Simulation Elektrischer Schaltungen Auf Dem Rechner

ISBN-13: 9783540157359 / Niemiecki / Miękka / 1985 / 402 str.

Ernst-Helmut Horneber

Opis

fiji t der !: Jei terenwicklung der Mikroelektronik gewinnt die Simulation integrierter Schaltungen auf dem Rechner zuneh mend an Bedeutung.; Jahrend fur Schal tungen mit einigen hun dert Transistoren nach wie vor die klassischen Netzwerkana lyseverfahren eingesetzt werden, wurden seit etwa zehn Jah ren neue Verfahren entwickelt, die eine Simulation groBer Schaltungen mit einigen tausend Transistoren gestatten. Die se neuen Verfahren und die damit entwickelten Simulations programme wurden groBtenteils in englischsprachigen Fachar tikeln beschrieben. Das vorlie ende Buch ist ein Versuch, neben den klassi3chen Verfahren auch die neuen Verfahren der Timing-, Mixed-Mode-, Swi tch-JJevel-Logik-Simulation und der 'llaveform-Relaxation in einheitlicher Form darzustellen. Da sich bei einigen der neuen Verfahren erst in der Praxis erweisen muB, ob sie den Anforderungen bezuglich Simulationsgeschwindigkeit und -ge nauigkei t genugen, wurde \'eniger, 'lert auf die Darstellung implementierungsspezifischer Details gelegt, als vielmehr auf die Darstellung der zugrundeliegenden Prinzipien. Entstanden ist dieses Buch aus einer Vorlesung, die ich an der Universitat Kaiserslautern halte. Der vorliegende Band ist jedoch nicht nur als Lehrbuch, sondern auch als Hilfe fur den praktischen Einsatz von Simulationsprogrammen ge dacht. Zu diesem Zweck wurden Hinweise aufgenommen, wie 3chwie rickeiten behoben werden konnen, die erfahrungsgemaB bei der Amvendung von 3imulationsprogrammen auftreten. Neben den deutschen Bezeichnungen wird die englische Terminologie auf gefUhrt, urn zusammen mit zahlreichen Literaturverweisen den Zugang zu weiterfuhrender Literatur Zu erleichtern. Beweise von Satzen 1Ilerden nur dann gebracht, wenn die Beweisfuhrung VI das Verstandnis des beschriebenen Sachverhalts unterstutzt; andernfalls wird auf entsprechende Literaturstellen verw- sen."

Spis treści

1 Überblick über den Entwurf integrierter Schaltungen.- 1.1 Entwicklung der Technologie und Schaltungstechnik.- 1.2 Entwurfsverfahren.- 1.3 Entwurfsunterstützung durch Rechnerprogramme.- 2 Leistungsumfang von Netzwerkanalyseprogrammen.- 2.1 Analysearten.- 2.1.1 Gleichstrom (DC) — Analyse.- 2.1.2 Wechselstrom (AC) — Analyse.- 2.1.3 Rausch (Noise) — Analyse.- 2.1.4 Einschwing- oder Transient (TR) — Analyse.- 2.1.5 Steady — State — Analyse.- 2.1.6 Verzerrungs (Distorsion) — Analyse.- 2.1.8 Empfindlichkeits (Sensitivity) — Analyse.- 2.1.7 Symbolische Analyse.- 2.1.9 Statistische Analyse.- 2.1.10 Worst — Case — Analyse.- 2.1.11 Schaltungsoptimierung.- 2.1.12 Entwurfszentrierung (Design Centering).- 2.1.13 Toleranz — Zuordnung (Tolerance Assignment, Tolerancing).- 2.2 Aufbau eines Netzwerkanalyseprogramms.- 2.3 Zusammenstellung einiger Netzwerkanalyseprogramme.- 2.3.1 Programme für die Circuit — Simulation.- 2.3.2 Programme zur Timing-, Mixed — Mode- und Switch — Level — Logik — Simulation.- 2.4 Simulationsbeispiele.- 2.4.1 Simulation einer Verstärkerstufe mit SPICE2.- 2.4.2 Statistische Analyse mit SLICMC.- 3 Modellierung elektrischer Bauelemente.- 3.1 Modelle für Grundelemente.- 3.1.1 Widerstand.- 3.1.2 Kapazität.- 3.1.3 Induktivität.- 3.1.4 Unabhängige Quellen.- 3.1.5 Gesteuerte Quellen.- 3.2 Modelle für Dioden.- 3.2.1 Modellierung des statischen Verhaltens im Durchlaßbereich.- 3.2.2 Modellierung des statischen Verhaltens im Sperrbereich.- 3.2.3 Modellierung des dynamischen Verhaltens.- 3.2.4 Modellierung des Kleinsignal — Verhaltens.- 3.3 Modelle für Bipolartransistoren.- 3.3.1 Ebers — Moll — Modell.- 3.3.2 Gummel — Poon — Modell.- 3.4 Modelle für MOS — Feldeffekttransistoren.- 3.4.1 Aufbau und Funktion eines MOS — Feldeffekttransistors.- 3.4.2 Modellierung des statischen Verhaltens elektrisch langer Transistoren.- 3.4.3 Modellierung des statischen Verhaltens von Kurzkanal — Transistoren.- 3.4.4 Dynamische Modellierung und Ersatzschaltbilder.- 3.5 Makromodellierung.- 4 Netzwerkgraph und topologische Matrizen.- 4.1 Grundlegende Definitionen.- 4.2 Topologische Matrizen.- 4.2.1 Inzidenzmatrizen Aa und A.- 4.2.2 Fundamentalschleifenmatrix B.- 4.2.3 Fundamentalschnittmengenmatrix Q.- 4.2.4 Maschenmatrix M.- 4.2.5 Zusammenfassung.- 4.3 Generieren der topologischen Matrizen auf dem Rechner.- 4.3.1 Aufstellen der Inzidenzmatrix.- 4.3.2 Generieren eines Baumes.- 5 Anwendung der topologischen Matrizen zur Formulierung der Netzwerkgleichungen für lineare resistive Netzwerke.- 5.1 Knotenanalyse.- 5.2 Modifizierte Knotenanalyse.- 5.3 Maschenanalyse.- 5.4 Schleifenanalyse.- 5.5 Schnittmengenanalyse.- 5.6 Gemischte Analyse.- 5.7 Sparse — Tableau — Analyse.- 6 Gleichungsformulierung für die Wechselstromanalyse.- 7 Auflösung linearer Gleichungssysteme.- 7.1 Gleichungsauflösung durch Variablen — Elimination.- 7.1.1 Gauß — Algorithmus.- 7.1.2 LU — Zerlegung.- 7.1.3 Rechengenauigkeit.- 7.1.4 Nachiteration.- 7.2 Sparse — Matrix — Algorithmen.- 7.2.1 Verfahren zur Reduzierung des Rechenaufwands.- 7.2.2 Hinweise zum praktischen Einsatz der Verfahren.- 7.2.3 Datenstrukturen für dünn besetzte Matrizen.- 7.2.4 Generierung ausführbaren Programmcodes.- 7.2.5 Maßnahmen zur Beschleunigung der Gleichungsauflösung.- 8 Analyse nichtlinearer resistiver Netzwerke.- 8.1 Knotengleichungen nichtlinearer resistiver Netzwerke.- 8.2 Fixpunkt — Iteration und Newton — Algorithmus.- 8.3 Linearisierung der Netzwerkgleichungen mit dem Newton — Algorithmus.- 8.4 Hinweise zur praktischen Anwendung des Newton — Algorithmus.- 8.4.1 Rückwirkung auf die Pivotsuche.- 8.4.2 Abbruchkriterien für die Newton — Iteration.- 8.4.3 Numerischer Überlauf.- 8.4.4 Konvergenzprobleme.- 8.4.5 Berechnung der Jacobimatrix.- 8.5 Weitere Verfahren.- 8.5.1 Verfahren mit Anpassung an die Elementecharakteristiken.- 8.5.2 Verfahren mit Approximation der Jacobimatrix.- 8.5.3 Verfahren mit höheren Ableitungen.- 8.5.4 Vorgehensweise bei stückweis linearer Modellierung.- 8.5.5 Abgekürzte Berechnung.- 9 Formulierung der Netzwerkgleichungen für dynamische Netzwerke.- 9.1 Formulierung von Algebro-Differentialgleichungen.- 9.2 Analyse dynamischer Netzwerke mit Zustandsgleichungen.- 9.2.1 Beschreibung dynamischer Netzwerke durch Zustandsgleichungen.- 9.2.2 Explizite Formulierung der Zustandsgleichungen für lineare Netzwerke.- 9.2.3 Auflösen der Zustandsgleichungen linearer Netzwerke.- 9.2.4 Formulierung von Zustandgleichungen für nichtlineare Netzwerke.- 10 Numerische Integration der Gleichungen dynamischer Netzwerke.- 10.1 Lineare Einschritt- und Mehrschrittverfahren.- 10.2 Diskretisierungsfehler und Konsistenzordnung.- 10.3 Stabilität.- 10.4 Steife Differentialgleichungen und steifstabile Verfahren.- 10.4.1 Die Gear — Verfahren und ihre Eigenschaften.- 10.4.2 Anwendung der Gear — Verfahren für Korrektor — Iterationen.- 10.5 Steuerung von Schrittweite und Konsistenzordnung.- 10.6 Integration von Algebro — Differentialgleichungen.- 10.7 Weitere Verfahren.- 10.8 Anwendung der Integrationsverfahren auf die Netzwerkelemente.- 11 Techniken zur Simulation sehr großer Netzwerke.- 11.1 Netzwerkpartitionierung und ihre Anwendung.- 11.1.1 Beschreibung großer Systeme.- 11.1.2 Dynamische Konturzerlegung.- 11.1.3 Zerlegung in unilaterale Teilnetzwerke durch Depth — First — Search.- 11.2 Relaxationsverfahren.- 11.2.1 Anwendung zur Lösung linearer Gleichungssysteme.- 11.2.2 Anwendung zur Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme.- 11.2.3 Anwendung zur Lösung von gekoppelten Differentialgleichungen.- 11.3 Makromodellierung digitalter Schaltungen.- 11.3.1 Anwendung und Klassifizierung von Makromodellen.- 11.3.2 Makromodellierung unilateraler Logikgatter in MOS — Technik.- 11.3.3 Makromodellierung bilateraler Elemente.- 11.4 Anwendung des Latenz-Prinzips.- 11.4.1 Latenz und Aktivität im Netzwerk.- 11.4.2 Ereignissteuerung durch den Scheduler.- 12 Programme zur Simulation sehr großer Netzwerke.- 12.1 Circuit — Simulation großer Netzwerke.- 12.1.1 Netzwerk — Zerlegung und Anwendung des Latenzprinzips.- 12.1.2 Anwendung des Newton — Verfahrens auf verschiedenen Ebenen.- 12.1.3 Parallele Teilnetzwerk — Simulation.- 12.2 Timing — Simulation.- 12.2.1 Verfahren der Timing — Simulation.- 12.2.2 Programme zur Timing — Simulation.- 12.2.3 Simulationsbeispiel.- 12.3 Mixed — Mode — Simulation.- 12.3.1 Verfahren der Mixed — Mode — Simulation.- 12.3.2 Programme zur Mixed — Mode — Simulation.- 12.3.3 Simulationsbeispiel für eine Multi — Level — Simulation.- 13 Switch — Level — Logik — Simulation.- 13.1.Verfahren der Switch — Level — Logik — Simulation.- 13.2 Programme zur Switch — Level — Logik — Simulation.- 13.3 Simulationsbeispiel.- 14 Waveform — Relaxation.- 14.1 Verfahren und Algorithmen.- 14.2 Anwendung der Waveform — Relaxation bei MOS — Schaltungen.- 14.3 Programme zur Simulation mit der Waveform — Relaxation.- 14.4 Simulationsbeispiel.