Введение к работе
Актуальность. Современное развитие систем диагностики, автоматического и автоматизированного управления, измерительной техники и связи невозможно без создания нового поколения микроэлекгронных 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 па 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 ох 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 раззитии 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, А.А. Ланнэ, Ю.И. Лыпарь, Е.Д. Михайлова, В.И. Капустян, В.Н. Ильин, Сигорский В.П., S.K. Mitra, М.А. Soderstrand, I.W. Sandberg, 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, МісгоСар и натурными испытаниями лабораторных и серийных образцов конкретных изделий.
Научная новизна. 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.
-
В рамках разработанных обобщенных структур установлена взаимосвязь основных качественных показателей электронной схемы и показано существование непротиворечивых условий расширения ее частотного и динамического диапазонов.
-
Сформулирован принцип собственной компенсации влияния частотных свойств активных элементов и найдены достаточные функционально-топологические условия его реализации. Показана единственность этих условий.
-
Для частотонезависимых устройств сформулированы условия глобального минимума активной чувствительности.
-
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 предложен" 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 макегов 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 межзвениыми 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-
ниєм 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 матизированного управлен 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-
фсрснции "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе", 1990, 1992 г.г., п. Гурзуф; на Всероссийской научно-техническсй конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", 1995 - 1997 г.г., г. Таганрог (п. Дгпшоморское); 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.
