Очередным важным этапом решения задачи является разработка схемотехники широкополосных экономичных и адаптированных под конкретную технологию функционально завершенных узлов, являющихся важ-ной составной частью портов и аналоговых СФ блоков. Комплекты разнообразных операционных усилителей, компараторов и источников опорного напряжения позволяют в сочетании с новыми конфигурациями функционально завершенных устройств, полученных, в частности, методом структурного синтеза, достаточно точно определить предельные для решаемой задачи реализационные возможности различных структур аналоговых портов, возможность построения не мультиплексированных архитектур или, в крайнем случае, обоснование целесообразности создания мини-системы. Не менее важной в практическом отношении является возможность совмещения различных функционально неоднородных узлов аналогового интерфейса. Такой подход может обеспечить решение ряда важных задач из многих сложных ситуаций. Например, создание схемотехники мультидифференциальных операционных усилителей, теоретического базиса для построения на их основе линейных аналоговых устройств позволило разработать на одном активном элементе схему экономичного аналогового порта ввода, совмещающего функции инструментального усилителя и фильтра.
Четвертая задача общей проблемы аналоговой электроники, ориентированной на СБИС типа «система на кристалле», связана с развитием схемотехники прецизионных функционально завершенных устройств как с фиксированными, так и с управляемыми параметрами. Методы их структурного синтеза позволяют создать принципиальные схемы с расширенными частотным и динамическим диапазонами, что достигается как структурной, так и параметрической оптимизацией влияния частоты единичного усиления активных элементов на их основные характеристики и параметры. В рамках выполненных исследований, в частности, показано, что при построении инициализируемых двоичным кодом устройств необходимо увеличивать число активных элементов (усилителей), которые совместно с цифроуправляемыми проводимостями позволяют создать на базе принципа собственной компенсации устройства с низкой суммарной чувствительностью к частоте единичного усиления и другим параметрам операционных усилителей. Указанное обстоятельство позволяет перевести в практическую плоскость вопрос конкурентоспособности аналоговых портов с фиксированными и управляемыми параметрами. Несмотря на относительную сложность последних их эффективность в СБИС может оказаться решающим фактором в процедуре принятия решения. По крайней мере, существующие алгоритмы цифровой обработки сигналов показывают, что за счет более полного использования разрядной сетки и исключения этапа частотной фильтрации можно не только повысить быстродействие системы, но и достоверность конечных результатов.
Наконец, и это самое важное на начальном этапе развития проблемно-ориентированных систем на кристалле, сложные в аппаратной (компонентной) реализации инициализируемые, но эффективные аналоговые интерфейсы могут изменить стратегию построения мини-систем. Двух- и трехкристалльные мини-системы будут состоять из принципиально асимметричных решений – первая СБИС решает задачу аналого-цифрового преобразования на базе сложных портов ввода данных, их предварительную обработку, включая и оценку производных, сортировку входных масссивов, арбитраж прерываний и т.п. Что касается второй СБИС, то по своему функциональному назначению это может быть центральный процессорный элемент системы. Возможны и другие, более сложные варианты их взаимодействия, но в любом случае существенное упрощение процедуры синхронизации не только повысит производительность системы в целом, но и снимет ряд проблем на пути повышения их предельной сложности.
Однако, как и ранее, возможность технологической реализации такого подхода будет непосредственно зависеть от глубины проработки схемотехнической реализации инициализируемых аналоговых устройств и создания соответствующей библиотеки IP модулей.
Следует также выделить задачи аналоговой микросхемотехники, ориентированные на СБИС аппаратуры связи. Здесь ввод данных (сигналов) в SoC-контроллер решается относительно простыми аппаратными ресурсами. Сравнительно небольшой динамический диапазон, отсутствие необходимости усиливать медленно меняющиеся (близкие к постоянному току) аналоговые сигналы существенно упрощают схемотехнические решения соответствующих узлов и модулей. Однако одновременно с этим обеспечение высокой скорости передачи обрабатываемых данных может заметно усложнить схемотехнику портов вывода, что связано с передачей в линию связи, включая и радиотракт, относительно большой мощности в диапазоне высоких частот. Именно здесь использование принципа собственной компенсации влияния проходных емкостей транзисторов может дать хороший результат.
Сравнение существующих мини- и микроконтроллерных систем показывает, что этот переход заметно сократил число функциональных и математических операций, выполняемых аналоговыми узлами. Несомненно, это сместило «центр тяжести» и негативным образом повлияло на предельные реализационные возможности СБИС в радиоэлектронной аппаратуре. В этой связи с определенной уверенностью можно утверждать, что создание экономичных широкодиапазонных элементов и устройств, образующих функциональный базис современных IP модулей, позволит в SoC-контроллерах, пусть и частично, сохранить преимущества гибридных мини-систем обработки аналоговых сигналов. Рассмотренные выше задачи сведены в таблицу, показанную на рис. 1.
Приведенные выше соображения в области аналоговой микросхемотехники требуют дополнительных комментариев. По данным ведущих зарубежных фирм, занимающихся проектированием и изготовлением СБИС «система на кристалле», в настоящее время сдерживающим фактором, влияющим на появление на рынке новых поколений этих изделий, является время разработки IP блоков и соответствующих чипов. И если для решения указанных проблем Texas Instruments и Burr-Brown объединили свои усилия в единой корпорации, то другие фирмы создали открытые ассоциации, в рамках которых осуществляется обмен этим интеллектуальным продуктом, формирование портфеля заказов как на изготовление, так и на сопровождение СБИС. Основу таких ассоциаций составляют центры проектирования, занимающиеся системным, схемотехническим и конструкторско-технологическим уровнями проектирования под определенные производства – кремниевые мастерские.
Рис. 1. Задачи аналоговой микросхемотехники СФ блоков
Указанные и во многом сложившиеся подходы диктуют ряд требований к глубине проработки аналоговых узлов, блоков, портов и подсистем. В основе лежит принцип завершенности конечного продукта – принципиальная схема должна выполнять необходимые для «системы на кристалле» функции, удовлетворять гамме ограничений технологического характера и, что особенно важно, сопровождаться соответствующей топологией. Не только принятие окончательного решения, но формулирование конкретных задач на схемотехническую модернизацию любого функционального блока возможно только при условиях как сопоставительного анализа качественных показателей альтернативных вариантов, так и особенностей их размещения в конкретном слое СБИС, возможности совмещения с другими узлами портов или вспомогательных устройств микросистемы.
Сказанное выдвигает следующие основные внутренние этапы развития аналоговой микросхемотехники. Во-первых, теория построения экономичных широкодиапазонных каскадов и блоков должна сопровождаться оценкой предельных возможностей и качественных преимуществ любой конфигурации для существующих технологий (КМОП, БиМОП, Si/Ge ….). Здесь в качестве доминирующего критерия должна выступать площадь кристалла и ее процентное соотношение к традиционным схемным решениям. Во-вторых, на базе существующих принципов компенсации необходимо ответить на вопрос о возможности использования полевых транзисторов, используемых в цифровой электронике в их различных комбинациях для построения качественных усилительных каскадов. Только сопоставление площадей подложек и потребляемой мощности позволит правильно ориентировать схемотехнику не только узлов, но и СФ блоков. Однако практика применения РЭА требует создания ИС и БИС, функционирующих в условиях сильных дестабилизирующих факторов. Решение этой задачи чаще всего целесообразно в рамках микронных технологий. Именно здесь наиболее ярко проявляются принципы как собственной, так и взаимной компенсации. При этом сочетание этих подходов на компонентном уровне и на уровне функциональных устройств позволяет реализовать аналоговые и аналогоцифровые ИС с качественными показателями, не соответствующими субмикронным аналогам.
В-третьих, все альтернативные варианты необходимо апробировать на принципиальных схемах базовых активных элементов, которые могут при определенных сочетаниях технических и технологических параметров получить самостоятельное для решения конечной задачи значение. Наконец, развитие микросхемотехники на функциональном уровне должно в полной мере учитывать не только выявленные ранее ограничения на параметры активных элементов, но, что особенно важно, ограничения на номиналы и класс точности пассивных элементов или их части. Здесь уместно отметить следующее. При построении активных фильтров аналоговых портов для эффективного использования как активных, так и пассивных компонентов приходится использовать достаточно прецизионные внекристалльные конденсаторы, поэтому внешние выводы их подключения должны характеризоваться небольшим внутренним сопротивлением, и их суммарная емкость должна удовлетворять вполне определенному неравенству. Однако всегда необходимо провести анализ альтернативного варианта с низкой эффективностью использования полосы пропускания и порядка такого устройства. В классе развития функционального уровня аналоговой микросхемотехники необходимо продолжать поиск новых типов активных элементов, интегрально вписывающихся в функциональное назначение СФ блока и позволяющих уменьшить число активных и пассивных компонентов цепи. Примером сказанного являются мультидифференциальные операционные усилители и соответствующие им устройства.
Конечно, приведенные соображения о месте аналоговой микросхемотехники в решении задач создания СБИС типа «система на кристалле» не являются исчерпывающими, но динамика развития этого важного направления микроэлектроники показывает, что без их детального анализа и поиска альтернативных направлений сложно надеяться на эффективное использование достижений субмикронной технологии.
Библиографический список
1. Айзерман, М.А. О некоторых структурных условиях устойчивости систем автоматического регулирования [Текст] / М.А. Айзерман // Автоматика и телемеханика. – 2008. – Т. 9, № 2.
2. Айзинов, М.М. Избранные вопросы теории сигналов и теории цепей [Текст] / М.М. Айзинов. – М. : Связь, 2010. – 348 с.
3. Анисимов, В.И. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. – Л. : Энергия, 2009. – 148 с.
4. Балабанян, Н. Синтез электрических цепей [Текст] / Н. Балабанян ; под ред. Г.И. Атабекова. – М. : Госэнергоиздат, 2008. – 416 с.
5. Блажкевич, Б.И. Использование алгебры логики совместно с методом направленных графов для синтеза трехполюсных подсхем [Текст] / Б.И. Блажкевич, А.Ю. Воробкевич, Е.Д. Михайлова // Теоретическая электротехника. – 2010. – Вып. 10. – С. 56–68.
6. Блажкевич, Б.И. Топологический метод поиска минимальных структур RLC-цепей [Текст] / Б.И. Блажкевич, Е.Д. Михайлова // Теоретическая электротехника. – 2006. – Вып. 14. – С. 14–19.
7. Блажкевич, Б.И. Физические основы алгоритмов анализа электронных цепей [Текст] / Б.И. Блажкевич. – Киев : Наукова думка, 2009. – 240 с.
8. Богатырев, В.Н. Проектирование и разработка ОУ на основе КМОП КНИ технологии [Текст] / В.Н. Богатырев [и др.] // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем : материалы Всерос. науч.-техн. конф. – Подмосковье, 2007. – С. 290–297.
9. Бунза, Дж. Основные направления развития автоматизации проектирования в 1990-х годах [Текст] / Дж. Бунза, Г. Хоффман, Эд. Томсон // Электроника. – 2010. – № 2. – С. 39–47.
10. Виляев, Л.Ю. Аналого-цифровой БМК «Рапира» и библиотека функциональных элементов на его основе [Текст] / Л.Ю. Виляев, Ю.Н. Владимиров, В.В. Полевиков, И.Н. Шагурин // Актуальные проблемы микроэлектроники и твердотельной электроники : труды IV Всерос. НТК с междунар. участием. – 2007. – С. 123–124.
11. Гадахабадзе, Н.Г. Оптимальное проектирование электронных схем методом -преобразований [Текст] / Н.Г. Гадахабадзе, Н.К. Джибладзе, В.К. Чичинадзе // Автоматика и телемеханика. – 2007. – № 4. – С. 86–94.
12. Гантмахер, Ф.Р. Теория матриц [Текст] / Ф.Р. Гантмахер. – М. : Наука, 2006. – 576 с.
13. Гехер, К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей [Текст] / К. Гехер. – М. : Сов. радио, 2008. – 315 с.
Страницы: 1, 2, 3
