MA: Open Source RFIC Design
(geeignet als HW/FP/MA; Umfang und Tiefe werden an ECTS und Vorkenntnisse angepasst)
Beschreibung
Wir bauen einen durchgängigen RFIC-Flow (Schaltung → Layout → EM → Co-Sim) sowohl mit Open-Source-Tools als auch in kommerziellen Umgebungen auf und korrelieren die Ergebnisse.
Die Arbeit umfasst IC-Design (Schaltplan, Layout, Verifikation) in Cadence/ADS sowie Ansys HFSS/CST und mit Open-Source-Tools (Qucs-S/Ngspice/Xyce, KLayout/gdsfactory, openEMS, scikit-rf).
Forschungsfragen
- Wie groß sind die Abweichungen zwischen Open-Source-Flow und Cadence/ADS/HFSS/CST bei SSS-Parametern, NF, P1dBP,IP3 und Phasenrauschen – und welche Ursachen dominieren (Modelle, Ports, Meshing, De-Embedding)?
- Wie kann der Open-Source-Flow vereinfacht und an welchen Stellschrauben kann er verbessert werden (Netlisting, EM-Settings)?
- Wie könen themrische simulationsergebnisse mit opnesource simuliert werden und dann diese infos in den design flow wieder eingbeunden werden?
- Wie lässt sich Thermik integrieren? Teilstruktur(en) thermisch simulieren und die Temperaturverteilung in den Design-Flow rückkoppeln, sodass der Leistungseinfluss der Erwärmung (z. B. Gain/NF/IL/PAE/Phasenrauschen) im Gesamtsystem sichtbar wird.
Ziele der Arbeit
- Open-Source-Flow aufsetzen und dokumentieren (Qucs-S/Ngspice/Xyce, KLayout/gdsfactory, openEMS, scikit-rf).
- Vergleich gegen Cadence/ADS/HFSS/CST
- Abweichungsanalyse: Ursachen (Modelle, Port/De-Embedding, Numerik, Meshing, PEX/EM) identifizieren und minimieren.
- Automatisierung: Python-Pipelines für Sweeps, Auswertung, Plots und Reports.
- Thermik/Elektro-Thermal: Leistungsdichte aus der Schaltung ableiten, ausgewählte Teilstrukturen thermisch simulieren (z. B. Elmer FEM) und die resultierenden Temperaturen in die Circuit/EM-Simulation zurückführen (Temperatur-Parameter, R/µ/Q-Abhängigkeiten) – Performance-Impact im Gesamtsystem bewerten.
Arbeitspakete
- System & Spezifikation
- Zielmetriken/Cornerplan; definierte Testbenches (Open Source ↔ Cadence)
- Schaltungssimulation
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Qucs-S/Ngspice/Xyce: AC/S-Param/Noise/Transient, optional HB in Xyce.
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- Layout & EM
- KLayout/gdsfactory (parametrische PCells), openEMS (FDTD), De-Embedding, Touchstone-Export.
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Thermik & Elektro-Thermal-Co-Simulation
- Leistungsdichte aus Circuit-Simulation (DC/AC/Verluste) → Power-Map.
- 2D/3D-Wärmeleitung (steady-state, optional transient) inkl. Package/BCs.
- Back-Annotation der Temperatur in Circuit/EM (Device-temp, R/σ/Q-Modelle).
- Iterative Schleife bis Konvergenz; Auswertung des Performance-Impacts.
Deine Kenntnisse
(Nicht alles ist nötig; zwei Profile sind möglich. Wir passen die Aufgaben an.)
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Programmierung/EDA
- Gute Python-Skills (NumPy, Pandas, SciPy; ideal: scikit-rf).
- Interesse an neuen Tools
- Cadence/ADS/HFSS/CST-Basics sind ein Plus.
- Linux-Grundlagen, reproduzierbares Arbeiten.
RF-Design
- Grundlagen S-Parameter, Matching, Stabilität; optional Rauschen, Large-Signal, Phasenrauschen.
- Verständnis typischer RF-Topologien (Verstärker, Mischer, Oszillatoren, passive Netze).
