TCAD混合模式仿真中的交流分析说明

交流分析用于计算指定电气系统各电路节点之间随频率变化的导纳矩阵Y。对于给定的激励频率，它通过下式描述等效小信号模型：

其中delta V和delta I分别为选定节点上的复数值电压激励向量与电流激励向量。导纳矩阵可表示为：

式中A为实数值电导矩阵，C为实数值电容矩阵。

在交流耦合求解段中，必须指定关注的频率范围，以及纳入导纳矩阵计算的电路节点。此外，可能需要从电气系统中排除部分电路实例，以构建准确的交流分析系统：

起始频率（StartFrequency）、终止频率（EndFrequency）、点数（NumberOfPoints）、线性（Linear）、十倍频程（Decade）：用于选定执行交流分析的频率点。
交流提取（ACExtract）：为提取文件指定交流耦合专属的文件名前缀，导纳矩阵将存储在该文件中。若未指定此项，交流耦合求解段会将结果写入全局提取文件（由 File 段中的 ACExtract 参数指定，默认文件为extraction_ac_des.plt）。提取文件包含频率值、节点电压，以及矩阵A（记为a）和矩阵C（记为c）的各项元素。
交流绘图（ACPlot）：生成包含交流响应函数（求解变量与电流密度）的器件绘图。你需要指定文件名前缀，系统会为每个交流节点的电压激励、每个频率点生成对应的绘图文件。
排除（Exclude）：指定不纳入交流系统的系统实例列表。
节点（Node）：指定纳入导纳矩阵计算的交流节点列表。要完成导纳矩阵计算，必须指定非空的节点列表。

排除列表用于从交流分析中移除一组电路或物理器件。典型用法是移除电源，避免其造成交流分析短路；该列表也可用于从完整电路中隔离出单个器件。

（注意：被分析的系统由交流耦合语句主体中定义的方程构成，排除列表仅移除指定实例对应的所有方程。）

这里的交流耦合语句主体，指的是ACCoupled(...) { ... }中，大括号内部的方程列表（比如Poisson Electron Hole Circuit）。

AC 小信号分析不是自动对整个仿真的全部方程生效，而是仅以你在ACCoupled块内显式声明的方程为边界，构建 AC 分析的等效系统。

如果你在大括号里写了Poisson Electron Hole，AC 分析就只在半导体物理方程（泊松方程、载流子输运方程）上做小信号线性化；

如果你额外加了Circuit，才会把外部电路的基尔霍夫方程也纳入 AC 系统一起计算；没写进大括号的方程，完全不参与 AC 小信号的导纳矩阵推导。

这里的实例（instance），指的是System段中定义的一个个独立元件 / 器件（比如电压源drive、电阻to_ground、器件Res都叫实例）。每个实例都对应自己的一组数学方程（比如电压源对应 “两端电压固定” 的约束方程，电阻对应欧姆定律方程，器件对应半导体物理方程）。

Exclude命令的作用机制是：在 AC 分析的系统中，把你指定的实例对应的全部数学方程直接删除，让这个实例相当于 “不存在于 AC 电路里”；但节点本身、其他实例的方程都保留不变。

最典型的应用：排除 DC 电压源，这也是为什么 “通常要把电源排除掉，避免 AC 分析被短路”：

电压源实例自带 “两端电压恒定” 的约束方程，如果不排除它，你在节点上加的 AC 小信号电压扰动，会被电压源的方程强制拉回固定值，相当于 AC 信号被短路，导纳计算完全失效。

用Exclude(电源实例名)后，电压源的约束方程会从 AC 系统里被移除，DC 偏置依然保留，但 AC 小信号可以正常施加在节点上，才能算出正确的器件导纳 / 电容。

交流计算（ACCompute）选项用于控制准稳态或瞬态扫描过程中的交流 / 噪声分析执行时机。ACCompute 的参数与 Plot、Save 命令的参数一致。示例如下：

在该示例中，交流分析仅在以下时间点执行：

(t = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)

(t = 0.9, 0.925, 0.95, 0.975, 1.0)

同时也会在区间[0.1, 0.2]和[0.7, 0.8]内的所有时间点执行。此外，当节点in的电压达到 1.5V 阈值时，也会触发一次交流分析。

若交流 / 噪声分析被 ACCompute 选项禁用，则交流耦合语句的行为与普通的耦合求解段完全一致。

包含交流耦合段的准稳态或瞬态扫描，也可同时包含电流绘图（CurrentPlot）配置，用于选择输出电流结果的仿真步长。电流绘图与交流计算语句相互独立，互不影响。

示例：

本示例演示了简单器件的交流分析过程：一个一维电阻通过接地电阻to_ground接地，同时通过电压源drive施加 - 3V 反向偏置。首先计算 - 3V 偏置下的初始工作点，随后将左端电压以 0.1V 为步长扫描至 1V。在(f = 10^3Hz、10^4Hz、10^5Hz、10^6Hz)四个频率点下，计算left与right节点之间的交流参数。电路元件drive和to_ground将被排除在交流计算之外。

通过引入电路元件，可完成完整的波特图仿真：

单器件模式下的交流分析

如前文所述，交流分析通常要求混合模式仿真，即必须定义 System（系统）段。对于单器件仿真，若在全局 Math 段中启用隐式交流系统（ImplicitACSystem），软件会自动为你构建简易的交流系统。

该隐式交流系统在内部自动构建，对用户基本不可见，具备以下特性：

针对被测器件（DUT）的每个压控电极，软件会构建一个电路节点并连接至器件接触端（物理接触+AC节点）；其他类型的接触端不会创建对应节点。
每个隐式节点都连接一个系统实例（例如电压源、电阻），用于描述稳态（及瞬态）电压边界条件；器件接触端的配置参数会自动传递给对应的系统实例（例如电压初始值、DistResist等）。

启用隐式交流系统后，交流耦合段的默认行为会略有不同：

节点（Node）：若未指定交流节点，所有隐式系统节点都会自动作为交流节点使用；直接填写器件接触端名称，会被自动识别为对应的节点名称。
排除（Exclude）：若未指定排除实例，所有连接至交流节点的隐式系统实例都会被自动排除；直接填写器件接触端名称，会被识别为对应的系统实例名称。（实例：一端接在刚才生成的电路节点上，另一端接地。等价于你手动在System里写了如下代码，只不过软件自动生成、输入文件里不可见，例如：

）

补充说明：

准稳态中的 Goal 语句：针对器件电极电压的 Goal 语句，会被自动映射为对应电极节点所连接的隐式系统实例的 Goal 语句。
隐式交流系统在 Solve 段执行前完成构建，因此不支持在求解语句中修改接触端的工作模式。