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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