범용 아날로그 프로그래밍 가능 IC: 기본 기능 단위 선택. 참고자료

무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 미세 회로의 응용

 기사에 대한 의견

논리 시스템의 합성에서 재프로그래밍 가능한 논리 집적 회로(FPGA)의 중요성을 과대평가하는 것은 어렵습니다. 요소 기반과 컴퓨터 지원 설계 시스템의 통합 개발을 통해 전례 없이 짧은 시간에 최소한의 재료 비용으로 복잡한 논리 시스템을 구현할 수 있습니다. 따라서 아날로그 시스템의 설계 및 생산에서 유사한 결과를 얻으려는 욕구는 충분히 이해할 수 있습니다. 그러나 이러한 방향으로 시도된 많은 시도가 아직 기대한 결과를 가져오지 못했고 프로그래밍 가능한 아날로그 IC(PAIS) 및 매트릭스 아날로그 LSI(MABIS)가 보편화되지 않았습니다.

프로그래머블 아날로그 LSI 설계의 문제점

FPGA에서 논리 시스템을 설계하는 분야의 급속한 발전은 모든 논리 시스템이 Boole 대수라는 잘 발달된 수학적 장치를 기반으로 한다는 사실에 의해 미리 결정되었습니다. 이 이론은 논리 AND-NOT(또는 OR-NOT)라는 하나의 기본 연산자의 정렬된 구성으로 임의의 논리 함수를 구성할 수 있음을 증명할 수 있습니다. 즉, 엄격한 논리 시스템은 한 가지 유형의 요소(예: NAND)로만 설계할 수 있습니다.

아날로그 시스템의 회로도 설계(합성) 및 분석(분해) 분야에서는 상황이 상당히 다릅니다. 아날로그 전자공학에서는 통합된 방법론적 입장에서 분석 및 합성 문제를 해결할 수 있는 보편적으로 인정되는 단일 수학적 장치가 아직 없습니다. 이러한 현상의 원인은 아날로그 전자공학의 발전사에서 찾아야 한다.

초기 단계에서 아날로그 장치의 회로는 복잡한 회로도를 노드로 나누는 것이 주요 아이디어인 기능적 노드 방법의 개념에 따라 개발되었습니다. 노드는 요소 그룹으로 구성되며 잘 정의된 기능을 수행합니다. 결합되면 노드는 블록, 보드, 캐비닛, 메커니즘을 형성합니다. 장치라고하는 일부 통합 구조. 장치의 조합은 시스템을 형성합니다. 기능적 노드 방법은 시스템의 기본 구성 요소가 잘 정의된 기능을 수행하는 주요 작업인 노드여야 한다고 가정했습니다.

그렇기 때문에 노드를 분류하는 기준은 기능, 즉 노드가 어떤 기능을 수행한다는 사실입니다. 그러나 전자 장치가 발전함에 따라 매우 많은 수의 격리 및 격리 기능(결과적으로 노드)이 있음이 밝혀졌습니다. 복잡한 시스템의 합성에 필요한 최소화와 통일의 가능성은 사라졌습니다. 이것이 매트릭스 아날로그 LSI(MABIS) 및 재프로그래밍 가능한 아날로그 집적 회로(PAIS)의 개발이 느려지고 계속 느려지는 이유입니다.

프로그래밍 가능한 아날로그 회로 분야의 상황은 주요 러시아 및 외국 회사의 발전을 분석하여 추적할 수 있습니다. 따라서 OAO NITT 및 Angstrem 공장의 전문가들은 의료 장비용 데이터 수집, 모니터링 및 제어 시스템용으로 설계된 Rul 유형 H5515KhT1, N5515KhT101의 아날로그-디지털 BMC(기본 매트릭스 결정)의 개발 및 생산에 노력을 집중했습니다. 및 제어 측정 장비 [1].

이러한 BMC의 설계에는 아날로그 및 디지털 매트릭스가 포함됩니다. 디지털 매트릭스에는 115개의 디지털 기본 셀(230개의 2I-NOT 게이트)이 포함되어 있으며, 이 셀은 23개의 셀로 구성된 18개의 행으로 배열되어 있습니다. 아날로그 매트릭스는 9셀의 17,8행에 배열된 24,8개의 아날로그 베이스 셀을 결합합니다. 아날로그 셀 행 사이에는 3,2행의 커패시터(공칭 XNUMXpF)와 XNUMX행의 확산 저항(각각 XNUMXkOhm)이 있습니다. 아날로그 부품과 디지털 부품 사이에는 XNUMXkΩ 저항 행이 있습니다.

BMC는 두 가지 유형의 아날로그 셀(A 및 B)을 제공합니다. A형 셀은 12npn 및 38pnp 절연 컬렉터 트랜지스터와 XNUMX개의 멀티탭 확산 저항으로 구성됩니다. B형 셀에서 XNUMX개의 NPN 트랜지스터는 XNUMX개의 pMOS 트랜지스터로 대체됩니다. 유형 A 및 B의 주변 장치 셀에는 XNUMX개의 강력한 npn 트랜지스터(B 유형의 셀 - 절연 컬렉터 포함)와 XNUMX개의 바이폴라 트랜지스터가 있습니다.

디지털 베이스 셀은 XNUMX개의 n-MOS 트랜지스터, XNUMX개의 p-MOS 트랜지스터 및 상보적 바이폴라 트랜지스터 쌍의 세 가지 유형으로 표시됩니다. 또한 강력한 디지털 셀은 XNUMX개의 강력한 n-MOS 및 p-MOS 트랜지스터와 Darlington 회로에 따라 연결된 XNUMX개의 npn-트랜지스터를 포함하는 크리스탈 주변에 있습니다.

BMC의 경우 표준 아날로그 및 디지털 요소 라이브러리가 개발되어 BMC 기반 장치 설계 프로세스를 크게 촉진하고 가속화합니다. 이러한 BMC 및 유사한 BMC에는 라이브러리에 지정된 여러 기능 장치를 얻을 수 있는 연결되지 않은 ERE(전기 무선 요소) 세트가 포함되어 있습니다. 이러한 미세 회로의 주요 단점은 이 세트에서 ERE의 정격 및 기타 특성의 특정 값에 의해 제한되는 매우 좁은 범위입니다. 이 세트를 위해 개발 및 권장되는 기능 장치의 기능은 마이크로 회로와 함께 제공되는 라이브러리에 나와 있습니다.

쌀. 1. ispPAC-10의 구조

Lattice Semiconductor는 2000년부터 시스템 내 프로그래밍, 즉 인쇄 회로 기판에서 추출하지 않고 [2, 3]. 2000년 중반까지 이 과의 세 가지 대표자가 생산되었습니다: ispPAC-Yu(그림 1), ispPAC-20(그림 2) 및 ispPAC-80. PAC-Designer 패키지를 사용하여 구성, 모델링 및 프로그래밍되는 최대 60개의 능동 및 수동 요소를 통합합니다.

ispPAC PAIS에는 다음이 포함됩니다.

• 직렬 인터페이스 회로, 레지스터 및 매트릭스 구성을 제공하는 전기적으로 재프로그래밍 가능한 비휘발성 메모리(EEPROM) 요소;
• 프로그래밍 가능한 아날로그 셀(PACcell) 및 이들로 구성된 프로그래밍 가능한 아날로그 블록(PACblocks);
• 상호 연결을 위한 프로그래밍 가능한 요소(ARP - 아날로그 라우팅 풀).

이 시리즈에 내장된 아키텍처는 다음을 포함하는 기본 셀을 기반으로 합니다. 계측 증폭기(IU); 가산기/적분기 방식에 따라 구현된 출력 증폭기(VU); 기준 전압 소스 2,5V(ION); 전압 출력 및 이중 비교기(CP)가 있는 8비트 DAC. 처리된 신호의 동적 범위를 증가시키기 위한 셀의 아날로그 입력 및 출력(ION 제외)은 차동 방식에 따라 이루어집니다. 10개의 DUT와 20개의 VU는 PAC 블록이라고 하는 매크로셀을 형성하며, 여기서 DUT의 출력은 VU의 합산 입력에 연결됩니다. ispPAC-20에는 10개의 PAC가 포함되고 ispPAC-10에는 1개의 PAC가 포함됩니다. ispPAC-128에는 DAC 및 비교기 셀도 포함됩니다. 셀에서 DUT의 이득은 XNUMX단계로 -XNUMX ~ +XNUMX 범위에서 프로그래밍되며 VU의 피드백 회로에서는 커패시터 커패시턴스(XNUMX개의 가능한 값) 및 on/ 저항 해제.

많은 IC 제조업체는 조건에 따라 스위칭하는 전자 스위치를 사용하여 주파수 설정 회로의 커패시턴스를 변경하는 것과 관련된 아날로그 기능을 프로그래밍하기 위해 "스위치된 커패시터" 기술을 사용합니다.

쌀. 2. ispPAC-20의 구조

Lattice의 접근 방식은 전원을 끄지 않고 시스템을 재구성하는 과정에서 변경될 수 있는 시간 경과에 따라 일정한 특성을 갖는 회로의 사용을 기반으로 합니다. 이 개선은 첫 번째 방법에서 필요한 추가 신호 처리를 제거하기 때문에 중요합니다.

내부 라우팅 도구(아날로그 라우팅 풀)를 사용하면 마이크로 회로의 입력 핀, 매크로셀의 입력 및 출력, DAC 출력 및 비교기 입력을 서로 연결할 수 있습니다. 여러 개의 매크로셀을 결합함으로써 적분기 섹션을 사용하여 10~100kHz의 주파수 범위에서 조정 가능한 능동 필터 회로를 구축할 수 있습니다.

Lattice의 ispPAC는 PAIS에 가장 가깝습니다. 이들의 유일한 단점은 조정 가능한 능동 필터뿐만 아니라 상당히 다양한 아날로그 시스템을 설계할 수 있는 보편적인 기본 요소 시스템이 없다는 것입니다. Lattice Semiconductor의 ispPAC가 Altera 및 Xilinx와 같은 회사에서 FPGA의 아날로그가 되는 것을 방해하는 것은 이러한 상황입니다.

일반적으로 아날로그 초소형 회로의 개발 및 실제 구현 분야의 상황을 분석하여 다음과 같이 일반화할 수 있습니다.

• 산업적으로 구현된 아날로그 초소형 회로의 대부분은 집적도 측면에서 LSI로 분류될 수 없습니다.
• 아날로그 LSI 및 BMK는 특정 클래스의 장치를 설계하기 위한 것입니다. 그것들은 보편적이지 않습니다.
• 대형 아날로그 시스템을 설계할 때 기능 노드 방식이 여전히 지배적입니다(예: 텔레비전 수신기용 특수 IC 키트).

FPGA 및 MABIS 설계를 위한 단일 기반

그러나 아날로그 시스템 설계를 위한 통합 회로 설계 기반을 개발하는 작업에는 여전히 솔루션이 있으며, 이를 이론적으로 입증하고 요약된 아이디어의 실제 구현을 위한 가능한 방향을 보여주려고 합니다.

우선, 작은 그룹의 기본 요소를 골라낼 수 있는 대형 아날로그 전자 시스템의 수학적 모델을 선택해야 합니다. 전자 회로의 분석 및 합성 분야에서 지난 세기의 4년대에 다시 인식된 선형 미분 방정식 시스템의 수학적 장치에 대한 대안은 사실상 없습니다[5, XNUMX]. 그러나이 방법론의 실질적인 대량 사용에 대한 아이디어는 아직 모든 전문가의 마음을 마스터하지 못했습니다.

미분 방정식 시스템은 요소와 그 연결로 구성되며 특정 구조가 특징입니다. 미분 방정식의 기본 기초는 과학 분야 "자동화"의 틀 내에서 지난 세기 전반부에 연구되었습니다. 이 영역에서 통일과 같은 미분 방정식의 이점이 나타났습니다. 그 형태는 설명된 프로세스 모델에 의존하지 않습니다. 그러나 미분방정식을 작성하는 표준 형식에는 연구 중인 시스템에서 관계의 특성에 대한 시각적 정보가 없습니다. 따라서 자동 제어 이론의 발전을 통해 다양한 형태의 미분 방정식 시스템의 구조를 시각화하는 방법이 개발되었습니다.

60 세기의 6 년대 말까지 동적 시스템 모델의 구조적 구성에 대한 현대적인 관점이 완전히 형성되었습니다 [XNUMX]. 시스템의 수학적 모델의 형성은 링크로의 분할 및 후속 설명으로 시작됩니다. 링크의 입력 및 출력 값과 관련된 방정식의 형태로 분석적으로; 또는 특성이 있는 니모닉 다이어그램의 형태로 그래픽으로 표시됩니다. 개별 링크의 방정식 또는 특성에 따라 시스템 전체의 방정식 또는 특성이 컴파일됩니다.

일반적인 것으로 식별된 동적 시스템의 링크

링크 이름	연결 방정식 y(t)=f(u(t))	전달 함수 W(s)=y(s)/u(s)	기본 구성 요소
비례항	y(티)=쿠(티)	Wп(들)=k	아니
통합	dy(t)/dt = ku(t); 파이 = 구	Wi(s)=k/s	아니
차별화	y(t)=kdu(t)/dt; y=kpu	Wd(들)=ks	아니
비주기적 1차 주문	(Tp+1)y = 구	W(s)=k/(Ts+1)
강제 1차 주문	Y \u1d k (Tp + XNUMX)	W(s)=k(Ts+1)
관성 통합	p(Tp+1)y = 구	W(s) = k/[s(Ts+1)]
미분 관성	(Tp+1)y = kpu	W(s) = ks/(Ts+1)
이조드롬노예	파이 = k(Tp+1)u	W(s) = k(Ts+1)/s
진동, 보수, 비주기적 2차	(T2p2+2ξTp+1)y = 구	W(들)=k/(T2p2+2ξTp+1)

기능 체계의 경우 시스템이 수행하는 기능에 따라 링크로 분할되고 수학적 설명의 경우 시스템은 설명을 얻는 편의에 따라 단편화됩니다. 따라서 링크는 가능한 한 단순해야 합니다(작게). 반면에 시스템을 링크로 나눌 때 각 링크의 수학적 설명은 다른 링크와의 연결을 고려하지 않고 컴파일되어야 합니다. 이는 링크에 작업 방향이 있는 경우 가능합니다. 입력에서 출력으로 한 방향으로만 동작을 전송합니다. 그런 다음 링크 상태의 변경은 이전 링크의 상태에 영향을 주지 않습니다.

링크 작용의 방향성에 대한 조건이 충족되면 전체 시스템에 대한 수학적 설명은 개별 링크의 독립 방정식 시스템의 형태로 얻을 수 있으며 이들 사이의 연결 방정식으로 보완됩니다. 가장 일반적인(전형적인) 링크는 비주기적, 진동, 통합, 미분, 일정 지연 링크와 같은 링크입니다[6].

미분 방정식 시스템 형태의 모델에서 기본 링크 문제는 여러 저자에 의해 연구되었습니다 [7-9]. 분석에 따르면 [10] 그들의 입장은 주로 전형적인 연결 고리가 존재한다는 사실을 말하고 더 복잡한 구조가 형성되는 과정에서 그들의 역할을 연구하는 것으로 축소됩니다. 일반적인 링크 그룹으로의 선택은 기준 없이 임의로 이루어집니다. 대표적인 링크는 설명과 정당성 없이 서로 다른 링크가 포함되어 있으며, '단순'과 '기본'이라는 용어도 동일하게 사용하여 대표적인 링크를 지칭한다(표 참조). 한편, 구조적 매트릭스[10-12]의 방법에 의한 동적 시스템의 수많은 "전형적인" 링크에 대한 연구는 비례, 적분 및 미분의 세 링크만이 구조 매트릭스에 매트릭스 사이클을 포함하지 않는다는 것을 보여줍니다. 따라서 그들은 초등이라고 부를 수 있습니다. 다른 모든 링크는 기본 링크를 결합하여 구축됩니다.

따라서 전달 함수 W가 있는 비례 링크인 경우_B(들) = k_B 전달 함수 W로 링크 미분_A(들) = k_A네거티브 피드백 방식(그림 3)에 따라 연결한 다음 등가 전달 함수

따라서, 시상수 값까지의 결과는 XNUMX차 비주기 링크의 전달 함수와 일치합니다. 이는 이 링크가 네거티브 피드백이 있는 회로에 따라 비례 링크와 미분 링크를 연결하여 얻을 수 있으므로 기본으로 간주할 수 없음을 의미합니다.

쌀. 3. 등가, 비주기적 회로

같은 방법으로 테이블에 포함된 나머지 링크를 작성할 수 있습니다. 진동 링크(T²p² + 2ξTp + 1)y = 구. 따라서 시간 상수만 다른 전달 함수를 사용하여 두 개의 주기적 링크를 직렬로 연결하면 등가 전달 함수는 다음 형식을 취합니다.

따라서 결과는 시간 상수의 값까지 연구 중인 링크의 전달 함수와 일치합니다. 따라서 2차 링크를 직렬로 연결하여 XNUMX차 진동, 보수 및 비주기적 링크를 얻을 수 있습니다. 이것은 원칙적으로 그것들을 전형적이라고 부를 수는 있지만 기본적으로 간주될 수 없다는 것을 의미합니다.

표의 마지막 열에 제공된 결과를 분석하면 기본 링크를 연결하여 비주기적, 등방성, 강제력, 미분 관성 및 적분 관성과 같은 링크를 얻을 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 기본 링크를 연결하여 다른 일반적인 링크의 전달 기능을 얻을 수 있음을 증명하려면 일반적인 연결 방식에 따라 링크 10개, XNUMX개 등의 연결을 분석해야 합니다. 일반적인 XNUMX차 링크와 기본 링크의 연결을 고려하면 동일한 결과를 얻을 수 있습니다. 그러한 연구의 일부는 이미 수행되었으며 그 결과는 [XNUMX]에 나와 있습니다.

따라서 기본 링크를 연결하면 소위 일반적인 동적 링크의 모든 전달 기능을 얻는 것이 매우 간단하다는 것이 입증되었습니다. 결과적으로, 임의의 동적 시스템은 비례, 미분 및 적분의 세 가지 기본 링크의 곱셈 및 연결 연산자를 사용하여 합성할 수 있습니다. 이 결론은 무선 전자 회로를 포함하여 모든 차수의 선형 동적 시스템을 구성하는 데 필요한 요소 기반을 결정하기 때문에 근본적으로 중요합니다. 그리고 MABIS 및 PAIS의 경우와 같이 동적 시스템이 제한된 범위의 동적 링크에서 구축되어야 한다면 도출된 결론이 특히 중요합니다.

쌀. 4. 기본 노드의 간단한 회로 솔루션: a) 다중 입력 가산기, b) 차동 증폭기(비례 링크), c) 미분기(미분 링크), d) 적분기(통합 링크)

멀티플렉서, 가산기, 곱셈기, 적분기 및 미분기의 4가지 기능 유닛에서만 임의의 아날로그 장치를 합성할 수 있습니다(그림 4)! Fig. XNUMX개의 회로는 실제로 해결된 회로 솔루션으로 간주되어서는 안 되며 기능 회로의 기본 링크를 기본 무선 전자 소자로 대체할 가능성에 대한 정당화로만 간주해야 합니다. 기능 회로의 기본 링크를 하드웨어 대응물로 교체하면 지정된 특성을 가진 아날로그 장치를 설계할 수 있습니다.

아날로그 장치 합성 예

다음 형식의 라플라스 변환 형태로 미분 방정식 시스템이 제공하는 모델에 따라 아날로그 장치의 회로도를 합성하는 매우 간단한 예를 고려하십시오. x₀ = 지, 엑스₁ =x₀ - 2배₂/s,x₂ = 10 배₁/s,x₃ =x₂ - 10배₄/s,x₄ = 500 배₃/에스.

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

이 미분 방정식 시스템의 구조적 행렬을 구성하고 화살표로 행렬 주기를 강조 표시해 보겠습니다.
방정식과 구조 행렬을 사용하여 장치의 블록 다이어그램을 재구성합니다(그림 5). 구조 매트릭스에 따라 시스템에는 각각 노드 2 -> 노드 1 및 노드 4 -> 노드 3의 두 가지 부정적인 피드백이 있습니다. 그림의 블록 다이어그램 이후 도 5는 초기에 기본 링크를 기반으로 구축되었으며 전자 장치의 기능 다이어그램으로 간주될 수 있습니다.

쌀. 5. 합성된 장치의 블록 다이어그램(단계별)

합성된 회로의 시뮬레이션 결과(그림 6)에서 주어진 매개변수와 함께 직렬로 연결된 두 개의 발전기를 나타냄을 알 수 있습니다. 즉, XNUMX개의 통합 링크로 구성된 매우 간단한 장치가 저주파 진동을 고주파 진동으로 변조하는 비교적 복잡한 기능을 수행합니다.

MABIS 및 PA-IS를 설계 및 제조할 때 그림 4과 같이 연산 증폭기에서 만들어진 기본 링크의 하드웨어 아날로그를 사용할 필요는 절대 없습니다. 13, 비록 이 기초에서 그것들이 가장 잘 해결되었지만[16-XNUMX]. 다른 옵션도 가능하지만 광전자 부품에 대한 기본 링크의 하드웨어 아날로그 구현이 가장 유망합니다.

쌀. 6. 합성된 소자의 오실로그램

범용 MABIS 및 PAIS - 가능

따라서 미분 방정식 시스템의 주요 연산자인 곱셈, 미분, 통합, 더하기 및 곱셈(멀티플렉싱)에 해당하는 REA의 10가지 기본(가장 간단한) 구성 요소를 선택하는 것이 가능합니다. 아날로그 전자 장치를 설계하기 위한 방법론은 다음을 가정합니다[XNUMX].

• XNUMX차 미분방정식(또는 l차 미분방정식) 시스템의 형태로 수학적 모델을 설계하기 위한 초기 데이터로 사용합니다.
• 설계된 장치의 구조적 매트릭스를 구축하고 매트릭스 주기를 찾습니다.
• 설계된 장치의 블록 다이어그램 복원;
• 일반적인 링크를 기본 링크 세트로 대체하여 블록 다이어그램을 기능적인 블록 다이어그램으로 변환합니다.
• 기본 링크를 동등한 하드웨어 기본 요소로 교체하여 설계된 장치의 기능 다이어그램을 전기 회로 다이어그램으로 변환합니다(아마도 최신 CAD 시스템을 사용하면 기능 설명에서 직접 토폴로지를 합성하여 이 단계를 피할 수 있습니다).
• 설계된 장치의 토폴로지 개발.

제안된 접근 방식에는 여러 가지 결정적인 이점이 있습니다. 따라서 설계된 장치의 기능 다이어그램은 자동 계산을 위한 알고리즘으로 정렬 및 변환될 수 있는 표준 행렬 변환을 사용하여 원래의 미분 방정식 시스템에서 합성됩니다. 전기 회로 다이어그램은 기본 동적 링크를 동등한 기본 요소로 간단히 대체하여 기능 다이어그램에서 합성됩니다. CAD 도구를 사용하여 장치를 모델링하면 훨씬 더 쉬워질 수도 있습니다.

따라서 기본 링크의 집합이 많지 않기 때문에 보편적인 MABIS와 PAIS를 설계할 수 있는 실제 가능성이 있습니다. 이는 차례로 아날로그 및 디지털 아날로그 장치의 설계를 크게 단순화하고 일반적으로 전자 제품의 추가 개발에 대한 매력적인 전망을 열어줍니다.

문학

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2. 쿠르바토프. A. 프로그래밍 가능한 아날로그 집적 회로. 삶은 계속된다. - 부품 및 기술, 2000, No. 2.
3. Petrosyants K., Suvorov A., Khrustalev I. Lattice Semiconductor의 프로그래밍 가능한 아날로그 매트릭스. - 칩뉴스, 2001, No. 1.
4. 구 E.S., 소러 R.A. 상태변수 방법을 회로분석에 적용. -티어, 1965, No. 7.
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11. 샤티킨 L.G. 구조 행렬과 시스템 연구에의 응용. - M .: 기계 공학, 1974.
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저자: G. Mishin; 간행물: cxem.net

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