MATLAB/SimulinkによるAMS活用事例 ～Mixed-Signal Library 2.0のご紹介～

Transcription

1 MATLAB/Simulink による AMS 活用事例 ~Mixed-Signal Library 2.0 のご紹介 ~ MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部シニアアプリケーションエンジニア竹本佳充 2012 The MathWorks, Inc. 1

2 Agenda 1. AMS 設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計 II. MATLAB/Simulinkの導入メリット III. 事例紹介 2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは II. 提供される環境 III. Version 2.0で提供されるデモ 3. まとめ 2

3 Agenda 1. AMS 設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計 II. MATLAB/Simulinkの導入メリット III. 事例紹介 2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは II. 提供される環境 III. Version 2.0で提供されるデモ 3. まとめ 3

4 ミックスドシグナルトップダウン設計ミックスドシグナル系エンジニアの声 Mixed-signal SOC verification using analog behavioral models Qi Wang, Cadence Design Systems - August 21, 2012/EDN 4

5 ミックスドシグナルトップダウン設計従来のアナログ / デジタル協調設計フロー Specification 手書き HDL コード Digital RTL Design System Design Analog Circuit Design Virtuoso 上で回路設計 Verilog-A でビヘイビアモデル作成 HDL シミュレータ RF/Mixed-Signal Verification Implement to IC Cadence Virtuoso Analog Design Environment (ADE) Virtuoso AMS Designer (AMSD) 設計プロセス間に大きな壁 5

6 ミックスドシグナルトップダウン設計新しいアナログ / デジタル協調設計フロー Specification MATLAB/ Simulink HDL Coder 自動生成 HDL コード Digital System Design Simulink DPI-C Link/ co-sim Analog HDL Verifier RTL Design Circuit Design HDL シミュレータ RF/Mixed-Signal Verification Implement to IC Cadence Virtuoso Analog Design Environment (ADE) Virtuoso AMS Designer (AMSD) 設計プロセス間の壁を解消 6

7 ミックスドシグナルトップダウン設計システム設計におけるトップダウンフローのイメージ Specification 理想モデル : 高抽象度表現でパラメータをチューニング Digital System Design Analog 性能劣化要因評価モデル : 雑音 スプリアス等 システム性能劣化要因を考慮 RTL Design RF/Mixed-Signal Verification Circuit Design 回路ビヘイビアモデル : 部分的な回路表現による トポロジ評価 Implement to IC 7

8 MATLAB/Simulink の導入メリット シミュレーションプラットフォーム 豊富な解析 / 可視化関数 連続 離散ドメインに対応 可変ソルバによる高速処理 MATLAB/ Simulink/ Stateflow 各種オプションライブラリ ディジタル系ライブラリ アナログ系ライブラリ 豊富なオプションでモデルを迅速に具現化 Control System Toolbox/ DSP System Toolbox/ SimPowerSystems/ EDA ツールとのリンク HDL および回路シミュレータとの連携 固定小数点化および自動コード生成 包括的なトップダウンフローを実現 Fixed Point Toolbox/ HDL Coder/ HDL Verifier/ 8

9 Case study:ad コンバータ設計 種類逐次比較 ADC パイプライン ADC Δ ADC 方式 コンパレータでの比較処理を繰り返す ADC と DAC の組み合わせにより実現 高速なサンプルレートで信号を 2 値化 変換周波数 分解能 消費電力 用途 一般用途 マイコン ご紹介する ADC 画像処理 通信 オーディオ 計測 9

10 Case study: 逐次比較 ADC step1 ( 理想モデル ) 140M[Hz] 10M[Hz] SAR ロジック comparator 理想 DAC サンプリング周波数 :10M[Hz] 分解能 :12bit 10

11 Case study: 逐次比較 ADC step1 ( 理想モデル - cont.) アイドル状態 ADC 実行状態 [ 遷移条件 ] [ 遷移条件 ] と { アクション } SAR ロジック (Stateflow 環境で実現 ) 11

12 Case study: 逐次比較 ADC step1 ( 理想モデル - cont.) 2 比較結果 ==true ビット 1 を確定 2 比較結果 ==false ビット 0 を確定 前回の暫定 ADC 出力から 2^Bit だけ減算 110MHz 周期 ADC 出力初期値を設定し Run 状態へ 各状態における遷移パターン 3 比較回数 < 語長ビットカウンタをデクリメントし 逐次比較を継続 3 比較回数 == 語長 ADC 出力を確定し アイドル状態へ 12

13 Case study: 逐次比較 ADC step2 ( 非線形モデル ) DAC の非線形性を追加 13

14 Case study: 逐次比較 ADC step2 ( 非線形モデル - cont.) DAC 非線形性小 DAC 非線形性大 時間軸波形 (ADC 出力等 ) 周波数軸波形 (ADC 出力 ) 14

15 Case study: 逐次比較 ADC step3 ( 電荷再分配 DAC) reset 電荷再分配 DAC の概念図 Vout 2 (B-1) C 8C 4C 2C C C MSB b B-1 b 3 b 2 b 1 b 0 LSB Vref 参考文献 : 15

16 Case study: 逐次比較 ADC step3 (4bit 電荷再分配 DAC) reset リセット Vout 8C 4C 2C C C b 3 b 2 b 1 b 0 Vref 参考文献 : 16

17 Case study: 逐次比較 ADC step3 (4bit 電荷再分配 DAC) 1101 Vout 8C 4C 2C C C b 3 b 2 b 1 b 0 Vref 参考文献 : 17

18 Case study: 逐次比較 ADC step3 (4bit 電荷再分配 DAC - cont.) b3 b2 b1 b0 参考文献 : 18

19 Case study: 逐次比較 ADC step3 (12bit 電荷再分配 DAC) 8/7*C C 2C 4C スプリットアレイによる実現 キャパシタ削減 19

20 Case study: 逐次比較 ADC step4 (12bit DAC を含む ADC モデル ) 時間軸出力波形 12bit DAC 周波数軸出力波形 20

21 事例紹介 : エプソントヨコムミックスドシグナル集積回路を 2 か月で設計 検証 課題新しい 16 ビット AD コンバータを含むミックスドシグナル IC を 2 ヶ月で開発すること ソリューションシステムレベル設計をモデリング シミュレーション 検証するために MathWorks のモデルベースデザインツールを採用 結果 シミュレーション時間を数日から数分に短縮 開発期間を 33% 短縮 大幅な設計コスト削減 ΣADC の Simulink モデルと パワースペクトル密度のプロット 従来 回路レベルで 3 日 Verilog-A で 20 分と非常に時間のかかっていたシステムシ ミュレーションに MATLAB および Simulink のシステムモデルを採用することにより 1 分に短縮することができました これによ り短時間にかつシステマティックに各設計 パラメータを決定し システム仕様を決定 することができました 上原純様 エプソントヨコム株式会社 21

22 事例紹介 : 富士通セミコンダクター高速 I/O におけるミックスドシグナルシステム設計の実例紹介 MathWorks AMS Seminar, 22 June,

23 事例紹介 : 慶應義塾大学非接触給電用ミックスド シグナルシステムのトップダウン設計 MathWorks AMS Seminar, 22 June,

24 事例紹介 :Broadcom フラクショナル N 高周波用 PLL 設計 MATLAB Signal Processing Virtual Conference, 18 May,

25 事例紹介 :Broadcom フラクショナル N 高周波用 PLL 設計 (Simulink モデル ) MATLAB Signal Processing Virtual Conference, 18 May,

26 事例紹介 :BOSCH Simulink によるミックスドシグナル ASIC システムレベル設計 (ESC 設計 ) System-Level Design of Mixed-Signal ASICs using Simulink: Efficient Transitions to EDA Environments MATLAB Virtual Conference

27 補足 1:MATLAB/Simulink イベント情報 動画の視聴が可能 27

28 補足 2:AMS 関連リンクページ 各種ユーザ事例 無償ミックスドシグナルライブラリ? 28

29 Agenda 1. AMS 設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計 II. MATLAB/Simulinkの導入メリット III. 事例紹介 2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは II. 提供される環境 III. Version 2.0で提供されるデモ 3. まとめ 29

30 Mixed-Signal Library とは? Mixed-Signal Library: ミックスドシグナルシステムを構築するためのブロックライブラリ ( 無償 ) ライブラリの構成 Circuit Elements: 回路コンポーネント Design Elements: 設計コンポーネント Measurements: システムの計測 Mixed-Signal Examples: ライブラリブロックを使用した各種デモ 30

31 ライブラリの構成 :Circuit Element 回路コンポーネント 可変 RLC 理想スイッチ OP アンプ マスク化された OP アンプブロック 31

32 ライブラリの構成 :Design Element 設計コンポーネント 8b/10b エンコーダ VCO DA 変換 信号源 8b/10b エンコーダと 10b/8b デコーダ 32

33 ライブラリの構成 :Measurements 特性計測ブロック ジッタ測定 SNR 推定 スペクトル解析 SNR 測定用ブロック 33

34 ライブラリの構成 :Mixed-Signal Examples ミックスドシグナル関連デモ ADC PLL SI 電源 スイッチング電源デモ 34

35 ドキュメント : 起動 >> helpview('ms_product_page.html') ブロックヘルプ チュートリアル ミックスドシグナルデモ 35

36 ドキュメント : チュートリアル (ADC) モデル作成手順 パラメータ設定 36

37 ドキュメント : チュートリアル (PLL) SISO ツールの概要 協調シミュレーション short video 37

38 ヘルプ C C ブロックを用いた例題を提供 38

39 デモ 各種 AD コンバータ 高周波系 PLL デジタルプリディストーション シグナルインテグリティ スイッチング電源 2 ポートワークフロー 39

40 DPD 設計 GUI (>>DPD) I/Q データ読み込み fit 関数で線形化 PA 設計 DPD 設計 測定データと DPD 後のデータ 波形確認 測定データ PA 特性 DPD 特性周波数特性 40

41 SERDES TX チャネル アナログ EQ DFE 10b/8b 復号 クロックリカバリ 受信信号 アナログ EQ 出力 再生信号 DFE 出力 41

42 パイプライン ADC アナログ入力 初段サブ ADC 初段サブ DAC 後段サブ ADC エラー挿入部 解析 可視化部 ヒストグラム ( ビット出現頻度 ) 周波数応答 42

43 DCDC コンバータ (SEPIC) 3.3[V] 時間応答 43

44 ダウンロードプロセス (1) 上記リンクにアクセスし ユーザ情報を送信 44

45 ダウンロードプロセス (2) 本ページ内容に同意することで ダウンロード可能となります 45

46 ダウンロードプロセス (3) 関連ファイルのダウンロード開始 Zip ファイルを unzip 46

47 ダウンロードプロセス (4) 作業フォルダにすべてのファイルをコピー コマンドウィンドウ上で >>InstallMe を実行 47

48 動作環境 ( 必要なツール ) すべてのデモの実行に必要なオプション (MATLAB/Simulink のみで動作するデモ ブロックもあります ): Communication System Toolbox Control System Toolbox Curve Fitting Toolbox DSP System Toolbox RF Toolbox Signal Processing Toolbox Simscape/ SimPowerSystems Simulink Stateflow 48

49 Agenda 1. AMS 設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計 II. MATLAB/Simulinkの導入メリット III. 事例紹介 2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは II. 提供される環境 III. Version 2.0で提供されるデモ 3. まとめ 49

50 まとめ 1. AMS 設計活用事例 MATLAB/Simulink による AMS システム設計の効果 Case Study をご紹介 導入事例をご紹介 2. Mixed-Signal Library Mixed-Signal Library から提供される環境をご紹介 是非お試しください! 50

51 デモブースのご案内 信号処理アルゴリズム設計 ~ システム設計 ~ 実装 2012 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 51