Научная статья на тему 'Информационная поддержка синтеза схемотехнически интегрированных принципиальных электрических схем'

Информационная поддержка синтеза схемотехнически интегрированных принципиальных электрических схем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
105
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИНТЕЗ / ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА / СХЕМОТЕХНИКА / ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА / АЛГОРИТМ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Манжула Владимир Гавриилович

Рассмотрены особенности информационной поддержки проектировщиков электрических принципиальных схем и изложены основные принципы построения автоматизированных систем поискового синтеза. Представленные алгоритмы и граф-схемы синтеза схемотехнически интегрированных электрических принципиальных схем реализованы в среде MATLAB 7.0.1. Разработанные схемотехнические решения подтверждают эффективность предложенной системы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Манжула Владимир Гавриилович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The article describes the features of informational support designers of electrical circuit diagrams and the basic principles of automated search of synthesis. The presented algorithms and graph-scheme of the synthesis of integrated circuit design electrical schematics are implemented in the environment of MATLAB 7.0.1. The developed circuit solutions confirm the effectiveness of the proposed system.

Текст научной работы на тему «Информационная поддержка синтеза схемотехнически интегрированных принципиальных электрических схем»

костей активных элементов в электронных устройствах [Текст] / С.Г. Крутчинский, Н.Н. Прокопенко, Е.И. Стар-ченко // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006: Сб. науч. тр. под общ. ред. А.Л. Стемпковского. -М.: Ин-т проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006. -С. 194-199.

5. Крутчинский, С.Г. Методы компенсации основных составляющих выходной емкости транзисторов в аналоговых микросхемах [Текст] / С.Г. Крутчинский, Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк [и др.] // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006: Сб. науч. тр. под общ. ред. А.Л. Стемпковского. -М.: Ин-т проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006. -С. 223-228.

6. Krutchinsky, S.G. Structurally topological principles of self-compensation in electronic devices [Text] / S.G. Krutchinsky, N.N. Prokopenko, E.I. Starchenko // 2 IEEE International Conf. on Circuits and Systems for Communication. -M., 2004. -P. 26-30.

7. Крутчинский, С.Г. Структурный синтез в ана-

логовой микросхемотехнике [Текст] / С.Г. Крутчинский. -Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2010. -260 с.

8. Прокопенко, Н.Н. Схемотехника широкополосных усилителей: Монография [Текст] / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк. -Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. -218 с.

9. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника дифференциальных усилителей с повышенным ослаблением синфазных сигналов: Монография [Текст] / Н.Н. Прокопенко, С.В. Крюков. -Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2008. -329 с.

10. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: Монография [Текст] / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. -Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. -231 с.

11. Прокопенко, Н.Н. Элементная база радиацион-но-стойких информационно-измерительных систем: Монография [Текст] / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский; под общ. ред. Н.Н. Прокопенко. -Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2011. -208 с.

УДК 621.37

В.Г. Манжула

информационная поддержка синтеза схемотехнически интегрированных принципиальных электрических схем

Известно, что максимальная эффективность инженерного труда достигается не вследствие использования сложного программного обеспечения, а благодаря оптимальному взаимодействию человека и машины [1]. При этом автоматизированные системы поискового синтеза (АСПС) обеспечивают информационную поддержку инженерной работы. Основное назначение АСПС состоит в генерации альтернатив при поиске решения.

Современные интегральные микросхемы имеют в своем составе широкий набор различных функциональных элементов. Их реализация в виде отдельных принципиальных схем, как правило, приводит к недопустимому увеличению общего числа активных элементов схемы, что в свою очередь приводит к снижению надежности и высокому токопотреблению [2]. Применение принципа схемотехнической интеграции позволяет избежать перечисленных недостатков, к тому же схемы, проектируемые на основе этого

принципа, отличаются своей простотой и изяществом. Его сущность заключается в том, что ряд отдельных функциональных элементов выполняется в виде единой нерасчленимой принципиальной схемы, выполняющей совокупность функций всех входящих в нее функциональных элементов. Рассмотрим особенности информационной поддержки проектировщика при синтезе схемотехнически интегрированных решений.

Информационное обеспечение такой АСПС [3] предполагает использование четырех баз данных: базы данных схемных объектов (СО), содержащей текстовое и графическое описание известных схемотехнических решений;

проблем (БДП), содержащей возможные недостатки схемных объектов;

методов (БДМ), содержащей описания методов решения проблем;

базы данных функций (БДФ) схемных объектов. Под схемным объектом будем понимать совокупность одного или нескольких электронных

элементов, объединенных друг с другом для выполнения каких-либо определенных функций. В качестве СО может выступать, например, дифференциальный каскад, эмиттерный повторитель, транзистор как отдельный элемент, резистор и т. п. Следует обратить внимание на то, что схемный объект неэквивалентен функциональному элементу. В большинстве случаев СО не может выполнять какие-либо функции без участия других СО. Каждому СО соответствует расширяемый набор функций, описывающих его работу. Например, для резистора такими функциями являются закон Ома, зависимость сопротивления от температуры и т. д.

Отличительной особенностью алгоритма работы такой системы от традиционной, предлагающей инженеру варианты готовых решений, является возможность создания нового решения при отсутствии в базе данных необходимого СО. При этом алгоритм работы такой системы предполагает выполнение следующих операций:

ввод исходного прототипа; редукцию прототипа на СО, имеющиеся в базе данных;

определение человеком неизвестных СО; выделение неизменяемой части; выбор проблемы, которую необходимо решить (из базы данных проблем);

выбор предложенного программой решения данной проблемы (в виде набора СО);

синтез интегрированной принципиальной схемы из предложенных СО;

проверку допустимости схемы; принятие решений о продолжении работы. В случае отсутствия решения или его непригодности программа, работая с БДФ, создает набор функций, позволяющих решить ЛПР поставленную задачу. Таким образом, работа алгоритма направлена на создание не функциональной схемы (схемы соединений СО), а схемы функций (порядок преобразований и действий, позволяющий решить поставленную задачу), которая и является конечным продуктом работы алгоритма. Наличие ссылок из БФ к базе данных СО позволяет ЛПР синтезировать функциональную, а затем и принципиальную схему.

Для анализа допустимости (работоспособности) схемы необходимо ввести некоторые, достаточно условные, атрибуты СО, к которым относятся:

назначение выводов (информационный, энергетический);

импеданс вывода (условное значение, характеризующее выходной параметр - ток или напряжение);

функциональные зависимости параметров

СО;

направления потоков энергии через вывод (сток тока, исток тока);

направление потоков информации через вывод (вход, выход).

Для проверки допустимости схемы по энергетическим потокам следует определить направления и замкнутость потоков энергии от источников питания. При этом ток от положительного вывода источника питания должен, разветвляясь и проходя по элементам схемы, вернуться к отрицательному выводу источника. Свидетельством неработоспособности схемы являются разрывы в одной или нескольких ветвях. Проверка схемы по потокам энергии может быть проведена путем построения направленного графа и его анализа известными средствами.

Следующим этапом является информационная проверка. В допустимой схеме потоки информации должны проходить через схемные объекты от входа к выходу всего устройства. Необходимо отметить, что вход и выход могут быть условными, важен факт неразрывного прохождения потока информации с учетом направлений, заданных в атрибутах выводов СО, и преобразований, заявленных в описании функций СО. Разрывы в потоках информации могут возникать, например, в случае если источник информации (информационный вывод) одного из СО имеет токовый выход и нагружен на аналогичный выход другого СО.

Другой вариант - параллельное включение потенциальных выходов СО. Противоречие может возникать и при соединении выводов с разнородными физическими величинами параметров: ток и тепло, тепло и освещенность и т. д. Во всех этих случаях возникает противоречие, и схема признается недопустимой.

Общее правило проверки включений выводов СО формулируется просто: в один узел не должны сходиться только токовые выводы СО, потенциальные выводы не должны образовывать замкнутого контура и физические величины параметров (в точках соединения) должны совпадать.

Проверка схемы по информационным пото-

кам осуществляется следующим образом. Под потоком информации понимается передача изменения входного параметра на выходной. К параметрам относятся координаты режима (токи, напряжения), тепловые потоки, освещенность и т. п. Прежде всего должны быть указаны входы и выходы схемы (пусть даже условно), а также источник входного воздействия (источник тока, напряжения, тепла, света и т. д.). Общий алгоритм проверки схемы включает в себя следующие операции:

составление списка всех физических параметров СО;

выделение в списке априорно известных (не меняющихся) физических величин параметров (например, напряжение источников питания);

анализ схемы от входа к выходу с целью нахождения неопределенных параметров и разрывов потоков СО.

В результате выполнения этого алгоритма возможны четыре ситуации:

1) все параметры определены, и потоки информации не имеют разрывов;

2) остаются неопределенными какие-либо параметры;

3) все параметры определены, но имеются разрывы потоков;

4) комбинация второй и третьей ситуаций.

В первой ситуации очевидно, что схема признается непротиворечивой. Вторая ситуация свидетельствует о том, что на входные выводы некоторых СО не поступает информация или поступает противоречивая информация (два токовых выхода соединены без токоотвода и т. д.). В третьей ситуации некоторые СО имеют неполное включение: на вход поступает информация, а с выхода не снимается.

Предлагаемый алгоритм реализован в среде MATLAB 7.0.1, в которой порядок синтезируемой схемы ограничивается возможностью вычислителя, т. к. матрица входных и выходных параметров создается динамически и ее размер определяется размером используемой оперативной памяти. Фрагмент исходного скрипт-кода на языке программирования MATLAB операции сравнения выходных и входных параметров СО представлен ниже:

%функция перебора всех комбинаций параметров

function [y2,y4,y5] = perebor(elem1,elem2)

sehet = 1;

svsh = 1; svobl = 0; svob2 = 0; markl = false; mark2 = false;

for n=1:prod(size(elem1)) vm=1;

for m=1:prod(size(elem2)) if sravn(elem1(n),elem2(m)) markl = true;

vspom = strcat(num2str(n),num2str(m)); otv{schet}= vspom; schet = schet + 1; else

if(vm==prod(size(elem2)))

mark2 = true;

svob1(svsh)=n;

svsh=svsh+1;

end

vm=vm+1; vm2=0;

for j=1:prod(size(elem1)) if ~sravn(elem2(m),elem1(j))

vm2=vm2+1; end end

if vm2==prod(size(elem1)) mark2=true; svob2(svsh)=m; svsh=svsh+1; end end end end

if mark1 y2 = otv; else

y2 = ,'; end

if mark2 y4 = svob1; y5 = svob2; else y4 = 0; y5 = 0; end end

Финальным этапом проверки допустимости сгенерированных схемных решений является анализ разработки на соответствие техническим параметрам, заданным проектировщиком, таким, как проходная, частотная и фазовая характери-

123...П) (123...п) (123...п) .... (123...п Рис. 1. Граф-схема процесса синтеза интегрированных схемотехнических решений

стики; уровень шума; температурная стабильность; чувствительность параметров схемы к разбросу значений элементов и т. д. При этом целесообразно использование специализированных пакетов САПР (Cadence, CircuitMaker, Electronics Workbench, Micro-Cap и т. п.).

Синтез интегрированной принципиальной схемы предлагается осуществлять в соответствии с граф-схемой, представленной на рис. 1. В предлагаемом графе в качестве вершин (обозначен-

ных окружностью с номером) используются СО из начального набора, соответствующего набору функций принципиальной схемы прототипа.

Дуги задают операции схемотехнической интеграции объектов, расположенных в вершинах графа. Таким образом, образуется граф О = (V, Е), где V = {1, 2, 3 ... и}, Е = {ер е2, е3, е4, е5, е6,}, е = (1, 2), е2 = (1, 3), ез = (1, и), е4 = (2, 3), е, = (2, и), еб = (3, и).

В результате выполнения операции «Гене-

4

Рис. 2. Принципиальная схема УЗСР

рация СО» формируется дополнительное множество, состоящее из СО, реализуемых путем схемотехнической интеграции исходных СО. Обозначение таких СО и соответствующих им вершин графа состоит из двух номеров СО прототипа, задействованных в получении соответствующего нового СО.

Проверка допустимости сгенерированных схемотехнических решений осуществляется в соответствии с правилами, изложенными ранее. Допустимые решения заносятся в базу СО.

Во втором этапе схемотехнической интеграции участвуют СО прототипа, а также СО, сгенерированные на первом этапе. При этом результатом генерации являются СО, имеющие в обозначении трехзначный номер. Аналогично первому этапу проводятся операции проверки допустимости и занесения в базу СО.

Количество этапов синтеза схемотехнически интегрированных решений определяется возможностью получения новых схемотехнических решений и в пределе может достигать величины п — 1. Причем в результате возможна генерация множества решений функционально соответствующих предъявляемым требованиям, но отличающихся схемотехническим исполнением.

Рассмотрим более подробно предлагаемую граф-схему на примере синтеза схемотехнически интегрированного узла задания статического режима (УЗСР) интегральной микросхемы.

На рис. 2 представлена исходная схемотехни-

ческая реализация УЗСР.

Он включает в себя следующие схемные объекты: СО1 - переключатель тока (I1, VT1, VT2, R1, R2); СО2 - триггер (VT3-VT5, R3-R8); СО3 -формирователь гистерезиса (VT6, VD1, R9); СО4 - ключ (VT8, R10); СО5 - параметрический стабилизатор (VT7, VD2, R11); СО6 - компенсационный стабилизатор (VT9, VT10, VT12, VT13, VT15, R12, R13, R15, R16); СО7 - цепь запуска (VT11, VT14, R14).

Данная схема реализует гистерезисную зависимость U0 = f(U ) выходного напряжения U0 от напряжения питания микросхемы U , необходимую для реализации режима запуска (рис. 3).

При подаче напряжения ипм триггер устанавливается в состояние, при котором ключ замкнут, а выходное напряжение компенсационного стабилизатора близко к нулю. При достижении напряжением ипм величины U 2 триггер переключается в состояние, соответствующее разомкнутому положению ключа, при этом выходное напряжение равно величине U0. Обратное выключение происходит при меньшем напряжении U (U ,) из-за изменения порога срабатывания

пм 4 пмН r r

переключателя тока.

Величина выходного напряжения U0 определяется выражением:

U 0 =

е „ \г l+R15

Я

, (1)

'16 У V 13 У

где фт ~ 25 мВ - температурный потенциал; UM -напряжение эмиттер-база z'-го транзистора.

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения и от напряжения питания микросхемы и

Напряжения включения и выключения соответствуют следующим выражениям:

и +и

ад (2)

где и - напряжение стабилизации элемента УБ1.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Проведем синтез схемотехнически интегрированного решения для элемента УЗСР, используя граф-схему (см. рис. 1). Граф-схема процесса синтеза интегрированного решения УЗСР изображена на рис. 4.

Проверку на допустимость по результатам генерации прошли три решения, предполагающие интеграцию объектов 2 и 3, 4 и 7, 5 и 6, соответ-

(123) (47) (56

Рис. 4. Граф-схема синтеза интегрированного УЗСР

4

Рис. 5. Схемотехнически интегрированный УЗСР

ственно. Проверка возможности дополнительной интеграции показала, что допустимо схемотехническое решение, интегрирующее три объекта: 1, 2 и 3.

В варианте реализации элемента УЗСР на основе принципа схемотехнической интеграции (рис. 5) объединены следующие схемные объекты: 1, 2 и 3 (переключатель тока, формирователь гистерезиса и триггер (У1—УТ11, R1—R4); 4 и 7 (ключ и цепь запуска (УТ9—УТ11, R4); параметрический и компенсационный стабилизаторы (УТ12—УТ18, R5—R8). Коэффициент избыточности для данного схемотехнического решения составил ЯИ = 0,21(21).

Использование принципа схемотехнической интеграции при синтезе УЗСР позволило более чем в 1,5 раза сократить количество элементов схемы, а также снизить суммарный потребляемый ток в три раза.

Величины напряжений включения и выклю-

чения, соответствующие зависимости ио = .Ди ) (рис. 3), определяются выражениями:

Л

эб'

итт1=2<?т-±Ы^ + 2иэб-и{

Л, Оо

ад

ад

(3)

Величину тока I можно найти из соотноше-

ния:

/ = 2ф1п(ЗД)/Д

(4)

Таким образом, разработанные схемотехнические решения показывают, что использование информационной поддержки при синтезе интегрированных решений на этапе синтеза электрических принципиальных схем позволяет уменьшить число элементов результирующей схемы и повысить к.п.д. устройства в целом за счет снижения потребляемого тока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Половинкин, А.И. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании) [Текст] / А.И. Половинкин [и др.]; под ред. А.И. Половинкина. — М.: Радио и связь, 1981. —344 с.

2. Манжула, В.Г. Модели, методы и алгоритмы структурно-параметрического синтеза неизбыточных

смешанных СФ блоков [Текст] / В.Г. Манжула // Изв. ЮФУ Сер. Техн. науки. —2011. —№ 2. —С. 79—87.

3. Манжула, В.Г. Нейронные сети Кохонена и нечеткие нейронные сети в интеллектуальном анализе данных [Текст] / В.Г. Манжула, Д.С. Федя-шов // Фундаментальные исследования. —2011. —№ 4. —С. 108—114.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.