【Springer 2008】High-Level Modeling and Synthesis of Analog Integrated Systems

eagle_tek · 发表于 2009-1-29 18:02:37

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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 The world of electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 A historic perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 An economic perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 A technological perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 A design perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Analog design automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Research areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 High-level synthesis of analog and mixed-signal
systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Part I Analog Design Methodologies
2 Foundations of Design Flows for AMS Systems . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Analog and mixed-signal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Description and abstraction levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Operations in the abstraction–description plane . . . . . . . 23
2.4 Parameters and performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Design flows for analog and mixed-signal systems . . . . . . . . . . . . 28
2.5.1 The generic design flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.2 Simplified generic design flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.3 Specification of the generic design flow . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Analog and Mixed-Signal Design Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Historic overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Selection before or after dimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Selection during dimensioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.3 Top-down creation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.4 Bottom-up generation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.5 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.4 Design strategy based on generic behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 Design flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.2 Generic behavioral models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Part II Generic Behavioral Modeling
4 Time-Domain Generic Behavioral Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Time-domain modeling approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.1 Time-domain simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.2 Time-marching algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.3 Sampled-data methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.4 Waveform relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.5 Collocation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3 A model for continuous-time modulators . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.1 The generic behavioral model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.2 Templates for the generic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.3 Implementation of the generic behavioral model . . . . . . . 122
4.4 A generic behavioral model for sampled-data systems . . . . . . . . 129
4.4.1 General sampled-data systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.4.2 Generic behavioral model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.4.3 Templates for the generic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.4.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5 Frequency-Domain Generic Behavioral Models . . . . . . . . . . . . 145
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 Frequency-domain modeling approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.1 Frequency-domain simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.2 Harmonic balance algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2.3 Approaches with time-domain equivalent low-pass
models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2.4 Strictly frequency-domain approaches . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.2.5 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3 A new frequency-domain framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3.2 Signal representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.3 Linear representation of building blocks . . . . . . . . . . . . . . 160
5.3.4 Noise signals in the Phase-Frequency Transfer model . . . 171
5.3.5 Nonlinear behavior of building blocks . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.4 Generic behavioral models for front-ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.4.1 Fundamental RF receiver front-end operation . . . . . . . . . 187
5.4.2 Generic behavioral model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.4.3 Templates for the generic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.4.4 Implementation and experimental results . . . . . . . . . . . . . 198
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Part III Top-Down Heterogeneous Synthesis
6 Top-Down Heterogeneous Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.2 Objectives for synthesis strategy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.2.1 Fundamental requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.2.2 An evolutionary approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
6.3 Top-down heterogeneous optimization methodology . . . . . . . . . . 219
6.3.1 Overview of methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.3.2 Design population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
6.3.3 The embryonic design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6.3.4 Performance calculators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.3.5 Evaluators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.3.6 Satisfaction levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.3.7 Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6.3.8 Selection of transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.3.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.4 Application: analog-to-digital conversion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.4.1 Dedicated library for top-down heterogeneous
optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.4.2 Dedicated program for A/D conversion . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Symbols and Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

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