JPH07129637A - 回路シミュレーション方法 - Google Patents
回路シミュレーション方法Info
- Publication number
- JPH07129637A JPH07129637A JP5279253A JP27925393A JPH07129637A JP H07129637 A JPH07129637 A JP H07129637A JP 5279253 A JP5279253 A JP 5279253A JP 27925393 A JP27925393 A JP 27925393A JP H07129637 A JPH07129637 A JP H07129637A
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- JP
- Japan
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- circuit
- matrix
- diagonal
- analysis
- eigenvalue
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Abstract
(57)【要約】
【構成】修正節点解析法を用いる回路シミュレータにお
いて、回路行列の対角優位性を表示する処理を設定し、
固有値分布を表示する処理を設定する。 【効果】行列計算の行番号のつけ方による丸め誤差の影
響が明確になり、解析の発散を防止することが可能とな
る。また、削除可能な相互コンダクタの上限値を求める
ことが可能となる。
いて、回路行列の対角優位性を表示する処理を設定し、
固有値分布を表示する処理を設定する。 【効果】行列計算の行番号のつけ方による丸め誤差の影
響が明確になり、解析の発散を防止することが可能とな
る。また、削除可能な相互コンダクタの上限値を求める
ことが可能となる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電子回路のシミュレーシ
ョン方法に係り、特に、修正節点解析法における回路の
収束性を判断するための表示方法に関する。
ョン方法に係り、特に、修正節点解析法における回路の
収束性を判断するための表示方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から電子回路、とりわけLSIの設
計では、設計した回路の電気的特性を詳細に解析するた
め、SPICE2(Univ. of California, Berkeley,Me
mo No.ERL−M520, May 1975)に代表されるような回路シ
ミュレータが活用されている。回路シミュレータは、ト
ランジスタ,ダイオード,抵抗,容量,インダクタ等の
回路素子を基本要素とする回路を対象として、キルヒホ
ッフの法則とオームの法則から定式化されている回路解
析手法とニュートン法や数値積分法等の数値解析手法を
用いて、LSIの電圧電流レベルの電気的特性を電子計
算機上でシミュレーシするためのソフトウェアプログラ
ムである。回路シミュレータで一般に用いられている回
路解析手法は修正節点解析法といい、節点電圧に加え
て、電圧源とインダクタを流れる電流も未知数にして回
路方程式を作成する手法である。修正節点解析法につい
ては、文献(Univ. of California, Berkeley, Memo N
o. ERL−M520, May 1975)において論じられている。
計では、設計した回路の電気的特性を詳細に解析するた
め、SPICE2(Univ. of California, Berkeley,Me
mo No.ERL−M520, May 1975)に代表されるような回路シ
ミュレータが活用されている。回路シミュレータは、ト
ランジスタ,ダイオード,抵抗,容量,インダクタ等の
回路素子を基本要素とする回路を対象として、キルヒホ
ッフの法則とオームの法則から定式化されている回路解
析手法とニュートン法や数値積分法等の数値解析手法を
用いて、LSIの電圧電流レベルの電気的特性を電子計
算機上でシミュレーシするためのソフトウェアプログラ
ムである。回路シミュレータで一般に用いられている回
路解析手法は修正節点解析法といい、節点電圧に加え
て、電圧源とインダクタを流れる電流も未知数にして回
路方程式を作成する手法である。修正節点解析法につい
ては、文献(Univ. of California, Berkeley, Memo N
o. ERL−M520, May 1975)において論じられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】LSIの大規模化と高
速化により、回路シミュレータの取扱規模の拡大のみな
らず、各種の問題点が顕在化し対策を必要としている。
その一つとして、発散の問題がある。これは、非線形方
程式を解くためのニュートン法が収束しなくなる現象
で、経験的に大規模回路,非線形性の強い回路,インダ
クタ及び相互コンダクタの多い回路で発生しやすいこと
が知られている。
速化により、回路シミュレータの取扱規模の拡大のみな
らず、各種の問題点が顕在化し対策を必要としている。
その一つとして、発散の問題がある。これは、非線形方
程式を解くためのニュートン法が収束しなくなる現象
で、経験的に大規模回路,非線形性の強い回路,インダ
クタ及び相互コンダクタの多い回路で発生しやすいこと
が知られている。
【0004】回路解析の収束性を決定する要因は以下の
四項目があると考えられる。
四項目があると考えられる。
【0005】(1)行列計算における丸め誤差(計算機
の数の表現が有限桁であるために生じる誤差)による発
散 (2)非線形特性を線形化(ニュートン法)したことに
よる発散 (3)微分方程式を離散化(数値積分化)した誤差によ
る発散 (4)正帰還のために発振したことによる発散 本発明は上記の(1)と(4)を対象にしている。
の数の表現が有限桁であるために生じる誤差)による発
散 (2)非線形特性を線形化(ニュートン法)したことに
よる発散 (3)微分方程式を離散化(数値積分化)した誤差によ
る発散 (4)正帰還のために発振したことによる発散 本発明は上記の(1)と(4)を対象にしている。
【0006】最初に、(1)の行列計算における丸め誤
差による発散について課題を説明する。回路シミュレー
タでは、与えられた回路を修正節点解析法を用いて定式
化した回路方程式を行列で表現し、LU分解,前進代
入,後退代入の三つの処理からなる行列計算により、未
知数(節点電圧,電圧源の電流,インダクタの電流)を
求める方法が広く採用されている。回路がインダクタを
含む場合、直流解析において対角要素が0になる行が生
じる。LU分解処理には対角要素で非対角要素を割ると
いう処理があるため、このままでは0で割ることになり
計算できなくなる。
差による発散について課題を説明する。回路シミュレー
タでは、与えられた回路を修正節点解析法を用いて定式
化した回路方程式を行列で表現し、LU分解,前進代
入,後退代入の三つの処理からなる行列計算により、未
知数(節点電圧,電圧源の電流,インダクタの電流)を
求める方法が広く採用されている。回路がインダクタを
含む場合、直流解析において対角要素が0になる行が生
じる。LU分解処理には対角要素で非対角要素を割ると
いう処理があるため、このままでは0で割ることになり
計算できなくなる。
【0007】通常の行列計算は各行において最大の絶対
値を持つ要素を対角要素に移動しながら計算する(これ
をピボッティングとよぶ)ので問題はない。しかし、回
路シミュレータでは非常に多くの回数について行列計算
を実施するため、ピボッティングをしないのが普通であ
る。そこで、対角要素に0要素がこないようにあらかじ
め行を交換しておくこと(以後、行交換処理とよぶ)が
行われる。しかし、この行交換処理によって、過渡解析
で回路行列の対角要素が非対角要素より小さくなるとい
うことがあった。このため、インダクタの多い回路にな
ると、行列計算で丸め誤差の影響が生じやすくなり過渡
解析に入ってすぐに発散して、処理が止まる問題があっ
た。
値を持つ要素を対角要素に移動しながら計算する(これ
をピボッティングとよぶ)ので問題はない。しかし、回
路シミュレータでは非常に多くの回数について行列計算
を実施するため、ピボッティングをしないのが普通であ
る。そこで、対角要素に0要素がこないようにあらかじ
め行を交換しておくこと(以後、行交換処理とよぶ)が
行われる。しかし、この行交換処理によって、過渡解析
で回路行列の対角要素が非対角要素より小さくなるとい
うことがあった。このため、インダクタの多い回路にな
ると、行列計算で丸め誤差の影響が生じやすくなり過渡
解析に入ってすぐに発散して、処理が止まる問題があっ
た。
【0008】次に、(4)の正帰還のために発振したこと
による発散についての課題を説明する。回路シミュレー
ションの効率化のため、比較的結合の弱い相互コンダク
タを削除して回路シミュレーションを実行すると収束し
ないことがある。これは、相互コンダクタの削除によっ
て、回路行列が不安定になり本来存在しない正帰還が発
生し、発散が生じたと考えられる。このような発散が生
じないように、削除する相互コンダクタの境界値を事前
に把握することができないという問題があった。
による発散についての課題を説明する。回路シミュレー
ションの効率化のため、比較的結合の弱い相互コンダク
タを削除して回路シミュレーションを実行すると収束し
ないことがある。これは、相互コンダクタの削除によっ
て、回路行列が不安定になり本来存在しない正帰還が発
生し、発散が生じたと考えられる。このような発散が生
じないように、削除する相互コンダクタの境界値を事前
に把握することができないという問題があった。
【0009】本発明の目的は多量のインダクタ及び相互
コンダクタを持つ回路での発散現象を防止するための情
報を提供できる回路シミュレーション方法を提供するこ
とにある。
コンダクタを持つ回路での発散現象を防止するための情
報を提供できる回路シミュレーション方法を提供するこ
とにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、以下の二つの方法を発明した。(1)修正節点解析
法を用いた回路シミュレーションにおいて、回路行列の
対角要素と非対角要素の最大値の比を場合分けして回路
行列の対角優位性を表示する機能を設けたことを特徴と
する回路シミュレーション方法。(2)修正節点解析法
を用いた回路シミュレーションにおいて、回路行列の固
有値を表示する機能を設けたことを特徴とする回路シミ
ュレーション方法。
め、以下の二つの方法を発明した。(1)修正節点解析
法を用いた回路シミュレーションにおいて、回路行列の
対角要素と非対角要素の最大値の比を場合分けして回路
行列の対角優位性を表示する機能を設けたことを特徴と
する回路シミュレーション方法。(2)修正節点解析法
を用いた回路シミュレーションにおいて、回路行列の固
有値を表示する機能を設けたことを特徴とする回路シミ
ュレーション方法。
【0011】
【作用】 (1)回路の対角優位性が増すと行列計算の丸め誤差の
影響が小さくなる。そこで、回路行列の対角要素と非対
角要素の最大値の比を値で場合分けして回路行列の対角
優位性を表示する機能を設けることにより、丸め誤差に
よる発散を判断し易くなる。
影響が小さくなる。そこで、回路行列の対角要素と非対
角要素の最大値の比を値で場合分けして回路行列の対角
優位性を表示する機能を設けることにより、丸め誤差に
よる発散を判断し易くなる。
【0012】(2)固有値の実数部をx座標に、虚数部
をy座標に表示したとき、回路行列が左半面に固有値を
持つことは正帰還を持つことと同一である。回路行列の
固有値を表示することにより、相互コンダクタを削除し
たことによりどの程度正帰還が強くなったか判断するこ
とが可能となる。
をy座標に表示したとき、回路行列が左半面に固有値を
持つことは正帰還を持つことと同一である。回路行列の
固有値を表示することにより、相互コンダクタを削除し
たことによりどの程度正帰還が強くなったか判断するこ
とが可能となる。
【0013】
【実施例】図1は回路シミュレータの構成である。回路
シミュレータは素子定数データと結線データからなる回
路データ12を入力し,電圧波形等の回路特性18を出
力する。回路シミュレータはこれらデータの入力部1
3、出力部17と回路行列構造作成部14と素子特性計
算部15及び回路行列計算部16からなっている。
シミュレータは素子定数データと結線データからなる回
路データ12を入力し,電圧波形等の回路特性18を出
力する。回路シミュレータはこれらデータの入力部1
3、出力部17と回路行列構造作成部14と素子特性計
算部15及び回路行列計算部16からなっている。
【0014】図2に回路シミュレータの概略フローを示
す。以下処理フローを列挙する。(1)回路データの入
力処理を行う。(2)回路行列構造を作成する。(3)
解析時間t=0での直流解析をする。非線形素子は図3
に示すニュートン法を用いて解く。素子特性の計算と回
路行列の計算をニュートン法ループが収束するまで行
う。(4)解析時間を進めながら過渡解析をする。容量
やインダクタ等の微分を含む素子は図4に示す数値積分
法を用いて解く。ニュートン法ループに加え、解析時間
ループが終了するまで行う。(5)電圧波形等の回路特
性を出力する。
す。以下処理フローを列挙する。(1)回路データの入
力処理を行う。(2)回路行列構造を作成する。(3)
解析時間t=0での直流解析をする。非線形素子は図3
に示すニュートン法を用いて解く。素子特性の計算と回
路行列の計算をニュートン法ループが収束するまで行
う。(4)解析時間を進めながら過渡解析をする。容量
やインダクタ等の微分を含む素子は図4に示す数値積分
法を用いて解く。ニュートン法ループに加え、解析時間
ループが終了するまで行う。(5)電圧波形等の回路特
性を出力する。
【0015】図5は、本発明のインダクタと相互コンダ
クタの回路行列の対角優位性を表示する方法の一実施例
を説明する構成図である。回路行列構造作成(ステップ
22)と直流解析(ステップ23)は従来と同じ処理で
ある。過渡解析の素子特性計算の後に回路行列の対角優
位性を表示する(ステップ54)。
クタの回路行列の対角優位性を表示する方法の一実施例
を説明する構成図である。回路行列構造作成(ステップ
22)と直流解析(ステップ23)は従来と同じ処理で
ある。過渡解析の素子特性計算の後に回路行列の対角優
位性を表示する(ステップ54)。
【0016】図6を用いて対角優位性の表示機能の概略
フローを説明する。
フローを説明する。
【0017】まず、回路行列の対角要素と非対角要素の
最大値の比を場合分けする定数RC(10)を1,2,
5,10,20,50,100,200,500,10
00でイニシャライズし、行数カウンタIRCN(11)
を0でイニシャライズし、行番号i=2から始める(ス
テップ61)。
最大値の比を場合分けする定数RC(10)を1,2,
5,10,20,50,100,200,500,10
00でイニシャライズし、行数カウンタIRCN(11)
を0でイニシャライズし、行番号i=2から始める(ス
テップ61)。
【0018】j列番号の非対角要素の最大値を求め、非
対角要素の最大値と対角要素の比RATIOを求める
(ステップ62)。
対角要素の最大値と対角要素の比RATIOを求める
(ステップ62)。
【0019】比RATIOを定数RCで11分類して行
数カウンタIRCNにカウントする(ステップ63)。
数カウンタIRCNにカウントする(ステップ63)。
【0020】比RATIO>1000のとき行番号i,
最大列番号j,対角要素、非対角要素の最大値と行数カ
ウンタIRCNを表示する(ステップ65)。
最大列番号j,対角要素、非対角要素の最大値と行数カ
ウンタIRCNを表示する(ステップ65)。
【0021】行番号iをカウントアップして行番号の終
りにならない限り次の行番号にいく。(ステップ67) 図7は、インダクタ及び相互コンダクタの簡単な回路例
である。図8は図7に対応する回路行列である。図8
(a)は対角要素に+1または−1がくるように行番号
を設定する場合で、インダクタの等価抵抗成分−RL1
と−RL2(RL1=L1/h=−1*10000000,RL
2=L2/h=−2*10000000,h:時間刻み)が非対
角に現われ,対角要素の1に比べて絶対値がかなり大き
いことがわかる。図8(b)はインダクタの等価抵抗成
分−RL1と−RL2が対角要素にくるように行番号を
設定した場合で、対角優位性が増加して発散防止に寄与
する。
りにならない限り次の行番号にいく。(ステップ67) 図7は、インダクタ及び相互コンダクタの簡単な回路例
である。図8は図7に対応する回路行列である。図8
(a)は対角要素に+1または−1がくるように行番号
を設定する場合で、インダクタの等価抵抗成分−RL1
と−RL2(RL1=L1/h=−1*10000000,RL
2=L2/h=−2*10000000,h:時間刻み)が非対
角に現われ,対角要素の1に比べて絶対値がかなり大き
いことがわかる。図8(b)はインダクタの等価抵抗成
分−RL1と−RL2が対角要素にくるように行番号を
設定した場合で、対角優位性が増加して発散防止に寄与
する。
【0022】図9は、図8の回路行列の非対角要素の最
大値の分布の表示例を示したものである。図9(a)は
対角要素に+1または−1がくるように行番号を設定す
る場合で、非対角要素の値が大きい。図9(b)はイン
ダクタの等価抵抗成分−RL1と−RL2が対角要素に
くるように行番号を設定した場合で、対角要素の値が大
きくなることが明瞭にわかる。
大値の分布の表示例を示したものである。図9(a)は
対角要素に+1または−1がくるように行番号を設定す
る場合で、非対角要素の値が大きい。図9(b)はイン
ダクタの等価抵抗成分−RL1と−RL2が対角要素に
くるように行番号を設定した場合で、対角要素の値が大
きくなることが明瞭にわかる。
【0023】図10は、インダクタ数232,相互コン
ダクタ数13022,ノード数971の回路の非対角要素
の最大値の分布の表示例を示す。図10(a)の対角要
素に+1または−1がくるように行番号を設定する場合
に比較して、図10(b)のインダクタの等価抵抗成分
−RL1と−RL2が対角要素にくるように行番号を設
定した場合の方が,比RATIO<1未満での行数カウ
ンタIRCNが多く、比RATIO>1000以上での
行数カウンタIRCNが少なく、非対角要素の値が小さ
く、対角優位になっていることが一目明瞭にわかる。
ダクタ数13022,ノード数971の回路の非対角要素
の最大値の分布の表示例を示す。図10(a)の対角要
素に+1または−1がくるように行番号を設定する場合
に比較して、図10(b)のインダクタの等価抵抗成分
−RL1と−RL2が対角要素にくるように行番号を設
定した場合の方が,比RATIO<1未満での行数カウ
ンタIRCNが多く、比RATIO>1000以上での
行数カウンタIRCNが少なく、非対角要素の値が小さ
く、対角優位になっていることが一目明瞭にわかる。
【0024】図11は、本発明の請求項2の回路行列の
固有値分布を表示する方法の一実施例を説明する概略フ
ローである。従来の概略フロー(図2)と比較して説明
する。
固有値分布を表示する方法の一実施例を説明する概略フ
ローである。従来の概略フロー(図2)と比較して説明
する。
【0025】入力処理(ステップ21)の後に、固有値
を計算する解析時間Tcal を読み込む(ステップ11
1)。
を計算する解析時間Tcal を読み込む(ステップ11
1)。
【0026】回路行列構造作成(ステップ22)と直流
解析(ステップ23)は従来と同じ処理である。
解析(ステップ23)は従来と同じ処理である。
【0027】解析時間が固有値を計算する時間Tcal に
達したらマトリックスを磁気デスクに書き込む(ステッ
プ112)。
達したらマトリックスを磁気デスクに書き込む(ステッ
プ112)。
【0028】過渡解析が終了したら、マトリックスを磁
気デスクから読み込み、固有値計算をして、固有値の実
数部をx座標に虚数部をy座標に表示する(ステップ1
13)。
気デスクから読み込み、固有値計算をして、固有値の実
数部をx座標に虚数部をy座標に表示する(ステップ1
13)。
【0029】図12は、本発明の回路行列の固有値分布
の表示例を示した図である。(a)は、結合係数k<=
0.1 の相互コンダクタを削除した場合で、左半面に固
有値があり正帰還がある。(b)は、結合係数k<=
0.01 の相互コンダクタを削除した場合で、左半面に
固有値がなく正帰還がない。(c)は、結合係数k<=
1.0 の相互コンダクタを削除した場合(すなわち、全
ての相互コンダクタを削除した場合)で、やはり左半面
に固有値がなく正帰還がない。
の表示例を示した図である。(a)は、結合係数k<=
0.1 の相互コンダクタを削除した場合で、左半面に固
有値があり正帰還がある。(b)は、結合係数k<=
0.01 の相互コンダクタを削除した場合で、左半面に
固有値がなく正帰還がない。(c)は、結合係数k<=
1.0 の相互コンダクタを削除した場合(すなわち、全
ての相互コンダクタを削除した場合)で、やはり左半面
に固有値がなく正帰還がない。
【0030】
【発明の効果】本発明の回路シミュレーション方法の回
路行列の対角優位性表示機能を用いることにより、行列
計算の行番号のつけ方による丸め誤差の影響が明確にな
り、解析の発散を防止することが可能となる。また、本
発明の固有値分布の表示機能を用いることにより削除可
能な相互コンダクタの上限値を求めることが可能とな
る。
路行列の対角優位性表示機能を用いることにより、行列
計算の行番号のつけ方による丸め誤差の影響が明確にな
り、解析の発散を防止することが可能となる。また、本
発明の固有値分布の表示機能を用いることにより削除可
能な相互コンダクタの上限値を求めることが可能とな
る。
【図1】本発明のシミュレーション方式における処理要
素の構成を示す説明図。
素の構成を示す説明図。
【図2】図1中の回路シミュレータの概略フローを示す
説明図。
説明図。
【図3】図2中の素子特性計算の概略を示す説明図。
【図4】図2中の数値積分の概略を説明する説明図。
【図5】本発明のインダクタと相互コンダクタの回路行
列の対角優位性を表示する方法の一実施例の説明図。
列の対角優位性を表示する方法の一実施例の説明図。
【図6】図5の概略フローチャート。
【図7】図6の説明を補助するのに使用する回路図。
【図8】図7の回路に対応する行列の説明を補助する説
明図。
明図。
【図9】図8の回路行列に対応する行列の非対角要素の
値の分布を示す説明図。
値の分布を示す説明図。
【図10】実際の大規模な回路の例に対応する行列の非
対角要素の値の分布を示す説明図。
対角要素の値の分布を示す説明図。
【図11】本発明のインダクタと相互コンダクタの回路
行列の固有値分布を表示する方法のフローチャート。
行列の固有値分布を表示する方法のフローチャート。
【図12】図11の処理で固有値分布を表示した説明
図。
図。
21…入力処理、23…直流解析、112…過渡解析、
114…固有値特性。
114…固有値特性。
Claims (2)
- 【請求項1】修正節点解析法を用いた回路シミュレーシ
ョン方法において、回路行列の対角優位性を表示する機
能を設けたことを特徴とする回路シミュレーション方
法。 - 【請求項2】修正節点解析法を用いた回路シミュレーシ
ョン方法において、回路行列の固有値を表示する機能を
設けたことを特徴とする回路シミュレーション方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5279253A JPH07129637A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 回路シミュレーション方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5279253A JPH07129637A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 回路シミュレーション方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07129637A true JPH07129637A (ja) | 1995-05-19 |
Family
ID=17608583
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5279253A Pending JPH07129637A (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | 回路シミュレーション方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07129637A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6052523A (en) * | 1997-03-25 | 2000-04-18 | Mitsubshiki Denki Kabushiki Kaisha | Method of transient analysis considering time steps and a device for implementing the method |
| US6063130A (en) * | 1996-06-27 | 2000-05-16 | Nec Corporation | Circuit simulation method |
| US7089159B2 (en) | 2000-04-04 | 2006-08-08 | Nec Electronics Corporation | Method and apparatus for matrix reordering and electronic circuit simulation |
| JP2008090630A (ja) * | 2006-10-02 | 2008-04-17 | Univ Waseda | 回路動作解析装置及び回路動作解析方法並びにプログラム |
| CN102841960A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-12-26 | 北京华大九天软件有限公司 | 一种用于电路快速仿真的二极管内部结点消去方法 |
-
1993
- 1993-11-09 JP JP5279253A patent/JPH07129637A/ja active Pending
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