求解具類pn結特性的靜態工作點的方法與裝置的製作方法

2023-09-18 00:05:10 2

專利名稱：求解具類pn結特性的靜態工作點的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種求解非線性電路靜態工作點的方法與裝置，尤其是關於求解具 類PN結特性的非線性電路靜態工作點的方法與裝置。
背景技術：
(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, HSPICE)在進行任何形式前，首先需進行直流分析，藉以建立電路的直流偏壓點。以此為起 點，才可以進行瞬態、交流小信號、噪聲等其它性能的模擬。電路靜態工作點的計算，其實質 在數學上就是解一個非線性的代數方程組。為了建立電路的直流分析點，HSPICE必須求解 描述電路行為的一組非線性方程式，其可藉由常用的非線性代數方程數值求解的方法有 直接牛頓迭代法(Newton-Raphson Algorithm, N-R算法)、延拓法和偽瞬態法。這些方法 的基本原理雖然已經眾所周知，但如何針對電路模擬的特點，實現出具有優異性能和很強 收斂性的算法卻一直是集成電路設計人員最為困擾的問題。特別是，電路靜態工作點的收 斂性問題是電路模擬中最困難的問題。在電路仿真中，靜態工作點是求解所有其它電路特性的基礎。然而，非線性電路的 靜態工作點往往很難求得，經典的求解非線性方程的方法是N-R算法。N-R算法的步驟為首 先給定一適當的初始值後，代入方程式中以進行迭代，直至相鄰兩次的解向量彼此間差的 絕對值小於某一設定的允許誤差為止。N-R算法在某些狀況下會出現不收斂的問題，例如 當該非線性方程式為不連續，或者在計算過程中所採用的初值不準確。當在計算過程中難 以收斂時，HSPICE會增加迭代運算的數目或是在減少步進大小(st印size)後重新進行運 算。然而該些步驟增加了模擬時間，並且在該些步驟後節點電壓或電流可能依舊不收斂使 得模擬中斷。由於N-R算法具有局部收斂的特性，一般的電路往往因為沒有足夠接近真實 解的初始狀態猜測值，而無法利用N-R算法得到穩定的靜態工作點，因此收斂性是這些方 法所遇到的最大問題。非線性器件是造成HSPICE無法收斂的一個主要原因，以下舉一個PN結元件予以 說明。假如電路包含一 PN結元件，其直流特性可藉由一與PN結跨壓Vd相關的非線性電流 源iD表示_5] iD=Is{enV^-\)在求解過程中，HSPICE在特定的迭代數目內必須建立起電路的直流偏壓點，否則 會產生非收斂狀況而中斷模擬。由於PN結元件其I-V特性曲線為指數上升，因此電路在迭 代過程中，小幅的Vd變動會造成大量的電流變化，使得電路難以收斂。為了解決該問題，在 HSPICE中，針對二極體、三極體以及MOS管等非線性器件都採取了一定的措施來處裡這種 情況，如加並聯電導(gmin)，PN結限壓等。如果HSPICE電路包含一 PN結元件，則其包含一逆偏運作時的零電導區域。在電 路仿真時，該區域會造成一除零(divided-by-zero)的錯誤情形。為了避免此一問題，在每 一 HSPICE半導體元件中的每一 PN結會有一 gmin轉導元件並聯於該PN結，以避免迭代過程中產生的次一電壓遠離最終解。然而現在的電路設計往往會採用非線性電阻、電壓控制電流源(Voltage-Control led-Current-Source,VCCS)等器件去模擬PN結特性，稱之為類PN結元件。這種類PN結元 件的非線性電阻特性會對HSPICE的收斂特性構成阻礙，為了檢測到該些元件以採用上述 並聯電導步進或PN結限壓來加強收斂，有必要提出一種檢測類PN結元件的方法以識別出 該些元件，並提出一種用於該類PN結元件的仿真方法以改善電路的收斂性。圖1示例一求解非線性電路靜態工作點過程的示意圖，其中縱軸代表電流，橫軸 代表電壓，而類PN結的指數呈遞增特性。在求解靜態工作點的過程中，假設在一初值點A 點後進入下一個步進點B，然而因為類PN結的指數遞增特性，導致A點和B點之間的差距過 大，難以達到收斂。由圖1中可以看的出來，由於這種強烈的非線性特性的存在，節點電壓 在迭代過程中一點微小的變動都會導致輸出電流的大幅增長，這對接下來的N-R迭代過程 是很不利的。為了避免電路中非線性器件的非線性特性導致N-R算法失敗，因此事先先發 現電路中的非線性器件，事先予以調整，是一件很重要的事情。

發明內容
本發明提出一種求解具類PN結特性的非線性電路靜態工作點的方法與裝置，其 主要分為兩階段，第一階段為檢測具類PN結特性的元件，第二階段為調整類PN結特性的元 件。由於類PN結特性的元件是造成HSPICE無法收斂的一個主要原因，因此如果能事先檢 測出來，並加以調整，則可預先排除HSPICE收斂的障礙，加快HSPICE收斂的速度和機率。本發明提供一種求解具類PN結特性的非線性電路靜態工作點的方法，包含如下 步驟檢測該非線性電路內的電壓電流特性呈指數變化的元件，並標記為具類PN結特性； 將標記為類PN結特性的元件進行調整；及利用非線性方程求解調整後的該非線性電路的 靜態工作點。本發明提供一種求解具類PN結特性的非線性電路靜態工作點的裝置，包含一檢 測單元、一調整單元及一計算單元。該檢測單元檢測該非線性電路內的電壓電流特性呈指 數變化的元件，並標記為具類PN結特性。該調整單元將標記為類PN結特性的元件進行調 整。該計算單元利用非線性方程求解調整後的該非線性電路的靜態工作點。本發明的一實施例的檢測單元包含一非線性電阻檢測模塊及一 VCCS檢測模塊。 該非線性電阻檢測模塊對可能的非線性電阻的兩端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下 的電導值。若該組電導值具有指數特性，則標記該非線性電阻為具類PN結特性。該VCCS檢 測模塊對可能的電壓控制電流源的兩端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電流值。 若該組電流值具有指數特性，則標記該電壓控制電流源為具類PN結特性。


圖1示例一求解非線性電路靜態工作點過程的示意圖；圖2是本發明的一實施例的求解具類PN結特性的非線性電路靜態工作點的流程 圖；圖3是本發明的一實施例的檢測具類PN結特性元件的流程圖；圖4是本發明的一實施例的求解具類PN結特性的非線性電路靜態工作點的裝置示意圖；及圖5是本發明的一實施例的檢測單元的示意圖。
具體實施例方式為便於更好的理解本發明的精神，以下結合本發明的優選實施例對其作進一步說 明。本發明在此所探討的方向為一種求解類PN結特性的非線性電路靜態工作點的方法與 裝置。為了能徹底地了解本發明，將在以下的描述中提出詳盡的步驟及組成。顯然，本發明 的實施並未限定於電路設計的技術人員所熟悉的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或 步驟並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要的限制。本發明的較佳實施例會詳細描 述如下，然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地實施在其它的實施例中，且本發 明的範圍不受限定，其以權利要求書為準。圖2是本發明的一實施例的求解具類PN結特性的非線性電路靜態工作點的流程 圖。在步驟21，檢測該非線性電路內的電壓電流特性呈指數變化的元件，並標記為具類PN 結特性。該具類PN結特性的元件是本發明要檢測的標的，因此首要目標是將其檢測出來。 在步驟22，將標記為類PN結特性的元件進行調整。該調整方法可能為作適當的調整，例如 作類PN結限壓，添加並聯電導(gmin)等。在步驟23，利用非線性方程求解該非線性電路的 靜態工作點，例如計算限壓後的Jacobian矩陣，進行NR迭代，直至求得電路的靜態工作點。圖3是本發明的一實施例的檢測具類PN結特性元件的流程圖。首先確定可能出 現類PN結特性的器件為非線性電阻和電壓控制電流源(VCCQ。然後對其兩端添加測試電 壓，以測試器件的電流或電阻特性。在步驟31，對非線性電阻的兩端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電導值。 在步驟32，判斷該組電導值是否具有指數特性？若答案為是，則進入步驟33，否則結束檢 測。對於非線性電阻，如果測試電導隨著測試電壓的升高呈指數型增長，則可判斷該非線性 電阻具有類PN結特性。在步驟33，標記該非線性電阻為具類PN結特性。在步驟34，對電壓控制電流源的兩端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電 流值。在步驟35，判斷該組電流值是否具有指數特性？若答案為是，則進入步驟36，否則結 束檢測。對於VCCS，如果測試電流隨著測試電壓的升高呈指數型增長，則可判斷該VCCS具 有類PN結特性。在步驟36，標記該電壓控制電流源為具類PN結特性。在檢測到相關的具有類PN結特性的元件後，我們可以在接下來的N-R迭代過程中 對其做相關的處理，如類PN結限壓，添加並聯電導(gmin)等。這些措施有利於限制器件電 流或電阻在一定範圍內，並且通過並聯電導以增加該元件的線性化程度。圖4是本發明的一實施例的求解具類PN結特性的非線性電路靜態工作點的裝置 示意圖，其包含一檢測單元41、一調整單元42及一計算單元43。該檢測單元41檢測該非線 性電路內的電壓電流特性呈指數變化的元件，並標記為具類PN結特性。該調整單元42將標 記為類PN結特性的元件進行調整，例如作如類PN結限壓，添加並聯電導(gmin)等。該計 算單元43利用非線性方程求解該非線性電路的靜態工作點，例如計算限壓後的Jacobian 矩陣，進行NR迭代，直至求得電路的靜態工作點。圖5是本發明的一實施例的檢測單元41的示意圖，其包含一非線性電阻檢測模塊 51及一 VCCS檢測模塊52。該非線性電阻檢測模塊51對可能的非線性電阻的兩端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電導值。若該組電導值具有指數特性，例如測試電導隨著 測試電壓的升高呈指數型增長，則判斷該非線性電阻具有類PN結特性，且標記該非線性電 阻為具類PN結特性。該VCCS檢測模塊52對可能的電壓控制電流源的兩端添加測試電壓， 並求得各組測試電壓下的電流值。若該組電流值具有指數特性，例如測試電流隨著測試電 壓的升高呈指數型增長，則判斷該VCCS具有類PN結特性，且標記該電壓控制電流源為具類 PN結特性。本發明的步驟分為兩階段，第一階段為檢測具類PN結特性的元件，第二階段為調 整類PN結特性的元件。在第一階段，首先利用對非線性電阻兩端添加測試電壓，求得在各組測試電壓下 的電導值，然後根據一定的模式識別規則，判斷該組測試電導值是否具有指數曲線的特性。 如果具有指數曲線的特性，則判定該非線性電阻為類PN結特性電阻，將其標記。其次，本發 明利用對VCCS兩端添加測試電壓，求得在各組測試電壓下的電流值。根據一定的模式識別 規則，判斷該組測試電流值是否具有指數曲線的特性。如果具有指數曲線的特性，則判定該 VCCS為類PN結VCCS，將其標記。在第二階段的調整過程，在NR迭代求解靜態工作點時，對標記為具有類PN特性的 元件進行類PN結限壓，添加並聯電導(gmin)的措施。之後計算限壓後的Jacobian矩陣， 進行NR迭代，直至求得電路的靜態工作點。由於本發明預先將不利於HSPICE收斂的具類PN結特性的元件檢測出，並預先予 以調整，因此可預先排除HSPICE收斂的障礙，加快HSPICE收斂的速度和機率。本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本領域的技術人員仍可能基 於本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾。因此，本發明的保護範 圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，並為本專利 申請權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種求解具類PN結特性的靜態工作點的方法，其特徵在於包含如下步驟檢測一非線性電路內的電壓電流特性呈指數變化的元件，並標記為具類PN結特性；將標記為類PN結特性的元件進行調整；及利用非線性方程求解調整後的該非線性電路的靜態工作點。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中該具類PN結特性的元件包含非線性電 阻及電壓控制電流源。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於其中檢測該非線性電阻是否具類PN結特性 包含如下步驟對非線性電阻的兩端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電導值；及若該組電導值具有指數特性，則標記該非線性電阻為具類PN結特性。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於其中檢測該電壓控制電流源是否具類PN結 特性包含如下步驟對電壓控制電流源的兩端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電流值；及若該組電流值具有指數特性，則標記該電壓控制電流源為具類PN結特性。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中該調整包含將該類PN結限壓或添加並 聯電導。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於其中該並聯電導是設置於該PN結的輸入及 輸出。
7.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於其中該非線性電阻及電壓控制電流源是作 為模擬PN結特性的元件。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其是使用於HSPICE的電路模擬環境中。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於其中該非線性方程是使用牛頓-拉夫森方法。
10.一種求解具類PN結特性的靜態工作點的裝置，其特徵在於包含一檢測單元，檢測該非線性電路內的電壓電流特性呈指數變化的元件，並標記為具類 PN結特性；一調整單元，將標記為類PN結特性的元件進行調整；及一計算單元，利用非線性方程求解調整後的該非線性電路的靜態工作點。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於其中該具類PN結特性的元件包含非線性 電阻及電壓控制電流源。
12.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於其中該檢測單元對非線性電阻的兩端添 加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電導值，而若該組電導值具有指數特性，則標記該非 線性電阻為具類PN結特性。
13.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於其中該檢測單元對電壓控制電流源的兩 端添加測試電壓，並求得各組測試電壓下的電流值，而若該組電流值具有指數特性，則標記 該電壓控制電流源為具類PN結特性。
14.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於其中該調整單元將該類PN結限壓或添加 並聯電導。
15.根據權利要求14所述的裝置，其特徵在於其中該並聯電導是設置於該PN結的輸入及輸出。
16.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於其中該非線性電阻及電壓控制電流源是 用作模擬PN結特性的元件。
17.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於其是使用於HSPICE的電路模擬環境中。
18.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於其中該非線性方程是使用牛頓-拉夫森 方法。
全文摘要
本發明提供一種求解具類PN結特性的靜態工作點的方法與裝置，該方法包含如下步驟檢測非線性電路內的電壓電流特性呈指數變化的元件，並標記為具類PN結特性；將標記為類PN結特性的元件進行調整；及利用非線性方程求解該非線性電路的靜態工作點。
文檔編號G06F17/50GK102054079SQ200910211390
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者丁敏, 陳一驕 申請人:新思科技(上海)有限公司