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7-2014

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HF-Praxis 7/2014

Software

Software Ausbeute-Optimierung mit Modelithics CLR-Bibliothek In dieser Arbeit schlagen wir einen Lösungsweg vor, der die Auswirkungen der einzelnen Komponenten auf Subsysteme untersucht, so dass ein guter Kompromiss erzielt werden kann im Hinblick auf Bauteilwerte und Bauteil-Toleranz. Ziele sind dabei geringere Einkaufs- (und Fertigungs-) Kosten bei gleichzeitig höherer Ausbeute in der Fertigung. Dieser Lösungsweg erfordert genaue Bauteilmodelle, mit S-Parameter-basierten Bauteil-Bibliotheken wäre dieser Ansatz kaum realisierbar. Durch die Verbindung der Modelithics CLR Bibliothek1 und einem geeigneten HF-Simulator (hier: AWR Microwave Office) kann der Entwickler nicht nur das Design optimieren, er erhält auch ein gegen Bauteil-Schwankungen robusteres Design. Bild 1: Übersicht über die Eigenschaften eines Global Models Modelithics CLR-Bibliothek Die Modelithics CLR-Bibliothek bietet eine breite Palette von hoch skalierbaren „Global Models(tm)“, die jeweils eine ganze Familie von Komponenten repräsentieren und die skalierbar sind bezüglich Bauteilwert, Leiterplatten-Substrat-Eigenschaften und Pad-Abmessungen. Diese Modelle sind bestens auch für Optimierung und statistische Analysen präpariert. Bild 2: Ansatz für den Filter-Entwurf Tiefpass-Design Ein Standard-Tiefpassfilter- Filter-Entwurf Design wird verwendet, um die vorgeschlagene Vorgehensweise Bild 2 skizziert die Entwurfsschritte. Zunächst erfolgt die zu demonstrieren, wobei Ausbeute und Bauteil-Auswahl im Synthese des idealen Filters. Mittelpunkt stehen. Die Spezifikation des Filters wird in folgen- die synthetisierten Werte durch Im nächsten Schritt werden der Tabelle beschrieben: Modelle aus der CLR-Bibliothek Design-Ziel Frequenz 3 dB-Grenzfrequenz 2.2 GHz < 1 dB Einfügungsdämpfung DC bis 2.1 GHz > 30 dB Dämpfung 3,25 GHz bis 8,5 GHz > 12 dB Rückfluss-Dämpfung DC bis 2,0 GHz ersetzt und die Bauelemente mit Leitungselementen verbunden. Hieran schließt sich eine Optimierung der Bauteilwerte (gegebenfalls unter Einschluss der Leitungselemente) an, um parasitäre Effekte und ähnliches auszugleichen. Bis hierher entspricht das Vorgehen der üblichen Routine. Hinzu kommt noch (vor dem ersten Layout- Durchgang) eine Toleranz-Analyse und Ausbeute-Optimierung mit den entsprechenden Funktionen des Simulators. Für die Synthese wurde ein Tschebyscheff- Filter 5. Ordnung verwendet, mit einer Passband-Welligkeit von 0,5 dB und einem Serien- L als erstes Element. Für diese Filter gibt es diverse Tabellen in Lehrbüchern (2), oder man verwendet die integrierten Entwurfs-Tools, wie etwa den AWR „i-Filter-Wizard“ (3). Vergleich Simulation und Messung In Bild 3 sieht man den Filteraufbau sowie den Vergleich von Messung und Simulation. An 52 hf-praxis 7/2014

Software Bild 3: Das aufgebaute Filter, und der Vergleich der Simulation (rot) mit der Messung (blau) dieser Stelle sollte man auch eine Verifikation mit EM-Verfahren in Betracht ziehen, um die unvermeidliche elektro-magnetische Kopplung von Leitungselementen mit einzubeziehen. Darauf wollen wir aber hier verzichten, um das Thema nicht zu überfrachten. Ausbeute- und Toleranz-Analyse Die Modelle der Modelithics CLR-Bibliothek sind bereits vorbereitet für statistische Analysen, es genügt, den Parameter „tolerance“ auf dem Statistics- Reiter des jeweiligen Elements passend zu setzen (Bild 4). Hier wurde eine 5%ige Normal-Verteilung (Gauss-Verteilung) für alle Ls und Cs angenommen und 500 Iterationen berechnet. Zieht man die Ausgangs-Spezifikation (s. Tabelle 1) als Pass-Kriterium heran, erhält man eine Fertigungsausbeute von 54%, siehe auch Bild 5. Es ist nicht unüblich, dass Hersteller die eng-tolerierten Bauteile aus dem Fertigungslos aussortieren, und somit entsteht eine Art bi-modale Normal-Verteilung für die weniger eng tolerierten Bauteile (sehr anschaulich auch Kamelhöcker-Verteilung genannt). Umgekehrt sind die eng-tolerierten Bauteile eben nicht normal-verteilt, sondern „geclippt“. Microwave Office hat für beide Szenarien ein Modell hierfür, und angewendet auf die statistische Analyse ergibt sich bei 5%-iger Toleranz sogar eine Ausbeute von nur 45%! Pauschal aber alle Bauteile mit 2%-iger Toleranz einsetzen, ist zwar machbar und erhöht die Ausbeute auf 85%, doch nun haben wir ein teures Design, unnötig teuer, wie sich im weiteren Verlauf herausstellen wird. Design-Centering Ein Nebenprodukt der Ausbeute- Analyse ist die Sensitivity-Darstellung, d.h. welchen Einfluss hat ein bestimmtes Bauteil auf die Schaltungseigenschaften. Daraus kann man dann Empfehlungen ableiten, wie der Nominalwert eines Bauteils verändert werden sollte (Design- Centering). In Bild 6 sieht man diese Sensitivity-Darstellung für L1 (linke Spule) und L2 (rechte Spule) des Filters. Während der Wert für L1 relativ geringe Auswirkung auf die Ausbeute hat, sieht man für L2 eine deutliche Tendenz zu einem geringeren Nominalwert. Vergleichbare Analysen für die weiteren Bauteile wiederum zeigen, dass diese bereits recht gut „design-centered“ sind. Aus dem Datenblatt der Coilcraft-Spule wurde nun der Bild 4: Element-Eigenschaften einer Induktivität, 5%ige Normalverteilung hf-praxis 7/2014 53

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