Schaltungsdesign

Der Prozess von Schaltungsdesign kann Systeme abdecken, die vom Komplex reichen elektronisch Systeme bis zum Einzelnen Transistoren innerhalb eines Integrierter Schaltkreis. Eine Person kann oft das tun Designprozess ohne einen geplanten oder strukturierten Entwurfsprozess für einfache Schaltkreise zu benötigen. Trotzdem folgen Teams von Designern, die einem systematischen Ansatz mit intelligent geführt werden Computersimulation werden immer häufiger für komplexere Designs. In integrierter Schaltung DesignautomatisierungDer Begriff "Schaltungsdesign" bezieht sich häufig auf den Schritt des Entwurfszyklus, der die ausgibt Schema der integrierten Schaltung. Typischerweise ist dies der Schritt zwischen Logikdesign und physisches Design.[1]

Verfahren

A Schaltplan für die Texas Instrumente SN76477 Soundchip

Das herkömmliche Schaltungsdesign beinhaltet normalerweise mehrere Stufen. Manchmal a Gestaltungsspezifikation ist nach der Verbindung mit dem Kunden geschrieben. EIN technischer Vorschlag kann geschrieben werden, um die Anforderungen der Kundenspezifikation zu erfüllen. Die nächste Stufe beinhaltet synthetisieren auf Papier a schematisch Schaltplan, eine abstrakte elektrische oder elektronische Schaltung, die den Spezifikationen entspricht. Es sollte eine Berechnung der Komponentenwerte zur Erfüllung der Betriebsspezifikationen unter bestimmten Bedingungen durchgeführt werden. Simulationen können durchgeführt werden verifizieren die Richtigkeit des Designs.

A Brotbrett oder eine andere Prototypversion des Designs zum Testen gegen Spezifikation kann erstellt werden. Es kann darum gehen, Änderungen an der Schaltung vorzunehmen, um die Einhaltung der Einhaltung zu erreichen. Eine Wahl für eine Bauweise und alle zu verwendenden Teile und Materialien müssen getroffen werden. Es gibt eine Präsentation von Komponenten- und Layoutinformationen an Zeichnen von Sports sowie Layout- und Maschinenbauingenieuren für die Prototypproduktion. Darauf folgen die Tests oder Typtests mehrere Prototypen, um die Einhaltung der Kundenanforderungen zu gewährleisten. Normalerweise gibt es eine Unterzeichnung und Genehmigung der endgültigen Produktionszeichnungen, und es kann nach dem Entwurfsdienste (Dienstleistungen vorhanden sein (Dienstleistungen)Veralten von Komponenten usw.).

Spezifikation

Mikrochips
Hauptartikel: Produktdesignspezifikation

Der Prozess des Schaltungsdesigns beginnt mit dem Spezifikation, was die Funktionalität, die das fertige Design bereitstellen muss, angibt, aber nicht angibt, wie es erreicht werden soll.[2] Die anfängliche Spezifikation ist eine technisch detaillierte Beschreibung dessen, was der Kunde die fertige Schaltung erreichen möchte, und kann eine Vielzahl von einer Vielzahl von enthalten Elektrische Anforderungen, wie z. B. welche Signale die Schaltung empfangen, welche Signale sie ausgeben müssen, welche Netzteile verfügbar sind und wie viel Strom sie konsumieren darf. Die Spezifikation kann (und normalerweise) auch einige der physikalischen Parameter festlegen, die das Design erfüllen muss, wie z. B. Größe, Gewicht, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Temperaturbereich, thermischer Ausgang, Schwingungstoleranz und Beschleunigentoleranz.[3]

Im Laufe des Entwurfsprozesses kehren die Designer (en) häufig zur Spezifikation zurück und ändern sie, um den Fortschritt des Designs zu berücksichtigen. Dies kann das Verschärfen von Spezifikationen beinhalten, die der Kunde geliefert hat, und Tests hinzuzufügen, die die Schaltung durchführen muss, um akzeptiert zu werden. Diese zusätzlichen Spezifikationen werden häufig zur Überprüfung eines Designs verwendet. Änderungen, die mit den ursprünglichen Spezifikationen des Kunden in Konflikt stehen oder sie ändern, müssen fast immer vom Kunden genehmigt werden, bevor er bewirkt werden kann.

Das korrekte Identifizieren der Kundenbedürfnisse kann eine als "Design -Kriechen" bezeichnete Erkrankung vermeiden, die ohne realistische Erstwartungen auftritt und später während des Entwurfsprozesses nicht vollständig mit dem Kunden kommuniziert. Es kann in Bezug auf seine Ergebnisse definiert werden; "Bei einem Extrem ist eine Schaltung mit mehr Funktionen als nötig, und am anderen ist eine Schaltung mit einer falschen Funktionalität."[4][wer?] Trotzdem sind einige Änderungen zu erwarten. Es ist eine gute Praxis, die Optionen so lange wie möglich offen zu halten, da es einfacher ist, Ersatzelemente später aus der Schaltung zu entfernen, als sie hineinzulegen.

Entwurf

A Blockdiagramm von 4-Bit Alu

Der Entwurfsprozess umfasst die Überstellung von der Spezifikation zu Beginn zu einem Plan, der alle Informationen enthält, die am Ende physikalisch konstruiert werden müssen. Dies geschieht typischerweise, indem mehrere Stufen durchlaufen werden, obwohl dies in der einfachen Schaltung in einem einzigen Schritt erfolgen kann.[5] Der Prozess beginnt normalerweise mit der Umwandlung der Spezifikation in a Blockdiagramm Von den verschiedenen Funktionen, die die Schaltung ausführen muss, wird in diesem Stadium der Inhalt jedes Blocks nicht berücksichtigt. Nur das, was jeder Block tun muss, wird dies manchmal als "als" bezeichnet "Flugschreiber"Design. Dieser Ansatz ermöglicht es, dass die möglicherweise hochkomplexe Aufgabe in kleinere Aufgaben unterteilt wird, entweder durch nacheinander angepasste oder unter Mitglieder eines Designteams aufgeteilt.

Jeder Block wird dann detaillierter betrachtet, immer noch in einer abstrakten Phase, aber mit viel mehr Fokus auf die Details der zu erbrachten elektrischen Funktionen. In diesem oder späteren Phasen ist es üblich, eine große Menge an Forschung zu benötigen oder mathematische Modellierung in das, was zu erreichen ist und was nicht.[6] Die Ergebnisse dieser Forschung können in frühere Phasen des Entwurfsprozesses zurückgeführt werden, beispielsweise wenn sich herausstellt, dass eines der Blöcke nicht innerhalb der dafür eingestellten Parameter ausgelegt werden kann, kann es erforderlich sein, stattdessen andere Blöcke zu ändern. Zu diesem Zeitpunkt ist es auch üblich, sowohl zu überlegen, wie das Design den Spezifikationen entspricht als auch, wie es getestet werden soll (die enthalten können Selbstdiagnose Werkzeug ).[7]

Einzelkreis Komponenten

Schließlich der einzelnen Schaltkreis Komponenten werden ausgewählt, um jede Funktion im Gesamtdesign auszuführen; Zu diesem Zeitpunkt werden auch die physischen Layout und die elektrischen Verbindungen jeder Komponente entschieden, wobei dieses Layout üblicherweise die Form von Kunstwerken für die Produktion von a annimmt gedruckte Leiterplatte oder integrierte Schaltung. Diese Phase ist aufgrund der großen Auswahlmöglichkeiten in der Regel sehr zeitaufwändig. Eine praktische Einschränkung des Designs in dieser Phase ist die Standardisierung;. Gleichzeitig kann ein bestimmter Wert einer Komponente für die Verwendung an einem Ort in einer Schaltung berechnet werden. Wenn dieser Wert nicht von einem Lieferanten gekauft werden kann, wurde das Problem immer noch nicht gelöst. Um dies zu vermeiden, kann eine bestimmte Menge an „Katalogentechnik“ angewendet werden, um die alltäglichen Aufgaben innerhalb eines Gesamtdesigns zu lösen.

Ein Bereich mit schneller Technologieentwicklung befindet sich im Bereich von nanoelektronisch Schaltungsdesign.[8]

Kosten

Vergleichstabelle zwischen Feldeffekttransistoren.

Im Allgemeinen sind die Kosten für das Entwerfen von Schaltkreisen direkt an die Komplexität der endgültigen Schaltkreise gebunden. Je größer die Komplexität (Menge an Komponenten und Design -Neuheit), desto mehr Stunden der Zeit eines erfahrenen Ingenieurs sind erforderlich, um ein funktionales Produkt zu erstellen. Der Prozess kann mühsam sein, da winzige Details oder Funktionen jederzeit Zeit, Materialien und Arbeitskräfte in Anspruch nehmen können. Wie unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Änderung von Transistorgrößen oder Codecs.[9] In der Welt von Flexible ElektronikDas Ersetzen der weit verbreiteten Polyimidsubstrate durch Materialien wie Stift oder PET zur Herstellung flexibler Elektronik könnte die Kosten um 5-10 Faktoren senken.[10]

Die Kosten für die Gestaltung einer Schaltung sind fast immer weit höher als die Produktionskosten pro Einheit, da die Produktionskosten und die Funktion des Stromkreises stark von der Gestaltung der Schaltung abhängen.[11]

Obwohl die typischen PCB -Produktionsmethoden eine subtraktive Herstellung beinhalten, gibt es Methoden, die einen additiven Herstellungsprozess verwenden, z. B. einen 3D -Drucker zum "Drucken" einer PCB. Es wird angenommen, dass diese Methode weniger als die additive Herstellung kostet und die Notwendigkeit einer Abfallwirtschaft zusammenschließt.[12]

Eine Grafik der wachsenden Anzahl von Transistoren auf Schaltkreisen jedes Jahr, auch bekannt als Moore's Law

Überprüfung und Test

Sobald eine Schaltung entworfen wurde, muss er beides sein verifiziert und getestet. Die Überprüfung ist der Prozess, in dem jede Stufe eines Designs durchlaufen und sicherstellt, dass die Spezifikation erforderlich ist. Dies ist häufig ein sehr mathematischer Prozess und kann groß angelegte Computersimulationen des Designs beinhalten. In jedem komplizierten Design ist es sehr wahrscheinlich, dass Probleme in dieser Phase gefunden werden und eine große Menge der Entwurfsarbeiten beeinflussen können, um sie zu reparieren.

Testen ist das reale Gegenstück zur Überprüfung; Bei Tests beinhaltet das physikalische Erstellen mindestens einen Prototyp des Entwurfs und dann (in Kombination mit den Testverfahren in der Spezifikation oder hinzugefügt), die die Schaltung überprüft, um das zu überprüfen, wofür sie ausgelegt wurde.

Design-Software

In der Software der visuellen DSD wird der Logikkreis des Komplementkreises durch den Kompilierprogrammcode implementiert. Diese Arten von Softwareprogrammen erstellen billigere effizientere Schaltkreise für alle Arten von Schaltungen.[13] Wir haben funktionale Simulationen implementiert, um logische Funktionen zu überprüfen, die Logikausdrücken in unseren vorgeschlagenen Schaltungen entsprechen. Die vorgeschlagenen Architekturen sind in der VHDL -Sprache modelliert. Die Verwendung dieser Sprache erzeugt effizientere Schaltkreise, die nicht nur billiger, sondern länger dauern. Dies sind nur zwei von vielen Designsoftware, die Einzelpersonen dabei helfen, dort Schaltkreise für die Produktion zu planen.[14]

Prototyp entwickeln

Prototyping ist ein großer Teil davon, Dinge zu tun, die sehr schwierig sind. Das Circuit Design zwingt Sie dazu, die Dinge weiterzugeben und Ihre Fehler zu beheben. Leiterdesign ist eine sehr strenge Aufgabe zu erledigen und zu erledigen, ohne einen Fehler zu machen. Leiterdesigner müssen viele Male testen, um sicherzustellen, dass ihr Design effizient funktioniert, und vor allem sicher ist es für einen Verbraucher sicher, zu kaufen und zu verwenden.[15] Prototyping ist ein großer Teil jeder elektrischen Arbeit, da es sehr akribisch und auf den Punkt ist. Jeder könnte sich wahrscheinlich vorstellen, die Fehler gemacht, wenn keine Prototyping in der Arbeit erledigt wird. Diese Arbeiter werden bezahlt, um elektrische Schaltkreise herzustellen und alle, die diese elektrischen Schaltkreise zu Hause kaufen, zu schützen. Die Gefahren, nicht Prototypen und eine fehlgeschlagene elektrische Schaltung auszuschicken, umfasst Brände und heiße Drähte, wodurch jemand nicht bekannt ist und sie entweder verbrannt oder im absoluten Schlimmsten schwer verletzt werden.[15]

Ergebnisse

Jede Elektrikschaltung beginnt mit einem Schaltplattensimulator darüber, wie die Dinge am Ende des Tages zusammengestellt werden und zeigen, wie die Schaltung praktisch funktioniert.[16] Eine Blaupause ist die Zeichnung des technischen Designs und des Endprodukts. Immerhin ist dies geschehen, und Sie verwenden die Blaupause, um die Schaltung zusammenzustellen. Sie erhalten die Ergebnisse von elektrischen Schaltkreisen, die ziemlich unvergesslich sind. Die Rennstrecke wird alles von einem Vakuum bis zu einem großen Fernseher in einem Kino laufen lassen. All dies dauert lange und eine bestimmte Fähigkeit, die nicht jeder erwerben kann. Der elektrische Schaltkreis brauchen die meisten Dinge, die wir in unserem täglichen Leben brauchen.

Dokumentation

Jedes kommerzielle Design wird normalerweise auch ein Dokumentationselement enthalten. Die genaue Natur dieser Dokumentation variiert je nach Größe und Komplexität der Schaltung und dem Land, in dem sie verwendet werden soll. Zumindest umfasst die Dokumentation normalerweise mindestens die Spezifikations- und Testverfahren für das Design und eine Erklärung zur Einhaltung der aktuellen Vorschriften. In dem EU Dieser letzte Gegenstand wird normalerweise die Form von a haben CE -Erklärung Die Auflistung der europäischen Richtlinien entsprach und Benennung einer Person, die für die Einhaltung verantwortlich ist.[17]

Software

Hauptartikel: Liste der Simulatoren der kostenlosen Elektronikschaltung

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Naveed Sherwani, "Algorithmen für die Automatisierung der VLSI Physical Design Automation"
  2. ^ Lam, William K. (2005-08-19). "Erfüllt Ihr Design seine Spezifikationen?. Informit.com. Abgerufen 2016-09-27.
  3. ^ A. Tajalli et al., "Design-Kompromisse bei digitalen nanoskaligen CMOs von Ultra-Low-Power, "IEEE TCAS-I 2011.
  4. ^ Demers, 1997
  5. ^ "Design Flow Diagramm" (GIF). Informit.com. Abgerufen 2016-09-27.
  6. ^ "Archivierte Kopie". Archiviert von das Original Am 2005-08-30. Abgerufen 2007-11-04.{{}}: CS1 Wartung: Archiviertes Kopie als Titel (Link)
  7. ^ "A.T.E. Solutions, Inc. | Design für Testbarkeit und eingebaute Selbsttest". Besttest.com. Archiviert von das Original Am 2016-09-01. Abgerufen 2016-09-27.
  8. ^ Zhang, Wei; Niraj K. Jha; Li Shang (2010). "Ein hybrides System/CMOs dynamisch rekonfigurierbares System". In Jha, Niraj K.; Chen, Deming (Hrsg.). Nanoelektronischer Schaltungsdesign. Springer Science & Business Media. p. 97. ISBN 978-1441976093. Abgerufen 29. September 2016.
  9. ^ Kang, Wang; Zhao, Weöseng; Wang, Zhaohao; Zhang, Yue; Klein, Jacques-Olivier; Zhang, YouGuang; Kapert, Claude; Ravelosona, Dafiné (September 2013). "Eine kostengünstige integrierte Fehlerkorrekturkreisendesign für die Verbesserung der Zuverlässigkeit von STT-MRAM". Mikroelektronikzuverlässigkeit. 53 (9–11): 1224–1229. doi:10.1016/j.microrel.2013.07.036.
  10. ^ Van Den Brand, Jeroen; Kusters, Roel; Barink, Marco; Dietzel, Andreas (Oktober 2010). "Flexible eingebettete Schaltkreise: Ein neuartiger Prozess für hohe Dichte, kostengünstige Elektronik". Mikroelektronische Technik. 87 (10): 1861–1867. doi:10.1016/j.mee.2009.11.004.
  11. ^ "Wie viel kostet ein Prototyp?". Vorhersehbare Designs. 2016-09-04. Abgerufen 2021-05-15.
  12. ^ Dong, Yue; Bao, Chao; Kim, Woo Soo (April 2018). "Nachhaltige additive Herstellung von gedruckten Leiterplatten". Joule. 2 (4): 579–582. doi:10.1016/j.joule.2018.03.015.
  13. ^ Kalantari, Zeinab; Eshghi, Mohammad; Mohammadi, Majid; Jassbi, Somayeh (November 2019). "Billig und kompaktes Designmethode für reversible sequentielle Schaltkreise". Das Journal of Supercomputing. 75 (11): 7497–7519. doi:10.1007/s11227-019-02912-8. S2CID 199443010.
  14. ^ Cui, Guangzhao; Jiao, Yangyang; Liu, Jianxia; Li, Jixiang; Zhang, Xuncai; Sun, Zhonghua (16. Januar 2019). "Komplexes Komplement -Schaltungsdesign von vier Eingängen basierend auf DNA -Strangverschiebung". Fundamenta Informaticae. 164 (2–3): 181–194. doi:10.3233/fi-2019-1761. S2CID 59222491.
  15. ^ a b Ashby, Darren (2008). Schaltungsdesign. Newnes. ISBN 978-0-08-094965-9. OCLC 444859449.[Seite benötigt]
  16. ^ "Grundlagen verschiedener elektronischer Schaltungsdesign -Prozess". Elprocus - Elektronische Projekte für Ingenieurstudenten. 2017-04-13. Abgerufen 2020-04-29.
  17. ^ "Archivierte Kopie". Archiviert von das Original Am 2005-11-26. Abgerufen 2005-12-12.{{}}: CS1 Wartung: Archiviertes Kopie als Titel (Link)

Quellen