Entwurf integrierter Schaltungen I - Cheatsheet

Minimierung und Optimierung von Logikgattern

Definition:

Reduktion der Anzahl der benötigten Logikgatter und Optimierung der Schaltung für geringeren Ressourcenverbrauch und höhere Effizienz

Details:

• Ziel: Minimierung der Anzahl der benötigten Gatter zur Realisierung einer Schaltung
• Verwendung von boolescher Algebra zur Vereinfachung von logischen Ausdrücken
• Karnaugh-Karte (K-Map) zur grafischen Vereinfachung von Logikfunktionen
• Quine-McCluskey-Verfahren für systematische Vereinfachung
• Reduzierung der Latenz durch Optimierung der kritischen Pfade
• Vermeidung von Hazard in zeitlich kritischen Anwendungen
• Beachtung der physikalischen Layout-Beschränkungen bei der Optimierung

Verwendung von Karnaugh-Diagrammen zur Vereinfachung

Definition:

Verwendung von Karnaugh-Diagrammen zur Vereinfachung: Methode zur Minimierung logischer Ausdrücke in Schaltkreisen, graphisch basierte Darstellung.

Details:

• Graphische Darstellung logischer Funktionen.
• Ermöglicht Gruppenbildung um Terme zu minimieren (2er-, 4er-, 8er-Gruppen usw.).
• N verwendet für N-Variablen (z.B. 4x4 Gitter für 4 Variablen).
• Ziel: Minimaler DNF oder KNF Ausdruck.
• Reduziert Fehler durch visuelle Methode im Vergleich zu algebraischen Methoden.
• Wahrheitstabelle als Basis.

Funktionsweise von nMOS- und pMOS-Transistoren

Definition:

nMOS- und pMOS-Transistoren sind die grundlegenden Bauelemente in CMOS-Technologien. Sie arbeiten als elektronische Schalter und Verstärker.

Details:

• nMOS: Leitet Strom, wenn positive Spannung am Gate, Source meist an Masse.
• pMOS: Leitet Strom, wenn negative Spannung am Gate, Source meist an VDD.
• Arbeitsbereiche: Sperrbereich, lineare Bereich, Sättigungsbereich.
• Schaltverhalten: Schaltet bei V_GS größer (nMOS) bzw. kleiner (pMOS) als die Schwellen-Spannung V_th.
• Formeln: Drainstrom im Sättigungsbereich: \( I_D = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{th})^2 \) (nMOS)

Timing-Analyse und Synchrone vs. Asynchrone Systeme

Definition:

Analyse der Signallaufzeiten in integrierten Schaltungen. Vergleich der Vor- und Nachteile synchroner und asynchroner Systeme.

Details:

• Synchrone Systeme: Alle Komponenten arbeiten gemeinsam nach einem globalen Takt.
• Asynchrone Systeme: Komponenten arbeiten unabhängig und kommunizieren über Handshake-Mechanismen.
• Berechnungen: Setup-Zeit, Hold-Zeit, Taktperiode (Taktperiode ≥ Setup-Zeit + Hold-Zeit + Laufzeit des kritischen Pfads).
• Vorteile synchron: Einfacheres Design, gut vorhersehbar.
• Nachteile synchron: Takt-Skew, höherer Energieverbrauch.
• Vorteile asynchron: Flexibler, effizienter Energieverbrauch, weniger Takt-Skew-Probleme.
• Nachteile asynchron: Komplexeres Design, schwieriger zu testen, weniger verbreitet.

Operationsverstärker und ihre Anwendungen

Definition:

Operationsverstärker sind Differenzverstärker mit hoher Verstärkung, die in Regelungs- und Verstärkungsschaltungen verwendet werden.

Details:

• Hohe Verstärkung: \(A_V \rightarrow \infty\)
• Ideale Eigenschaften: \(R_{in} \rightarrow \infty\), \(R_{out} \rightarrow 0\)
• Anwendungen: Signalverstärkung, Filterschaltungen, mathematische Operationen wie Integration und Differentiation
• Wichtige Konfigurationen: invertierend, nicht-invertierend, Differenzierer, Integrator

Techniken zur Rauschminderung und Signalverstärkung

Definition:

Techniken zur Reduzierung von Störsignalen und zur Erhöhung der Verstärkung bei integrierten Schaltungen.

Details:

• Aktive Filter: Unterdrückung unerwünschter Frequenzen, z.B. Tiefpass-, Hochpassfilter.
• Differenzielle Verstärkung: Bekämpfung von Rauschkomponenten durch Subtraktion der Signale.
• RAUSCHSPANNUNG: Reduktion der Rauschspannungen durch Spitzennormalisierung (REM/NOR).
• Rauscharme Verstärker: Einsatz von Verstärkern mit geringem Eigenrauschen wie Low-Noise Amplifiers (LNAs).
• Erhöhung der Linearität: Linearisierung von Verstärkerschaltungen zur Minimierung von Verzerrungen.
• Regenerative Feedback-Schaltungen: Nutzung von Rückkopplung zur Rauschunterdrückung.
• Signalmodulation: Nützlich bei Übertragungen zur Unterscheidung von Nutz- und Störsignalen.
• Schirmung und Erdung: Physikalische Maßnahmen zur Reduzierung elektrischer Störungen.

Verkabelungsstrategien und Layout-Optimierung

Definition:

Optimierung der Platzierung und Verkabelung von Schaltungen zur Verbesserung der Leistung, Minimierung der Fläche und Reduzierung des Energieverbrauchs.

Details:

• Ziel: Minimierung der Interconnect-Länge und Reduzierung der Anzahl der Kreuzungen.
• Heuristische Methoden, z.B. Simulated Annealing.
• Algorithmische Methoden, z.B. Steiner-Baum-Algorithmen.
• Verwendung von EDA-Tools (Electronic Design Automation).
• Vermeidung parasitärer Effekte.
• Aufteilung in mehrere Metall-Lagen.

Fehlererkennung und -korrektur in digitalen Systemen

Definition:

Nötig für zuverlässige Datenübertragung und -speicherung in digitalen Systemen.

Details:

• Fehlererkennung erfolgt durch Codes wie Paritätsbits, Prüfwort und zyklische Redundanzprüfung (CRC).
• Paritätsbits: Ergänzen Datenwörter, um gerade oder ungerade Parität zu gewährleisten.
• Prüfwort: Multibit-Fehlerschutz durch Checksumme, z.B. Hamming-Code.
• CRC: Polynom-Division-basierte Methode zur Fehlererkennung bei Datenübertragungen.
• Fehlerkorrektur: Aufwand steigt mit Anforderung, einfache Korrektur durch Hamming-Code, komplexere durch Reed-Solomon und BCH-Codes.
• Hamming-Code: Detektiert und korrigiert Einzelbit-Fehler, erkennt Doppelbit-Fehler.
• Reed-Solomon und BCH: Mehrbit-Fehlerkorrektur, benutzt in Speichermedien und Kommunikationssystemen.
• Formeln: Paritätsbit \(\text{P} = \bigoplus_{i=1}^{n}\text{D}_i\), Hamming-Distanz \(\text{d}_{\text{min}} = k\).