Thesis (Ph. D.)--University of Idaho, November 2006. / Major professor: David Egolf. Abstract. Includes bibliographical references (leaves 100-102). Also available online in PDF format.

Orientador: Hugo Enrique Hernandez Figueroa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-14T12:30:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paixao_OswaldoPedreira_D.pdf: 3002384 bytes, checksum: f5a0e8e8022dabd36cfce9ffdb839f9b (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho, tem como objetivo o desenvolvimento de novas técnicas, para análise de regime permanente não-autonoma de circuitos de alta-velocidade não-lineares em grande-escala. Para tal, é proposto um novo método do balanço harmônico (BH) fundamentado em uma eficiente metodologia de decomposição multi-níveis, que subdivide um circuito não-linear em grande escala em uma estrutura hierarquica de super-redes (SuRs) esparsamente interconectadas. Mais precisamente, em cada nível de hierarquia, o circuito é composto por SuRs intermediárias, SuRs de fundo, e redes de conexão (RCs). As SuRs de fundo são decompostas em um aglomerado de subredes não-lineares (SRNs) correspondendo a dispositivos semicondutores, que por sua vez, estão envolvidos por uma sub-rede linear (SRL). A equação de estado e de sonda das SuRs de fundo foram obtidas utilizando uma nova metodologia que combina a formulação de espaço de estado (FEE) para as SRNs com a formulação nodal modificada (FNM) para a SRL. Esta metodologia FEE/FNM produz um sistema quadrado de equações com menor tamanho possível. Para realização das conversões do sinal entre os domínios do tempo e da frequência, foram discutidas e implementadas diferentes transformadas de Fourier discreta (TFDs), para operação em regime multi-tons, incluindo sinais com modulação digital. A equação determinante do BH multi-níveis do circuito assume uma estrutura hierarquica do tipo bloco diagonal com borda , que pode ser eficientemente resolvida utilizando técnicas de processamento paralelo. A matriz jacobiana de cada SuR de fundo é processada utilizando eficientes técnicas de matrizes esparsas, junto com o conceito de espectro de derivada. Para a solução da equação determinante, foram utilizados os métodos de Newton e do tensor para problemas de pequena- e média-escala, e os métodos de Newton inexato e do tensor inexato para problemas em grande-escala. A globalização via pesquisa-em-linha com retrocedimento, foi adotada para nestes solucionadores não-lineares. Entretanto, para o método do tensor e do tensor inexato, também foi adotada a técnica de pesquisa-em-linha curvilinear. Nos métodos inexatos, técnicas de pré-condicionamento foram utilizadas, para aumentar a eficiência e a robustez do solucionador linear iterativo em subespaço de Krylov (GMRES, GMRES-Bt e TGMRES-Bt). Finalmente, a formulação proposta foi validada e a eficiência do método do tensor e do tensor inexato comparada com o método de Newton e de Newton inexato, para diferentes topologias de circuitos utilizando diodos, FETs e HBTs, e operando sob diferentes regimes de excitação multi-tons. / Abstract: This work deals with the development of new techniques for nonautonomous nonlinear steady-state analysis of high-speed large-scale integrated circuits. To this end, it is proposed a novel harmonic balance (HB) method fundamented on a efficient multi-level decomposition methodology, that divides a large-scale circuit into hierarchical structure of sparsely interconnected supernetworks (SuNs). More precisely, the circuit is composed by intermediary SuRs, bottom SuRs and connection networks (CNs). The bottom SuNs are decomposed into a cluster of nonlinear subnetworks (NSNs) corresponding to the opto-electronic semiconductor devices, which in turn, are embedded by a linear subnetwork (LSN). Multi-port elements can be included in the LSN, in order to use measured data or results from electromagnetic analysis of structures with complex geometries. The formulation of the bottom SuN state and probe equations uses an improved table-oriented statespace formulation (SSF), that produces a square system with the lowest possible size, which is equal to the number of nonlinear state-variables (branch voltages and currents) that act as argument of the fuctions representing the semiconductor devices nonlinearities. The SSF is compared with the classical modified nodal formulation (MNF). For dealing with signal timefrequency conversions, discrete Fourier transform (DFT) techniques for different multi-tone regimes are discussed, including complex digitally modulated signals. The multi-level HB determining equation of the circuit assumes a hierarchical block bordered structure that can be efficiently tackled by parallel processing techniques. The HB jacobian matrix is handled using efficient sparse matrix techniques with a proper definition of the derivatives spectra. For the solution of a large-size HB problem, we investigated the applications of inexact tensor method based on Krylov-subspace techniques. Preconditioning are used to improve the robustness of the iterative tensor solver. To determine the circuit DC regime, we employ the tensor method. We adopted the backtracking linesearch technique as a globalisation strategy. However, for the tensor method, in particular, a curvilinear linesearch was also implemented. Finally, the formulation was validated and, the tensor and inexact tensor method efficiency was compared with the Newton and inexact Newton method, respectively, for several different circuits using diodos, FETs and HBTs, and operating under different multi-tone regimes. / Doutorado / Engenharia de Telecomunicações / Doutor em Engenharia Elétrica