Wir haben also gerade einen weiteren spannenden Job bei Analog begonnen IC Design in einem guten Unternehmen. Wir klopfen uns auf die Schulter und sind stolz auf uns, bis ein Designproblem auf unserem Schreibtisch landet. Wir springen mit beiden Füßen hinein und siehe da, was unser Manager uns als eine Woche Arbeit versprochen hat, hat sich als viel länger herausgestellt.
Klingt bekannt? Ich nehme an, ich bin nicht der Erste, da andere dasselbe erlebt haben müssen. Betrachten Sie die folgende Grafik:
Wenn wir den Prozentsatz der Fertigstellung auf der y-Achse und die Zeit auf der x-Achse auftragen und skizzieren, wie lange es dauern wird, eine bestimmte Aufgabe zu erledigen, erhalten wir im Idealfall die grüne Kurve. Die grüne Kurve kann durch eine einfache Gleichung definiert werden;
Wobei t die Zeit und T die Zeitkonstante ist, die ein Maß für die Effizienz ist.
Falls wir jedoch in einem Problem stecken bleiben, betrachten Sie den violetten Graphen. Hier fangen wir gut an und kommen schnell an einen Punkt, an dem wir ins Stocken geraten. Wir scheinen auf einen Haken gestoßen zu sein, bis wir schließlich durch schiere Entschlossenheit und Hartnäckigkeit unseren Weg daraus finden. Wir fahren auf dieser Flugbahn fort, bis wir auf einen weiteren Haken stoßen und so und so weiter. Irgendwann ist die Aufgabe erledigt, aber erst, wenn wir die Hindernisse oder das, was ich „Problemfallen“ nenne, erfahren haben.
In der roten Grafik sind die Problemfallen so schwerwiegend, dass die Aufgabe einfach nicht abgeschlossen werden kann und von der erforderlichen Lösung abweicht. In diesem Fall muss die Aktivität beendet und neu gestartet werden.
Schauen wir uns ein einfaches Beispiel an. Das folgende Diagramm eines einfachen Verstärkers mit gemeinsamem Emitter.
Angenommen, wir setzen die Spannung Abfall über Re auf ungefähr 0.1 V, also stelle ich die Gleichspannung vbias ein, bis die Spannung über dem Emitter 0.1 V beträgt. Angenommen, ich wollte eine Verstärkung von 30 dB oder x32 erreichen und stelle Re = 100 Ohm ein, was bedeutet, dass der Schweifstrom 1 mA beträgt. Das bedeutet re=VT/I, VT=25mV, I=1ma, re=25 Ohm. Also jetzt will ich Rl ausarbeiten, also
Die Einstellung G = 32, Re = 100, re = 25 ergibt Rl = 4k!
Wenn ich jetzt Vdd = 3 V einstelle, beträgt die Spannung am Kollektor von T1 -1 V, der Basis-Kollektor-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, sodass ich wahrscheinlich keinen großen Gewinn daraus ziehen werde, aber wenn ich das Design blind baue, werde ich es tun entlang der violetten Linie queren. Ein weiteres Problem könnte die Wahl von Rbias sein. Nehmen wir an, dass die Quellenimpedanz, die Cac antreibt, 1k beträgt und ich Rbias auf 1k setze. Nun, in diesem Fall muss ich sicherstellen, dass das Signal, das ich in die Basis treibe, mindestens doppelt so groß ist, um eine Verstärkung von 30 dB zu erreichen. Aber wenn ich Rbias versehentlich auf 10 Ohm stelle, dämpfe ich das Signal direkt am Eingang. Vielleicht habe ich den Schaltplan im CAD-Tool erfasst und Rbias versehentlich auf 10 Ohm gelassen und dann eine Simulation ausgeführt, um zu überprüfen, ob meine Verstärkung viel niedriger als erwartet ist. Ich kratze mich am Kopf ... keine Freude.
Ich simuliere weiter, ohne über die Parameter im Design nachzudenken … also bin ich jetzt auf einen anderen Haken gestoßen. Irgendwann kommt einer meiner freundlichen Kollegen vorbei und bemerkt, dass Rbias auf 10 Ohm eingestellt ist … werden sie auf meinen dummen Fehler hinweisen?
Das ist alles sehr gut für gut verstandene Mathematik und einfache Schaltungen. Das Leben ist nicht so einfach und ich glaube, dass es immer noch Problemfallen gibt. Beim Entwerfen bei viel höheren Frequenzen, sagen wir ft/8, können wir nicht länger DC-Werte von Beta annehmen. Wenn unsere Schaltung also nicht funktioniert, liegt das nicht an etwas Offensichtlichem, sondern wir haben etwas übersehen … eine Problemfalle.
Betrachten Sie den unten gezeigten zweistufigen Verstärker:
Wenn wir angenommen hätten, dass Beta ein DC-Wert ist, hätten wir den Effekt von β vernachlässigt2.Re1 wo, β2 =
Mit anderen Worten, ein negativer Widerstand, der über der abgestimmten Last Lout und Cout erscheint. Dies könnte sich nachteilig auf die Stabilität des Verstärkers auswirken und oszillieren. Wir hätten das nicht bemerkt, bis wir, sagen wir, einen Transienten ausgeführt hätten, wenn Re1 schlecht gewählt worden wäre … eine weitere Problemfalle. In dieser Situation sind wir möglicherweise bei dem roten Diagramm gelandet, das sich spiralförmig weg von 100 % abgeschlossen und in die negative Richtung bewegt … dh das Designproblem wird niemals abgeschlossen.
Wenn wir das so geplant hätten, hätten wir zuerst gedacht, brauchen wir Tef wirklich und die Ausgangsstufe per Wechselspannungskopplung direkt mit der Eingangsstufe verbunden. Auf diese Weise kann ich die Ausgangsstufe unabhängig vorspannen und muss mir keine Gedanken über eine negative Impedanz machen. Nun, nicht ganz, weil am Emitter von Tout1 eine parasitäre Kapazität vorhanden sein wird.
In diesem Fall erscheint die parasitäre Obergrenze als negative Impedanz über Lout//Cout….wieder müssen wir auf diese Effekte achten.
Perspectives
Harriet Green sagt unter Berufung auf Wayne Schaefer (Even the Finest Engineers Can Experience Confirmation Bias):
„Ich habe die Erfahrung gemacht, dass es kompliziert sein kann, Sachen herzustellen! Selbst in den fortschrittlichsten und am besten verwalteten Produktionsumgebungen treten laufend Fertigungsprobleme auf. Einige davon sind einfach und haben eine offensichtliche, schnelle Lösung, während andere eine gründliche Untersuchung erfordern, um die Grundursache aufzudecken. ”
„Eine Sache, die sich jedoch nicht ändern sollte, ist die Art und Weise, wie Ingenieure Probleme in den Bereichen Fertigung, Wartung, Design und Fertigung angehen. Ich denke, es ist wichtig, alle möglichen Ursachen und Lösungen sorgfältig abzuwägen, bevor man zu einer Schlussfolgerung kommt. Beim Sammeln und Analysieren von Daten können anfängliche Lösungen versehentlich den richtigen Optionen vorgezogen werden. Wovon Wayne spricht, ist „Bestätigungsverzerrung“, dies beinhaltet, wissentlich oder unwissentlich mehr Informationen zu mögen, die vorgefasste Meinungen stützen, während Daten, die ihnen widersprechen, ignoriert oder diskreditiert werden. Es ist eine häufige und oft unbewusste Tendenz, weshalb es meiner bescheidenen Erfahrung nach äußerst wichtig ist, dass sich Ingenieure dieser Voreingenommenheit bewusst sind.“
„Es müssen alle Anstrengungen unternommen werden, um die Gesamtheit der Perspektiven, Ursachen und Lösungen zu berücksichtigen, um das beste Ergebnis für ein bestimmtes Problem zu erzielen und gleichzeitig suboptimale Ergebnisse und anhaltende oder wiederkehrende Fehlfunktionen zu vermeiden. Die Tendenz zur Bevorzugung oder Fixierung auf eine bestimmte Lösung kann nur mit soliden Problemlösungswerkzeugen und Methoden überwunden werden. Abhängig von der Art des Problems, dem gewünschten Ergebnis und den verfügbaren Ressourcen können verschiedene Werkzeuge eingesetzt werden. Ein Beispiel, der Red-X-Prozess, hilft auf verschiedene Weise, Bestätigungsverzerrungen zu vermeiden. Red X, entwickelt von Dorian Shainin, bezieht sich auf die dominante Grundursache, die als farbcodiertes Rot auf einem Diagramm angezeigt wird, das priorisiert, was beobachtet wird, um die größte Auswirkung auf die Qualität eines Prozesses zu haben (auch als Pareto-Diagramm bekannt).
Wie Harriet skizziert, ist es besser, die Arbeit im Voraus zu planen, als sich in die Lösung des Problems zu stürzen, damit Problemfallen so weit wie möglich vermieden werden können.
Gareth Jones
Eine andere Sichtweise kommt von Gareth Jones, dem Projektleiter von Garfield Microelectronics. Er sagt Folgendes über Problemfallen:
„Als Teil des umfassenden Angebots von GF Micro an Silizium-Design-Dienstleistungen und Silizium-Lieferungen untersucht unser Design-Prozess bereits früh im Projektlebenszyklus potenzielle Problemfallen, bevor mit der Design-Arbeit begonnen wird. Diese Bewertung erfolgt in Form einer Machbarkeitsstudie, in der wir die Vor- und Nachteile der Kundenspezifikation und unserer vorgeschlagenen Designarchitekturen untersuchen und dann das mit jedem Vorschlag verbundene Risiko bewerten.“
„Durch diesen Ansatz kann GF Micro mögliche Probleme besser verstehen und Minderungspläne aufstellen, um die Auswirkungen von Problemfallen zu reduzieren. Nach der Machbarkeitsstudie, in der wir an der vollständigen Designentwicklung arbeiten, gibt es wahrscheinlich immer noch Problemfallen, aber die Schwere dieser Probleme wird aufgrund der vorherigen Planung verringert. Dies ermöglicht es uns, näher an der idealen grünen Kurve der Problemfalle zu bleiben, wodurch die wahrscheinlichen Auswirkungen auf den Gesamtprojektplan reduziert werden.“
Mark Thackeray
Mark Thackeray ist ein renommierter Geschäftsmann und seit Jahren Projektleiter/-manager, der Unternehmenssoftware für einige der weltweit größten Unternehmen bereitstellt.
Problemfallen treten auf, wenn Teams, Produkte und Zeitpläne nicht in Ordnung sind. Kommunikation im Projektmanagement ist unerlässlich, um Fehler zu vermeiden. Eine Möglichkeit, Problemfallen zu markieren, besteht in der Verwendung von Visual Management, einer Lösung, die entwickelt wurde, um alle Beteiligten schnell auf alle Probleme auszurichten und zu definieren ein Lösungsfahrplan.
Planen Sie nicht zu springen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Problemfallen in allen Aspekten des Engineerings auftreten, und wir müssen uns ihrer bewusst sein, damit wir um sie herum planen können.
Wenn wir uns mit wenig Erfahrung in einen neuen Designbereich begeben, werden wir wahrscheinlich die lila Linie überschreiten, aber mit der Zeit werden wir dort ankommen. Der Punkt, den ich hier zu machen versuche, ist, dass wir unsere Arbeit so gut wie möglich planen, bevor wir einsteigen.
Autor
Er hat für eine Reihe großer Unternehmen gearbeitet, darunter Ferranti, STL, GEC Plessey Semiconductors, Maxim Integrated, Dialog Semiconductors, um nur einige zu nennen. Er hat auch in Startups wie Phyworks gearbeitet. Während seiner Tätigkeit bei GEC Plessey Semiconductors meldete Ash über 20 Patente an, darunter Synthesis Exploiting Algebraic Design, das erfolgreich in einer Reihe von Produkten eingesetzt wurde.
Zur Entspannung geht Ash gerne laufen, spazieren gehen, Zeit mit seiner Frau verbringen, Töchter und Enkel. Ash ist auch als Komponist sowohl in Kammer- als auch in Orchesterwerken tätig.
[VORLÄUFIGE VOLLAUTOMATISCHE TEXTÜBERSETZUNG - muss noch überarbeitet werden. Wir bitten um Ihr Verständnis.]: Standpunkt: Von BC108 zu SiGe BiCMOS – warum analoge ICs großartig sind
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