ユニバーサル アナログ プログラマブル IC: 基本機能ユニットの選択。 参照データ

無線電子工学と電気工学の百科事典 / マイクロ回路の応用

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論理システムの合成における再プログラム可能な論理集積回路 (FPGA) の重要性を過大評価することは困難です。 要素ベースと設計支援システムの一体開発により、複雑な論理システムをこれまでにない短期間で最小限の材料費で実現することができます。 したがって、アナログシステムの設計と製造において同様の結果を達成したいという願望は非常に理解できます。 しかし、この方向への多くの試みはまだ期待された結果をもたらしておらず、プログラマブル アナログ IC (PAIS) やマトリックス アナログ LSI (MABIS) は普及していません。

プログラム可能なアナログLSIの設計の問題

FPGA で論理システムを設計する分野の急速な進歩は、すべての論理システムがブール代数のよく発達した数学的装置に基づいているという事実によって事前に決定されていました。 この理論により、任意の論理関数の構築が、論理 AND-NOT (または OR-NOT) という XNUMX つの初等演算子のみの順序付けられた構成によって可能であることを証明することができます。 つまり、厳密に論理的なシステムは、NANDなどのXNUMXつのタイプのみの要素から設計できます。

アナログシステムの回路図の設計（合成）と解析（分解）の分野では状況が大きく異なります。 アナログエレクトロニクスでは、統一された方法論的立場から分析と合成の問題を解決することを可能にする、普遍的に認識されている単一の数学的装置はまだありません。 この現象の理由は、アナログ電子機器の開発の歴史の中で探求されるべきです。

初期段階では、アナログデバイスの回路は、複雑な回路図をノードに分割するという主なアイデアである機能ノード法の概念に従って開発されました。 ノードは要素のグループで構成され、明確に定義された機能を実行します。 ノードを組み合わせると、ブロック、ボード、キャビネット、メカニズムが形成されます。 デバイスと呼ばれるいくつかの統一された構造。 デバイスの組み合わせがシステムを形成します。 機能ノード法では、システムの基本コンポーネントはノードである必要があり、その主なタスクは明確に定義された機能を実行することであると想定していました。

そのため、機能性、つまりノードが何らかの機能を実行するという事実が、ノードを分類するための基準として採用されました。 しかし、エレクトロニクスが発展するにつれて、非常に多くの分離された機能 (およびその結果としてノード) が存在することが判明しました。 複雑なシステムの合成に必要な最小化と統合の可能性は失われました。 そのため、マトリックス アナログ LSI (MABIS) と Reprogrammable Analog Integrated Circuit (PAIS) の開発は減速し、減速し続けています。

プログラム可能なアナログ回路の分野の状況は、ロシアおよび外国の大手企業の動向を分析することで追跡できます。 したがって、OAO NIITTとAngstremプラントの専門家は、医療機器用のデータ取得、監視、制御システム用に設計されたRulタイプH5515KhT1、N5515KhT101のアナログデジタルBMC（基本マトリックス結晶）の開発と製造に注力しました。および制御測定機器[1]。

これらの BMC の設計には、アナログおよびデジタル マトリックスが含まれます。 デジタル マトリックスには、115 個のデジタル ベース セル (230 個の 2I-NOT ゲート) が含まれており、23 個のセルが 18 行に並んで配置されています。 アナログ マトリックスは、9 列の 17,8 セルに配置された 24,8 個のアナログ ベース セルを組み合わせたものです。 アナログ セルの列の間には、3,2 つの列のコンデンサ (公称 XNUMX pF) と XNUMX つの列の拡散抵抗 (それぞれ XNUMX kOhm) があります。 アナログ部分とデジタル部分の間には XNUMX kΩ の抵抗が並んでいます。

BMC は、12 種類のアナログ セル (A と B) を提供します。 タイプ A セルは、38 個の npn および XNUMX 個の pnp 絶縁コレクタ トランジスタと XNUMX 個のマルチタップ拡散抵抗で構成されています。 タイプ B セルでは、XNUMX つの NPN トランジスタが XNUMX つの pMOS トランジスタに置き換えられます。 タイプ A および B の周辺セルには、XNUMX つの強力な npn トランジスタ (タイプ B のセル内 - 分離されたコレクタ) と XNUMX つのバイポーラ トランジスタが含まれています。

デジタルベースセルは、XNUMXつのn-MOSトランジスタ、XNUMXつのp-MOSトランジスタ、バイポーラトランジスタの相補ペアのXNUMXつのタイプで表されます。 さらに、強力なデジタルセルが水晶の周辺に配置されており、XNUMX つの強力な n-MOS および p-MOS トランジスタと、ダーリントン回路に従って接続された XNUMX つの npn トランジスタが含まれています。

BMCの場合、標準のアナログおよびデジタル要素のライブラリが開発されており、BMCに基づいてデバイスを設計するプロセスが大幅に容易になり、スピードアップします。 これらおよび同様のBMCには、接続されていない電気無線要素（ERE）のセットが含まれており、ライブラリで指定されている多数の機能ユニットを取得できます。 このようなマイクロ回路の主な欠点は、範囲が非常に狭いことであり、このセットのEREの定格およびその他の特性の特定の値によって制限されます。 このセット用に開発および推奨されている機能ユニットの機能は、マイクロサーキットに付属のライブラリに記載されています。

米。 1.ispPAC-10の構造

2000年以来、ラティスセミコンダクターは、システム内プログラミングを備えたispPAC (In-System Programmable Analog Circuit)ファミリのプログラマブルアナログ集積回路(PAIS)を製造してきました。 プリント回路基板から引き抜く必要はありません [2, 3]。 2000 年半ばまでに、このファミリーの代表的な 1 種類、ispPAC-Yu (図 20)、ispPAC-2 (図 80)、ispPAC-60 が生産されました。 これらは、PAC-Designer パッケージを使用して構成、モデル化、およびプログラムされた最大 XNUMX 個のアクティブおよびパッシブ エレメントを統合します。

ispPACPAISには次のものが含まれます。

•マトリックス構成を提供する電気的に再プログラム可能な不揮発性メモリ（EEPROM）のシリアルインターフェイス回路、レジスタ、および要素。
•プログラム可能なアナログセル（PACcells）およびそれらで構成されるプログラム可能なアナログブロック（PACblocks）。
• 相互接続用のプログラム可能な要素 (ARP - アナログ ルーティング プール)。

このシリーズに組み込まれたアーキテクチャは、以下を含む基本的なセルに基づいています。 加算器/積分器スキームに従って実装された出力アンプ (VU)。 基準電圧源 2,5 V (ION); 電圧出力とデュアル コンパレータ (CP) を備えた 8 ビット DAC。 処理された信号のダイナミックレンジを拡大するためのセルのアナログ入力と出力（IONを除く）は、差動方式に従って行われます。 10 つの DUT と 20 つの VU が PAC ブロックと呼ばれるマクロセルを形成し、DUT の出力が VU の加算入力に接続されます。 ispPAC-20 には 10 つの PAC が含まれ、ispPAC-10 には 1 つ含まれています。 ispPAC-128 には、DAC とコンパレータ セルも含まれています。 セルでは、DUT のゲインは -XNUMX から +XNUMX の範囲で XNUMX 刻みでプログラムされ、VU のフィードバック回路では、コンデンサ容量の値 (XNUMX の可能な値) とオン/オフ抵抗。

多くのICメーカーは、「スイッチトキャパシタ」技術を使用してアナログ機能をプログラムします。これには、条件に応じて切り替わる電子スイッチを使用して周波数設定回路の静電容量を変更することが含まれます。

米。 2.ispPAC-20の構造

ラティスのアプローチは、電源を切らずにシステムを再構成するプロセス中に変更できる、経時的に一定の特性を持つ回路の使用に基づいています。 最初の方法で必要な追加の信号処理が不要になるため、この改善は重要です。

内部ルーティング ツール (アナログ ルーティング プール) を使用すると、マイクロ回路の入力ピン、マクロセルの入出力、DAC 出力、コンパレータ入力を相互に接続できます。 いくつかのマクロセルを組み合わせることで、積分器セクションの使用に基づいて、10 ～ 100 kHz の周波数範囲で調整可能なアクティブ フィルターの回路を構築することができます。

LatticeのispPACはPAisに最も近いことに注意してください。 それらの唯一の欠点は、調整可能なアクティブフィルターだけでなく、かなり多種多様なアナログシステムの設計を可能にする普遍的な基本要素のシステムがないことです。 ラティスセミコンダクターのispPACがアルテラやザイリンクスなどの企業のFPGAのアナログになるのを妨げるのはこの状況です。

一般に、アナログマイクロ回路の開発と実際の実装の分野の状況を分析すると、いくつかの一般化を行うことができます。

• 工業的に実装されたアナログ マイクロ回路の大部分は、集積度の観点から LSI として分類することはできません。
• アナログ LSI および BMK は、特定のクラスのデバイスの設計を目的としています。 それらは普遍的なものではありません。
• 大規模なアナログ システムを設計する場合、ファンクショナル ノード法が依然として支配的です (たとえば、テレビ受信機用の特殊な IC キット)。

FPGAとMABISの設計の単一の基盤

ただし、アナログシステムの設計のための統一回路設計の基礎を開発するタスクにはまだ解決策があります。これを理論的に実証し、概説したアイデアを実際に実装するための可能な方向性を示します。

まず第一に、大規模なアナログ電子システムの数学的モデルを選択して、基本要素の小さなグループを選び出す必要があります。 電子回路の解析と合成の分野では、前世紀の 4 年代に認識された線形微分方程式系の数学的装置に代わるものは事実上ありません [5, XNUMX]。 ただし、この方法論を実際に大量に使用するという考えは、まだすべての専門家の心をつかんでいないことに注意してください。

微分方程式のシステムは、要素とその接続で構成され、特定の構造によって特徴付けられます。 微分方程式の要素の基礎は、科学分野「オートマティックス」の枠組みの中で前世紀の前半に研究されました。 この分野では、統一などの微分方程式の利点が明らかになりました。それらの形式は、説明されているプロセスモデルに依存しません。 ただし、微分方程式を書く標準形では、調査中のシステムの関係の性質に関する視覚的な情報はありません。 そのため、自動制御理論の開発を通じて、微分方程式系の構造をさまざまなスキームの形で視覚化する方法が開発されてきました。

60 世紀の 6 年代の終わりまでに、動的システムのモデルの構造編成に関する現代的な視点が完全に形成されました [XNUMX]。 システムの数学的モデルの形成は、リンクへの分割とそれに続く記述から始まります-リンクの入力値と出力値に関連する方程式の形で分析的に。 または特性を伴うニーモニック図の形式でグラフィカルに。 個々のリンクの方程式または特性に従って、システム全体の方程式または特性がコンパイルされます。

典型的なものとして識別された動的システムのリンク

リンク名	リンク式 y(t)=f(u(t))	伝達関数W（s）= y（s）/ u（s）	素成分
比例	y(t)=ku(t)	Wп(s)=k	ノー
統合中	dy（t）/ dt = ku（t）; py = ku	Wi(s)=k/s	ノー
差別化	y（t）= kdu（t）/ dt; y = kpu	Wd(s)=ks	ノー
非周期的1次	(Tp+1)y = ku	W(s)=k/(Ts+1)
強制一次	Y \u1d k (Tp + XNUMX)	W(s)=k(Ts+1)
慣性の統合	p(Tp+1)y = ku	W(s) = k/[s(Ts+1)]
微分慣性	（Tp + 1）y = kpu	W（s）= ks /（Ts + 1）
Izodromnoe	py = k（Tp + 1）u	W(s) = k(Ts+1)/s
振動的、保存的、非周期的な 2 次	(T2p2+2ξTp+1)y = く	W（s）= k /（T2p2+2ξTp+1)

機能スキームの場合、システムが実行する機能に基づいてリンクに分割されている場合、数学的記述の場合、システムは記述を取得する利便性に基づいて断片化されていることに注意してください。 したがって、リンクはできるだけシンプル (小さく) する必要があります。 一方、システムをリンクに分割する場合、各リンクの数学的記述は、他のリンクとの接続を考慮せずにコンパイルする必要があります。 これは、リンクにアクションの方向がある場合に可能です。 入力から出力への一方向のみにアクションを送信します。 その場合、リンクの状態が変化しても、前のリンクの状態には影響しません。

リンクの作用の指向性の条件が満たされる場合、システム全体の数学的記述は、それらの間の接続の方程式によって補足された、個々のリンクの独立した方程式のシステムの形で得ることができます。 最も一般的な（典型的な）リンクは、非周期的、振動的、積分、微分、一定遅延リンクなどです[6]。

微分方程式系の形式のモデルにおける基本リンクの問題は、多くの著者によって研究されました[7-9]。 分析は、それらの位置が主に典型的なリンクの存在の事実を述べ、より複雑な構造の形成の過程におけるそれらの役割を研究することに還元されることを示しています[10]。 典型的なリンクのグループへの選択は、基準なしで任意に行われます。 さまざまなリンクが説明や正当化なしに典型的なリンクのリストに含まれており、「単純」と「基本」という用語も同様に典型的なリンクを示すために使用されます（表を参照）。 一方、構造行列の方法による動的システムの多数の「典型的な」リンクの研究[10-12]は、XNUMXつのリンク（比例、積分、微分）のみが構造行列に行列サイクルを含まないことを示しています。 したがって、それらだけがエレメンタリーと呼ばれることができます。 他のすべてのリンクは、基本リンクを組み合わせて構築されます。

したがって、伝達関数 W を持つ比例リンクの場合_B（s）= k_B および伝達関数 W によるリンクの微分_A（s）= k_A■負帰還方式（図3）に従って接続し、次に同等の伝達関数

したがって、結果は、時定数の値まで、一次非周期リンクの伝達関数と一致します。 これは、このリンクが負帰還を伴う回路に従って比例リンクと微分リンクを接続することによって得られることを意味しており、したがって初歩的であるとは考えられません。

米。 3.同等の非周期回路

同じ方法で、テーブルに含まれる残りのリンクを作成できます。 振動リンクの伝達関数 (T²p² + 2ξTp + 1)y = ku. したがって、時定数のみが異なる伝達関数を持つ XNUMX つの非周期的なリンクを直列に接続すると、同等の伝達関数は次の形式になります。

したがって、時定数の値までの結果は、調査中のリンクの伝達関数と一致します。 したがって、2次の振動的、保存的、および非周期的なリンクは、XNUMX次のリンクを直列に接続することによって取得できます。 これは、原則としてそれらを典型的と呼ぶことは許されますが、それらを基本的と見なすことはできないことを意味します。

表の最後の列に示されている結果を分析すると、基本リンクを接続することで、非周期的、等張性、強制、慣性の微分、慣性の積分などのリンクを取得できると結論付けることができます。 基本リンクを接続することで他の一般的なリンクの伝達関数が得られることを証明するには、一般的な接続スキームに従って10、XNUMXなどのリンクの接続を分析する必要があります。 基本リンクと一般的なXNUMX次リンクの接続を考慮すると、同じ結果が得られます。 そのような研究の一部はすでに行われており、その結果は[XNUMX]に示されています。

したがって、基本リンクを接続することにより、いわゆる典型的な動的リンクのすべての伝達関数を非常に簡単に取得できることが証明されています。 その結果、任意の動的システムは、比例、微分、積分のXNUMXつの基本リンクのみの乗算および接続演算子を使用して合成できます。 この結論は、無線電子回路を含む任意の次数の線形動的システムの構築に必要な要素の基礎を決定するため、基本的に重要です。 また、MABISやPAISの場合のように、動的システムが限られた範囲の動的リンクから構築されることになっている場合、導き出される結論は特に重要です。

米。 4. 基本ノードの簡単な回路ソリューション: a) 多入力加算器、b) 差動増幅器 (比例リンク)、c) 微分器 (微分リンク)、d) 積分器 (積分リンク)

マルチプレクサ、加算器、乗算器、積分器、微分器の4つの機能ユニットから任意のアナログデバイスを合成することが可能になります（図4）。 図に示すものに注意してください。 XNUMXつの回路は、実際に作成された回路ソリューションとして解釈されるべきではなく、機能回路の基本リンクを基本的な無線電子要素に置き換える可能性を正当化するものとしてのみ解釈されるべきです。 機能回路の基本リンクを対応するハードウェアに置き換えることで、指定された特性を持つアナログデバイスを設計することができます。

アナログデバイス合成例

次の形式のラプラス変換の形式で微分方程式のシステムによって与えられるモデルに従って、アナログデバイスの回路図を合成する非常に簡単な例を考えてみましょう。₀ = g、x₁ =×₀ -2倍₂/ s、x₂ = 10倍₁/ s、x₃ =×₂ -10倍₄/ s、x₄ = 500倍₃/ s。

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

この微分方程式系の構造行列を作成し、行列サイクルを矢印で強調してみましょう。
方程式と構造マトリックスを使用して、デバイスのブロック図を再構成します (図 5)。 構造マトリックスに従って、システムには 2 つの負のフィードバック (それぞれノード 1 -> ノード 4 およびノー​​ド 3 -> ノード 5) があります。 図のブロック図があるので、 図５は、最初は基本リンク上に構築されており、電子デバイスの機能図と考えることができる。

米。 5. 合成されたデバイスのブロック図 (段階的)

合成回路のシミュレーション結果 (図 6) から、与えられたパラメーターを使用して、直列に接続された XNUMX つの発電機を表していることがわかります。 つまり、XNUMX つの統合リンクのみで構成される非常に単純なデバイスが、低周波振動を高周波振動で変調するという比較的複雑な機能を実行します。

MABIS および PA-IS を設計および製造する場合、図のように、オペアンプで作成された基本リンクのハードウェア アナログを使用する必要はまったくないことに注意してください。 4、ただし、これに基づいて、それらは最適に解決されます[13–16]。 最も有望なのは、オプトエレクトロニクス コンポーネントに基本リンクのハードウェア アナログを実装することですが、他のオプションも可能です。

米。 6. 合成されたデバイスのオシログラム

ユニバーサル MABIS と PAIS - 可能です

したがって、微分方程式のシステムの主要な演算子である乗算、微分、積分、加算、および乗算（多重化）に対応する、任意のREAの10つの基本（最も単純な）コンポーネントを選択することができます。 アナログ電子デバイスを設計するための方法論は、[XNUMX]を前提としています。

• XNUMX 次の n 微分方程式 (または l 次微分方程式) のシステムの形で数学モデルを設計するための初期データとして使用します。
•設計されたデバイスの構造マトリックスを構築し、マトリックスサイクルを見つける。
• 設計されたデバイスのブロック図の復元。
• 典型的なリンクを基本的なリンクのセットに置き換えることにより、ブロック図を機能的なものに変換します。
• 基本リンクを同等のハードウェア基本要素に置き換えることにより、設計されたデバイスの機能図を電気回路図に変換します (おそらく、最新の CAD システムを使用すると、機能記述から直接トポロジを合成することでこの段階を回避できます)。
• 設計されたデバイスのトポロジーの開発。

提案されたアプローチには、多くの決定的な利点があります。 したがって、設計されたデバイスの機能図は、標準的な行列変換を使用して元の微分方程式系から合成され、これを順序付けして自動計算用のアルゴリズムに変換できます。 電気回路図は、基本的なダイナミック リンクを同等の基本要素に置き換えるだけで、機能図から合成されます。 CAD ツールを使用してデバイスのモデリングを行うことも、大幅に簡単になります。

したがって、基本リンクのセットは多数ではないため、ユニバーサル MABIS および PAIS を設計する可能性が実際にあります。 これにより、アナログおよびデジタル-アナログデバイスの設計が大幅に簡素化され、エレクトロニクス全般のさらなる発展への魅力的な見通しが開かれます。

文学

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2.クルバトフ。 A.プログラム可能なアナログ集積回路。 人生は続く。 -コンポーネントとテクノロジー、2000年、第2号。
3. Petrosyants K.、Suvorov A.、Khrustalev I. Lattice Semiconductor のプログラマブル アナログ マトリックス。 - ChipNews、2001、No. 1。
4. Ku E.S.、Sorer R.A. 状態変数法の回路解析への応用。 - ティア、1965 年、第 7 号。
5.イリンV.N. コンピューターを利用した電子回路の設計。 - M.: エネルギー、1972 年。
6.ユレビッチE.I. 自動制御の理論。 - L.: エネルギー、1975 年。
7.クロパトキンPV 自動制御の理論。 - M.: 高等学校、1973 年。
8. ヴォロノフ A.A.、チトフ V.K.、ノボグラノフ B.N. 自動調整と制御の理論の基礎。 - M.: 高等学校、1977 年。
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10.ミシンG.T. アナログマイクロエレクトロニクスの自然科学的基盤。 -M .: MIEM、2003年。
11. シャティヒン L.G. 構造マトリックスとそのシステム研究への応用。 - M.: 機械工学、1974 年。
12. シャティヒン L.G. 構造マトリックスとそのシステム研究への応用。 - M.: 機械工学、1991 年。
13. アナログ集積回路。 /編J・コネリー。 -M.: ミール、1977年。
14. J.レンク。 電子回路。 実践ガイド。 - M.: ミール、1985年。
15. ネステレンコ B.K. オペアンプ内蔵。 - M.: Energoizdat、1982 年。
16. Horowitz P.、Hill W. The Art of Circuit Design T. 1. - M.: ミール、1983 年。

著者：G。ミシン; 出版物：cxem.net

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