Plawe: A piecewise linear circuit simulator using asymptotic waveform evaluation

Abstract

Çok geniş ölçekte tümleşik (VLSI) devrelerin geçici durum analizinde kullanılmak üzere yeni bir devre benzetim yazılımı, PLAWE, gerçekleştirilmiştir. PLAWE, doğrusal devrelerin analizi için yeni bir yöntem olan asimtotsal eğri bulma (AEB) tekniğini ve doğrusal olmayan elemanların DC gösterimi için parçalı doğrusal (PD) yaklaşımını kullanır. AEB, doğrusal devrelerin yanıtını zaman veya sıklık alanında bulmak için sayısal tümlev teknikleri yerine bir çeşit Pade yaklaşımını kullanır. AEB, büyük doğrusal devrelerin analizinde geleneksel benzeticilerden tipik olarak yüz veya bin kat daha hızlıdır. Bununla beraber AEB yalnızca doğrusal devreleri kotarabilir. Oysa geçici durum analiz problemi diyot, transistor gibi doğrusal olmayan aygıtların varlığından dolayı genellikle doğrusal değildir. Doğrusal olmayan elemanlar için duruk PD modeller kullanılarak AEB tekniği doğrusal olmayan devrelerin geçici durum benzetiminde uygulanmıştır. Fakat doğrusal olmayan bir aygıtın gerçek i - v karakteristiğine iyi uyan bir duruk PDmodel bulmak zordur ve buna ilaveten duruk PD modelleme düşük doğruluk sonucunu verir. Bu yüzden AEB ile elde edilen verimlilik kazancını korumakla beraber benzetim doğruluğunu artırmak için doğrusal olmayan elemanlar yerine SPICE modelleri kullanan bir dinamik PD modelleme tekniği geliştirilmiştir. Böylece modelleme problemi ortadan kaldırılmıştır ve bazı parametreler değiştirilerek doğruluk derecesi ayarlanabilir hale gelmiştir. Eğer istenilen doğruluk derecesi artırılırsa daha çok benzetim zamanına gereksinim duyulmaktadır. Doğruluktaki önemli ilerlemeyi göstermek için pratik örnekler verilmiştir. Özellikle yumuşak huylu doğrusal olmayan aygıtları içeren devreler için, bu yöntem HSPICE ' tan tipik olarak en az on kat daha hızlıdır. Doğrusal olmayan dirençli devrelerin parçalı doğrusal analizi için hızlı ve yakınsayan bir dürüm yöntemi sunulmuştur. Varolan algoritmaların çoğunluğu yalnızca sınırlı bir devre sınıfına uygulanabilmektedir. Genel olarak bu algoritmalar ya yakınsamamakta yada büyük devreler için çok yavaş kalmaktadırlar. Bu tezde sunulan yeni algoritma varolan algoritmalardan çok daha verimlidir ve herhangi bir parçalı doğrusal devreye uygulanabilmektedir. Bu algoritma Newton-Raphson algoritmasının parçalı doğrusal sürümü üzerine kurulmuştur. Newton-Raphson yönteminin aksine, bu yeni algoritma herhangi bir noktadan başlayarak her zaman yakınsar. Anlaşılması kolaydır ve basit olarak programlanabilir. Sunulan algoritmanın hesaplama miktarı cinsinden verimliliğini göstermek için bazı sayısal örnekler verilmiştir. Anahtar Sözcükler: Devre benzetimi, parçalı doğrusal, DC analiz, geçici durum analizi, moment eşleme, Pade yaklaşımı

Abstract PLAWE: A PIECEWISE LINEAR CIRCUIT SIMULATOR USING ASYMPTOTIC WAVEFORM EVALUATION Satılmış Topçu Ph. D. in Electrical and Electronics Engineering Supervisors: Prof. Dr. Abdullah Atalar and Assoc. Prof. Dr. Mehmet A. Tan July 1994 A new circuit simulation program, PLAWE, is developed for the transient analysis of VLSI circuits. PLAWE uses Asymptotic Waveform Evaluation (AWE) technique, which is a new method to analyze linear(ized) circuits, and Piecewise Linear (PWL) approach for DC representation of nonlinear elements. AWE employs a form of Pade approximation rather than numerical integration techniques to approximate the response of linear(ized) circuits in either the time or the frequency domain. AWE is typically two or three orders of magnitude faster than traditional simulators in analyzing large linear circuits. However, it can handle only linear(ized) circuits, while the transient analysis problem is generally nonlinear due to the presence of nonlinear devices such as diodes, transistors, etc.. We have applied the AWE technique to the transient simulation of nonlinear circuits by using static PWL models for nonlinear elements. But, finding a good static PWL model which fits well to the actual i - v characteristics of a nonlinear device is not an easy task and in addition, static PWL modelling results in low accuracy. Therefore, we have developed a dynamic PWL modeling technique which uses SPICE models for nonlinear elements to enhancethe accuracy of the simulation while preserving the efficiency gain obtained with AWE. Hence, there is no modelling problem and we can adjust the accuracy level by varying some parameters. If the required level of accuracy is increased, more simulation time is needed. Practical examples are given to illustrate the significant improvement, in accuracy. For circuits containing especially weakly nonlinear devices, this method is typically at least one order of magnitude faster than HSPICE. A fast and convergent iteration method for piecewise-linear analysis of nonlinear resistive circuits is presented. Most of the existing algorithms are applicable only to a limited class of circuits. In general, they are either not convergent or too slow for large circuits. The new algorithm presented in this thesis is much more efficient than the existing ones and can be applied to any piecewise-linear circuit. It is based on the piecewise-linear version of the Newton- Raphson algorithm. As opposed to the Newton- Raphson method, the new algorithm is globally convergent from an arbitrary starting point. It is simple to understand and it can be easily programmed. Some numerical examples are given in order to demonstrate the effectiveness of the presented algorithm in terms of the amount of computation. Keywords: Circuit simulation, piecewise-linear, DC analysis, transient analysis, AWE, moment matching, Pade approximation. 11