通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据

通用模拟可编程 IC：基本功能单元的选择。参考数据

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很难高估可重编程逻辑集成电路 (FPGA) 在逻辑系统综合中的重要性。元素库和计算机辅助设计系统的集成开发使得可以在前所未有的短时间内以最低的材料成本实现复杂的逻辑系统。因此，在模拟系统的设计和生产中实现类似结果的愿望是可以理解的。然而，在这个方向上进行的许多尝试尚未带来预期的结果，可编程模拟IC（PAIS）和矩阵模拟LSI（MABIS）尚未普及。

可编程模拟LSI的设计问题

在 FPGA 上设计逻辑系统领域的快速发展是由所有逻辑系统都基于完善的布尔代数数学工具这一事实预先确定的。该理论使得可以证明任意逻辑函数的构造可以通过仅一个基本运算符的有序组合 - 逻辑 AND-NOT（或 OR-NOT）。也就是说，任何严格的逻辑系统都可以仅由一种类型的元素设计，例如 NAND。

在模拟系统电路图的设计（综合）和分析（分解）领域，情况就大不相同了。在模拟电子学中，仍然没有单一的普遍认可的数学装置可以从统一的方法论角度解决分析和综合问题。产生这种现象的原因应该在模拟电子学的发展史中寻找。

早期，模拟器件的电路是按照功能节点法的概念发展起来的，其主要思想是将复杂的电路图划分为节点。节点由一组元素组成并执行定义明确的功能。组合时，节点形成块、板、柜、机制——即一些统一的结构，称为设备。设备的组合形成一个系统。功能节点方法假设系统的基本组件应该是节点，其主要任务是执行定义明确的功能。

这就是为什么功能性，即节点执行某些功能的事实，被视为对节点进行分类的标准。然而，随着电子技术的发展，结果证明存在大量孤立和孤立的功能（以及因此而产生的节点）。对于复杂系统的综合而言，它们最小化和统一的任何可能性都消失了。这就是为什么矩阵模拟 LSI (MABIS) 和可重编程模拟集成电路 (PAIS) 的发展已经放缓并继续放缓的原因。

通过分析俄罗斯和外国领先公司的发展，可以追踪可编程模拟电路领域的状况。因此，OAO NIITT 和 Angstrem 工厂的专家集中精力开发和生产 Rul 型 H5515KhT1、N5515KhT101 模拟数字 BMC（基本矩阵晶体），设计用于医疗设备的数据采集、监控和控制系统和控制测量设备[1]。

这些 BMC 的设计包括模拟和数字矩阵。数字矩阵包含 115 个数字基本单元（230 个 2I-NOT 门），它们排列成五行，每行 23 个单元。模拟矩阵组合了 18 个模拟基本单元，排列成两行，每行 9 个单元。在模拟单元行之间是两行电容器（标称值 17,8 pF）和两行扩散电阻器（每行 24,8 kOhm）。在模拟和数字部分之间是一排 3,2 kΩ 电阻。

BMC 提供两种类型的模拟单元（A 和 B）。 A 型电池由 12 个 npn 和 38 个 pnp 绝缘集电极晶体管和 XNUMX 个多抽头扩散电阻器组成。在 B 型电池中，四个 NPN 晶体管被两个 pMOS 晶体管取代。 A 型和 B 型外围单元包含四个强大的 npn 晶体管（在 B 型单元中 - 具有隔离的集电极）和两个双极晶体管。

数字基极单元由三种类型表示——四个 n-MOS 晶体管、四个 p-MOS 晶体管和一对互补的双极晶体管。此外，强大的数字单元位于晶体的外围，其中包含四个强大的n-MOS和p-MOS晶体管，以及两个按照达林顿电路连接的npn晶体管。

对于 BMC，已经开发了标准模拟和数字元素库，极大地方便和加快了基于 BMC 的设备设计过程。这些和类似的 BMC 包含未连接的电子无线电元件 (ERE) 集，从中可以获得库中指定的许多功能单元。这种微电路的主要缺点是范围很窄，受限于该组中 ERE 的额定值和其他特性的具体值。为该套件开发和推荐的功能单元的功能在微电路随附的库中给出。

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据。 ispPAC-10的结构
米。 1. ispPAC-10的结构

自 2000 年以来，莱迪思半导体一直在生产具有系统内编程功能的 ispPAC（系统内可编程模拟电路）系列的可编程模拟集成电路 (PAIS)，即无需从印刷电路板中提取 [2, 3]。到 2000 年中期，该家族的三个代表正在生产：ispPAC-Yu（图 1）、ispPAC-20（图 2）和 ispPAC-80。它们集成了多达 60 个使用 PAC-Designer 软件包进行配置、建模和编程的有源和无源元件。

ispPAC PAIS 包含：

• 提供矩阵配置的串行接口电路、寄存器和电可编程非易失性存储器（EEPROM）元件；
• 可编程模拟单元（PACcells）和由它们组成的可编程模拟块（PACblocks）；
• 用于互连的可编程元件（ARP - 模拟路由池）。

本系列中嵌入的架构基于基本单元，包括：仪表放大器 (IU)；根据加法器/积分器方案实现的输出放大器（VU）；参考电压源 2,5 V (ION)；具有电压输出和双比较器 (CP) 的 8 位 DAC。用于增加处理信号动态范围的单元的模拟输入和输出（ION 除外）是根据差分方案进行的。两个 DUT 和一个 VU 形成一个宏单元，称为 PAC 块，其中 DUT 的输出连接到 VU 的求和输入。 ispPAC-10 包括四个 PAC，ispPAC-20 有两个。 ispPAC-20 还包括 DAC 和比较器单元。在单元中，DUT 的增益被编程在 -10 到 +10 的范围内，步长为 1，在 VU 的反馈电路中，电容器电容的值（128 个可能值）和 on/关电阻。

许多 IC 制造商使用“开关电容器”技术对模拟功能进行编程，这涉及使用根据条件切换的电子开关来改变频率设置电路的电容。

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据。 ispPAC-20的结构
米。 2. ispPAC-20的结构

莱迪思的方法基于使用随时间具有恒定特性的电路，可以在不关闭电源的情况下在重新配置系统的过程中进行更改。这种改进是显着的，因为它消除了第一种方法所需的额外信号处理。

内部接线设施（模拟路由池）允许您将微电路的输入触点、宏单元的输入和输出、DAC 的输出和比较器的输入相互连接。结合多个宏单元，可以基于积分器链路的使用构建频率范围为 10 至 100 kHz 的可调谐有源滤波器电路。

需要注意的是，莱迪思的 ispPAC 最接近 PAIS。它们唯一的缺点是没有通用的基本元件系统，不仅可以设计可调谐有源滤波器，还可以设计相当广泛的模拟系统。正是这种情况阻止了莱迪思半导体的 ispPAC 成为 Altera 和 Xilinx 等公司的 FPGA 的类似产品。

总的来说，分析模拟微电路的开发和实际实现领域的情况，我们可以做出一些概括：

• 就集成度而言，大部分工业实现的模拟微电路不能归类为LSI；
• 模拟LSI 和BMC 旨在设计特定类别的设备，即。它们不具有普遍性；
• 在设计大型模拟系统时，功能节点方法仍然占主导地位（例如，用于电视接收器的专用 IC 套件）。

FPGA 和 MABIS 设计的单一基础

然而，为模拟系统设计开发统一电路设计基础的任务仍然有一个解决方案，我们将尝试从理论上证实并为所概述的想法的实际实施展示可能的方向。

首先，应该选择一个大型模拟电子系统的数学模型，这样可以挑选出一小部分基本元素。在电子电路的分析和综合领域，几乎没有替代线性微分方程系统的数学装置，这在上世纪 4 年代就得到了认可 [5, XNUMX]。但是请注意，实际大规模使用这种方法的想法尚未掌握所有专家的思想。

微分方程组由元素及其连接组成，并具有一定的结构特征。微分方程的基本基础是在上个世纪上半叶在科学学科“自动化”的框架内研究的。在这方面，微分方程作为统一的优势表现出来：它们的形式不依赖于所描述的过程模型。但是，在编写微分方程的标准形式中，没有关于所研究系统中关系性质的可视信息。因此，在自动控制理论的发展过程中，以各种方案的形式可视化微分方程组的结构的方法得到了发展。

到 60 世纪 6 年代末，关于动力系统模型的结构组织的现代观点已经完全形成[XNUMX]。系统数学模型的形成始于将其划分为链接及其随后的描述-以与链接的输入和输出值相关的方程的形式进行分析；或以具有特征的助记图的形式图形化。根据各个环节的方程或特性，编制系统整体的方程或特性。

被识别为典型的动态系统的链接

链接名称	链接方程 y(t)=f(u(t))	传递函数 W(s)=y(s)/u(s)	基本成分
成比例的	y(t)=ku(t)	W?(s)=k	没有
整合	dy(t)/dt = ku(t)； py = ku	Wi(s)=k/s	没有
区分	y(t)=kdu(t)/dt； y=kpu	Wd(s)=ks	没有
非周期一阶	(Tp+1)y = ku	W(s)=k/(Ts+1)
强制一阶	Y \u1d k (Tp + XNUMX)	W(s)=k(Ts+1)
积分惯性	p(Tp+1)y = ku	W(s) = k/[s(Ts+1)]
微分惯性	(Tp+1)y = kpu	W(s) = ks/(Ts+1)
伊佐德罗姆诺耶	py = k(Tp+1)u	W(s) = k(Ts+1)/s
振荡的、保守的、非周期性的二阶	(T²p²+2ψTp+1)y = ku	W(s)=k/(T²p2+2ΨTp+1)

请注意，如果对于功能方案，系统根据它们执行的功能划分为链接，那么对于数学描述，系统会基于获得描述的便利性而被分割。因此，链接应该尽可能简单（小）。另一方面，在将系统划分为链路时，必须编译每个链路的数学描述，而不考虑其与其他链路的连接。如果链接有一个动作方向，这是可能的 - 即仅在一个方向上传递动作，从输入到输出。那么任何链路状态的改变都不会影响前一个链路的状态。

如果满足连杆作用方向性的条件，整个系统的数学描述就可以得到单个连杆独立方程组的形式，并辅以它们之间的连接方程。最常见（典型）的链路是非周期性、振荡、积分、微分、恒定延迟链路 [6]。

许多作者研究了微分方程系统形式的模型中的基本链接问题[7-9]。分析表明[10]，它们的位置主要归结为陈述典型链接存在的事实，并研究它们在更复杂结构形成过程中的作用。对典型链接组的选择是任意的，没有任何标准。不同的链接被包含在典型链接列表中，没有解释和理由，并且术语“简单”和“基本”也同样用于指定典型链接（见表）。同时，通过结构矩阵方法对动力系统众多“典型”环节的研究[10-12]表明，只有比例、积分和微分三个环节在其结构矩阵中不包含矩阵环。因此，只有它们才能被称为初级。所有其他链接都是通过组合基本链接构建的。

因此，如果具有传递函数 W 的比例链接_B(s) = k_B 并用传递函数 W 区分链接_A(s) = k_As 根据负反馈方案连接（图 3），则等效传递函数

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据

因此，在时间常数的值范围内，结果与一阶非周期链路的传递函数一致。这意味着该链接可以通过根据负反馈方案连接比例链接和微分链接来获得，因此不能将其视为基本链接。

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据。等效非周期电路
米。 3. 等效非周期电路

以同样的方式，您可以构建表中包含的其余链接。应特别注意振荡链路的传递函数（T²p² + 2ξTp + 1)y = ku。因此，如果我们将两个具有仅在时间常数上不同的传递函数的非周期性链路串联起来，则等效传递函数将采用以下形式

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据

因此，直到时间常数的值，结果与所研究链路的传递函数一致。因此，通过串联一阶链路可以得到二阶振荡链路、保守链路和非周期链路。这意味着它们不能被认为是基本的，尽管原则上可以称它们为典型的。

通过对表格最后一列给出的结果的分析，我们可以得出结论，通过连接基本链接可以获得非周期、等向、强迫、微分惯性和积分惯性等链接。为了证明其他典型链路的传递函数可以通过连接基本链路获得，需要根据典型连接方案分析三、四等链路的连接。如果我们考虑基本链路与典型一阶链路的连接，可以获得相同的结果。这种研究的一部分已经完成，其结果在[10]中给出。

因此，已经证明，通过连接基本链接，很容易获得所谓典型动态链接的所有传递函数。因此，可以使用仅三个基本环节的乘法和连接算子来合成任意动力系统：比例、微分和积分。这个结论非常重要，因为它决定了构建任何阶的线性动态系统（包括无线电电子电路）所必需的基本基础。如果动态系统应该由有限范围的动态链接构建，如 MABIS 和 PAIS 的情况，那么得出的结论尤其重要。

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据。基本节点的简单电路解决方案
米。 4.基本节点的简单电路解决方案：a）多输入加法器，b）差分放大器（比例链路），c）微分器（微分链路），d）积分器（积分链路）

只需五个功能单元（多路复用器、加法器、乘法器、积分器和微分器）就可以合成任意模拟设备（图 4）！请注意图中所示的那些。 4 电路不应被视为实际制定的电路解决方案，而只是作为用基本无线电电子元件替换功能电路上的基本链路的可能性的理由。用相应的硬件替代功能电路的基本链接，可以设计具有特定特性的模拟设备。

模拟设备综合示例

考虑一个非常简单的示例，它根据由以下形式的拉普拉斯变换形式的微分方程系统给出的模型来合成模拟设备的电路图： x₀ =克，×₁ =x₀ - 2 倍₂/s,x₂ = 10倍₁/s,x₃ =x₂ - 10 倍₄/s,x₄ = 500倍₃/秒

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

让我们构造这个微分方程系统的结构矩阵，并用箭头突出显示矩阵循环：
使用方程和结构矩阵，我们恢复了设备的框图（图 5）。根据结构矩阵，系统有两个负反馈：分别是节点2->节点1和节点4->节点3。由于框图如图所示。图5最初是建立在基本链路上的，它可以被认为是电子设备的功能图。

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据。合成装置的结构图（分阶段）
米。 5. 合成装置框图（分阶段）

从合成电路的仿真结果（图 6）可以看出，在给定参数的情况下，它代表了两个串联的发电机。也就是说，一个非常简单的设备，仅由四个积分环节组成，执行一个相对复杂的功能，即通过高频振荡调制低频振荡。

请注意，在设计和制造 MABIS 和 PA-IS 时，绝对没有必要使用在运算放大器上制作的基本链路的硬件模拟，如图 4 所示。 13，尽管在此基础上，它们得到了最好的解决 [16-XNUMX]。尽管任何其他选项都是可能的，但在光电组件上实现基本链接的硬件类似物是最有希望的。

通用模拟可编程集成电路：基本功能单元的选择。参考数据。合成器件的波形图
米。 6. 合成器件的波形图

通用 MABIS 和 PAIS - 这是可能的

因此，可以挑出任何 REA 的五个基本（最简单）组件，对应于微分方程系统的主要运算符：乘法、微分、积分、加法和乘法（多路复用）。设计模拟电子设备的方法假设 [10]：

• 用作设计数学模型的初始数据，其形式为由n 个一阶微分方程（或l 阶微分方程）组成的系统；
• 构建设计设备的结构矩阵并找到矩阵循环；
• 恢复设计设备的框图；
• 通过用一组基本链接替换典型链接，将框图转换为功能图；
• 通过用等效的硬件基本元件替换基本链路，将设计设备的功能图转换为电路（也许，使用现代 CAD 系统将允许通过直接从功能描述合成拓扑来避免此阶段）；
• 开发设计设备的拓扑结构。

所提出的方法具有许多决定性的优势。因此，所设计装置的功能图是通过标准矩阵变换从原始微分方程组合成的，可以排序并转换为自动计算的算法。通过用等效基本元件简单替换基本动态链接，从功能电路合成电路图。此外，使用 CAD 工具对设备进行建模也可以得到显着简化。

因此，由于基本链接的集合并不多，因此设计通用的 MABIS 和 PAIS 是真正的可能性。这反过来又大大简化了模拟和数模设备的设计，并为电子产品的进一步发展开辟了诱人的前景。

文学

1. Alenin S.、Ivanov V.、Polevikov V.、Trudnovskaya E. 基于 NIC MOS BMK H5515KhT1 型的专用模数设备的实现。 - ChipNews，2000 年，第 2 期。
2. 库尔巴托夫。 A. 可编程模拟集成电路。生活仍在继续。 - 组件和技术，2000 年，第 2 号。
3. Petrosyants K.、Suvorov A.、Khrustalev I。来自莱迪思半导体的可编程模拟矩阵。 - ChipNews，2001 年，第 1 期。
4. Ku E.S.，Sorer R.A. 状态变量法在电路分析中的应用。 - TIIER，1965 年，第 7 期。
5. 伊林·V.N. 电子电路机械设计。 - M.：能源，1972 年。
6. 尤列维奇 E.I. 自动控制原理。 - L.：能源，1975 年。
7. 库罗帕特金 P.V. 自动控制原理。 - M.：高中，1973 年。
8. 沃罗诺夫 A.A.、蒂托夫 V.K.、诺沃格拉诺夫 B.N. 自动调节与控制理论基础。 - M.：高中，1977 年。
9. 沃罗诺夫 A.A. 自动控制原理。第1部分：线性自动控制系统理论。 - M.：高中，1977 年。
10. 米申 G.T. 模拟微电子学的自然科学基础。 - M.：MIEM，2003 年。
11. 沙蒂欣 L.G. 结构矩阵及其在系统研究中的应用。 - M.：Mashinostroenie，1974 年。
12. 沙蒂欣 L.G. 结构矩阵及其在系统研究中的应用。 - M.：Mashinostroenie，1991 年。
13.模拟集成电路。 /编者。 J·康纳利。 -M.：米尔，1977 年。
14. J.伦克。电子电路。实用指南。 - M.：和平号，1985 年。
15. Nesterenko B.K. 集成运算放大器。 - M.：Energoizdat，1982 年。
16. Horowitz P., Hill W. 电路艺术 T. 1. - M.：Mir，1983 年。

作者：G.米申；出版：cxem.net

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