Задача проектування аналогових нелінійних електронних



Скачати 495.14 Kb.
Сторінка1/3
Дата конвертації26.04.2016
Розмір495.14 Kb.
  1   2   3



mДля заказа доставки работы

воспользуйтесь поиском на сайте http://www.mydisser.com/search.html


Міністерство освіти і науки україни

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»


На правах рукопису



Земляк Олександр Михайлович

УДК 621.37



Узагальнена методологія оптимізації аналогових кіл

на основі методів теорії управління

05.12.13 – «Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій»


Дисертація на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук


Науковий консультант

Мачуський Євгеній Андрійович,

д.т.н., професор

Київ – 2013

ЗМІСТ
Перелік умовних позначень, символів, одиниць,

скорочень і термінів 7

ВСТУП 8

РОЗДІЛ 1


ЗАДАЧА ПРОЕКТУВАННЯ АНАЛОГОВИХ НЕЛІНІЙНИХ ЕЛЕКТРОННИХ

КІЛ І ПІДХОДИ ДО ЇЇ РОЗВ’ЯЗКУ 25

1.1 Процес проектування для аналогових і аналого-цифрових систем 25

1.1.1 Загальна структура проектування змішаних ІС 25

1.1.2 Ієрархічна методології аналогового проектування 27

1.2 Сучасний стан і основні задачі в автоматизації проектування аналогових

систем 29

1.2.1 Чисельне моделювання аналогових і змішаних кіл 29

1.2.2 Символьний аналіз аналогових схем 35

1.2.3 Синтез і оптимізація аналогових кіл 36

1.2.4 Методи ієрархічного синтезу 41

1.3 Схемотехнічне проектування 43

1.4 Методи аналізу 49

1.5 Методи оптимізації 50

1.5.1 Елементи безумовної оптимізації 50

1.5.2 Умовна оптимізація 54

1.5.3 Нелінійне програмування 55

1.6 Схемотехнічне проектування як задача оптимізації 56

1.7 Задача оптимального управління 58

1.7.1 Постановка основної задачі оптимального управління 58

1.7.2 Принцип максимуму 60

1.7.3 Обговорення застосовності принципу максимуму 62

1.8 Оптимальне проектування 64

1.9 Ідея проектування при невиконанні законів Кірхгофа 65

1.10 Висновки до розділу 1 67

РОЗДІЛ 2


ФОРМУЛЮВАННЯ УЗАГАЛЬНЕНОГО ПІДХОДУ ДО ПРОЕКТУВАННЯ ЕЛЕКТРОННИХ КІЛ 69

2.1 Формалізація задачі проектування кіл при відмові від дотримання законів

Кірхгофа в процесі оптимізації 69

2.2 Множина різних стратегій проектування. Структурний базис проектування 74

2.3 Оцінка числа операцій для різних стратегій проектування 76

2.4 Формулювання задачі пошуку оптимальної за часом стратегії проектування 81

2.4.1 Приклад 1 82

2.4.2 Приклад 2 87

2.5 Висновки до розділу 2 92

РОЗДІЛ 3


ФОРМУЛЮВАННЯ ЗАДАЧИ ПРОЕКТУВАННЯ КІЛ У ТЕРМІНАХ ТЕОРІЇ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛІННЯ 93

3.1 Формалізація процесу проектування кіл на основі теорії управління 93

3.1.1 Задача проектування в термінах теорії управління 93

3.1.2 Безперервна форма процесу проектування 95

3.1.3 Дискретна форма процесу проектування 98

3.2 Постановка задачі пошуку оптимальної за часом стратегії проектування 99

3.3 Задача проектування як керований динамічний процес 102

3.4 Застосування ідей принципу максимуму Понтрягіна для пошуку

оптимальної стратегії проектування 107

3.5 Аналіз різних стратегій проектування на основі узагальненої методології 109

3.5.1 Приклад 1 110

3.5.2 Приклад 2 113

3.5.3 Приклад 3 116

3.5.4 Приклад 4 121

3.5.5 Приклад 5 123

3.5.6 Приклад 6 126

3.6 Висновки до розділу 3 131

РОЗДІЛ 4


ЕФЕКТ НАДПРИСКОРЕННЯ ПРОЦЕСУ ПРОЕКТУВАННЯ 132

4.1 Ефект надприскорення – двовимірна задача 133

4.2 Ефект прискорення – N-вимірна задача 140

4.2.1 Пасивне коло із двома вузлами 140

4.2.2 Пасивне коло із трьома вузлами 142

4.2.3 Пасивне коло із чотирма вузлами 145

4.2.4 Пасивне коло з п’ятьма вузлами 147

4.2.5 Однокаскадний транзисторний підсилювач 149

4.2.6 Двокаскадний транзисторний підсилювач 151

4.2.7 Трьохкаскадний транзисторний підсилювач 153

4.3 Початкова точка процесу проектування. Достатні умови одержання

ефекту прискорення 156

4.4 Сепаратриси першого й другого роду. Необхідні й достатні умови

одержання ефекту прискорення 160

4.5 Висновки до розділу 4 168

РОЗДІЛ 5


ФУНКЦІЯ ЛЯПУНОВА ПРОЦЕСУ ПРОЕКТУВАННЯ 169

5.1 Процес проектування електронного кола як керована динамічна система 169

5.2 Функція Ляпунова процесу проектування 172

5.3 Стійкість і збіжність різних стратегій проектування 175

5.4 Похідна за часом функції Ляпунова та її застосування для порівняння

різних стратегій проектування 181

5.4.1 Приклад 1 182

5.4.2 Приклад 2 183

5.4.3 Приклад 3 185

5.4.4 Приклад 4 187

5.4.5 Приклад 5 189

5.4.6 Приклад 6 191

5.4.7 Приклад 7 192

5.5 Інтегральна характеристика функції Ляпунова 194

5.5.1 Приклад 1 196

5.5.2 Приклад 2 198

5.5.3 Приклад 3 200

5.5.4 Приклад 4 202

5.5.5 Приклад 5 202

5.5.6 Приклад 6 203

5.5.7 Приклад 7 204

5.5.8 Приклад 8 204

5.6 Висновки до розділу 5 207

РОЗДІЛ 6


СТРУКТУРА КВАЗІОПТИМАЛЬНОГО АЛГОРИТМУ ПРОЕКТУВАННЯ 209

6.1 Аналіз відносної часової похідної функції Ляпунова в координатах tW

для визначення оптимальних точок перемикання керуючого вектора 209

6.1.1 Застосування функції Ляпунова для визначення оптимальних точок

перемикання керуючого вектора. Приклад 1 209

6.1.2 Приклад 2 213

6.1.3 Приклад 3 215

6.1.4 Приклад 4 217

6.1.5 Приклад 5 218

6.1.6 Приклад 6 219

6.1.7 Приклад 7 221

6.2 Оптимальна послідовність перемикань керуючого вектора як основа

оптимального алгоритму 223

6.2.1 Приклад 1 223

6.2.2 Приклад 2 227

6.3 Блок-схема квазіоптимального алгоритму 231

6.4 Основний критерій ідентифікації оптимальних точок перемикання 232

6.5 Висновки до розділу 6 237

РОЗДІЛ 7

ФОРМУЛЮВАННЯ УЗАГАЛЬНЕНОЇ ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧИ ПРОЦЕСУ ПРОЕКТУВАННЯ ЕЛЕКТРОННИХ КІЛ 239

7.1 Найбільш загальне формулювання процесу проектування кіл на основі

теорії управління 239

7.2 Аналіз стратегій структурного базису узагальненої методології. Пасивні

нелінійні кола 240

7.2.1 Приклад 1 241

7.2.2 Приклад 2 243

7.2.3 Приклад 3 245

7.2.4 Приклад 4 247

7.2.5 Приклад 5 249

7.3 Аналіз стратегій структурного базису узагальненої методології. Активні

нелінійні кола 252

7.3.1 Приклад 1 252

7.3.2 Приклад 2 254

7.3.3 Приклад 3 257

7.3.4 Приклад 4 259

7.3.5 Приклад 5 260

7.4 Висновки до розділу 7 263

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 264



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 267

ДОДАТОК А 289

ДОДАТОК Б 292

Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень

і термінів
АЧХ Амплітудна частотна характеристика

ВІС Великі інтегральні схеми

ДФП Давідон-Флетчер-Пауелл

ІС Інтегральні схеми

МТСП Модифікована традиційна стратегія проектування

ОП Операційний підсилювач

ПВІС Понад великі інтегральні схеми

САПР Система автоматизованого проектування

ТСП Традиційна стратегія проектування

ФЧХ Фазова частотна характеристика

ASIC ІС спеціального призначення

ASSP Стандартний продукт спеціального призначення

BiCMOS Біполярний комплементарний метал оксид напівпровідник

CMOS Комплементарний метал оксид напівпровідник (КМОП)

DSP Цифрова обробка сигналів

RF Радіочастотний

SoC Система на кристалі

SPICE Програмний симулятор, орієнтований на ІС

Verilog-A/MS Мова опису апаратури, використовувана для опису і моделювання електронних систем

VHDL-AMS Мова опису апаратури інтегральних схем

VSI Стандартний віртуальний інтерфейс
ВСТУП
Кожний досвідчений проектувальник рано або пізно опиняється перед задачами проектування, які неможливо розв’язати за допомогою спрощених аналітичних процедур. Перед тим, як з’явилася можливість звертатися по допомогу до комп’ютерних технологій, досить успішно використовувалися наближені підходи, що дозволяють, тією чи іншою мірою, задовольнити всім поставленим специфікаціям і цілям проектування. Інженери-електронники, наприклад, звичайно займалися задачею проектування транзисторних підсилювачів. Починаючи із простих однокаскадних підсилювачів із загальним емітером вони поступово могли проектувати більш розвинені, багатокаскадні підсилювачі з дуже складною конфігурацією, операційні підсилювачі з великим коефіцієнтом підсилення й високоякісні підсилювачі аудіо- й відеосигналів. Вони ефективно застосовували й удосконалювали техніку проектування однокаскадних підсилювачів і способи їх з’єднання для проектування й виробництва великих багатокаскадних систем. Вони перебували в положенні, у якому повинні були брати до уваги, що проектування на папері, що включає прості формули, було можливим тільки у випадку значних спрощень і апроксимацій.

Звичайно бралися до уваги спрощені, ідеалізовані характеристики транзисторів, що нехтують багатьма суттєвими ефектами. Вибиралися спрощені моделі, що нехтують багатьма деталями, наприклад паразитними ефектами, але, що дають можливість одержати аналітичні залежності, на основі яких будувалася методологія проектування й розроблялися методи розв’язку окремих частинних задач у складі загальної проблеми проектування.

Загальні тенденції в удосконалюванні сучасних комп’ютерів і комп’ютерних систем сприяли істотному розвитку наших можливостей у задачах інженерного проектування. На найпростішому рівні, комерційні можливості програмного забезпечення для моделювання електронних кіл, дозволили проектувальникам використовувати повні, вичерпні моделі елементів кіл при аналізі електронних пристроїв і систем.

Інтегральні схеми (ІС) для аналогових і аналого-цифрових сигналів складаються як з аналогових, так і цифрових блоків. Аналогові блоки, як правило, становлять лише 10 15 % компонентів таких змішаних ІС і нових систем-на-кристалі. Але через підвищення рівня інтеграції у кремнієвій технології й зростаючої потреби в адаптації цифрових систем, пов’язаних з неперервно-значним зовнішнім світом, існує зростаюча потреба в Системах Автоматизованого Проектування (САПР), які збільшують продуктивність проектування й поліпшують якість аналогових інтегральних схем, використовуваних в електронних і радіотехнічних пристроях і системах.

Ринок мікроелектроніки й, зокрема, конкретні застосування мікросхем та загальний їх обсяг характеризуються в цей час високим й все зростаючим ступенем інтеграції завдяки мікросхемам з мільйонами транзисторів. В останні роки, системи, які раніше займали одну або кілька плат були інтегровані на кілька мікросхем, або навіть в один чип (кристал). Прикладами таких систем на кристалі (SoC – System-on-Chip) є однокристальний телевізор або однокристальні камери [1], а також інтегровані телекомунікаційні системи нового покоління, які включають аналогові, цифрові, і, в остаточному підсумку, системи радіочастотного діапазону (RF – Radio Frequency) на одному чипі. Основною технологією для цих систем обрана технологія CMOS (КМОП) через гарне цифрове масштабування, а також Bicmos, яка використовується, коли це необхідно для аналогових або RF схем. Хоча більшість функцій у таких інтегрованих системах здійснюється за допомогою цифрової обробки сигналів (DSP – Digital Signal Processing), аналогові схеми необхідні на границі між електронною системою і «реальним» світом. Незважаючи на тенденцію заміни аналогових функцій кола цифровими обчисленнями (наприклад, цифрова обробка сигналу замість аналогової фільтрації), є деякі типові функції, які завжди залишаться аналоговими.

Перша типова аналогова функція проявляється на вході системи: сигнали від датчиків, мікрофонів, антен, провідних систем, і т.п. повинні бути прийняті й посилені до рівня, який дозволяє зробити оцифровку при досить високому рівні співвідношення сигнал-шум. Типові аналогові схеми, використовувані тут, це малошумливі підсилювачі, підсилювачі зі змінним посиленням, фільтри, генератори, змішувачі. Застосування їх можливі в апаратурі збору даних, у тому числі й біомедицинських, в інтерфейсах датчиків, у колах керування технологічними процесами, у телекомунікаційних приймачах (наприклад, телефонні або кабельні модеми, мобільні телефони, приставки і т.д.), у системах запису (наприклад, розпізнавання мови, камери), у системах, що використовують смарт-карти.

Друга типова аналогова функція проявляється на виході системи: перетворення сигналів із цифрового в аналоговий код, посилення його до рівня, що потребує навантаження, наприклад, у системах привода, антенах, гучномовцях, у провідних системах, без зайвих перешкод. Типові аналогові схеми, використовувані тут, це драйвери й буфери, фільтри, генератори й змішувачі. Застосування їх можливі в керуючих процесах (наприклад, регулятори напруги для двигунів), у телекомунікаційних передавачах, аудіо- й відео (наприклад, CD, DVD, динаміки, телевізори, комп’ютерні монітори і т.д.), і біомедицинських системах (наприклад, слухові апарати ).

Третій блок можливого застосування аналогових систем це схеми зі змішаними, тобто аналого-цифровими сигналами, це інтерфейси аналогових схем із частиною системи цифрової обробки сигналів. Типові схеми, використовувані тут, це схеми для дискретизації сигналів, аналого-цифрові перетворювачі для амплітудної дискретизації, цифро-аналогових перетворювачів для реконструкції сигналу й петлі фазового автопідстроювання, а також синтезатори частот для часової синхронізації.

Крім того, вище перелічені системи потребують стабілізації режимів і тому потрібне створення стабілізаторів по струму й напрузі, знову на основі аналогових схем. Нарешті, великі аналогові схеми сьогодні є й високопродуктивними (висока швидкість і низьке енергоспоживання) цифровими схемами одночасно. Типовими прикладами є сучасні мікропроцесори, які, у користувацькому сенсі, подібні аналогових схем, прискорюючи обробку при обмеженій потужності.

Ясно, що аналогові схеми необхідні у всіх електронних застосуваннях, які взаємодіють із зовнішнім світом і будуть навіть більш розповсюдженими в нашому житті, при подальшому просуванні убік інтелектуальних будинків і бездротових робочих місць у майбутньому.

Коли обидва типу схем, аналогові й цифрові, необхідні в одній системі, то стає очевидним, що для їх спільного інтегрування, скорочення витрат й підвищення продуктивності, використовуються технології, що дозволяють це зробити. Зростаюча частка ринку ІС змішаних сигналів, що спостерігається сьогодні в сучасних електронних системах для телекомунікацій і побутової електроніки, обчислювальної техніки, і автомобільної промисловості, серед багатьох інших, є прямим результатом більш високого рівня інтеграції. З початку 1990-х років, середній темп росту ринку ІС зі змішаними сигналами був від 15% до 20%. Останні досягнення в області технології CMOS запропонували можливість з’єднати гарні й масштабовані можливості цифрової обробки з адекватною аналоговою обробкою в одному кристалі. Скорочення розмірів CMOS пристроїв до субмікронного рівня дає більш високий рівень системної інтеграції, а також пропонує аналоговий МОП транзистор, продуктивність якого наближається до продуктивності біполярного транзистора. Це пояснює, чому CMOS технологія вибирається сьогодні частіше, і чому інші технології, такі як Bicmos використовуються тоді, коли дійсно необхідні суттєво кращі характеристики, що є в біполярних пристроїв, наприклад потужність, шум, або спотворювання. Технологія переходу від біполярного до CMOS (або Bicmos) стала очевидною для більшості застосувань. Навіть у таких областях, як RF, де традиційно GaAs і біполярна технологія були домінуючими, у цей час спостерігається тенденція до Bicmos і навіть простий CMOS через високу інтеграцію й скорочення витрат. Ці більш високі рівні інтеграції зі змішаними сигналами, однак, також мають цілий ряд нових проблем, які повинні бути враховані в процесі проектування.

Дійсно, разом зі збільшенням складності схем, різко збільшилася складність конструкцій мікросхем: 1) завдяки інтеграції, усе більше й більше транзисторів об’єднані в ІС, виконуючи аналогові й цифрові функції, яка буде проектуватися разом із вбудованим програмним забезпеченням; 2) нові алгоритми обробки сигналів і відповідні архітектури систем розроблено з метою пристосувати їх до нових необхідних функціональних і експлуатаційних вимог, включаючи енергетику й 3) у зв’язку зі швидким розвитком технологічних процесів, можливі зміни параметрів технологічного процесу повинні бути враховані при розробці всього технологічного циклу. У той же час, для багатьох електронних виробів (ASIC – Application-Specific Integrated Circuit) і (ASSP – Application-Specific Standard Products) ринки додатків характеризуються скороченням життєвого циклу продукції й жорсткістю обмежень часу виходу на ринок. Час виходу на ринок дуже важливий для ASIC і ASSP, які в остаточному підсумку попадають до споживача в телекомунікації або комп’ютерних продуктах: якщо хтось проґавить початок появи на ринку продукції конкурентів, то прибуток може бути упущений.

Ключем до керування цією зростаючою складністю проектування є використання САПР і засобів верифікації. Сьогодні високошвидкісні робочі станції забезпечують достатню потужність, щоб робити більші й докладні розрахунки можливих варіантів. Щоб прискорити процес проектування аналогових і змішаних ІС, необхідно структурувати методологію й інструменти проектування. Інструменти систем проектування також необхідні для автоматизації багатьох рутинних і повторюваних завдань, усуваючи проектування вручну і надаючи дослідникові більше часу зосередитися на творчих аспектах проектування. ІС звичайно складаються з багатьох однакових блоків, які використовуються в різних конструкціях. Проектування цих повторюваних блоків може бути автоматизоване, щоб зменшити час розробки. Крім того, САПР може збільшити продуктивність конструкторів, навіть для неповторюваних аналогових блоків. Таким чином, аналогові систем проектування і автоматизація схемного розв’язку, імовірно, відіграють ключову роль у процесі проектування нового покоління аналогових і змішаних ІС. І хоча проектування ІС і БІС (Великих Інтегральних Схем) для змішаних сигналів (ASIC) служило первісним імпульсом для активізації зусиль в області досліджень і розвитку аналогових засобів автоматизації проектування, тенденція в технології до повної інтеграції системи на чипі в останні роки надала ще один додатковий стимул для розвитку зусиль по вдосконалюванню систем проектування аналогових пристроїв і систем. Крім того, для таких систем у цей час розробляються нові парадигми проектування, які значно впливають на те, яким чином ми будемо проектувати аналогові блоки. Одним із прикладів є методологія повторного використання макрокомірки проектування системи за рахунок повторного використання м’яких або твердих макроелементів («віртуальні компоненти»), які доступні на ринку як інтелектуальна власність, і які можуть легко бути скомбіновані в реальні системи на основі кремнію якщо вони відповідають стандартним віртуальним інтерфейсам (VSI) [2, 3]. Проте ця методологія знову ставить багато нових обмежень, особливо на аналогові блоки.

Актуальність теми

Проблема автоматизації проектування аналогових ІС перетерпіла у своєму розвитку ряд етапів, що вилилися в створення програмних комплексів машинного проектування декількох поколінь. Перше покоління розроблене й впроваджене до 1969 р. і засноване на методах, створених в 60-х рр. В основному це американські програми NET-1, ECAP, NASAP, CIRCUS, NODAL а також вітчизняні ПАЭС-1, СПАЭЛ, АСАМС-Ф. Ці програми для формування математичної моделі схеми використовували метод вузлових напруг і знайшли досить широке поширення. Вони виконували статичний і динамічний аналіз електронних схем і дозволяли аналізувати перехідні процеси.

В основу програм другого покоління, розроблених в 70-х рр., полягає ідея методу змінних стану. Це програми АФУС, ПАЭС-2 і ін. Недоліком цих програм було перевантаження програм непотрібною інформацією й невідповідність можливостей комп’ютера й класичних чисельних методів інтегрування диференціальних рівнянь. Виходом з цього положення була розробка програм наступного покоління, у яких використовуються неявні методи інтегрування й операції з розрідженими матрицями.

Сучасні програми машинного проектування (ASTAP, NET-2, SYSCAP-2, SUPER-SCEPTRE, ARIADNA, СПАРС) є системами зв’язаних між собою програм, призначених для виконання окремих задач аналізу й оптимізації. Вони дозволяють аналізувати схеми з більшим числом вузлів і вирішувати задачу вибору оптимальних параметрів схеми.

Практичні аспекти використання різних методів оптимізації були розвинені для задач проектування електронних схем з урахуванням оптимізації за різними критеріями [4-5]. Фундаментальні проблеми розвитку, розробки структур і питань адаптації САПР розглянуті в ряді робіт [6-9]. Ці ідеї були успішно розвинені й сталі основою для багатьох навчальних і професійних пакетів аналізу й проектування електронних схем [10-16].

Як стандарт у світовій практиці використовуються розробки системи аналізу й проектування на основі симуляторів SPICE (Simulated Program with Integrated Circuit Emphasis) [10], основна частина яких виконана в Каліфорнійському університеті в Берклі. Є різні модифікації цієї системи як для низькочастотного, так і для високочастотного діапазонів. Іншої популярною системою, використовуваної в задачах аналізу й проектування, що має значний ареал поширення на ринку є Workbench.

Проте, для аналогових систем ситуація суттєво відрізняється від цифрових ІС. Поки ще не існує надійної комерційної системи, що дозволяє автоматизувати процес проектування аналогових кіл, крім наявності деяких відомих тренажерів, у першу чергу це симулятор SPICE, і можливостей редагування програмних оболонок і супровідних інструментів (наприклад, деякі можливості оптимізації параметрів тренажера, або інструменти перевірки спроектованого макета). Деякі з основних причин відсутності повної автоматизації полягають у тому, що аналогове проектування в цілому сприймається як менш систематизоване, менш формалізоване й більш евристичне й наукомістке по своїй природі, ніж цифрове проектування, і що дотепер не було можливості для аналогових проектувальників установити більш високий рівень абстракції. Проектування інтегральних мікросхем є складним завданням, що вимагає спеціальних знань і навичок схемотехніки, придбаних протягом багатьох років. Різноманітність схем і суперечливих вимог до них, а також різноманітність розмірів відповідних пристроїв також набагато більше, ніж у цифровому випадку. Крім того, аналогові схеми є більш чутливими до не ідеальності характеристик і всім видам ефектів вищого порядку й паразитних збурювань (перешкод, шуми підкладки, шум живлення і т.д.). Ці відмінності від цифрового проектування також пояснюють, чому усередині аналогової системи проектування непросто адаптувати цифрові алгоритми, і чому конкретні розв’язки для аналогових систем повинні бути розроблені, враховуючи парадигму аналогового проектування. Як результат, у зв’язку з відсутністю адекватних і зрілих комерційних аналогових інструментів аналогове проектування сьогодні ще в значній мірі складається з ручної роботи із залученням Spice-моделювання або подібних симуляторів-тренажерів, як оболонки й інтерактивного макета середовища. Цикл проектування аналогових і змішаних ІС залишається довгим і повним помилок. Тому, незважаючи на те, що аналогові схеми звичайно займають лише малу частку від загального об’єму змішаних ІС, їхня розробка часто є вузьким місцем у змішаних системах, як за часом проектування й наукоємності витрат, так і на стадії випробування й появи можливих помилок.

Підвищення якості електронних продуктів і зменшення часу виходу на ринок визначають необхідність у цей час швидше розробляти інструменти проектування для аналогових систем, щоб допомогти проектувальникам швидко й з першого разу отримувати правильно спроектовану аналогову схему, або навіть автоматизувати як можна більшу кількість завдань самого процесу проектування, де це можливо. Тенденція до більш інтегрованих систем, що містять як аналогові, так і цифрові кола сильно обмежує аналогових проектувальників. Щоб йти в ногу із цифровим світом і повною мірою використовувати можливості, надавані сучасної субмікронною технологією СБИС, істотне підвищення продуктивності в аналоговім проектуванні є серйозною проблемою в галузі. Час розробки й вартість для аналогових кіл від специфікації до успішної реалізації повинний бути різко скороченим. Ризик помилок проектування, що перешкоджають отриманню результату з першого проходу, повинен бути усунутий або істотно мінімізований. По-друге, аналогові інструменти системи проектування повинні також сприяти підвищенню якості результатів готових конструкцій. Перш ніж почати докладну реалізацію схеми, потрібно мати більш високий рівень досліджень і оптимізації системи на рівні архітектури, оскільки розв’язок на цьому рівні має набагато більший вплив на ключові загальні параметри системи, такі як енергоспоживання й площа кристала. Крім того, проекти на більш низьких рівнях повинні бути автоматизованими, де це можливо.

Незважаючи на відсутність комерційних аналогових інструментів, автоматизація проектування аналогових систем за останні роки була полем глибоких досліджень в академічній і галузевій науково-дослідній діяльності, і, хоча й повільного, але неухильного прогресу [17]. Моделювання в цій області було особливе добре розвинене з появою симулятора SPICE, що привело до розвитку багатьох подібних тренажерів. Розвиток мов опису для апаратури аналогових і змішаних систем, таких як VHDL-AMS [18] і Verilog-A/MS [19] призначене для забезпечення об’єднуючої тенденції, що дозволяє зв’язати різні задачі автоматизації проектування аналогових систем у погоджену основу, яка підтримує більш структуровану аналогову методологію проектування від стадії концепції до стадії виробництва.

Одним з найважливіших етапів автоматизації проектування аналогових систем є схемотехнічне проектування, здійснюване у вигляді ряду послідовних кроків, основними з яких є синтез кола, аналіз і параметрична оптимізація. Синтез, тобто вибір принципової електричної схеми, яка по припущенню розробника повинна забезпечити виконання всіх необхідних характеристик, до цих пір є швидше мистецтвом, чим наукою. Оптимізація структури проектованої системи є ядром етапу синтезу, але оскільки цей етап пов'язаний з невирішеною проблемою штучного інтелекту, то він в загальному випадку виконується «уручну» і до цих пір не може бути повністю включений в систему проектування.

Схемотехнічне проектування є найбільш наукоємним по суті завданням і найбільш трудомісткою по числу операцій і витраченому часу частиною. Тому рішенню цієї задачі має бути приділене первинна увага. Основна частина схемотехнічного проектування є конгломератом, що складається з процедури аналізу системи, здійснюваної на кожному кроці процедури параметричної оптимізації. Отже, поліпшення характеристик цих двох складових частин проектування може привести до підвищення якості проектування і скорочення його часу. Завдання аналізу електронних кіл формалізоване і вирішене за допомогою ЕОМ практично без участі розробника. Найбільш важливою умовою формалізації завдання параметричної оптимізації електронної системи є введення цільової функції, за допомогою якої в процесі обчислень можна цілеспрямовано змінювати внутрішні параметри системи, тим самим істотно зменшуючи об’єм обчислень. Проведення оптимізації електронних кіл на ЕОМ пов’язане також з вибором чисельного методу оптимізації. Велика кількість різних видів цільових функцій і чисельних методів, які можна використовувати для одного і того ж завдання оптимізації, вимагає участі розробника в їх виборі. У останньому оптимізація проводиться ЕОМ незалежно від людини, проте, не дивлячись на підвищення продуктивності комп’ютерів, час, потрібний для оптимізації кіл, істотно зростає, унаслідок ускладнення електронних систем і збільшення їх розмірів. Вдосконалення традиційних підходів, пов’язаних з поліпшенням процедур аналізу кіл і вдосконаленням техніки оптимізації, знаходиться, мабуть, на етапі насичення. В той же час далеко не всі можливі ідеї використані для підвищення ефективності методів і систем проектування. Викладені вище за ідею схемотехнічного проектування назвемо умовно відповідними традиційному підходу в тому сенсі, що аналіз кіл, заснований на дотриманні законів Кірхгофа, застосовується на кожному кроці процедури оптимізації.

При проектуванні електронних схем можливо переформулювання завдання оптимізації схеми без точного дотримання рівнянь зв’язку, тобто законів Кірхгофа, і перша спроба була запропонована в 1975г. у роботі І.С. Каширського [20] при розрахунку кіл живлення транзисторних схем. Цей процес був заснований на ідеї ігнорування законів Кірхгофа для всієї схеми або для її частини. В цьому випадку потрібно було окрім мінімізації раніше певної цільової функції мінімізувати також нев’язку системи рівнянь моделі схеми. У своєму крайньому випадку, коли в нев’язку включалися всі рівняння математичної моделі схеми, тобто коли аналіз математичної моделі не вироблявся, ця ідея була практично реалізована в двох системах проектування (V. Rizzoli, 1990, [21] і E. Ochotta, 1996, [22]). У першому при оптимізації мікрохвильових кіл, і в другій при синтезі великих аналогових кіл. Автори робіт стверджують, що загальний час проектування був істотно скорочений. На відміну від традиційного підходу, що включає аналіз моделі кола на кожному кроці процедури оптимізації, підхід, реалізований в цих системах, не включав аналіз моделі в процесі оптимізації. В процесі розвитку цієї ідеї виявилось, що для вирішення завдання скорочення часу проектування можуть бути притягнені методи теорії оптимального управління і, при цьому, логічно витікає постановка завдання оптимального проектування системи за мінімально можливий час. Для вирішення подібного завдання потрібно було формалізувати на більш високому рівні і узагальнити процес проектування електронної системи.

Вирішенню цієї проблеми і присвячена ця дисертація. Використання розробленої методології дозволяє в сотні і тисячі разів зменшити час схемотехнічного проектування і таким чином істотно підвищити продуктивність при вирішенні завдань проектування складних систем.

  1   2   3


База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка