521332S PIIRISUUNNITTELU TIETOKONEELLA (COMPUTER-AIDED CIRCUIT DESIGN)
Luennot : TkT Janne Aikio TS209 Laboratorioharjoitukset:
DI Olli Kursu TS271 (email: firstname.lastname@ee.oulu.fi) AJANKOHTAISTA: Kurssin harjoitustyö potkaistiin käyntiin 22.2.2012. Esitehtävien vastaukset on palautettava assistentille TS271:een ennen keskiviikkona 28.3. klo 9 - 17 TS136:ssa olevaa ohjattua harjoitustilaisuutta. Ohjattuun tilaisuuteen ilmoittaudutaan esitehtävien palautuksen yhteydessä. Työohje on saatavilla Optimasta. The course exercise work instructions are available through Optima. Answers to pre-tasks must be returned to the course assistant (TS271) before the guided session. The guided session will be held on Wed. 28.3. in TS136, from 9 am to 5 pm. Sign up to the guided session by returning the pre-tasks.
Tavoitteet
Tämä kurssi pyrkii esittelemään piirisuunnittelussa tarvittavia ohjelmistoja, joskin pääpaino on analogisten piirien simulointiin ja suunnitteluun liittyvissä seikoissa. Monisteessa käydään läpi numeerisen laskennan perusteita ja erityyppisiä simulaattoreita, perehtyen erityisesti piirisimulaattorien toimintaan ja komponenttien mallitukseen. Perimmäisenä tarkoituksena on auttaa lukijaa ymmärtämään, mikä menetelmä soveltuu mihinkin käyttötarkoitukseen.
Simulaattoriesimerkkeinä käytetään Spice-tyyppisiä simulaattoreita (Mentor Graphics:n Accusim) ja kotimaista, TKK:n ja Nokia tutkimuskeskuksen yhteistyönä kehittämää Aplac-simulaattoria ja IC-suunnitteluympäristönä Mentor Graphics:n ICStation-ohjelmistoa. Harjoitustyön tekemiseen käytetään Cadence Design Systems:n Virtuoso-ohjelmistoa. Course Description
This course explains the operation, limitations and application areas of various types of front-end and back-end CAD tools used for analog and mixed signal design. Contents: Circuit simulators. Solving network equations. Principles of AC, DC, transient analyses and steady-state simulation methods. Simulation of noise and distortion. Worst-case and statistical analysis and optimization. Physical design and design verification. The lectures are held in Finnish. The book The Designer's Guide to SPICE and Spectre by Ken Kundert is recommended for non Finnish speaking students. In addition to passing the final exam, completing an exercise is required. English language exercise instructions are available (see below).
KurssimateriaaliKurssimateriaalina on n. 100-sivuinen moniste, jonka originaalit löytyvät tutortuvasta ja Optimasta. Vuosien 2006 ja 2007 moniste kelpaa. Oheislukemiseksi käy Ken Kundert:n The Designer's Guide to SPICE and Spectre.
HarjoitustyöHarjoitustyössä käytetään Cadence Design Systems:n Virtuoso-ohjelmistoa, joka käyttää SPICE:en perustuvaa Spectreä piirisimulaattorina ja tukee mm. Verilog-A mallinnusta. Harjoitustyö tehdään pääosin itsenäisesti. Keskiviikkona 28.3. pidetään yksi ohjattu tilaisuus TS136:ssa klo 9-17, jossa harjoitustyön tehtävien tekemiseen voi saada apua. Työ tehdään enintään kahden hengen ryhmissä. Ohjatussa tilaisuudessa ryhmien määrää rajoittaa koneiden ja lisenssien määrä. Harjoitustyöohje tulee saataville Optimaan. Unix-tunnukset vaaditaan myös. Harjoitustyö sisältää esitehtäviä, jotka tulee tehdä ennen ohjattua tilaisuutta. Esitehtävien tarkistus ja harjoitustyöhön rekisteröityminen siis ennen ohjattua tilaisuutta TS271:ssä. Harjoitustyöstä tehdään lopuksi työselostus, joka pitää palauttaa viimeistään 31.5.2012. Course Exercise WorkThe course exercise instructions should be comprehensive enough for independent completion of the exercise. There will be one guided session where students can get help from the course assistant. The exercise work will be done in max. 2 person groups, doing the exercise alone is also possible, but the amount of groups is limited by the number of available work stations and software licenses. The guided session will be held on 28.3. in TS136 beginning at 9 am. The work will be done with Cadence Design System's Virtuoso platform which uses Spectre circuit simulator (based on SPICE) and supports e.g. Verilog-A modeling. English version of the course exercise instructions is available through Optima, so registering to Optima is required. Unix account is also required. The exercise contains pre-exercises that must be done before the guided session. Sign up by returning the pre-exercises to the course assistant at TS271. Last day to return the work report to the course assistant is May 31st 2012. Old ExamsOld exams can be found here: STO Exam Archive - Computer-Aided Circuit Design. If you don't know the STO exam archive password, e-mail the course assistant. ToteutusLuentoja 30 h, 2 h/vko periodeilla IV-VI. OhjelmistojaOmatoimista kokeilua tukevia piirisuunnitteluohjelmistoja löytyy täältä .
1. JOHDANTO.......................................................................................................................................... 7 1.1 Motivointia.......................................................................................................................................... 7 1.2 Elektroniikkasuunnittelun vaiheet................................................................................................... 8 1.3 Piirisuunnittelun vaiheet................................................................................................................. 10 1.4 Systeemisimuloinnit........................................................................................................................ 10 1.5 Sähköisten systeemien luokittelu.................................................................................................. 11 1.6 Piirisimulaattori - analogiasuunnittelijan perustyökalu............................................................. 12 1.7 Fyysinen suunnittelu ja piirikuvion varmennus.......................................................................... 14 1.8 Dokumentoinnin apuvälineet......................................................................................................... 14 1.9 Testauksen apuvälineet................................................................................................................... 14 2. NUMEERISEN LASKENNAN PERUSTEISTA........................................................................ 15 2.1 Lukujen esittäminen digitaalisesti................................................................................................. 15 2.2 Tietokoneiden suorituskyvystä...................................................................................................... 16 2.3 Laskutoimitusten nopeudesta......................................................................................................... 17 2.4 Laskutoimitusten tarkkuudesta...................................................................................................... 19 2.5 Satunnaisluvuista.............................................................................................................................. 21 2.6 Laskennallisesta raskaudesta.......................................................................................................... 22 3. PIIRITEORIAN KERTAUSTA...................................................................................................... 23 3.1 Kenttäyhtälöt vs. keskitetyt komponentit..................................................................................... 23 3.2 Kenttäyhtälöiden simuloinneista................................................................................................... 24 3.3 Keskitettyjen kytkentöjen esitystavat........................................................................................... 26 3.4 Jakautuneiden komponenttien ja viiveen kuvaaminen piirisimulaattorissa........................... 28 3.5 Parametriesityksistä......................................................................................................................... 29 4. Lineaaristen verkkoyhtälöiden ratkaiseminen............................................................................... 33 4.1 Yleistä................................................................................................................................................ 33 4.2 Matriisien harvuudesta.................................................................................................................... 34 4.3 Matriisiyhtälön muokkaaminen..................................................................................................... 36 4.4 Matriisiyhtälön suoria ratkaisumenetelmiä.................................................................................. 37 4.5 Suurten yhtälöryhmien ratkaiseminen iteroimalla...................................................................... 39 4.6 Yhtälöryhmien ratkaisumenetelmien tehokkuudesta................................................................. 40 5. LINEAARINEN AC-ANALYYSI.................................................................................................. 41 5.1 Yleistä................................................................................................................................................ 41 5.2 Komponenttien kuvaaminen.......................................................................................................... 42 5.3 Parametriesitykset............................................................................................................................ 43 5.4 AC-analyysin käyttökohteita.......................................................................................................... 44 5.5 AC-analyysin lisukkeita.................................................................................................................. 47 5.6 AC-analyyseistä muistettavaa........................................................................................................ 48 6. EPÄLINEAARISEN PIIRIN DC-ANALYYSI............................................................................ 49 6.1 Epälineaaristen yhtälöryhmien ratkaisumenetelmiä................................................................... 49 6.2 Newton-Raphson -iterointi............................................................................................................. 50 6.3 Newton-Raphson monen muuttujan tapauksessa....................................................................... 51 6.4 Konvergointiehdot........................................................................................................................... 55 6.5 Keinoja konvergoinnin parantamiseksi........................................................................................ 58 6.6 DC-analyysin lisukkeita.................................................................................................................. 60 6.7 Tarkistuslista..................................................................................................................................... 61 7. TRANSIENTTIANALYYSI............................................................................................................ 63 7.1 Yleistä................................................................................................................................................ 63 7.2 Lineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaiseminen.................................................................. 64 7.3 Tilamallin diskretisoiminen............................................................................................................ 65 7.4 Epälineaaristen differentiaaliyhtälöiden ratkaiseminen............................................................. 66 7.5 Differentiaaliyhtälöiden numeerinen integrointi......................................................................... 67 7.6 Varausjatkuva mallitus.................................................................................................................... 72 7.7 Alkuehtojen asettaminen................................................................................................................. 73 7.8 Aika-askeleen ohjaus (Time-step control)................................................................................... 74 7.9 Transienttianalyysin tarkkuus........................................................................................................ 77 7.10 Transienttianalyysin nopeuttamisyrityksiä................................................................................ 79 7.11 Tyypillisiä transienttisimuloinnin ongelmia.............................................................................. 80 7.12 Vaikeita paloja transienttianalyysille.......................................................................................... 81 7.13 Transienttianalyysin kylkiäisiä.................................................................................................... 82 8. AC- MALLIEN KÄYTTÖ transienttianalyysiSSÄ..................................................................... 83 8.1 Taajuustason mallit.......................................................................................................................... 83 8.2 Differentiaaliyhtälöryhmä vai numeerinen konvoluutio?......................................................... 84 8.3 NQS-ilmiöiden mallitus.................................................................................................................. 86 8.4 Dominoivien aikavakioiden etsiminen......................................................................................... 87 9. Steady-state -analyysit....................................................................................................................... 89 9.1 Transienttianalyysin ongelmakohtia............................................................................................. 89 9.2 Harmoninen balanssi....................................................................................................................... 90 9.3 Moduloitu harmoninen balanssi.................................................................................................... 92 9.4 Aikatason steady-state -analyysi................................................................................................... 94 9.5 Spectral balance................................................................................................................................ 96 9.6 Volterra-analyysi.............................................................................................................................. 97 9.7 Steady-state -analyysin lisukkeita ja optioita.............................................................................. 98 10. KOHINA, SÄRÖ, AIKAVARIANTTIUS.................................................................................. 99 10.1 Kohinalähteitä.............................................................................................................................. 100 10.2 Kohinan analysointikeinot......................................................................................................... 102 10.3 Kommentteja kohina-analyysistä.............................................................................................. 107 10.4 Piirin epälineaarisuus eli särö.................................................................................................... 108 10.5 Särön vaikutuksia........................................................................................................................ 110 10.6 Särön analyysimenetelmiä......................................................................................................... 111 10.7 Eri testeissä tarvittavat herätteet................................................................................................ 113 10.8 Vielä kommentteja...................................................................................................................... 114 11. KOMPONENTTIEN MALLITUS............................................................................................. 117 11.1 Komponenttimallin rakenne...................................................................................................... 118 11.2 Komponenttimallille asetettavat vaatimukset......................................................................... 119 11.3 Mallien yleisiä heikkouksia....................................................................................................... 120 11.4 Komponenttimallien sovitus...................................................................................................... 124 11.5 Tarkennettu fysikaalinen mallinnus makromallilla............................................................... 125 12. KÄYTTÄYTYMISTASON MALLITUS................................................................................. 127 12.1 Ideaaliset lähteet ja makromallit............................................................................................... 127 12.2 Mallifunktioiden valinnasta....................................................................................................... 128 12.3 Mallifunktioiden sovittaminen.................................................................................................. 130 12.4 Käyttäytymistason malleja......................................................................................................... 131 12.5 Kovonkuvauskielet...................................................................................................................... 134 12.6 VHDL-AMS (VHDL 1076.1)................................................................................................... 135 12.7 Simulink........................................................................................................................................ 138 13. TESTIPENKKIEN MUODOSTAMINEN............................................................................... 139 13.1 Yleistä............................................................................................................................................ 139 13.2 Biasointien järjestäminen........................................................................................................... 140 13.3 Open-loop -vasteen ja silmukkavahvistuksen simulointi..................................................... 142 13.4 Balansoidut vahvistimet............................................................................................................. 146 13.5 Yhteismuotoinen ja differentiaalinen toiminta....................................................................... 148 13.6 Tulo- ja lähtöimpedanssin simuloiminen................................................................................ 150 13.7 Eri simulointien helppo vuorottelu........................................................................................... 152 14. SAANNON SIMULOINTI JA OPTIMOINTI......................................................................... 153 14.1 Gradienttien eli herkkyyksien laskentatavat........................................................................... 153 14.2 Saanto ja sen optimoiminen....................................................................................................... 154 14.3 Komponenttitoleranssien vaikutusten simulointi................................................................... 155 14.4 Herkkyys- ja worst case-analyysi............................................................................................. 156 14.5 Saannon analysointi- ja parantamiskeinot (Design Centering)............................................ 157 14.6 Optimoinnin perusteista.............................................................................................................. 160 14.7 Optimointialgoritmeja................................................................................................................. 162 15. LOGIIKKASIMULAATTORIT................................................................................................. 165 15.1 Simuloitavat suureet.................................................................................................................... 165 15.2 Logiikkasimulaattorien ominaisuuksia.................................................................................... 166 15.3 Signal integrity -simuloinnit...................................................................................................... 168 15.4 Logiikkasimulaattorien kehitysnäkymiä.................................................................................. 169 15.5 Digitaalisynteesin näkymiä........................................................................................................ 169 16. SUODATTIMIEN SUUNNITTELU......................................................................................... 171 16.1 Perusteita....................................................................................................................................... 171 16.2 SC-simulaattoreista..................................................................................................................... 173 16.3 Digitaalinen signaalinkäsittely.................................................................................................. 175 17. MUITA HYÖDYLLISIÄ APUVÄLINEITÄ........................................................................... 177 17.1 Matematiikkaohjelmistot............................................................................................................ 177 17.2 Symbolinen piirianalyysi............................................................................................................ 178 18. NYKYISET SUUNNITTELUOHJELMISTOT...................................................................... 179 18.1 Suunnittelujärjestelmälle asetettavat vaatimukset.................................................................. 179 18.2 Suunnittelutietokannan sisältö................................................................................................... 182 18.3 Kehysjärjestelmien yleisiä piirteitä.......................................................................................... 184 18.4 Suunnittelutietokantojen siirtäminen........................................................................................ 185 18.5 Tiedonsiirtotavat.......................................................................................................................... 186 19. MENTOR GRAPHICS -ympäristö............................................................................................ 187 19.1 Falcon Framework -kehysjärjestelmä...................................................................................... 187 19.2 Mentor Graphics:n komponenttien tietorakenne.................................................................... 189 19.3 Suunnitelmien siirrettävyys....................................................................................................... 191 19.4 Muutamia tärkeimpiä propertyjä............................................................................................... 192 20. INTEGROIDUN PIIRIN PIIRIKUVION SUUNNITTELU................................................. 193 20.1 Piirikuvion tietorakenteet........................................................................................................... 194 20.2 Sijoittelu ja johdotus (Place & Route)..................................................................................... 196 20.3 DRC............................................................................................................................................... 197 20.4 LVS................................................................................................................................................ 198 20.5 Hajasuureiden ekstraktointi....................................................................................................... 199 20.6 DRC- ja kytkeytymissäännöistä................................................................................................ 200 21. INTEGROIDUN PIIRIN SUUNNITTELUOHJEITA............................................................ 203 21.1 Käsisuunnittelu............................................................................................................................. 203 21.2 Suunnittelu ja piirikaavion piirto.............................................................................................. 204 21.3 Tehtävät simuloinnit.................................................................................................................... 206 21.4 Piirikuvion piirto ja tarkistukset................................................................................................ 208 21.5 Tarkistukset.................................................................................................................................. 210 21.6 DRC- ja LVS-sääntötiedostojen laatimisesta.......................................................................... 211
Last Modified: 22.2.2012 by Olli
|