读书笔记以及失效分析心得。

 

微波集成电路仿真

作者：龙忠琪

读书笔记

第一章

成电路仿真软件所能够做的仿真：

工作点分析（OP）：

直流工作点分析就是忽略了电路中的储能元件，将电感短路，将电容视为开了，然后计算电路的个节点的电压、支路电流、独立电源和整个电路的功耗。

直流传输曲线分析：

就是根据用户定义的输入信号的扫描范围，软件将给出相应的电路输出，从而可以得到电路的直流传输特性曲线，这些对于绘制有源器件的伏安特性曲线和，用来分析模拟电路的大信号特性和绘制数字电路的电压转移特性，进而分析其噪声容限等。

交流分析（AC）：

交流分析用于对电路进行交流小信号频域分析，软件首先求出电路的直流工作点，然后再对电路中的非线性元件在工作点附近所线性化处理，最后求得在不同频率的输入信号下的电路输出，获得电路的小信号频率特性，输出的项目包括：电路的线性幅频特性、对数幅频特性、相频特性、实部和虚部。

瞬态分析（transient）：

瞬态分析用于确定电路对更定的时域输入在时间间隔（0，T）内的时域响应。

温度分析（temp）：

温度分析用于定义电路的仿真温度，可以在各种温度下研究电路的温度特性，相当于电路的温度实验。

直流敏感度分析（sens）：

直流敏感度分析是计算所定义的电路输出变量对所有电路元件的直流敏感度，即输出变量随输入变量个电路元件的变化情况。这对分析电路的元件参数和对电路直流工作点等的影响是十分重要的。

交流敏感度（sens AC）:

交流敏感度分析用于计算交流小信号输出对某些电路元件参数变化的敏感程度。

失真分析（disto）：

失真分析用于计算电路在交流小信号稳态下的二阶和三阶谐波分析，以及二阶和三阶交叉调制失真，对周期性时域响应且失真较大时，程序还提供傅立叶分析功能。

噪声分析（noise）：

噪声分析用于计算电路中的电阻和有源器件产生的热噪声、散弹噪声、和闪烁噪声。计算所定义的节点上的总输出噪声、等效输入噪声、或各噪声源在某个频率上的贡献。

传输函数值分析（TF）：

传输函数分析用于计算电路的交流小信号传输函数值，同时给出电路的输入电阻和输出电阻。

SP分析和YP分析：

传输函数值分析用于计算电路的散射参数。YP分析用于计算电路的导纳参数。这对于研究新型微波和跨阻抗元件的等效电路参数提取等十分有用（涉及到S参数和Y参数）；

功率分析（pwr）：

用于计算电路的输入功率和输出功率。

傅立叶分析（fourier）：

Fourier分析用于计算信号的直流分量和前9次谐波。

Mwspice的电路仿真原理：

第二章

该软件常用的电路文件有以下几个：

DIM块：线性单位量纲定义块。

VAR快：元件语句中的变量值定义块。

EQN块：方程定义块。

CKT块：电路结构、电路参数定义块。

MODEL块：器件模型参数定义块。

SOURCE块：电源、信号源、内阻、及负载定义块。

CONTROL块：分析类型定义块。

FUNCT块：数学函数定义块。

SPICEOUT块：分析输出变量定义块。

OUT块：显示输出变量定义块。

FREQ块：功率分析仿真频率定义块。

GRID块：图形显示坐标定义块。

以上都是该软件的电路文件结构和书写方法。

电路分析软件的数学方法：

电路分析方法是整个电路软件分析程序的关键所在，它涉及到了如何建立电路的数学模型并进行相应的数值或非数值计算—数学方法！理想的数学方法能够达到三个目标：分析结果精度高；计算速度快；节省内存空间；

电路的数学方法中最重的是建立电路方程，建立电路方程的两个基本依据就是：1、基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律；2、反映定路中各个元件伏安特性的特征方程（VAR）。

电路建立后接下来的任务就是解方程了，一般来说电路方程的解法分为两类：一类是解析解法；一类是数值解法；简单的方程可以用解析法，但是对于复杂的电路问题就很难用解析法了，因此大部分解都是数值解。比如对非线性电路进行直流分析时，通常选用以牛顿-拉夫逊法为基础的各种算法。

电路方程的建立方法分为如下方法：基本节点分析法、改进节点分析法、混合分析法、稀疏列表法。

线性代数的求解方法：

本章所涉及的算法较多，基础知识要求较高，对于线性代数要求也很高，主要的算法以高斯消元法、LU分解法、稀疏矩阵法等

电路敏感度的分析：

电路的实际值和标称值之间不可避免的存在一定的偏差，而且随着电路周围环境的变化，元件的参数也会偏离原来的标称值，而元件参数的任何变化都会不同程度的影响电路的特性指标，因此在实际的电路分析和设计中必须研究元件参数的变化对电路的状态、电路响应的影响，这就是电路敏感度分析的问题。

敏感度：交流敏感度、直流敏感度。

敏感度的计算方法：直接求导法、差熵法、特勒根伴随网络法、节点法。

第三章:无源元件及其表征

微波传输线：根据均匀分布电路理论，如下图所示，普通的双导体传输线，可用其单位长度的电阻R、电感L、线间电容C、和线间电导g来表示。根据基尔霍夫电压定律，并考虑到：

可列出A-B段的回路电压方程如下式：

      ——————（1）

用 除以上式的两边且令 ，并为表达方便略去了 ，则（1）式变为下式：

                                        ——————（2）

再对B点应用基尔霍夫电流定律，并经类似的步骤，可以都得到：

                                             ——————（3）

具体的推导过程如下：

联立（2）、（3）得到传输线上的电压传输方程：

——————————————————（4）

同理对可以得到传输线上的电流方程：

———————————————————（5）

传输方程的解及传输线的特性参数：

由4、5两式可知，传输线的电压和电流是位置z和时间t的函数，在角频率为 的正弦输入下，其解的瞬时值可表示为：

用 代替 ，则2～5式可表示为：

zI=0 ——————1

yV=0——————2

—————3

—————4

3和4的解分别为：

上式中的z=r+    Ω/单位

     y=g+    S/单位

=

传输线的固有特征参数

上式中的 称为线的衰减常数， 称为线的传输常数， 称为线的特性阻抗。 是表征传输线的固有特性参数。

波的传播速率为 ， 称为波的相速，它只与传输线的填充介质的磁导率 和有效相对介电常数 有关。

反射波与入射波的比值：

称作在距离z处的反射系数。在负载处, , ,有

所以有：

由上式可见，当负载等于线的特征阻抗 时， =0，即负载无反射，这种情况称作阻抗匹配。因为我是做光通信的这里展开一下，我们在做光模块的电路设计的时候，一般都要求阻抗匹配就是这个道理，虽然在155.52    Mbps～622.08 Mbps 的情况要求不是很严格，但是这个确实会影响产品的灵敏度和发射的光眼图，当然这个速率以下的可以不用考虑了。但是1.25G bps到4.25G bps就要严格的考虑阻抗匹配了，要求阻抗适配控制在±5%，这样才能保证有好的眼图，但是目前的这种速率的模块的匹配还不够严格，因为这时的带状线或者微带线和激光器或者探测是的引脚并不匹配，因为激光器的引脚和探测器的引脚并不是50欧姆，也是不是常用的阻抗。

但是到了更高的速率或者要求的光眼图和点眼图的质量更高的情况下，器件的封装形式就发生了变化，一般从同轴形式的封装转为了蝶形封装了，这种封装中，器件的电源和制冷部分的电路因为速率低，一般不考虑阻抗匹配，而调制电路一般有阻抗的要求，这种电路一般采用镀金导电材料。下面一段文字就是最重要的一点，但是为什么会是这样呢？就是这样也只是消除了长距离的反射，也不能完全的杜绝反射，仅仅是把反射限制在芯片的键合引线和调制器之间了，避免了入射和反射波长距离的叠加造成的输出波形的变差，但是还是会比没有反射要差一些。因为调制器和激光器的阻抗不可能是50欧，因此只要有阻抗变化就会有反射，就看您想把反射控制在多大范围内。

根据能量守恒的原理，传到负载上端的入射功率 一定等于真正传到负载上的功率 和反射回来的功率 之和，即：