MATLAB und Simulink für Mixed-Signal-Systeme

Analyse, Design und Verifikation von Analog- und Mixed-Signal-Systemen

Verwenden Sie MATLAB® und Simulink® für verhaltensbasierte Modellierung, schnelle Designuntersuchungen, Analysen vor Beginn des Entwurfs und Verifikation von Mixed-Signal-Systemen.

Um mit dem Entwurf von integrierten Mixed-Signal-Schaltkreisen (ICs) zu beginnen, können Sie Modelle von PLLs und ADCs aus dem Mixed-Signal Blockset™ verwenden. Diese Grundbausteine werden mithilfe der Parameter aus Datenblättern charakterisiert und beinhalten auch parasitäre Effekte. Integrierte Analysewerkzeuge und Testumgebungen mit der Möglichkeit der Messung charakteristischer Parameter helfen Ihnen, den Verifikationsaufwand zu reduzieren.

Für den Entwurf und die Analyse von Hochgeschwindigkeitsverbindungen wie PCI Express®, USB, DDR und Ethernet können Sie die SerDes Toolbox™ verwenden, um Ihr Kanalentzerrungsschema zu erstellen und zu bewerten und automatisch IBIS-AMI-Modelle für die Kanalsimulation zu generieren.

Mit MATLAB und Simulink ist Folgendes möglich:

  • Erstellung von Verhaltensmodellen für PLLs, DACs, ADCs, SerDes, Schaltnetzteilen (Switched Mode Power Supply, SMPS) und andere Mixed-Signal-Systeme
  • Bewertung von Kompromissen beim Analog-Digital-Design nach einer Top-Down-Entwurfsmethodik
  • Verknüpfung von Modellen auf Systemebene mit EDA-Werkzeugen durch Co-Simulation oder durch Erstellung von SystemVerilog-Modulen und IBIS-AMI-Modellen
  • Verifikation von Designs einschließlich analoger/digitaler Hardware und Steuerungslogik vor der Herstellung von Testchips

„Simulationen auf Schaltkreisebene dauerten früher drei Tage. Mit MATLAB und Simulink haben wir die Simulationszeit auf nur eine Minute reduziert.“

Jun Uehara, Epson Toyocom

Verwendung von MATLAB für den Entwurf von Mixed-Signal-Systemen

Analyse von Mixed-Signal-Systemen

Auf der höchsten Abstraktionsebene können Sie mit MATLAB grundlegende Systemarchitekturen analysieren, um beispielsweise folgende Fragen zu beantworten: Ist ein Sigma-Delta-Modulator zweiter oder dritter Ordnung besser geeignet? Welche Art von PLL ist am besten? Was sagen die Bode-Diagramme über die Systemstabilität aus?

Nutzen Sie Analysewerkzeuge in MATLAB und Simulink, um mögliche Entwurfsalternativen zu erkunden und den besten Ausgangspunkt für Ihr Design zu finden. Beispielsweise verwendet das Mixed-Signal Blockset Funktionalitäten von MATLAB, um statische Analysen des offenen und geschlossenen Regelkreises von PLLs durchzuführen und Schleifenfilter schneller zu entwickeln.

MATLAB bietet mehr Analyse- und Visualisierungsfunktionen als Tabellenkalkulationen und herkömmliche Programmiersprachen wie C/C++. Sie können jedoch Ihre vorhandenen Investitionen weiter nutzen: MATLAB arbeitet mit Microsoft® Excel® und C/C++ zusammen.

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Top-Down-Design von Mixed-Signal-Systemen

Verwenden und verfeinern Sie Verhaltensmodelle und Testumgebungen mit der Möglichkeit der Messung charakteristischer Parameter, um Design und Verifikation zu beschleunigen. In Simulink können Sie analoge Schaltkreise zusammen mit Steuerungslogik und digitaler Hardware auf verschiedenen Abstraktionsebenen simulieren.

Beschreiben Sie analoge Komponenten entweder mit zeitkontinuierlichen Signalen mittels Transferfunktionen oder mit Simscape Electrical™ zur Modellierung von Spannungen und Stromstärken und Komponenten wie RLC-Elementen, Operationsverstärkern und Schaltern.

Beschreiben Sie digitale Komponenten auf algorithmischer Ebene mit Gleitkommagenauigkeit, oder führen Sie bitgenaue Simulationen mit Festkommadatentypen beliebiger Länge durch, einschließlich Quantisierungs- und Sättigungseffekten. Generieren Sie zum Schluss synthetisierbaren HDL-Code, um ASICs und FPGAs als Zielhardware zu verwenden.

Modellieren Sie Steuerungslogik und Zustandsautomaten auf algorithmischer Ebene mithilfe von MATLAB-Funktionen oder Stateflow®. Sie können Festkommadatentypen verwenden und entscheiden, ob Sie C/C++-Code für eingebettete, Mikrocontroller basierte Systeme generieren, oder synthetisierbaren HDL-Code für ASICs und FPGAs.

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Verifikation von Mixed-Signal-Systemen

Modelle auf Systemebene müssen mit den nächsten Phasen des Designablaufs verknüpft werden. Sie haben verschiedene Möglichkeiten, Ihre MATLAB- und Simulink-Modelle als Testumgebung für SPICE-Modelle, HDL-Code oder Hardware zu verwenden.

Bei der Co-Simulation werden unterschiedliche Simulationswerkzeuge zur Laufzeit miteinander verknüpft. In jedem Simulationszeitschritt werden Daten zwischen den Werkzeugen ausgetauscht. Dadurch können sie im Verbund die verschiedenen Komponenten eines Modells auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen und unter Nutzung verschiedener Simulationsmethoden simulieren. Im analogen Bereich bietet Cadence® Virtuoso® AMS Designer Co-Simulationsbrücken zu Simulink. Im digitalen Bereich bietet HDL Verifier™ für In-the-Loop-Tests Verknüpfungen mit HDL-Simulatoren von Drittanbietern und mit FPGA-Entwicklungsplattformen.

Für Regressionstests und zur Wiederverwendung in Umgebungen für die funktionale Verifikation können Sie MATLAB-Algorithmen und Simulink-Modelle als SystemVerilog-Module exportieren, welche die C-Schnittstelle von DPI nutzen.

Sie können Simulationsergebnisse auf Transistorebene mit MATLAB analysieren, um Daten effektiver zu visualisieren und um Verhaltensmodelle mithilfe von Techniken der Optimierung, des maschinellen Lernens oder des Deep Learning weiter zu verfeinern.

Die letzte Ebene der Verifikation von Mixed-Signal-Systemen bilden die Tests des Analog/Mixed-Signal-Bauteils im Labor. In dieser Phase können MATLAB und Simulink mit einer Vielzahl von Testgeräten kommunizieren. Dadurch können Sie Testaufbauten erstellen, die Testvektoren mittels Modelle erzeugen, Testgeräte steuern und die Ergebnisse analysieren.

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Phasenregelkreise

Modelle auf Transistorebene sind genau, aber beim Design von Phasenregelkreisen (Phase-Locked Loops, PLLs) sehr langsam. Die Rückkopplungsschleife erfordert oft lange Simulationen zur Erfassung der Sperrzeit und kleine Simulationszeitschritte zur genauen Vorhersage der Phasenrauscheffekte. Simulink und Mixed-Signal Blockset verwenden einen Solver mit variabler Schrittweite, der eine sehr schnelle PLL-Simulation ohne die Notwendigkeit einer Überabtastung ermöglicht.

Simulink wird seit Langem für den Entwurf von Regelkreisen verwendet und bietet eine Simulationsmethode, die Systeme mit Rückkopplungsschleifen äußerst effizient simulieren kann. Dank der Kombination aus verhaltensbasierter Modellierung und einem schnelleren Ansatz für die Simulation können Ingenieure die Simulationszeiten für PLL-Designs von Tagen auf Stunden oder Minuten verkürzen.

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Datenwandler (ADCs/DACs)

Die Fähigkeit, zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Signale schnell zu simulieren, ist der Schlüssel zum Entwurf und zur Verifikation von Analog-Digital-Wandlern (ADCs). Da Simulink die Modellierung analoger und digitaler Hardware in derselben Umgebung ermöglicht, können Sie einen ADC in einem Bruchteil der Zeit entwerfen, die Sie mit SPICE-basierten Werkzeugen benötigen.

Das schnelle ADC-Design mit Simulink ermöglicht schnellere Parametervariationen.  Ingenieure können daher detaillierte Verifikationen in kürzerer Zeit durchführen. Mithilfe von Testumgebungen des Mixed-Signal Blockset können Sie die integrale und differenzielle Nichtlinearität und die Rauschleistung schnell beurteilen.

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SerDes und Hochgeschwindigkeitsverbindungen

Serielle SerDes- und parallele DDR-Entzerrungssysteme, die mit hohen Datenraten arbeiten, können die Analyse und Simulation sehr verlangsamen. Dies gefährdet die Projektlieferzeiten und begrenzt den möglichen Umfang von Designuntersuchungen.

Mit der SerDes Designer-App können Sie beliebige Hochgeschwindigkeitskanal-Entzerrungsschemas in wenigen Minuten analysieren, einschließlich verschiedener Architekturen für die Präemphase und Vorentzerrung, und dabei wahlweise NRZ- oder PAM4-Signale verwenden. Aus der App können Sie automatisch Simulink-Modelle generieren, um die adaptiven Entzerrungsalgorithmen weiter zu verfeinern, oder Sie können von Ihrem eigenen Modell ausgehen und Ihre proprietären Algorithmen hinzufügen. Für die Systemintegration und Kanalverifikation können Sie mit der SerDes Toolbox automatisch duale IBIS-AMI-Modelle generieren.

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