Application specific analysis methods for complex electronic and electric systems

Beyerstedt, Christoph; Heinen, Stefan; Gemmeke, Tobias

doi:10.18154/RWTH-2023-04198

Application specific analysis methods for complex electronic and electric systems

Beyerstedt, Christoph^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Beyerstedt, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heinen, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Gemmeke, Tobias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-09-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-04198
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/956476/files/956476.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Analogschaltungen (616110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
SystemVerilog (frei) ; integrated circuits (frei) ; mixed-signal (frei) ; sneak-circuit analysis (frei) ; system modelling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Heutzutage werden vermehrt sogenannte mixed-signal System-on-Chips entworfen, die, neben einem großen Digitalteil, analoge und HF-Schaltungsteile auf einem Stück Silizium vereinen. Eine der größten Herausforderungen im Entwicklungsprozess ist die Verifikation der Funktionalität und eine Abschätzung der Performance des Systems. Zwar gibt es für rein digitale Schaltungen effiziente Analysemethoden, aber für mixed-signal Systeme stecken vergleichbare Verfahren noch in den Kinderschuhen. Ein Ziel dieser Arbeit liegt deshalb in der Entwicklung von effizienten Methoden zur Modellierung und Simulation von analogen und mixed-signal Schaltungen unter Verwendung eines ereignisgesteuerten Simulators. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Verwendung von geeigneten Signaldarstellungen, die eine effiziente Simulation ermöglichen. Des Weiteren werden im Rahmen der Dissertation Ansätze zur Modellierung linearer und nichtlinearer Schaltungen behandelt. Besonders bei der Darstellung von analogen Filtern werden unterschiedliche Ansätze entwickelt und diskutiert. Im Bereich der Modellierung von nichtlinearen Systemen werden block-orientierte Modelle zur Beschreibung der HF-Schaltungen in Hinblick auf Kompressions- und Intermodulationseffekte sowie der Einfluss von Versorgungsspannungsrauschen auf den Signalpfad untersucht. Ferner wird in dieser Arbeit ein Konzept für eine Rauschsimulation vorgestellt, welches auf die bereits bestehenden Modelle aufbaut und ohne großen Aufwand in die ereignisgesteuerte Simulationsmethodik integriert werden kann. Die vorgestellten Methoden und Verfahren werden beispielhaft an einem am Lehrstuhl entworfenen HF-Transceiver ICs angewendet und die Ergebnisse, sowie Vor- und Nachteile werden aufgezeigt. Neben integrierten Schaltungen hat auch die Automobilbranche in den vergangenen Jahrzehnten einen gewaltigen Anstieg an Komplexität zu verzeichnen. Durch die zunehmende Elektrifizierung der Fahrzeuge werden auch in diesem Umfeld neue Analysemöglichkeiten gefordert, um die Komplexität der Fahrzeugelektronik effizient zu analysieren. Methoden zur Analyse und Optimierung des Kabelbaums stehen im Fokus des zweiten Teils dieser Arbeit. Da einige Fehlerfälle schwer mit konventionellen Methoden aufzudecken sind, benötigt es neue Konzepte, die sowohl zuverlässig sind als auch in kurzer Zeit das Kabelbaumdesign bewerten.

Nowadays, so-called mixed-signal system-on-chips are increasingly being designed, which, in addition to a large digital part, combine analog and RF circuit parts on one piece of silicon. One of the biggest challenges in the development process is the verification of the functionality and an estimation of the performance of the system. Although efficient analysis methods exist for purely digital circuits, comparable methods for mixed-signal systems are still missing. Therefore, one aim of this work is to develop efficient methods for modelling and simulating analog and mixed-signal circuits using an event-driven simulator. An important aspect is the use of suitable signal representations that enable efficient simulation. Furthermore, the dissertation deals with approaches for modelling linear and non-linear circuits. Especially in the representation of analog filters, different approaches are developed and discussed. In the area of modelling non-linear systems, block-oriented models for describing RF circuits are examined with regard to compression and intermodulation effects as well as the influence of supply voltage noise on the signal path. Furthermore, a concept for a noise simulation is presented in this work, which is based on the already existing models and can be integrated into the event-driven simulation methodology with low effort. The presented methods and procedures are applied to an RF transceiver IC designed at the chair and the results and advantages and disadvantages are shown. In addition to integrated circuits, the automotive industry has also seen a huge increase in complexity over the past decades. Due to the increasing electrification of vehicles, new analysis methods are also required in this area to efficiently analyse the complexity of vehicle electronics. Methods for analysing and optimising the wiring harness are the focus of the second part of this thesis. Since some faults are difficult to detect with conventional methods, new concepts are needed that are both reliable and evaluate the wiring harness design in a short time.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)