Entwurf integrierter Schaltungen I - Cheatsheet

Definition und Geschichte der integrierten Schaltungen

Definition:

Definition: Integrierte Schaltungen (ICs) sind elektronische Bauteile, die zahlreiche elektronische Komponenten wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren auf einer einzigen Halbleiterplatte integrieren.

Details:

• Erfinder: Jack Kilby (Texas Instruments) und Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) in den späten 1950er Jahren
• 1958: Jack Kilby entwickelt den ersten funktionierenden IC
• 1960: Robert Noyce entwickelt monolithisches IC unter Verwendung von Silizium-Scheiben
• Fortschritte in Fertigungstechniken führten zu höherer Bauelementedichte und Leistungsfähigkeit
• Integrationstypen: SSI (Small-Scale Integration), MSI (Medium-Scale Integration), LSI (Large-Scale Integration), VLSI (Very-Large-Scale Integration), ULSI (Ultra-Large-Scale Integration)
• Moores Gesetz: Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelt
• Anwendungen: Computer, Smartphones, Automobilelektronik, Medizingeräte, uvm.

Unterschiede zwischen analogen und digitalen Schaltungen

Definition:

Unterschiede zwischen analogen und digitalen Schaltungen: Grundlegende Unterschiede in der Verarbeitung und Darstellung von Signalen.

Details:

• Analoge Schaltungen: Arbeiten mit kontinuierlichen Signalen, z.B. Spannungen oder Ströme, die jeden Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs annehmen können.
• Digitale Schaltungen: Arbeiten mit diskreten Signalen, typischerweise binären Zuständen (0 und 1).
• Analoge Schaltungen: Empfindlich gegenüber Rauschen und Störungen, benötigen präzise Komponenten und Kalibrierung.
• Digitale Schaltungen: Robust gegenüber Rauschen und Störungen, ermöglichen einfache Vervielfältigung und Fehlerkorrektur.
• Wichtige Kennzahlen: ADC (Analog-Digital-Umsetzer) und DAC (Digital-Analog-Umsetzer) für die Signalumwandlung.
• Digitale Systeme: Vorteilhaft in der Informationsverarbeitung und Speicherung, z.B. in Computern und digitalen Netzwerken.
• Analoge Systeme: Vorteilhaft in der direkten Signalverarbeitung, z.B. Audioverstärker oder Radios.

Grundlagen der CMOS-Technologie

Definition:

CMOS-Technologie kombiniert p- und n-Kanal MOSFETs zur Schaltung von Logikpegeln bei geringem Stromverbrauch.

Details:

• p-Kanal MOSFETs: Schalten bei hoher Spannung ein
• n-Kanal MOSFETs: Schalten bei niedriger Spannung ein
• Vorteile: geringer Ruhestrom, hohe Schaltgeschwindigkeit, hohe Packungsdichte
• Nachteil: empfindlich gegenüber Strahlung
• Schaltung: CMOS-Inverter als grundlegende CMOS-Gatter
• Formeln: Übergangswiderstände und Timing

Verwendung von Simulationstools wie SPICE

Definition:

Verwendung von Simulationstools wie SPICE zur Analyse und Verifikation von integrierten Schaltungen.

Details:

• SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) dient zur Simulation analoger und digitaler Schaltkreise.
• Ermöglicht präzise Analyse von Schaltungseigenschaften (z.B. Spannungen, Ströme).
• Eingabe über Netzlisten, Ausgabe in Form von Wellenformen und numerischen Daten.
• Kritisch für das Design von integrierten Schaltkreisen, um Fehler vor der Produktion zu identifizieren.
• Unterstützt verschiedene Analysen: DC, AC, Transient, Rauschen, etc.

Strategien zur Fehlerdiagnose

Definition:

Vorgehen zur Identifikation und Analyse von Fehlern in integrierten Schaltungen.

Details:

• Visuelle Inspektion: optische Überprüfung von Schaltungen.
• Elektrische Tests: Nutzung von Oszilloskopen, Multimetern etc.
• Simulation: Fehlergröße durch Testvektoren in Simulationsumgebungen identifizieren.
• Logikanalyse: Einsatz von Logikanalysatoren zum Überwachen digitaler Signale.
• Boundary-Scan-Test: JTAG-Technik zur Diagnose von Verbindungs- und Integritätsfehlern auf Baustein- und Board-Ebene.
• Failure Mode and Effect Analysis (FMEA): Strukturierte Analyse möglicher Fehler und deren Auswirkungen.

Rauschunterdrückung und Signalverstärkung

Definition:

Rauschunterdrückung minimiert unerwünschte Störungen; Signalverstärkung hebt schwache Signale an.

Details:

• Rauschunterdrückung: Einsatz von Filtern (z.B. Tiefpass, Hochpass), verwendet Operationsverstärker zur Glättung.
• Signalverstärkung: Nutzung von Verstärkern wie Transistoren oder Operationsverstärkern, Verstärkungsfaktor \(A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}}\), wichtig für analoge Signale.
• Rauschabstand (SNR): \[ \text{SNR} = 10 \log \left( \frac{P_{Signal}}{P_{Rauschen}} \right) \space \text{dB} \], bewertet Signalqualität.
• Wichtige Kenngrößen: Bandbreite, Verzerrungsrate, Verstärkungsbandbreite-Produkt (GBW).
• Negative Rückkopplung: Stabilisiert Verstärkung, reduziert Verzerrung und erhöht Bandbreite.

Skalierungsgesetze und ihre Bedeutung

Definition:

Skalierungsgesetze beschreiben, wie die physikalischen Eigenschaften von Transistoren und integrierten Schaltungen (ICs) mit der Miniaturisierung (Skalierung) von Halbleitertechnologien variieren.

Details:

• Moore's Law: Verdopplung der Transistordichte ca. alle 2 Jahre.
• Dennard Scaling: Power Density bleibt bei Skalierung konstant, aber nur bis zu einer bestimmten Grenze wirksam.
• Auflösung technologischer Herausforderungen: Abnahme der Transistorgeschwindigkeit, Leckströme und Wärmeprobleme.
• Wichtige Parameter: Gate-Länge, Oxiddicke, Versorgungsspannung.

Einsatz von CAD-Tools im Schaltkreisentwurf

Definition:

Verwendung von Computer-Aided Design (CAD)-Tools zur Unterstützung des Entwurfs und der Optimierung von Schaltkreisen.

Details:

• Automatisierte Schaltplanerstellung und Layout-Synthese
• Simulation von Schaltkreisverhalten
• Verifikation und Validierung von Schaltungen
• VHDL/Verilog-Unterstützung für Hardware-Beschreibungen
• Timing-Analyse und Leistungsoptimierung
• Design Rule Checking (DRC) und Layout-Versus-Schematic (LVS) Checks