基于PYTHON的模拟电路仿真器

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。本书包含丰富的示例、练习和图表来进行详细说明，通过实际运行代码演示电路仿真算法，让读者直观地了解各种方法的优缺点。本书提供了所有常见的现代电路仿真器的细节，并提供了用于仿真的Python代码下载（www.cmpreading.com）。对于感兴趣的读者，附录还介绍了仿真实现所涉及的基本数学定理。本书可供集成电路相关从业者阅读，也可供集成电路相关专业的研究生及高年级本科生阅读。

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。

目录<br />译者序<br />前言<br />符号表<br />第1章  绪论  1<br />1.1  背景  1<br />1.2  仿真器的发展  2<br />1.3  关于本书  2<br />第2章  数值方法概述  4<br />2.1  微分方程：差分方程  4<br />2.1.1  初值问题  5<br />2.1.2  欧拉方法  6<br />2.1.3  梯形方法  6<br />2.1.4  二阶Gear方法  7<br />2.1.5  总结  7<br />2.1.6  求解方法：精度和稳定性  8<br />2.2  非线性方程  10<br />2.3  矩阵方程  11<br />2.3.1  基于N个未知量的基本矩阵方程  12<br />2.3.2  矩阵求解器  13<br />2.4  仿真器选项  18<br />2.5  本章小结  18<br />2.6  代码  18<br />2.7  练习  19<br />参考文献  19<br />第3章  建模技术  21<br />3.1  CMOS晶体管模型  21<br />3.1.1  CMOS晶体管基础  21<br />3.1.2  CMOS晶体管的物理特性  22<br />3.1.3  MOSFET电容建模详细信息  27<br />3.1.4  BSIM  28<br />3.2  双极晶体管模型  35<br />3.2.1  一般行为  35<br />3.2.2  Ebers-Moll模型  36<br />3.2.3  Gummel-Poon模型  36<br />3.2.4  高电流模型  37<br />3.2.5  VBIC模型  38<br />3.3  考虑的模型选项  38<br />3.4  使用的晶体管模型  38<br />3.4.1  CMOS晶体管模型示例一  38<br />3.4.2  CMOS晶体管模型示例二  39<br />3.4.3  双极晶体管模型示例三  39<br />3.5  本章小结  40<br />3.6  练习  40<br />参考文献  40<br />第4章  电路仿真器：线性情况  42<br />4.1  引言  42<br />4.2  发展历史  42<br />4.3  矩阵方程  43<br />4.3.1  无源器件  43<br />4.3.2  交流分析  45<br />4.3.3  有源器件  49<br />4.3.4  总结  55<br />4.4  矩阵的构建：交流分析  55<br />4.4.1  噪声分析  60<br />4.4.2  稳定性分析  62<br />4.4.3  S参数分析  66<br />4.4.4  传递函数分析  68<br />4.4.5  灵敏度分析  69<br />4.4.6  需要注意的特殊情况  69<br />4.5  线性电路的直流分析  69<br />4.6  线性电路的瞬态分析  70<br />4.6.1  前向欧拉法  70<br />4.6.2  后向欧拉法  73<br />4.6.3  梯形方法  75<br />4.6.4  二阶Gear法  76<br />4.6.5  刚性电路  78<br />4.6.6  局部截断误差  79<br />4.6.7  需要注意的特殊情况  81<br />4.7  需要考虑的仿真器选项  83<br />4.8  本章小结  84<br />4.9  代码  84<br />4.9.1  代码4.2  84<br />4.9.2  代码4.3  87<br />4.9.3  代码4.4  91<br />4.9.4  代码4.5  96<br />4.9.5  代码4.6  99<br />4.9.6  代码4.7  102<br />4.9.7  代码4.8  105<br />4.9.8  代码4.9  109<br />4.9.9  代码4.10  112<br />4.10  练习  117<br />参考文献  117<br />第5章  电路仿真器：非线性情况  119<br />5.1  引言  119<br />5.2  直流非线性仿真  119<br />5.2.1  求解方法  120<br />5.2.2  收敛判别准则  134<br />5.2.3  需要注意的特殊情况  140<br />5.3  线性化技术  141<br />5.4  非线性瞬态仿真  142<br />5.4.1  固定时间步长  143<br />5.4.2  可调时间步长  149<br />5.4.3  收敛问题  155<br />5.4.4  非线性电容  160<br />5.4.5  断点  162<br />5.4.6  瞬态精度  162<br />5.5  周期稳态求解器  163<br />5.5.1  打靶法  163<br />5.5.2  谐波平衡法  166<br />5.5.3  包络分析  174<br />5.5.4  微扰技术  175<br />5.5.5  周期S参数、传递函数和稳定性分析  179<br />5.5.6  准周期稳态分析  179<br />5.5.7  特殊电路示例  179<br />5.5.8  需要注意的特殊情况  183<br />5.5.9  如何确定精度  183<br />5.5.10  仿真器选项  184<br />5.6  本章小结  184<br />5.7  代码  185<br />5.7.1  代码5.1  185<br />5.7.2  代码5.2  189<br />5.7.3  代码5.3  194<br />5.7.4  代码5.4  209<br />5.7.5  代码5.5  214<br />5.7.6  代码5.6  220<br />5.7.7  代码5.7  225<br />5.7.8  代码5.8  230<br />5.7.9  代码5.9  235<br />5.8  练习  241<br />参考文献  241<br />第6章  实际场景中的仿真器  243<br />6.1  使用新工艺技术时的模型验证策略  243<br />6.1.1  直流响应曲线  244<br />6.1.2  阈值电压提取  246<br />6.1.3  过渡频率表征  247<br />6.1.4  栅-源和栅-漏电容特性  248<br />6.1.5  总结  249<br />6.1.6  错误模型行为示例  249<br />6.1.7  角仿真策略  249<br />6.1.8  蒙特卡罗仿真  250<br />6.2  小模块电路仿真  250<br />6.2.1  模拟电路仿真策略  251<br />6.2.2  小型数字电路仿真策略  252<br />6.3  大模块电路仿真  253<br />6.4  本章小结  254<br />6.5  练习  254<br />参考文献  254<br />第7章  仿真器背后的数学  255<br />7.1  网络理论  255<br />7.1.1  稀疏表分析  257<br />7.1.2  节点分析  257<br />7.1.3  修正节点分析  258<br />7.2  微分方程的数值求解技术  259<br />7.3  牛顿-拉夫森定理  269<br />7.3.1  任意维度上的基本推导  269<br />7.3.2  常见难点及其解决办法  270<br />7.4  打靶法理论  270<br />7.5  谐波平衡法理论  272<br />7.6  矩阵求解器：简介  273<br />7.6.1  高斯-若当消元法  273<br />7.6.2  LU分解  274<br />7.6.3  迭代矩阵求解器  275<br />参考文献  276<br />附录A  示例的完整Python代码  277