1 © 2012 The MathWorks, Inc.

MATLAB/SimulinkによるAMS活用事例

～Mixed-Signal Library 2.0のご紹介～

MathWorks Japan

アプリケーションエンジニアリング部

シニアアプリケーションエンジニア

竹本佳充

2

Agenda

1. AMS設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計

II. MATLAB/Simulinkの導入メリット

III. 事例紹介

2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは

II. 提供される環境

III. Version 2.0で提供されるデモ

3. まとめ

3

Agenda

1. AMS設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計

II. MATLAB/Simulinkの導入メリット

III. 事例紹介

2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは

II. 提供される環境

III. Version 2.0で提供されるデモ

3. まとめ

4

ミックスドシグナルトップダウン設計 ミックスドシグナル系エンジニアの声

Mixed-signal SOC verification using analog behavioral models

Qi Wang, Cadence Design Systems - August 21, 2012/EDN

5

Analog Digital

Cadence®

Virtuoso® Analog Design

Environment (ADE)

Virtuoso® AMS Designer (AMSD)

手書きHDLコード

ミックスドシグナルトップダウン設計 従来のアナログ/デジタル協調設計フロー

HDL シミュレータ

Virtuoso上で回路設計

Verilog-Aでビヘイビアモデル作成

設計プロセス間に大きな壁

RTL Design

System

Design

Specification

Implement to IC

RF/Mixed-Signal Verification

Circuit Design

6

Implement to IC

RF/Mixed-Signal Verification

Digital

自動生成HDLコード

HDL シミュレータ

MATLAB/

Simulink

Simulink DPI-C Link/ co-sim HDL Coder

HDL Verifier

設計プロセス間の壁を解消

RTL Design Circuit Design

Cadence®

Virtuoso® Analog Design

Environment (ADE)

Virtuoso® AMS Designer (AMSD)

Analog

System

Design

ミックスドシグナルトップダウン設計 新しいアナログ/デジタル協調設計フロー

Specification

7

Implement to IC

RF/Mixed-Signal Verification

Digital

RTL Design Circuit Design

Analog

System

Design

Specification

ミックスドシグナルトップダウン設計 システム設計におけるトップダウンフローのイメージ

理想モデル： 高抽象度表現でパラメータを

チューニング

性能劣化要因評価モデル： 雑音、スプリアス等、システム性能劣化要因を考慮

回路ビヘイビアモデル： 部分的な回路表現による、

トポロジ評価

8

MATLAB/Simulinkの導入メリット

シミュレーションプラットフォーム

– 豊富な解析/可視化関数

– 連続、離散ドメインに対応

– 可変ソルバによる高速処理

各種オプションライブラリ

– ディジタル系ライブラリ

– アナログ系ライブラリ

– 豊富なオプションでモデルを迅速に具現化

EDAツールとのリンク

– HDLおよび回路シミュレータとの連携

– 固定小数点化および自動コード生成

– 包括的なトップダウンフローを実現

MATLAB/

Simulink/

Stateflow

Control System Toolbox/

DSP System Toolbox/

SimPowerSystems/ …

Fixed Point Toolbox/

HDL Coder/

HDL Verifier/ …

9

Case study：ADコンバータ設計

種類 逐次比較ADC パイプラインADC Δ∑ADC

方式 コンパレータでの

比較処理を

繰り返す

ADCとDACの

組み合わせに

より実現

高速なサンプルレートで信号を

2値化

変換周波数 △ ◎ △

分解能 ○ ○ ◎

消費電力 ○ △ ○

用途 一般用途

マイコン

画像処理

通信

オーディオ

計測

ご紹介するADC

10

Case study：逐次比較ADC step1 (理想モデル)

comparator

SAR

ロジック

理想DAC

10M[Hz]

140M[Hz]

サンプリング周波数：10M[Hz]

分解能：12bit

11

Case study：逐次比較ADC step1 (理想モデル - cont.)

[遷移条件]

[遷移条件]と、{アクション}

SARロジック

(Stateflow環境で実現)

アイドル状態

ADC

実行状態

12

Case study：逐次比較ADC step1 (理想モデル - cont.)

各状態における

遷移パターン

①10MHz周期

ADC出力初期値を設定し、Run状態へ

②比較結果==true

ビット「1」を確定。

②比較結果==false

ビット「0」を確定。

前回の暫定ADC出力

から、「2^Bit」だけ減算

③比較回数<語長

ビットカウンタを

デクリメントし、

逐次比較を継続

③比較回数==語長

ADC出力を確定し、

アイドル状態へ

13

Case study：逐次比較ADC step2 (非線形モデル)

DACの

非線形性を追加

14

Case study：逐次比較ADC step2 (非線形モデル - cont.)

時間軸波形

（ADC出力等） 周波数軸波形

（ADC出力）

DAC

非線形性小

DAC

非線形性大

15

Case study：逐次比較ADC step3 (電荷再分配DAC)

参考文献：http://inst.eecs.berkeley.edu/~ee247/fa06/lectures/L15_f06.pdf

電荷再分配DACの概念図

8C 4C 2C C

Vout

Vref

C 2(B-1)C

reset

MSB

LSB bB-1 b3 b2 b1 b0

16

Case study：逐次比較ADC step3 (4bit電荷再分配DAC)

参考文献：http://inst.eecs.berkeley.edu/~ee247/fa06/lectures/L15_f06.pdf

8C 4C 2C C

Vout

Vref

C

reset

b3 b2 b1 b0

リセット

17

Case study：逐次比較ADC step3 (4bit電荷再分配DAC)

参考文献：http://inst.eecs.berkeley.edu/~ee247/fa06/lectures/L15_f06.pdf

8C 4C 2C C

Vout

Vref

C

b3 b2 b1 b0

“1101”

18

b0

Case study：逐次比較ADC step3 (4bit電荷再分配DAC - cont.)

参考文献：http://inst.eecs.berkeley.edu/~ee247/fa06/lectures/L15_f06.pdf

b3

b2 b1

19

Case study：逐次比較ADC step3 (12bit電荷再分配DAC)

スプリットアレイによる実現

⇒キャパシタ削減

8/7*C

C 2C 4C

20

Case study：逐次比較ADC step4 (12bit DACを含むADCモデル)

12bit DAC

周波数軸

出力波形

時間軸

出力波形

21

事例紹介：エプソントヨコム ミックスドシグナル集積回路を2 か月で設計・検証

課題 新しい16ビットADコンバータを含むミックスドシグナルICを

2ヶ月で開発すること

ソリューション

システムレベル設計をモデリング、シミュレーション、検証するためにMathWorksのモデルベースデザインツールを採用

結果 シミュレーション時間を数日から数分に短縮

開発期間を33%短縮

大幅な設計コスト削減

「従来、回路レベルで3日、Verilog-Aで20

分と非常に時間のかかっていたシステムシ

ミュレーションにMATLABおよびSimulink

のシステムモデルを採用することにより、

1分に短縮することができました。これによ

り短時間にかつシステマティックに各設計

パラメータを決定し、システム仕様を決定

することができました。」

上原 純 様

エプソントヨコム株式会社

⊿ΣADCの Simulink モデルと、

パワースペクトル密度のプロット。

22

事例紹介：富士通セミコンダクター 高速I/Oにおけるミックスドシグナルシステム設計の実例紹介

MathWorks AMS Seminar, 22 June, 2012

23

事例紹介：慶應義塾大学 非接触給電用ミックスド・シグナルシステムのトップダウン設計

MathWorks AMS Seminar, 22 June, 2012

24

事例紹介：Broadcom フラクショナルN高周波用PLL設計

MATLAB Signal Processing Virtual Conference, 18 May, 2011

25

事例紹介：Broadcom フラクショナルN高周波用PLL設計（Simulinkモデル）

MATLAB Signal Processing Virtual Conference, 18 May, 2011

26

事例紹介：BOSCH SimulinkによるミックスドシグナルASICシステムレベル設計（ESC設計）

MATLAB Virtual Conference 2012

System-Level Design of

Mixed-Signal ASICs

using Simulink:

Efficient Transitions to

EDA Environments

27

補足1：MATLAB/Simulinkイベント情報

www.mathworks.co.jp

動画の視聴が可能

①

②

③

28

補足2：AMS関連リンクページ

www.mathworks.co.jp/mixed-signal-systems/

無償ミックスドシグナル

ライブラリ？

各種ユーザ事例

29

Agenda

1. AMS設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計

II. MATLAB/Simulinkの導入メリット

III. 事例紹介

2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは

II. 提供される環境

III. Version 2.0で提供されるデモ

3. まとめ

30

Mixed-Signal Libraryとは？

ライブラリの構成

Circuit Elements:

回路コンポーネント

Design Elements： 設計コンポーネント

Measurements:

システムの計測

Mixed-Signal Examples:

ライブラリブロックを使用した各種デモ

Mixed-Signal Library:

ミックスドシグナルシステムを構築するための

ブロックライブラリ（無償）

31

ライブラリの構成：Circuit Element

回路コンポーネント

可変RLC

理想スイッチ

OPアンプ

マスク化された

OPアンプブロック

32

ライブラリの構成：Design Element

設計コンポーネント

8b/10bエンコーダ

VCO

DA変換

信号源

8b/10bエンコーダと

10b/8bデコーダ

33

ライブラリの構成：Measurements

特性計測ブロック

ジッタ測定

SNR推定

スペクトル解析

SNR測定用ブロック

34

ライブラリの構成：Mixed-Signal Examples

ミックスドシグナル関連デモ

ADC

PLL

SI

電源

スイッチング電源デモ

35

ドキュメント：起動

>> helpview('MS_product_page.html')

チュートリアル

ブロックヘルプ

ミックスドシグナルデモ

36

ドキュメント：チュートリアル（ADC）

モデル作成手順

パラメータ設定

37

ドキュメント：チュートリアル（PLL）

short video

協調シミュレーション SISOツールの概要

38

ヘルプ

Ｃ

Ｃ

ブロックを用いた

例題を提供

39

デモ

各種ADコンバータ

デジタル

プリディストーション

PLL

高周波系

シグナル

インテグリティ

スイッチング電源

2ポート

ワークフロー

40

DPD設計GUI (>>DPD)

PA特性 DPD特性 周波数特性

測定データとDPD後のデータ

測定データ

I/Qデータ読み込み

fit関数で線形化

PA設計

DPD設計

波形確認

41

SERDES

受信信号

再生信号

アナログEQ出力

DFE出力

TX チャネル

アナログEQ DFE

クロックリカバリ

10b/8b復号

42

パイプラインADC

エラー挿入部

アナログ入力

解析・可視化部

初段サブADC 後段サブADC

初段サブDAC

ヒストグラム

（ビット出現頻度） 周波数応答

43

DCDCコンバータ(SEPIC)

時間応答

3.3[V]

44

ダウンロードプロセス (1)

上記リンクにアクセスし、

ユーザ情報を送信

http://www.mathworks.co.jp/programs/mixed-signal/index.html

45

ダウンロードプロセス (2)

本ページ内容に同意することで、

ダウンロード可能となります

46

ダウンロードプロセス (3)

関連ファイルの

ダウンロード開始⇒

Zipファイルをunzip

47

ダウンロードプロセス (4)

作業フォルダにすべてのファイルをコピー

↓

コマンドウィンドウ上で、

>>InstallMe

を実行

48

動作環境（必要なツール）

すべてのデモの実行に必要なオプション

(MATLAB/Simulinkのみで動作するデモ・ブロックもあります)：

Communication System Toolbox

Control System Toolbox

Curve Fitting Toolbox

DSP System Toolbox

RF Toolbox

Signal Processing Toolbox

Simscape/ SimPowerSystems

Simulink

Stateflow

49

Agenda

1. AMS設計活用事例 I. ミックスドシグナルトップダウン設計

II. MATLAB/Simulinkの導入メリット

III. 事例紹介

2. Mixed-Signal Library I. Mixed-Signal Libraryとは

II. 提供される環境

III. Version 2.0で提供されるデモ

3. まとめ

50

まとめ

1. AMS設計活用事例

MATLAB/SimulinkによるAMSシステム設計の効果、Case Studyをご紹介

導入事例をご紹介

2. Mixed-Signal Library

Mixed-Signal Libraryから提供される

環境をご紹介

是非お試しください！

51

デモブースのご案内

信号処理アルゴリズム設計

～システム設計～実装

© 2012 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc.

See www.mathworks.com/trademarks for a list of additional trademarks. Other product or brand names

may be trademarks or registered trademarks of their respective holders.