Baumüller: Antriebe problemlos konfigurieren

Mit der Software »sizemaXX« von Baumüller, die im Downloadbereich der Unternehmens-Website bereitsteht, kann der Anwender für seine Applikationen optimale Antriebslösungen ermitteln.

Integrierte Hochfrequenzschaltungen werden durch die fortschreitende Integration von mehr und mehr Funktionen, der Unterstützung mehrerer Frequenzbänder und Standards beständig komplizierter. Die Modellierung von Induktivitäten in beabsichtigter Form, also Spiralinduktivitäten, und parasitärer Form ist entscheidend für ein erfolgreiches Design.

Alle Standardfunktionen der Baumüller-Antriebe sind in »sizemaXX« in einem Datensatz hinterlegt. Sie stehen dem Interessenten ständig aktuell zur Verfügung, weil die Datenbank jederzeit online aktualisierbar ist. So kann er leicht, schnell und präzise ganze Antriebsgruppen konfigurieren. Bis zu sechs Antriebseinheiten bestehend aus Motor und Umrichter lassen sich so im Verbund dimensionieren. Die Antriebsgrößen werden dabei zusammen mit dem Umrichter sowie den Zwischenkreis-, Brems- und Rückspeiseleistungen exakt ausgelegt. Der Benutzer erhält als Auswertung seiner Anforderungen eine Komponentenbestimmung.

Halle 14, Stand H07

Der anhaltende Trend zu hochfrequenten Mobilprodukten mit höheren Operationsfrequenzen hat die Forschung für Spiralinduktivitäten stark vorangetrieben. Moderne analoge Schaltungen für Mobilgeräte hängen stark von effizientem Induktivitätsdesign ab, welches wiederum von verlässlichen Modellen über ein großen Frequenzspektrum abhängt. Integrierte Induktivitäten steigern Verlässlichkeit und Effizienz solcher Schaltungen. Außerdem erhöhen sie die Integrationsdichte, da einige Off-Chip-Komponenten wegfallen.

Rauscharme Verstärker (Low-Noise-Amplifiers, LNA) benutzen integrierte Induktivitäten, um Eingangsimpedanzen anzupassen, ohne dabei die Rauscheigenschaften der Schaltung zu verschlechtern. Werden sie als Last verwendet, verbessern Induktivitäten sogar die elektrischen Eigenschaften des Verstärkers, wobei sie zudem den Energieverbrauch verringert. Weitere Hochfrequenzschaltungen, die Induktivitäten und Übertrager benutzen sind spannungsabhängige Oszillatoren (Voltage Controlled Oscillator, VCO) und Endverstärker (Power Amplifier, PA). Der Qualitätsfaktor integrierter Induktivitäten beeinflusst maßgeblich das Verhalten solcher Schaltungen. Aus diesen Gründen ist das Design solcher passiver Elemente von herausragendem Interesse.

Fertigungsverfahren aus der Halbleitertechnik sind wegen der verlustbehafteten Natur des Substrats eine Herausforderung für die effiziente Integration von Induktivitäten. Diese Substratmängel reduzieren die Leistung und sind die Ursache für elektromagnetische Effekte höherer Ordnung, die schwierig zu isolieren, zu quantifizieren und zu modellieren sind. Präzise und verlässliche Modelle sind notwendig für das Design, und nur ein systematischer, analytischer Ansatz für das Verhalten der Induktivitäten kann robuste, äquivalente und skalierbare Verhaltensmodelle garantieren. Simulatoren für elektromagnetische Felder erfüllen diese Aufgabe hervorragend, jedoch benötigen sie lange Simulationszeiten, welche den Designprozess unakzeptabel verlängern. Fertigungstechnische Errungenschaften wie zum Beispiel die Verwendung von dicken Gold- oder Kupferleitungen, der Gebrauch von Mehrlagensubstraten und zusätzliche Komponenteneigenschaften wie Ground-Isolation erschweren die Aufgabe der Simulatoren nur, damit einher gehen geometrisch steigende Rechenpower und Speicherbedarf. Darüber hinaus benötigen moderne Schaltungen die Modellierung von Koppelinduktivitäten, welche global agieren, und welche – sofern sie genau modelliert sind – zum Tuning der Schaltungen ausgenutzt werden können. Konsequenterweise beschränkt sich die Simulation nicht auf eine losgelöste Induktivitätskomponente, sondern kann mehrere Induktivitäten und Übertrager, welche alle mit sich und benachbarten Komponenten interagieren. Durch die iterative Natur des Designprozesses ist die Benutzung von elektromagnetischen Feldsimulatoren ineffizient für schnelles und flexibles Design von Hochfrequenzschaltungen.

»VeloceRF« ist ein Feldsimulator von Helic, welcher nahtlos in die gängigen Hochfrequenz-Designflows integriert ist und präzise induktive Komponenten wie mehrgängige Induktivitäten und Verbindungsleitungen schnell modellieren kann. Durch die voranschreitende Miniaturisierung und höhere Arbeitsfrequenzen werden induktive Effekte zunehmend wichtig für integrierte Schaltungen ([2], [3]). Kommerzielle Extraktionstools wie zum Beispiel »Star RCXT« (Synopsys), »Xcalibre« (Mentor Graphics) oder »Assura« (Cadence) modellieren induktive, kapazitive und widerstandsbehaftete Effekte unter Benutzung von RLCK-Schaltkreisen. Diese so genannten parasitären Komponenten, werden zusammen mit der eigentlichen Schaltung unter Zuhilfenahme von Spice- oder Fast- Spice-Simulatoren eingeführt.

Das typische Datenvolumen solcher parasitärer Komponenten verschlechtert die Performance der Simulatoren hinsichtlich Laufzeit und Speicherbedarf. Über die letzten zehn Jahre wurde viel Energie in Modellreduzierung (Model Order Reduction, MOR) gesteckt, welche darauf abzielt, das parasitäre Modell durch ein äquivalentes mit geringerer Ordnung zu ersetzen. Diese Aufgabe beinhaltet ein Abwägen zwischen der Genauigkeit des reduzierten Modells und der Beschleunigung des Simulationsprozesses.

AWE (asymptotic waveform evaluation) war eine der ersten vorgeschlagenen Methoden, die auf dem Abgleich von Momenten im komplexen Frequenzbereich beruht [4]. Dieses Verfahren wurde erweitert [5] zur Momenten- Expansion an verschiedenen Frequenzpunkten in der komplexen Ebene. Das Hauptproblem sind schlecht konditionierte Matrizen für die Momente, diesem sollte PVL [6] zu Leibe rücken. PVL (Padé via Lanczos) wurde 1994 vorgeschlagen. Eine Alternative zu PVL wurde von Arnoldi [7] eingeführt, später auch Kongruenztransformationen.

Der Hauptvorteil dieses Verfahrens ist, dass es die Passivität des Modells garantieren. Ein bekanntes Beispiel für solche Transformationen ist PRIMA [11].

Unglücklicherweise sind diese Methoden zu allgemein und zu kompliziert, als dass sie für hochintegrierte Schaltungen ernsthaft nutzbar wären. Vor kurzem wurde eine »realisierbare« Reduktion für RC-Schaltungen eingeführt [10], welche auf der Beibehaltung der Elmoreschen Verzögerungszeit beruht. Dieser Ansatz ist attraktiv, insbesondere da er lokal arbeitet und garantiert stabile und passive Schaltungen erzeugt. Dieser Ansatz ist sehr mächtig für große Schaltungen, jedoch ist er auf einfachste Verbindungsleitungen beschränkt. RC-Leiter, gefingerte Strukturen oder hochgradig gekoppelte Netze sind damit kaum ausreichend oder überhaupt zu behandeln.

In heutigen EDA-Tools kommen oft sehr vereinfachte Ansätze zum Einsatz, die hauptsächlich kleine oder große Werte filtern, abhängig von definierten Schwellwerten. Diese Ansätze können im Hinblick auf die Reduzierung sehr effizient sein, jedoch verursachen sie in sehr vielen Fällen Ungenauigkeit und Stabilitätsprobleme beim Simulator. Insbesondere in Hochfrequenzschaltungen ist die Genauigkeit der reduzierten Modelle ausschlaggebend und nur sehr schwer mit akzeptablem Aufwand zu erreichen. Darüber hinaus können reine parasitäre RC-Schaltungen als Tiefpassfilter angesehen werden, für die vereinfachte Modelle sehr viel leichter verfügbar sind als für parasitäre RLCK-Modelle. Deren Verhalten im Frequenzbereich ist sehr viel komplizierter, und Probleme mit Stabilität und Passivität sind echte Herausforderungen.

»Jivaro« (genannt nach einem Indianerstamm in Südamerika, welche die Köpfe ihrer Feinde schrumpfen) von Edxact ist eine Familie von Programmen, welche speziell für die Modellreduzierung konzipiert wurde. Sie enthält Algorithmen, welche automatisch in Abhängigkeit von der Art der Schaltung und der auszuführenden Simulation gewählt werden.