书籍详情
基于Python的模拟电路仿真器
作者：[美]迈克尔·萨林
出版社：机械工业出版社
出版时间：2024-10-01
ISBN：9787111762614
定价：¥99.00
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内容简介
本书重点介绍模拟电路仿真器的内部工作原理，并阐述了在开发过程中出现的各种难题的解决方案，并以Python作为代码环境展示算法原理。本书首先概述了数值方法，重点强调了非线性方程及其牛顿-拉夫森算法中的解；其次介绍了建模技术，以及线性情况和非线性情况的电路仿真器；然后讨论了实际场景中的仿真器，强调了一些限制因素并提出了对策；最后简要介绍了仿真器涉及的更深入的数学背景知识。本书提供了大量的示例和练习，使读者可以更好地理解仿真器的工作原理。
作者简介
| 作者简介 |迈克尔·萨林（Mikael Sahrling）资深电子工程师，长期致力于开发用于测试和测量以及通信行业的高速电气接口，拥有25年的集成电路开发经验，曾在Semtech、Maxim Integrated、Tektronix和IPG Photonics等众多行业领先的模拟芯片公司工作，并担任首席模拟设计工程师。 | 译者简介 |张悦，博士，毕业于法国南巴黎大学，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。王鹏，博士，毕业于美国加州大学圣迭戈分校，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院教授，博士生导师，国家海外高层次人才。胡远奇，博士，毕业于英国帝国理工学院，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院教授，博士生导师，国家级青年人才。郭继旺，北京华大九天科技股份有限公司副总经理，北航-华大九天联合实验室主任，曾获得国家教学成果一等奖。
目录
目录
译者序
前言
符号表
第1章 绪论 1
1.1 背景 1
1.2 仿真器的发展 2
1.3 关于本书 2
第2章 数值方法概述 4
2.1 微分方程：差分方程 4
2.1.1 初值问题 5
2.1.2 欧拉方法 6
2.1.3 梯形方法 6
2.1.4 二阶Gear方法 7
2.1.5 总结 7
2.1.6 求解方法：精度和稳定性 8
2.2 非线性方程 10
2.3 矩阵方程 11
2.3.1 基于N个未知量的基本矩阵方程 12
2.3.2 矩阵求解器 13
2.4 仿真器选项 18
2.5 本章小结 18
2.6 代码 18
2.7 练习 19
参考文献 19
第3章 建模技术 21
3.1 CMOS晶体管模型 21
3.1.1 CMOS晶体管基础 21
3.1.2 CMOS晶体管的物理特性 22
3.1.3 MOSFET电容建模详细信息 27
3.1.4 BSIM 28
3.2 双极晶体管模型 35
3.2.1 一般行为 35
3.2.2 Ebers-Moll模型 36
3.2.3 Gummel-Poon模型 36
3.2.4 高电流模型 37
3.2.5 VBIC模型 38
3.3 考虑的模型选项 38
3.4 使用的晶体管模型 38
3.4.1 CMOS晶体管模型示例一 38
3.4.2 CMOS晶体管模型示例二 39
3.4.3 双极晶体管模型示例三 39
3.5 本章小结 40
3.6 练习 40
参考文献 40
第4章 电路仿真器：线性情况 42
4.1 引言 42
4.2 发展历史 42
4.3 矩阵方程 43
4.3.1 无源器件 43
4.3.2 交流分析 45
4.3.3 有源器件 49
4.3.4 总结 55
4.4 矩阵的构建：交流分析 55
4.4.1 噪声分析 60
4.4.2 稳定性分析 62
4.4.3 S参数分析 66
4.4.4 传递函数分析 68
4.4.5 灵敏度分析 69
4.4.6 需要注意的特殊情况 69
4.5 线性电路的直流分析 69
4.6 线性电路的瞬态分析 70
4.6.1 前向欧拉法 70
4.6.2 后向欧拉法 73
4.6.3 梯形方法 75
4.6.4 二阶Gear法 76
4.6.5 刚性电路 78
4.6.6 局部截断误差 79
4.6.7 需要注意的特殊情况 81
4.7 需要考虑的仿真器选项 83
4.8 本章小结 84
4.9 代码 84
4.9.1 代码4.2 84
4.9.2 代码4.3 87
4.9.3 代码4.4 91
4.9.4 代码4.5 96
4.9.5 代码4.6 99
4.9.6 代码4.7 102
4.9.7 代码4.8 105
4.9.8 代码4.9 109
4.9.9 代码4.10 112
4.10 练习 117
参考文献 117
第5章 电路仿真器：非线性情况 119
5.1 引言 119
5.2 直流非线性仿真 119
5.2.1 求解方法 120
5.2.2 收敛判别准则 134
5.2.3 需要注意的特殊情况 140
5.3 线性化技术 141
5.4 非线性瞬态仿真 142
5.4.1 固定时间步长 143
5.4.2 可调时间步长 149
5.4.3 收敛问题 155
5.4.4 非线性电容 160
5.4.5 断点 162
5.4.6 瞬态精度 162
5.5 周期稳态求解器 163
5.5.1 打靶法 163
5.5.2 谐波平衡法 166
5.5.3 包络分析 174
5.5.4 微扰技术 175
5.5.5 周期S参数、传递函数和稳定性分析 179
5.5.6 准周期稳态分析 179
5.5.7 特殊电路示例 179
5.5.8 需要注意的特殊情况 183
5.5.9 如何确定精度 183
5.5.10 仿真器选项 184
5.6 本章小结 184
5.7 代码 185
5.7.1 代码5.1 185
5.7.2 代码5.2 189
5.7.3 代码5.3 194
5.7.4 代码5.4 209
5.7.5 代码5.5 214
5.7.6 代码5.6 220
5.7.7 代码5.7 225
5.7.8 代码5.8 230
5.7.9 代码5.9 235
5.8 练习 241
参考文献 241
第6章 实际场景中的仿真器 243
6.1 使用新工艺技术时的模型验证策略 243
6.1.1 直流响应曲线 244
6.1.2 阈值电压提取 246
6.1.3 过渡频率表征 247
6.1.4 栅-源和栅-漏电容特性 248
6.1.5 总结 249
6.1.6 错误模型行为示例 249
6.1.7 角仿真策略 249
6.1.8 蒙特卡罗仿真 250
6.2 小模块电路仿真 250
6.2.1 模拟电路仿真策略 251
6.2.2 小型数字电路仿真策略 252
6.3 大模块电路仿真 253
6.4 本章小结 254
6.5 练习 254
参考文献 254
第7章 仿真器背后的数学 255
7.1 网络理论 255
7.1.1 稀疏表分析 257
7.1.2 节点分析 257
7.1.3 修正节点分析 258
7.2 微分方程的数值求解技术 259
7.3 牛顿-拉夫森定理 269
7.3.1 任意维度上的基本推导 269
7.3.2 常见难点及其解决办法 270
7.4 打靶法理论 270
7.5 谐波平衡法理论 272
7.6 矩阵求解器：简介 273
7.6.1 高斯-若当消元法 273
7.6.2 LU分解 274
7.6.3 迭代矩阵求解器 275
参考文献 276
附录A 示例的完整Python代码 277
译者序
前言
符号表
第1章 绪论 1
1.1 背景 1
1.2 仿真器的发展 2
1.3 关于本书 2
第2章 数值方法概述 4
2.1 微分方程：差分方程 4
2.1.1 初值问题 5
2.1.2 欧拉方法 6
2.1.3 梯形方法 6
2.1.4 二阶Gear方法 7
2.1.5 总结 7
2.1.6 求解方法：精度和稳定性 8
2.2 非线性方程 10
2.3 矩阵方程 11
2.3.1 基于N个未知量的基本矩阵方程 12
2.3.2 矩阵求解器 13
2.4 仿真器选项 18
2.5 本章小结 18
2.6 代码 18
2.7 练习 19
参考文献 19
第3章 建模技术 21
3.1 CMOS晶体管模型 21
3.1.1 CMOS晶体管基础 21
3.1.2 CMOS晶体管的物理特性 22
3.1.3 MOSFET电容建模详细信息 27
3.1.4 BSIM 28
3.2 双极晶体管模型 35
3.2.1 一般行为 35
3.2.2 Ebers-Moll模型 36
3.2.3 Gummel-Poon模型 36
3.2.4 高电流模型 37
3.2.5 VBIC模型 38
3.3 考虑的模型选项 38
3.4 使用的晶体管模型 38
3.4.1 CMOS晶体管模型示例一 38
3.4.2 CMOS晶体管模型示例二 39
3.4.3 双极晶体管模型示例三 39
3.5 本章小结 40
3.6 练习 40
参考文献 40
第4章 电路仿真器：线性情况 42
4.1 引言 42
4.2 发展历史 42
4.3 矩阵方程 43
4.3.1 无源器件 43
4.3.2 交流分析 45
4.3.3 有源器件 49
4.3.4 总结 55
4.4 矩阵的构建：交流分析 55
4.4.1 噪声分析 60
4.4.2 稳定性分析 62
4.4.3 S参数分析 66
4.4.4 传递函数分析 68
4.4.5 灵敏度分析 69
4.4.6 需要注意的特殊情况 69
4.5 线性电路的直流分析 69
4.6 线性电路的瞬态分析 70
4.6.1 前向欧拉法 70
4.6.2 后向欧拉法 73
4.6.3 梯形方法 75
4.6.4 二阶Gear法 76
4.6.5 刚性电路 78
4.6.6 局部截断误差 79
4.6.7 需要注意的特殊情况 81
4.7 需要考虑的仿真器选项 83
4.8 本章小结 84
4.9 代码 84
4.9.1 代码4.2 84
4.9.2 代码4.3 87
4.9.3 代码4.4 91
4.9.4 代码4.5 96
4.9.5 代码4.6 99
4.9.6 代码4.7 102
4.9.7 代码4.8 105
4.9.8 代码4.9 109
4.9.9 代码4.10 112
4.10 练习 117
参考文献 117
第5章 电路仿真器：非线性情况 119
5.1 引言 119
5.2 直流非线性仿真 119
5.2.1 求解方法 120
5.2.2 收敛判别准则 134
5.2.3 需要注意的特殊情况 140
5.3 线性化技术 141
5.4 非线性瞬态仿真 142
5.4.1 固定时间步长 143
5.4.2 可调时间步长 149
5.4.3 收敛问题 155
5.4.4 非线性电容 160
5.4.5 断点 162
5.4.6 瞬态精度 162
5.5 周期稳态求解器 163
5.5.1 打靶法 163
5.5.2 谐波平衡法 166
5.5.3 包络分析 174
5.5.4 微扰技术 175
5.5.5 周期S参数、传递函数和稳定性分析 179
5.5.6 准周期稳态分析 179
5.5.7 特殊电路示例 179
5.5.8 需要注意的特殊情况 183
5.5.9 如何确定精度 183
5.5.10 仿真器选项 184
5.6 本章小结 184
5.7 代码 185
5.7.1 代码5.1 185
5.7.2 代码5.2 189
5.7.3 代码5.3 194
5.7.4 代码5.4 209
5.7.5 代码5.5 214
5.7.6 代码5.6 220
5.7.7 代码5.7 225
5.7.8 代码5.8 230
5.7.9 代码5.9 235
5.8 练习 241
参考文献 241
第6章 实际场景中的仿真器 243
6.1 使用新工艺技术时的模型验证策略 243
6.1.1 直流响应曲线 244
6.1.2 阈值电压提取 246
6.1.3 过渡频率表征 247
6.1.4 栅-源和栅-漏电容特性 248
6.1.5 总结 249
6.1.6 错误模型行为示例 249
6.1.7 角仿真策略 249
6.1.8 蒙特卡罗仿真 250
6.2 小模块电路仿真 250
6.2.1 模拟电路仿真策略 251
6.2.2 小型数字电路仿真策略 252
6.3 大模块电路仿真 253
6.4 本章小结 254
6.5 练习 254
参考文献 254
第7章 仿真器背后的数学 255
7.1 网络理论 255
7.1.1 稀疏表分析 257
7.1.2 节点分析 257
7.1.3 修正节点分析 258
7.2 微分方程的数值求解技术 259
7.3 牛顿-拉夫森定理 269
7.3.1 任意维度上的基本推导 269
7.3.2 常见难点及其解决办法 270
7.4 打靶法理论 270
7.5 谐波平衡法理论 272
7.6 矩阵求解器：简介 273
7.6.1 高斯-若当消元法 273
7.6.2 LU分解 274
7.6.3 迭代矩阵求解器 275
参考文献 276
附录A 示例的完整Python代码 277
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