127.03.2006 A. Plänitz

Verteidigung der Studienarbeit

Charakterisierung und Modellierung von Analogschaltungen

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Gliederung des Vortrags

1. Technischer Hintergrund» Motivation» Charakterisierung» Schaltungsmodellierung

2. Operationsverstärker» Charakterisierung» Modellierung

3. Softwareentwurf» Analyse» Entwurf» Vorstellung

4. Zusammenfassung

Charakterisierung und Modellierung von Analogschaltungen

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Motivation

Stand der Technik

» kleinere Strukturbreiten

» höhere Integrationsdichten

» steigende Komplexität Werkzeuge zur Unterstützung

» Steigerung der Produktivität

» Reduzierung anfallender Kosten

» Automatisierung, Verifikation

Ziel der Arbeit» automatisierter Vergleich von

Entwurfsvarianten durch Charakterisierung

» Generierung von Verhaltensmodellen zur Verifikation von Gesamtsystemen

1. Technischer Hintergrund – Motivation

Abbildung 1 – allgemeiner Schaltungsentwurfsprozess

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Charakterisierung

Ziel

» Bestimmung charakteristischer Kennwerte

Messschaltung

» Erregung des DUT

» Betriebsparameter

» Generierung von Kennlinien durch Simulation

Extraktionsgleichungen

» Berechnung der Modellparameter aus Simulationskennlinien

» Extraktionsparameter

1. Technischer Hintergrund – Charakterisierung

Abbildung 3 – DUT mit Testbench

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Schaltungsmodellierung

1. Technischer Hintergrund – Schaltungsmodellierung

gewünschte Modelleigenschaften

» schnell in der Simulation

» einfache Struktur

» Vernachlässigung unwichtiger Effekte

» hohe Übereinstimmung mit Original

Parametrisierbare Verhaltensmodelle

Eingangs-stufe

Ü bertragungsstufeAusgangs-stufe

Abbildung 2 – Aufbau parametrisierbarer Modelle

Ziele der Modellierung» Simulation und Verifikation in

akzeptabler Zeit

» Top-Down-Entwurfspfad kann konsequent durchgeführt werden

» Wiederverwendung und Verkauf von Schaltungskomponenten

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Bestimmung der Ausgangsimpedanz

2. Operationsverstärker – Charakterisierung

Ziel

» Bestimmung der Kenngrößen und

Extraktion

»

»

»

outout out out out

out out

I 1Y Re Y j Im Y j 2 f CU R

outCoutR

out mout

outm m

I (f )1C Im2 f U (f )

outout m

out m

1RI (f )ReU (f )

Abbildung 4 – Ersatzschaltung

Abbildung 5 – Messschaltung

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2. Operationsverstärker – Modellierung

Modellierung

Modellparameter

Modell

CMRR,

outC

of ,

PSRR,

outR ,

RS

osU ,

outMinU ,outMaxU , d0V ,

inDiffCinGndC ,» Eingangsstufe:

» Übertragungsstufe:

» Ausgangsstufe:

Abbildung 6 – Modell des OPV

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3. Softwareentwurf – Analyse

Abbildung 7 – prinzipielle Funktionsweise des Werkzeuges

Idee

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3. Softwareentwurf – Analyse

Anforderungen

Vergleich

» CADENCE: Virtuoso Characterization & Modeling Environment (VCME )

» MENTOR GRAPHICS: ADVanced Design ToolBox

Ziel

» umfangreiche und einfache Möglichkeiten zur Erweiterung von Testbenches und Modellen

» übersichtliche, flexible Programmstruktur für Funktionserweiterungen

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3. Softwareentwurf – Entwurf

Entwurfsmuster

Entwurfsmuster» Kapselung durch

Objektschnittstellen

» helfen bei Definition der Schnittstellen

MVC-Entwurfsmuster» strikte Trennung von Daten,

Dialogaufbau und Dialogverhalten

Abbildung 8 – MVC – Model-View-Controller

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3. Softwareentwurf – Entwurf

Simulatoranbindung

Abbildung 9 – Klassendiagramm Simulatoranbindung

Entwurfsmuster Schablonenmethode» Einfache Erweitung externer

Werkzeuge möglich

Entwurfsmuster Singleton» Sicherung von Zugriffsrechten auf

die externen Werkzeuge

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3. Softwareentwurf – Vorstellung

Abbildung 10 – Bildschirmfoto Charakterisierungsumgebung

besondere Merkmale» Intuitive Bedienung

» Keine Kenntnisse über Skript- oder Hardwarebeschreibungs sprachen notwendig

» Simulation und Extraktion auf Knopfdruck

» Darstellung und Auswertung der Ergebnisse möglich

Charakterisierungsumgebung

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** Einbinden des DUT **YDUT DUT PORT: 0 nvbias nvdd ninp1 ninp2 noutp

** SCHALTUNG *** VersorgungsspannungenVdd nvdd 0 UddVbias nvbias 0 Ubias* EingangsspannungenVin ninp1 ninp2 DC Uoffset AC UinVcm ninp2 0 Ucm* AusgangsgrößenRload noutp n6 RloadVref n6 0 Uref

** GLOBALE PARAMETER MIT DEFAULT-WERTEN**.param Uoffset = 0V.param Uin = 1V.param Ucm = 0.108V.param Uref = 0.107V.param Udd = 5V.param Ubias = 3.7V.param Rload = 1e12

** ANALYSE **.dc .ac dec 20 1 1e20** AUSGABE **.defwave Vd=V(noutp,n6)/V(ninp1,ninp2).probe ac WDB(Vd).end

# Extraktion der Leerlaufverstärkung GAINdB = yval( WDBVd, 10 )

# Bestimmung der oberen GrenzfrequenzI3dB = yval ( WDBVd, 10 ) - 3F3dB = xdown( WDBVd, I3dB )

# Bestimmung der TransitfrequenzFt = xdown(WDBVd,1)

Abbildung 11 – Extraktionsgleichungen Abbildung 12 – Aufbau der Messschaltung

3. Softwareentwurf – Vorstellung

Anlegen einer Testbench

» Einfache Erweitung der Testbenchbibliothek möglich

» Keine Einschränkung in der Beschreibung von Schaltungsaufbau, Simulatorsteuerung und Extraktionsgleichungen

» Kenntnisse in entsprechenden Sprachen nötig

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3. Softwareentwurf – Vorstellung

Anlegen einer Testbench im Werkzeug

Abbildung 13 – Bildschirmfoto Testbench bearbeiten

Möglichkeiten» Beliebiges Editieren

von Modellen und Testbenches

» Copy&Paste

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3. Softwareentwurf – Vorstellung

Verwaltung der Testbenches

Abbildung 13 – Bildschirmfoto Testbenchverwaltung Abbildung 14 – Bildschirmfoto Eigenschaften einer Testbench

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Zusammenfassung

Operationsverstärker» Charakterisierung

» Modellierung

Werkzeug-Entwurf

» Automatisierung der Charakterisierung

» Parametrisierung einer Modellschaltung aus den Kennwerten

» Vergleich Modell und Originalschaltung

» Anbindung eines Simulators

» Bereitstellung einer Modell- und Testbenchbibliothek

» einfache Erweiterung der Modell- und Testbenchbibliothek möglich

weitere Aufgabengebiete» Funktionserweiterung

» Untersuchung weiterer Modellierungsmethoden

4. Zusammenfassung