автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Структурный синтез линейных аналоговых микроэлектронных устройств автоматики
Автореферат диссертации по теме "Структурный синтез линейных аналоговых микроэлектронных устройств автоматики"
На правах рукописи
^ ^ ^^ Крутчштскш! Сергей Георгиевич
. | ДО ^
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ЛИНЕЙНЫХ АНАЛОГОВЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ
05.13.05 - элементы и устройства систем управления
и вычислительной техники; 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Таганрог - 1998
Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор доктор технических нате, профессор доктор технических наук, профессор
Шагурин И.И. Стыцько В.П. Самойлов Л.К.
Ведущее предприятие: НИИ МА "Прогресс"
Защита состоится 40" оекъЯ*I 1998 г. в 1420 на заседании диссертационного совета Д063.13.01 Таганрогского государственного радиотехнического университета по адресу 347928, г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского государственного радиотехнического университета.
Автореферат разослан " " /¿¿¡лХ^-/
1998 г.
Ученый секретарь диссертационного совета*
канд. техн. наук, доцент А.Г. Чефранов
Общая характеристика работы
Актуальность. Современное развитие систем диагностики, автоматического и автоматизированного управления, измерительной техники и связи невозможно без создания нового поколения микроэлскгронных устройств различного уровня интеграции, обеспечивающих измерение и первичное прецизионное преобразование сигналов сенсорных элементов с различными принципами функционирования. Развитие этого сектора специализированных микросхем в основном связано с совершенствованием технологии изготовления активных компонентов, которые в конечном итоге и определяют технические характеристики изделии, именно поэтому действие правил КОКОМ и распространялось на фирмы Burr-Brown, Maxim и Analog Devices, занимающиеся разработкой и изготовлением инструментальных усилителей, измерительных фильтров, АЦП и рядом других микросхем специального назначения.
Внедрение субмикронной и частично глубокой субмикронной технологий показало, что в отличие от цифровых микросхем, где уменьшение технологических норм привело к существенному повышению производительности при практически неизменной потребляемой мощности, в указанных изделиях этого результата достигнуть не удалось. В этой связи диспропорции в развитии цифровой и аналоговой электроники в ближайшее время будут сохраняться, и относительно высокая стоимость прецизионных аналоговых микросхем будет определять цену многих радиоэлектронных систем.
В настоящей работе указанную проблему предлагается решить путем создания нового поколения принципиальных схем - схем с собственной и взаимной компенсацией, обеспечивающих кардинальное уменьшение степени влияния технологических погрешностей изготовления активных компонентов на результирующие характеристики и параметры линейных аналоговых устройств самого широкого функционального назначения. Не только с теоретической, но и с практической точек зрения создание таких схем должно базироваться не на эвристических подходах, а на процедурах структурного синтеза, указывающих способы соединения активных и пассивных элементов цепи. Цена ошибки или нерациональных электрических связей здесь достаточно высока.
Связь свойств технической системы с ее структурой оказывает существенное влияние на развитие общей теории и ее инженерных приложений. Достаточно указать на работы Блэка, Мэзона и проследить их эволюцию в области электронных схем и систем управления. Важность вопроса поиска новых структур с наперед заданными свойствами, очевидно, впервые, оценили Айзерман М.А. в теории автоматического регулирования и В. Кауэр (W. Cauer) в теории электронных схем. Кауэр эту проблему относил к числу главнейших в синтезе цепей и начал ее исследование в 1948 г. в цикле работ по теории эквивалентных преобразований. Однако, значение структуры как основного ресурса в проблеме синтеза электронных схем было наглядно продемонстрировано лишь спустя четверть века после появления принципиально новой элементной базы. Внимание к этой проблеме простирается от специалистов предметных областей до разработчиков интеллектуальных интегрированных САПР РЭА. Как показывают результаты исследований и уровень решения многих практических задач, создать достаточно стройную теорию, обеспечивающую построение принципиальных схем на уровне изобретений до последнего времени не удалось.
Большой вклад в разработку теории структурного синтеза электронных схем вне-
ели Блажкевич Б.И., Е.Л. Глориозов, A.A. Ланнз, Ю.И. Лыпарь, Е.Д. Михайлова, В.И. Капустян, В.Н. Ильин, Сигорский В.П., S.K. Mitra, М.А. Soderstrand, I.W. Saiidberg, D.E. Goldberg, E.W. Gudman.
Цель и задачи работы. Основная цель работы заключается в создании теоретических основ структурного синтеза и методов проектирования линейных электронных схем с расширенным частотным и динамическим диапазонами. Для достижения поставленной цели оказалось необходимым решить ряд взаимосвязанных задач, среди которых важнейшими являются:
создание базисных структур электронных схем с фиксированными и управляемыми параметрами;
разработка и исследование свойств обобщенных структур линейных электронных схем;
создание функционально-топологических принципов компенсации влияния основных параметров активных элементов на характеристики схем; разработка инженерных методик схемотехнического проектирования схем с расширенным частотным и динамическим диапазоном:
построение процедур автоматизированного проектирования структур принципиальных схем, обладающих заданными свойствами.
Работа обобщает многолетние исследования и разработки автора, выполненные в Таганрогском государственном радиотехническом университете (ТРТУ). Исследования проводились в рамках четырех госбюджетных тем и семи хоздоговорных работ, в ряде которых автор являлся научным руководителем.
Методика исследований. В работе использованы методы теории электронных цепей, векторной алгебры, теории графов, решения невыпуклых нелинейных задач оптимизации, булевой алгебры. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась моделированием принципиальных схем в системах Pspice, Design Center, MicroCap и натурными испытаниями лабораторных и серийных образцов конкретных изделий.
Научная новнзна. Впервые созданы основы теории структурного синтеза электронных схем с собственной компенсацией влияния основных параметров активных элементов. Разработаны научно обоснованные методики схемотехнического проектирования прецизионных устройств различного функционального назначения. Созданы теоретические предпосылки построения схемотехнических САПР нового поколения. В указанном можно выделить следующие крупные положения.
1. В рамках разработанных обобщенных структур установлена взаимосвязь основных качественных показателей электронной схемы и показано существование непротиворечивых условий расширения ее частотного и динамического диапазонов.
2. Сформулирован принцип собственной компенсации влияния частотных свойств активных элементов и найдены достаточные функционально-топологические условия его реализации. Показана единственность этих условий.
3. Для частотонезависимых устройств сформулированы условия глобального минимума активной чувствительности.
4. Для наиболее распространенных устройств созданы функционально-топологические правила и приемы построения принципиальных схем с собственной и взаимной компенсацией.
5. Выполнена декомпозиция задачи структурного синтеза и предложенЛ
обобщенный алгоритм функционирования схемотехнической САПР. Достоверность результатов. Достоверность результатов, полученных в работе, обоснована теоретическими исследованиями, из которых в частном случае следуют известные положения теории электронных схем, анализом полученных схемотехнических решений, а также моделированием и экспериментальным исследованием лабораторных макетов и промышленных образцов, полученных при выполнении работ по заказам промышленности.
Учитывая, что разработанные процедуры синтеза структур позволяют создавать принципиальные схемы на уровне изобретений, достоверность результатов косвенным путем подтверждается более 20 патентами и авторскими свидетельствами.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Основы структурного синтеза линейных электронных схем, ориентированных на микроэлектронную реализацию. Достоверность положения подтверждается:
разработкой четырех типов обобщенных структур частотно-зависимых и частотно-независимых электронных схем;
установлением общих функциональных зависимостей активной чувствительности с частотным и динамическим диапазонами схем; формулированием непротиворечивых условий расширения частотного и динамического диапазонов схемы в рамках принципа активной компенсации;
условием глобального минимума активной чувствительности для частотно-независимых схем.
2. Теоретически обоснованные методики схемотехнического проектирования прецизионных устройств различного функционального назначения. Достоверность положения обосновывается:
разработкой для наиболее распространенных устройств - решающих усилителей и звеньев второго порядка функционально-топологических правил построения принципиальных схем с собственной и взаимной компенсацией влияния частотных свойств активных элементов; созданием процедур построения параметрических инвариантных частотно-независимых схем;
разработкой процедуры синтеза электронных устройств с дополнительными межзвенными связями;
созданием патентоспособных, схем с принципиально новыми свойствами.
3. Теоретические основы автоматизированного схемотехнического проектирования структур прецизионных устройств различного функционального назначения. Настоящее положение обосновывается:
декомпозицией задачи структурного синтеза;
разработкой обобщенного алгоритма синтеза структур;
разработкой принципов принятия решений в рамках интерактивных
процедур;
созданием модуля параметрической оптимизации электронных схем с выходом в область глобального экстремума; алгоритмом пополнения библиотеки принципиальных схем. Практическая значимость работы. Предложенные процедуры структурного синтеза позволяют создавать принципиальные схемы с существенно более низким влия-
нием частотных свойств активных элементов и, следовательно, реализовать новое поколение аналоговых микросхем без дополнительных капитальных затрат на разработку и освоение новых технологий. Настоящее утверждение вытекает из теоретически обоснованной методики схемотехнического проектирования и базируется на следующих основных положениях:
разработано при неизменном числе активных и емкостных элементов уникальное по своим техническим характеристикам универсальное звено активного фильтра, которое при использовании отечественных серийных операционных усилителей имеет недостижимый для традиционных схем диапазон рабочих частот;
• созданы наборы программируемых аналоговых схем универсальных фильтров и инструментальных усилителей, частотный и динамический диапазоны которых на отечественной элементной базе превышают их современные зарубежные непрограммируемые аналоги;
• разработана структура резистивного датчика, обеспечивающая при меньшем числе активных элементов повышение точности преобразования и расширение частотного и динамического диапазонов;
создан пакет из 22 патентов на принципиальные схемы устройств различного функционального назначения.
Предложенные методы проектирования и схемотехнические решения позволяют решать принципиально новые задачи в области автоматического управления, технической диагностики и измерений. Среди первоочередных следует выделить:
• создание интерфейсных БИС для гибридных систем обработки аналоговых сигналов;
разработку первичных преобразователей и регуляторов для объектов микросистемотехники;
создание основных узлов высокопроизводительного унифицированного адаптивного регулятора для модернизации систем автоматического и авто м атизирован н ого упр авлен ия;
разработку прецизионных измерительных блоков для нового поколения пассивных систем мониторинга.
Реализация результатов работы. По результатам работ были разработаны 7 вариантов наборов измерительных фильтров, устройств предварительной обработки аналоговых сигналов, которые являются либо автономными приборами, либо вошли в состав измерительных комплексов, производство которых было налажено на Кокче-тавском и Чебоксарском приборостроительных; заводах, в ПО "Виброприбор" (г. Таганрог). Схемотехнические решения указанных изделий признаны изобретениями.
По заданию ряда министерств и ведомств были разработаны и изготовлены единичные образцы измерительных и диагностических средств с уникальными характеристиками.
Базовые теоретические положения работы явились основой курсов специальной подготовки студентов. В учебный процесс внедрен также программный модуль параметрической оптимизации электронных схем.
Апробация работы. Основные результаты по теме работы докладывались и обсуждались на специальной сессии РАН от 15.05.96 г., г. Москва; на Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике", 1992 - 1997 г.г., г. Киев; на Международной научно-технической кон-
фсрсшдии "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", 1990, 1992 г.г., п. Гурзуф; на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", 1995 - 1997 г.г., г. Таганрог (п. Дгтноморское); на Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика", 1995 г., г. Москва; на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук", 1991 г., г. Москва; на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Интегральная схемотехника в радиоприемных устройствах", 1983 - 1987 г.г., г. Москва; на Региональной школе-семинаре "Активные избирательные устройства", 1975,1977,1981, 1986 г.г., г. Таганрог; на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы теории чувствительности электронных и электро-механических систем", 1977 г., г. Москва; на Всесоюзной конференции "Теория и практика построения интеллектуальных интегрированных САПР РЭА и БИС", 1987, г. Москва; на ежегодных научно-технических конференциях ТРТУ в 1978 -1997 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликована 65 печатных работ, среди которых 2 монографии, 41 статья и тезисы докладов, 22 авторских свидетельств и патентов.
Содержание работы
Во введении показана актуальность темы, сформулированы основные задачи исследований. Приводится краткая характеристика разделов работы, раскрывается научная новизна и практическая ценность.
В первом разделе рассматривается эволюция подходов к проблеме синтеза структур электронных схем. Анализируются принципы конструирования коэффициентов передаточной функции, предложенные S. Mitra и М. Soderstrand в рамках обобщенной модели I. Sandberg и ряда ранних работ автора. Показана возможность такого конструирования с учетом уменьшения влияния основных параметров активных элементов на характеристики электронных устройств. Выделяется проблема выбора неизоморфных схем. Рассматривается развитие метода компонентных уравнений, выполненное A.A. Ланнэ, Е.Д. Михайловой и Б.С. Саркисяном с целью формализации синтеза структур ARC-схем. Показано, что учет влияния активных элементов приводит к неоднородным целевым функциям и, следовательно, не позволяет использовать отработанные алгоритмы и численные методы решения задачи.
Попытки упростить проблему изоморфизма в задаче синтеза структур связаны с применением преобразования подобия частных решений или стартовых конфигураций. Достаточно детально этот подход исследовался В.И. Капустяном и С.А. Букаш-киным для ARC-схем высокого порядка. В работе показано, что преобразования подобия не изменяют чувствительность передаточной функции к основным параметрам активных элементов и не могут существенно расширить частотный и динамический диапазоны проектируемого устройства.
Наиболее заметные результаты в развитии подходов к синтезу структур электронных схем получены в рамках процедур мутации, предложенных E.J1. Глориозо-вым. Здесь обсуждаемая задача состоит из трех основных составляющих. Во-первых, необходимо построение некоторых обобщенных структур (моделей), обладающих свойствами полноты, которое гарантирует, что любое возможное решение конкретной задачи может быть получено из этой структуры с помощью строгих формальных процедур (метод усечений, процедура мутации и т.п.). В этом смысле обобщенная
структура представляет собой полный граф, первая группа ветвей которого отождествляет "базисные структуры", а вторая - связь между ними. Во-вторых, необходим оператор преобразования, с помощью которого одно состояние структуры переходит в другое. Такой оператор воспроизводит механизм синтеза. Наконец, необходима мера различия схемных решений (свертка критериев качества).
Поиск оператора преобразования является основной задачей при построении процедуры синтеза, что связано не только с характером критерия качества, но и с особенностями функционирования проектируемого устройства. В этом отношении чрезвычайно важен поиск взаимосвязи топологии схемы с ее свойствами, которая позволяет осуществить детализацию общей задачи на ряд относительно самостоятельных этапов. Отмеченное и является основным теоретическим содержанием настоящей работы.
В качестве показателя качества проектируемого устройства в основном рассматривается степень влияния неидеальностей активных элементов, выражающегося в ограничении частотного и динамического диапазонов, собственного шума и дрейфа нуля, а также нестабильности его параметров.
Показано, что применение такого подхода связано не только с созданием набора структур, но и с разработкой функционально-топологических правил мутации. Формулируются представленные на рис. 1 задачи исследования.
Второй раздел работы в соответствии с сформулированным подходом посвящен построению базисных структур линейных электронных схем. Выполнено сопоставительное исследование современных операционных усилителей (ОУ) и видеоусилителей, показано, что улучшение их частотных и шумовых свойств связано с увеличением потребляемой от источников питания мощности, поэтому создание экономичных микроэлектронных изделий требует разработки схем с уменьшенным влиянием площади усиления ОУ и их спектральной плотности шума.
Для задач синтеза управляемых AR.C-c.xeM рассмотрено применение цифроуправляемых проводимостен (ЦУП), которые могут использоваться не только в качестве пассивных управителей, но и входить в состав активных управляющих элементов в режиме масштабирования напряжения или тока. Показано, что степень влияния основных параметров ОУ определяется коэффициентом передачи ЦУП на ЮПЭОХМХОД/ {С ). Рассмотрены различные способы включения ЦУП в электронную схему, выполнен их сравнительный анализ по величине указанного параметра. Проведено детальное исследование влияния паразитных емкостей МДП-ключей на крутизну преобразования ЦУП. Предложен принцип переноса отключаемой проводимости в эквипотенциальные узлы схемы и цепь нагрузки ОУ, обеспечивающий существенное уменьшение влияния паразитных емкостей МДП-ключей на крутизну преобразования ЦУП. Показано, что указанный эффект сопровождается увеличением влияния основных параметров ОУ. Показана целесообразность применения в качестве базисных структур цифроуправляемых интеграторов и масштабных усилителей с резистивными матрицами К-2Я в режиме масштабирования управляющего напряжения. В случае использования матриц с непрецизионным базовым номиналом цифроуправляемые интеграторы долхены представлять собой последовательное соединение умножающего ЦАП и интегратора с прецизионным резистивным набором.
В третьем разделе осуществлено построение и изучены свойства обобщенных структур АЯС-схем с разделенными ЯС-цепями, AR.C-c.xeM с цифровым управлением,
Рис. 1. Структура исследований, принятая в работе
электронных схем с неразделенными цепями и частично полные структуры. Указанное многообразие объясняется необходимостью получения максимально полного математического описания основных параметров проектируемых устройств и формирования в дальнейшем обобщающих выводов, связанных с решением основной задачи.
Первая из обобщенных структур и ее векторный сигнальный граф показаны на
рис. 2 и 3 соответственно. В процессе исследования структуры использована векторная алгебра, включая блочные матрицы, процедуры поиска резольвенты основной матрицы структуры. Полученные соотношения позволяют установить связь характеристик проектируемого устройства не только с параметрами активных и пассивных элементов, но и структурой коммутирующей части.
Вторая обобщенная структура представляет собой объединение в систему (рис. 4) цифроуправляемых интеграторов Б^р) (1=1, п) и масштабных усилителей К.(р) 0=1, т). Векторный сигнальный граф структуры показан на рис. 5.Компоненты матриц и векторов представляет собой передачи коммутирующей части схемы. В процессе исследования структуры использовался аналогичный математический аппарат.
Как видно из сигнального графа (рис. 3), анализируемая модель состоит из трех основных частей. Первая часть (компоненты векторов А", А+ , Ас, Ав ) является расщепителем входного сигнала, который преобразует посредством разветвления скалярную величину х0 в векторную, воздействующую на соответствующие входы базисных структур (ОУ и ЯС-цепей первого порядка). Вторая часть (компоненты
матриц (В ,В+,Ь ,0,Нс,Нк,К~,К~ ) представляют собой передачи коммутатора на инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы ОУ сигналов с выходов активных элементов и К.С- цепей, а так же аналогичные передачи на
конденсаторы и резисторы. Компоненты матриц Ст, К' ,К являются передаточными функциями базисных структур. Третья часть, состоящая из векторов Тк,Тс искаляра Г0 является сумматором, связывающим выходы базисных структур с нагрузкой.
Рис. 3. Векторный сигнальный граф обобщенной структуры
устройства
Рис. 5. Векторный сигнальный граф обобщенной структуры
Для анализа свойств электронных устройств с неразделенными КС-цепями, а также безынерционных схем (усилители, датчики и т.п.) выполнено построение и осуществлено исследование обобщенной структуры (рис.6) и ее векторного сигнального графа (рис. 7). Следует отметить, что при А+ ~0 , В+ =0 получается обобщенная структура (модель) Сандберга, которая более 30 лет использовалась для выполнения различных топологических преобразований и разработки процедур структурного синтеза.
Детальное исследование обобщенных структур показывает, что независимо от типа базисных структур и их функционального назначения электронные схемы характеризуются следующими основными свойствами.
Влияние основных параметров активных элементов на передаточную функцию Ф(р) определяется функциями чувствительностей
р Ч 1 1
Мр)
П:
П,
ЩрМР)
ф{р)^и(Р)
м _ р Ц(рЩр)
- ~--гт~:-
Щ Ф(Р)
К;
0)
(2)
где 171 = 2к/{, К. -площадь усиления и коэффициент передачи ¡-го активного элемента;
//, (р) - функция передаточная устройства (системы) при подключении источника сигнала к неинвертирующему входу \ - го активного элемента;
1 о
Рис. 6. Обобщенная структура с неразделенными цепями обратной связи
Рис. 7. Векторный сигнальный граф обобщенной структуры с неразделенными цепями обратной связи
/7 (/>) - передаточная функция, реализуемая на выходе 1 - го активного элемента;
Рц(р) ■ передаточная функция системы на выходе 1 - го активного элемента при подключении источника сигнала к его неинвертирующему входу.
Влияние частогозадающих элементов описывается аналогичными соотношениями
<'=—^да.Ы/ФО») (3)
РЬ
где ^¡(р) - передаточная функция на выходе 1 - ой ЯС - цепи (интегратора);
Н) - передаточная функция системы при подключении источника сигнала ко входу 1 - ой КС - цепи или интегратора.
Таким образом, уменьшение влияния основных параметров активных элементов
должно сопровождаться одновременным уменьшением (созданием разностных членов) локальных передач II j(/>) и при неизменном 1'){р) . Действительно, только в
этом случае не только уменьшается активная составляющая чувствительности, но и уменьшается вклад i - го активного элемента в собственный шум схемы
(4)
Сформулированная задача является принципиальной для создания новых низкочувствительных структур. Известные способы решения этой задачи приводили
к пропорциональному размену Ft(p) на ■£/,-(/>) • Например, ARC -реализации лестничных структур при относительно низких собственных шумах приводили к резкому увеличению "всплесков" коэффициентов передачи на выходах активных элементов.
Приведенный в разделе пример синтеза низкочувствительного интегратора показал, что поиск высококачественных структур связан с решением большого числа логических уравнений, отбором в рамках множества возможных вариантов построения заданного функционального устройства перспективных с точки зрения активной чувствительности способов взаимодействия активных и пассивных элементов. Для упрощения указанных преобразований в разделе рассмотрены и исследованы дополнительные межзвенные связи в обобщенных структурах (рис. 8). Здесь К. представляет собой набор передаточных функций i-ro функционального блока. Выполненное исследование структуры показывает, что введение в многозвенную систему дополнительных межзвенных обратных связей позволяет' изменять Hi(f) и, следовательно, влиять на активную чувствительность системы в целом. Однако, как показывает пример синтеза полиномиального фильтра четвертого порядка, в этом случае наблюдается изменение чувствительности коэффициентов передаточной функции к параметрам частото-задающих элементов.
Очевидно, решение практических задач синтеза ARC - устройств высокого порядка должно сопровождаться применением двух сформулированных здесь принципов. Например, в рамках частично полных структур дополнительные межзвенные связи используются для выравнивания коэффициентов передач на выходах различных активных элементов. И только на втором этапе к доминирующим с точки зрения локальных передач Н^(р) и F^ (р) активным элементам применяется принцип уменьшения влияния площади усиления активных элементов.
Рис. 8. Дополнительные межзвенные связи в обобщенных структурах
Четвертый раздел работы посвящен созданию функционально-топологических принципов активной компенсации влияния доминирующих параметров активных элементов на основные характеристики проектируемого устройства. Выполнен качественный анализ достаточно распространенной взаимной компенсации, когда влияние одного из активных элементов на контролируемые параметры противоположно влиянию других активных элементов. Сформулированы недостатки такой компенсации.
Основное внимание уделено разработке принципа собственной коменсации, обеспечивающего разностные члены в локальных передаточных функциях //(р) и /^(р) и уменьшающего влияние ¡-го активного элемента. Суть принципа заключается в следующем.
Соотношения (1), (2) для 1 -го активного элемента можно интерпретировать сигнальным графом, изображенным на рис. 9. В силу того, что
(р) = зв-'а, Фи (р) = г0+ тв-'а (5)
заменой соответствующих ветвей можно получить векторный сигнальный граф (рис. 10), учитывающий влияние ¡-го активного элемента. Наличие узла — не изменяет структуру и смысл локальных функций.
Рис. 9. Сигнальный граф электронной системы при влиянии ¡-го активного элемента
лМ
Из рассмотрения векторного сигнального графа следует важный в теоретическом отношении вывод - изменение локальных передач //, (/?) и Рц{р) при фиксированной передаточной функции идеализированной схемы возможно тогда и только тогда, когда дифференциальный вход ¡-го активного элемента связывается с дополнительным входом схемы.
Тогда, передаточная функция структуры
1 Е(р)(Н:(р) + АН:(р))
Чр]^~гМр)+лЧР))
где
АН((р) = ТВГХЩ, = (7)
обеспечивают изменение только локальных функций и Рц{р), сохраняя при
этом неизменными передаточную функцию идеализированной структуры Фи{р) и передаточную функцию на выходе ¡-го активного элемента. Изменение знака в (11), как это видно из (6), достигается за счет дифференциальных свойств активных элементов.
Полученный результат имеет достаточно простую физическую трактовку. При идеальном активном элементе /7г- = со дифференциальный входной сигнал х* - х[ не зависит от частоты, а в случае использования ОУ с ^ = оо этот сигнал равен нулю, и дополнительный контур обратной связи прекращает свое действие, что в конечном итоге и сохраняет неизменными локальную функцию Р{(р) и передаточную функцию всего устройства. Полученные топологические условия собственной компенсации являются достаточными и единственными. Действительно, для сохранения набора передаточных функций (5) необходимо оставить неизменными не только матрицу В,
но и набор векторов Т, А, Эг-. Единственная незафиксированная составляющая и; связывает вход ¡-го активного элемента с истоком, поэтому сформулированное условие является единственным. Этот вывод подтверждается и рассмотрением сигнального
графа (рис. 6). Создание параллельного пути передачи от узла к выходу схемы возможно только его соединением с дополнительным входом схемы и, следовательно, со входом активных элементов.
Ответ на вопрос об уровне компенсации в общем случае остаегся открытым, т.к. зависит от структуры матрицы В"' и вектора а во многом - и от числа неиспользованных входов активных элементов. Кроме этого, практическое применение полученного результата связано с выполнением ряда параметрических условий, учитывающих также частотную зависимость компонент матрицы В. Для других структур в приведенных соотношениях матрица В заменяется на клеточные эквиваленты. Из процедур Фробениуса следует, что в этом случае не существует более конкретных условий, позволяющих в матричной форме дополнить топологические условия функциональными.
В этой связи практическое использование настоящих результатов связано с
анализом структур поправочных полиномов электронных систем различного класса. В ряде случаев выполнение параметрических условий минимизации
может привести к нарушению принципа пассивности компонент вектора и, следовательно, к необходимости применения дополнительных активных элементов, выполняющих в сложных схемах также функции сумматоров и масштабируемых усилителей. Их влияние на передаточную функцию и иные показатели качества устройства учитывается в соответствии с изложенной выше методикой. Однако, как ■ это показано в работе, для некоторых классов и, в частности, для звеньев второго порядка вклад вводимого активного элемента несоизмеримо ниже основных.
Полученные результаты открывают широкие возможности для оптимальной реализации широкого класса электронных устройств. Электронные усилители, датчики и преобразователи характеризуются частотно-независимой пассивной частью, поэтому локальные передачи являются вещественными и, следовательно, активная чувствительность (1), (2) может быть минимизирована выполнением одного из условий
Отмеченное позволило сформулировать принципы построения таких устройств. В частности, показано, что экстремальное уменьшение активной составляющей чувствительности в многокаскадных усилителях не сопровождается уменьшением общего коэффициента усиления.
На базе найденных принципов рассмотрены процедуры синтеза структур звена второго порядка и параметрически инвариантного усилителя>качественные показатели которых существенно превышают известные аналоги.
В пятом разделе рассматриваются основные составляющие процесса синтеза структур электронных схем. Процедура синтеза в соответствии с сформулированным принципом собственной компенсации разделяется на этап синтеза идеализированного устройства, имеющего необходимый набор передаточных функций, и этап ее реконфигурации, связанный с вводом дополнительных компенсирующих контуров обратных связей.
Синтез идеализированного устройства базируется на анализе и отборе целесообразных принципов конструирования коэффициентов передаточной функции, полученных через резольвенту основной матрицы обобщенной структуры. Показано, что в этом случае необходимо оперировать системой алгебраических и логических уравнений. Выбор предпочтительного варианта осуществляется по суммарной степени влияния активных элементов. На этом же этапе предлагаются достаточно простые принципы декомпозиции, позволяющие уменьшить число алгебраических и логических уравнений. С учетом особого значения интеграторных схем, являющихся основой построения управляемых устройств, рассматривается особенность синтеза идеализированных вариантов непосредственно по методу пространства состояний.
Для звеньев второго порядка, являющихся основой построения сложных устройств частотной селекции, разработаны достаточно простые функционально-топологические правила формирования компенсирующих контуров обратных связей. Если для звеньев второго порядка характеристический полином
(8)
(9)
В{р) = / +рЦ +Ь0; юр =^,йр = 1/2 =
А
под действием площади усиления получит абсолютное приращение
тту ^ п+ту „ п+ту
" — г з? , „2 V —
АВ(р)ръаъ+ргссг +ра, = рг £ £ +р £
9=1 9=1 пч пч
(10)
(11)
то относительные изменения частоты Аи затухания Аполюса будут иметь вид
Аа>,
оз.
2
о.
-а-.
АсоТ
(12)
Тогда для компенсации влияния коэффициентов на параметры схемы
необходимо, чтобы контуры вводимых обратных связей характеризовались возвратным отношением
"2_ (Ргау +рац +»о ,)
ад
(13)
где аДа^) - коэффициенты, принимающие в процессе проектирования различные значения.
Для вычисления коэффициентов, входящих в (13), осуществляется их сопоставление с аъ, а2> а\< после чего в каждом конкретном случае может быть определен необходимый вид передаточной функции, реализуемой на выходах усилителей со специально созданных входов схемы. Вытекающие из (13) функциональные признаки и правила построения схем приведены в табл.1. Приведенные во второй части этой таблицы варианты компенсации относительного изменения затухания полюса за счет изменения коэффициента а1 не противоречат принципу расширения динамического диапазона. Для любого ¡-го ОУ
(14)
При одновременной компенсации изменения С0р и (1р в качестве
функционального признака используется одна из возможных сумм передаточных функций. Если существует свобода выбора, то целесообразно использовать выходы тех ОУ, чувствительность к площади усиления которых больше, и, следовательно, в этом случае {а>} является особой точкой) чувствительность
М П<0)
уменьшается, что также снижает уровень собственного шума. Здесь аз0)'®:|(;),о;||(>)
являются слагаемыми а3,а1,а1, обусловленными действием площади усиления ¡-го ОУ.
Приведенные результаты показывают, что снижение чувствительности для каждого ¡-го ОУ зависит от возможности реализации на его выходе нужной передаточной функции, которая после замыкания компенсирующего контура обратной связи, образованного соединением входа ОУ со специально созданным входом схемы, обеспечивает собственную компенсацию влияния частотных свойств активных элементов. В этом случае
азя = Гз*" агч=Гц-к«%'> аЧ кя% ' О6)
и коэффициенты результирующего поправочного полинома ДВ(р) могут принимать достаточно малые значения. Как видно из соотношения (16), благодаря чередованию знаков в слагаемых, определяющих сс3, а2, > возможна минимизация их численных значений. Это обеспечивает их взаимную компенсацию и способствует расширению диапазона рабочих частот без увеличения эквивалентной спектральной плотности шума схемы.
Для замыкания компенсирующих контуров обратных связей может оказаться необходимым применение активных сумматоров, реализованных на т ОУ. Их влияние на характеристический полином (10) находится из соотношения
= +Р*Р<°р+"Р) . (17)
2 !=1 11 \
Топологические правила построения схем Таблица 1
Компеиш1у ешй ягра-матр
Фулкшсисатаю-тготгичаский прнюш:
Прахкго лятроения схем
КЬгатенсацкя . Реазипатдая хыхоцв ¿то ОУ 1фн лэда*е сигнала на сюшзош д-й гиход гарегиточюй функщш гошххяо-го фильтра
Ешгсд 1-го СУ через гогютитегааыя мас-итгабташуситагеш скоэффгаизпонгкре-
соедаогамсяс д-ИЕШопом
схемы. Возхраисн отноиекге юмпгнея. рукщето Езнтура голзжкгеган»
¿Ц,
Коипемсаютс Щ ИЛА ¿3!. Реалк-
з.1ют на вшпвя 1-го ОУщхс Iпгняа сигнала яасхЕшгапшкй Ч-тыход геретата-чнай фуккц™ ФЕЧ
Еыхогш 1-то ОУ т£рез волэгаеттельный мас-итаВнынустгетгего с коэффициентом лере-
К - ЛЬ. соедишотсяс ^-мкко-
' ' л...
до?л сяе7|Ш. В первом стуча* возиргатое отношение »злтаЕюсэд/зоцраго ююура гогажи-телью, а во ходом-огрздеавдвхо.
Следовательно, возникающие дополнительные изменения частоты и затухания полюса
1 МР _ЛюР
-рТГ' --С«)
03р 2 г=1 Я; dp Фр ;
достаточно малы и определяются реализуемым dp. Здесь Kf является полным коэффициентом передачи масштабного усилителя на /-ом ОУ.
Полученные соотношения, топологические правила и выводы позволяют существенно формализовать процедуру поиска звеньев с активной компенсацией.
С этих позиций детальный структурный анализ целого класса прецизионных микросхем ведущих западных фирм (Burr-Brown, Maxim, Analog Devices) показывает, что используемые ими схемотехнические решения неоптимальны, а высокие качественные показатели фильтров, инструментальных усилителей и датчиков достигаются либо за счет применения активных компонентов, изготовленных по субмикронной технологии, либо за счет повышения потребляемой от источников питания мощности.
Продемонстрируем изложенное на примере модернизации принципиальной схемы микросхемы UAF-43 (Burr-Brown Cor., USA). В приведенной на рис. 11 схеме универсального звена изменим способ включения ОУ1 (в указанном изделии он не связан с ОУ2), что, однако, не повлияет на частотный и динамический диапазоны универсального фильтра. Аналогичная схема используется в измерительных фильтрах фирм Bruel & Kjaer (Дания), Robotron (Германия), Maxim (США), а также в некоторых отечественных изделиях.
Из анализа схемы следует, что при реализации высокой добротности Q отклонение затухания полюса оказывается значительным. В этой связи при разработке процедуры модернизации схемы необходимо на первом этапе введением дополнительных компенсирующих контуров обратных связей уменьшить влияние площади усиления ОУ на dp. Обоснование конкретного контура компенсирующей обратной связи должно предусматривать также анализ его влияния на собственный шум схемы.
Из соотношений табл. 1 следует, что наиболее целесообразным является способ, обеспечивающий разностные члены в локальной передаче Нг{р)и, следовательно, связанный с соединением дополнительного входа с дифференциальным входом ОУ2. Принципиальная схема такого звена приведена на рис. 12. Здесь дополнительная связь инвертирующего входа ОУ4 с неинвертирующим входом ОУ2 реализует первый вариант компенсации погрешности затухания полюса и поэтому повышает запас устойчивости, а связь ОУ2 с ОУ1 - указанный ранее второй вариант (табл. 1).
В исходной схеме (рис. 11) использовались малошумящие ОУ ОР-27 (140 УД25А), спектральная плотность шумов которых на частоте полюса ( fp = 20кГц) составляет 2,5нВЦТц, а в полученном (модернизированном) варианте - маломощные ОУ LF-442 (140УД282), характеризующиеся большей спектральной плотностью шумов и в пять раз более низкой площадью усиления (у^ =-ЪмГц У ОР27 и
/j —0,6мГц у LF-442). Как видно из сопоставления графиков(рис. 14) амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) схем и их спектральной плотности собственного шума (кривые А и В соответственно), качественные показатели схем практически совпадают, 20
Рис. 11. Исходная схема универсального звена
Рис. 12. Схема с компенсацией влияния площади усиления ОУ на затухание полюса
однако модернизированный вариант универсального звена потребляет от источника питания в 23 раза меньший ток (I пЛ = 19тА, IпВ = 0,8 т.А )■ Если в исходной схеме применить ОУ ЬР-442, то будет наблюдаться восьмикратное увеличение реализуемой добротности, и при исходном значении (2=10 происходит потеря работоспособности.
Сравнение А ЧХ идеального звена (рис 14) (все элементы идеальны) с аналогичной характеристикой схемы рис. 12 показывает, что дальнейшее развитие структуры должно быть направлено не только на уменьшение погрешности затухания полюса, но и на компенсацию уменьшения частоты полюса. Последнее обусловлено применением более низкочастотных ОУ типа 1Л7-442. Для решения поставленной задачи в схему необходимо ввести дополнительный масштабный усилитель, увеличивающий степень ее свободы, и, в соответствии с рекомендациями табл. 3, компенсирующие контуры обратных связей (рис. 13). Для уменьшения собственного шума нового варианта звена этот усилитель подключен так, чтобы его выходной сигнал не был значительно ниже выходного сигнала схемы. Приведенные на рис. 14
результаты моделирования показывают, что полученная схема звена характеризуется значительно более низким влиянием площади усиления ОУ на частоту и затухание полюса.
Настоящие свойства позволяют использовать экономичные активные элементы LF-442 и, несмотря на большее их количество, значительно уменьшить потребляемый от источников питания ток.
Как отмечалось ранее, в ARC-устройствах высокого порядка для уменьшения чувствительности используются дополнительные межзвенные связи, часть из которых направлена на расширение частотного и динамического диапазонов. Для реализации этих структур необходимы универсальные звенья второго порядка, реализующие положительные и отрицательные коэффициенты передачи по основному и дополнительному входам. Исходя из этих положений, в работе осуществлен синтез коммерческого варианта универсального канонического звена на четырех ОУ (аналог UAF 43), имеющего более низкое по сравнению с модифицированным вариантом (рис. 13) влиянием площади усиления ОУ. Это звено реализует набор из 12 передаточных функций, причем при выполнении некоторых параметрических условий, не влияющих на частоту и затухание полюса, осуществляется полная частотная компенсация. Результаты моделирования и экспериментального исследования схемы в случае использования ОУ типа ОР-27 (140УД25) показывают, что при использовании традиционных схемотехнических решений аналогичные параметры недостижимы даже для ультраскоростных ОУ фирмы Harris.
Шестой раздел посвящен автоматизации структурного синтеза электронных схем.
Результаты, полученные в работе, указывают на существование определенного числа формализуемых этапов поиска структур электронных схем. Взаимосвязь этих этапов по своей физической природе не может быть полностью формализована. Некоторые из базовых процедур проектирования, как показывают приведенные примеры синтеза, могут быть исключены или существенно упрощены. Это зависит от глубины изучения конкретной предметной области, опыта разработчика или уникальности сформулированной задачи.
Многолетний опыт разработки и внедрения средств автоматизации схемотехнического проектирования показывает, что подобные задачи решаются последовательно, часто уточняются и конкретизируются, а конечный программный продукт формируется из набора математических модулей под управлением проектировщика.
Независимо от класса решаемой задачи в процедуре синтеза можно выделить три взаимосвязанных базовых этапа.
Первый этап предполагает путем детального изучения задачи выполнение структурной декомпозиция. Настоящий этап в известной степени можно считать определяющим успех проектной процедуры, т.к. разделение задачи на ряд самостоятельных составляющих не только упрощает процесс, но и заметно снижает число изоморфных решений. Декомпозиция имеет также и методологическое значение. Она показывает уровень подготовки пользователя к решению задачи структурного синтеза и определяет процедуры адаптации базовых математических модулей.
Второй этап синтеза предполагает генерацию набора возможных схемотехнических решений, их ранжирование по степени влияния параметров активных элементов и
числу степеней свободы. Результаты проведенных исследований показывают, что этот этап является наиболее сложным и в практическом отношении уязвимым. Неизбежный для этого класса задач изоморфизм повышает степень риска, не позволяет разработать простые и универсальные процедуры синтеза. Однако для подавляющей части практических задач здесь можно успешно использовать многолетний опыт разработчиков и накопленный набор схемотехнических решений.
Третий этап синтеза связан с применением разработанного в работе принципа собственной компенсации путем введения в схему электронного устройства дополнительных контуров обратных связей. Результаты исследований показывают,. что для широкого класса задач здесь можно воспользоваться достаточно простыми функционально-топологическими признаками и правилами.
Указанные соображения положены в основу обобщенного алгоритма структурного синтеза, приведенного на рис. 15.
Заграждающий Фильтр верхних
фит.тр (ЗФ) частот (ФВЧ)
Полосовой фильтр (ПО)
Рис. 13. Схема с компенсацией влияния площади усиления на частоту полюса
18 10 20 21 / кГц
Рис. 14. Результаты моделирования
Рис.15. Обобщеный алгоритм структурного синтеза электронных схем
Управление процедурой преобразования структуры электронного устройства осуществляется в рамках системы принятия решений.
Во-первых, выбор необходимого числа активных элементов проводится с учетом опыта решения аналогичных задач. Естественное желание уменьшить их количество не всегда оправданно, т.к. в конечном итоге может оказаться необходимым применение сверхвысокочастотных малошумящих полупроводниковых кристаллов, потребляющих от источников питания большую мощность. С другой стороны,
искусственное завышение их числа может не увеличить число степеней свободы схемы и привести в конечном итоге к избыточной схеме. В этой связи в алгоритме предусмотрен этап уточнения целесообразного числа активных элементов. Если при ранжировании набора схем окажется, что требования технического задания выполняются без применения предложенного в работе метода собственной компенсации, то полученное схемотехническое решение, конечно, не исключается, но это позволит утверждать, что потенциально возможные наборы схем с меньшим числом активных элементов могут посредством последующего введения компенсирующих контуров обратных связей привести к более экономичному варианту решения задачи. С другой стороны, отсутствие схемотехнического решения, удовлетворяющего требованиям технического задания, свидетельствует либо о чрезвычайно высокой активной составляющей чувствительности, либо о недостаточности степеней свободы схемы, ограничивающей ее модернизационный ресурс. В общем случае на этом этапе принятия решения можно не осуществлять повторную генерацию набора схем с увеличенным числом активных элементов, а привлечь к решению задачи отработанные на практике схемотехнические приемы эвристического решения задачи.
Во-вторых, выход из процедуры введения компенсирующих контуров обратных связей осуществляется не только при достижении желаемого результата, но и при исчезновении степеней свободы. При введении контуров компенсирующих обратных связей может оказаться необходимым применение дополнительных активных элементов, осуществляющих съем дифференциального сигнала и его масштабирование. Введение упомянутых обратных связей уменьшает степень влияния паразитных параметров активных элементов, поэтому финишный этап проектирования при отсутствии ограничений на число дополнительных активных элементов всегда приведет к поставленной цели, однако при этом функциональное использование некоторых из них может быть не столь эффективным.
В этой связи перед введением новых активных элементов необходимо провести новый анализ набора схем и выявить те, которые при некотором числе активных элементов характеризуются большим числом степеней свободы.
Наконец, и это самое главное, в алгоритме предусмотрено принятие эвристического решения. При достаточно большом числе шагов решение задачи можно приостановить с целью детального сопоставительного анализа достигнутых результатов, вскрытия основных способов формирования коэффициентов передаточных функций, активной чувствительности и решения декомпозиционной задачи по иным принципам.
В работе детально исследуются процедура генерации идеализированных схем, ранжирование набора схем и принятия решения. Показано, что генерация набора схем и принятия решения сводятся к задаче параметрической оптимизации нелинейно!! целевой функции с набором нелинейных ограничений. С этой целью в работе предложен модуль, базирующийся на методе -преобразований. Особенностью такого варианта решения задачи является возможность выхода в область глобального экстремума.
При синтезе перестраиваемых схем одной из составляющих этапа ранжирования является отбор устойчивых в пространстве управляющих слов принципиальных схем. Предложенная в работе базирующаяся на теореме Ляпунова вычислительная проце-
дура не требует вычисления характеристических чисел матрицы и позволяет заметно сократить число мультипликативных операций.
С точки зрения развития схемотехнических САПР в работе рассмотрена возможная процедура пополнения знаний о принципах проектирования
Седьмой раздел работы связан с рядом перспективных инженерных приложений. Рассмотрена задача создания инициализируемых двухбайтовыми словами интерфейсных измерительных усилителей и универсальных фильтров, позволяющих осуществить построение на базе серийных сигнальных процессоров гибридных схем обработки аналоговых сигналов. Сравнение полученных схемотехнических решений с их зарубежными аналогами показывает высокую эффективность предложенного метода структурного синтеза. Вторая задача, определяющая качество современных диагностических систем и систем управления, связана с разработкой управляемых фильтров нижних и верхних частот, которые не только ограничивают спектр сигнала электронных сенсорных элементов, но и обеспечивают вычисление производных и интегралов измеряемых величин. Краткая характеристика этих устройств приведена в табл. 2. Созданный набор принципиальных схем характеризуется высокой точностью преобразования входного сигнала при сохранении реального масштаба времени. В качестве одного их перспективных направлений применения предложенного метода синтеза рассматривается проблемно-ориентированная задача построения наблюдателей для адаптивных регуляторов. Показано, что набор идеализированных принципиальных схем может быть получен непосредственно из системы дифференциальных уравнений, описывающей поведение адаптивного регулятора. Полученные схемотехнические решения характеризуются высокой точностью вычислений а также широкими частотным и динамическим диапазонами, что недоступно для современных сигнальных процессоров.
В классе задач, сформулированных A.A. Красовским, выполнено построение высокочастотных измерительных фильтров, способствующих созданию систем пассивной радиолокации (табл. 2). Решена также задача синтеза прецизионных резистив-ных датчиков. Уникальность схе.чотехнического решения обеспечивает исключение влияния дрейфа и собственного шума согласующего измерительного усилителя на характеристики и параметры датчика. Приводится краткая характеристика внедренных в производство прецизионных электронных устройств, созданных на базе разработанных методов структурного синтеза.
Достоверность полученных результатов подтверждается анализом схемотехнических решений, их моделированием на ЭВМ в системах Design Center, имеющей процедуры PSpice, и MicroCap, которая используется в основном для графической интерпретации результатов. Качественные показатели многих устройств подтверждены в процессе экспериментального исследования лабораторных образцов.
Выводы и основные результаты работы.
Главным итогом работы является создание теоретических основ структурного синтеза и методов проектирования линейных электронных схем с расширенным частотным и динамическим диапазоном, что позволяет без изменения технологии их производства существенно повысить качественные показатели целого класса специализированных микросхем, ориентированных на задачи управления, диагностики и техники специальных измерений.
Таблица 2
Ns Издание Оснзише параметры Аналзги Область пркгехения
1 Интерфейсный фильтр Диагазокргбочи}: частот- 1 Гц - ICD »Гц Дикагатеспш пкахазон- 66 дБ UAF43 Системы цифровой об1>а6оти1СишалэЕ
2 ИнтерфегккыйустапЕпг Коэффициент передачи - ОД -100 Диатзонр^эочк; частот- рр 750 кГц Динамически диапазон - 70 дБ AD521 Сисзамы цифроюй обработки сшкаюл
3 Гибридный наблюдатели систем ynpas jehih Время цикла- не менее 0,5 je Отасшение тарагаярог ШЕ-зркатснюй матрица:- ж более 1000 Ад^птгакые унифицированные регуляторы
4 Измерительны; фильтры систем пассивной радЕолэкащга Диапазонргбочкх частот - до 1,5 МГц Дшвпаргсиш диапазон - 40 дБ Фазовая погрешность - 0,1 Определение еыоотш и"6азы" летггельнзго аппг^-эта.
С -f Устройства пргдЕаркгет.нзй обрэБсзтш с штатов Диатзонргбочкх частот-1 Гц-100 кГц Круша«. А.ЧХ - 34 дБ/сит. ДинашпЕсиш диапазон- 75 дБ Ашшшудкая погрешность Еычиспгкнлсжроешнсглнщгшя- 1 Фазогаяшгрешюста Еычштения сюросги и сквиенкя- 0,5 А шпппуднад погр ашисга ВЫЧИСЛЕНИЯ СИЭрССГИ и ускорения- 1,1 % Фазовая потрехшосгь гьккспгния: сиуросш и ускорения - Дгигнютяаский сзжтаиц екггеьш упр алпения. Аппаратура ш/т^п»- и виброметр ии
б ПотенцюкетрнчесиЕе датчики Диапазон частот - 200 кГц Маюоталь ныл порог чуБстЕшелыссти (10 - S) Минимальна: иииниа дрейфа щтл и собственных HATTOS изиертешюго уснтапйля Балэчкыа акгетрамгтрь^ раскодэмгрц датчики смещения
N>
В работе получены следующие основные результаты.
1. Разработаны базисные и обобщенные структуры линейных электронных схем с фиксированными и управляемыми параметрами.
2. Установлена на уровне обобщенных структур взаимосвязь основных качественных показателей схемы с параметрами активных элементов.
3. Показано существование непротиворечивых условий расширения частотного и динамического диапазонов.
4. Сформулирован принцип собственной компенсации влияния основных параметров активных элементов. Найдены достаточные функционально-топологические признаки такой компенсации и показана их единственность.
5. Для наиболее важных в практическом отношении устройств разработаны простые функционально-топологические правила синтеза структур с собственной и взаимной компенсациями влияния активных элементов.
6. Для частотно-независимых устройств (усилителей, датчиков и преобразователей) найдены условия их структурного синтеза с экстремально низкой чувствительностью к основным параметрам активных компонентов.
7. Разработаны принципиальные схемы активных фильтров, усилителей и датчиков с уникальными техническими характеристиками.
8. Сформулирован (на основе предложенных методов синтеза) пакет патентов схемотехнических решений различного функционального назначения.
9. Предложена алгоритмизированная прцедура синтеза структур прецизионных устройств.
10. В рамках предложенного алгоритма синтеза сформулированы простые правила ранжирования и модернизации существующего набора эвристических схемотехнических решений.
11. Для цпфроуправляемых устройств на базе теоремы Ляпунрва найдены экономичные поцедуры отбора устойчивых структур и принципиальных схем.
12. На базе метода преобразований разработан высокопроизводительный модуль параметрической оптимизации, обеспечивающий для сложных целевых функций выход в область глобального экстремума и, следовательно, повышающий эффективность метода структурного синтеза.
Авторские публикации
1. Крутчинскнй С.Г. Структурно-топологические признаки ARC-схем с собственной компенсацией.// Известия вузов, Радиоэлектроника. - 1994, т. 37, №1-2. С.38 - 43.
2. Крутчииский С.Г. Синтез структур перестраиваемых ARC-схем с расширенным динамическим диапазоном // Избирательные системы с обратной связью. -Таганрог, 1991, вып. 7. - С.7-23.
3. Крутчинский С.Г., Гришин C.B. Синтез ARC-схем с активной компенсацией. Интеллектуальные САПР. Таганрог, 1990. С. 40 - 54.
4. Крутчинский С.Г., Гришин C.B. Матричный анализ активных RC-схем с дифференциальными операционными усилителям51. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 1993,т.36,№4, с. 50-57
5. Крутчинский С.Г. Особенность структурного синтеза принципиальных схем микроэлектронных устройств частотной селекции. Известия РАН. Микроэлектроника, № 4, 1996, с. 259 - 264.
6. КрутчинскиР! С.Г. Декомпозиция структурного синтеза ARC-схем с операционными усилителями. Тезисы доклада "Юбилейная XX международная конференция . . . САПР93", Гурзуф, 1993, с. 30 - 31.
7. Крутчинский С.Г. Структурный синтез селективных RC-схем. Состояние и
перспективы развития. Доклад на международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике". Киев, 1994, с. 162 - 164.
8. Крутчинский С.Г. Расширение диапазона рабочих частот линейных ARC-устройств // Материалы Всесоюзного научно-технического семинара: Интегральные избирательные устройства, Москва, 14-16 апреля, 1987.
9. Крутчинский С.Г. Структурный синтез прецизионных устройств. Доклад на специальной сессии РАН (15. 05. 96 г.). "Гироскопия и навигация" , № 3, 1996 г.
10. Крутчинский С.Г. Проектирование RC-фильтров с операционными усилителями. "Избирательные системы с обратной связью". Межвузовский тематический сборник, вып. 2, Таганрог, 1974, с. 23 - 29.
11. Крутчинский С.Г. Структурный синтез звеньев второго порядка с решающими усилителями. "Избирательные системы с обратной связью". Межвузовский тематический сборник, вып. 3. Таганрог, 1976, с. 19 - 25.
12. Крутчинский С.Г., Гришин C.B. Топологические особенности высокочастотных RC-цепей второго порядка. "Избирательные системы с обратной связью", вып. 4, Таганрог, 1978, с. 25 - 30.
13. Крутчинский С.Г. Проектирование низкочувствительных звеньев с нулевыми цепями. Известия ВУЗов "Радиоэлектроника", т. 18, № 5, 1975.
14. Крутчинский С.Г. Низкочувствительное RC-звено с биквадратичной характеристикой. Известия АН СССР "Радиотехника ц электроника", т. 20, № 5, 1975, с. 1118- 1122.
15. Крутчинский С.Г., Гришин C.B. Расширение частотного диапазона низкочувствительных активных RC-цепей. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем". Москва, 1978. С. 27 - 28.
16. Крутчинский С.Г. Структурный синтез ARC-схем с цифровым управлением. Доклад на Всесоюзной конференции "Теория и практика построения интеллектуальных интегрированных САПР РЭА "БИС". Москва, 22 - 24 сентября 1987 г.
17. Крутчинский С.Г., Гарбуз А.М. Диалоговая подсистема анализа ARC-схем с операционными усилителями // Труды международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук". Москва, 1991.
18. Крутчинский С.Г. Алгоритмический синтез структур ARC-устройств частотной селекции. Материалы Всесоюзного научно-технического семинара "Интегральные избирательные устройства". Москва, 14 - 17 июня 1988 г.
19. Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И. Активный RC-фильтр четвертого порядка. Авт. свид. СССР № 1381688 кл. НОЗН, 11/04, бюл. № 10, 1988.
20. Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И., Крикун И.Я. Расширение динамического диапазона в многоконтурных полиномиальных ARC-фильтрах. Радиотехника, 1989, №8, с. 15-20.
21. Крутчинский С.Г'., Крикун ИЛ. Расширение диапазона перестройки ARC-схем с решающими усилителями. // Избирательные системы с обратной связью. -Таганрог, 1983, вып. 5. - С. 56 - 61.
22. Крутчинский С.Г. Схемы цифроуправляемых элементов и особенности их применения: В книге Капустина В.И." Активные RC-фильтры высокого порядка". - М.: Радио и связь, 1985, с. 183 - 194.
23. Крутчинский С.Г. Расширение диапазона рабочих частот перестраиваемых ARC-устройств. Известия ВУЗов Радиоэлектроника, т. 31, № И, с. 74 - 76.
24. Крутчинский С.Г. Решающие усилители с цифроуправляемыми проводимостями: В кн. Капустяна В.И. "Активные RC-фильтры высокого порядка". М.: Радио и связь, 1985, С. 193 - 203.
25. Крутчинский С.Г., Черников В.В. Повышение точности перестраиваемых ARC-схем с ЦАГТ. // Избирательные системы с обратной связью. - Таганрог, 1987, вып. 6, - с. 55 -60.
26. Крутчинский С.Г. Биквадратичные звенья с гремя операционными усилителями. Избирательные системы с обратной связью. - Таганрог, 1978, вып. 4, - с. 50 - 61.
27. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем / Букашкин С.А., . . . , Крутчинский С.Г. и др. Под ред. A.A. Ланнэ. - М.: Ради о и связь, 1984.
28. Христич В.В., Крутчинский С.Г. Активный режекторный RC-фильтр. A.c. СССР № 430484, кл. НОЗН 7/10, ФИПОТЗ № 5, 1974.
29. Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И.,Черников В.В. Активный RC-фильтр. A.c. СССР № 1381689, кл. НОЗН 11/12, бюлл. № 10, 1988.
30. Григорьев B.C., Крутчинский С.Г., Конопеотысин В.В. RC-генератор. A.c. СССР№ 1072242, кл. НОЗВ 5/26, бюлл. № 5, 1984.
31. Гришин C.B., Крутчинский С.Г. Активный RC-фазовый контур. A.c. СССР № 1343547, кл. НОЗН 11/16, бюлл. № 37, 1987.
32. Гришин C.B., Крутчинский С.Г. Активный RC-фазовый конгур. A.c. СССР № 1338004, кл. НОЗН 11/16, бюлл. № 34, 1987.
33. Гришин C.B., Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И. Активный фильтр верхних частот. A.c. СССР № 1732431, кл, НОЗН 11/12, бюлл. № 17, 1992.
34. Гришин C.B., Иванов Ю.И., Крутчинский С.Г. Активный RC-фильтр. A.c. СССР № 1777233, кл. НОЗН 11/12, бюлл. № 43, 1992.
35.Гришпн C.B., Крутчинский С.Г. Активный RC-фазовый контур. A.c. СССР № 1697260, кл. НОЗН 11/12, бюлл. № 45, 1989.
36. Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И., Гришин C.B. Программируемый ARC-фильтр. Патент РФ № 2019904, кл. НОЗН 11/12, бюл. № 17, 1994.
37. Крутчинский С.Г., Иванов Ю.И., Гришин C.B., Будяков И.В., Малинская Т.А. Универсальное программируемое ARC-звецо второго порядка. "Электронная промышленность" № 1,2, 1993, с. 73-75.
38. Гришин C.B., Иванов Ю.И., Крутчинский С.Г. Программируемый ARC-фильтр. Патент РФ № 2040853, кл. НОЗН 11/12, бюл. № 21, 1995.
39. Крутчинский С.Г. Структурный синтез прецизионных ARC-устройств. Сборник ВИМИ "Научно-технические достижения", № 4, 1995, с. 17 - 19.
40. Крутчинский С.Г., Гарбуз A.M. Повышение производительности подсистем параметрической оптимизации ARC-схем с операционными усилителями. Известия вузов. Радиоэлектроника, №6, т. 37, 1994, с. 13-18.
41. Крутчинский С.Г. Синтез структур селективных устройств с переменными параметрами. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Интегральная схемотехника в радиоприемных устройствах", Москва, 1985.
42. Крутчинский С.Г. Декомпозиционно-адаптивные процедуры структурного синтеза ARC-схем. Тезисы докладов научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике", Киев, 1993.
43. Крутчинский С.Г., Гришин C.B. Синтез низкочувствительных ARC-депей второго порядка на дифференциальных ОУ. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Интегральная схемотехника в радиоприемных устройствах", Москва, 1984.
44. Крутчинский С.Г., Гарбуз A.M. Параметрический синтез ARC-схем с
дифференциальными операционными усилителями. Тезисы докладов научно-' технической конференции "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике", Киев, 1993.
45. Крутчинский С.Г., Чибизов Д.Г. Синтез высокопроизводительных наблюдателей систем автоматического управления. Доклад на Международной научно-технической конференции "Проблемы физической и биомедицинской электро шпсп", Киев, 1997, с. 274 - 276.
46. Крутчинский С.Г., Гришин C.B. Метод реализации перестраиваемых фильтров с управляющими четырехполюсниками // Избирательные системы с обратной связью, Таганрог, 1976, вып. 3, с. 130 -134.
47. Крутчинский С.Г., Гура В.Д. Режекторный RC-фильтр. A.c. СССР № 720696 кл. НОЗН 7/1С. Бюя. № 9, 1980.
48. Крутчинский С.Г., Григорьев B.C. RC-генератор. A.c. СССР № 765982 кл. Н03В 5/26. Бюл. № 35, 1980.
49. Крутчинский С.Г., Гришин C.B., Крикун И.Я.. Активный RC-фазовый контур. A.c. СССР № 964978 кл. Н03В 11/16. Бюл. № 37,1982.
50. Крутчинский С.Г., Григорьев B.C. RC-генератор. A.c. СССР № 1072242 кл. НОЗВ 5/26. Бюл. № 5, 1984.
51. Гришин C.B., Крутчинский С.Г. Активный RC-фазовый контур. A.c. СССР № 1224977 кл. НОЗН 11/16. Бюл. № 14, 1986.
52. Крутчинский С.Г., Гришин C.B., Григорьев B.C. RC-генератор синусоидальных колебаний. A.c. СССР№ 1518860 кл. НОЗН 11/16. Бюл. Na 40, 1989.
53. Гришин C.B., Крутчинский С.Г., Гура В.Д. Активный RC-фазовый контур. A.c. СССР № 1584080 кл. НОЗН 11/16. Бюл. № 29, 1990.
54. Гришин C.B., Крутчинский С.Г., Черников В.В. Полосовой активный фильтр. A.c. СССР № 1629960 кл. НОЗН 11/12. Бюл. № 7, 1991.
55. Гришин C.B., Григорьев B.C., Крутчинский С.Г. Квадратурный RC-генератор. A.c. СССР № 1658369 кл. НОЗВ 5/26. Бюл. № 23, 1991.
56. Гришин C.B., Крутчинский С.Г., Сердюков C.B. Активный RC-фильтр. A.c. СССР № 1688387 кл. НОЗН 11/12. Бюл. № 40, 1991.
57. Гришин C.B., Крутчинский С.Г., Хоруженко E.JI. Активный RC-фильтр нижних частот. A.c. СССР № 1688388 кл. НОЗН 11/12. Бюл. № 40, 1991.
58. Гришин C.B., Гура В.Д., Крутчинский С.Г., Учакин Г.Н. Активный RC-фильтр. A.c. СССР № 1688389 кл. НОЗН 11/12. Бюл. № 40, 1991.
59. Гришин C.B., Григорьев B.C., Крутчинский С.Г. Активный RC-фильтр. A.c. СССР № 1755364 кл. НОЗН 11/12. Бюл. № 30, 1992.
60. Гришин C.B., Григорьев B.C., Крутчинский С.Г. Активный RC-фильтр. A.c. СССР № 1788570 кл. НОЗН И /12. Бюл. № 2,1993.
61. Гришин C.B., Крутчинский С.Г. Активный RC-фазовый контур. Патент РФ Xq 2019027, кл. НОЗН 11/16, бюл. № 16, 1994.
62. Иванов Ю.И., Гришин C.B., Крутчинский С.Г. RC-фильтр. Патент РФ № 2089998, кл. НОЗН 11/16, бюл. № 25, 1997.
63. Иванов Ю.И., Крутчинский С.Г. Активный RC-фильтр. Патент РФ № 2089041, кл. НОЗН 11/16, бюл. № 24, 1997.
Текст работы Крутчинский, Сергей Георгиевич, диссертация по теме Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
-' .<*д
ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ЛИНЕЙНЫХ АНАЛОГОВЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ
Специальности: 05.13.05 - элементы и устройства систем управления
и вычислительной техники; 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.
КРУТЧИНСКИЙ СЕРГЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ
УДК 621.372.57
Диссертация на соискание ученой степени доктора
технических наук
- 1-ОСС И12
(решонлест" Л." щ № I при судил ученую степень ДОК'
(' . - - / J Л у . .
-¿- " 19 М„ №
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..............................................................................................................................................................3
1. Синтез структур электронных схем. Эволюция подходов ,....................................................................... 16
1.1. Конструирование коэффициентов передаточной функции......................................................... 16
1.2. Развитие метода компонентных уравнений...................................................................................22
1.3. Преобразование подобия частных решений..................................................................................24
1.4. Генетические процедуры синтеза структур....................................................................................27
1.5. Автоматизированный синтез структур...........................................................................................30
1.6. Основные выводы. Направления исследований............................................................................37
2. Базисные структуры электронных схем......................................................................................................41
2.1. Дифференциальные усилители.........................................................................................................42
2.2. Классификация способов перестрожи параметров.
Параметры управителей...................................................................................................................49
2.3. Цифроуправляемые резисторы параллельной структуры............................................................55
2.4. Влияние неидеальности электронных ключей на свойства базисных структур........................61
2.5. Цифроуправляемые проводимости лестничного типа..................................................................69
2.6. Основные выводы. Разновидности базисных структур................................................................74
3. Обобщенные структуры электронных схем с дифференциальными операционными усилителями.....77
3.1. Обобщенная структура ARC-устройств с ДОУ...........................................................................77
3.2. Чувствительность обобщенной структуры ARC - устройств с ДОУ.........................................84
3.3. Обобщенная структура перестраиваемых ARC-схем...................................................................88
3.4. Динамический диапазон перестраиваемых ARC-схем.................................................................93
3.5 Частотные свойства перестраиваемых ARC-схем.........................................................................96
3.6. Обобщенная структура с неразделенными цепями обратной связи............................................97
3.7 Особенность обобщенной структуры и свойств электронных
устройств с безынерционными цепями обратной связи................................................................ 101
3.8. Частично полные структуры. Процедура усечения....................................................................... 107
3.9. Основные выводы.............................................................................................................................. 120
4. Активная компенсация влияния доминирующих параметров активных элементов.............................. 123
4.1. Взаимная компенсация...................................................................................................................... 123
4.2. Собственная компенсация................................................................................................................ 127
4.3. Пример синтеза ARC - схемы с собственной компенсацией........................................................ 132
4.4. Особенности собственной компенсации в безынерционных схемах.......................................... 140
4.5. Основные выводы. Базовый алгоритм структурного синтеза.................................................... 148
5. Основные составляющие процесса синтеза структур................................................................................ 157
5.1. Синтез структур идеализированных ARC - схем с фиксированными параметрами................ 157
5.2. Влияние частотных свойств ОУ на параметры идеализированной модели. Декомпозиция задачи синтеза.......................................................................................................... 165
5.3. Особенности синтеза интеграторных структур............................................................................ 176
5.4. Эффективность метода собственои компенсации при решении практических задач............... 186
5.5. Основные выводы. Направление исследований............................................................................. 197
6. Автоматизация структурного синтеза электронных схем......................................................................... 198
6.1 Обобщенный алгоритм синтеза структур..................................................................................... 198
6.2. Процедура генерации идеализированных схем. Ранжирование набора...................................204
6.3. Особенности ранжирования перестраиваемых ARC- схем.........................................................210
6.4. Модуль параметрической оптимизации........................................................................................215
6.5 Структурный синтез и интеллектуализация схемотехнических САПР.....................................224
7. Инженерные приложения..............................................................................................................................228
7.1 Интерфейсные БИС систем ЦОС.....................................................................................................228
7.2. Гибридные наблюдатели адаптивых САУ....................................................................................244
7.3. Измерительные фильтры систем пассивной радиолокации........................................................253
7.4 Устройства предварительной обработки сигналов для диагностических комплексов............264
7.5. Потенциометричсские датчики.......................................................................................................279
7.6. Краткая характеристика внедренных в производство прецизионных устройств....................286
Заключение.........................................................................................................................................................294
Литература.........................................................................................................................................................299
Авторские публикации......................................................................................................................................302
Приложение........................................................................................................................................................306
Введение
Связь свойств технической системы с ее структурой оказывает существенное влияние на развитие общей теории и ее инженерных приложений. Достаточно указать на работы Блэка, Мэзона и проследить их эволюцию в области электронных схем и систем управления. Важность вопроса поиска новых структур с наперед заданными свойствами, очевидно, впервые оценили Айзерман М.А. в теории автоматического регулирования [1] и В.. Кау-эр Саиег) в теории электронных схем [2]. В. Кауэр эту проблему относил к числу главнейших в синтезе цепей и начал ее исследование в цикле работ по теории эквивалентных преобразований. В последующем эта проблема получила развитие в теории автоматического управления [3].
Однако значение структуры как основного ресурса в проблеме синтеза электронных схем было наглядно продемонстрировано лишь спустя четверть века после появления принципиально новой элементной базы. Например, переход с ЯЬС - базиса на базис - активные полупроводниковые приборы, резисторы и конденсаторы связан с длительной «полосой неудач». Разработанные схемы оказывались менее стабильными и часто «выходили из строя», именно это привело к «массовому производству» новых структур. Многие эвристически найденные конфигурации оказались лучше ЯЬС - аналогов и прошли проверку многолетней практикой. Это показало, что целенаправленный синтез структур является мощным ресурсом в задачах проектирования электронных схем. Успехи микроэлектроники, освоение микронной и субмикронной технологий наряду с «естественным любопытством» сформировали устойчивое внимание к проблеме структурного синтеза и оптимальной топологической реализации (рис. В.1).
I1 | - общее число публикаций по структурному синтезу
1970-1975 1975-1980 1980-1985 1985-1990 1990-1995
Рис. В.1. Распределение публикаций в области структурного синтеза
Качественный анализ публикаций показывает, что «всплески активности» в основном связаны с проведением крупных научно - технических конференций. С конца 70-х годов к обсуждаемой проблеме устойчивое внимание проявляют специалисты в области САПР. В рамках проблематики можно выделить три этапа развития структурного синтеза. На первом этапе (70—е годы) происходило накопление фактического материала, осуществлялась апробация различных подходов и методов решения практических задач, внимательное изучение потребности инженерной практики. Итог этому подведен в монографиях [4], [5], [6]. На втором этапе (80-е годы) структурный синтез электронных схем различного функционального назначения стал объектом пристального внимания специалистов интегрированных интеллектуальных САПР [7] ,[8], [9]. В плане интеллектуализации САПР РЭА вопросы синтеза структур выдвигались в качестве базовых, стартовых этапов их развития, при этом внешняя интеллектуализация проектных процедур на базе узкоспециализированных систем искусственного интеллекта и сейчас признается наиболее перспективным направлением [8]. Отмеченное направление является «траекторией пересечений» адаптации САПР как средства ее интеллектуализации [7]. Пополнение системы новыми знаниями осуществляется специалистами предметных областей и связа-
но с их структурированием, только в этом случае можно формировать «метаправила» и решать новые более сложные задачи. В этой ретроспективе уместно утверждение A.A. Харкевича «..творческая функция состоит в том, чтобы из необозримого множества возможных сочетаний отобрать те, которые обладают указанными свойствами».
В настоящее время в этом направлении отсутствуют обобщающие исследования. Работа различных международных научно-технических конференций показывает, что серьезные исследования только развиваются, причем потребность в методах решения проблемно-ориентированных задач [9], [10] приобретает как никогда важное значение.
На третьем этапе своего развития (90-е годы) структурный синтез развивается в узкоспециализированных предметных областях в рамках реальных практических заказов. Выполненный специалистами ведущих фирм экономический и технологический анализ показывает, что разработчику электронных систем целесообразно самостоятельно выполнять проектирование и осуществлять выпуск специализированных БИС. Значительные достижения в области БМК стимулируют создание специализированных интеллектуальных интегрированных подсистем проектирования высокого уровня. Эти положения неоднократно обсуждались на международных научно-технических конференциях1. Приоритеты фундаментальных и прикладных исследований отдаются направлению, позволяющему создать высокоэффективные электронные системы, ориентированные на поддерживаемые промышленностью технологические нормы.
В области цифровой электроники переход с микронной на субмикронную и глубокую субмикронную технологии позволил существенно улучшить технические характеристики интегральных схем. Так, например, про-
1 Программы практически всех международных конференций предполагают объединение этих работ в секции по методам синтеза аналоговых и цифровых схем. Основные выводы обсуждаются в обзорах Дж. Буша, Ф. Гудинафа и Л. Малиньяк. публикуемых на страницах журнала «Электроника».
изводительность цифровых процессоров обработки сигналов (DSP) при технологической норме 3 мкм составила 5 миллионов операций в секунду с фиксированной запятой (MIPS), для 0,8 мкм - 40 MIPS, а для 0,25 мкм - 400 MIPS при незначительных изменениях в величине потребляемой мощности. В области аналоговых микросхем такого успеха достичь не удалось. Например, операционные усилители, являющиеся основой построения подавляющей части функционально законченных изделий, при технологических нормах 0,8 мкм характеризовались частотой единичного усиления (fi) 30 МГц и скоростью нарастания (v) 300 В/мкс при потребляемом токе 1о =12 мА, а для 0, 45 мкм - fi=400 МГц, v=800 В/мкс, 1о =25 мА при использовании уникальной экспериментальной технологии фирмы Harris. Указанные результаты хорошо согласуются с общим стратегическим выводом, который следует из радиоэлектронного противостояния двух систем за истекшие 15-20 лет. Здесь успех сопутствовал стороне, имеющей серийно пригодные прецизионные микросхемы, к компонентам которых предъявляются наиболее жесткие требования. Именно поэтому действие ограничений КОКОМ распространялось на изделия, обеспечивающие согласование сенсорных элементов различной физической природы с интерфейсом вычислительной части системы. В США существует ряд специализированных фирм, занимающихся разработкой и выпуском таких микросхем и микросборок по заказу. Например, корпорация Burr-Brown сотрудничает не только с военным ведомством, но и успешно работает на рынке медико-биологических компонентов и систем автоматического управления, при этом в качестве комплектующих используются лучшие кристаллы, изготовляемые технологическими лидерами. В функциональном отношении спектр таких изделий достаточно широк и в значительной степени зависит от стратегии построения конечных технических изделий. Однако технологическим лицом не только Burr-Brown, но и ее конкурентов, Maxim и Analog Devices, являются прецизионные фильтры, инструментальные усилители, датчики, некоторые виды АЦП и DSP.
Таким образом, наиболее «узким местом» в настоящее время является схемотехника аналоговых устройств, ориентированных на современную электронную технологию. По оценке исполнительного директора фирмы Alex Brown & Sons Дж. Маррела в ближайшее время наибольшего успеха добьются фирмы, имеющие пакеты патентов на такие изделия и, следовательно, интеллектуальные права. Работа международной конференции по электронным приборам (IEDM) в 1995 году показала, что развитие микроэлектроники будет во многом зависеть от таких «первопроходцев».
Цитированные выше литературные источники, а также ряд ранних работ автора, относящиеся ко второй половине 70 годов, указывают на существование некоторого единого подхода к проблеме синтеза структур электронных схем. Формальная постановка задачи должна предусматривать ряд составляющих. Во-первых, необходимо построение некоторых обобщенных структур (моделей), обладающих свойством полноты, которое гарантирует, что любое возможное решение конкретной задачи может быть получено из этой структуры с помощью строгих формальных процедур (метод усечений, процедура мутации и т.п.). В этом смысле обобщенная структура представляет собой полный граф, первая группа ветвей которого отождествляет «базисные структуры», а вторая - связь между ними. Во-вторых, необходим оператор преобразования, с помощью которого одно состояние структуры переходит в другое. Такой оператор воспроизводит механизм синтеза. Наконец, необходима мера различия схемных решений (свертка критериев качества).
Поиск оператора преобразования является основной задачей при построении процедуры синтеза, что связано не только с характером критериев качества, но и с особенностями функционирования проектируемого устройства. В этом отношении чрезвычайно важен поиск взаимосвязи топологии схемы с ее свойствами, которая позволяет осуществить детализацию общей задачи на ряд относительно самостоятельных этапов. Отмеченное и
является основным теоретическим содержанием настоящей работы [Al] -[АЮ].
В качестве показателя качества проектируемого устройства в основном рассматривается степень влияния неидеальности активных элементов, выражающаяся в ограничении частотного и динамического диапазонов, собственного шума и дрейфа нуля, а также нестабильности его параметров. Именно эти параметры в технологическом отношении являются наиболее «дорогими» и, следовательно, существенно влияют на стоимость изделия.
В первом разделе работы анализируется эволюция подходов к задаче структурного синтеза линейных электронных схем. Анализируются принципы конструирования коэффициентов передаточной функции, предложенные S. Mitra и М. Soderstrand в рамках обобщенной модели I. Sandberg и ряда ранних работ автора, показана возможность такого конструирования с учетом уменьшения влияния активных элементов на характеристики и параметры электронных схем. Выделяется проблема выбора неизоморфных решений. Рассматривается развитие метода компонентных уравнений, выполненное A.A. Ланнэ. Е.Д. Михайловой и Б.С. Саркисяном с целью формализации синтеза структур ARC - схем. Показано, что учет влияния активных элементов приводит к неоднородным целевым функциям, что делает невозможным применение существующих алгоритмов решения задачи. Показана невозможность применения преобразований подобия для синтеза схем с расширенным частотным и динамическим диапазоном. Анализируются генетические процедуры мутации при синтезе структур, предложенные Глориозовым E.JI. Показано, что применение такого подхода связано с разработкой набора функционально - топологических правил мутации конкретной конфигурации. Сформулированы задачи исследований и обоснована структура работы.
Второй раздел работы в соответствии с сформулированным подходом посвящен проектирован
-
Похожие работы
- Теория, принципы и методы нелинейной активной коррекции прецизионных аналоговых микроэлектронных устройств автоматики
- Методы схемотехнического проектирования функциональных узлов широкополосных аналоговых микросхем автоматики
- Автоматизация разработки диагностического обеспечения устройств релейной защиты и автоматики
- Архитектура и схемотехника аналоговых микросхем с собственной и взаимной компенсацией импедансов
- Устройства дискретной автоматики с гибким использованием ресурса помехозащиты
-
- Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
- Теория систем, теория автоматического регулирования и управления, системный анализ
- Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
- Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)
- Управление в биологических и медицинских системах (включая применения вычислительной техники)
- Управление в социальных и экономических системах
- Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей
- Системы автоматизации проектирования (по отраслям)
- Телекоммуникационные системы и компьютерные сети
- Системы обработки информации и управления
- Вычислительные машины и системы
- Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)
- Теоретические основы информатики
- Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
- Методы и системы защиты информации, информационная безопасность