CI programables analógicos universales: selección de unidades funcionales elementales. Dato de referencia

Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Aplicación de microcircuitos

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Es difícil sobrestimar la importancia de los circuitos integrados lógicos reprogramables (FPGA) en la síntesis de sistemas lógicos. El desarrollo integrado de la base de elementos y los sistemas de diseño asistido por computadora hace posible implementar sistemas lógicos complejos en un tiempo sin precedentes y con costos mínimos de material. Por lo tanto, el deseo de lograr resultados similares en el diseño y producción de sistemas analógicos es bastante comprensible. Sin embargo, muchos intentos realizados en esta dirección aún no han dado los resultados esperados, y los circuitos integrados analógicos programables (PAIS) y los LSI analógicos de matriz (MABIS) aún no se han convertido en universales.

Problemas de diseño de LSI analógico programable

El rápido progreso en el campo del diseño de sistemas lógicos en FPGA estuvo predeterminado por el hecho de que todos los sistemas lógicos se basan en un aparato matemático bien desarrollado de álgebra de Boole. Esta teoría permite probar que la construcción de una función lógica arbitraria es posible mediante la composición ordenada de un solo operador elemental: el AND-NOT lógico (u OR-NOT). Es decir, cualquier sistema estrictamente lógico puede diseñarse a partir de elementos de un solo tipo, por ejemplo, NAND.

La situación es bastante diferente en el campo del diseño (síntesis) y análisis (descomposición) de diagramas de circuitos de sistemas analógicos. En electrónica analógica, aún no existe un único aparato matemático universalmente reconocido que permita resolver problemas de análisis y síntesis desde un punto de vista metodológico unificado. Las razones de este fenómeno deben buscarse en la historia del desarrollo de la electrónica analógica.

En las primeras etapas, los circuitos de los dispositivos analógicos se desarrollaron de acuerdo con los conceptos del método nodal funcional, cuya idea principal era la división de diagramas de circuitos complejos en nodos. Un nodo consta de un grupo de elementos y realiza una función bien definida. Cuando se combinan, los nodos forman bloques, tableros, gabinetes, mecanismos, es decir, unas construcciones unificadas, que se denominan dispositivos. La combinación de dispositivos forma un sistema. El método funcional-nodal asumió que los componentes elementales de los sistemas deberían ser nodos, cuya tarea principal es realizar una función bien definida.

Es por ello que se tomó como criterio de clasificación de los nodos la funcionalidad, es decir, el hecho de que un nodo realice alguna función. Sin embargo, a medida que se desarrolló la electrónica, hubo una cantidad extremadamente grande de funciones aisladas y aisladas (y, en consecuencia, nodos). Toda posibilidad de su minimización y unificación, necesaria para la síntesis de sistemas complejos, ha desaparecido. Es por eso que el desarrollo de la matriz analógica LSI (MABIS) y los circuitos integrados analógicos reprogramables (PAIS) se ha ralentizado y continúa ralentizándose.

El estado de cosas en el campo de los circuitos analógicos programables se puede rastrear analizando los desarrollos de las principales empresas rusas y extranjeras. Así, los especialistas de OAO NIITT y la planta de Angstrem concentraron sus esfuerzos en el desarrollo y producción de BMC analógico-digitales (basic matrix crystals) del tipo Rul H5515KhT1, N5515KhT101, diseñados para sistemas de adquisición de datos, monitoreo y control, para equipos médicos. y equipos de medición de control [1].

El diseño de estos BMC incluye una matriz analógica y digital. La matriz digital contiene 115 celdas base digitales (230 puertas 2I-NOT), que están dispuestas en cinco filas de 23 celdas seguidas. La matriz analógica combina 18 celdas base analógicas dispuestas en dos filas de 9 celdas. Entre las filas de celdas analógicas hay dos filas de capacitores (17,8 pF nominales) y dos filas de resistencias de difusión (24,8 kOhm cada una). Entre las partes analógica y digital hay una fila de resistencias de 3,2 kΩ.

El BMC proporciona dos tipos de celdas analógicas (A y B). Las celdas de tipo A constan de 12 transistores colectores aislados npn y 38 pnp y XNUMX resistencias de difusión de tomas múltiples. En las celdas tipo B, los cuatro transistores NPN se reemplazan por dos transistores pMOS. Las celdas periféricas de tipo A y B contienen cuatro transistores npn potentes (en celdas de tipo B, con un colector aislado) y dos transistores bipolares.

Las celdas base digitales están representadas por tres tipos: cuatro transistores n-MOS, cuatro transistores p-MOS y un par complementario de transistores bipolares. Además, en la periferia del cristal se encuentran potentes celdas digitales que contienen cuatro potentes transistores n-MOS y p-MOS, así como dos transistores npn conectados según el circuito de Darlington.

Para BMC se han desarrollado librerías de elementos estándar analógicos y digitales, que facilitan y agilizan enormemente el proceso de diseño de dispositivos basados ​​en BMC. Estos y otros BMC similares contienen conjuntos no conectados de elementos eléctricos de radio (ERE), a partir de los cuales se pueden obtener varias unidades funcionales especificadas en la biblioteca. La principal desventaja de tales microcircuitos es un alcance muy estrecho, limitado por los valores específicos de las calificaciones y otras características del ERE en este conjunto. Las capacidades de las unidades funcionales desarrolladas y recomendadas para este conjunto se dan en la biblioteca que acompaña al microcircuito.

Arroz. 1. Estructura de ispPAC-10

Desde 2000, Lattice Semiconductor produce circuitos integrados analógicos programables (PAIS) de la familia ispPAC (In-System Programmable Analog Circuit) con programación en el sistema, es decir, sin extracción de la placa de circuito impreso [2, 3]. A mediados de 2000, se estaban produciendo tres representantes de esta familia: ispPAC-Yu (Fig. 1), ispPAC-20 (Fig. 2) e ispPAC-80. Integran hasta 60 elementos activos y pasivos que se configuran, modelan y programan mediante el paquete PAC-Designer.

El ispPAC PAIS contiene:

• Circuitos de interfaz serie, registros y elementos de memoria no volátil reprogramable eléctricamente (EEPROM) que proporcionan configuración matricial;
• celdas analógicas programables (PACcells) y bloques analógicos programables (PACblocks) compuestos por ellas;
• Elementos programables para interconexiones (ARP - Analog Routing Pool).

La arquitectura integrada en esta serie se basa en celdas básicas que contienen: amplificador de instrumentación (IU); amplificador de salida (VU) implementado según el esquema sumador/integrador; fuente de tensión de referencia 2,5 V (ION); DAC de 8 bits con salida de voltaje y comparador dual (CP). Las entradas y salidas analógicas de las celdas (excepto ION) para aumentar el rango dinámico de las señales procesadas se realizan de acuerdo con el esquema diferencial. Dos DUT y una VU forman una macrocelda, denominada bloque PAC, en la que las salidas del DUT están conectadas a las entradas sumadoras de la VU. El ispPAC-10 incluye cuatro PAC y el ispPAC-20 tiene dos. El ispPAC-20 también incluye DAC y celdas de comparación. En la celda se programa la ganancia del DUT en el rango de -10 a +10 con paso de 1, y en el circuito de retroalimentación de la VU, el valor de la capacitancia del capacitor (128 valores posibles) y el encendido/apagado. fuera de la resistencia.

Varios fabricantes de circuitos integrados utilizan tecnología de "condensador conmutado" para programar funciones analógicas, lo que implica cambiar la capacitancia de los circuitos de configuración de frecuencia mediante un interruptor electrónico que cambia según la condición.

Arroz. 2. Estructura de ispPAC-20

El enfoque de Lattice se basa en el uso de circuitos con características constantes en el tiempo, que se pueden cambiar durante el proceso de reconfiguración del sistema sin apagar la energía. Esta mejora es significativa, ya que elimina el procesamiento de señal adicional requerido en el primer método.

Las herramientas de enrutamiento interno (Analog Routing Pool) le permiten conectar los pines de entrada del microcircuito, las entradas y salidas de las macrocélulas, la salida DAC y las entradas del comparador entre sí. Combinando varias macrocélulas, es posible construir circuitos de filtros activos sintonizables en el rango de frecuencia de 10 a 100 kHz, basándose en el uso de una sección integradora.

Cabe señalar que los ispPAC de Lattice son los más cercanos a PAIS. Su único inconveniente es que no existe un sistema de elementos básicos universales que permita diseñar no solo filtros activos sintonizables, sino una variedad bastante amplia de sistemas analógicos. Es esta circunstancia la que impide que el ispPAC de Lattice Semiconductor se convierta en un análogo de los FPGA de empresas como Altera y Xilinx.

En general, al analizar la situación en el campo del desarrollo y la implementación práctica de microcircuitos analógicos, podemos hacer una serie de generalizaciones:

• la mayor parte de los microcircuitos analógicos implementados industrialmente no pueden clasificarse como LSI en términos del grado de integración;
• Los LSI y BMK analógicos están destinados al diseño de dispositivos de una determinada clase, es decir, no son universales;
• cuando se diseñan grandes sistemas analógicos, el método nodal funcional sigue siendo dominante (kits de CI especializados, por ejemplo, para receptores de televisión).

Una única base para el diseño de FPGAs y MABIS

Sin embargo, la tarea de desarrollar una base de diseño de circuitos unificados para el diseño de sistemas analógicos todavía tiene una solución, que trataremos de fundamentar teóricamente y mostrar posibles direcciones para la implementación práctica de las ideas esbozadas.

En primer lugar, se debe elegir un modelo matemático de un gran sistema electrónico analógico que permita distinguir un pequeño grupo de elementos básicos. En el campo del análisis y síntesis de circuitos electrónicos, prácticamente no existen alternativas al aparato matemático de sistemas de ecuaciones diferenciales lineales, que fue reconocido allá por los años sesenta del siglo pasado [4, 5]. Tenga en cuenta, sin embargo, que la idea del uso práctico masivo de esta metodología aún no ha dominado las mentes de todos los especialistas.

El sistema de ecuaciones diferenciales consta de elementos, sus conexiones y se caracteriza por una cierta estructura. La base elemental de las ecuaciones diferenciales fue estudiada en la primera mitad del siglo pasado en el marco de la disciplina científica "automática". En esta área, se ha manifestado una ventaja de las ecuaciones diferenciales como la unificación: su forma no depende del modelo de proceso descrito. Sin embargo, en la forma estándar de escribir una ecuación diferencial, no hay información visual sobre la naturaleza de las relaciones en el sistema bajo estudio. Por lo tanto, los métodos para visualizar la estructura de los sistemas de ecuaciones diferenciales en forma de varios tipos de esquemas se desarrollaron a lo largo del desarrollo de la teoría del control automático.

A finales de los años 60 del siglo XX, el punto de vista moderno sobre la organización estructural de modelos de sistemas dinámicos estaba completamente formado [6]. La formación de un modelo matemático del sistema comienza con su división en enlaces y su posterior descripción, ya sea analíticamente en forma de ecuaciones que relacionan los valores de entrada y salida del enlace; o gráficamente en forma de diagramas mnemotécnicos con características. De acuerdo con las ecuaciones o características de los eslabones individuales, se compilan ecuaciones o características del sistema en su conjunto.

Enlaces de sistemas dinámicos identificados como típicos

Nombre del enlace	Ecuación de enlace y(t)=f(u(t))	Función de transferencia W(s)=y(s)/u(s)	Constituyentes elementales
proporcional	y(t)=ku(t)	Wï(s)=k	No
integrando	dy(t)/dt = ku(t); py = ku	Wi(s)=k/s	No
diferenciando	y(t)=kdu(t)/dt; y=kpu	Wd(s)=ks	No
1er orden aperiódico	(Tp+1)y = ku	W(s)=k/(Ts+1)
Forzar 1er orden	Y \u1dk (Tp + XNUMX)	W(s)=k(Ts+1)
integrando inercial	p(Tp+1)y = ku	W(s) = k/[s(Ts+1)]
Diferenciación inercial	(Tp+1)y = kpu	W(s) = ks/(Ts+1)
Izodrómnoe	py = k(Tp+1)u	W(s) = k(Ts+1)/s
Oscilatorio, conservativo, aperiódico de segundo orden	(T2p2+2ξTp+1)y = ku	W(s)=k/(T2p2+2ξTp+1)

Obsérvese que si para un esquema funcional el sistema se divide en enlaces según las funciones que realizan, entonces para una descripción matemática el sistema se fragmenta según la conveniencia de obtener una descripción. Por lo tanto, los enlaces deben ser lo más simples posible (pequeños). Por otra parte, al dividir el sistema en enlaces, se debe compilar la descripción matemática de cada enlace sin tener en cuenta sus conexiones con otros enlaces. Esto es posible si los enlaces tienen una dirección de acción, es decir, transmitir la acción en una sola dirección, de entrada a salida. Entonces, un cambio en el estado de cualquier enlace no afecta el estado del enlace anterior.

Si se cumple la condición de directividad de la acción de los enlaces, la descripción matemática de todo el sistema puede obtenerse en forma de un sistema de ecuaciones independientes de enlaces individuales, complementado con las ecuaciones de conexión entre ellos. Los más comunes (típicos) son enlaces aperiódicos, oscilatorios, integradores, diferenciadores y de retardo constante [6].

El problema de los enlaces elementales en modelos de la forma de un sistema de ecuaciones diferenciales fue estudiado por varios autores [7-9]. El análisis muestra [10] que sus posiciones se reducen principalmente a afirmar el hecho de la existencia de enlaces típicos y estudiar su papel en el proceso de formación de estructuras más complejas. La selección en el grupo de enlaces típicos se realiza de forma arbitraria, sin ningún criterio. En las listas de enlaces típicos se incluyen diferentes enlaces sin explicación y justificación, y también se utilizan los términos "simple" y "elemental" por igual para designar enlaces típicos (ver tabla). Mientras tanto, el estudio de numerosos enlaces "típicos" de sistemas dinámicos por los métodos de matrices estructurales [10-12] muestra que solo tres enlaces - proporcional, integrador y diferenciador - no contienen ciclos matriciales en sus matrices estructurales. Por lo tanto, solo ellos pueden llamarse elementales. Todos los demás enlaces se construyen combinando enlaces elementales.

Entonces, si un vínculo proporcional con una función de transferencia W_B(s) = k_B y vínculo diferenciador con función de transferencia W_A(s) = k_As se conectan de acuerdo con el esquema de retroalimentación negativa (Fig. 3), luego la función de transferencia equivalente

Así, el resultado, hasta los valores de las constantes de tiempo, coincide con la función de transferencia del enlace aperiódico de primer orden. Esto significa que este enlace se puede obtener conectando enlaces proporcionales y diferenciadores según un circuito con realimentación negativa y, por tanto, no puede considerarse elemental.

Arroz. 3. Circuito aperiódico equivalente

De la misma manera, puedes construir el resto de enlaces incluidos en la tabla. Debe prestarse especial atención a la función de transferencia del enlace oscilatorio (T²p² + 2ξTp + 1)y = ku. Entonces, si conectamos en serie dos enlaces aperiódicos con funciones de transferencia que difieren solo en las constantes de tiempo, entonces la función de transferencia equivalente tomará la forma

Así, el resultado, hasta los valores de las constantes de tiempo, coincide con la función de transferencia del enlace en estudio. Por lo tanto, se pueden obtener enlaces oscilatorios, conservativos y aperiódicos de segundo orden conectando en serie los enlaces de primer orden. Esto significa que no pueden considerarse elementales, aunque en principio está permitido llamarlos típicos.

Un análisis de los resultados dados en la última columna de la tabla nos permite concluir que enlaces tales como aperiódico, isodrómico, forzado, diferenciando inercial e integrando inercial pueden obtenerse conectando enlaces elementales. Para probar que las funciones de transferencia de otros enlaces típicos pueden obtenerse conectando enlaces elementales, sería necesario analizar las conexiones de tres, cuatro, etc. enlaces según esquemas de conexión típicos. Se puede obtener el mismo resultado si consideramos las conexiones de enlaces elementales con enlaces típicos de primer orden. Parte de dicho estudio ya se ha realizado, sus resultados se presentan en [10].

Así, se ha demostrado que conectando enlaces elementales es bastante sencillo obtener todas las funciones de transferencia de los llamados enlaces dinámicos típicos. En consecuencia, se pueden sintetizar sistemas dinámicos arbitrarios utilizando los operadores de multiplicación y conexión de sólo tres vínculos elementales: proporcional, diferenciador e integrador. Esta conclusión es de fundamental importancia, ya que determina las bases elementales necesarias para la construcción de sistemas dinámicos lineales de cualquier orden, incluidos los circuitos radioelectrónicos. Y si se supone que los sistemas dinámicos se construyen a partir de una gama limitada de enlaces dinámicos, como en el caso de MABIS y PAIS, entonces la conclusión a la que se llega es especialmente importante.

Arroz. 4. Soluciones de circuitos simples de nodos elementales: a) sumador de múltiples entradas, b) amplificador diferencial (enlace proporcional), c) diferenciador (enlace diferenciador), d) integrador (enlace integrador)

¡Es posible sintetizar dispositivos analógicos arbitrarios a partir de solo cinco unidades funcionales: un multiplexor, un sumador, un multiplicador, un integrador y un diferenciador (Fig. 4)! Tenga en cuenta que los que se muestran en la Fig. 4 circuitos no deben tomarse como soluciones de circuito realmente elaboradas, sino solo como una justificación de la posibilidad de reemplazar enlaces elementales en un circuito funcional con elementos radioelectrónicos básicos. Reemplazando los enlaces elementales de los circuitos funcionales con sus contrapartes de hardware, es posible diseñar dispositivos analógicos con características específicas.

Ejemplo de síntesis de dispositivos analógicos

Considere un ejemplo muy simple de sintetizar un diagrama de circuito de un dispositivo analógico de acuerdo con un modelo dado por un sistema de ecuaciones diferenciales en forma de transformadas de Laplace de la forma: x₀ = gramo, x₁ = x₀ - 2x₂/s,x₂ = 10 veces₁/s,x₃ = x₂ - 10x₄/s,x₄ = 500 veces₃/ S.

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

Construyamos la matriz estructural de este sistema de ecuaciones diferenciales y resaltemos los ciclos de la matriz con flechas:
Usando las ecuaciones y la matriz estructural, reconstruiremos el diagrama de bloques del dispositivo (Fig. 5). De acuerdo con la matriz estructural, el sistema tiene dos retroalimentaciones negativas: nodo 2 -> nodo1 y nodo 4 -> nodo 3, respectivamente. Dado que el diagrama de bloques de la Fig. 5 se construye inicialmente sobre enlaces elementales, puede considerarse como un diagrama funcional de un dispositivo electrónico.

Arroz. 5. Diagrama de bloques del dispositivo sintetizado (en etapas)

De los resultados de la simulación (Fig. 6) del circuito sintetizado, se puede ver que, con los parámetros dados, representa dos generadores conectados en serie. Es decir, un dispositivo muy simple, que consta de solo cuatro enlaces integradores, realiza una función relativamente compleja de modular una oscilación de baja frecuencia con una de alta frecuencia.

Tenga en cuenta que al diseñar y fabricar MABIS y PA-IS, no es absolutamente necesario utilizar análogos de hardware de enlaces elementales hechos en amplificadores operacionales, como en la Fig. 4, aunque sobre esta base se elaboran mejor [13-16]. La más prometedora es la implementación de análogos de hardware de enlaces elementales en componentes optoelectrónicos, aunque cualquier otra opción es posible.

Arroz. 6. Oscilograma del dispositivo sintetizado

Universal MABIS y PAIS - es posible

Así, es posible destacar cinco componentes elementales (los más simples) de cualquier REA, correspondientes a los principales operadores de sistemas de ecuaciones diferenciales: multiplicación, diferenciación, integración, suma y multiplicación (multiplexación). La metodología para el diseño de dispositivos electrónicos analógicos asume [10]:

• utilizar como datos iniciales para diseñar un modelo matemático en forma de un sistema de n ecuaciones diferenciales de primer orden (o una ecuación diferencial de orden l-ésimo);
• construir una matriz estructural del dispositivo diseñado y encontrar ciclos de matriz;
• restauración del diagrama de bloques del dispositivo diseñado;
• transformación de un diagrama de bloques en uno funcional mediante la sustitución de enlaces típicos por un conjunto de enlaces elementales;
• transformación del diagrama funcional del dispositivo diseñado en un diagrama de circuito eléctrico reemplazando enlaces elementales con elementos básicos de hardware equivalentes (quizás el uso de sistemas CAD modernos nos permitirá evitar esta etapa sintetizando la topología directamente a partir de la descripción funcional);
• desarrollo de la topología del dispositivo diseñado.

El enfoque propuesto tiene una serie de ventajas decisivas. Así, el diagrama funcional del dispositivo diseñado se sintetiza a partir del sistema original de ecuaciones diferenciales mediante transformaciones matriciales estándar, que pueden ordenarse y convertirse en un algoritmo para cálculos automáticos. El diagrama del circuito eléctrico se sintetiza a partir del diagrama funcional simplemente reemplazando los enlaces dinámicos elementales con elementos básicos equivalentes. Modelar un dispositivo utilizando herramientas CAD también puede hacerlo mucho más fácil.

Así, dado que el conjunto de enlaces elementales no es numeroso, existe una posibilidad real de diseñar MABIS y PAIS universales. Lo que, a su vez, simplifica enormemente el diseño de dispositivos analógicos y analógicos digitales y abre perspectivas tentadoras para un mayor desarrollo de la electrónica en general.

Literatura

1. Alenin S., Ivanov V., Polevikov V., Trudnovskaya E. Implementación de dispositivos analógico-digitales especializados basados ​​en BIK MOS BMKtipo N5515ХТ1. - ChipNews, 2000, nº 2.
2. Kurbátov. A. Circuitos integrados analógicos programables. La vida continua. - Componentes y tecnologías, 2000, No. 2.
3. Petrosyants K., Suvorov A., Khrustalev I. Matrices analógicas programables de Lattice Semiconductor. - ChipNews, 2001, nº 1.
4. Ku E.S., Sorer R.A. Aplicación del método de variables de estado al análisis de circuitos. - TIEER, 1965, núm. 7.
5. Ilyin V.N. Diseño de circuitos electrónicos asistido por ordenador. - M.: Energía, 1972.
6. Yurevich E.I. Teoría del control automático. - L.: Energía, 1975.
7. Kuropatkin P.V. Teoría del control automático. - M.: Escuela Superior, 1973.
8. Voronov A.A., Titov V.K., Novogranov B.N. Fundamentos de la teoría de la regulación y control automático. - M.: Escuela Superior, 1977.
9. Voronov A.A. Teoría del control automático. Parte 1. Teoría de los sistemas de control automático lineal. - M.: Escuela Superior, 1977.
10. Mishin GT Fundamentos científicos naturales de la microelectrónica analógica. - M.: MIEM, 2003.
11. Shatikhin L.G. Matrices estructurales y su aplicación a la investigación de sistemas. - M.: Ingeniería Mecánica, 1974.
12. Shatikhin L.G. Matrices estructurales y su aplicación a la investigación de sistemas. - M.: Ingeniería Mecánica, 1991.
13. Circuitos integrados analógicos. /Ed. J. Connelly. -M.: Mir, 1977.
14. J. Lenk. Circuitos electrónicos. Guía práctica. - M.: Mir, 1985.
15. Nesterenko B.K. Amplificadores operacionales integrados. - M.: Energoizdat, 1982.
16. Horowitz P., Hill W. El arte del diseño de circuitos T. 1. - M.: Mir, 1983.

Autor: G. Mishin; Publicación: cxem.net

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