Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время при проектировании мнкроэлектронной аппаратуры (МЭА) особую значимость приобретают вопросы прогнозирования и обеспечения надежности и стабильности ее характеристик в условиях воздействия эксплуатационных факторов. Это связано с расширением сфер ее применения, широким использованием в различных областях науки, техники, производства. Требуемые качественные характеристики МЭА и ее компонентов (интегральных схем (НС) и микросборок (МСБ) должны закладываться на всех этапах проектирования, обеспечиваться при производстве и поддерживаться при эксплуатации. Эта задача в первую очередь должна решаться на этапе схемотехнического проектирования, так как на последующих стадиях разработки МЭА и ее компонентов схемные недоработки могут привести к значительным материальным и временным затратам.
Учитывая, что сложность микроэлектронных устройств (МЭУ) постоянно растет, что требования к качественным характеристикам также повышаются, задача разработки высоконадежной аппаратуры может быть решена при дальнейшем совершенствовании, развитии и внедрении систем автоматизированного проектирования (САПР)., в том числе систем схемотехнического проектирования (ССП) при использовании современной информационной технологии проектирования.
Известные отечественные (ЛИСП-ПК, АСОНИКА. КАПР-3 и др.) и зарубежные (PSpice, Biter, Micro-Cap, Saber) программные комплексы и системы, предназначенные для автоматизированного проектирования электронных схем и МЭУ, не позволяют прогнозировать и обеспечивать в условиях воздействия дестабилизирующих факторов (ДФ) в том числе и ионизирующих излучений (ИИ), надежность схемных функций аналоговых ИС и МСБ, так как не имеют проблемно-ориентированных подсистем с соответствующей информационной базой, математическим и программным обеспечением.
Кроме того,недостаточно отработаны на схемотехническим уровне методы и принципы проектирования аналоговых устройств с повышенной эксплуатационной надежностью в условиях воздействия ДФ. составляющие суть системного подхода, которые, как правило, не доведены до алгоритмической и программной реализации.
Одним из основных применений ССП является их использование при проектировании аналоговой МЭА. в частности ИС. схемотехничес-
кая и конструктивная сложность которых постоянно растет в связи с ~1 расширением областей их применения, возрастанием уровня решаемых задач, увеличением числа внешних дестабилизирующих факторов, оказывающих влияние на их работоспособность. В процессе разработки и изготовления высокостабильной аналоговой МЭА широко применяются специализированные ИС, которые могут существенно отличаться от микросхем общего применения по электрическим параметрам и характеристикам, принципам действия, технологии изготовления, точности и стабильности.
Сложность стоящих перед разработчиком МЭА задач возрастает в связи с тем. что МЭА. выполненная на базе МСБ и ГИС, является неотъемлемой частью различного рода технических устройств и объектов, в том числе и предназначенных для работы в условиях воздействия полей ИИ естественного и искусственного происхождения в течение длительного времени. Воздействие Ш монет привести к существенному изменению характеристик МЭУ. необратимым изменениям их работоспособности. Поэтому при автоматизированном проектировании должны применяться соответствующие меры по минимизации последствий воздействия ИИ, то есть применяться меры по обеспечению требуемой радиационной стойкости. Для этого необходимо знание физики радиационных процессов в материалах, элементах и компонентах ГИС и МСБ, качественных и количественных характеристик элементов и компонентов, определяющих те или иные параметры МЭУ и МЭА в целом, а также их изменений, вызванных влиянием'ИИ, то есть необходимо иметь математические модели элементов и компонентов, учитывающие влияние ИИ, для разработки подсистемы надежностного схемотехнического проектирования аналогових ГИС и МСБ. Для такой подсистемы необходимо также соответствующее математическое, программное и информационное обеспечение.
Если вопросы влияния нерадиационных дестабилизирующих факторов на МЭА и ее компоненты достаточно освежены в литературе и в функционирующих ССП МЭА имеется соответствующее обеспечение, то задача автоматизации проектирования стабильных аналоговых ГИС и МСБ с учетом влияния ИИ требует своего решения. Это, в первую очередь, связано с трудностями получения адекватных математических моделей элементов и компонентов, что объясняется естественными сложностями постановки экспериментов и непосредственных измерений
при воздействии ИИ, трудностью выбора и обоснования оптимальных критериев проектирования и, соответственно, недостаточной приемлемостью математического, программного и информационного обеспечения для автоматизированных процедур проектирования радиацион-но стойких аналоговых МЭУ.
Таким образом, в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к схемотехническому проектированию МЭУ на основе разработки методов, моделей, алгоритмов, программных средств подсистемы надежностного схемотехнического проектирования в рамках интегрированной САПР МЭУ для повышения эффективности и качества объекта проектирования.
Тема диссертации разработана в соответствии с координационным планом совместных работ НЭП, АН СССР и Госкомобразования СССР (совместный приказ от 6.04.87 N158) на 1985-1990 гг. и до 2000 г.; координационным планом но КНТП "САПР" Минвуза РСФСР (приказ от 9.04.87) по заданию 9.4.14 "Развитие подсистемы моделирования дискретных компонентов аналоговых электронных схем"; Межвузовской целевой НТП на 1987-1990 гг. и на период до 2000 г. "Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения" (Приказ Минвуза РСФСР от 6.07.87 N 485) по заданию 03.21 "Разработка методов оценки надежности, принятия проектных решений на основе экспертных систем": Комплексной программой ГК РСФСР по делам науки и высшей шкоды "Информатизация науки и образования РСФСР" (задания 2.2.1.1, 2.1.3.3), а также одним из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета "Исследование и разработка САПР, роботов и ГАП".
Научнаяпроблема. Прогнозирование и оптимизация параметров аналоговых микросхем и микросборок в рамках интегрированных САПР МЭУ для повышения их эксплуатационной надежности.
Цель работ ы и задачи исслеОова--кия- создание теоретических основ прогнозирования и обеспечения надежности аналоговых МЭУ ка основе принципов и методов проектирования высоконадежных аналоговых схем и практическая реализация этих принципов и методов в подсистеме надежностного схемотехнического проектирования, интегрированной в САПР микроэлектронных устройств.
Основными задачами работы являются: V
повышение эффективности ССП аналоговых МЭУ за счет учета ДФ і при их интеграции в промышленных САПР;
формирование моделей активных компонентов аналоговых МЭУ, учитывающих влияние ДФ;
разработка алгоритмов автоматизированного моделирования АК;
создание алгоритмов расчета и минимизации чувствительности схемных функций аналоговых МЭУ к воздействию ДФ;
реализация предложенных принципов, алгоритмов и моделей в подсистеме надежностного схемотехнического проектирования аналоговых МЭУ;
разработка информационных и программных средств подсистемы надежностного схемотехнического проектирования, обеспечивающих простой "дружественный" интерфейс и диалоговые формы взаимодействия в интегрированной САПР;
разработка с использованием подсистемы надежностного схемотехнического проектирования принципиально новых схемотехнических решений аналоговых МЭУ с повышенной эксплуатационной надежностью.
Ш ет о д и исследования основываются на теории системного анализа, методах вычислительной математики, структурного и системного программирования, теории цепей и полупроводниковых приборов, а также на новых информационных технологиях.
На защиту выносятся следующие основные научные положения.
-
Методология автоматизированного схемотехнического проектирования аналоговых МЭУ с повышенной надежностью в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, основанная на использовании моделирования влияния ДФ, алгоритмов надежностного схемотехнического проектирования и факторно-зависимой обратной связи для повышения стабильности характеристик ИС и ЫСБ.
-
Модели активных компонентов аналоговых МЭУ. учитывающие влияние дестабилизирующих факторов, с возможностью автоматизированного построения, минимальной информационной избыточностью, высокой степенью адекватности в широком диапазоне частот.
-
Алгоритмические процедуры автоматизированного определения частотных, режимных характеристик моделей активных компонентов аналоговых МЭУ, а также их зависимостей от уровней дестабилизирующих факторов.
-
Модели и алгоритмы надежностного схемотехнического проек-трования аналоговых МЭУ, основанные на минимизации чувствительности схемных функций к дестабилизирующим факторам.
-
Принцип разработки аналоговых электронных схем. для повышения стабильности параметров которых в условиях воздействия дестабилизирующих факторов используется факторно-зависимая обратная
' связь, доведенный до схемотехнической реализации.
Научная новизна состоит в следующем:
-
Развиты методологические основы схемотехнического проектирования аналоговых электронных схем с повышенной радиационной надежностью и предложен принцип, отличающийся использованием факторно-зависимых обратных связей для обеспечения стабильности схемных функций в условиях радиационных воздействий.
-
Сформированы модели чувствительности базовых компонентов МЭУ, отличающиеся учетом обобщенных зависимостей параметров модели от режима и уровней дестабилизирующих факторов: температуры и ионизирующих излучений.
-
Разработаны алгоритмические процедуры анализа и идентификации параметров моделей АК МЭУ. позволяющие учесть влияние режимных, частотных, температурных и радиационных факторов.
-
Предложен алгоритм синтеза при надежностном схемотехническом проектировании аналоговых МЭУ, реализованный на базе общих принципов разработки радиационно стойких схем и отличающийся возможностью настройки на конкретный принцип в зависимости от варианта схемотехнического построения устройства с использованием математических приемов оптимизации.
-
Создана подсистема надежностного схемотехнического проектирования, отличающаяся возможностью разработки аналоговых МЭУ с повышенной эксплуатационной надежностью, основу математического и информационного обеспечений которой составляют предложенные методы, модели и алгоритмы.
Практическая ценность работы. Представленные в диссертации исследования являются результатом научной работы, проведенной в Воронежском государственном техническом университете в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ по заказам МРП, МЭП, КПСС. Они нашли отражение в 14 отчетах по НИР. в 6 из которых автор был ответственным исполнителем.
Практические результаты выполненных в диссертационной работе ^" исследований можно разделить \а. две части, имеющие значение для научных применений и инженерных задач. В научном плане развитые и разработанные принципы; модели и алгоритмы являются основой для развития математического обеспечения САПР аналоговых МЭУ, они нашли применение для разработки программного обеспечения подсистемы надежностного схемотехнического проектирования. Прикладное значение работы связано с созданием ряда инженерных методик и программных средств, ориентированных на пользователей-схемотехников с предоставлением им доступных средств оптимального проектирования и позволяющих решать па этапе схемотехнического проектирования задачи разработки аналоговых МЭУ с повышенной эксплуатационной надежностью. В результате решения этих задач разработан ряд схем дифференциальных усилителей с повышенной стабильностью характеристик в условиях радиационных воздействий, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения.
Реализация и внедрение результатов работы. Предложенные модели, методы, алгоритмы, программные средства использовались при разработке отечественных аналоговых ГИС и МСБ серий "Радио", "Трель-Рубин", "Артишок" в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ. Результаты работы внедрены и используются в Рижском НИИ микропри- ' боров. Воронежском НИИ связи, НИИ "Вега" (г. Воронеж). АООТ "ОКБ Процессор". НИИ электронной техники (г. Воронеж), в Московском научно-исследовательском радиотехническом институте. Экономический эффект от внедрения результатов работы в 1990 году составил 60 тыс.р. , и в 1995 году - 106.800 тыс. п.
Научные результаты включены в 4 учебные пособия: "Интерак-тизные графические средства поддержки проектирования МЭА". "Основы эксплуатации САПР", "Проектирование САПР и АРМ изделий элект- роннсй и вычислительной техники", "Техническое обеспечение САПР" и внедрены в учебный процесс ВГТУ по специальностям: 220300 -"Системы автоматизированного проектирования", 200800 - "Проектирование и технология радиоэлектронных средств", 200700 - "Радиотехника".
А п р о б а и и. -я работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались более чем на 40 Международных, Всесоюзных, республиканских, региональных
научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах. В том числе: на Всесоюзном научном семинаре по обмену передовым опытом по производству и применению микроэлектронных изделий в радиоаппаратуре (Рига, 1971). республиканской научно-технической конференции "Автоматизация проектирования радиоэлектронной аппаратуры на промышленных предприятиях" (Запорожье, 1976), Всесоюзном симпозиуме "Проблемы исследования влияния параметров элементов на технические характеристики РЭА" (Москва. 1976). Всесоюзной школе-сеиинаре "Чувствительность, оптимизация, проблемы решения" (Воронеж, 1978), Всесоюзной конференции "Прием СНЧ сигналов и устройства для их обработки" (Воронеж, 1983). Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов" (Воронеж, 1984), 1- й и 2- й Всесоюзных конференциях "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев, 1982, 1986), Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Надежность и качество в приборостроении и радиоэлектронике" (Ереван, 1986). отраслевом семинаре "Создание и развитие систем автоматизированного проектирования" (Воронеж. 1987), Всесоюзной 'научно-методической конференции "Интенсификация учебного процесса в высшей школе на базе микропроцессорных вычислительных систем" (Воронеж, 1987), 2- й Всесоюзной конференции "Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения" (Воронеж, 1987), 12- й Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987), 2- й Всесоюзной научно-технической конференции "Технология и конструирование ГИС и вопросы их производства" (Ярославль, 1988), региональной конференции "Методы прогнозирования надежности проектируемой РЭА и ЭВА" (Пенза. 1988), региональной конференции "Методы оценки и повышения надежности РЭА" (Пенза, 1989), Всесоюзном семинаре-совещании молодых ученых и специалистов "Разработка и оптимизация САПР и ГАП на базе высокопроизводительных мини- и микрп.эвм (Воронеж, 1969). 11-ом Всесоюзном симпозиуме "Человек-техника" (Воронеж, 1990), 4- й Всесоюзной и Международной школах "Проектирование автоматизированных систем контроля и управления сложными объектами" (Харьков-Туапсе, 1990, 1992), Российской научно-технической конференции "Методы оценки и повышения надежности РЭС" (Пенза. 1991), Всесоюзном семинаре-совещании "Интерактивное проектирова-
ниє технических устройств и автоматизированных систем на персо-^ нальных ЭВМ" (Воронеж, 1991), Международных научно-технических' конференциях "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза, 1992, 1993, 1995). Международной конференции и школе молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе" (Гурзуф. 1992), Межгосударственной научной конференции "Экстремальные задачи и их приложения" (Нижний Новгород, 1992), Международном научно-техническом семинаре "Моделирование и контроль качества в задачах обеспечения надежности радиоэлектронных устройств" .(Шау-ляй, 1992), Российском совещании-семинаре "Оптимальное проектирование технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1992), региональном совещании-семинаре "Компьютеризация управления качеством высшего образования" (Воронеж, 1992), республиканской научно-технической конференции "Автоматизация проектирования РЭА и ЭВА" (Пенза, 1992), республиканской научно-технической конференции "Опыт разработки и применения приборно-техно-логических САПР в микроэлектронике" (Львов, 1993), региональном совещании-семинаре "Опыт информатизации в промышленности" (Воронеж, 1993). научно-технической конференции "Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств" (Бердянск,, 1993), Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем" (Воронеж, 1993), Российской научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств И' систем" (Саратов. 1994). Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы автоматизированной разработки и производства радиоэлектронных устройств и подготовки инженерных кадров" (Львов, 1994), Всероссийских совещаниях-семинарах "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине" (Воронеж, 1994, 1995, 1996). Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности к качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1996) к других.
Публикации результатов работы. По' теме диссертации опубликовано около 70 печатных работ, в том числе 4 учебных пособия в изданиях, соответствующих перечням издательств и издающих организаций, в которых могут публиковаться ос-
новіше научные результаты, включаемые в докторские диссертации.
Разработанный программный комплекс и отдельные процедуры прогнозирования параметров и обеспечения эксплуатационной надежности аналоговых МЭУ зарегистрированы в Государственном и Отраслевом фондах алгоритмов и программ.
Структура и объел* работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 245 страницах машинописного текста, включая 61 рисунок, 14 таблиц, библиографию из 238 наименований и приложений.
