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Universelle OTA-Testbench
(2014)
Es wird eine universell einsetzbare Testbench zur Simulation von integrierten Schaltungen innerhalb der OTA-Schaltungsklasse (Operational Transconductance Amplifier; Transkonduktanzverstärker) vorgestellt. Transkonduktanzverstärker sind in der analogen Schaltungstechnik weit verbreitet und daher von großer Bedeutung. Sie treten sowohl als eigenständige Schaltungen innerhalb eines Chips, sowie als Bestandteil anderer Schaltungen (z.B. als erste und zweite Stufe von Operationsverstärkern) auf. Es kann davon ausgegangen werden, dass heute kaum ein analoger oder Mixed-Signal-Chip gefertigt wird, in dem keine Transkonduktanzverstärker verbaut sind. Die Entscheidungsfindung des Entwicklers bei der Auslegung eines OTAs beruht maßgeblich auf einer anwendungsspezifischen Simulation. Die Erstellung einer eigenen Testbench für jede Anwendung bedeutet allerdings einen hohen Zeitaufwand und erschwert den Vergleich der Simulationsergebnisse unterschiedlicher Schaltungsvarianten. Durch eine universelle Testbench kann zum einen der Zeitaufwand verringert werden, zum anderen können nun Simulationsergebnisse direkt miteinander verglichen werden. Hierdurch wird die Entscheidungsfindung des Entwicklers objektiviert und beschleunigt. Neben dem Vergleich unterschiedlicher Schaltungen innerhalb einer Technologie ist auch der Vergleich einer Schaltung in unterschiedlichen Technologien denkbar. Die Idee einer universell anwendbaren Testbench lässt sich auch auf andere analoge Schaltungsklassen anwenden und damit als Prinzip verallgemeinern.
In der Mikroelektronik werden Chips häufig in Mold-Gehäusen verpackt. Die elektrischen Verbindungen vom Chip zu den Anschlussbeinchen des Gehäuses werden mit Bonddrähten realisiert. Für die Berechnung der Gleichgewichtstemperatur in einem Bonddraht bei konstantem Strom sowie von Temperaturverläufen bei transienten Strömen ist die herkömmliche FEM-Methode langsam und unhandlich. Daher wurde der Bondrechner entwickelt, der ein zylindersymmetrisches Ersatz-Modell für das Package in geeigneten mathematischen Gleichungen abbildet.
Im Gegensatz zum Bondrechner der ersten Generation [1], der auf den Gleichungen von [2] basiert, bietet ein neuer mathematischer Ansatz die Möglichkeit, eine endliche effektive Package-Größe, sowie einen endlichen Wärmeübergang zwischen Bonddraht und Mold-Masse zu berücksichtigen. Ebenso wurde die Berechnung der Interaktion von mehreren benachbarten Drähten verfeinert. Die Berechnung von beliebigen transienten Pulsformen mittlerer Länge wurde ebenfalls verbessert. Eine quadratische Komponente in der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Drahtmaterials kann jetzt ebenfalls berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse wurden erfolgreich mit FEM-Berechnungen verglichen und die Geschwindigkeit der Berechnung ist um Größenordnungen schneller als mit kommerziellen FEM-Programmen.
Die sogenannte Systemsimulation, bei der mehrere physikalische Domänen gemeinsam simuliert werden, erlaubt die Analyse komplexer und damit realitätsnaher Systeme und spielt eine zunehmend größere Rolle bei der Auslegung von Komponenten. Enthält das System Teile, die durch Feldgrößen aus unterschiedlichen physikalischen Domänen beschrieben werden müssen, kann man Co-Simulationen einsetzen, die allerdings zeitaufwändig sind. Für die Auslegung des Systems ist es dagegen notwendig, Systemsimulationen schnell durchzuführen zu können. Hierfür können für ausgewählte Bauteile oder Domänen schnellere reduzierte Ersatzmodelle (ROM) eingesetzt werden. In dieser Arbeit stellen wir ein reduziertes Modell für elektromechanische Bauteile mit Berücksichtigung von Wirbelströmen vor. Wirbelstromeffekte hängen nicht nur vom aktuellen Zustand, sondern auch von der Geschichte der elektromagnetischen Domäne ab. Das vorgestellte Ersatzmodell basiert auf Daten, die mit einer Reihe von stationären Feldsimulationen vorab erzeugt werden. Für die Modellierung der geschichtsabhängigen Wirbelstromeffekte wird ein Konvolutionsansatz (Faltungsansatz) verwendet. Vergleiche mit entsprechenden Co-Simulationen in ANSYS Maxwell und Simplorer zeigen am Beispiel eines Hubankers, dass das Ersatzmodell in der Lage ist, die wesentlichen Eigenschaften des Bauteils physikalisch korrekt abzubilden.
Mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Computer haben rechnergestützte Simulationsverfahren überall in Wissenschaft und Technik Einzug gehalten. Die modellbasierte Simulation als "virtuelles Experiment" stellt insbesondere im Entwurf technischer Systeme ein wirksames und längst unverzichtbares Hilfsmittel dar, um Entwicklungsergebnisse hinsichtlich gewünschter Eigenschaften abzusichern. Die Möglichkeiten heutiger Simulationsmethoden sind faszinierend, weshalb gerade Anfänger (aber nicht nur diese) der Gefahr ausgesetzt sind, deren Ergebnisse unkritisch zu übernehmen. Besondere Bedeutung kommt hier der Lehre zu. Neben der Anwendung der Simulationswerkzeuge ist es wichtig, den Studierenden auch deren theoretische Grundlagen nahe zu bringen und damit ihr Bewusstsein hinsichtlich der Grenzen der Simulation zu schärfen. Der Workshop der ASIM/GI-Fachgruppen "Simulation technischer Systeme" und "Grundlagen und Methoden in Modellbildung und Simulation" bringt Fachleute aus Wirtschaft und Wissenschaft zum Erfahrungsaustausch rund um die Simulation zusammen. Hierbei werden alle Aspekte von den Grundlagen über die Methoden bis hin zu Werkzeugen und Anwendungsbeispielen angesprochen.
Nowadays the software development plays an important role in the entire value chain in production machine and plant engineering. An important component for rapid development of high quality software is the virtual commissioning. The real machine is described on the basis of simulation models. Therefore, the control software can be verified at an early stage using the simulation models. Since production machines are produced highly individual or in very small series, the challenge of virtual commissioning is to reduce the effort to the development of simulation models. Therefore, a systematic reuse of the simulation models and the control software for different variants of a machine is essential for an economic use. This necessarily requires a consideration of the variability which may occur between the production machines. This paper analyzes the question of how to systematically deal with the software-related variability in the context of virtual commissioning. For this purpose, first the characteristics of the virtual commissioning and variability handling are considered. Subsequently, the requirements to a so-called variant infrastructure for virtual commissioning are analyzed and possible solutions are discussed.