專利名稱：求解具類pn結(jié)特性的靜態(tài)工作點的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種求解非線性電路靜態(tài)工作點的方法與裝置，尤其是關(guān)于求解具 類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的方法與裝置。
背景技術(shù)：
(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, HSPICE)在進(jìn)行任何形式前，首先需進(jìn)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(jìn)行瞬態(tài)、交流小信號、噪聲等其它性能的模擬。電路靜態(tài)工作點的計算，其實質(zhì) 在數(shù)學(xué)上就是解一個非線性的代數(shù)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(shù)方程數(shù)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(tài)法。這些方法 的基本原理雖然已經(jīng)眾所周知，但如何針對電路模擬的特點，實現(xiàn)出具有優(yōu)異性能和很強 收斂性的算法卻一直是集成電路設(shè)計人員最為困擾的問題。特別是，電路靜態(tài)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(tài)工作點是求解所有其它電路特性的基礎(chǔ)。然而，非線性電路的 靜態(tài)工作點往往很難求得，經(jīng)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(dāng)?shù)某跏贾岛?，代入方程式中以進(jìn)行迭代，直至相鄰兩次的解向量彼此間差的 絕對值小于某一設(shè)定的允許誤差為止。N-R算法在某些狀況下會出現(xiàn)不收斂的問題，例如 當(dāng)該非線性方程式為不連續(xù)，或者在計算過程中所采用的初值不準(zhǔn)確。當(dāng)在計算過程中難 以收斂時，HSPICE會增加迭代運算的數(shù)目或是在減少步進(jìn)大小(st印size)后重新進(jìn)行運 算。然而該些步驟增加了模擬時間，并且在該些步驟后節(jié)點電壓或電流可能依舊不收斂使 得模擬中斷。由于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(tài)猜測值，而無法利用N-R算法得到穩(wěn)定的靜態(tài)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(jié)元件予以 說明。假如電路包含一 PN結(jié)元件，其直流特性可藉由一與PN結(jié)跨壓Vd相關(guān)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(shù)目內(nèi)必須建立起電路的直流偏壓點，否則 會產(chǎn)生非收斂狀況而中斷模擬。由于PN結(jié)元件其I-V特性曲線為指數(shù)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，針對二極管、三極管以及MOS管等非線性器件都采取了一定的措施來處里這種 情況，如加并聯(lián)電導(dǎo)(gmin)，PN結(jié)限壓等。如果HSPICE電路包含一 PN結(jié)元件，則其包含一逆偏運作時的零電導(dǎo)區(qū)域。在電 路仿真時，該區(qū)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(dǎo)體元件中的每一 PN結(jié)會有一 gmin轉(zhuǎn)導(dǎo)元件并聯(lián)于該PN結(jié)，以避免迭代過程中產(chǎn)生的次一電壓遠(yuǎn)離最終解。然而現(xiàn)在的電路設(shè)計往往會采用非線性電阻、電壓控制電流源(Voltage-Control led-Current-Source,VCCS)等器件去模擬PN結(jié)特性，稱之為類PN結(jié)元件。這種類PN結(jié)元 件的非線性電阻特性會對HSPICE的收斂特性構(gòu)成阻礙，為了檢測到該些元件以采用上述 并聯(lián)電導(dǎo)步進(jìn)或PN結(jié)限壓來加強收斂，有必要提出一種檢測類PN結(jié)元件的方法以識別出 該些元件，并提出一種用于該類PN結(jié)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(tài)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(jié)的指數(shù)呈遞增特性。在求解靜態(tài)工作點的過程中，假設(shè)在一初值點A 點后進(jìn)入下一個步進(jìn)點B，然而因為類PN結(jié)的指數(shù)遞增特性，導(dǎo)致A點和B點之間的差距過 大，難以達(dá)到收斂。由圖1中可以看的出來，由于這種強烈的非線性特性的存在，節(jié)點電壓 在迭代過程中一點微小的變動都會導(dǎo)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(dǎo)致N-R算法失敗，因此事先先發(fā) 現(xiàn)電路中的非線性器件，事先予以調(diào)整，是一件很重要的事情。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種求解具類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)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(jié)特性的元件，第二階段為調(diào)整類PN結(jié)特性的元 件。由于類PN結(jié)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，并加以調(diào)整，則可預(yù)先排除HSPICE收斂的障礙，加快HSPICE收斂的速度和機率。本發(fā)明提供一種求解具類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的方法，包含如下 步驟檢測該非線性電路內(nèi)的電壓電流特性呈指數(shù)變化的元件，并標(biāo)記為具類PN結(jié)特性； 將標(biāo)記為類PN結(jié)特性的元件進(jìn)行調(diào)整；及利用非線性方程求解調(diào)整后的該非線性電路的 靜態(tài)工作點。本發(fā)明提供一種求解具類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的裝置，包含一檢 測單元、一調(diào)整單元及一計算單元。該檢測單元檢測該非線性電路內(nèi)的電壓電流特性呈指 數(shù)變化的元件，并標(biāo)記為具類PN結(jié)特性。該調(diào)整單元將標(biāo)記為類PN結(jié)特性的元件進(jìn)行調(diào) 整。該計算單元利用非線性方程求解調(diào)整后的該非線性電路的靜態(tài)工作點。本發(fā)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，并求得各組測試電壓下 的電導(dǎo)值。若該組電導(dǎo)值具有指數(shù)特性，則標(biāo)記該非線性電阻為具類PN結(jié)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，并求得各組測試電壓下的電流值。 若該組電流值具有指數(shù)特性，則標(biāo)記該電壓控制電流源為具類PN結(jié)特性。


圖1示例一求解非線性電路靜態(tài)工作點過程的示意圖；圖2是本發(fā)明的一實施例的求解具類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的流程 圖；圖3是本發(fā)明的一實施例的檢測具類PN結(jié)特性元件的流程圖；圖4是本發(fā)明的一實施例的求解具類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的裝置示意圖；及圖5是本發(fā)明的一實施例的檢測單元的示意圖。
具體實施例方式為便于更好的理解本發(fā)明的精神，以下結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例對其作進(jìn)一步說 明。本發(fā)明在此所探討的方向為一種求解類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的方法與 裝置。為了能徹底地了解本發(fā)明，將在以下的描述中提出詳盡的步驟及組成。顯然，本發(fā)明 的實施并未限定于電路設(shè)計的技術(shù)人員所熟悉的特殊細(xì)節(jié)。另一方面，眾所周知的組成或 步驟并未描述于細(xì)節(jié)中，以避免造成本發(fā)明不必要的限制。本發(fā)明的較佳實施例會詳細(xì)描 述如下，然而除了這些詳細(xì)描述之外，本發(fā)明還可以廣泛地實施在其它的實施例中，且本發(fā) 明的范圍不受限定，其以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。圖2是本發(fā)明的一實施例的求解具類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的流程 圖。在步驟21，檢測該非線性電路內(nèi)的電壓電流特性呈指數(shù)變化的元件，并標(biāo)記為具類PN 結(jié)特性。該具類PN結(jié)特性的元件是本發(fā)明要檢測的標(biāo)的，因此首要目標(biāo)是將其檢測出來。 在步驟22，將標(biāo)記為類PN結(jié)特性的元件進(jìn)行調(diào)整。該調(diào)整方法可能為作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，例如 作類PN結(jié)限壓，添加并聯(lián)電導(dǎo)(gmin)等。在步驟23，利用非線性方程求解該非線性電路的 靜態(tài)工作點，例如計算限壓后的Jacobian矩陣，進(jìn)行NR迭代，直至求得電路的靜態(tài)工作點。圖3是本發(fā)明的一實施例的檢測具類PN結(jié)特性元件的流程圖。首先確定可能出 現(xiàn)類PN結(jié)特性的器件為非線性電阻和電壓控制電流源(VCCQ。然后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，并求得各組測試電壓下的電導(dǎo)值。 在步驟32，判斷該組電導(dǎo)值是否具有指數(shù)特性？若答案為是，則進(jìn)入步驟33，否則結(jié)束檢 測。對于非線性電阻，如果測試電導(dǎo)隨著測試電壓的升高呈指數(shù)型增長，則可判斷該非線性 電阻具有類PN結(jié)特性。在步驟33，標(biāo)記該非線性電阻為具類PN結(jié)特性。在步驟34，對電壓控制電流源的兩端添加測試電壓，并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(shù)特性？若答案為是，則進(jìn)入步驟36，否則結(jié) 束檢測。對于VCCS，如果測試電流隨著測試電壓的升高呈指數(shù)型增長，則可判斷該VCCS具 有類PN結(jié)特性。在步驟36，標(biāo)記該電壓控制電流源為具類PN結(jié)特性。在檢測到相關(guān)的具有類PN結(jié)特性的元件后，我們可以在接下來的N-R迭代過程中 對其做相關(guān)的處理，如類PN結(jié)限壓，添加并聯(lián)電導(dǎo)(gmin)等。這些措施有利于限制器件電 流或電阻在一定范圍內(nèi)，并且通過并聯(lián)電導(dǎo)以增加該元件的線性化程度。圖4是本發(fā)明的一實施例的求解具類PN結(jié)特性的非線性電路靜態(tài)工作點的裝置 示意圖，其包含一檢測單元41、一調(diào)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(nèi)的電壓電流特性呈指數(shù)變化的元件，并標(biāo)記為具類PN結(jié)特性。該調(diào)整單元42將標(biāo) 記為類PN結(jié)特性的元件進(jìn)行調(diào)整，例如作如類PN結(jié)限壓，添加并聯(lián)電導(dǎo)(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(tài)工作點，例如計算限壓后的Jacobian 矩陣，進(jìn)行NR迭代，直至求得電路的靜態(tài)工作點。圖5是本發(fā)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，并求得各組測試電壓下的電導(dǎo)值。若該組電導(dǎo)值具有指數(shù)特性，例如測試電導(dǎo)隨著 測試電壓的升高呈指數(shù)型增長，則判斷該非線性電阻具有類PN結(jié)特性，且標(biāo)記該非線性電 阻為具類PN結(jié)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， 并求得各組測試電壓下的電流值。若該組電流值具有指數(shù)特性，例如測試電流隨著測試電 壓的升高呈指數(shù)型增長，則判斷該VCCS具有類PN結(jié)特性，且標(biāo)記該電壓控制電流源為具類 PN結(jié)特性。本發(fā)明的步驟分為兩階段，第一階段為檢測具類PN結(jié)特性的元件，第二階段為調(diào) 整類PN結(jié)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(dǎo)值，然后根據(jù)一定的模式識別規(guī)則，判斷該組測試電導(dǎo)值是否具有指數(shù)曲線的特性。 如果具有指數(shù)曲線的特性，則判定該非線性電阻為類PN結(jié)特性電阻，將其標(biāo)記。其次，本發(fā) 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(jù)一定的模式識別 規(guī)則，判斷該組測試電流值是否具有指數(shù)曲線的特性。如果具有指數(shù)曲線的特性，則判定該 VCCS為類PN結(jié)VCCS，將其標(biāo)記。在第二階段的調(diào)整過程，在NR迭代求解靜態(tài)工作點時，對標(biāo)記為具有類PN特性的 元件進(jìn)行類PN結(jié)限壓，添加并聯(lián)電導(dǎo)(gmin)的措施。之后計算限壓后的Jacobian矩陣， 進(jìn)行NR迭代，直至求得電路的靜態(tài)工作點。由于本發(fā)明預(yù)先將不利于HSPICE收斂的具類PN結(jié)特性的元件檢測出，并預(yù)先予 以調(diào)整，因此可預(yù)先排除HSPICE收斂的障礙，加快HSPICE收斂的速度和機率。本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基 于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范 圍應(yīng)不限于實施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為本專利 申請權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種求解具類PN結(jié)特性的靜態(tài)工作點的方法，其特征在于包含如下步驟檢測一非線性電路內(nèi)的電壓電流特性呈指數(shù)變化的元件，并標(biāo)記為具類PN結(jié)特性；將標(biāo)記為類PN結(jié)特性的元件進(jìn)行調(diào)整；及利用非線性方程求解調(diào)整后的該非線性電路的靜態(tài)工作點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該具類PN結(jié)特性的元件包含非線性電 阻及電壓控制電流源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于其中檢測該非線性電阻是否具類PN結(jié)特性 包含如下步驟對非線性電阻的兩端添加測試電壓，并求得各組測試電壓下的電導(dǎo)值；及若該組電導(dǎo)值具有指數(shù)特性，則標(biāo)記該非線性電阻為具類PN結(jié)特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于其中檢測該電壓控制電流源是否具類PN結(jié) 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，并求得各組測試電壓下的電流值；及若該組電流值具有指數(shù)特性，則標(biāo)記該電壓控制電流源為具類PN結(jié)特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其中該調(diào)整包含將該類PN結(jié)限壓或添加并 聯(lián)電導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于其中該并聯(lián)電導(dǎo)是設(shè)置于該PN結(jié)的輸入及 輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于其中該非線性電阻及電壓控制電流源是作 為模擬PN結(jié)特性的元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其是使用于HSPICE的電路模擬環(huán)境中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于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(jié)特性的靜態(tài)工作點的裝置，其特征在于包含一檢測單元，檢測該非線性電路內(nèi)的電壓電流特性呈指數(shù)變化的元件，并標(biāo)記為具類 PN結(jié)特性；一調(diào)整單元，將標(biāo)記為類PN結(jié)特性的元件進(jìn)行調(diào)整；及一計算單元，利用非線性方程求解調(diào)整后的該非線性電路的靜態(tài)工作點。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于其中該具類PN結(jié)特性的元件包含非線性 電阻及電壓控制電流源。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于其中該檢測單元對非線性電阻的兩端添 加測試電壓，并求得各組測試電壓下的電導(dǎo)值，而若該組電導(dǎo)值具有指數(shù)特性，則標(biāo)記該非 線性電阻為具類PN結(jié)特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于其中該檢測單元對電壓控制電流源的兩 端添加測試電壓，并求得各組測試電壓下的電流值，而若該組電流值具有指數(shù)特性，則標(biāo)記 該電壓控制電流源為具類PN結(jié)特性。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于其中該調(diào)整單元將該類PN結(jié)限壓或添加 并聯(lián)電導(dǎo)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于其中該并聯(lián)電導(dǎo)是設(shè)置于該PN結(jié)的輸入及輸出。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于其中該非線性電阻及電壓控制電流源是 用作模擬PN結(jié)特性的元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于其是使用于HSPICE的電路模擬環(huán)境中。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于其中該非線性方程是使用牛頓-拉夫森 方法。
全文摘要
本發(fā)明提供一種求解具類PN結(jié)特性的靜態(tài)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(nèi)的電壓電流特性呈指數(shù)變化的元件，并標(biāo)記為具類PN結(jié)特性；將標(biāo)記為類PN結(jié)特性的元件進(jìn)行調(diào)整；及利用非線性方程求解該非線性電路的靜態(tài)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(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者丁敏, 陳一驕 申請人:新思科技(上海)有限公司