A software package for the steady-state simulation of autonomous circuits using the harmonic balance method

Abstract

O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento de um programa de código-aberto para simulação do regime permanente periódico de circuitos autônomos utilizando o método do Balanço Harmônico. Osciladores são circuitos autônomos de grande interesse em aplicações de radiofrequência e são um componente primordial em transceptores. A resposta de regime permanente periódico de um oscilador é de grande importância para projetistas, pois permite verificar parâmetros como frequência de oscilação, potência de saída e consumo. Simulações transiente não são eficientes para avaliar o regime permanente periódico de um oscilador, visto que grande parte da computação requerida é desperdiçada durante o período transitório inicial. A alternativa explorada neste trabalho é o uso do método do Balanço Harmônico em conjunto com a técnica do Gerador Auxiliar para resolver o conjunto de equações diretamente para a resposta em regime permanente do oscilador. Para alcançar o objetivo, um simulador de circuitos elétricos foi implementado na linguagem de programação Python, com suporte a análises DC, AC, transiente e de balanço harmônico. Diversos modelos de simulação para dispositivos estão disponíveis, como elementos RLC, fontes de tensão e corrente, Diodo, BJT e MOSFET. Múltiplos exemplos são apresentados e os resultados de simulação comparados a simuladores comerciais para validar as implementações. Vantagens em simular circuitos dentro de um ambiente Python são apresentadas, envolvendo facilidade no tratamento de dados e possibilidade de integração com outras ferramentas.

Abstract: The main goal of this work is the development of an open-source software package for steady-state simulation of autonomous circuits using the Harmonic Balance method. Oscillators are autonomous circuits of great interest in radiofrequency applications and a main component of transceivers. The periodic steady-state response of an oscillator is very important to designers, to verify parameters such as oscillating frequency, output power and power consumption. Transient simulations are not efficient to evaluate the periodic steady-state of an oscillator, as a large amount of computation is wasted during the initial startup period. The alternative explored in this work is the usage of the Harmonic Balance method with the Auxiliary Generator Technique to solve directly for the steady-state response of oscillators. To achieve that, a full circuit simulation engine was implemented in the Python programming language, with support to DC, AC, transient and harmonic balance analysis. The circuit netlists are described in code using a simple API. Several device models are available for simulation, such as RLC elements, current and voltage sources, Diode, BJT and MOSFET. Multiple examples are presented and the simulation results are compared to commercial engines to validate the implementations. Advantages of simulating circuits inside a Python environment are presented, involving easiness of data-processing and integration with other libraries.