Расширенные средства частотного моделирования для VHDL-AMS

Геннадий Сердюк <gserdyuk@gserdyuk.org>, Борис Шелковников, к.т.н. <shelk@ukrpost.net>
Институт телекоммуникационных систем НТТУ <КПИ>, Индустриальный пер. 2, 03056, Киев, Украина.



Разработка стандартов языков описания аналоговых устройств VHDL-AMS [1] и Verilog-A позволила решить многие проблемы совместимости средств моделирования - например стандартизовать библиотеки элементов и осуществлять обмен моделями [2]. Однако оба языка определены как языки для моделирования во временной области и не поддерживают моделирование в частотной области, необходимое для большинства радиочастотных и СВЧ задач.

Настоящий доклад описывает расширения VHDL-AMS, обеспечивающие возможность моделирования в частотной области. Более ранние результаты опубликованы в [3].

Уравнение аналоговой цепи:

          (1)

где v(t), u(t), y(t), i(v(t)), q(v(t)) и , v(t) и u(t) имеют период T, y(t) – отклик линейной подцепи, i(v), q(v) – нелинейные члены.

Рассматривая  слагаемые и переменные в (1) как ряды Фурье и произведя необходимые преобразования, уравнения гармонического баланса могут быть записаны так:

              (2)

где , K – количество частот,  - квадратные матрицы. Уравнение (2) Обычно решается методом Ньютона [4],[6].

При составлении уравнений цепи  используем язык описания аппаратуры, в частотности VHDL-AMS. VHDL-AMS содержит средства для описания динамического поведения, для чего используются особенные средства языка – атрибуты. Атрибуты могут определять производные неизвестной, интегралы и задержки неизвестной величины во времени.

Для расширения возможностей моделирования в частотной области так же предполагается использовать атрибуты. Использование специального атрибута ‘FD для обращения к изображению переменной в частотной области позволяет строить уравнения для  поведенческих моделей линейных элементов в частотной области, расширяя класс описываемых цепей, включая цепи с распределенными параметрами.

В отличие от линейного случая, нелинейные элементы выполняют преобразование частот, что требует использования в уравнении нескольких частотных компонентов одной и той же неизвестной. Это касается случаев поведенческого описания нелинейных компонентов непосредственно в частотной области. В таком случае предлагается применить аппарат описывающих функций  [7],[8]. При этом адресация к конкретным составляющим производиться с использованием атрибута ‘H(…).

Предложенный подход реализован в программе моделирования методом гармонического баланса [5] с использованием VHDL-AMS как входного языка.

 

 

[1] VHDL-AMS Language Reference Manual, IEEE Standard No.: 1076.1-1999

[2] M. Mierzwinsky ar al, “Changing the paradigm for compact model inegration in circuit simulators using Verilog-A”,http://www.tiburon-da.com/ NanoTech2003.pdf

[3] G. Serdyuk, D. Goodman, “VHDL approach improves nonlinear simulation”,  Microwaves & RF, November 2001, pp. 76-102.

[4] Ken Kundert, “Simulation methods for RF integrated circuits”, ICCAD-94.

[5]   Rincon user manual, Ridgetop Group, Inc., http://www.ridgetop-group.com

[6] C.T. Kelley, “Iterative methods for linear and nonlinear equations”; Frontiers in Applied Mathematics, vol 16, SIAM, 1995.

[7]   J. Verspecht, D. Schreurs, A. Barel, B. Nauwealers, “Black box modeling of hard nonlinear behavior in the frequency domain”, IEEE 1996 MTT-S Int-l Microwave Simposium Digest.

[8] J. Verspecht, “Describing functions can better model hard nonlinearities in the frequency domain than the Volterra theory”,  Doctoral Dissertation Annex, Vrije Univ. Brussel, Brussels, November 1995.