Analog-Mixed-Signal beherrschen

×

Das Zusammenspiel analoger und digitaler Schaltungen ist ein heikles Unterfangen. Um nun die korrekte Funktion solcher komplexen Systeme schon während des Entwurfs zuverlässig nachzuweisen, werden derzeit rechnergestützte Entwurfs- und Verifikationsmethoden erprobt.

Das Digitale Zeitalter frisst seine analoge Identität. Dabei sind analoge Schaltungen die technische Basis unter anderem für die heutige IT, wie sie etwa die Springer-Autoren Klaus Bressler und Rolf Martin in ihrem Buch „Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler“ in Kapitel „Analoge integrierte Schaltungen“ zeigen. Und ohne die sind ein „Internet der Dinge“, das „Smart Grid“, die „Industrie 4.0“ oder autonomes Fahren nicht vorstellbar. Die für diese Visionen nötigen Sensor-, Aktor- und Kommunikationssysteme bestehen aus eng verknüpften digitalen Hardware- und Softwarebausteinen sowie analogen-, Hochfrequenz- (RF) und Komponenten der Leistungselektronik.

In der Entwicklung ist allerdings das Zusammenspiel analoger und digitaler Schaltungen ein komplexes Unterfangen, deren fehlerfreies Funktionieren meist erst im Versuchsaufbau geprüft werden kann. Hilfreich wäre es, könnte die korrekte Funktion solcher komplexen Systeme schon während des Entwurfs zuverlässig nachgewiesen werden – etwa durch rechnergestützte Entwurfs- und Verifikationsmethoden. Diese kommen zwar heute bereits beim Entwurf einzelner Bausteine komplexer Elektroniksysteme zum Einsatz.

Doch „eine wesentliche Herausforderung im Entwurfsprozess besteht zunehmend in der Sicherstellung des korrekten Zusammenspiels sämtlicher Systemkomponenten unter allen möglichen Betriebszuständen und Umgebungsbedingungen“, betont Wolfgang Rosenstiel und erklärt, dass „dafür eine vorgegebene Testabdeckung (Coverage) aller relevanten Zustände des Gesamtsystems als Teil des Qualitätsmanagements im Entwurfsprozess garantiert werden muss.“. Rosenstiel ist Vorstandsvorsitzender des edacentrum, einer unabhängige Institution zur Unterstützung von Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet Electronic Design Automation (EDA).

Rechnergestützte Verifikationsmethoden analog-digitaler Schaltungen

Während für rein digitale Hardware/Software-Systeme bereits sogenannte Coverage-Methoden zur Verfügung stehen, existieren bislang kaum systematische Verfahren für Analogkomponenten und damit auch Systeme, die analoge Subsysteme enthalten. Das Kernproblem ist dabei, dass Zustandsräume analoger Schaltungen aufgrund ihrer kontinuierlichen Natur wesentlich schwerer zu beschreiben und zu analysieren sind. Die Korrektheit von analog/digitalen Systemen nachzuweisen heißt, auch das dynamische Verhalten des Gesamtsystems zu überprüfen. Letzteres entsteht durch das Zusammenspiel verschiedener Schaltungsteile und führt oft zu unerwünschten, sogenannten parasitären Effekten, die die Korrektheit gefährden. Dabei gilt es, Kopplungseffekte auf ganz unterschiedlichen Ebenen im Zusammenhang zu überprüfen.

Zusammen mit Partnern entwickelt Rosenstiel im Rahmen des kürzlich gestarteten Clusterforschungsprojekts ANCONA (Analog-Coverage in der Nanoelektronik) rechnergestützte Verfahren. Das Projekt befasst sich hierzu mit rechnergestützten Spezifikations-, Modellierungs- und Simulationsverfahren, die eine schnelle ebenenübergreifende Verifikation von Mixed-Signal/RF- und Smart-Power-SoC ermöglichen. Neben einer signifikanten Steigerung der Simulationsgeschwindigkeit ist dafür unter anderem eine für den Testfall angepasste Modellierung und Abstraktion erforderlich. Diese macht zum einen die Analog-Mixed-Signal- (AMS)-Komplexität beherrschbar und quantifizierbar. Zum anderen ermöglicht sie die frühzeitige Untersuchung der Wechselwirkungen der Subsysteme – etwa über Verkopplungen durch eine gemeinsame Spannungsversorgung, die auf Komponentenebene entstehen. Erst auf Systemebene können die störenden Auswirkungen der gekoppelten Subsysteme untersucht werden.