CIs programáveis ​​analógicos universais: seleção de unidades funcionais elementares. Data de referência

Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Aplicação de microcircuitos

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É difícil superestimar a importância dos circuitos integrados lógicos reprogramáveis ​​(FPGA) na síntese de sistemas lógicos. O desenvolvimento complexo da base de elementos e dos sistemas de projeto assistido por computador possibilita a implementação de sistemas lógicos complexos em um tempo sem precedentes e com custos mínimos de material. Portanto, o desejo de obter resultados semelhantes no projeto e produção de sistemas analógicos é bastante compreensível. No entanto, muitas tentativas feitas nesse sentido ainda não trouxeram os resultados esperados, e os CIs analógicos programáveis ​​(PAIS) e os LSIs analógicos de matriz (MABIS) ainda não se tornaram universais.

Problemas de projetar LSI analógico programável

O rápido progresso no campo do projeto de sistemas lógicos em FPGAs foi predeterminado pelo fato de que todos os sistemas lógicos são baseados em um aparato matemático bem desenvolvido de álgebra de Boole. Esta teoria permite provar que a construção de uma função lógica arbitrária é possível pela composição ordenada de apenas um operador elementar - o lógico AND-NOT (ou OR-NOT). Ou seja, qualquer sistema estritamente lógico pode ser projetado a partir de elementos de apenas um tipo, por exemplo, NAND.

A situação é bem diferente no campo do projeto (síntese) e análise (decomposição) de diagramas de circuitos de sistemas analógicos. Na eletrônica analógica, ainda não existe um aparato matemático universalmente reconhecido que permita resolver problemas de análise e síntese a partir de um ponto de vista metodológico unificado. As razões para este fenômeno devem ser procuradas na história do desenvolvimento da eletrônica analógica.

Nos estágios iniciais, os circuitos de dispositivos analógicos se desenvolveram de acordo com os conceitos do método funcional-nodal, cuja ideia principal era a divisão de diagramas de circuitos complexos em nós. Um nó consiste em um grupo de elementos e executa uma função bem definida. Quando combinados, os nós formam blocos, placas, armários, mecanismos - ou seja, algumas construções unificadas, que são chamadas de dispositivos. A combinação de dispositivos forma um sistema. O método funcional-nodal assumiu que os componentes elementares dos sistemas devem ser nós, cuja principal tarefa é executar uma função bem definida.

Por isso o critério de classificação dos nós foi a funcionalidade, ou seja, o fato de o nó desempenhar alguma função. No entanto, à medida que a eletrônica se desenvolveu, tornou-se um número extremamente grande de funções isoladas e isoladas (e, consequentemente, nós). Qualquer possibilidade de sua minimização e unificação, necessária para a síntese de sistemas complexos, desapareceu. É por isso que o desenvolvimento de LSIs analógicos de matriz (MABIS) e circuitos integrados analógicos reprogramáveis ​​(PAIS) foi desacelerado e continua sendo desacelerado.

A situação no campo dos circuitos analógicos programáveis ​​pode ser rastreada analisando os desenvolvimentos das principais empresas russas e estrangeiras. Assim, os especialistas da OAO NIITT e da planta de Angstrem concentraram seus esforços no desenvolvimento e produção de BMCs analógico-digitais (cristais de matriz básica) do tipo Rul H5515KhT1, N5515KhT101, projetados para sistemas de aquisição, monitoramento e controle de dados, para equipamentos médicos e controle de equipamentos de medição [1].

O design desses BMCs inclui uma matriz analógica e digital. A matriz digital contém 115 células-base digitais (230 portas 2I-NOT), que são dispostas em cinco linhas de 23 células seguidas. A matriz analógica combina 18 células de base analógicas dispostas em duas fileiras de 9 células. Entre as fileiras de células analógicas estão duas fileiras de capacitores (nominal 17,8 pF) e duas fileiras de resistores de difusão (24,8 kOhm cada). Entre as partes analógica e digital há uma fileira de resistores de 3,2 kΩ.

O BMC fornece dois tipos de células analógicas (A e B). As células do tipo A consistem em transistores coletores isolados de 12 npn e 38 pnp e XNUMX resistores de difusão multi-tap. Nas células do tipo B, os quatro transistores NPN são substituídos por dois transistores pMOS. As células periféricas do tipo A e B contêm quatro transistores npn poderosos (em células do tipo B - com um coletor isolado) e dois transistores bipolares.

As células de base digital são representadas por três tipos - quatro transistores n-MOS, quatro transistores p-MOS e um par complementar de transistores bipolares. Além disso, poderosas células digitais estão localizadas na periferia do cristal, que contêm quatro poderosos transistores n-MOS e p-MOS, além de dois transistores npn conectados de acordo com o circuito Darlington.

Para o BMC, foram desenvolvidas bibliotecas de elementos analógicos e digitais padrão, o que facilita e agiliza muito o processo de projeto de dispositivos baseados em BMC. Esses e outros BMCs contêm conjuntos desconectados de elementos elétricos de rádio (ERE), a partir dos quais podem ser obtidas várias unidades funcionais especificadas na biblioteca. A principal desvantagem de tais microcircuitos é um escopo muito estreito, limitado pelos valores específicos das classificações e outras características do ERE neste conjunto. As capacidades das unidades funcionais desenvolvidas e recomendadas para este conjunto são fornecidas na biblioteca que acompanha o microcircuito.

Arroz. 1. Estrutura do ispPAC-10

Desde 2000, a Lattice Semiconductor produz circuitos integrados analógicos programáveis ​​(PAIS) da família ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) com programação no sistema, ou seja, sem extração da placa de circuito impresso [2, 3]. Em meados de 2000, três representantes desta família estavam sendo produzidos: ispPAC-Yu (Fig. 1), ispPAC-20 (Fig. 2) e ispPAC-80. Eles integram até 60 elementos ativos e passivos que são configurados, modelados e programados usando o pacote PAC-Designer.

O ispPAC PAIS contém:

• circuitos de interface serial, registros e elementos de memória não volátil eletricamente reprogramável (EEPROM) que fornecem configuração matricial;
• células analógicas programáveis ​​(PACcells) e blocos analógicos programáveis ​​(PACblocks) constituídos por elas;
• elementos programáveis ​​para interconexões (ARP - Analog Routing Pool).

A arquitetura embutida nesta série é baseada em células básicas contendo: amplificador de instrumentação (IU); amplificador de saída (VU) implementado de acordo com o esquema somador/integrador; fonte de tensão de referência 2,5 V (ION); DAC de 8 bits com saída de tensão e comparador duplo (CP). As entradas e saídas analógicas das células (exceto ION) para aumentar a faixa dinâmica dos sinais processados ​​são feitas de acordo com o esquema diferencial. Dois DUTs e uma VU formam uma macrocélula, chamada de bloco PAC, na qual as saídas do DUT são conectadas às entradas somadoras da VU. O ispPAC-10 inclui quatro PACs e o ispPAC-20 tem dois. O ispPAC-20 também inclui células DAC e comparadoras. Na célula, o ganho do DUT é programado na faixa de -10 a +10 com um passo de 1, e no circuito de realimentação do VU, o valor da capacitância do capacitor (128 valores possíveis) e o on/ fora da resistência.

Vários fabricantes de CIs usam a tecnologia de "capacitor comutado" para programar funções analógicas, o que envolve alterar a capacitância dos circuitos de ajuste de frequência usando um interruptor eletrônico que comuta de acordo com a condição.

Arroz. 2. Estrutura do ispPAC-20

A abordagem da Lattice é baseada na utilização de circuitos com características constantes ao longo do tempo, que podem ser alteradas durante o processo de reconfiguração do sistema sem desligar a energia. Essa melhoria é significativa, pois elimina o processamento de sinal adicional necessário no primeiro método.

Ferramentas de roteamento interno (Analog Routing Pool) permitem conectar os pinos de entrada do microcircuito, as entradas e saídas das macrocélulas, a saída DAC e as entradas do comparador entre si. Combinando diversas macrocélulas, é possível construir circuitos de filtros ativos sintonizáveis ​​na faixa de frequência de 10 a 100 kHz, a partir da utilização de uma seção integradora.

Deve-se notar que os ispPACs da Lattice são os mais próximos do PAIS. Sua única desvantagem é que não existe um sistema de elementos básicos universais que permita projetar não apenas filtros ativos ajustáveis, mas uma variedade bastante ampla de sistemas analógicos. É esta circunstância que impede que o ispPAC da Lattice Semiconductor se torne um análogo dos FPGAs de empresas como Altera e Xilinx.

Em geral, analisando a situação no campo de desenvolvimento e implementação prática de microcircuitos analógicos, podemos fazer várias generalizações:

• a maior parte dos microcircuitos analógicos implementados industrialmente não podem ser classificados como LSIs em termos de grau de integração;
• LSIs e BMKs analógicos destinam-se ao projeto de dispositivos de uma determinada classe, ou seja, eles não são universais;
• ao projetar grandes sistemas analógicos, o método funcional-nodal permanece dominante (kits IC especializados, por exemplo, para receptores de televisão).

Uma base única para o projeto de FPGAs e MABIS

No entanto, a tarefa de desenvolver uma base de projeto de circuito unificado para o projeto de sistemas analógicos ainda tem uma solução, que tentaremos fundamentar teoricamente e mostrar possíveis direções para a implementação prática das ideias delineadas.

Em primeiro lugar, deve-se escolher um modelo matemático de um grande sistema eletrônico analógico que permita destacar um pequeno grupo de elementos básicos. No campo da análise e síntese de circuitos eletrônicos, praticamente não há alternativas ao aparato matemático de sistemas de equações diferenciais lineares, que foi reconhecido nos anos sessenta do século passado [4, 5]. Observe, no entanto, que a ideia do uso prático em massa dessa metodologia ainda não dominou a mente de todos os especialistas.

O sistema de equações diferenciais consiste em elementos, suas conexões e é caracterizado por uma certa estrutura. A base elementar das equações diferenciais foi estudada na primeira metade do século passado no âmbito da disciplina científica "automática". Nesta área, uma vantagem das equações diferenciais como a unificação se manifestou: sua forma não depende do modelo de processo descrito. No entanto, na forma padrão de escrever uma equação diferencial, não há informação visual sobre a natureza das relações no sistema em estudo. Portanto, métodos para visualizar a estrutura de sistemas de equações diferenciais na forma de vários tipos de esquemas foram desenvolvidos ao longo do desenvolvimento da teoria do controle automático.

No final dos anos 60 do século XX, o ponto de vista moderno sobre a organização estrutural dos modelos de sistemas dinâmicos estava totalmente formado [6]. A formação de um modelo matemático do sistema começa com sua divisão em links e sua posterior descrição - seja analiticamente na forma de equações relacionando os valores de entrada e saída do link; ou graficamente na forma de diagramas mnemônicos com características. De acordo com as equações ou características de ligações individuais, são compiladas equações ou características do sistema como um todo.

Links de sistemas dinâmicos identificados como típicos

Nome do link	Equação de ligação y(t)=f(u(t))	Função de transferência W(s)=y(s)/u(s)	Constituintes elementares
proporcional	y(t)=ku(t)	W(s)=k	Não
Integrando	dy(t)/dt = ku(t); py = ku	Wi(s)=k/s	Não
diferenciando	y(t)=kdu(t)/dt; y=kpu	Wd(s)=ks	Não
Aperiódica 1ª ordem	(Tp+1)y = ku	W(s)=k/(Ts+1)
Forçando 1ª ordem	Y \u1d k (Tp + XNUMX)	W(s)=k(Ts+1)
Integrando inercial	p(Tp+1)y = ku	W(s) = k/[s(Ts+1)]
Diferenciando inercial	(Tp+1)y = kpu	W(s) = ks/(Ts+1)
Izodromnoe	py = k(Tp+1)você	W(s) = k(Ts+1)/s
Oscilatória, conservativa, aperiódica de 2ª ordem	(T2p2+2ξTp+1)y = ku	W(s)=k/(T2p2+2ξTp+1)

Observe que se para um esquema funcional o sistema é dividido em links com base nas funções que executam, então para uma descrição matemática o sistema é fragmentado com base na conveniência de obter uma descrição. Portanto, os links devem ser o mais simples possível (pequenos). Por outro lado, ao dividir o sistema em links, a descrição matemática de cada link deve ser compilada sem levar em consideração suas conexões com outros links. Isso é possível se os links tiverem uma direção de ação - ou seja, transmitir a ação em apenas uma direção, da entrada para a saída. Então, uma mudança no estado de qualquer link não afeta o estado do link anterior.

Se a condição para a direção de ação dos links for satisfeita, a descrição matemática de todo o sistema pode ser obtida na forma de um sistema de equações independentes de links individuais, complementado pelas equações de conexão entre eles. Os mais comuns (típicos) são links aperiódicos, oscilatórios, integradores, diferenciadores e de atraso constante [6].

O problema de ligações elementares em modelos da forma de um sistema de equações diferenciais foi estudado por vários autores [7-9]. A análise mostra [10] que suas posições se reduzem principalmente a constatar o fato da existência de ligações típicas e estudar seu papel no processo de formação de estruturas mais complexas. A seleção no grupo de links típicos é feita de forma arbitrária, sem nenhum critério. Diferentes links são incluídos nas listas de links típicos sem explicação e justificativa, e os termos "simples" e "elementar" também são usados ​​igualmente para designar links típicos (ver tabela). Enquanto isso, o estudo de inúmeras ligações "típicas" de sistemas dinâmicos pelos métodos de matrizes estruturais [10-12] mostra que apenas três ligações - proporcionais, integrativas e diferenciantes - não contêm ciclos matriciais em suas matrizes estruturais. Portanto, apenas eles podem ser chamados de elementares. Todos os outros links são construídos combinando links elementares.

Então, se um link proporcional com uma função de transferência W_B(s) =k_B e ligação diferencial com função de transferência W_A(s) =k_As conectar de acordo com o esquema de feedback negativo (Fig. 3), então a função de transferência equivalente

Assim, o resultado, até os valores das constantes de tempo, coincide com a função de transferência do link aperiódico de primeira ordem. Isso significa que esse link pode ser obtido conectando-se links proporcionais e diferenciadores conforme um circuito com realimentação negativa e, portanto, não pode ser considerado elementar.

Arroz. 3. Circuito aperiódico equivalente

Da mesma forma, você pode construir o restante dos links incluídos na tabela. Atenção especial deve ser dada à função de transferência do link oscilatório (T²p² + 2ξTp + 1)y = ku. Então, se conectarmos em série dois links aperiódicos com funções de transferência que diferem apenas em constantes de tempo, a função de transferência equivalente terá a forma

Assim, o resultado, até os valores das constantes de tempo, coincide com a função de transferência do enlace em estudo. Portanto, enlaces oscilatórios, conservativos e aperiódicos de 2ª ordem podem ser obtidos conectando-se os enlaces de primeira ordem em série. Isso significa que eles não podem ser considerados elementares, embora em princípio seja permitido chamá-los de típicos.

Uma análise dos resultados apresentados na última coluna da tabela permite-nos concluir que ligações como aperiódicas, isodrómicas, forçantes, inerciais diferenciantes e inerciais integrativas podem ser obtidas ligando ligações elementares. Para provar que as funções de transferência de outros enlaces típicos podem ser obtidas conectando enlaces elementares, seria necessário analisar as conexões de três, quatro e assim por diante de acordo com esquemas de conexão típicos. O mesmo resultado pode ser obtido se considerarmos as conexões de links elementares com links típicos de primeira ordem. Parte desse estudo já foi feito, seus resultados são apresentados em [10].

Assim, provou-se que conectando enlaces elementares, é bastante simples obter todas as funções de transferência dos chamados enlaces dinâmicos típicos. Conseqüentemente, sistemas dinâmicos arbitrários podem ser sintetizados usando os operadores de multiplicação e conexão de apenas três ligações elementares: proporcional, diferenciante e integradora. Esta conclusão é de fundamental importância, pois determina a base elementar necessária para a construção de sistemas dinâmicos lineares de qualquer ordem, incluindo circuitos rádio-eletrônicos. E se os sistemas dinâmicos devem ser construídos a partir de uma gama limitada de links dinâmicos, como no caso do MABIS e PAIS, então a conclusão tirada é especialmente importante.

Arroz. 4. Soluções de circuito simples de nós elementares: a) somador multi-entradas, b) amplificador diferencial (link proporcional), c) diferenciador (link diferenciador), d) integrador (link integrador)

Torna-se possível sintetizar dispositivos analógicos arbitrários a partir de apenas cinco unidades funcionais - um multiplexador, um somador, um multiplicador, um integrador e um diferenciador (Fig. 4)! Observe que os mostrados na Fig. 4 circuitos não devem ser tomados como soluções de circuito realmente elaboradas, mas apenas como uma justificativa para a possibilidade de substituir links elementares em um circuito funcional por elementos radioeletrônicos básicos. Substituindo os links elementares de circuitos funcionais por seus equivalentes de hardware, é possível projetar dispositivos analógicos com características especificadas.

Exemplo de Síntese de Dispositivo Analógico

Considere um exemplo muito simples de sintetizar um diagrama de circuito de um dispositivo analógico de acordo com um modelo dado por um sistema de equações diferenciais na forma de transformadas de Laplace da forma: x₀ = g, x₁ = x₀ - 2x₂/s,x₂ = 10x₁/s,x₃ = x₂ - 10x₄/s,x₄ = 500x₃/ S.

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

Vamos construir a matriz estrutural deste sistema de equações diferenciais e destacar os ciclos da matriz com setas:
Utilizando as equações e a matriz estrutural, reconstruiremos o diagrama de blocos do dispositivo (Fig. 5). De acordo com a matriz estrutural, o sistema possui duas realimentações negativas: nó 2 -> nó1 e nó 4 -> nó 3, respectivamente. Como o diagrama de blocos da Fig. 5 é inicialmente construído em links elementares, podendo ser considerado como um diagrama funcional de um dispositivo eletrônico.

Arroz. 5. Diagrama de blocos do dispositivo sintetizado (em etapas)

A partir dos resultados da simulação (Fig. 6) do circuito sintetizado, pode-se observar que, com os parâmetros dados, representa dois geradores ligados em série. Ou seja, um dispositivo muito simples, composto por apenas quatro links integradores, desempenha uma função relativamente complexa de modular uma oscilação de baixa frequência com uma de alta frequência.

Observe que ao projetar e fabricar MABIS e PA-IS, não é absolutamente necessário usar análogos de hardware de links elementares feitos em amplificadores operacionais, como na Fig. 4, embora nesta base sejam melhor trabalhados [13-16]. O mais promissor é a implementação de análogos de hardware de links elementares em componentes optoeletrônicos, embora outras opções sejam possíveis.

Arroz. 6. Oscilograma do dispositivo sintetizado

Universal MABIS e PAIS - é possível

Assim, é possível destacar cinco componentes elementares (mais simples) de qualquer CEA, correspondentes aos principais operadores de sistemas de equações diferenciais: multiplicação, diferenciação, integração, adição e multiplicação (multiplexação). A metodologia para projetar dispositivos eletrônicos analógicos assume [10]:

• usar como dados iniciais para projetar um modelo matemático na forma de um sistema de n equações diferenciais de primeira ordem (ou uma equação diferencial de l-ésima ordem);
• construir uma matriz estrutural do dispositivo projetado e encontrar ciclos de matriz;
• restauração do diagrama de blocos do dispositivo projetado;
• transformação de um diagrama de blocos em funcional substituindo links típicos por um conjunto de links elementares;
• transformação do diagrama funcional do dispositivo projetado em diagrama de circuito elétrico, substituindo links elementares por elementos básicos de hardware equivalentes (talvez o uso de sistemas CAD modernos nos permita evitar esta etapa sintetizando a topologia diretamente a partir da descrição funcional);
• desenvolvimento da topologia do dispositivo projetado.

A abordagem proposta tem uma série de vantagens decisivas. Assim, o diagrama funcional do dispositivo projetado é sintetizado a partir do sistema original de equações diferenciais por meio de transformações matriciais padrão, que podem ser ordenadas e convertidas em um algoritmo para cálculos automáticos. O diagrama do circuito elétrico é sintetizado a partir do diagrama funcional simplesmente substituindo as ligações dinâmicas elementares por elementos básicos equivalentes. Modelar um dispositivo usando ferramentas CAD também pode tornar isso significativamente mais fácil.

Assim, como o conjunto de links elementares não é numeroso, existe a possibilidade real de projetar MABIS e PAIS universais. O que, por sua vez, simplifica muito o projeto de dispositivos analógicos e analógicos digitais e abre perspectivas tentadoras para o desenvolvimento da eletrônica em geral.

Literatura

1. Alenin S., Ivanov V., Polevikov V., Trudnovskaya E. Implementação de dispositivos analógico-digitais especializados baseados em BIK MOS BMKtipo N5515ХТ1. - ChipNews, 2000, nº 2.
2. Kurbatov. A. Circuitos integrados analógicos programáveis. A vida continua. - Componentes e tecnologias, 2000, nº 2.
3. Petrosyants K., Suvorov A., Khrustalev I. Matrizes analógicas programáveis ​​da Lattice Semiconductor. - ChipNews, 2001, nº 1.
4. Ku ES, Sorer RA. Aplicação do método das variáveis ​​de estado à análise de circuitos. - TIEER, 1965, nº 7.
5. Ilyin V.N. Projeto auxiliado por computador de circuitos eletrônicos. - M.: Energia, 1972.
6. Yurievich E.I. Teoria do controle automático. - L.: Energia, 1975.
7. Kuropatkin P.V. Teoria do controle automático. - M.: Ensino Superior, 1973.
8. Voronov A.A., Titov V.K., Novogranov B.N. Fundamentos da teoria da regulação e controle automáticos. - M.: Ensino Superior, 1977.
9. Voronov A.A. Teoria do controle automático. Parte 1. Teoria dos sistemas de controle automático linear. - M.: Ensino Superior, 1977.
10. Mishin G.T. Fundamentos científicos naturais da microeletrônica analógica. - M.: MIEM, 2003.
11. Shatikhin L.G. Matrizes estruturais e sua aplicação à pesquisa de sistemas. - M.: Engenharia Mecânica, 1974.
12. Shatikhin L.G. Matrizes estruturais e sua aplicação à pesquisa de sistemas. - M.: Engenharia Mecânica, 1991.
13. Circuitos integrados analógicos. /Ed. J. Connelly. -M.: Mundo, 1977.
14. J. Lenk. Circuitos eletrônicos. Guia prático. - M.: Mir, 1985.
15. Nesterenko B.K. Amplificadores operacionais integrados. - M.: Energoizdat, 1982.
16. Horowitz P., Hill W. A Arte do Design de Circuitos T. 1. - M.: Mir, 1983.

Autor: G. Mishin; Publicação: cxem.net

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