1.1 Begriffsbestimmung der Netzwerkanalyse
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Seit der ersten Verfügbarkeit von digitalen Rechenanlagen
ist es das Bestreben von Elektrotechnikern Rechner nicht nur
zu bauen sondern auch zum Entwurf von elektrischen Schaltungen
- und damit von Rechnern selber - und
zur Simulation des Verhaltens der Schaltungen einzusetzten.
Durch die Komplexität der heute verwendeten Schaltungen und der
Packungsdichte der eingesetzten integrierten Schaltungen
sind Werkzeuge zur Entwicklung von integrierten Schaltungen und
von gesamten Systemen nicht mehr wegzudenken.
Bevor diese Werkzeuge existierten wurden elektrische Schaltungen
in folgenden Schritten entwickelt:
- Entwurf der Schaltung
- Ermittlung der Werte der einzelnen Bauelemente aufgrund
der Erfahrung oder durch den Einsatz von bekannten oder abgeleiteten
Regeln
- Versuchsaufbau der Schaltung
- Testen des Versuchsaufbaus; Verifikation des Verhaltens der Schaltung
durch Messung der Signale in der Schaltung
- Bei Abweichungen vom gewünschten Verhalten Variation der
Bauteilparameter solange bis die Schaltung den Erwartungen gemäß
funktioniert
- Entwicklung des Gerätes für den praktischen Einsatz (die Produktion)
- Bau eines Prototyps
- Testen des Prototyps
- Entwurf solange abändern, bis das gewünschte Verhalten gegeben ist.
- Produktion der Schaltung bzw. des Geräts
Wenn man sich die Komplexität der heute erzeugten integrierten Schaltungen
mit mehr als einer Million Transistoren pro Schaltung und die für die
Erzeugung eines Halbleiterbauelements notwendige Zeit und Kosten vor Augen hält,
ist einem klar, daß obige Methode nur mehr sehr beschränkt anwendbar
ist.
Ein Großteil der oben angeführten Aktivitäten wird heutzutage mit
Unterstützung von elektronischen Rechenanlage durchgeführt.
Der Entwicklungsingenieur kann so sehr schnell Auswirkungen von Änderungen
der Schaltung erkennen und erspart sich auf diese Weise den oft sehr
kostspieligen und aufwendigen Bau oder die Änderung von Versuchaufbauten
oder Prototypen.
Diesen enormen Vorteil erkauft man sich jedoch auch durch einen Nachteil.
In Versuchsschaltungen sind bereits sämtliche Nebeneffekte enthalten,
die das Verhalten der Schaltung beeinflussen können, die bei der Simulation
infolge der nicht exakten Modelle meist nicht berücksichtigt werden.
Der grobe Ablauf der Entwicklung einer integrierten Schaltung und
einer Gesamtschaltung unter Einsatz von integrierten Schaltungen sind
in den Abbildungen 1.1 und 1.2 dargestellt.
Abbildung 1.1: Entwicklung einer (digitalen) integrierten Schaltung
Abbildung 1.2: Entwicklung einer (digitalen) Schaltung
Während der einzelnen Phasen der Entwicklung werden folgende
Hilfsmittel eingesetzt [116][114][101][91][64][40][39][16]:
- Technologie-Simulation:
- Simulation des Herstellungsprozesses von
integrierten Schaltungen.
- Bauelement-Simulation:
- Simulation des Verhaltens eines einzelnen
Transistors auf Grund der geometrischen Dimensionen und des verwendeten
Herstellungsprozesses.
- Bauelement-Modellierung:
- Erstellung eines Models des elektrischen
Verhaltens eines Transistors zur Verwendung während der Schaltungssimulation.
- Schaltungssimulation:
- Simulation einer Schaltung unter
Verwendung von Bauelementmodellen.
- Makro-Modellierung:
- Erstellung von Modellen, die gewisse Gesichtspunkte
eines Schaltungskomplexes (z.B. Operationsverstärker,
Logikgatter) darstellen, ohne daß bei der Anwendung die
Simulation der einzelnen Bauelemente des Schaltungskomplexes
notwendig ist.
- Timing-Simulation:
- Simulation des zeitlichen Verhaltens einer
Schaltung, unter Vernachlässigung von einer Reihe von anderen
Eigenschaften (z.B. Strombedarf).
- Logik-Simulation:
- Simulation des digitalen Verhaltens einer
Schaltung.
- Optimierung:
- Optimierung von Parametern einer Schaltung oder
eines Herstellungsprozesses.
- Layout:
- Platzierung und Verdrahtung der einzelnen Bauelemente.
- Fehlersimulation:
- Simulation des Verhaltens der Schaltung bei
Fehlern im Aufbau (zu große Bauteiltolleranzen, etc.).
Die drei Hilfsmittel Schaltungssimulation, Timing-Simulation und
Logik-Simulation werden auch oft zu einer Hybrid-Simulation
zusammengefaßt [40].
Zum Abschluß der Einleitung noch eine Begriffsbestimmung einiger
immer wieder auftretender Begriffe [136]:
- Analyse:
-
-
-
- Teilung eines Ganzen in seine einzelnen Komponenten.
- Untersuchung eines Komplexes, seiner Teile und ihrer Relationen
um neue Erkenntnisse zu erlangen.
- Simulation:
-
-
-
- Nachahmende Darstellung der Funktion eines Systems oder Vorgangs mit
Hilfe der Funktion eines anderen.
- Untersuchung eines Problems, das mit vertretbarem Aufwand
nicht experimentell behandelt werden kann.
- Modellierung:
-
-
-
- Erstellen einer Darstellung oder einer Simulation eines Problems
oder Prozesses.
- Erstellen einer Beschreibung oder Analogie um etwas darzustellen,
das mit vertretbarem Aufwand nicht direkt beobachtet werden kann.
Anders ausgedrückt ist die Analyse eine exakte,
während eine Simulation eine näherungsweise Behandlung eines
physikalischen Vorgangs ist.
JANAP ist nach dieser Nomenklatur eindeutig ein Programm zur
Simulation des Verhaltens eines elektrischen Netzwerks.
Trotzdem wird in den folgenden Kapiteln sehr oft auch der - falsch
angewendete - Begriff Analyse verwendet, da diese Bezeichnung
in dem jeweiligen Zusammenhang die gängige Formulierung ist.
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Martin Stiftinger
Fri Jun 9 19:49:39 MET DST 1995