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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.
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.
While digital IC design is highly automated, analog circuits are still handcrafted in a time-consuming, manual fashion today. This paper introduces a novel Parameterized Circuit Description Scheme (PCDS) for the development of procedural analog schematic generators as parameterized circuits. Circuit designers themselves can use PCDS to create circuit automatisms which capture valuable expert knowledge, offer full topological flexibility, and enhance the re-use of well-established topologies. The generic PCDS concept has been successfully implemented and employed to create parameterized circuits for a broad range of use cases. The achieved results demonstrate the efficiency of our PCDS approach and the potential of parameterized circuits to increase automation in circuit design, also to benefit physical design by promoting the common schematic-driven-layout flow, and to enhance the applicability of circuit synthesis approaches.
Equations for fast and exact calculation of a simple model for heat transfer from a bond wire to a cylindrical finite mold package including nonideal heat transfer from wire to mold are presented. These allow for a characterization of an arbitrary mold/bond wire combination. The real mold geometry is approximated using the mold model cylinder radius and the thermal contact conductance of the mold/bond wire interface. For changes in bond and mold material, wire length, diameter, and current transient profiles, the resulting temperature transients can then be predicted. As the method is based on numerical integration of differential equations, arbitrary pulse shapes, which are industrially relevant, can be calculated. Very high thermal contact conductance values (above 40 000 W/m2K heat transfer) have been detected in real package/bond systems. The method was validated by successful comparison with finite element method simulations and alternative calculation methods and measurements.
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.
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.
Despite 30 years of Electronic Design Automation, analog IC layouts are still handcrafted in a laborious fashion today due to the complex challenge of considering all relevant design constraints. This paper presents Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM), a novel approach addressing the problem with a multi-agent system: autonomous layout modules interact with each other to evoke the emergence of overall compact arrangements that fit within a given layout zone. SWARM´s unique advantage over conventional optimization-based and procedural approaches is its ability to consider crucial design constraints both explicitly and implicitly. Several given examples show that by inducing a synergistic flow of self-organization, remarkable layout results can emerge from SWARM’s decentralized decision-making model.
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.
When a bonding wire becomes too hot, it fuses and fails. The ohmic heat that is generated in the wire can be partially dissipated to a mold package. For this cooling effect the thermal contact between wire and package is an important parameter. Because this parameter can degrade over lifetime, the fusing of a bonding wire can also occur as a long-term effect. Another important factor is the thermal power generated in the vicinity of the bond pads. Nowadays, the reliability of bond wires relies on robust dimensioning based on estimations. Smaller package sizes increase the need for better predictive methods.
The Bond Calculator, a new thermo-electrical simulation tool, is able to predict the temperature profiles along bond wires of arbitrary dimensions in dependence on the applied arbitrary transient current profile, the mold surrounding the wire, and the thermal contact between wire and mold.
In this paper we closely investigated the spatial temperature profiles along different bond wires in air in order to make a first step towards the experimental verification of the simulation model. We are using infrared microscopy in order to measure the thermal radiation generated along the bond wire. This is easier to perform quantitatively in air than in the mold package, because of the non-negligible absorbance of the mold material in the infrared wavelength region.
In practice, the use of layout PCells for analog IC design has not advanced beyond primitive devices and simple modules. This paper introduces a Constraint-Administered PCell-Applying Blocklevel Layout Engine (CAPABLE) which permits PCells to access their context, thus enabling a true "bottom-up" development of complex parameterized modules. These modules are integrated into the design flow with design constraints and applied by an execution cockpit via an automatically built layout script. The practical purpose of CAPABLE is to easily generate full-custom block layouts for given schematic circuits. Perspectively, our results inspire a whole new conception of PCells that can not only act (on demand), but also react (to environmental changes) and interact (with each other).
A generic, knowledge-based method for automatic topology selection of analog circuits in a predefined analog reuse library is presented in this paper on the OTA (Operational Transconductance Amplifier) example. Analog circuits of a given circuit class are classified in a topology tree, where each node represents a specific topology. Child nodes evolve from their parent nodes by an enhancement of the parent node’s topological structure. Topology selection is performed by a depth first-search in the topology tree starting at the root node, thus checking topologies of increasing complexity. The decisions at each node are based on solving equations or – if this is not possible – on simulations. The search ends at the first (and thus the simplest) topology which can meet the specification after an adequate circuit sizing. The advantages of the generic, tree based topology selection method presented in this paper are shown in comparison to a pool selection method and to heuristic approaches. The selection is based on an accomplished chip investigation.
Physical analog IC design has not been automated to the same degree as digital IC design. This shortfall is primarily rooted in the analog IC design problem itself, which is considerably more complex even for small problem sizes. Significant progress has been made in analog automation in several R&D target areas in recent years. Constraint engineering and generator-based module approaches are among the innovations that have emerged. Our paper will first present a brief review of the state of the art of analog layout automation. We will then introduce active and open research areas and present two visions – a “continuous layout design flow” and a “bottom-up meets top-down design flow” – which could significantly push analog design automation towards its goal of analog synthesis.
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.
In contrast to IC design, MEMS design still lacks sophisticated component libraries. Therefore, the physical design of MEMS sensors is mostly done by simply drawing polygons. Hence, the sensor structure is only given as plain graphic data which hinders the identification and investigation of topology elements such as spring, anchor, mass and electrodes. In order to solve this problem, we present a rule-based recognition algorithm which identifies the architecture and the topology elements of a MEMS sensor. In addition to graphic data, the algorithm makes use of only a few marking layers, as well as net and technology information. Our approach enables RC-extraction with commercial field solvers and a subsequent synthesis of the sensor circuit. The mapping of the extracted RC-values to the topology elements of the sensor enables a detailed analysis and optimization of actual MEMS sensors.
Optimization-based design automation for analog ICs still remains behind the demands. A promising alternative is given by procedural approaches such as parameterized generators, also known as PCells. We are working on a complete analog design flow based on parameterized generators for entire circuits and corresponding layout modules. Because the conventional programming of such enhanced generators is far too complicated and costly, new methods are needed to ease their development. This paper presents gPCDS (graphical PCDS), a novel tool for a designer-oriented development of schematic module generators, integrated into a common schematic entry environment. The tool is based on PCDS (Parameterized Circuit Description Scheme), a meta-language for the creation of parametrized analog circuits. Schematic module generators are a very desirable complement to layout module generators in order to achieve a seamless schematic- driven layout design flow on module level. By facilitating a way of generator development that matches a design expert’s mentality, gPCDS contributes to close this gap in the analog design flow.
In analog layout design, chip floorplans are usually still handcrafted by human experts. Particularly, the nondiscrete variability of block dimensions must be exploited thereby, which is a serious challenge for optimization-based algorithmic floorplanners. This paper presents a fundamentally new automation approach based on self-organization, in which floorplan blocks can autonomously move, rotate and deform themselves to jointly let compact results emerge from a synergistic flow of interaction. Our approach is able to minimize area and wirelength, supports nonslicing floorplan structures, can consider fully variable block dimensions, accounts for a fixed rectilinear boundary, and works absolutely deterministic. The approach is innovatively different from conventional, top-down oriented floorplanning algorithms.
Optimization-based analog layout automation does not yet find evident acceptance in the industry due to the complexity of the design problem. This paper presents a Self-organized Wiring and Arrangement of Responsive Modules (SWARM), able to consider crucial design constraints both implicitly and explicitly. The flexibility of algorithmic methods and the expert knowledge captured in PCells combine into a flow of supervised module interaction. This novel approach targets the creation of constraint-compliant layout blocks which fit into a specified zone. Provoking a synergetic self-organization, even optimal layout solutions can emerge from the interaction. Various examples depict the power of that new concept and the potential for future developments.
This paper enhances SWARM, a novel deterministic analog layout automation approach based on the idea of cellular automata. SWARM implements a decentralized interaction model in which responsive layout modules, covering basic circuit types, autonomously move, rotate and deform themselves to let constraint-compliant, compact layout solutions emerge from a synergetic flow of self-organization. With the ability to consider design constraints both implicitly and explicitly, SWARM joins the layout quality of procedural generators with the flexibility of optimization algorithms, combining these two kinds of automation into a “bottom-up meets top-down” flow. The new enhancements are demonstrated in an OTA example, depicting the power of SWARM and its enormous potential for future developments.
Der Entwurf analoger integrierter Schaltkreise ist bis heute durch einen weitgehend manuellen Entwurfsstil mit anschließender Verifikation gekennzeichnet. Das Backend dieses Prozesses bildet der Layoutentwurf, der mit der SDL-Methode (schematic driven layout) durchgeführt und mit den Verifikationsschritten DRC und LVS abgeschlossen wird. Als Ziel wird i.a. in Analogie zu den im Digitalbereich existierenden Lösungen eine vollautomatische Layoutsynthese auch für Analogschaltungen angestrebt. Die hier vorgeschlagene neue Designmethodik hat nicht diese vielfach geforderte Layoutsynthese im Analogbereich zum Inhalt. Sie stellt vielmehr einen realistischeren - und aus Sicht des Autors vor allem notwendigen - Zwischenschritt dar. Die Kernaussage besteht darin, dass zunächst eine Methode bereitzustellen ist, bei der alle die Schaltungsfunktion beeinflussenden Randbedingungen (constraints) rechnergestützt prüfbar sein müssen. Erst auf dieser Basis wird es gelingen, in einem weiteren Schritt analoges Layout zu synthetisieren. Diese These wird aus einer Betrachtung der historischen Entwicklung der EDA-Werkzeuge hergeleitet. Die Extrapolation dieser Historie lässt eine Wegskizze für einen neuen "constraint-driven" Designflow erkennen, dessen Hauptvorteil in einer rechnergestützten Absicherung der Schaltungsfunktion besteht. Weitere mögliche neue Merkmale eines solchen Designflows werden diskutiert: Abkehr von den klassischen sequentiellen Designschritten wie Platzierung und Routing hin zu einer "kontinuierlichen" Layoutentstehung und neuartige Chancen für eine wesentlich verbesserte Wiederverwendbarkeit (reuse) von Layoutergebnissen durch die Nutzung höherer Abstraktionsebenen.
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.