Pri načrtovanju analognih (integriranih) vezij nam
računalnik služi kot orodje za analizo vezij,
določanje karakteristik in lastnosti vezij. Z
rastjo računske moči osebnih računalnikov se je
analiza razvila iz pripomočka, ki ga je bilo
mogoče uporabljati le z najzmogljivejšimi
delovnimi postajami, v splošno uporabljeno orodje
[1]. Razvito je bilo mnogo simulacijskih orodij.
Eno od njih je programsko orodje SPICE in je
namenjeno analizi analognih vezij. Razvito je bilo
na kalifornijski univerzi Berkeley v letih 1972 do
1992, ko je bila objavljena zadnja uradna
različica 3f4, razvoj pa je bil ustavljen.
Originalna izvorna koda, pisana v okolju UNIX, je
javna last. Berkeleyevo izvorno kodo brez ali z le
manjšimi spremembami uporabljajo v svojih izdelkih
mnogi komercialni ponudniki SPICE-a.
Ena od različic SPICE-a je tudi SPICE OPUS [2,3],
ki se razvija na Fakulteti za elektrotehniko
Univerze v Ljubljani. Prilagojen je za uporabo na
osebnih računalnikih z operacijskimi sistemi
Windows in Linux.
Naslednji korak v razvoju orodij za načrtovanje
integriranih vezij je optimizacija, ki zahteva
veliko računsko moč in posledično tudi veliko
analiz vezij. Optimizacija je postopek, pri
katerem s spreminjanjem določenih parametrov vezja
dosežemo izboljšanje vezja oz. izpolnitev
načrtovalčevih zahtev, ki naj jih ima vezje [4].
Nekakšno optimizacijo pri svojem delu izvaja
takorekoč vsak načrtovalec integriranih vezij.
Običajno je to spreminjanje parametrov vezja na
podlagi načrtovalskih izkušenj, ki jih načrtovalec
pridobi pri svojem delu.
Za avtomatizirano optimizacijo integriranih vezij
tudi obstaja nekaj računalniških orodij. Uporaba
teh orodij je dokaj omejena zaradi velike računske
moči, ki je potrebna za optimizacijo. SPICE OPUS
poleg analize ponuja tudi optimizacijo
integriranih vezij, ki jo je mogoče poganjati
vzporedno na več računalnikih hkrati. Zaradi tega
so lahko optimizacijski
problemi rešeni v doglednem času [1].
Odvisno od lastnosti vezja in zahtev, ki jih
želimo z optimizacijo doseči, se znotraj
optimizacijske zanke izvajajo različne analize in
meritve vezja z različnimi vrednostmi parametrov.
Analize izračuna enosmerne delovne točke,
enosmerne prenosne funkcije, izračun diferencialne
prenosne funkcije, izmenične analize,
diferencialne občutljivosti, analize popačenja,
šumne analize in analize polov in ničel niso
problematične, saj se izvedejo hitro, na
povprečnem današnjem računalniku v nekaj
desetinkah sekunde ali še hitreje (odvisno od
vezja, ki ga analiziramo). Računsko najbolj
zahtevna je pa časovna analiza. Le-ta za določena
vezja, ki imajo dolge prehodne pojave, traja tudi
nekaj minut ali celo več ur. Če je tako vezje
potrebno še optimizirati, lahko za tipično nekaj
deset tisoč iteracij optimizacijskega postopka,
tudi ob uporabi več računalnikov hkrati,
optimizacija traja več mesecev.
Vezja, pri katerih so prehodni pojavi zelo dolgi,
imajo najmanjše časovne konstante zelo velike v
primerjavi s periodo signalov, ki v teh vezjih
nastopajo. Zaradi majhne periode signalov oz.
velike frekvence mora biti računski korak
tranzientne analize ustrezno majhen, hkrati moramo
vezje analizirati več tisoč ali celo deset tisoč
period signalov v vezju, kar ustreza nekaj deset
periodam najmanjše časovne konstante vezja, da
prehodni pojavi izzvenijo. Zaradi numeričnih napak
mora biti časovni korak analize ustrezno majhen,
ne pa tudi premajhen, kar bi še dodatno podaljšalo
izračun tranzientne analize. Opisani problemi so
prisotni npr. pri ozkopasovnih filtrih in
ojačevalnikih, preklopnih napajalnikih, filtrih SC
(Switched-Capacitors), mešalnikih, oscilatorjih,
RF usmerniških vezjih.
Iz zgoraj opisanega sledi, da je potrebno za
izračun tranzientne analize vzeti med 100 in 1000
točk na periodo signalov v vezju in vezje
analizirati več 1000 period signalov v vezju. Za
določena vezja je potrebno za izračun tranzientne
analize in za izračun stanja vezja po prehodnem
pojavu (stacionarno stanje) izračunati tudi preko
milijon časovnih točk. Odvisno od obširnosti vezja
zato lahko tak izračun traja tudi več minut ali
celo ur.
Praktično za optimizacijo vezij, če potrebujemo
izračun stacionarnega stanja, pomeni, da enkratni
izračun stacionarnega stanja ne sme trajati več
kot nekaj sekund, v najslabšem primeru nekaj
minut, če hočemo ob npr. nekaj tisoč iteracijah
optimizacijske zanke rezultate optimizacije v
nekaj dneh. Zato je potrebno najti način, s
katerim bi pohitrili izračun
stacionarnega stanja.
Mentor: prof. dr. Tadej Tuma
|
Borut Wagner (64980182)
datum 28.03.2008
|