Ausgezeichnetes analoges IC-Design

Dominik Hiltbrunner hat in seiner Masterarbeit eine komplexe analoge Schaltungskomponente entwickelt und analysiert.

Beim Begriff «Mikrochip» denken die meisten Menschen an Prozessoren oder Speicher. Dabei bilden diese digitalen Schaltungen nur ein Teil in der Welt der integrierten Schaltungen. Eine ebenso wichtige, aber oftmals unterschätzte Komponente ist der analoge Teil einer Schaltung. Expertinnen und Experten im analogen Schaltungsdesign kreieren Schaltungen, die mit kontinuierlichen Signalen arbeiten – statt «0» oder «1» wie bei digitalen Schaltungen können die Signale einen beliebigen Wert auf einer bestimmten Skala annehmen.

Der analoge Teil einer Schaltung ist also quasi die Verbindung der Schaltung zur richtigen Welt, die es dem digitalen Teil erlaubt, Daten zu verarbeiten. Dazu gehören Komponenten wie Verstärker, Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandler, Spannungsregler oder Filter.

Zur Anwendung kommen analoge Schaltungen beispielsweise in der Audioverarbeitung, in der Kommunikationstechnologie oder in der Verarbeitung von Sensorsignalen von kontinuierlichen physikalischen Phänomenen wie etwa Druck, Licht oder Temperatur.

Im Zentrum stehen dabei nicht logische, sondern physikalische Eigenschaften. Statt Logikgatter mit binären Operationen wie AND, OR und NOT kommen Widerstände, Kondensatoren oder Transistoren zum Einsatz, welche die Signale verstärken, filtern oder transformieren.

In Integrierten Schaltungen spielen auch analoge Komponenten eine zentrale Rolle.

Eine komplexe und faszinierende Welt

Das macht das Design von analogen Schaltungen ungleich komplexer. Beim Design müssen eine riesige Menge an Faktoren berücksichtigt werden: Etwa die Varianz der Schaltungskomponenten in der Produktion, Temperaturgradienten, parasitäre Kontaktwiderstände, oder gar die räumliche Ausrichtung der Komponenten.

Dominik Hiltbrunner, Masterabsolvent an der Hochschule für Technik FHNW, ist fasziniert von dieser Welt. «Ich fokussiere mich seit meiner Bachelorarbeit auf analoge Schaltungen», sagt er.

«Für meine Masterarbeit habe ich im Auftrag eines Industriepartners eine analoge Schaltungskomponente entwickelt und analysiert, die in einer Applikationsspezifischen integrierten Schaltung, kurz ASIC, eingesetzt wird.»

Bei der Komponente handelt es sich um einen sogenannten Finite-Impulse-Response Digital-to-Analog Converter, kurz FIR-DAC. Darunter versteht man eine Schaltung, die digitale Signale in analoge verwandelt und gleichzeitig als Tiefpassfilter dient – also Signalanteile mit hohen Frequenzen blockiert. Speziell an der Aufgabenstellung war, dass der ASIC in einer grossen Bandbreite an Anwendungen eingesetzt werden muss: «Die Anforderungen reichten von low-power-bis zu high-performance-Anwendungen. Das heisst, der Leistungsverbrauch der Komponenten muss konfigurierbar sein.»

Sein Design wurde in 180nm CMOS-Technologie umgesetzt und befindet sich derzeit in der Produktion.

Auszeichnung von Cadence

Im analogen Schaltungsdesign ist immer noch viel Handarbeit, erklärt Dominik. «Da zahlreiche Parameter die Schaltung beeinflussen, bauen wir sie sozusagen Transistor für Transistor auf». Das Schaltungsdesign muss anschliessend als Simulation verifiziert werden. Dabei helfen Tools wie diejenigen des Anbieters Cadence, einer der wichtigsten und grössten Entwickler von EDA (Electronic Design Automation)-Tools. Mit über 10'000 Mitarbeitern weltweit gehören sie zu den namhaftesten Firmen in der Industrie.

«Die Stabilität muss garantiert sein, und alle Spezifikationen müssen auf jeder Leistungsstufe erfüllt werden. Um dies sicherzustellen, waren umfangreiche Schaltungsanalysen mit Spectre, dem Tool von Cadence, ein wichtiger Teil meiner Arbeit», so Dominik.

Das zeichnet sich aus: Dominik Hiltbrunner hat für seine Masterarbeit den Cadence Academic Network Master Thesis Award 2023 erhalten. Er wird damit seine Arbeit an der CadenceLive Europe vom 10. bis 11. Oktober 2023 in München vorstellen.

An dem Wettbewerb nahmen Teilnehmende aus dem europäischen Raum teil. Der Gewinner wurde von der Programmjury ausgewählt.

Nach seinem Masterabschluss freut sich Dominik Hiltbrunner seine Karriere in der Arbeitswelt zu starten – selbstverständlich im selben Bereich: «Das analoge IC-Design ist seit drei Jahren mein Thema, und das soll es auch künftig bleiben.»