Введение к работе
Актуальность исследования
Современный этап развития интегральных схем характеризуется переходом к элементам схем с глубоко субмикронными и нанометровыми размерами, применением элементов на новых физических принципах работы и появлением технологий, позволяющих создавать на одном кристалле смешанные (аналогово-цифровые) схемы и системы с высокой степенью интеграции. Области применения таких схем включают радиотехнические схемы и системы; схемы высокоскоростной беспроводной, цифровой и спутниковой связи; системы позиционирования; автомобильные радары и радары в авиации; схемы управления и дистанционного измерения в промышленности; схемы визуализации и многое другое.
Проектирование такой широкой номенклатуры аналоговых схем для радио и высокочастотных приложений невозможно без широкого применения систем автоматизированного проектирования (САПР), составной частью которых являются комплексы программ схемотехнического моделирования. Для успешного применения в процессе проектирования современные программы схемотехнического моделирования должны иметь в своем составе средства для проведения полного цикла расчетов основных характеристик аналоговых и радиотехнических схем. Наряду с традиционными видами анализа аналоговых схем, включая анализ по постоянному току, расчет переходных процессов, частотный анализ, анализ шумов, программы должны обеспечивать расчет периодического установившегося режима и расчет основных характеристик радиотехнических схем в периодическом режиме.
Проведенные до настоящего времени отечественными и зарубежными специалистами теоретические и практические исследования заложили основы для создания программного обеспечения автоматизации схемотехнического проектирования. Среди отечественных исследователей, внесших значительный вклад в создание математического обеспечения систем автоматизации схемотехнического проектирования, могут быть названы: Анисимов В.И., Архангельский А.Я., Баталов Б.В., Бененсон З.М., Ильин В.Н., Казеннов Г.Г., Норенков И.П., Петренко А.И., Петросянц К.О., Сигорский В.П., и другие. Прогресс в области специализированных методов расчета радиотехнических схем связан с работами Ильина В.Н., Бененсона З.М., Норенкова И.П., Соколова А.Г., спектральных методов анализа и применением теории рядов Вольтерра - с работами Ланцова В.Н., Алексеева О.В., Соловьева А.А. и других.
Несмотря на достигнутый прогресс, существует необходимость в новых и более эффективных методах анализа аналоговых и радиотехнических схем. Эта потребность обусловлена появлением глубоко субмикронных и нанометровых технологий, уменьшением топологических размеров элементов схем, повышением степени интеграции СБИС и повышением рабочих частот схем. Необходимость учета влияния паразитных элементов схем, электромагнитного взаимодействия и усложнение моделей для учета высокочастотных эффектов приводит к резкому росту сложности моделируемых схем. Применение низковольтного питания в схемах обуславливает рост нелинейности характеристик элементов схем. Таким образом, для моделирования схем, изготовленных по глубоко субмикронным и нанометровым технологиям, необходимо иметь методы позволяющие радикально повысить эффективность моделирования.
Разработка высокоэффективных методов и алгоритмов автоматизации проектирования радиотехнических интегральных схем является в настоящее время одним из наиболее актуальных научно-исследовательских направлений развития САПР. Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической проблемы - разработке новых методов и алгоритмов анализа нелинейных радиотехнических схем, которые позволяют создать программные средства для автоматизации схемотехнического проектирования современных радиотехнических интегральных схем на базе перспективных технологий.
Наиболее важным является анализ установившегося режима, по результатам которого рассчитываются основные характеристики радиотехнических схем. Высокая размерность задач в методе гармонического баланса определяется произведением двух факторов - размерностью схемы и числом гармоник, необходимых для моделирования. Применение прямых методов решения линейных алгебраических систем не позволяет создать эффективные методы гармонического баланса для моделирования схем большой размерности. Использование итерационных методов решения линейных алгебраических систем устраняет это ограничение, однако с ростом нелинейности анализируемых схем применение известных реализаций метода оказывается невозможным вследствие резкого роста вычислительных затрат. Это является основным препятствием использования метода для анализа установившегося режима и нелинейных искажений в сильнонелинейных схемах. Расширение возможностей метода гармонического баланса для анализа таких схем является актуальным направлением исследований современных методов моделирования и разработки на их базе программного обеспечения моделирования радиотехнических схем.
При проектировании схем для радио и высокочастотных приложений одним из основных требований является их линейность по отношению к полезному сигналу. Стандартные характеристики нелинейных искажений определяются при воздействии на схему одного или двух тестовых гармонических сигналов и включают : коэффициент гармонических искажений, коэффициенты интермодуляционных искажений второго или третьего порядка, точку компрессии на 1 дБ, точки интермодуляционных искажений второго или третьего порядка IP2, IP3, и т.п.
При проектировании схем для современных цифровых систем связи, где широко применяется цифровая модуляция сигналов, стандартных характеристик нелинейных искажений оказывается недостаточно. В качестве альтернативы рассматриваются метрики, для расчета которых тестовый сигнал задан сложным полигармоническим воздействием, содержащим большое количество тонов.
Разработанные в последние годы коммерческие специализированные программы схемотехнического моделирования аналоговых и радиотехнических схем (RF симуляторы) обеспечивают широкий набор видов анализа радиотехнических схем, включая расчет периодического и квазипериодического установившегося режима, мало сигнальный периодический (квазипериодический) анализ: частотный, шумовой, расчет передаточной функции. Однако специальные виды анализа нелинейных искажений отсутствуют, а для анализа гармонических и интермодуляционных нелинейных искажений применяются методы расчета квазипериодического установившегося режима.
Однако вследствие значительных вычислительных затрат такого моделирования целесообразно разработать и применять специальные методы, обеспечивающие существенное ускорение в сравнении с методами расчета квазипериодического установившегося режима. В настоящее время такие методы отсутствуют.
Для анализа нелинейных искажений в 70-90е годы разработаны специальные методы, использующие аппарат теории рядов Вольтерра. Эти методы имеют ряд ограничений и недостатков при применении их для схемотехнического моделирования современных радиотехнических и высокочастотных схем.
Для анализа схем с цифровой модуляцией сигналов и расчета метрик со сложными полигармоническими воздействиями непосредственное применение известных методов в частотной или временной областях невозможно вследствие чрезмерно высокой размерности задачи и неприемлемо больших временных затрат. Поэтому требуются новые подходы и разработка новых методов решения данной задачи.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является разработка теоретических основ, методов и алгоритмов анализа нелинейных радиотехнических схем в системах автоматизации схемотехнического проектирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
анализ проблем моделирования нелинейных радиотехнических схем и применяемых для моделирования методов,
разработка эффективных методов анализа установившегося режима в аналоговых и радиотехнических схемах,
разработка специального метода для схемотехнического моделирования нелинейных искажений в аналоговых и радиотехнических схемах в установившемся режиме по постоянному току,
разработка специальных методов для схемотехнического моделирования нелинейных искажений в аналоговых и радиотехнических схемах в периодическом установившемся режиме,
разработка методов для схемотехнического моделирования радиотехнических схем при сложных полигармонических воздействиях,
разработка методов малосигнального и шумового анализа в периодическом установившемся режиме.
Методы исследования
При разработке методов анализа нелинейных радиотехнических схем были использованы теория электрических цепей, теория радиотехнических сигналов, методы математического моделирования схем, элементы теории функций комплексных переменных, методы линейной алгебры, теория и численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений, элементы теории вероятностей и математической статистики, численные методы решения линейных и нелинейных алгебраических уравнений.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена обоснованием основных теоретических положений, а также большим объемом численных экспериментов, для выполнения которых было разработано специализированное программное обеспечение. Полученные результаты согласуются с современными научными представлениями и данными отечественных и зарубежных информационных источников, подтверждаются обсуждением в научных изданиях и выступлениях на научных конференциях и использованием их при практическом проектировании.
На защиту выносятся
Новый метод гармонического баланса для анализа установившегося режима в нелинейных аналоговых и радиотехнических схемах,
Новый метод пристрелки для анализа установившегося периодического режима автогенераторов,
Метод для схемотехнического моделирования нелинейных искажений в аналоговых и радиотехнических схемах в установившемся режиме по постоянному току,
Новые специальные методы для схемотехнического моделирования нелинейных искажений в аналоговых и радиотехнических схемах в периодическом установившемся режиме в частотной и временной области,
Метод для схемотехнического моделирования радиотехнических схем с цифровой модуляцией и сложными полигармоническими воздействиями,
Новый вычислительный метод для расчета фазового шума в автогенераторах.
Результаты получены лично автором.
Научная новизна
-
-
Разработан новый метод гармонического баланса для расчета установившегося режима нелинейных радиотехнических схем, в котором эффективность достигается за счет применения итерационных методов решения высокоразмерных линейных систем уравнений с предобуславливанием. Предложены методы предобуславливания на основе дополнения Шура и оценки нелинейности переменных и на основе частотной декомпозиции переменных, которые позволяют распространить этот метод с сохранением его преимуществ на класс сильно нелинейных схем.
-
Получены уравнения нового метода пристрелки для анализа установившегося периодического режима автогенераторов, в котором проблема обеспечения единственности решения решена за счет введения дополнительного условия окончания процесса интегрирования и который поэтому не требует задания дополнительной информации. Разработана вычислительная схема нового метода, которая основана на комбинации методов пристрелки и Ньютона для решения краевых задач и использует неявное определение периода колебаний в процессе интегрирования.
-
Предложен новый подход для конструирования вычислительных методов расчета нелинейных искажений на базе применения численного анализа и итерационных методов решения нелинейных уравнений. Показано, что вычислительный метод состоит из рекурсивной процедуры, которая в отличие от итерационных методов включает три шага решения систем линейных уравнений меньшей размерности.
-
Разработан новый специальный метод для схемотехнического моделирования нелинейных искажений в аналоговых и радиотехнических схемах в установившемся режиме по постоянному току, который устраняет ограничения методов на базе рядов Вольтерра. Получены выражения метода на основе применения упрощенного метода Ньютона к уравнениям гармонического баланса.
-
Предложена методика расчета покомпонентных индивидуальных вкладов в общие нелинейные искажения. Для практически важного случая определения нелинейных искажений в выходном узле введены векторная форма для искажений второго порядка и матричная форма для искажений третьего порядка. Показано, что матричная форма позволяет получать различную информацию о влиянии нелинейностей схемы на величину нелинейных искажений.
-
Разработаны новые методы анализа нелинейных искажений в периодическом установившемся режиме в частотной и временной области, которые дают значительное сокращение вычислительных затрат по сравнению с методами определения квазипериодического установившегося режима.
-
Разработан новый метод анализа радиотехнических схем с цифровой модуляцией, полученный на основе упрощения уравнений гармонического баланса с переменными коэффициентами Фурье, который позволяет рассчитывать метрики нелинейных искажений при сложных полигармонических тестовых сигналах на этапе схемотехнического проектирования. Разработана вычислительная схема анализа, которая включает этап построения амплитудных и фазовых зависимостей схемы и этап вычисления выходных характеристик с использованием полученных зависимостей.
-
Разработан новый вычислительный метод для расчета фазового шума в автогенераторах, который в отличие от известных методов этого класса устраняет трудности при расчете спектральной плотности шума вблизи частоты собственных колебаний генератора и который пригоден для расчетов в широком диапазоне смещений.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Все методы, разработанные в рамках данной работы, реализованы в виде программного обеспечения системы автоматизации схемотехнического проектирования аналоговых и радиотехнических схем. Методы позволяют проводить полный цикл моделирования нелинейных высокочастотных радиотехнических схем при их практическом проектировании и исследовании их характеристик, а также позволяют снять ряд ограничений применяемых в настоящее время программ схемотехнического моделирования. Система автоматизации схемотехнического проектирования аналоговых и радиотехнических схем разработана в соответствии с объектно-ориентированным подходом в программировании, написана на языке С и допускает установку на различных вычислительных платформах.
Результаты работы в виде программного обеспечения системы автоматизации схемотехнического проектирования аналоговых и радиотехнических схем были использованы при практическом проектировании интегральных схем на ряде предприятий электронной промышленности, в том числе ФГУП «Научно- производственное предприятие «Пульсар», ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники», ОАО «Ангстрем-М», ГУ «Научно-исследовательский институт микроэлектроники и информационно-измерительной техники МИЭМ».
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международный форум по нанотехнологиям (Rusnanotech), Москва, ноябрь 2010;
IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design (ICCAD), 1998, 1999, 2008 г. г.;
Asia and South Pacific Design Automation Conference (ASP-DAC), 1999, 2000, 2001 г. г.;
IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2000, 2006, 2008 г.г.;
Design Automation and Test in Europe (DATE) Conference, 2003, 2008 г.г.;
European Conference on Circuit Theory and Design (ECCTD), 2005, 2007, 2009;
MTT-S International Microwave Symposium, 1997, 1999, 2004 г.г.;
European Microwave Circuits Conference, 2004, 2006, 2007, 2008 г.г.;
International Conference on Scientific Computing in Electrical Engineering (SCEE), 2008, 2010;
IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS), 2007, 2009 г.г.;
IMACS World Congress on Scientific Computation, Applied Mathematics and Simulation, 2000, 2005 г.г.;
Conference Mathematical and Informational Technologies MIT 2009, Serbia, Montenegro, 2009;
Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем", 2005, 2006, 2008 и 2010 г.г.;
Научно-техническая конференция :"Электроника, микро- и наноэлектроника", Москва, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 г. г.;
Третья Международная научно-техническая конференция, Москва, ноябрь 2000.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в одной монографии, 36 статьях в изданиях, рекомендованных ВАКом и в международных изданиях, входящих в систему цитирования Web of Science и Springer.
На предложенный метод анализа нелинейных искажений в периодическом установившемся режиме во временной области получен патент на изобретение.
Общее число публикаций по теме диссертации составляет 71.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Методы анализа нелинейных интегральных радиотехнических схем в системах автоматизации схемотехнического проектирования
-
