On the best methods for time domain analysis of RF circuits
Abstract
Currently employed time-domain simulation methods, which are based on trapezoidal rule (TR), or backward differentiation formulas (BDF), reveal to be both poorly accurate and inefficient when employed to simulate oscillating circuits. Only L-stable methods can solve stiff systems of ordinary differential equations (SODE) of most practical circuits and only P-stable methods can solve SODE of oscillation circuits. A trapezoidal rule is P-stable, but isn't L-stable. BDFs are L-stable, but do not have P-stability. This paper presents a one-step multi-stage backward differentiation formula (TR-BDF4) of a second-order, as a generalization of the TR-BDF composite scheme. This scheme is equivalent to singly diagonally implicit Runge-Kutta (SDIRK) methods of special type, and regarded as the one-step analogs of the multi-step methods, the backward differentiation formulas (BDFs). TR-BDF4' method is A(π/2)-stable, is not P-stable, but it has an interval of periodicity (0; 0.37). Unlike the conventional BDFs and TR-BDF the TR-BDF4 at small steps maintains the accuracy of the trapezoidal formula at the imaginary axis. It is further shown that the implicit difference schemes solvable by Gauss-Seidel iterations have some similar properties.
- Oscillating circuits
- nonlinear differential equations
- error analysis
Аннотация (на русском)
О лучших методах анализа радиотехнических цепей во временной области
Используемые в существующих электронных симуляторах методы анализа осциллирующих цепей во временной области (ФДН и трапеций) обладают неудовлетворительными свойствами. Только L-устойчивые методы позволяют решать жесткие системы обыкновенных дифференциальных уравнений электронных цепей и только Р-устойчивые методы позволяют решить эти системы осциллирующих цепей. Метод трапеций обладает Р-устойчивостью, но не обладает L -устойчивостью, метод на основе ФДН обладает L-устойчивостью, но не обладает Р-устойчивостью. В работе анализируются свойства одношагового метода второго порядка TR-BDF4, полученного аналогично методу TR-BDF2. Методы относятся к классу неявных SDIRK-методов Рунге-Кутты и являются одношаговыми аналогами многошаговых формул дифференцирования назад (ФДН). Метод TR-BDF4 A(π/2)-устойчив, P-устойчивостью не обладает, но имеет интервал периодичности (0 ; 0.37), вследствие чего, в отличие от TR-BDF2 и BDFs, сохраняет при малых шагах точность формулы трапеций на мнимой оси. Далее показано, что неявная разностная формула, решаемая итерациями Зейделя, обладает подобными TR-BDF4 свойствами.
For citation
Biryukov V.N. On the best methods for time domain analysis of RF circuits // Journal of Radio Electronics. – 2018. – No. 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.8.16
References
- J. G. Fijnvandraat, S. H. M. J. Houben, E. J. W. terMaten, J. M. F. Peters, "Time domain analog circuit simulation", Journal of Computational and Applied Mathematics, Vol. 185, Issue 2, pp. 441-459, Jan. 2006.
- R. E. Bank et al., "Transient simulation of silicon devices and circuits", IEEE Trans. CAD 4, pp. 436- 451, Apr. 1985.
- M. E. Hosea, L. F. Shampine, "Analysis and implementation of TR-BDF2", Appl. Numer. Math., Vol. 20, pp. 21-37 (1-2), 1996.
- V. N. Biryukov, "Synthesis of an implicit A-stable one-step second order schemes by the high order backward differentiation formulas", Matem. Mod., Vol. 21, no.10, pp. 107-110, Nov. 2009 (in Russian). Available at: http://www.mathnet.ru/links/f436d71e9251a2f41b2ac26f77b5c744/mm2895.pdf
- De G. Micheli, A. Sangiovanni-Vincentelli, "Characterization of integration algorithms for the timing analysis of MOS VLSI circuits", Circuit Theory and Applications, Vol. 10.- pp. 299-309. 1982.
- V. N. Biryukov, A. M. Pilipenko, "Numerical analysis of the wave propagation", Matem. Mod., Vol. 17, No. 5, pp. 123-128, May. 2005 (In Russian). Available at http://www.mathnet.ru/links/3e0e8d708fd3c420e5f1702f6d7d0b67/ mm196.pdf
- W. Ying, C. S. Henriquez, D. J. Rosem, "Composite backward differentiation formula: an extension of the TR-BDF2 scheme", Appl. Numer. Math., pp. 16-19, Febr. 2011.
- E. Hairer, G. Wanner, Solving Ordinary Differential Equations II: Stiff and Differential-Algebraic Problems, Springer-Verlag, 1991. 482 p.
- W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery, Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing. Second Edition, Cambridge university press, 1997.
- L. R. Petzold, L. O. Jay, J. Yen, "Numerical solution of highly oscillatory ordinary differential equations", Acta Numerica, pp. 437- 483, 1997.
- P. M. Gresho, D. F. Griffiths, and D. J. Silvester, "Adaptive time-stepping for incompressible flow, part I: Scalar advection-diffusion", SIAM J. Sci. Comput., Vol. 30, pp. 2018-2054. 3008.
- J. A. Lee, Jaewook Nam, and M. Pasquali, "A new stabilization of adaptive step trapezoid rule based on finite difference interrupts", SIAM J. Sci. Comput. Vol. 37, no. 2, pp. A725-A746, Feb. 2015.
- G. Söderlind, and L. Wang, "Evaluating numerical ODE/DAE methods, algorithms and software", Journal of Computational and Applied Mathematics, Vol. 185, pp. 244-260, 2006.
- A. M. Pilipenko, V. N. Biryukov, "Investigation of modern numerical analysis methods of self-oscillatory circuits efficiency", Zhurnal radioelektroniki - Journal of radio electronics, No. 8, Aug, 2013. Available at: http://jre.cplire.ru/jre/aug13/9/text-engl.html
- P. Maffezzoni, L. Codecasa, D. D'Amore, "Time-domain simulation of nonlinear circuits through implicit Runge-Kutta methods", IEEE Trans. Circuits and Syst., Vol. 54, no 2, pp. 391-400, Feb. 2007.
- S. Levantino et al, "Efficient Calculation of the Impulse Sensitivity Function in Oscillators", IEEE Trans. Circuits and Syst.-II, Vol. 59, No. 10, pp. 628-632, Oct. 2012.
- V. N. Biryukov, A. M. Polstyanoi, "Using the Seidel iteration for solving implicit schemes of ordinary differential equations for the programs of analysis of electronic circuits", Radioelectronics and communications systems, Vol. 40, No. 11, pp. 49-51, Nov. 1997.
- A. M. Pilipenko, V. N. Biryukov, "Development and testing of high accuracy hybrid methods for time-domain simulations of electronic circuits and systems", in Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium, Novi Sad, Serbia, Sep. 27 - Oct. 2, 2017, pp. 220-223.