Kopioi artikkelin PDF-versio
Langattoman tietoliikenteen yleistyessä käytetyt taajuudet nousevat kapasiteetin tarpeen kasvaessa. Silloin integrointiaste ja pakkaustiheyskin kasvavat. Käyttöön otetaan uusia teknologioita kuten monikerrospiirilevyjä. Samalle puolijohdepalalle sijoitetaan sekä analogisia että digitaalisia toimintoja. Nykyiset suunnitteluohjelmat eivät kuitenkaan kykene mutkikkaiden RF-piirien tehokkaaseen simulointiin. Suunnittelu perustuu paljolti yrityksen ja erehdyksen menetelmään, mikä on kallista ja aikaa vievää.
RF-mallitushankkeessa VTT Tietotekniikka laatii makromalleja passiivisille piirirakenteille muun muassa sähkömagneettisiin simulointeihin perustuen. Rakenteita ovat esimerkiksi monikerrospiirilevyn läpivienti ja erilaiset liuskajohtojen mutkat. Näiden mallien avulla sunnittelija pystyy ottamaan paremmin huomioon signaalien ylikuulumisilmiöt.
VTT Elektroniikka puolestaan kehittää hankkeessa uusia malleja aktiivisille RF-komponenteille. RF- ja digitaalilohkojen väliset häiriökytkennät selvitetään puolijohdepiirien piisubstraatissa. Niiden ehkäisemiseksi tehdään mallitus- ja simulointityökalu. TKK:n teoreettisen sähkötekniikan laboratorio sisällyttää komponenttimalleihin lämpötakaisinkytkennän vaikutuksen.
TKK kehittää hankkeessa APLAC-piirisimulaattorissa käytettäviä malleja. Kaikki kehitetyt mallit tehdään yhteensopiviksi sen kanssa; osa sisällytetään itse simulaattoriin. APLACia käytetään myös työvälineenä mallien kehittämisessä.
RF-laitteen passiivisissa piiriosissa on monenlaisia rakenteita: mikroliuskajohtoja useissa kerroksissa, läpivientejä, liittimiä ja erimuotoisia johdinalueita liitosalustalla. Niiden tyypillisiä ongelmia ovat signaalitien impedanssitason vaihtelut ja signaalien ylikuuluminen. Impedanssitasoon saattavat vaikuttaa seuraavat tekijät: liitäntä piirikortille, läpiviennit piirikortin tasolta toiselle, mutkat liuskarakenteissa, aktiivisten komponenttien kotelot ja kaikki epäjatkuvuuskohdat.
Impedanssitason vaihtelut synnyttävät heijastuksia, jotka aiheuttavat tehohäviöitä ja lisäävät muun muassa piirien häiriösäteilyä. Kuvassa 1 on esitetty käytännön esimerkki aika-alueella mitatusta signaalitien impedanssitasosta. Signaalien ylikuuluminen muihin johtimiin saattaa vääristää niiden aaltomuotoja ja siten aiheuttaa virhetoimintoja tai jopa estää täysin piirin toiminnan.
Sähkömagneettisen simuloinnin käyttö mahdollistaa passiivisten rakenteiden analyysin. Simuloinnin käytännön ongelmista päällimmäisenä on monimutkaisten rakenteiden vaatima pitkä, jopa vuorokausien, laskenta-aika. Kuvassa 2 on esitetty tyypillisessä liitinrakenteessa simuloidut sähkömagneettiset kentät, joista voidaan määrittää signaalin kytkeytyminen muihin johtimiin.
Käytännössä esiintyvät rakenteet ovat yhdistelmiä yksinkertaisista perusrakenteista. Hankkeen tutkimustyö kohdistuu perusrakenteiden mallitukseen. Niitä yhdistelemällä voidaan muodostaa ja simuloida käytännössä esiintyvät mutkikkaammatkin rakenteet. Esimerkkejä perusrakenteista ovat mikroliuskajohdot, läpiviennit, rinnakkain kulkevat johdot, johtojen mutkat, johtojen risteymät ja bondauslangat.
Kullekin rakenteelle muodostetaan sähkömagneettisilla simuloinnilla saaduista tiedoista lähtien makro- eli vastinpiirimallit, joissa esiintyy passiivisia peruskomponentteja ja siirtojohtoja. Teollisuuden suunnittelijan ei enää tarvitse itse tehdä mutkikkaita sähkömagneettisia simulointeja, vaan hän voi suunnitella nopeasti ja tarkasti RF-laitteita makromalleja käyttäen. APLAC-simuloinnissa perusrakenteiden mallit kytketään toisiinsa porttien välityksellä. Varsinaisten siirtojohtoporttien lisäksi otetaan huomioon tarvittavassa määrin myös ne portit, jotka aiheutuvat esimerkiksi hajakapasitanssien välityksellä tapahtuvista kytkennöistä. Kuvassa 3 esitetään esimerkki liuskarakenteesta ja sen makromallista.
Sähkömagneettisten simulointien lisäksi hankkeessa kehitetään mittausmenetelmiä. Taajuuksien kasvaessa käytettyjen piirilevyjen ominaisuudet saattavat muuttua hyvinkin voimakkaasti. Muutosten todentamiseksi tarvitaan parametrien määritysmittauksia eli ekstrahointia, jossa määritetään esimerkiksi käytettävien piirilevyjen dielektrisyysvakiot ja häviöt sähkömagneettisten simulointien lähtötiedoiksi. Toisaalta todentamismittauksia tehdään myös sitä varten, että varmennetaan laadittujen makromallien toiminta.
Langattomassa tietoliikenteessä merkittävin kehityssuuntaus on koon pieneneminen. Tämän tekee mahdolliseksi mikropiirien integrointiasteen jatkuva kasvu. Suuntauksen jatkuminen vaatii yhä tehokkaampia menetelmiä, joilla voidaan liittää samalle piipalalle eri toimintoja: radiotaajuisia, analogisia ja digitaalisia. Äärimmäisenä tavoitteena on koko radiojärjestelmän integrointi samalle palalle, yhden sirun radio.
Prototyyppien avulla on pystytty osoittamaan, että radiolaitteen päälohkojen integroiminen yhdelle piipalalle on mahdollista. Esimerkiksi pienen kaistanleveyden CDMA- ja DECT-järjestelmien prototyyppejä on integroitu CMOS-tekniikalla, jolloin piirin koko on kanttiinsa sentin suuruusluokkaa. Piirien integrointiasteen kasvaessa kohdataan häiriökysymykset eli signaalien kytkeytyminen vääriin paikkoihin.
Prosessiteknologiassa suuntauksena on korvata GaAs-piirit (galliumarsenidipiirit) piihin perustuvilla piireillä myös useiden gigahertsien alueella. Tällöin häiriökysymysten tärkeys nousee merkittävästi. Esimerkkinä olkoon Philipsin "Silicon-on-Anything"-visio. Siinä tavoitteena ovat uudet teknologiainnovaatiot piillä, jotka mahdollistavat lähetin- ja vastaanotinrakenteiden tehokkaan integroinnin.
GaAs muodostaa integroiduissa piireissä lähes eristävän alustan aktiiviosille. Piisubstraatti sen sijaan on varsin johtavaa, mikä helpottaa häiriöiden kytkeytymistä. Toistaiseksi tiedetään hyvin vähän eri tekijöiden merkityksestä tässä tilanteessa. Siksi valinnat tehdään yrityksen ja erehdyksen menetelmällä puuttuvien mallien ja menetelmien vuoksi.
Integrointikehitystä rajoittavat mahdolliset häiriökytkennät piipalan eri toiminnallisten osien välillä, digitaaliosista radiotaajuusosiin ja päinvastoin (kuva 5). Myös toiminnallisten lohkojen sisäiset häiriökytkennät voivat nousta haitallisiksi, kun lohkot ovat tarpeeksi laajoja ja toimintanopeus tai -taajuus on riittävän suuri. Häiriöitä kasvattaa siirtyminen alle mikrometrin viivanleveyksiin ja alle nanosekunnin digitaalipulssien nousu- ja laskuaikoihin. Kytkeytyminen voi tapahtua joko piisubstraatin kautta (varauksina ja virtoina) tai mikropiirin johdinten välisenä kapasitiivisena tai induktiivisena kytkeytymisenä kuten edellä esitettiin.
Kytkeytymisilmiöitä ei voida täysin ennakoida, koska vielä puuttuu malleja ja työkaluja niiden hallintaan. Käytännössä nämä epätoivotut signaalikytkennät aiheuttavat monia suunnittelun ja käytön ongelmia:
RF-mallitushankkeessa luodaan APLAC-piirisimulaattoriin sopiva työkalu, jolla mallitetaan ja simuloidaan piimikropiirien substraattikytkeytymistä ja parasiittisia ilmiöitä. Tutkitaan sekä puhtaiden radiotaajuisten piirien että sekamuotoisten, analogia- ja digitaalitoimintoja sisältävien piirien kytkeytymisilmiöitä. Työkalun avulla on mahdollista kehittää ohjeisto kokonaisarkkitehtuurin suunnitteluun tai lohkojen sijoitteluun suurten analogiapiirien tapauksessa samoin kuin digitaalipiireillä.
RF-tekniikan yleistymisen jarruna on ollut kunnollisten komponenttimallien puute. Esimerkkiksi CMOS-teknologille ei ole ollut yli 500 megahertsin transistorien mallia. Myös jo tehtyihin malleihin kaivataan parannuksia kuten MESFETiin. APLACiin sisällytettävistä uusista malleista mainittakoon Chalmersin MESFET/HEMT-malli.
Mallit ovat teollisuudelle hyödyttömiä, ellei todellisia komponentteja pystytä niiden avulla kuvaamaan. Harvat komponenttivalmistajat toimittavat riittävästi tietoa mallin laadintaa varten, on itse ekstrahoitava malliparametrit. Hankkeessa kehitetään menetelmiä, joissa komponenttien määritysmittaukset tehdään APLACia ja mittauslaitteita käyttäen.
APLAC-piirisimulaattori on kehitetty pääosin RF-simuloinnin tarpeisiin yhteistyönä TKK:ssa ja Nokian tutkimuskeskuksessa. APLAC sisältää suuren joukon simulointimenetelmiä sekä passiivisten rakenteiden että puolijohdekomponenttien malleja. Niinpä APLAC on hyvä pohja uusien mallien toteuttamiseen ja todentamiseen. Myös tässä hankkeessa valtaosa malleista toteutetaan makromalleina, jotta ne olisivat nopeasti teollisuusosapuolten käytettävissä.
Artikkelia varten materiaalia ovat valmistelleet: Markku Sipilä ja Kari Markus, VTT Tietotekniikka; Markku Åberg, VTT Elektroniikka; Timo Kujanpää, Timo Veijola, Luis Costa ja Martti Valtonen, TKK Teoreettisen sähkötekniikan laboratorio.
TKK:n assistentti, nykyinen teoreettisen sähkötekniikan professori Martti Valtonen päätti 70-luvun alussa elävöittää laskuharjoituksia. Siksi hän ohjelmoi pienen työkalun, jolla voitiin laskea lineaarisista komponenteista koostuvien piirien toimintaa. Näin syntyi APLAC-piirisimulaattori.
APLAC kehittyy edelleen professori Valtosen johdolla. Teoreettisen sähkötekniikan laboratorion ohella työhön on lähtenyt mukaan Nokia-yhtymä. Mobiran, nykyisen NMP:n, piirisuunnittelijat ottivat ohjelman koekäyttöönsä 80-luvun puolivälissä. RF-asiantuntija Seppo Rosnell teki aloitteen ohjelman muuttamisesta C-kieliseksi. Yksi projektin avainhenkilöistä oli nykyinen TEKESin informaatioteknologian johtaja Pauli Heikkilä, joka väitteli aiheesta.
APLAC alkoi vähitellen saada jalansijaa. Innostumista hidasti ohjelman kehittäjien vähälukuisuus. Ohjelman vahvuuksien ja kehitysryhmän joustavuuden ansiosta APLACin käyttö Nokiassa kuitenkin laajeni. Loppujen lopuksi Nokia Tutkimuskeskus teki tutkimussopimuksen Teoreettisen sähkötekniikan laboratorion kanssa vuonna 1988.
Tällä hetkellä APLAC-tiimissä on noin kaksikymmentä jäsentä. Siihen liittyvistä aiheista on tehty kaksi väitöskirjaa ja neljä lisensiaattityötä. Diplomitöitä on yhteensä parisen kymmentä, osa niistä on tekeillä. Kansainvälinen konferenssiraporttien ja lehtiartikkelien julkaiseminen on ollut vilkasta.
Vaikka ensi polven APLAC oli jo joustava, varsinainen oivallus oli ohjelmoiminen menetelmällä, joka myöhemmin määriteltiin olio-ohjelmoinniksi. Ohjelman käyttömahdollisuuksien rajat löytyvätkin lähinnä käyttäjän mielikuvituksesta. Ohjelmassa piiri kuvataan ohjelmointikielen tapaisella ADL-kuvauskielellä (APLAC Description Language). Kuvauskieli on monipuolinen, tehokas ja joustava; moni käyttäjä on sitä kehunut, mutta moni on myös inhonnut. Nykyään aloittelevat piirisimuloijat voivat hyötyä APLACin graafisen käyttöliitynnän, Nokian kehittämän NASSE-piirikaavioeditorin, havainnollisuudesta.
APLAC tarjoaa hyvän ympäristön kehittää uusia komponenttimalleja. Mielivaltaisten virta-jännite-riippuvuuksien mallittaminen onnistuu helposti. Uusia epälineaarisia komponenttimalleja, esimerkiksi puolijohdemalleja, voi liittää APLACiin sujuvasti, ilman muutoksia varsinaiseen koodiin. Kuvauskielen avulla parametroituja piirilohkoja, toisin sanoen makromalleja on helppo määritellä ja simuloida.
Myös uusien simulointimenetelmien kehittäminen onnistuu APLACissa sen C-kielisyyden vuoksi. Kehitystyö on mahdollista jopa kuvauskielen avulla. Hyviä esimerkkejä uusista simuloinnin kohteista ovat kolmiulotteiset sähkömagneettiset rakenteet ja radiojärjestelmät.
APLACin ominaisuudet painottuvat RF-piirien simulointiin. Esimerkiksi matkapuhelimien RF-osien suunnittelussa tarvittavat jatkuvan tilan analyysi- ja optimointimenetelmät sekä taajuusalueen Z-, Y-, H-, ja S-parametrianalyysit mahdollistavat tehokkaan piirisuunnittelun. Ratkeavien ongelmien määrää voi lisätä epälineaarisella kohina-analyysillä, jatkuvan tilan kytkin-kapasitanssi-analyysillä ja sekoitinpiirien analyysillä.
Hyvät menetelmät eivät yksin riitä tarkkoihin tuloksiin, tarvitaan myös todellisia komponentteja oikein kuvaavat mallit. APLACiin on asennettu useita mikroliuska- ja transistorimalleja, joista esimerkiksi mainittakoon BJT, MESFET, MOS9, MEXTRAM ja VBIC95.
APLAC sopii muuhunkin kuin pelkästään RF-piirien simulointiin. Optimointimenetelmillä voi tutkia monenlaisten sähkö- ja muidenkin piirien komponenttiarvojen valintaa. Eksoottisimpia malleja ovat olleet auton turvatyynyn laukaiseva kiihtyvyysanturi ja suprajohtavat mikroliuskat, joita tarvitaan CERNin hiukkasantureissa. Sarjatuotannon saannon simulointiin ja maksimointiinkin on APLACissa työkalut.
Ohjelma on yleiskäyttöinen ja se on myös laajassa käytössä ympäri maailmaa. Nokia mukaan lukien asiakkaita on noin viisikymmentä, kaukaisimmat Etelä-Afrikassa ja Japanissa.
APLACin ilmaisen kokeiluversion saa osoitteesta www.aplac.hut.fi/aplac.
2. Special issue on interconnects and packaging, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, vol.45, no. 10, October 1997
3. VTT Tietotekniikka, http://www.vtt.fi/tte/
4. VTT Elektroniikka, http://www.ele.vtt.fi/
5. TKK Teoreettisen sähkötekniikan laboratorio, http://www.aplac.hut.fi/