CAD-Tools für den Entwurf von HF-Front-End Schaltungen

1. CAD-Tools für den Entwurf von HF-Front-End Schaltungen HF-Front-Ends Entwurfsmethodik für integrierte Höchstfrequenzsysteme zukunftsorientierter Kommunikationstechniken Förderprojekt im Rahmen des SSE-Verbundes Förderkennzeichen 01M3040 Öffentlicher Abschlußworkshop Projektübersicht und Ergebnisse Referent: Ulrich Seeling (ulrich.seeling@atmel-wm.com) HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

2. Motivation/Projektziele • Geringe Abdeckung folgender Themengebiete zu Projektstart: • Berücksichtigung hoher Frequenzen (Wichtig für Mobilkommunikation) • Zusammenarbeit zwischen System- und Schaltungsentwicklern • Projektziele • Entwicklung eines Designflows zusammen mit einer Entwurfsmethodik und einer verbesserten CAD-Umgebung, die den besonderen Bedürfnissen der HF-Technik im Bereich der Mobilkommunikation gerecht werden. HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

3. Projektpartner Systemanbieter Nokia • Atmel, Heilbronn • Nokia, Bochum • Melexis, Erfurt • Cadence, Haar • Fraunhoferinstitut Dresden • TU Dresden • TU Braunschweig IC - Häuser Atmel, Melexis CAD - Anbieter Cadence Forschungs- einrichtungen TU Braunschweig, TU Dresden FhG EAS Dresden Projektlaufzeit 3,5 Jahre (Mai 1997 - November 2000) HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

4. Highlights • Optimierung des Designflows durch • Pegelplantool • HF-Modellschablonen • Berücksichtigung technologischer Schwankungen • Modellanpassung, Charakterisierungswerkzeuge/-umgebung • Auswahlverfahren für Analog Re-Use • Einfache Gehäusemodellierung • Verbindung zur Systemsimulation mittels „k-Modellen“ • 2 Demonstratoren • Direct-Conversion-Receiver für UMTS-System (UMTS-Demonstrator) • HF-Schaltkreis zur Datenkommunikation in Gebäuden (KMU-Demonstrator) HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

5. Optimierung des Designflows • Verbesserung des Entwurfablaufes bei HF-Schaltungen durch • Frühzeitige Verwendung rechnergestützter Verfahren. • Schnelle Abschätzung von Systemalternativen und deren Strukturierung durch Verwendung unterschiedlicher Abstraktionsebenen. • Durchgängigen Designflow • Pegelplan“simulation“ • Simulation der Blockmodelle (Hochsprache = angepaßte HF-Modellschablonen) • Verifikation durch Charakterisierungsumgebung (automatisiert) • Auswahl aus vorhandenem IP mittels „unscharfem“ Auswahlverfahren • Anbindung an DSP-System über k-Modelle • Hilfestellung zur Kommunikation zwischen System- und Schaltungsentwicklung • Spezifikation mit Pegelplan HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

6. Pegelplantool HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

7. Pegelplantool - Einsatzgebiete • Schnelle Abschätzung der Spezifikation mit durchgängiger Berechnung der wichtigsten HF-Eigenschaften • Individuelle Anordnung der betrachteten Schaltungsblöcke • Blöcke mit vordefiniertem Spezifikationsrahmen • Eingebaute Plausibilitätsprüfungen • Schneller Variantenvergleich möglich • Anbindung an Simulator durch Export der Blöcke HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

8. HF-Modellschablonen Die Aufgabenstellung gibt die Modellierung verschiedener Modellschablonen vor: • PLL • VCO • Teiler • Mischer • Modulatoren • LNA • Poweramplifier • active Balun • Filter Erstellung der Modelle in HDL-A und SpectreHDL für unterschiedliche Simulatoren HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

9. Berücksichtigung technologischer Schwankungen • Aus statistischen Modelldaten werden die Korrelationen und Schwankungen der HF-Kenngrößen ermittelt. • Diese Schwankungen können mit guter Genauigkeit in Polynome abgebildet und in die HF-Modellschablonen integriert werden. CPi = -2.099391e+01 + 5.950877e-02 * Rsbi * Rsbi + 9.727273e-02 * Rsbi + -8.110776e-03 * Rsqh * Rsbi + -5.923607e-03 * Rsqh * Rsqh + -3.857339e-03 * Rsqh + 1.165066e-03 * Dsp * Rsbi + ... -4.444901e-05 * Wtol * Rsbi + -6.409128e-04 * Wtol * Rsqh + -9.695455e-05 * Wtol * Dsp + 1.921297e-03 * Wtol * Qcx + -9.194857e-03 * Wtol * Rsql + 3.985980e-03 * Wtol * Wtol + 3.709403e-03 * Wtol; HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

10. Modellanpassung HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

11. Charakterisierungswerkzeuge HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

12. Auswahlverfahren für Analog Re-Use • Vergleich von Daten bereits entworfener Schaltungen mit der Spezifikation einer neuen Schaltung. • „Unscharfes“ Bewertungsverfahren • Kombination mit Web-basiertem Dokumentationssystem ermöglicht effizientes Ablegen und Suchen/Vergleichen. HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

13. Einfache Gehäusemodellierung HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

14. Verbindung zur Systemsimulation • K-Modell: Mathematisches Modell zur Abbildung von linearen und nichtlinearem Verhalten von Front-Ends • Anbindung an Datenflußsimulator SPW • Extraktion der K-Modelle aus Schaltung mittels SpectreRF • Bisherige Vergleiche mit detaillierten Analogsimulationen zeigen geringe Abweichungen • Bei UMTS-Demonstrator Vergleich Simulation vs. Messung HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

15. Demonstratoren I Überprüfung verschiedener Projektergebnisse (Pegelplan, parametrisierte HF-Modellschablonen, Generierung von k-Modellen, Gehäuse-modellierung, ...) anhand zweier Demonstratoren. Chipfoto UMTS-Demonstrator KMU-Demonstrator HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

16. Demonstratoren II HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

17. Verwertungsmatrix HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

18. Öffentlichkeitsarbeit • Web-Server • http://www.nst.ing.tu-bs.de/Projekthomepage • Konferenzen und Seminare • 3 SSE Workshops • Statusseminare • Analog 99 • Abschlußpräsentation auf ITG-Workshop • Veröffentlichte Arbeiten • Zahlreiche Präsentationen auf nationalen und internationalen Symposien und Workshops u.a. • Midwest Symposium on Circuits and Systems • Radio Solution Conference '99 ,Birmingham • International Symposium on Microelectronics and Assembly, Singapur • Same 2000, Forum on Microelectronics, Sophia Antipolis / Aix en Provence HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000

19. Zusammenfassung • Verbesserung der Durchgängigkeit von der Spezifikation über den System- bis zum Schaltungsentwurf • Steigerung der Effektivität durch Wiederverwendungs- und Auswahlverfahren und parametrisierbare Modellbibliotheken • Senkung des manuellen Modellierungsaufwands durch automatische Generierungsverfahren • Erfassung und Einbeziehung parasitärer Einflüsse (vor allem Rauschen, Gehäuse, Temperatur- und Betriebsspannungsabhängigkeiten) • Automatisierung der Parametrisierung von Systemmodellen der HF-Schaltungen durch Charakterisierungsumgebungen HF-Front-Ends Abschlußworkshop ITG-Workshop, Darmstadt, 21.11.2000