专利名称：非线性电路直流工作点的支路电流计算方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种非线性电路直流工作点的计算方法与装置，尤其是关于非线性 电路直流工作点的支路电流计算方法与装置。
背景技术：
(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 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。在电路的计算机模拟中，通常用改进节点法来建立电路方程。节点电压法是电路 中任一节点对参考节点的电位为独立的变量的一种分析方法，若电路中有η个节点利用独 立节点列写电流(KCL)方程式列出(η-1)个独立方程以求出相应节点对参考节点的电位， 然后求出各支路组件的电压及电流。节点电压法的缺点是不能直接处理独立电压源、零值 电阻组件等支路导纳值为无穷大的组件，也不能直接处理除了电压控制电流源(Voltage-C ontro 11 ed-Current-Source,VCCS)以外的受控源。因此，后续发展的改进节点法以节点法 为基础，并克服了上述缺点，而被HSPICE采用以列出电路方程式。在改进节点法所建立的方程中，只有少数元器件以支路电流为独立变量(如电压 源、电感等)；但在具体的电路模拟过程中，有可能需要计算许多支路的电流。如果在该支 路上有电压源、电感等本身有支路电流为独立变量的元器件，问题就很容易解决；但如果只 有其它器件，通常的做法是在该支路中插入一个零伏的电压源。在所需计算的支路电流较 少时，这样做不会带来太大的问题，但当需要计算的支路电流相当多时，大量插入的零伏电 压源经常会带来很大的电路矩阵，并造成矩阵计算将精度的严重下降，牛顿迭代无法收敛 等问题。另一种计算支路电流的方法是在每一个器件的计算中，无论是否需要，均计算出 每个端口上的电流。当迭代计算收敛后，再根据用户所需打印出相应的电流值。这一方法 需要在每次迭代中都计算出所有的支路电流。然而，一半以上支路电流的计算都是重复的， 从而造成计算资源的浪费和计算性能的下降。因而，现有技术仅是通过插入零伏电压源来探测支路电流，或在每个器件的计算 中计算其每个端口的电流，并不能以最经济有效的方式获得所需的非线性电路直流工作点 的支路电流。因此，如何在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
本发明的目的是以最经济有效的方式获得所需的非线性电路直流工作点的支路 电流。本发明根据未插入零伏电压源的电路的工作点来计算插入零伏电压源后的电路的支 路电流，因此本发明无须在插入零伏电压源后进行迭代计算，亦无须在每次迭代中为每个 器件的每个端口计算电流。本发明的一实施例的非线性电路直流工作点的支路电流计算方法，包含如下步 骤依据该非线性电路而建立第一电路方程矩阵，并进行直流工作点的计算；储存计算收 敛后的状态变量；在欲得到支路电流的位置新增一零伏电压源，并建立第二电路方程矩阵； 将该状态变量映入第二电路方程矩阵；依据该第二电路方程矩阵的矩阵元和右手边向量而 求得一支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量；及依据该支路电流探测矩阵和支路 电流探测右手边向量而求得欲得到的支路电流。本发明的一实施例的非线性电路直流工作点的支路电流计算装置包含一第一计 算单元、一储存单元、一组合单元、一第二计算单元及一第三计算单元。该第一计算单元依 据该非线性电路而建立第一电路方程矩阵，并进行直流工作点的计算。该储存单元储存该 第一计算单元在计算收敛后的状态变量。该组合单元在欲得到支路电流的位置新增一零伏 电压源，建立第二电路方程矩阵，并将该状态变量映入第二电路方程矩阵。该第二计算单元 依据该第二电路方程矩阵的矩阵元和右手边向量而求得一支路电流探测矩阵和支路电流 探测右手边向量。该第三计算单元依据该支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量而 求得欲得到的支路电流。本发明的方法只需要建立两次电路方程，且由于在迭代计算中无需插入探测支路 电流的零伏电压源，电路的矩阵变得很小，对内存和矩阵计算精度的要求都可以得到很大 的减轻。由于把支路电流的计算从原有的选代计算中分离出来，支路电流的计算不会影响 原有电路计算的收敛性。
图1是本发明的一实施例的非线性电路直流工作点的支路电流计算流程图；图2和图3为本发明的一个具体例子；及图4是本发明的一实施例的非线性电路直流工作点的支路电流计算装置。
具体实施例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非线性电路直流工作点的支路电流计算方法与装置。 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1是本发明的一实施例的非线性电路直流工作点的支路电流计算流程图。在步骤11，依据该非线性电路而建立第一电路方程矩阵，并进行直流工作点的计算。在这之前， 可选择去掉所有为求解支路电流而插入的零伏电压源，按改进节点法建立电路方程，进行 直流工作点的模拟计算。在步骤12，储存计算收敛后的状态变量。该状态变量将在后续的 计算中节省许多运算的次数。在步骤13，在欲得到支路电流的位置新增一零伏电压源，并可 选择按改进节点法建立第二电路方程矩阵。以上为新建方程矩阵的准备阶段。在步骤14，将该状态变量映入第二电路方程矩阵。由于新增零伏电压源并不影响 电路的直流工作点，从而可将所存储的状态变量映入新建方程矩阵。此外，由于插入的是零 伏电压源，新增节点的节点电压值也可从附近的节点得到。据此，新电路方程的状态变量中 只有新增零伏电压源的支路电流为未知量。在步骤15，依据该第二电路方程矩阵的矩阵元和右手边向量而求得一支路电流探 测矩阵和支路电流探测右手边向量。由于新增零伏电压源并不影响电路的直流工作点，该 第二电路方程矩阵的矩阵元和右手边向量将只是原有状态变量的函数。因此，为求解新增 零伏电压源的支路电流，只需从新建电路矩阵和右手边向量中分离出求解这些新增未知量 的相应矩阵和右手边向量，分别称为支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量。根据 改进节点法对独立电压源的填值规则可知支路电流探测矩阵构成一个对角阵，其中对角 元根据插入的方向分别为+1或-1 ；而支路电流探测右手边向量可根据方块矩阵的运算规 则从新建矩阵右手边向量中减去新建矩阵与原状态变量的乘积而获得。在步骤16，依据该支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量而求得欲得到的 支路电流。由于支路电流探测矩阵是一个对角阵，因此求解由支路电流探测矩阵和支路电 流探测右手边向量构成的线性方程组是非常容易的。据此，本发明可容易的求出新增的支 路电流。图2和图3为本发明的一个具体例子，其中图2代表原始的电路，图3代表新增零 伏电压源后的电路。为了简化处理，图2和图3没有包含非线性元器件，其中nl π4表示 节点，bl表示支路1。首先，依据步骤11由改进节点法建立方程组，如下nl1 2 3 4 1 η η η η bGan2 -G5-G GG2Gg-G4 - G6 1-G3-G -Gc + G0η30-G3 G3 + G3 0 0η4-G4GJ0bl-Il O0 0 0ΛΛV3 V4在步骤12，经由迭代求解而得到收敛后的状态变量(V1 V2 V3 V4 I1V.，并予以储存。在步骤13，假设需要求解支路4和支路6的电流，则插入相应的零伏电压源，并按 改进节点法建立第二电路方程矩阵如下(其中以b4，b6分别表示支路4和支路6)
权利要求
1.一种非线性电路直流工作点的支路电流计算方法，其特征在于包含如下步骤 依据该非线性电路而建立第一电路方程矩阵，并进行直流工作点的计算； 储存计算得到的收敛后的状态变量；在欲得到支路电流的位置新增一零伏电压源，并建立第二电路方程矩阵； 将该状态变量映入该第二电路方程矩阵；依据该第二电路方程矩阵的矩阵元和右手边向量而求得一支路电流探测矩阵和支路 电流探测右手边向量；及依据该支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量而求得欲得到的支路电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该支路电流探测矩阵构成一对角阵。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于其中该对角阵的对角元依据插入的方向而 表示为+1或-1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该支路电流探测右手边向量为该第二 电路方程矩阵的右手边向量减去该第二电路方程矩阵与状态变量的乘积。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中迭代计算仅出现于进行直流工作点的计算。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中在加入零伏电压源至求得欲得到支路 电流的步骤中不使用迭代计算。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该第一电路方程矩阵及第二电路方程 矩阵是依据改进节点法而建立。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中该新增零伏电压源的节点电压是由附 近的节点得到。
9.一种非线性电路直流工作点的支路电流计算装置，其特征在于包含一第一计算单元，依据该非线性电路而建立第一电路方程矩阵，并进行直流工作点的 计算；一储存单元，储存该第一计算单元经计算得到的收敛后的状态变量； 一组合单元，在欲得到支路电流的位置新增一零伏电压源，建立第二电路方程矩阵，并 将该状态变量映入该第二电路方程矩阵；一第二计算单元，依据该第二电路方程矩阵的矩阵元和右手边向量而求得一支路电流 探测矩阵和支路电流探测右手边向量；及一第三计算单元，依据该支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量而求得欲得到 的支路电流。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于其中该支路电流探测矩阵构成一对角阵。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于其中该对角阵的对角元依据插入的方向 而表示为+1或-Io
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于其中该支路电流探测右手边向量为第二 电路方程矩阵的右手边向量减去第二电路方程矩阵与状态变量的乘积。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于其中仅该第一计算单元进行迭代计算。
14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于其中该第二计算单元及第三计算单元不 进行迭代计算。
15.根据权利要求9所述的装置，其特征在于其中该第一电路方程矩阵及第二电路方 程矩阵是依据改进节点法而建立。
16.根据权利要求9所述的装置，其特征在于其中该新增零伏电压源的节点电压是由 附近的节点得到。
全文摘要
本发明涉及一种非线性电路直流工作点的支路电流计算方法及装置，该方法包含如下步骤依据该非线性电路而建立第一电路方程矩阵，并进行直流工作点的计算；储存计算收敛后的状态变量；在欲得到支路电流的位置新增一零伏电压源，并建立第二电路方程矩阵；将该状态变量映入第二电路方程矩阵；依据该第二电路方程矩阵的矩阵元和右手边向量而求得一支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量；及依据该支路电流探测矩阵和支路电流探测右手边向量而求得欲得到的支路电流。
文档编号G06F17/50GK102054070SQ20091020963
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者周松 申请人:新思科技(上海)有限公司