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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.
Ein praktikables Mittel zur Erhöhung des Automatisierungsgrads im analogen IC-Entwurf ist die Verwendung parametrisierter Zellen. Diese sogenannten pCells werden eingesetzt, um determinierte Layouts automatisch zu erzeugen, und zwar in der Regel für einzelne Bauelemente wie Transistoren oder Dioden. Der vorliegende Beitrag zeigt die Potenziale eines erweiterten pCell-Konzepts, mit dem determinierte Layouts als auch Schaltpläne für ganze Schaltungsmodule automatisch generiert werden können. Als Beispiel wird eine solche Modul-pCell für analoge Stromspiegel beschrieben, die nicht nur die Dimensionierung der Einzeltransistoren, sondern auch verschiedene Transistortypen, beliebige Spiegelverhältnisse und sogar mehrere Topologien sowie weitere Freiheitsgrade implementiert. Das dadurch erzielte Maß an Flexibilität erlaubt es, die zahlreichen schaltungstechnischen Varianten im Analogbereich abzudecken, die ansonsten oftmals Hürden für Automatisierungsansätze darstellen.
Es wird das Ziel verfolgt, eine Möglichkeit für die sichere Wiederverwendbarkeit von Schaltungen aus der OTA-Schaltungsklasse bereitzustellen. Hierfür werden ausgewählte OTA-Schaltungstopologien für die "Copy-and-Paste"-Methode vorgestellt. Es wurde im industriellen Umfeld gezeigt, dass sie sich unter der Voraussetzung einer repräsentativen Topologieauswahl – vordimensioniert für den typischen Anwendungsbereich – schon in dieser Form für die Wiederverwendung eignen.
Im Bereich integrierter Schaltungen (ICs) für die Fahrzeugelektronik ist in den letzten Jahren ein Trend zum Einsatz komplexer Mixed-Signal-Komponenten erkennbar. Dies führt dazu, dass ein altes Problem zunehmend in den Fokus der EDA-Entwickler rückt: Während der digitale Entwurfsfluss hoch automatisiert ist, findet der Entwurf analoger Komponenten überwiegend in einem manuellen, zeitaufwändigen und interaktiven Entwurfsstil statt. Die folgende Arbeit beschreibt ein Konzept, diesen Mangel mit Hilfe eines durchgängigen analogen Entwurfsflusses unter Verwendung so genannter Modul-Generatoren zu mildern. Der vorgestellte Ansatz zur Erzeugung von Schaltkreis-Automatismen berücksichtigt die implizite Nutzung von Erfahrungswissen des Designers, bietet eine volle Topologie-Flexibilität und steigert die Wiederverwendung („re-use“) gängiger Schaltungstopologien. Die erreichten Zwischenergebnisse lassen einen erheblichen Nutzen erkennen und zeigen das Potenzial sogenannter „Parametrisierter Schaltkreise“ auf, den Automatisierungsgrad des analogen Schaltungsentwurfs zu steigern.
Im Vergleich zum digitalen Layoutentwurf weist der analoge Layoutentwurf einen wesentlich geringeren Automatisierungsgrad auf. Dies gilt insbesondere für den Layoutentwurf von Hochfrequenzschaltungen, wo Einflüsse der lokalen Layoutumgebung besonders zu berücksichtigen sind. Bei dieser sog. Kontextabhängigkeit geraten sowohl Optimierungsalgorithmen als auch herkömmliche Generatoransätze schnell an Grenzen. In dieser Arbeit wird eine funktionale Erweiterung des bekannten Generatorprinzips eingesetzt, die es erlaubt, Informationen aus der Layoutumgebung der Instanz in die Layoutgenerierung einzubeziehen. Mit dieser sog. kontextbasierten PCell gelingt die Automatisierung konkreter, bisher nur manuell lösbarer Probleme des Layoutentwurfs von Hochfrequenzschaltungen. Die Arbeit zeigt das Potential kontextbasierter PCells für die weitere Steigerung des Automatisierungsgrades im analogen Layoutentwurf.
In diesem Artikel wird ein neu entwickeltes Werkzeug zur Dimensionierung von Bonddrähten im ASIC-Entwurf vorgestellt. Die Berücksichtigung aller Einflussfaktoren erlaubt eine gegenüber Handrechnungen optimierte Auslegung der Bondanordnung. Dies ermöglicht zum einen die Absicherung gegen Degradationseffekte bis hin zum Durchbrennen und garantiert so die Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer. Zum anderen wird eine aus Zuverlässigkeitserwägungen resultierende Überdimensionierung vermieden.
Das Werkzeug erlaubt die Kalkulation aller für die Auslegung von Bonddrähten relevanten Parameter. Je nach Kontext der Aufgabenstellung lassen sich die Stromtragfähigkeit für Dauerstrom oder Pulsstrombelastung, kritische Temperaturen oder die maximale Bonddrahtlänge als Ausgabegrößen berechnen. Durch diese Flexibilität und die benutzerfreundliche Integration in eine industrielle Entwicklungsumgebung ist der „Bond-Rechner“ im gesamten Entwurfsverlauf einsetzbar und leistet wertvolle Hilfestellung von ersten Abschätzungen in frühen Entwurfsphasen bis hin zur abschließenden Verifikation.
Eine neue Methode zur Berechnung von Temperaturen in Bonddrähten umgeben von einem endlichen Mold wird vorgestellt. Sie ist schneller als die übliche Finite Elemente-Methode (FEM), während sie vergleichbare Resultate produziert. Für manche Parameter funktioniert unsere Methode, während die FEM-Methode versagt. Der Algorithmus ist im sogenannten Bondrechner implementiert, der eine leicht zu benutzende Oberfläche für Designer von mikroelektronischen Systemen bereitstellt. Seine Anwendung hat das Potential, die Zuverlässigkeit von Bonddrähten zu verbessern. Ein nichtidealer Parameter für den Wärmetransfer vom Bonddraht zum Mold-Package wurde ebenfalls berücksichtigt. Dieser Parameter ändert sich wahrscheinlich unter Alterseinflüssen und ist daher sehr wichtig für Zuverlässigkeits-Schätzungen. In unserer Methode wird die Wechselwirkung von Nachbardrähten ebenfalls berücksichtigt. Diese wird immer wichtiger, weil der Durchmesser und der wechselseitige Abstand der Bonddrähte sich verringert, wegen der fortschreitenden Miniaturisierung der Chip-Verpackungen. Unser Programm kann ebenfalls Temperaturen für transiente Ströme berechnen und den Strom berechnen, der zu einer gegebenen Maximaltemperatur gehört.