DE102004036813A1

DE102004036813A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Schaltungsmodells

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Publication number: DE102004036813A1
Application number: DE102004036813A
Authority: DE
Inventors: David E. Santa Rosa Root; Nicholas B. San Francisco Tufillaro; John Santa Rosa Wood; Jan Verspecht
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2005-06-23
Also published as: US20050102124A1; GB2408122A; US7295961B2; GB0425046D0

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erzeugen eines Modells einer Schaltung mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor. Das Verfahren bestimmt eine Amplitude für Strom, der das Ausgangstor bei einer Frequenz omega¶k¶ verlässt, wenn ein Signal, das einen Träger bei omega¶j ¶ umfasst, moduliert durch ein Signal V¶j¶(t) in das Eingangstor eingegeben wird, wobei omega¶k¶ eine Harmonische von omega¶j¶ ist. Die bestimmte Amplitude wird verwendet, um Werte für einen Satz von Konstanten a·k· zu bestimmen, so dass eine Funktion f¶k¶(V,a·k·) eine Schätzung des Stroms I¶k¶(t) liefert, der das Ausgangstor bei einer Frequenz omega¶k¶ verlässt, wenn ein Signal mit der Form DOLLAR F1 in das Eingangstor eingegeben wird. Hier ist V¶k¶(t) eine Komponente eines Satzes von Werten V. Die f¶k¶(V,a·k·) werden verwendet, um eine Simulatorkomponente zu liefern, die für die Verwendung in einem Schaltungssimulator angepasst ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Computerprogramme zum Modellieren elektronischer Schaltungen an einem Computer.

Die Komplexität moderner integrierter Schaltungen und die hohen Kosten zum Herstellen von Prototypen hat zu der Entwicklung einer Klasse von Computerprogrammen geführt, die den Betrieb einer Schaltung simulieren. Diese Simulatoren unterstützen den Entwickler beim Bestimmen der richtigen Vorspannungsspannungen, die an die verschiedenen Komponenten angelegt werden sollen, und beim Verifizieren des Betriebs der Schaltung, bevor Ressourcen für die Herstellung von Prototypen verbraucht werden.

Die Schaltung, die simuliert werden soll, wird typischerweise bezüglich einer Liste von Knoten und der Komponenten, die mit jedem Knoten verbunden sind, beschrieben. Der Benutzer kann tatsächlich eine Netzliste oder eine graphische Darstellung der Schaltung liefern, von der das Programm die Netzliste ableitet. Jede Komponente kann als ein Bauelement betrachtet werden, das einen Strom ausgibt oder aufnimmt, dessen Amplitude und Phase durch die Spannung an dem Knoten bestimmt werden, mit dem dasselbe verbunden ist, und möglicherweise durch die vorhergehenden Spannungen an dem betreffenden Knoten.

Das Simulationsprogramm findet den Satz von Knotenspannungen, die zu einer Schaltung führen, bei der die Summe der Ströme an jedem Knoten Null ist. Dies ist die Spannung, bei der die Ströme, die durch die Komponente geliefert werden, die Quelle von Strömen sind, die genau mit den Strömen übereinstimmt, die durch die verbleibenden Komponenten aufgenommen werden. Jede Komponente wird durch eine Subrou tine beschrieben, die den Strom liefert, der ansprechend auf eine Eingangsspannung durch die Komponente aufgenommen oder ausgegeben wird. Wie es nachfolgend näher erläutert wird, können die Komponentensubroutinen auch die ersten Ableitungen des Stroms bezüglich der Knotenspannungen liefern. Außerdem kann der Ausgang einer Komponentensubroutine von der Historie des Knotens abhängen, mit dem die entsprechende Komponente verbunden ist. Falls die Komponente beispielsweise Induktoren oder Kondensatoren enthält, hängt der Strom von der Knotenspannung und der Änderungsrate der Knotenspannung im Verlauf der Zeit ab. Die Änderungsrate der Knotenspannung kann von den vorhergehenden Werten der Knotenspannungen berechnet werden, d. h. der „Historie der Knoten".

Leider sind moderne integrierte Schaltungen und Systeme zu komplex geworden, um eine vollständige Simulation des nicht-linearen Verhaltens auf der Transistorebene der Beschreibung zu ermöglichen. Die Anzahl nicht-linearer Funktionen, die gleichzeitig gelöst werden müssen, ist zu groß für den Simulator zum Bestimmen einer konvergenten Lösung innerhalb einer vernünftigen Zeit, falls überhaupt. Dieses Problem stellt einen wesentlichen Produktivitätsengpass für Konstrukteure dar. Eine Lösung dieses Problems ist das Entwerfen eines höheren Abstraktionspegels unter Verwendung von Verhaltensmodellen der nicht-linearen Komponenten oder ICs in der Schaltung oder dem System. Im Prinzip können die Verhaltensmodelle das relevante nicht-lineare elektrische Verhalten der Komponenten mit ausreichender Genauigkeit darstellen, dennoch sind dieselben einfach genug, um eine schnelle Simulation zu ermöglichen.

Das Verhaltensmodell ist eine Beschreibung des elektrischen Verhaltens des Bauelements, der Schaltung oder des Teilsystems, die es der Schaltungssimulation ermöglicht, auf eine Weise zu arbeiten, die das tatsächliche Schaltungsverhalten auf ordnungsgemäße Weise bei den gegebenen Simulationsbedingungen darstellt. Die Simulationsumgebung legt häufig Beschränkungen auf das, was die Schaltungssimulation vorhersagen kann. Beispielsweise ist ein einfaches lineares Modell einer realen nicht-linearen Komponente in der Lage, das tatsächliche Verhalten der Komponente in einer Kleinsignalsimulation zu imitieren, ist aber nicht in der Lage, das Verhalten der Komponente unter Bedingungen vorherzusagen, wo das Antriebssignal zu der Komponente groß genug ist, um das nicht-lineare Verhalten anzuregen. Dennoch wird es das lineare Modell der Kleinsignalsimulation ermöglichen, schnell zu laufen. Das lineare Modell ist daher eine genaue Beschreibung der Komponente innerhalb der Beschränkungen von Kleinsignalbedingungen und für solche Simulationen am geeignetsten.

Modelle nicht-linearer Komponenten, wie z. B. Transistoren, umfassen allgemein mehrere Gleichungen, die die Physik oder elektrischen Anschlusseigenschaften des Transistors beschreiben. Diese Gleichungen umfassen nicht-lineare Differenzialgleichungen, die die reaktiven Elemente in den Bauelementen oder Schaltungen berücksichtigen. Historisch werden diese Gleichungen als Zeitbereichsgleichungen geschrieben. Die Simulatoren lösen die nicht-linearen Gleichungen durch Iteration bei jedem Zeitschritt in der Lösung, konvergieren zu einer Antwort, die die Gesetze der elektrischen Schaltung erfüllt, bevor sich dieselben zu dem nächsten Zeitschritt bewegen und die Lösungsaufgabe wiederholen, während die Schaltungsspannungen mit der Zeit fortschreiten. Die Zeitschritte müssen klein genug sein, damit die Änderungen bei den Spannungen und Strömen in der Schaltung klein sind, um genaue Näherungen der Zeitableitungen berechnen zu können, um die Differenzialgleichungen zu lösen.

Obwohl diese Zeitbereichsmodelle bei ihrer Beschreibung des Bauelementverhaltens genau sein können, liefern dieselben in einer Schaltung dem Simulator viele nicht-lineare Gleichungen zum Lösen. Dies kann bei komplexeren Schaltungen oder Systemen von Komponenten zu den zeitaufwendigen Kon vergenzschwierigkeiten führen, die bereits angesprochen wurden. Effizientere Schaltungslösungstechniken wurden entwickelt, um spezifische Schaltungs- und Systementwurfsprobleme zu handhaben. Beispielsweise kann das Zeitbereichslösungsverfahren für Hochfrequenzsignale ineffizient sein, die Zeitschritte müssen ein winziger Bruchteil des Signalzyklus sein, um es dem Simulator zu ermöglichen, zu konvergieren. Dies gilt insbesondere für Großsignalanalyse, wo Harmonische höherer Ordnung des Antriebsignals durch die nicht-linearen Bauelemente und Teilschaltungen erzeugt werden. Der Simulatorzeitschritt muss ein kleiner Bruchteil der höchsten betrachteten Frequenzkomponente sein. Dies kann zu sehr langen Simulationszeiten führen.

Ein alternatives Verfahren, das als harmonische Balance (HB) bezeichnet wird, wird häufig für Simulationen von Mikrowellen- und drahtlosen Schaltungen und Systemen in dem Frequenzbereich verwendet. Bei diesem Verfahren werden Spannungen und Ströme in der Schaltung bei jeder Frequenzkomponente des Signals berechnet und für jede Frequenzkomponente, die vorliegt, gelöst. Dies ist ein wirklich nichtlinearer Simulator, da die nicht-linearen Bauelemente und Komponenten harmonische und Intermodulationssignalkomponenten erzeugen und die Effekte derselben bei jeder Frequenz gelöst werden. Da im allgemeinen die Anzahl von Frequenzkomponenten ziemlich klein ist, kann dieses Lösungsverfahren Einsparungen bei der Zeitdauer bieten, die benötigt wird, um die nicht-linearen Gleichungen zu lösen, die die Schaltung beschreiben. Dieses Verfahren löst jedoch nur Dauerbetriebsbedingungen und somit periodisch oder quasiperiodische Signale auf.

Moderne Kommunikationssysteme verwenden komplizierte Schaltungen, die durch komplexe Signale simuliert werden. Diese Signale sind typischerweise ein Hochfrequenz-„Träger"-Signal, das durch ein komplexes Informationssignal moduliert wird. Solche Signalkombinationen sind unter Verwendung von entweder Zeitbereichs- oder HB-Techniken allein schwierig zu lösen. Der Träger ist am besten geeignet für HB, und das Informationssignal oder die Hüllkurve ist zugänglich für eine Lösung in dem Zeitbereich, da die Modulationsfrequenzen relativ niedrig sind: die beiden Signale sollen sehr unterschiedliche Zeitskalen haben.

Eine Klasse von Simulatoren, die als „Transienten-Hüllkurve-" Simulatoren bekannt sind, wurde entwickelt, um diese Probleme zu lösen, im wesentlichen durch Aufteilen des Signals in Träger- und Modulationssignale, und Lösen der Schaltungsgleichungen für jedes auf geeignete Weise, wie es oben angezeigt ist, und Kuppeln der Lösungen zum Sicherstellen einer Konvergenz der Gesamtlösung. Beispielsweise lehrt das U.S.-Patent 5,588,142 einen Simulator zum Simulieren von Schaltungen, die mit einem Signal simuliert werden, das als eine Mehrzahl von Trägern dargestellt ist, die durch langsam variierende Signale moduliert werden.

Transienten-Hüllkurven-Simulatoren nehmen an, dass für jede Schaltungskomponente in der Schaltung, die simuliert wird, ein Modell verfügbar ist. Dies ist wahr, falls die Schaltungskomponente eine der Elementarkomponenten, d. h. Widerstände, Kondensatoren, Dioden, usw. in der Simulatorkomponentenbibliothek ist. Falls die Komponente aus einer relativ kleinen Anzahl von Elementarkomponenten aufgebaut ist, die Modelle in der Simulatorbibliothek aufweisen, kann diese Bedingung auch erfüllt werden durch Ersetzen der Schaltungskomponente durch eine Beschreibung, die die Schaltungskomponente in den Elementarkomponenten der Bibliothek definiert, und dann Auffordern des Simulators sowohl die betreffende Schaltungskomponente als auch die größere Schaltung, in der dieselbe ausgeführt wird, zu simulieren, als ob die Kombination eine große Schaltung wäre, die aus den Bibliothekskomponenten aufgebaut ist.

Leider ist diese Lösung nicht immer möglich. Für eine komplexe Schaltung kann die Anzahl von elementären Komponenten zu groß sein, um es dem Simulator zu ermöglichen, eine Lösung zu berechnen. Diesbezüglich sollte angemerkt werden, dass der Simulator einen iterativen Prozess verwendet, um die Schaltung zu simulieren, und somit kann die Anzahl von Simulationen des Schaltungselements, die benötigt wird, um diesen Lösungsansatz zu verwenden, untragbar groß sein, falls das Schaltungselement eine große Anzahl von Komponenten enthält und bei jeder Iteration von neuem simuliert werden soll.

Außerdem gibt es Fälle, bei denen die Schaltung, die simuliert wird, von einem Hersteller als eine „Blackbox" geliefert wird, oder die elementaren Komponenten, aus denen die Schaltung aufgebaut ist, in einem Bereich betrieben werden, für den gültige Modelle nicht verfügbar sind. In jedem Fall muss ein Modell für die Komponente, das für die Verwendung in dem Schaltungssimulator angepasst ist, für den Benutzer geliefert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines Modells einer Schaltung mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor und ein Verfahren zum Erzeugen eines Modells einer Schaltung mit einem Eingangstor und P Ausgangstoren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erzeugen eines Modells einer Schaltung mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor. Das Verfahren bestimmt eine Amplitude für Strom, der das Ausgangstor bei einer Frequenz ω_k verlässt, wenn ein Signal, das einen Träger bei ω_j umfasst, moduliert durch ein Signal V_j(t) in das Eingangstor eingegeben wird, wobei ω_k eine Harmonische von ω_j ist. Die bestimmte Amplitude wird verwendet, um die Werte für einen Satz von Konstanten a^k zu bestimmen, so dass eine Funktion f_k(V,a^k) eine Schätzung des Stroms I_k(t) liefert, und das Ausgangstor bei einer Frequenz ω_k lässt, wenn ein Signal, das die Form

aufweist, in das Eingangstor eingegeben wird. Hier ist V_k(t) eine Komponente eines Satzes von Werten V. Die f_k(V,a^k) werden verwendet, um eine Simulatorkomponente zu liefern, die für die Verwendung in einem Schaltungssimulator angepasst ist. Die Simulatorkomponente weist ein erstes Simulatoreingangstor und ein Simulatorausgangstor auf, wobei die Komponente einen Wert f_k(V,a^k) über das Simulatorausgangstor zurücksendet, wenn der Simulator Werte für V an dem ersten Simulatoreingangstor für zumindest einen Wert von k liefert. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Amplitude bestimmt durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Schaltung und Messen eines Signals an dem Ausgangstor. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Amplitude in einem Schaltungssimulator bestimmt durch Simulieren eines elektrischen Signals, das an die Schaltung angelegt wird. Das Modell kann bei einem Transienten-Hüllkurven-Simulator verwendet werden. Die Funktionen f_k(V,a^k) werden durch ein neurales Netzwerk bewertet, das mit einem Trainingssatz trainiert wurde, der die bestimmte Amplitude bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfassen die Funktionen f_k(V,a^k) gewichtete Summen von Basisfunktionen. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Funktionen f_k(V,a^k) ferner von Eingangssignalen abhängen, die von V abgeleitet werden, die nicht direkt durch den Simulator geliefert werden, in dem das Modell funktionieren soll, umfasst die Simulatorkomponente ferner ein zweites Simulatoreingangstor und eine Rechenkomponente mit einem Komponenteneingangstor und einem Komponentenausgangstor, wobei das Komponenteneingangstor mit dem ersten Simulatoreingangstor und/oder dem Simulatorausgangstor verbunden ist, und der Komponentenaus gang mit dem zweiten Simulatoreingangstor verbunden ist, wobei die Rechenkomponente die Eingangssignale erzeugt, die von V und/oder dem I_k(t) an dem Komponentenausgangstor abgeleitet werden, wenn das Eingangstor ein Signal empfängt, das V spezifiziert. Die Rechenkomponente kann als eine Schaltungskomponente von einer Simulatorkomponentenbibliothek implementiert sein.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 den experimentellen Aufbau, der verwendet wird, um die Testdaten zu erzeugen, die bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden; und
2 ein Modell, das vergrößert ist, um berechnete Eingangssignale zu liefern.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Definieren eines Modells und zum Extrahieren von Parametern, die in dem Modell verwendet werden, von einer Schaltung von den Ausgängen dieser Schaltung, wenn die Schaltung mit bestimmten Signalen simuliert wird. Im allgemeinen erstrecken sich die Testsignale über eine ausreichende Zeitperiode zum Messen von Effekten an sowohl der langen als auch der kurzen Zeitskala, die der Schaltung zugeordnet sind. Das Modell ist gut angepasst für die Verwendung bei einem Transienten-Hüllkurven-Simulator, da derselbe als Eingangssignale die Mengen annimmt, die natürlicherweise durch einen solchen Simulator geliefert werden. Sobald das Modell fertiggestellt ist, kann das Modell in dem Simulator verwendet werden, um die Schaltung und anderen Eingangssignalbedingungen zu simulieren, als denjenigen, die verwendet wurden, um das Modell zu bauen. Außerdem kann der Transienten-Hüllkurven-Simulator größere Schaltungen simulieren, die das Modell als eine Komponente derselben umfassen.
Die vorliegende Erfindung ist besser verständlich, indem zunächst die Art und Weise betrachtet wird, wie ein Transienten-Hüllkurven-Simulator arbeitet. Eine Schaltung, die simuliert werden soll, wird durch Knoten beschrieben, die die verschiedenen Schaltungselemente verbinden. Der Simulator löst die Schaltungsgleichungen zum Liefern der Spannungen und Ströme in jedem Knoten als eine Zeitfunktion. Bei einem Transienten-Umhüllungskurven-Simulator werden die Signale, die an ein Schaltungselement an einem bestimmten Tor dieses Elements angelegt werden, bezüglich der allgemein zeitvariierenden komplexen Amplitude jeder einer Anzahl von Harmonischen beschrieben. Das Schaltungselement ist durch eine Subroutine dargestellt, die diese Amplituden als Eingangssignale annimmt und den Strom zurücksendet, der durch das Schaltungselement an jeder der betreffenden Harmonischen an jedem der Tore der Schaltung erzeugt wird.
Ein Verhaltensmodell gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Subroutine, die die Amplituden an jeder einer Anzahl von Harmonischen annimmt und die Ströme erzeugt, die die Schaltung an jeder dieser harmonischen Frequenzen an jedem der Schaltungstore verlassen. Die Art und Weise, wie das Modell aufgebaut ist, ist leichter verständlich mit Bezugnahme auf eine einfache Schaltung, die ein Eingangstor und ein Ausgangstor aufweist. Die Verallgemeinerung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf Schaltungen mit mehreren Eingangs- und Ausgangstoren wird nachfolgend näher erörtert. Es wird nun auf 1 Bezug genommen, die einen experimentellen Aufbau darstellt, der verwendet werden kann, um die Daten zu erzeugen, auf denen das Modell basiert. Das Schaltungselement 12, das modelliert werden soll, empfängt ein Testsignal V(t) von einem Signalgenerator 10. Das Ausgangssignal der Schaltung, I(t), wenn die Schaltung durch V(t) simuliert wird, wird durch einen Analysator 14 aufgezeichnet. Es wird angenommen, dass V(t) und I(t) in der folgenden Form geschrieben werden können:
wobei V_k(t) und I_k(t) langsam variierende Funktionen von t sind. Anders ausgedrückt, die Eingangs- und Ausgangssignale sind aus langsam modulierten Trägern aufgebaut.
Mit dem beobachteten I(t) können die langsam variierenden Komponenten I_k(t) beispielsweise durch Filtern I(t) mit Schmalbandfilterzentren um ω_k für jeden Wert von k erhalten werden. Um den Messprozess zu vereinfachen, wird bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von einfachen V(t) Signalen verwendet, um die Komponente zu simulieren. Jeder Eingang hat einen einzigen Träger, der durch ein langsam variierendes Signal moduliert wird. Das heißt, nur eine der V_k(t) Funktionen unterscheidet sich von Null. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass ein einziger Träger Ausgangsströme bei der Eingangsfrequenz und bei Frequenzen, die sich von dieser Frequenz unterscheiden, angeregt werden kann. Somit müssen die I_k(t) Funktionen für jede Harmonische erhalten werden, selbst wenn der Eingang nur eine Harmonische aufweist.
Mit den beobachteten Werten für I_k(t) und den bekannten V_k(t) baut der Modellgenerator 16 ein Modell auf, das für die Verwendung bei einem Schaltungshüllsimulator geeignet ist. Das heißt, mit einem neuen Eingangssignal, das durch Modulationsamplituden V'_k(t) gekennzeichnet ist, liefert das Modell eine Näherung an die Amplituden I'_k(t) des Ausgangssignals, das mit diesem neuen Eingang bei jeder Harmonischen erzeugt werden würde. Es sollte angemerkt werden, dass sich die Trägerfrequenzen, die den neuen Eingangs- und Ausgangssignalen zugeordnet sind, von denjenigen unterscheiden können, die verwendet werden, um die Schaltungskomponente zu analysieren.
Da solche Simulatoren in der Technik bekannt sind, werden dieselben hier nicht näher erörtert. Für eine nähere Beschreibung eines solchen Simulators wird der Leser auf das U.S.-Patent 5,588,142 verwiesen, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erörterung reicht es aus, anzumerken, dass ein Schaltungshüllkurvensimulator mit einem Code versehen ist, der das Verhalten jeder Schaltungskomponente beschreibt, die mit jedem der Knoten in der Schaltung, die simuliert wird, verbunden ist. Der Code, der die Schaltungselemente beschreibt, muss den Beitrag I_k(t) dieses Schaltungselements an jeder der Trägerfrequenzen in dem Ausgangssignal von Daten liefern, die durch den Simulator geliefert werden, der V_j(t) an dem Eingang zu dem Element für j, k = 1 bis H spezifiziert. Hier ist H die Anzahl von Harmonischen in den Eingangs- und Ausgangssignalen. Im allgemeinen Fall kann I_k(t) auch von anderen Werten abhängen als den aktuellen V_j(t) Werten, wie z. B. vorher berechnete Werte von I_j(t) oder vorherige Werte von V_j(t). Das heißt, das Modell kann Werte I_j(t-d) oder V_j(t-d) verwenden, wenn I_j(t) von V_j(t) berechnet wird. Beispielsweise kann I_k(t) von der ersten Zeitableitung von V_j(t) abhängen, das wiederum von vorher empfangenen Werten von V_j(t) berechnet wird. Gleichartig dazu kann I_k(t) von vorher berechneten Werten von I_j(t) oder den Ableitungen desselben berechnet werden, einschließlich Zeitableitungen höherer Ordnung. Die Art und Weise, wie die vorliegende Erfindung diese anderen Signalwerte liefert, wird nachfolgend näher erörtert.
Folglich liefert die vorliegende Erfindung die Funktionen I_k(t) in einer Form, die mit derjenigen übereinstimmt, die durch den Schaltungshüllkurvensimulator erforderlich ist. Das heißt, ein Modell gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung empfängt als Eingangssignale die V_j(t) für j = 1 bis H an einem Eingangstor. Die vorliegende Erfindung verwendet dann diese Eingangssignale zum Liefern von I_j(t) für j = 1 bis H als Ausgangssignale.
Die vorliegende Erfindung baut das betreffende Modell auf durch Spezifizieren einer expliziten oder impliziten funktionalen Beziehung für jeden I_k(t), der eine Anzahl von Konstanten, die von den beobachteten Werten von I_j(t) und V_j(t) bestimmt werden, die von den Testdaten erhalten werden, und verschiedene andere Parameter umfasst, wie z. B. die Ableitungen, die oben erwähnt wurden, von jeder der Harmonischen. Um die folgende Erörterung zu vereinfachen, wird jeder Parameter, von dem I_k(t) abhängen kann, durch die Komponente eines Satzes oder Vektors x bezeichnet. Beispielsweise können die ersten H Komponenten von x die Werte von V_j(t) für j = 1 bis H sein, die nächsten H Komponenten von x könnten die ersten Ableitungen bezüglich der Zeit von V_j(t) sein, usw. Bei dieser Notation ist I_k(t) = f_k(x,a^k), wobei a^k ein Satz von Konstanten ist, die von den in der oben erörterten Testphase experimentell beobachteten Werten I_j(t) und V_j(t) bestimmt werden. Es sollte angemerkt werden, dass f_k(x,a^k) eine komplexwertige Funktion ist. Man bezeichnet die Anzahl von Komponenten in den Vektoren a^k mit M.
Für einen gegebenen Wert von t liefern die gemessenen Werte von I_k(t) und die anderen Parameter in x einen „Trainingsabtastwert". Das heißt, die Messungen zu einer Zeit liefern jedes Mal einen Trainingspunkt, der daraus besteht, einen Wert von x mit einem Satz von I_k Werten zu verbinden, der diesem Wert von x zugeordnet ist. Jedes Testsignal liefert eine Anzahl solcher Trainingspunkte. Außerdem können zusätzliche Testsignale verwendet werden, um die Anzahl von Trainingspunkten zu erhöhen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Satz von Trainingspunkten verwendet, um ein neurales Netzwerk zu trainieren. Da neurale Netzwerke in der Technik bekannt sind, werden dieselben hier nicht näher erörtert. Für die Zwecke der vorliegenden Erörterung ist es ausreichend, anzumerken, dass der Trainingsprozess Werte für eine Anzahl von Gewichtsparametern innerhalb des neuralen Netzwerks definiert. Diese Parameter sind Beispiele des oben erörterten Vektors a^k. Sobald das neurale Netzwerk trainiert ist, kann dasselbe mit zusätzlichen Trainingspunkten getestet werden, um zu verifizieren, dass das neurale Netzwerk die korrekten I_k Werte für jeden Eingangsvektor x liefert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird für f_k(x,a^k) eine verallgemeinerte Funktion verwendet. Es gibt viele allgemeine Funktionen, die bezüglich solcher konstanter Vektoren geschrieben werden können, und somit verwendet werden können, um die Funktionen f_k(x,a^k) zu modellieren. Beispielsweise kann f_k(x,a^k) als eine Erweiterung in einer orthonormalen Basis der Formel
geschrieben werden.
Hier sind die Funktionen B_i(x) die Orthonormalbasisfunktionen. Der Parameter a_i ^k ist die i-te Komponente des Vektors a^k und wird von den gemessenen Werten für I_k(t) bestimmt durch Einsetzen des beobachteten Satzes von Werten von der Testphase in die in den Gleichungen (3) gezeigte Funktion. Jeder einer Anzahl von Basisfunktionssätzen kann für die in Gleichungen (3) gezeigte Erweiterung verwendet werden. Ferner können unterschiedliche Basisfunktionen für unterschiedliche Werte von k verwendet werden. Da solche Dateneinsetzprozeduren in der Technik bekannt sind, werden sie hier nicht näher erörtert.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nehmen an, dass die Parameter bekannt sind, von denen I_k(t) abhängt. Das heißt, die Parameter, die in den Vektor x aufgenommen werden sollen, sind bekannt. Falls eine gewisse Kenntnis der Schaltungselemente, die die Komponente, die modelliert wird, bilden, vorhanden ist, sind Verfahren zum Vorhersagen, welche Parameter aufgenommen werden sollen, in der Technik bekannt.
Falls eine solche Kenntnis nicht verfügbar ist, können die Parameter, die zusätzlich zu den V_k(t) aufgenommen werden sollen, experimentell bestimmt werden durch Verwenden eines überinklusiven Satzes von Parametern und Beobachten der Qualität des Modells beim Vorhersagen von I_k(t), wenn neue Testsignale angelegt werden. Falls eine zufriedenstellende Einsetzung erhalten wird, kann die Liste von Parametern selektiv reduziert werden und der Prozess wiederholt werden, um zu bestimmen, welche Parameter nicht wirklich benötigt werden. Falls keine zufriedenstellende Einsetzung erhalten wird, können zusätzliche Parameter hinzugefügt werden oder eine andere Basis kann verwendet werden.
Wie es oben angemerkt wurde, liefern Transienten-Hüllkurven-Simulatoren normalerweise die V_k Werte an das Modell an jedem Zeitpunkt, der durch den Simulator verarbeitet wird. Die Liste von potentiellen Parametern für x umfasst jedoch viele zusätzliche Parameter. Beispielsweise können die Zeitableitungen von V_k(t) ebenfalls erforderlich sein. Das heißt, f_k(x,a^k) kann in der Form von f_k(V,y,a^k) geschrieben werden, wobei y ein Satz von Eingangssignalen ist, die nicht direkt durch den Simulator geliefert werden. In diesen Fällen muss ein Verfahren zum Erhalten der Parameter, die nicht direkt durch den Simulator geliefert werden, aufgenommen werden. Die Eingangsvariablen, die nicht direkt durch den Simulator geliefert werden, werden bei der folgenden Erörterung als die „berechneten Eingangssignale" bezeichnet. Die Eingangsvariablen, die direkt durch den Simulator geliefert werden, werden als die „gelieferten Eingangssignale" bezeichnet. Das Liefern zusätzlicher Routinen, die die berechneten Eingangssignale von V_k erzeugen, können die berechneten Eingangssignale innerhalb des Modells liefern.
Alternativ können die Modellelmentarkomponentenroutinen, die in der Bibliothek des Simulators enthalten sind, verwendet werden, um die Berechnungen durchzuführen. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden diese berechneten Eingangssignale durch Hinzufügen von Schaltungskomponenten geliefert, die die gelieferten Eingangssignale in die berechneten Eingangssignale umwandeln. Die berechneten Eingangssignale werden dann durch ein oder mehrere interne Tore an das Modell geliefert. Der oben erörterte Satz von Funktionen f_k(x,a^k) wird als das Kernmodell bezeichnet.
Nachfolgend wird auf 2 Bezug genommen, die die Art und Weise darstellt, wie das Kernmodell vergrößert wird, um die berechneten Eingangssignale zu liefern. Für die Zwecke dieses Beispiels wird angenommen, dass die berechneten Eingangssignale aus den Zeitableitungen von V_k oder I_k bestehen. Das Kernmodell 55 ist definiert, um zwei Eingangstore, die bei 50 und 51 gezeigt sind, und ein Ausgangstor 60 aufzuweisen. Der Eingangsvektor x ist aufgeteilt in die gelieferten Eingangssignale und die berechneten Eingangssignale. Die gelieferten Eingangssignale werden durch das Tor 50 an das Kernmodell gesendet. Das Tor 50 ist auch an dem Knoten 71 mit einem Schaltungselement 72 verbunden, das eines oder mehrere der gelieferten Eingangssignale zu ein oder mehreren der berechneten Eingangssignale umwandelt, die durch das Kernmodell auf dem Tor 51 empfangen werden. Beispielsweise könnte das Schaltungselement 72 in dem Fall, in dem die berechneten Eingangssignale die Zeitableitungen von V_k(t) sind, ein Kondensator in Reihe mit dem Tor 51 sein. Gleichartig dazu kann das Schaltungselement 72 einen Induktor zum Erzeugen der Zeitableitungen von I_k(t) umfassen, die das Ausgangstor verlassen. Da Kondensatoren bekanntlich ein Signal differenzieren, sind die Ausgangssignale des Kondensators bei den verschiedenen Harmonischen die benötigten Zeitableitungen.
Bei diesem Beispiel simuliert der Simulator eine vergrößerte Schaltung, wobei die vergrößerten Elemente Elemente sind, die in der Bibliothek des Simulators definiert sind. Gleichartig dazu können Verzögerungselemente verwendet werden, um vorhergehende Werte von sowohl den V_k abhängigen Größen als auch den I_k Werten und deren Ableitungen für vorhergehende Zeitpunkte zu liefern. Falls eine spezifische Funktion benötigt wird, die nicht ohne weiteres unter Verwendung der elementaren Funktionen in der Bibliothek des Simulators berechnet wird, kann ein Modell für diese Funktion erzeugt werden und in die Bibliothek platziert werden.
Der in 1 gezeigte Analysator kann im Prinzip das Modell der Komponente erzeugen. Bei der Rechenkomplexität des Einsetzprozesses werden jedoch die Daten, die durch den Analysator gesammelt werden, normalerweise zu einem Universaldatenverarbeitungssystem befördert, um die Daten einzusetzen.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele haben experimentelle Messungen der Eigenschaften der Schaltung verwendet, die modelliert werden soll. Falls jedoch die betreffende Schaltung aus bekannten Komponenten besteht, die Modelle in einem Schaltungssimulator aufweisen, kann der Messprozess simuliert werden, um die Daten zu liefern, auf denen das Modell basiert. Solche Simulationen sind besonders sinnvoll zum Erzeugen eines rechentechnisch effizienteren Modells für die Schaltung, wenn die Schaltung als ein Element in komplizierteren Schaltungen verwendet wird. Sobald die Parameter, die die vorliegende Erfindung definieren, berechnet wurden, kann die Zeit, die die vorliegende Erfindung benötigt, um ein Ausgangssignal von einem spezifizierten Eingangssignal zu liefern, sehr viel schneller sein als die Zeit, die ein Simulator benötigt, um das Problem von Anfang an zu lösen. Somit können nachfolgend die Simulationen rechentechnisch sehr viel effizienter sein.
Außerdem liefert die vorliegende Erfindung ein praktisches Verfahren zum Liefern eines Modells einer Schaltung, ohne die Einzelheiten der Schaltung zu offenbaren. Dieses Merkmal liefert eine Einrichtung für einen Hersteller zum Schützen von Handelsgeheimnissen, während er nach wie vor gehäuste Komponenten verkaufen kann, die die Schaltung enthalten. In diesem Fall muss der Hersteller dem Benutzer nur die Modellparameter und die Basisfunktionen oder das neurale Netzwerk, das in dem Modell verwendet wird, liefern. Der Benutzer kann dann Schaltungen, die die gehäuste Komponente umfassen, auf einem Transienten-Hüllkurven-Simulator simulieren, um die Entwürfe dieser Schaltungen zu vollenden. Da der Schaltungsentwurf nicht ohne weiteres von dem Modell abgeleitet werden kann, gefährdet das verteilte Modell den gesetzlich geschützten Entwurf des Herstellers nicht.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden bezüglich einer einfachen Schaltung beschrieben, die ein einziges Eingangstor und ein einziges Ausgangstor aufweist; die vorliegende Erfindung kann jedoch an Schaltungen angelegt werden, die mehrere Eingangs- und Ausgangstore aufweisen. In diesem Fall sind die oben beschriebenen Funktionen I_k(t) und V_k(t) ersetzt durch V^p _k(t) und I^p _k(t), wobei p die Torzahl ist. Eine Funktion f^p _k(t) wird dann für jedes Ausgangstor auf eine Weise abgeleitet, die analog zu der oben beschriebenen ist. In solchen Fällen umfasst der Vektor x allgemein V^p _k(t) und I^p _k(t) Terme für alle die Tore.
Die obige Beschreibung bezog sich auf Eingangssignale, die Spannungen sind, und auf Ausgangssignale, die Ströme sind. Obwohl dies eine übliche Formulierung des Simulationsproblems ist, sollte angemerkt werden, dass die Eingangssignale Ströme, Spannungen oder Mischungen von Strömen und Spannungen sein können, die für die verschiedenen Tore unterschiedlich sind. Gleichartig dazu kann ein gegebenes Tor ein Ausgangssignal und ein Eingangssignal aufweisen. Somit sind die Begriffe Eingangs- und Ausgangssignal nicht auf Spannungen bzw. Ströme begrenzt.
Nachdem eine Anzahl vereinfachter Beispiele des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geliefert wurde, wird nun eine allgemeinere Beschreibung des Verfahrens geliefert. Man betrachte eine Vorrichtung, die simuliert werden soll. Es wird angenommen, dass die Vorrichtung eine Anzahl von Toren aufweist, an denen dieselbe Stimuli empfangen kann und Ausgangssignale liefern kann. Der erste Schritt bei dem Modellierprozess ist das Verwenden entweder einer physikalischen Ausrüstung, wie z. B. Signalgeneratoren und Analysatoren, oder einer Simulationsumgebung zum Messen des Ansprechverhaltens der Vorrichtung, wenn ein Satz von Signalen an ein oder mehrere Tore der Vorrichtung angelegt wird. Diese Signale könnten ein Einzelfrequenzträger mit Analog- oder Digital-Modulation sein, oder Mehrfachtonträger, die eine Mehrzahl von Sinuskurven umfassen. In der Praxis sind die tatsächlichen Signale höchstwahrscheinlich „einfallende" und „reflektierte" Leistungswellen, die durch das HF-Mikrowellentestgerät gemessen werden. Die Leistungswellen werden linear zu Torspannungen und Strömen transformiert. Falls die „Messungen" in einem Simulator durchgeführt werden, können die Spannungen und der Strom direkt durch den Simulator geliefert werden.
Für die Zwecke des Analysierens der Signale ist der Stimulus definiert als die Spannung an jedem Tor und die Antwort ist definiert als der Strom. Der Stimulus und die Antwort können Signale bei den ursprünglichen Simulationsfrequenzen und auch Harmonische und Intermodulationskomponenten dieser Frequenzen umfassen. Die gemessenen Signalamplituden werden als Funktionen ausgedrückt, die zeitlich variieren, d. h. die oben beschriebenen V^p _k(t) und I^p _k(t). Hier ist p die Toranzahl und k identifiziert die Harmonische, bei der die Amplitude gemessen wird.
Nachfolgend wird ein Kernmodell definiert, das von den beobachteten Größen und einer Anzahl von Konstanten abhängt, die von den gemessenen Daten bestimmt werden. Beispielsweise kann jeder I^p _k eine Funktion von einem oder mehreren V^p _j(t) sein, wobei t jeden Torwert annehmen kann und j jeden der harmonischen Werte annehmen kann.
Außerdem kann jeder I^p _k eine Funktion der Zeitableitungen erster und höherer Ordnung von I^p _k sein, wobei p und k jeden der Werte annehmen kann, für den diese Größen definiert sind. Es sollte angemerkt werden, dass andere Transformierte der Eingangs- und Ausgangsvariablen, wie z. B. Zeitverzögerungen, anstatt den Ableitungen verwendet werden können.
Die erforderlichen Eingangssignale werden dann in gelieferte Eingangssignale und berechnete Eingangssignale getrennt, wie es oben beschrieben ist. Ein oder mehrere zusätzliche Tore sind vorgesehen zum Empfangen der berechneten Eingangssignale. Schaltungselemente, die die vorgesehenen Eingangssignale in die berechneten Eingangssignale umwandeln, werden dann zwischen dem ursprünglichen Eingangstor an dem die gelieferten Eingangssignale empfangen wurden, und den zusätzlichen Toren hinzugefügt. Diese Vergrößerung des Kernmodells bildet dann das Modell, das dem Transienten-Hüllkurven-Simulator gegeben wird.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Modells einer Schaltung (12) mit einem Eingangstor (50) und einem Ausgangstor (60), wobei das Verfahren folgende Merkmale umfasst: Bestimmen einer Amplitude für Strom, der das Ausgangstor (60) bei einer Frequenz ω_k verlässt, wenn ein Signal, das einen Träger bei ω_j umfasst, der durch ein Signal V_j(t) modelliert ist, in das Eingangstor (50) eingegeben wird, wobei ω_k eine Harmonische von ω_j ist; Verwenden der bestimmten Amplitude zum Bestimmen von Werten für einen Satz von Konstanten a^k, so dass eine Funktion f_k(V,a^k) eine Schätzung des Stroms I_k(t) liefert, der das Ausgangstor (60) bei einer Frequenz ω_k verlässt, wenn ein Signal mit der Form
in das Eingangstor (50) eingegeben wird, wobei V_k(t) eine Komponente des Satzes von Werten V ist; und Liefern einer Simulatorkomponente (55), die für die Verwendung in einem Schaltungssimulator angepasst ist, wobei die Simulatorkomponente (55) ein erstes Simulatoreingangstor (51) und ein Simulatorausgangstor (60) aufweist, wobei die Komponente einen Wert f_k(V,a^k) über das Simulatorausgangstor (60) zurücksendet, wenn der Simulator Werte für V an dem ersten Simulatoreingangstor (51) für zumindest einen Wert von k liefert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Simulatorkomponente (55) auch f_k(V,a^k) über das Simulatorausgangstor (60) zurücksendet, wenn der Simulator Werte für V an dem ersten Simulatoreingangstor (51) für zumindest zwei Werte von k liefert.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Amplitude bestimmt wird durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Schaltung (12) und Messen eines Signals an dem Ausgangstor (60).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Amplitude an einem Schaltungssimulator bestimmt wird durch Simulieren eines elektrischen Signals, das an die Schaltung (12) angelegt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schaltungssimulator ein Transienten-Hüllkurven-Simulator ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem f_k(V,a^k) durch ein neurales Netzwerk bewertet wird, das mit einem Trainingssatz trainiert wurde, der die bestimmte Amplitude umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem f_k(V,a^k) eine gewichtete Summe von Basisfunktionen umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem f_k(V,a^k) ferner von einem Eingangssignal abhängt, das von V abgeleitet ist, und wobei die Simulatorkomponente (55) ferner ein zweites Simulatoreingangstor (51) umfasst, und eine Rechenkomponente (72) mit einem Komponenteneingangstor und einem Komponentenaungangstor, wobei das Komponenteneingangstor mit dem ersten Simulatoreingangstor (50) verbunden ist und das Komponentenausgangssignal mit dem zweiten Simulatoreingangstor (51) verbunden ist, wobei die Rechenkomponente (72) ein Signal erzeugt, das von V an dem Komponentenausgangs tor abgeleitet ist, wenn das Eingangstor ein Signal empfängt, das V spezifiziert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem das Signal, das durch die Rechenkomponente (72) erzeugt wird, ferner von der Zeitableitung von I_k(t) für zumindest einen Wert von k abhängt.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die Rechenkomponente (72) eine Schaltungskomponente umfasst, die in einer Simulatorkomponentenbibliothek vorgesehen ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Modells einer Schaltung (12) mit einem Eingangstor (50) und P Ausgangstoren (60), wobei P > 1, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bestimmen einer Amplitude für einen Strom, der jedes Ausgangstor (60) bei einer Frequenz ω_k verlässt, wenn ein Signal, das einen Träger bei ω_j umfasst, modelliert mit einem Signal V_j(t) in das Eingangstor (50) eingegeben wird, wobei ω_k eine Harmonische von ω_j ist; Verwenden der bestimmten Amplitude zum Bestimmen von Werten für einen Satz von Konstanten ^pa^k, so dass eine Funktion f^p _k(V,a^k) eine Schätzung des Stroms I^p _k(t) liefert, der das p-te Ausgangstor (60) bei einer Frequenz ω_k verlässt, wenn ein Signal mit der Form
in das Eingangstor (50) eingegeben wird, wobei V_k(t) eine Komponente des Satzes von Werten V ist; und Liefern einer Simulatorkomponente (55), die für die Verwendung in einem Schaltungssimulator angepasst ist, wobei die Simulatorkomponente (55) ein erstes Simulatoreingangstor (51) und P Simulatorausgangstore (60) aufweist, wobei die Komponente einen Wert f^p _k(V,a^k) über das p-te Simulatorausgangstor (60) zurücksendet, wenn der Simulator Werte für V an dem ersten Eingangstor (51) für zumindest einen Wert von k und p liefert.