Circuiti integrati analogici universali programmabili: selezione delle unità funzionali elementari. Dati di riferimento

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Applicazione dei microcircuiti

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È difficile sopravvalutare l'importanza dei circuiti integrati logici riprogrammabili (FPGA) nella sintesi dei sistemi logici. Lo sviluppo integrato della base degli elementi e dei sistemi di progettazione assistita da computer consente di implementare sistemi logici complessi in un tempo senza precedenti e con costi di materiale minimi. Pertanto, il desiderio di ottenere risultati simili nella progettazione e produzione di sistemi analogici è abbastanza comprensibile. Tuttavia, molti tentativi fatti in questa direzione non hanno ancora portato i risultati attesi e i circuiti integrati analogici programmabili (PAIS) e gli LSI analogici a matrice (MABIS) non sono ancora diventati universali.

Problemi di progettazione di LSI analogici programmabili

Il rapido progresso nel campo della progettazione di sistemi logici su FPGA è stato predeterminato dal fatto che tutti i sistemi logici sono basati su un apparato matematico ben sviluppato di algebra booleana. Questa teoria consente di dimostrare che la costruzione di una funzione logica arbitraria è possibile mediante la composizione ordinata di un solo operatore elementare: il logico AND-NOT (o OR-NOT). Cioè, qualsiasi sistema rigorosamente logico può essere progettato da elementi di un solo tipo, ad esempio NAND.

Ben diversa la situazione nel campo della progettazione (sintesi) e dell'analisi (decomposizione) di schemi circuitali di sistemi analogici. Nell'elettronica analogica non esiste ancora un unico apparato matematico universalmente riconosciuto che consenta di risolvere problemi di analisi e sintesi da una posizione metodologica unitaria. Le ragioni di questo fenomeno vanno ricercate nella storia dello sviluppo dell'elettronica analogica.

Nelle prime fasi, i circuiti dei dispositivi analogici si sono sviluppati secondo i concetti del metodo funzionale-nodale, la cui idea principale era la divisione di schemi circuitali complessi in nodi. Un nodo è costituito da un gruppo di elementi e svolge una funzione ben definita. Quando combinati, i nodi formano blocchi, schede, armadi, meccanismi, ad es. alcune costruzioni unificate, che prendono il nome di dispositivi. La combinazione di dispositivi forma un sistema. Il metodo funzionale-nodale presupponeva che i componenti elementari dei sistemi dovessero essere nodi, il cui compito principale è svolgere una funzione ben definita.

Ecco perché la funzionalità, ovvero il fatto che un nodo svolga qualche funzione, è stata presa come criterio per classificare i nodi. Tuttavia, con lo sviluppo dell'elettronica, si è rivelato essere un numero estremamente elevato di funzioni isolate e isolate (e, di conseguenza, di nodi). Ogni possibilità di minimizzazione e unificazione, necessaria per la sintesi di sistemi complessi, è scomparsa. Ecco perché lo sviluppo dei circuiti integrati analogici a matrice (MABIS) e dei circuiti integrati analogici riprogrammabili (PAIS) è stato rallentato e continua ad essere rallentato.

Lo stato delle cose nel campo dei circuiti analogici programmabili può essere tracciato analizzando gli sviluppi delle principali società russe e straniere. Pertanto, gli specialisti di OAO NIITT e dello stabilimento di Angstrem hanno concentrato i loro sforzi sullo sviluppo e la produzione di BMC analogico-digitali (cristalli di matrice di base) del tipo Rul H5515KhT1, N5515KhT101, progettati per sistemi di acquisizione dati, monitoraggio e controllo, per apparecchiature mediche e controllare le apparecchiature di misurazione [1].

Il design di questi BMC include una matrice analogica e digitale. La matrice digitale contiene 115 celle di base digitali (230 porte 2I-NOT), che sono disposte in cinque file di 23 celle di seguito. La matrice analogica combina 18 celle di base analogiche disposte in due file di 9 celle. Tra le file di celle analogiche ci sono due file di condensatori (nominale 17,8 pF) e due file di resistori di diffusione (24,8 kOhm ciascuno). Tra la parte analogica e quella digitale c'è una fila di resistori da 3,2 kΩ.

Il BMC fornisce due tipi di celle analogiche (A e B). Le celle di tipo A sono costituite da 12 transistor a collettore isolati npn e 38 pnp e XNUMX resistori di diffusione multi-tap. Nelle celle di tipo B, i quattro transistor NPN sono sostituiti da due transistor pMOS. Le celle periferiche di tipo A e B contengono quattro potenti transistor npn (nelle celle di tipo B - con un collettore isolato) e due transistor bipolari.

Le celle di base digitali sono rappresentate da tre tipi: quattro transistor n-MOS, quattro transistor p-MOS e una coppia complementare di transistor bipolari. Inoltre, alla periferia del cristallo si trovano potenti celle digitali, che contengono quattro potenti transistor n-MOS e p-MOS, nonché due transistor npn collegati secondo il circuito Darlington.

Per BMC sono state sviluppate librerie di elementi standard analogici e digitali, che facilitano e velocizzano notevolmente il processo di progettazione di dispositivi basati su BMC. Questi e simili BMC contengono insiemi non collegati di elementi radio elettrici (ERE), da cui è possibile ottenere un numero di unità funzionali specificate nella libreria. Lo svantaggio principale di tali microcircuiti è un ambito molto ristretto, limitato dai valori specifici delle classificazioni e da altre caratteristiche dell'ERE in questo set. Le capacità delle unità funzionali sviluppate e consigliate per questo set sono fornite nella libreria che accompagna il microcircuito.

Riso. 1. Struttura di ispPAC-10

Dal 2000 Lattice Semiconductor produce circuiti integrati analogici programmabili (PAIS) della famiglia ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) con programmazione in-system, ovvero senza estrazione dal circuito stampato [2, 3]. Entro la metà del 2000 venivano prodotti tre rappresentanti di questa famiglia: ispPAC-Yu (Fig. 1), ispPAC-20 (Fig. 2) e ispPAC-80. Integrano fino a 60 elementi attivi e passivi che vengono configurati, modellati e programmati utilizzando il pacchetto PAC-Designer.

L'ispPAC PAIS contiene:

• circuiti di interfaccia seriale, registri ed elementi di memoria non volatile riprogrammabile elettricamente (EEPROM) che forniscono configurazione a matrice;
• celle analogiche programmabili (PACcells) e blocchi analogici programmabili (PACblocks) costituite da esse;
• elementi programmabili per le interconnessioni (ARP - Analog Routing Pool).

L'architettura incorporata in questa serie si basa su celle di base contenenti: amplificatore di strumentazione (IU); amplificatore di uscita (VU) implementato secondo lo schema sommatore/integratore; sorgente di tensione di riferimento 2,5 V (ION); DAC a 8 bit con uscita in tensione e doppio comparatore (CP). Gli ingressi e le uscite analogici delle celle (tranne ION) per aumentare la gamma dinamica dei segnali elaborati sono realizzati secondo lo schema differenziale. Due DUT e una VU formano una macrocella, chiamata blocco PAC, in cui le uscite del DUT sono collegate agli ingressi sommatori della VU. L'ispPAC-10 include quattro PAC e l'ispPAC-20 ne ha due. L'ispPAC-20 include anche DAC e celle di confronto. Nella cella, il guadagno del DUT è programmato nell'intervallo da -10 a +10 con un passo di 1, e nel circuito di feedback della VU, il valore della capacità del condensatore (128 valori possibili) e l'on/ fuori resistenza.

Un certo numero di produttori di circuiti integrati utilizza la tecnologia "condensatore commutato" per programmare funzioni analogiche, che comporta la modifica della capacità dei circuiti di impostazione della frequenza utilizzando un interruttore elettronico che commuta in base alla condizione.

Riso. 2. Struttura di ispPAC-20

L'approccio di Lattice si basa sull'utilizzo di circuiti con caratteristiche costanti nel tempo, che possono essere modificate durante il processo di riconfigurazione del sistema senza togliere l'alimentazione. Questo miglioramento è significativo, in quanto elimina l'ulteriore elaborazione del segnale richiesta nel primo metodo.

Gli strumenti di routing interno (Analog Routing Pool) consentono di collegare tra loro i pin di ingresso del microcircuito, gli ingressi e le uscite delle macrocelle, l'uscita del DAC e gli ingressi del comparatore. Combinando più macrocelle è possibile realizzare circuiti di filtri attivi accordabili nel campo di frequenza da 10 a 100 kHz, basati sull'utilizzo di una sezione integrata.

Va notato che gli ispPAC di Lattice sono i più vicini al PAIS. Il loro unico inconveniente è che non esiste un sistema di elementi di base universali che consenta di progettare non solo filtri attivi sintonizzabili, ma una varietà abbastanza ampia di sistemi analogici. È questa circostanza che impedisce all'ispPAC di Lattice Semiconductor di diventare un analogo degli FPGA di aziende come Altera e Xilinx.

In generale, analizzando la situazione nel campo dello sviluppo e dell'implementazione pratica di microcircuiti analogici, possiamo fare una serie di generalizzazioni:

• la maggior parte dei microcircuiti analogici implementati industrialmente non possono essere classificati come LSI in termini di grado di integrazione;
• Gli LSI e BMK analogici sono destinati alla progettazione di dispositivi di una determinata classe, ad es. non sono universali;
• nella progettazione di grandi sistemi analogici, il metodo funzionale-nodale rimane dominante (kit IC specializzati, ad esempio, per ricevitori televisivi).

Un'unica base per la progettazione di FPGA e MABIS

Tuttavia, il compito di sviluppare una base di progettazione di circuiti unificati per la progettazione di sistemi analogici ha ancora una soluzione, che cercheremo di sostanziare teoricamente e mostrare possibili direzioni per l'attuazione pratica delle idee delineate.

Innanzitutto, si dovrebbe scegliere un modello matematico di un grande sistema elettronico analogico che permetta di individuare un piccolo gruppo di elementi di base. Nel campo dell'analisi e della sintesi dei circuiti elettronici, non esistono praticamente alternative all'apparato matematico dei sistemi di equazioni differenziali lineari, riconosciuto già negli anni Sessanta del secolo scorso [4, 5]. Si noti, tuttavia, che l'idea dell'uso pratico di massa di questa metodologia non ha ancora dominato le menti di tutti gli specialisti.

Il sistema di equazioni differenziali è costituito da elementi, dalle loro connessioni ed è caratterizzato da una certa struttura. La base elementare delle equazioni differenziali è stata studiata nella prima metà del secolo scorso nell'ambito della disciplina scientifica "automatica". In quest'area si è manifestato un tale vantaggio delle equazioni differenziali come l'unificazione: la loro forma non dipende dal modello di processo descritto. Tuttavia, nella forma standard di scrittura di un'equazione differenziale, non ci sono informazioni visive sulla natura delle relazioni nel sistema in studio. Pertanto, durante lo sviluppo della teoria del controllo automatico sono stati sviluppati metodi per visualizzare la struttura dei sistemi di equazioni differenziali sotto forma di vari tipi di schemi.

Alla fine degli anni '60 del XX secolo si era pienamente formato il punto di vista moderno sull'organizzazione strutturale dei modelli dei sistemi dinamici [6]. La formazione di un modello matematico del sistema inizia con la sua divisione in collegamenti e la loro successiva descrizione - o analiticamente sotto forma di equazioni relative ai valori di input e output del collegamento; o graficamente sotto forma di diagrammi mnemonici con caratteristiche. In base alle equazioni o alle caratteristiche dei singoli collegamenti, vengono compilate equazioni o caratteristiche del sistema nel suo insieme.

Collegamenti di sistemi dinamici identificati come tipici

Nome collegamento	Equazione di collegamento y(t)=f(u(t))	Funzione di trasferimento W(s)=y(s)/u(s)	costituenti elementari
proporzionale	y(t)=ku(t)	Wï(s)=k	No
Integrazione	dy(t)/dt = ku(t); pi = ku	Wi(i)=k/s	No
differenziando	y(t)=kdu(t)/dt; y = kpu	Wd(s)=ks	No
1° ordine aperiodico	(Tp+1)y = ku	W(s)=k/(Ts+1)
Forzatura 1° ordine	Y \u1d k (Tp + XNUMX)	W(s)=k(Ts+1)
Integrazione inerziale	p(Tp+1)y = ku	W(s) = k/[s(Ts+1)]
Inerziale differenziante	(Tp+1)y = kpu	W(s) = ks/(Ts+1)
Izodromnoe	py = k(Tp+1)u	W(s) = k(Ts+1)/s
2° ordine oscillatorio, conservativo, aperiodico	(T2p2+2ξTp+1)y = ku	W(s)=k/(T2p2+2ξTp+1)

Si noti che se per uno schema funzionale il sistema è suddiviso in collegamenti in base alle funzioni che svolgono, per una descrizione matematica il sistema è frammentato in base alla comodità di ottenere una descrizione. Pertanto, i collegamenti dovrebbero essere il più semplici possibile (piccoli). Quando invece si divide il sistema in link, la descrizione matematica di ciascun link deve essere compilata senza tener conto delle sue connessioni con altri link. Ciò è possibile se i collegamenti hanno una direzione d'azione, ad es. trasmettere l'azione in una sola direzione, dall'ingresso all'uscita. Quindi una modifica dello stato di qualsiasi collegamento non influisce sullo stato del collegamento precedente.

Se è soddisfatta la condizione per la direttività dell'azione dei collegamenti, la descrizione matematica dell'intero sistema può essere ottenuta sotto forma di un sistema di equazioni indipendenti dei singoli collegamenti, integrato dalle equazioni di connessione tra di loro. I più comuni (tipici) sono collegamenti aperiodici, oscillatori, integrativi, differenzianti, a ritardo costante [6].

Il problema dei collegamenti elementari nei modelli della forma di un sistema di equazioni differenziali è stato studiato da numerosi autori [7-9]. L'analisi mostra [10] che le loro posizioni si riducono principalmente all'affermazione dell'esistenza di legami tipici e allo studio del loro ruolo nel processo di formazione delle strutture più complesse. La selezione nel gruppo dei link tipici avviene arbitrariamente, senza alcun criterio. Collegamenti diversi sono inclusi negli elenchi di quelli tipici senza spiegazione e giustificazione, e anche i termini "semplice" ed "elementare" sono usati allo stesso modo per designare collegamenti tipici (vedi tabella). Nel frattempo, lo studio di numerosi collegamenti "tipici" di sistemi dinamici mediante i metodi delle matrici strutturali [10-12] mostra che solo tre collegamenti - proporzionali, integranti e differenzianti - non contengono cicli di matrici nelle loro matrici strutturali. Pertanto, solo loro possono essere chiamati elementari. Tutti gli altri collegamenti sono costruiti combinando collegamenti elementari.

Quindi, se un collegamento proporzionale con una funzione di trasferimento W_B(s) = k_B e legame differenziante con la funzione di trasferimento W_A(s) = k_As collegare secondo lo schema di feedback negativo (Fig. 3), quindi la funzione di trasferimento equivalente

Pertanto il risultato, a meno di valori di costanti di tempo, coincide con la funzione di trasferimento del collegamento aperiodico del primo ordine. Ciò significa che questo collegamento può essere ottenuto collegando collegamenti proporzionali e differenziali secondo un circuito con retroazione negativa e, quindi, non può essere considerato elementare.

Riso. 3. Circuito equivalente, aperiodico

Allo stesso modo, puoi costruire il resto dei collegamenti inclusi nella tabella. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla funzione di trasferimento del collegamento oscillatorio (T²p² + 2ξTp + 1)y = ku. Quindi, se colleghiamo in serie due collegamenti aperiodici con funzioni di trasferimento che differiscono solo per costanti di tempo, allora la funzione di trasferimento equivalente assumerà la forma

Pertanto, il risultato, fino ai valori delle costanti di tempo, coincide con la funzione di trasferimento del collegamento in esame. Pertanto, i collegamenti oscillatori, conservativi e aperiodici del 2° ordine possono essere ottenuti collegando i collegamenti del primo ordine in serie. Ciò significa che non possono essere considerati elementari, sebbene in linea di principio sia lecito chiamarli tipici.

Un'analisi dei risultati forniti nell'ultima colonna della tabella ci permette di concludere che collegamenti come aperiodico, isodromico, forzante, inerziale differenziante e inerziale integrante possono essere ottenuti collegando collegamenti elementari. Per dimostrare che le funzioni di trasferimento di altri collegamenti tipici possono essere ottenute collegando collegamenti elementari, sarebbe necessario analizzare le connessioni di tre, quattro e così via collegamenti secondo schemi di collegamento tipici. Lo stesso risultato si può ottenere se si considerano le connessioni di collegamenti elementari con collegamenti tipici del primo ordine. Parte di tale studio è già stato fatto, i suoi risultati sono presentati in [10].

È stato quindi dimostrato che collegando collegamenti elementari è abbastanza semplice ottenere tutte le funzioni di trasferimento dei cosiddetti collegamenti dinamici tipici. Di conseguenza, sistemi dinamici arbitrari possono essere sintetizzati utilizzando gli operatori di moltiplicazione e connessione di soli tre collegamenti elementari: proporzionale, differenziante e integratore. Questa conclusione è di fondamentale importanza, poiché determina le basi elementari necessarie per la costruzione di sistemi dinamici lineari di qualsiasi ordine, compresi i circuiti radioelettronici. E se si suppone che i sistemi dinamici siano costruiti a partire da una gamma limitata di collegamenti dinamici, come nel caso di MABIS e PAIS, la conclusione tratta è particolarmente importante.

Riso. 4. Soluzioni circuitali semplici di nodi elementari: a) sommatore multi-ingresso, b) amplificatore differenziale (collegamento proporzionale), c) differenziatore (collegamento differenziante), d) integratore (collegamento integrativo)

Diventa possibile sintetizzare dispositivi analogici arbitrari da sole cinque unità funzionali: un multiplexer, un sommatore, un moltiplicatore, un integratore e un differenziatore (Fig. 4)! Si noti che quelli mostrati in Fig. 4 circuiti non devono essere presi come soluzioni circuitali effettivamente elaborate, ma solo come giustificazione per la possibilità di sostituire i collegamenti elementari su un circuito funzionale con elementi radioelettronici di base. Sostituendo i collegamenti elementari dei circuiti funzionali con le loro controparti hardware, è possibile progettare dispositivi analogici con caratteristiche specificate.

Esempio di sintesi del dispositivo analogico

Si consideri un esempio molto semplice di sintesi di uno schema circuitale di un dispositivo analogico secondo un modello dato da un sistema di equazioni differenziali sotto forma di trasformate di Laplace della forma: x₀ = sol, x₁ =x₀ - 2x₂/s,x₂ = 10 volte₁/s,x₃ =x₂ - 10x₄/s,x₄ = 500 volte₃/ S

x1	x2	x3	x4	x5
1	-(2/s)			1
10 / s	1
	1	1	-(10/s)
		500 / s	1

Costruiamo la matrice strutturale di questo sistema di equazioni differenziali ed evidenziamo i cicli matriciali con le frecce:
Utilizzando le equazioni e la matrice strutturale ricostruiremo lo schema a blocchi del dispositivo (Fig. 5). In accordo con la matrice strutturale, il sistema ha due feedback negativi: nodo 2 -> nodo 1 e nodo 4 -> nodo 3, rispettivamente. Poiché lo schema a blocchi di Fig. 5 è costruito inizialmente su collegamenti elementari; può essere considerato come uno schema funzionale di un dispositivo elettronico.

Riso. 5. Schema a blocchi del dispositivo sintetizzato (a stadi)

Dai risultati della simulazione (Fig. 6) del circuito sintetizzato si può notare che, con i parametri dati, esso rappresenta due generatori collegati in serie. Cioè, un dispositivo molto semplice, costituito da solo quattro collegamenti integrati, svolge una funzione relativamente complessa di modulazione di un'oscillazione a bassa frequenza con una ad alta frequenza.

Si noti che durante la progettazione e la produzione di MABIS e PA-IS, non è assolutamente necessario utilizzare analoghi hardware di collegamenti elementari realizzati su amplificatori operazionali, come in Fig. 4, sebbene in questa base siano meglio elaborati [13-16]. L'implementazione di analoghi hardware di collegamenti elementari su componenti optoelettronici è la più promettente, sebbene siano possibili altre opzioni.

Riso. 6. Oscillogramma del dispositivo sintetizzato

Universali MABIS e PAIS - è possibile

Pertanto, è possibile individuare cinque componenti elementari (più semplici) di qualsiasi CEA, corrispondenti ai principali operatori di sistemi di equazioni differenziali: moltiplicazione, differenziazione, integrazione, addizione e moltiplicazione (multiplexing). La metodologia per la progettazione di dispositivi elettronici analogici presuppone [10]:

• utilizzare come dati iniziali per la progettazione di un modello matematico sotto forma di un sistema di n equazioni differenziali del primo ordine (o un'equazione differenziale dell'l-esimo ordine);
• costruire una matrice strutturale del dispositivo progettato e trovare cicli matriciali;
• ripristino dello schema a blocchi del dispositivo progettato;
• trasformazione di uno schema a blocchi in uno funzionale sostituendo i collegamenti tipici con un insieme di collegamenti elementari;
• trasformazione dello schema funzionale del dispositivo progettato in uno schema elettrico mediante la sostituzione dei collegamenti elementari con elementi hardware base equivalenti (forse l'utilizzo di moderni sistemi CAD permetterà di evitare questa fase sintetizzando la topologia direttamente dalla descrizione funzionale);
• sviluppo della topologia del dispositivo progettato.

L’approccio proposto presenta una serie di vantaggi decisivi. Pertanto, il diagramma funzionale del dispositivo progettato viene sintetizzato dal sistema originale di equazioni differenziali utilizzando trasformazioni di matrici standard, che possono essere ordinate e convertite in un algoritmo per calcoli automatici. Lo schema elettrico viene sintetizzato a partire dallo schema funzionale semplicemente sostituendo i collegamenti dinamici elementari con elementi base equivalenti. Anche la modellazione di un dispositivo utilizzando strumenti CAD può rendere il tutto molto più semplice.

Quindi, poiché l'insieme dei collegamenti elementari non è numeroso, esiste una reale possibilità di progettare MABIS e PAIS universali. Il che, a sua volta, semplifica notevolmente la progettazione di dispositivi analogici e digitale-analogici e apre allettanti prospettive per l'ulteriore sviluppo dell'elettronica in generale.

Letteratura

1. Alenin S., Ivanov V., Polevikov V., Trudnovskaya E. Implementazione di dispositivi analogico-digitali specializzati basati su BIK MOS BMKtipo N5515ХТ1. - ChipNews, 2000, n. 2.
2. Kurbatov. A. Circuiti integrati analogici programmabili. La vita va avanti. - Componenti e tecnologie, 2000, n. 2.
3. Petrosyants K., Suvorov A., Khrustalev I. Matrici analogiche programmabili di Lattice Semiconductor. - ChipNews, 2001, n. 1.
4. Ku ES, Sorer R.A. Applicazione del metodo delle variabili di stato all'analisi circuitale. - TIEER, 1965, n. 7.
5. Ilyin V.N. Progettazione assistita da computer di circuiti elettronici. - M.: Energia, 1972.
6. Yurevich E.I. Teoria del controllo automatico. - L.: Energia, 1975.
7. Kuropatkin P.V. Teoria del controllo automatico. - M.: Scuola Superiore, 1973.
8. Voronov A.A., Titov V.K., Novogranov B.N. Fondamenti della teoria della regolazione e del controllo automatico. - M.: Scuola Superiore, 1977.
9. Voronov A.A. Teoria del controllo automatico. Parte 1. Teoria dei sistemi di controllo automatico lineare. - M.: Scuola Superiore, 1977.
10. Mishin GT Fondamenti scientifici naturali della microelettronica analogica. - M.: MIEM, 2003.
11.Shatikhin L.G. Matrici strutturali e loro applicazioni alla ricerca di sistema. - M.: Ingegneria Meccanica, 1974.
12.Shatikhin L.G. Matrici strutturali e loro applicazioni alla ricerca di sistema. - M.: Ingegneria Meccanica, 1991.
13. Circuiti integrati analogici. /Ed. J. Connelly. -M.: Mir, 1977.
14. J. Lenk. Circuiti elettronici. Guida pratica. - M.: Mir, 1985.
15. Nesterenko BK Amplificatori operazionali integrati. - M.: Energoizdat, 1982.
16. Horowitz P., Hill W. L'arte della progettazione di circuiti T. 1. - M.: Mir, 1983.

Autore: G. Mishin; Pubblicazione: cxem.net

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