電路仿真工具通常分為幾大類

按照仿真對(duì)象劃分，電路仿真工具通常分為三大類：晶體管級(jí)的模擬電路仿真工具、門級(jí)和RTL級(jí)的數(shù)字電路仿真工具、模數(shù)混合電路仿真工具。

1.模擬電路仿真工具

模擬電路仿真的基本流程如圖5-107所示。

模擬電路的方程為

式中，t為時(shí)間；Vt為節(jié)點(diǎn)電壓；It為節(jié)點(diǎn)獨(dú)立電流源；Qt為節(jié)點(diǎn)電荷；f(Vt)為節(jié)點(diǎn)非線性電流；E(Vt)為節(jié)點(diǎn)受控電流。采用Newton-Raphson迭代法可以求解該方程組，得到解的迭代形式（i=1，2，3，......，為迭代次數(shù)）：

式中，Yt為f(Vt)+E(Vt)的雅克比矩陣，即

Yt通常是一個(gè)稀疏矩陣，可以采用LU分解算法降低其計(jì)算復(fù)雜度。在LU分解之前對(duì)Yt的行列進(jìn)行預(yù)排列，可以減少計(jì)算量并提高迭代計(jì)算的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)較為特殊的電路其Yt矩陣為稠密矩陣，用PCG、GMRES等算法可以獲得更快的求解速度。電荷Qt對(duì)時(shí)間t的微分計(jì)算有Forward Euler法、Backward Euler法等單步算法與TRAP、GEAR等多步算法，其精度與穩(wěn)定性受電路類型影響。

求解方程組的計(jì)算量隨著電路節(jié)點(diǎn)的增加而急劇增加，因此商業(yè)模擬電路仿真工具中通常會(huì)加入多種加速技術(shù)以提高性能。

（1）并行計(jì)算：將電流與雅克比矩陣的計(jì)算分配到多個(gè)CPU上同時(shí)進(jìn)行。

（2）旁路（Bypass）技術(shù)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓變化不大時(shí)無須重新計(jì)算非線性電流與雅克比矩陣，僅對(duì)電流做線性修正。

（3）節(jié)點(diǎn)合并（Node Folding）技術(shù)：采用線性修正的算法消除非線性器件的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，減少方程數(shù)。

對(duì)于更大規(guī)模的電路，仿真工具還會(huì)引入一些降低精度但可以極大提高仿真速度與容量的技術(shù)，即快速仿真技術(shù)。這些技術(shù)主要有如下幾種。

（1）查表模型（Table Model）：采用查表插值的辦法計(jì)算非線性器件的電流電荷。

（2）事件驅(qū)動(dòng)（Event Driven）：將電路劃分為若干模塊獨(dú)立求解，僅在端口節(jié)點(diǎn)的電壓變化時(shí)才重新計(jì)算相鄰模塊。

（3）同態(tài)技術(shù)（Isomorphism）：結(jié)構(gòu)相同、電壓相近的多個(gè)模塊共享雅克比矩陣，只求解一次方程組，不同模塊之間微小的差異依靠線性插值修正。

此外，寄生效應(yīng)會(huì)影響集成電路的性能甚至功能，而考慮了寄生效應(yīng)的模擬電路仿真則稱為模擬電路后仿真。在后仿真中，寄生器件導(dǎo)致矩陣規(guī)模急劇增大，耦合效應(yīng)導(dǎo)致矩陣填充更為稠密，為此需要引入加速技術(shù)在精度影響很小的前提下提高仿真速度與容量，常用的技術(shù)如下。

（1）RC約減：通過物理或數(shù)學(xué)等效方法將寄生RC網(wǎng)絡(luò)簡化為規(guī)模較小的等效電路，其常用算法為TICER降價(jià)算法。

（2）電路劃分：將電路分割為多個(gè)耦合較少的模塊分別計(jì)算，結(jié)果回代到頂層矩陣得到電路的解。常用方法有超圖劃分、BBD和SuperLU等。

（3）多重速率：根據(jù)工作頻率將電路劃分成多個(gè)模塊，信號(hào)頻率較高的模塊設(shè)置較小的時(shí)間步長以保證計(jì)算精度，信號(hào)頻率較低的模塊設(shè)置較大時(shí)間步長以提升計(jì)算速度。

2.數(shù)字電路仿真工具

數(shù)字電路仿真的基本流程如圖5-108所示。

數(shù)字電路一般采用VHDL、Verilog HDL或者System Verilog等語言來描述。這些語言支持對(duì)邏輯信號(hào)的時(shí)序關(guān)系進(jìn)行量化及檢測(cè)。數(shù)字電路仿真采用事件驅(qū)動(dòng)算法進(jìn)行信號(hào)邏輯仿真，即邏輯單元的輸入/輸出信號(hào)為有限數(shù)量的邏輯態(tài)，其輸出僅在輸入信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化的情況下重新計(jì)算。事件驅(qū)動(dòng)算法框圖如圖5-109所示。

在數(shù)字電路仿真中可以附加SDF（Standard Delay Format）文件進(jìn)行后仿真以得到更準(zhǔn)確的時(shí)序結(jié)果。該文件通過提取電路版圖獲得元器件與連線精確延時(shí)而產(chǎn)生。數(shù)字電路仿真的速度遠(yuǎn)高于模擬電路仿真，但精度遠(yuǎn)低于模擬電路仿真。

3.模數(shù)混合電路仿真工具

模數(shù)混合電路仿真結(jié)合模擬與數(shù)字信號(hào)電路仿真工具，對(duì)不同模塊分別采用晶體管級(jí)或門級(jí)/RTL級(jí)電路進(jìn)行仿真。模數(shù)混合電路仿真的核心是識(shí)別模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相連的節(jié)點(diǎn)，并通過信號(hào)轉(zhuǎn)換算法將其中連續(xù)的模擬信號(hào)與離散的數(shù)字信號(hào)互相轉(zhuǎn)換。模數(shù)混合電路仿真的基本流程如圖5-110所示。

審核編輯：劉清