Структурный синтез линейных аналоговых микроэлектронных устройств автоматики

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 связано 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 проектированию и анализу 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 применения схемотехнических решений с уменьшением влияния площади усиления ОУ и их спектральной плотности шума. Для задач синтеза управляемых ARC — схем рассмотрено применение цифроуправляемых проводимостей (ЦУП), которые могут не только использоваться в качестве пассивных управителей, но и входить в состав активных управляющих элементов. Показано, что степень влияния основных параметров ОУ определяется коэффициентом передачи ЦУП на холостом ходу. Рассмотрены различные способы включения ЦУП в электронную схему, выполнен их сравнительный анализ по величине указанного параметра. Проведено детальное исследование влияния паразитных емкостей МОПи МДПключей на крутизну преобразования ЦУП, выделены перспективные схемотехнические конфигурации. Показана целесообразность применения в качестве базисных структур цифроуправляемых интеграторов и масштабных усилителей с различными матрицами R-2R в режиме масштабирования управляющего напряжения.

В третьем разделе рассмотрено построение и изучены свойства некоторых обобщенных структур — структуры ARC — схем с фиксированными параметрами, структуры цифроуправляемых ARC — схем, общих структур, частным случаем которых являются безынерционные обобщенные структуры и частично полные структуры с дополнительными межзвенными связями. Показано, что независимо от вида обобщенной структуры чувствительность ее передаточной функции зависит от трех локальных функций — передаточной функции на выходе конкретного активного элемента, передаточной функции системы при подключении источника сигнала к неиверти-рующему входу активного элемента и передаточной функции на выходе активного элемента при подключении источника сигнала к его неинверти-рующему входу. Так как вторая составляющая определяет вклад конкретного активного элемента в собственный шум схемы, то это расширение частотного и динамического диапазонов не приводит к противоречивым условиям в отличие от известных способов решения задачи расширения диапазона рабочих частот. Аналогичные функциональные условия характерны и для чувствительности структур к частотозадающим элементам. Показана возможность влиять на указанные локальные передачи за счет дополнительных межзвенных связей. Приведен пример синтеза полиномиального фильтра четвертого порядка с указанными дополнительными связями. Сформулирована задача поиска функционально — топологических принципов снижения влияния основных параметров активных элементов.

Четвертый раздел работы посвящен созданию функционально-топологических принципов активной компенсации влияния доминирующих параметров активных элементов на основные характеристики и параметры проектируемого устройства. Выполнен качественный анализ широко распространенной взаимной компенсации, когда влияние одного из активных элементов на параметры устройства противоположно влиянию других активных элементов. Основное внимание уделено собственной компенсации, не влияющей на идеализированную передаточную функцию и связанной с уменьшением активной составляющей чувствительности. Сформулированы достаточные функционально — топологические условия, приводящие к появлению разностных членов в локальных передаточных функциях, определяемых при подключении источника входного сигнала к неинвертирующе-му входу активного элемента, и, следовательно, позволяющие расширить как частотный, так и динамический диапазоны электронного устройства. Показана единственность сформулированных условий. Приведен демонстрационный пример синтеза схемы АЯС-звена второго порядка с использованием найденных принципов собственной компенсации. Показано, что полученная схема при том же числе активных и пассивных элементов характеризуется по сравнению с известными более высокими качественными показателями. Рассмотрена особенность собственной компенсации в безынерционных схемах. Показано, что наряду со сформулированным принципом для указанного класса устройств существует второй способ достижения поставленной цели, который приводит, в отличие от первого, к изменению принципов построения идеализированной схемы. Показано, что уменьшение влияния всех активных элементов связано с чередованием минимумов основных локальных передач электронного устройства. Для звеньев второго порядка сформулированы вытекающие из принципа собственной компенсации функционально-топологические правила построения схем с расширенным частотным и динамическим диапазонами. Приводится пример синтеза схемы на основе найденных правил. Формулируется базовый алгоритм структурного синтеза схем произвольного функционального назначения.

В пятом разделе рассматриваются основные составляющие процесса синтеза структур электронных схем. Процедура синтеза идеализированных схем базируется на анализе принципов конструирования коэффициентов передаточной функции обобщенных структур, полученных через резольвенту основной матрицы системы. Показано, что в этом случае необходимо оперировать системой алгебраических и логических уравнений. На базе обобщенной структуры устанавливается степень влияния частотных свойств операционных усилителей, формулируется задача декомпозиции процедуры синтеза. С учетом особого значения интеграторных структур, являющихся основой построения управляемых устройств, рассматривается особенность их структурного синтеза, связанная с возможностью получения идеализированных вариантов непосредственно из метода пространства состояний. На конкретных примерах демонстрируются простые правила введения компенсирующих контуров обратных связей, уменьшающих влияние площади усиления ОУ. Показана эффективность предложенного метода собственной компенсации при решении практических задач. Так, введение оговоренных выше компенсирующих контуров обратных связей в принципиальную схему универсального звена изделия 11АР-43 (Вигг.

Brown) позволяет при неизменном числе активных и пассивных элементов и при сохранении их типов и номиналов существенно снизить влияние основных параметров активных элементов, а при неизменном частотном и динамическом диапазонах применить микромощные ОУ и уменьшить в 23 (двадцать три) раза величину потребляемого от источников питания тока. Демонстрируется каноническая принципиальная схема коммерческого варианта универсального звена, которая при том же числе ОУ имеет недостижимые для известных структур качественные показатели.

Шестой раздел работы посвящен автоматизации структурного синтеза электронных схем. В основу обобщенного алгоритма положена процедура введения по сформулированным выше принципам компенсирующих контуров обратных связей, сохраняющих набор идеализированных передаточных функций. Базовыми составляющими процесса синтеза являются генерация и ранжирование набора идеализированных схем, которые, как показано в работе, осуществляются выбором необходимых компонент резольвенты основной матрицы системы с учетом «степеней свободы» — числа заземленных входов активных элементов. Принятие решения об эффективности применения дополнительных контуров осуществляется после параметрической оптимизации конкретной схемы. Для решения этой задачи предложен базирующийся на методе Т — преобразования целевой функции модуль параметрической оптимизации, позволяющий осуществить выход в область глобального экстремума. Рассмотрена взаимосвязь структурного синтеза с проблемой интеллектуализации схемотехнических САПР. Показано, что предложенные методы синтеза способствуют построению САПР очередного поколения.

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. Созданный набор принципиальных схем характеризуется высокой точностью преобразования входного сигнала при сохранении реального масштаба времени. В качестве одного из 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, характеризуются высоким частотным и динамическим диапазонами, что недоступно для современных сигнальных процессоров.

В классе задач, сформулированном A.A. Красовским, выполнено построение высокочастотных измерительных фильтров, способствующих созданию систем пассивной радиолокации. Решена также задача синтеза прецизионных резистивных датчиков. Уникальность схемотехнического 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, Pspise, и MicroCap, которая используется в основном для графической интерпретации результатов. Качественные показатели многих устройств подтверждены в процессе экспериментального исследования лабораторных образцов.

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 частотозависимых и частотнонезависимых 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 час-тотонезависимых 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 параметрически инвариантных час-тотонезависимых схем;

— разработкой процедуры синтеза электронных устройств с дополнительными межзвенными связями:

— созданием патентноспособных 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.

Основные результаты опубликованы в 65-ти печатных работах, четырех рукописных отчетах, включая 27 изобретений и две монографии.

Заключение

.

Развитый в работе подход является теоретическим обобщением многолетних исследований автора в области структурного синтеза, схемотехнического проектирования и практической реализации прецизионных электронных устройств. Совокупность полученных и обоснованных в работе результатов представляет собой решение крупной, имеющей важное народно-хозяйственное значение научной проблемыразработку принципов структурного синтеза прецизионных электронных устройств, обеспечивающих получение высоких качественных показателей в рамках традиционных технологических процессов и норм.

Решение заданной проблемы имеет важное значение также и в плане создания систем автоматизированного схемотехнического проектирования с применением искусственного интеллекта, являющихся главным инструментом ускорения научно-технического прогресса.