Schaltungsdesign - Circuit design

Der Prozess des Schaltungsdesigns kann Systeme umfassen, die von komplexen elektronischen Systemen bis hin zu einzelnen Transistoren innerhalb einer integrierten Schaltung reichen . Bei einfachen Schaltungen kann der Entwurfsprozess oft von einer Person durchgeführt werden, ohne dass ein geplanter oder strukturierter Entwurfsprozess erforderlich ist, aber für komplexere Entwürfe werden immer häufiger Designerteams mit einem systematischen Ansatz mit intelligent geführter Computersimulation eingesetzt . Bei der Entwurfsautomatisierung für integrierte Schaltungen bezieht sich der Begriff "Schaltungsentwurf" oft auf den Schritt des Entwurfszyklus, der die Schaltpläne der integrierten Schaltung ausgibt . Typischerweise ist dies der Schritt zwischen Logikdesign und physischem Design .

Verfahren

Der formale Schaltungsentwurf umfasst normalerweise eine Anzahl von Stufen. Manchmal wird eine Designspezifikation nach Absprache mit dem Kunden erstellt. Ein technischer Vorschlag kann geschrieben werden, um die Anforderungen der Kundenspezifikation zu erfüllen. Der nächste Schritt besteht darin , auf Papier einen schematischen Schaltplan zu synthetisieren , eine abstrakte elektrische oder elektronische Schaltung, die den Spezifikationen entspricht. Es sollte eine Berechnung der Komponentenwerte durchgeführt werden, um die Betriebsspezifikationen unter festgelegten Bedingungen zu erfüllen. Simulationen können durchgeführt werden, um die Korrektheit des Designs zu überprüfen .

Ein Steckbrett oder eine andere Prototypversion des Designs zum Testen gegen die Spezifikation kann gebaut werden. Es können Änderungen an der Schaltung vorgenommen werden, um die Übereinstimmung zu erreichen. Die Wahl der Konstruktionsmethode sowie aller zu verwendenden Teile und Materialien muss getroffen werden. Es gibt eine Präsentation von Bauteil- und Layoutinformationen für Zeichner, Layouter und Maschinenbauer für die Prototypenfertigung. Anschließend erfolgt die Prüfung bzw. Typprüfung einer Reihe von Prototypen, um die Einhaltung der Kundenanforderungen sicherzustellen. Normalerweise gibt es eine Unterzeichnung und Freigabe der endgültigen Fertigungszeichnungen und es können Nachentwicklungsleistungen ( Veralterung von Komponenten usw.) erbracht werden .

Spezifikation

Der Prozess des Schaltungsdesigns beginnt mit der Spezifikation , die die Funktionalität festlegt , die das fertige Design bieten muss, aber nicht angibt, wie sie erreicht werden soll. Die Ausgangsspezifikation ist im Grunde eine technisch detaillierte Beschreibung dessen, was der Kunde mit der fertigen Schaltung erreichen möchte und kann eine Vielzahl elektrischer Anforderungen enthalten , z. B. welche Signale die Schaltung empfängt, welche Signale sie ausgeben muss, welche Stromversorgungen verfügbar sind und wie viel Strom darf verbraucht werden. Die Spezifikation kann (und tut es normalerweise) auch einige der physikalischen Parameter, die das Design erfüllen muss, wie Größe, Gewicht, Feuchtigkeitsbeständigkeit , Temperaturbereich, Wärmeleistung, Vibrationstoleranz und Beschleunigungstoleranz.

Im Verlauf des Entwurfsprozesses kehren die Designer häufig zur Spezifikation zurück und ändern sie, um den Fortschritt des Entwurfs zu berücksichtigen. Dies kann eine Verschärfung der vom Kunden bereitgestellten Spezifikationen und das Hinzufügen von Tests beinhalten, die die Schaltung bestehen muss, um akzeptiert zu werden. Diese zusätzlichen Spezifikationen werden häufig bei der Verifizierung eines Designs verwendet. Änderungen, die den ursprünglichen Spezifikationen des Kunden widersprechen oder diese modifizieren, müssen fast immer vom Kunden genehmigt werden, bevor darauf reagiert werden kann.

Die korrekte Identifizierung der Kundenbedürfnisse kann einen Zustand vermeiden, der als „Design Creep“ bekannt ist und der auftritt, wenn keine realistischen anfänglichen Erwartungen vorliegen und später während des Designprozesses nicht vollständig mit dem Kunden kommuniziert wird. Es kann in Bezug auf seine Ergebnisse definiert werden; „Das eine Extrem ist eine Schaltung mit mehr Funktionalität als nötig, und das andere ist eine Schaltung mit einer falschen Funktionalität“. Trotzdem ist mit einigen Änderungen zu rechnen und es empfiehlt sich, Optionen so lange wie möglich offen zu halten, da es später einfacher ist, Ersatzelemente aus der Schaltung zu entfernen als sie einzubauen.

Design

Ein Blockschaltbild von 4-Bit- ALU

Der Entwurfsprozess umfasst den Übergang von der Spezifikation am Anfang zu einem Plan, der alle Informationen enthält, die am Ende für die physikalische Konstruktion erforderlich sind ein einziger Schritt. Der Prozess beginnt normalerweise mit der Umwandlung der Spezifikation in ein Blockdiagramm der verschiedenen Funktionen, die die Schaltung ausführen muss. In diesem Stadium wird der Inhalt jedes Blocks nicht berücksichtigt, sondern nur, was jeder Block tun muss, dies wird manchmal als a . bezeichnet " Blackbox "-Design. Dieser Ansatz ermöglicht es, die möglicherweise sehr komplizierte Aufgabe in kleinere Aufgaben aufzuteilen, die entweder nacheinander angegangen oder auf die Mitglieder eines Konstruktionsteams aufgeteilt werden können.

Jeder Block wird dann genauer betrachtet, noch in einem abstrakten Stadium, aber mit viel mehr Fokus auf die Details der bereitzustellenden elektrischen Funktionen. In diesem oder späteren Stadien ist es üblich, einen großen Forschungsaufwand oder mathematische Modellierung zu erfordern, um herauszufinden, was machbar ist und was nicht. Die Ergebnisse dieser Forschung können in frühere Phasen des Entwurfsprozesses zurückgeführt werden, wenn sich beispielsweise herausstellt, dass einer der Blöcke nicht innerhalb der dafür festgelegten Parameter entworfen werden kann, müssen möglicherweise stattdessen andere Blöcke geändert werden. An diesem Punkt ist es auch üblich, darüber nachzudenken, wie nachgewiesen werden kann, dass das Design die Spezifikationen erfüllt, und wie es getestet werden soll (wozu auch Selbstdiagnosetools gehören können).

Schließlich wird die einzelne Schaltungskomponenten werden so gewählt , um jede Funktion in dem Gesamtentwurf durchzuführen, in diesem Stadium das physische Layout und die elektrischen Verbindungen der einzelnen Komponenten auch entschieden werden, dieses Layout die Form der Grafik für die Herstellung einer üblicherweise unter Leiterplatte oder Integrierter Schaltkreis. Diese Phase ist in der Regel aufgrund der großen Auswahl an Auswahlmöglichkeiten äußerst zeitaufwändig. Eine praktische Einschränkung für das Design in dieser Phase ist die Standardisierung, während ein bestimmter Wert der Komponente für die Verwendung an einer bestimmten Stelle in einer Schaltung berechnet werden kann, wenn dieser Wert nicht von einem Lieferanten gekauft werden kann, ist das Problem immer noch nicht gelöst . Um dies zu vermeiden, kann ein gewisses Maß an „Katalog-Engineering“ angewendet werden, um die alltäglicheren Aufgaben innerhalb eines Gesamtdesigns zu lösen.

Ein Bereich der rasanten technologischen Entwicklung liegt im Bereich des Designs von nanoelektronischen Schaltungen.

Kosten

Vergleichstabelle zwischen Feldeffekttransistoren.

Im Allgemeinen hängen die Kosten für das Entwerfen von Schaltungen direkt von der Komplexität der endgültigen Schaltungen ab. Je größer die Komplexität (Anzahl der Komponenten und Neuheit des Designs), desto mehr Stunden der Zeit eines erfahrenen Ingenieurs werden benötigt, um ein funktionsfähiges Produkt zu erstellen. Der Prozess kann mühsam sein, da die Erstellung winziger Details oder Funktionen jede Menge Zeit, Materialien und Arbeitskraft in Anspruch nehmen kann. Wie zum Beispiel die Berücksichtigung der Auswirkungen der Änderung von Transistorgrößen oder Codecs. In der Welt der flexiblen Elektronik könnte der Ersatz der weit verbreiteten Polyimid-Substrate durch Materialien wie PEN oder PET zur Herstellung flexibler Elektronik die Kosten um den Faktor 5-10 senken.

Die Kosten für den Schaltungsentwurf sind fast immer weit höher als die Produktionskosten pro Stück, da die Herstellungs- und Funktionskosten der Schaltung stark vom Schaltungsdesign abhängen.

Obwohl die typischen PCB-Produktionsmethoden eine subtraktive Fertigung beinhalten, gibt es Methoden, die einen additiven Fertigungsprozess verwenden, wie beispielsweise die Verwendung eines 3D-Druckers zum "Drucken" einer PCB. Es wird angenommen, dass diese Methode weniger kostet als die additive Fertigung und die Notwendigkeit der Abfallwirtschaft insgesamt entfällt.

Ein Diagramm der jährlich wachsenden Anzahl von Transistoren in Schaltkreisen, auch bekannt als Moore's Law

Verifizierung und Prüfung

Sobald eine Schaltung entworfen wurde, muss sie sowohl verifiziert als auch getestet werden. Verifizierung ist der Prozess, bei dem jede Phase eines Entwurfs durchlaufen und sichergestellt wird, dass er das tut, was die Spezifikation von ihm verlangt. Dies ist häufig ein sehr mathematischer Prozess und kann umfangreiche Computersimulationen des Designs beinhalten. Bei jeder komplizierten Konstruktion ist es sehr wahrscheinlich, dass in dieser Phase Probleme gefunden werden und ein Großteil der Konstruktionsarbeit wiederholt werden muss, um sie zu beheben.

Testen ist das reale Gegenstück zur Verifikation. Beim Testen wird mindestens ein Prototyp des Designs physisch erstellt und dann (in Kombination mit den Testverfahren in der Spezifikation oder zusätzlich) überprüft, dass die Schaltung tatsächlich das tut, wofür sie entworfen wurde.

Design-Software

In der Software des visuellen DSD wird die Logikschaltung der Komplementschaltung durch den Kompilierungsprogrammcode implementiert. Diese Arten von Softwareprogrammen schaffen billigere und effizientere Schaltungen für alle Arten von Schaltungen. Wir haben funktionale Simulationen implementiert, um logische Funktionen zu verifizieren, die logischen Ausdrücken in unseren vorgeschlagenen Schaltungen entsprechen. Die vorgeschlagenen Architekturen werden in VHDL-Sprache modelliert. Die Verwendung dieser Sprache wird effizientere Schaltungen schaffen, die nicht nur billiger sind, sondern auch länger halten. Dies sind nur zwei von vielen Design-Software, die Einzelpersonen helfen, ihre Schaltungen für die Produktion zu planen.

Prototyp entwickeln

Prototyping ist ein großer Teil von Dingen, die sehr schwierig sind. Das Schaltungsdesign zwingt Sie dazu, immer wieder Dinge durchzugehen und Ihre Fehler zu beheben. Schaltungsdesign ist eine sehr strenge Aufgabe, die man ohne Fehler machen muss. Schaltungsdesigner müssen viele Male testen, um sicherzustellen, dass ihr Design effizient funktioniert und vor allem für einen Verbraucher sicher zu kaufen und zu verwenden ist. Prototyping ist ein großer Teil jeder Elektroarbeit, weil es sehr akribisch und auf den Punkt gebracht wird. Jeder kann sich wahrscheinlich vorstellen, welche Fehler gemacht werden, wenn bei der Arbeit kein Prototyping stattfindet. Diese Arbeiter werden nicht nur dafür bezahlt, Stromkreise herzustellen, sondern auch dafür, dass alle, die diese Stromkreise kaufen, zu Hause sicher sind. Die Gefahren, wenn kein Prototyp erstellt und ein ausgefallener Stromkreis gesendet wird, umfassen Brände und heiße Drähte, die wiederum dazu führen, dass jemand nicht weiß und entweder verbrannt und im schlimmsten Fall schwer verletzt wird.

Ergebnisse

Jeder Stromkreis beginnt mit einem Leiterplattensimulator, der zeigt, wie die Dinger am Ende des Tages zusammengebaut werden und wie die Schaltung virtuell funktionieren wird. Eine Blaupause ist die Zeichnung des technischen Designs und des Endprodukts. Nachdem all dies erledigt ist und Sie die Blaupause verwenden, um die Schaltung zusammenzustellen, erhalten Sie die Ergebnisse der elektrischen Schaltungen, die sich sehr einprägen können, da die Schaltung alles von einem Vakuum bis zu einem großen Fernseher in einem Kino laufen lässt. All dies dauert lange und eine gewisse Fähigkeit, die nicht jeder erwerben kann. Der Stromkreis ist etwas, was wir in unserem täglichen Leben brauchen.

Dokumentation

Jedes kommerzielle Design enthält normalerweise auch ein Dokumentationselement. Die genaue Art dieser Dokumentation hängt von der Größe und Komplexität der Schaltung sowie dem Land, in dem sie verwendet werden soll, ab. Als absolutes Minimum umfasst die Dokumentation normalerweise mindestens die Spezifikation und die Testverfahren für die Konstruktion und eine Erklärung über die Einhaltung der geltenden Vorschriften. In der EU handelt es sich bei diesem letzten Punkt normalerweise um eine CE-Erklärung, die die eingehaltenen europäischen Richtlinien auflistet und eine für die Einhaltung verantwortliche Person benennt.

Software

Siehe auch

Verweise

Quellen