Глава 1.Основные виды анализа и методика их применения

Тема 5. Использование метода гармонического баланса для проведения спектрального анализа в режиме большого сигнала и расчета S-параметров

Содержание

  1. Назначение опций установки параметров моделирования методом гармонического баланса
  2. Использование P2D-симулятора, формирующего файлы с S-параметрами анализируемых устройств
  3. Проведение нелинейного шумового анализа
  4. Основные рекомендации по использованию метода ГБ

Метод гармонического баланса (ГБ) является основным методом спектрального анализа для оценки искажений в нелинейных устройствах и системах. Обычно он используется для анализа аналоговых ВЧ и СВЧ трактов, так как они, как правило, наиболее естественно моделируются в частотной области. Типовые классы устройств, для анализа которых наиболее удобен метод ГБ, включает в себя усилители мощности, умножители частоты, смесители и модуляторы. Этот метод имеет следующие преимущества по сравнению с методом анализа во временной области:

Меню Component Palette List поддерживает следующие опции метода ГБ:

  1. Simulation – HB – базовый метод ГБ. Эта компонента используется для решения следующих задач: определение спектров напряжений, токов, и как производных от них точки PI, суммарных искажений, интермодуляционных компонент, анализ нагрузочных характеристик усилителей, нелинейный шумовой анализ.
  2. Simulation – LSSP – расчет S-параметров в режиме большого сигнала методом ГБ для таких устройств, как мощные усилители, смесители. Чтобы записать результаты расчета в файл, нужно использовать Amplified – P2D – компоненту в меню Amplified & Mixers palette.
  3. Simulation – XDB – автоматическое определение точки сжатия передаточной характеристики усилителя или смесителя (обычно, относительно уровня 1дБ) путем изменения мощности входного сигнала. Вышеперечисленные контроллеры методов анализа имеют опции:
  4. Krylov – позволяет более эффективно проводить анализ схем при большом количестве нелинейных элементов и учитываемых спектральных компонент (модификация метода ГБ).
  5. Small-signal mode (недоступна в LSSP-симуляторе) – позволяет анализировать параметрические устройства, находящиеся под воздействием сильного управляющего и слабого входного гармонических сигналов (смесители). Параметры анализа устанавливаются опцией Small-Sig.
  6. Nonlinear noise – анализ нелинейных шумовых характеристик проводятся опцией Noise.
  7. Oscillator – анализ автогенераторов, включая определение фазовых шумов, поддерживается установкой значений поля Osсport пункта Osc.

В данном разделе описаны следующие примеры моделирования:

Содержание


1. Назначение опций установки параметров моделирования методом гармонического баланса ( Simulation-HB)

Freq – установка базисных частот анализа:

  1. Maximum order – максимальное значение порядка интермодуляционных компонент.
  2. Frequency – базисные частоты анализа (частоты входных сигналов).
  3. Order – максимальный номер гармоники каждой из базисных частот, учитываемых при анализе.
  4. Select – редактирование значений базисных частот и их порядков.
  5. Sweep – установка параметров, изменяемых в ходе анализа ( мощность, частота) и ссылок на Sweep – планы.
  6. Params – установка статуса выводимой информации и параметров точности и сходимости.
  7. Budget – вывод токов и напряжений на входе и выходе активного прибора в процессе моделирования.
  8. Levels – см. выше.
  9. FFT
    • Oversample – установка параметра, определяющего количество временных отсчетов в преобразовании Фурье. Увеличение этого параметра повышает точность расчета, особенно, когда используется прямой метод ГБ, а не метод Крылова.
    • More – для установки нового количества отсчетов.
  10. Convergence
    • Max iterations – максимальное количество итераций, достигнув которого решение методом ГБ заканчивается.
    • Restart – не использовать результаты предыдущего решения в качестве начальных условий нового анализа.
  11. Output solution
  12. Small-Sig – для эффективного анализа параметрических устройств.
    • Use all small-signal frequencies – расчет проводится для всех частот малых сигналов в обоих полосах (верхней и нижней). При умолчании метод ГБ требует больше памяти и времени анализа, но и обеспечивает более высокую точность расчета.
    • Merge small – and large-signal frequencies – при выборе этой опции базисные частоты сохраняются в данных. По умолчанию будут выводиться только малосигнальные частоты верхней и нижней полос в смесителе или генераторе.
  13. Noise (1) – установки для шумового анализа. Для редактирования параметров этой опции нужно выбрать пункт Nonlinear Noise, открыв диалоговое окно:
    • Noise frequency – выбор частот, для которых проводится анализ шумов.
    • Sweep Type – см. выше.
    • Input Frequency – этот параметр устанавливает, какая входная частота, смешиваясь с шумовой частотой, представляет интерес (например, в смесителях). Для смесителей это, обычно, частота гетеродина. Причем шумовой анализ проводится в единичной полосе.
    • Noise input port – номер входного порта, куда подключается источник шума. Обычно – это ВЧ - вход смесителя и Num = 1.
    • Noise output port – номер выходного порта (Term - компоненты), где определяется шум. Обычно, в смесителях – это выход по промежуточной частоте и Num = 2.
    • Include FM noise (osc. only) – используется для определения фазовых шумов в генераторах.
  14. Noise (2) – для установки параметров шумового анализа выбрать опцию Nonlinear Noise и установить следующие параметры:
    • Nodes for noise parameter calculation – выбор имен узлов, в которых определяются шумы. Уменьшая их число возрастает скорость расчета.
    • Edit Select – выбор и редактирование имен узлов.
    • Noise contributors – выбор элементов, вклады которых при шумовом анализе надо учесть.
    • Dynamic range to display – установка границы ниже суммарного шума. Все вклады ниже этой границы будут выводиться.
    • Include port noise – включение источника шума от входного порта.
    • Calculate noisy two-port parameters – устанавливаются номера портов четырехполюсника, для которых проводится шумовой анализ (использовать только при моделировании S-параметров). Можно определить следующие параметры:
      • NFmin – минимальное значение шума, когда входной источник имеет оптимальное сопротивление (дБ).
      • Sopt – оптимальные значения коэффициентов отражения от портов, дающие минимум коэффициента шума.
      • Rn – Эффективное шумовое сопротивление (Ом).
    • Use all small-signal frequencies – проведение анализа для всех малосигнальных частот в обоих полосах. Может потребоваться большой объем оперативной памяти.
    • Bandwidth – установка ширины полосы определения спектральной плотности шума (обычно – 1 Гц).
  15. Osc – для реализации анализа генераторов.

  16. Krylov
    • Use Krylov Solver – подключение алгоритма подпространств Крылова к методу ГБ для эффективного решения задач большой размерности (например, моделирования ВЧ – интегральных схем, ВЧ - систем).
    • Memory reduction – установка симулятору использовать спектральное уплотнение, чтобы уменьшить объем используемой памяти, но это приведет к увеличению времени анализа (примерно, вдвое).
    • Packing threshold – эта опция становится доступной при выборе предыдущей и устанавливает границу спектрального уплотнения (по умолчанию – 1e-8). Меньшее значение (например, 1e-10) будет требовать больше памяти и должно привести к улучшению сходимости.

Для управления сходимостью GMRES –алгоритма (Linear Stage Convergence) в методе Крылова используются следующие опции:

Для создания лучших начальных условий сходимости (поле Initial relaxation stage) используются опции:

Содержание


2. Использование P2D-симулятора, формирующего файлы с S-параметрами анализируемых устройств

Данный симулятор генерирует файлы, которые затем могут быть использованы в качестве поведенческих моделей при системном анализе. Для их формирования необходимо:

  1. Выбрать контроллер анализа Component Palette List>Simulation-LSSP>P2D, разместить его на схеме и выбрать опцию Frequency.
  2. В поле P2D file to output ввести имя файла, имеющего расширение .p2d.
  3. Установить в поле Order значение порядка спектральных составляющих (например, 3).
  4. Установить значение поля Max Order равное 3, предварительно выбрав опцию Display.
  5. Установить параметры изменения мощности Start, Stop, Step-Size.
  6. Выбрать опцию Power и установить параметры Start, Stop, Step-Size.
  7. Запустить проект на решение (Simulate>Simulate). В результате будет сформирован файл с расширением .p2d.
  8. Чтобы использовать этот файл, нужно предварительно его скопировать в этот раздел и выбрать опцию Component Palette List > System_Amps Mixers > Amplifier P2D.

Содержание


3. Проведение нелинейного шумового анализа

Примеры анализа можно найти в директории Examples/RFIC/MixerDiffmode_prj. Его проведение осуществляется на основании следующих базовых шагов:

  1. Выбрать источник мощности Component Palette List>Sources-Freg Domain>P_1 Tone и поместить его на входе устройства, отредактировав параметры.
  2. Выбрать источник шума опцией Sources_Noises и, разместив в нужном месте, отредактировать параметры.
  3. Выбрать порт командой Component Palette List>Simulation-S Param>Term и разместить на выходе схемы, скорректировав, если необходимо сопротивление.
  4. Из меню Component Palette List выбрать любой из контроллеров анализа: Simulation-HB, Simulation-LSSP или Simulation-XDB.
  5. Выбрать характер изменения частоты:
    • Для фиксированной частотной точки ввести значение частоты
    • Для анализа в диапазоне частот установить её в начальное (Start), конечное (Stop) значения и шаг изменения (Step-Size), закон изменения.
  6. Выбрать пункт Noise(1) и редактировать параметры следующим образом:
    • В поле Input Frequency ввести значение частоты для границы полосы частот, для которой оценивается шум
    • В поле Noise output port ввести номер выходного (Term) порта, для которого будут определяться шумовые параметры. В поле Noise input port ввести номер порта, к которому подключен источник шума.
  7. Выбрать пункт Noise(2) и установить дополнительные параметры. Например, в поле Nodes for noise parameter calculation определяют узлы, для которых проводится шумовой анализ.
  8. Запустить проект на решение (Simulate> Simulate). Выходные данные будут идентифицироваться именем “*.HB.NOISE”.

Содержание


4. Основные рекомендации по использованию метода ГБ

Выбор количества учитываемых гармоник будет зависеть от степени нелинейности схемы, требуемой точности и приемлемого времени анализа. Здесь необходимо учитывать следующие моменты:

Рекомендуется, поэтому, провести серию пробных расчетов, наблюдая за изменением требуемых параметров при увеличении количества учитываемых гармоник. При прекращении этих изменений фиксировать число гармоник.

Среди факторов, влияющих на рост трудоемкости анализа, можно выделить следующие: большое количество входных частот, большие уровни мощности входных сигналов, большое количество учитываемых гармоник, большое количество точек дискретизации временных зависимостей, малое значение ошибки контроля сходимости, большое количество нелинейных элементов.

Рекомендации по улучшению условий сходимости:

  1. Установить значение параметра Oversample (см. выше) больше, чем 1 (например 2 или 4). При многочастотном входном воздействии убедиться, что частота наиболее сильного по уровню сигнала соответствует параметру Freq[1] (например, частота гетеродина).
  2. Схемы, включающие SPICE-MOSFET модели, могут иметь проблемы, связанные с использованием параметра “Xqc” (1,2 и 3 уровни). Необходимо установить Xqc = 0.
  3. Установить режим изменения параметров элементов схемы, влияющих на степень нелинейности активных приборов от величины, характерной для слабонелинейного режима, до номинального значения. При этом необходимо использовать опцию Params>Restart.
  4. Увеличить значения параметров контроля сходимости по току и напряжению, которые рассматривались в разделе, описывающем DC-анализ.
  5. Не использовать слишком много гармоник, что приводит к росту количества неизвестных при решении нелинейных уравнений.
  6. Если решение не удается получить, следует установить значение гармонических источников равным 0 (за исключением источников постоянного напряжения) и плавно увеличивать их до требуемых значений, используя результаты расчета на каждом шаге в качестве начального приближения для выполнения следующего шага.
  7. Увеличить параметр Params>Max.Iterations, если отсутствует сходимость.
  8. Увеличить параметр Order (количество учитываемых гармоник). Если это на приведет к желаемому результату – см. предыдущие пункты.
  9. Увеличить значения параметров Convergence>Voltage relative tolerance и Convergence>Current relative tolerance, что, однако, приводит к некоторой потере точности.
  10. Установить значение константы метода Саманского Simulation-HB>SamanskiiConstant равным 0. При этом полный расчет матрицы Якоби будет проводиться на каждой итерации метода Ньютона.

Содержание

Пройти практическое занятие


Назад     Оглавление     Вперед