得到电压和电流与S参数关系，如公式(9)所示：

$I=Z_0^{-1}V-Z_0^{-1/2}{\mathrm{SZ}}_0^{1/2}(Z_0^{-1}V+I)---\left(9\right)$

将所得到有理数函数矩阵公式(6)代入公式(9)，得到公式(10)所示：

$\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ ...\\ I_N\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{V_1}{Z_{o,1}}\\ \frac{V_2}{Z_{o,2}}\\ ...\\ \frac{V_2}{Z_{o,N}}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{cccc}{\hat{S}}_{11}\left(s\right)& {\hat{S}}_{12}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{1N}\left(s\right)\\ {\hat{S}}_{21}\left(s\right)& {\hat{S}}_{22}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{2N}\left(s\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ {\hat{S}}_{N1}\left(s\right)& {\hat{S}}_{N2}\left(s\right)& ...& {\hat{S}}_{\mathrm{NN}}\left(s\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\tilde{V}}_1\\ {\tilde{V}}_2\\ ...\\ {\tilde{V}}_N\end{array}\right),---\left(10\right)$

其中${\tilde{V}}_i=(\frac{V_i}{Z_{o,i}}+I_i)$

将公式(10)中的残值(residue)分为实数(real)与合数(complex) 表示的形态，如以下公式(11)所示：

${\hat{S}}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)={\hat{S}r}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)+{\hat{S}c}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)+k^{i,j}+{\mathrm{se}}^{i,j}---\left(11\right)$

其中，与分别以公式(12)表示：

${\hat{S}r}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)=\underset{u=1}{\overset{U}{\Sigma }}\frac{r_u^{i,j}}{s+p_u^{i,j}},$$r_u^{i,j}>0\mathrm{foru}<U^{+},$$r_u^{i,j}\le 0\mathrm{foru}>U^{+}---\left(12a\right)$

${\hat{S}c}_{\mathrm{ij}}\left(s\right)=\underset{v=1}{\overset{V}{\Sigma }}\frac{c_v^{i,j}+d_v^{i,j}j}{s+(a_v^{i,j}+b_v^{i,j}j)}+\frac{c_v^{i,j}-d_v^{i,j}j}{s+(a_v^{i,j}-b_v^{i,j}j)},---\left(12b\right)$

$c_v^{i,j}\le 0\mathrm{forv}\le V^{+},$$c_v^{i,j}<0\mathrm{forv}>V^{+}$

其中，U+2V＝M，且其次， 可利用公式(10)-公式(12)模拟合成出如图4-6所示的等效电路。

如图4所示，是通用SPICE等效电路的主电路示意图。如图5-6所示， 是等效电路的子电路(一)及子电路(二)示意图。通过本发明所述的等 效电路仿真系统及方法产生的等效电路具有较高的可行性，其可广泛应用 于信号仿真领域，可将Tabular W-element档案格式(*.tab)连结到通用 SPICE格式的仿真软件下运作。