Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время существует немало различных отечественных и зарубежных систем
автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств. Общим недостатком интегрированных САПР аналоговых интегральных схем (АИС), несмотря на высокоразвитую организацию технических средств, является слабое информационное обеспе--чение, что связано с отсутствием математического описания элементов ИС и затрудняет создание библиотек или баз данных САПР АИС. .
Эффективность АИС во многом определяется современным схемотехническим оазисом, основными элементами которого являют -ся биполярные и полевые транзисторы (Т и ПТ), транзисторы с инфекционным питанием (ТИП), каскодные схемы (КС) и т. д. Принципиально новым является.такой подход к проектированию АИС, когда за счет совместного применения низкопотенциального релш-
. ма работы ТИП и безусловно устойчивых KG можно обеспечить мик-ромопщое энергопотребление и безусловную устойчивость усила -тельных устройств. Поэтому решение важной проблемы создания математического и информационного обеспечения для интегриро -ванной САПР АИС на основе моделирования микромощных ТИП и безусловно, устойчивых КС является актуальным для реализации
"САП? аис і . ; .
. Н"а у ч н а я 'д р о б л е м а, решаемая в диссертационной работе, формулируется, следующим.образом: разработка, моделей потенциально устойчивых шкромощных иняекционных структур и интегрированной;САПР с применением методов параметрической .оптимизации для обеспечения максимально возможного устойчивого усиленая а минимального^энергопотребления АИС.
.Цель р а б о.ры:'разработка математического и инфор
мационного обеспечения САПР АИС и внедрение в промышленность
комплекса новых схемотехнических и топологических решений по
шкромояшым'шше:щионяым структурам и усилителям на их основе,
алгоритмов-а программ автоматизированногс проектирования,обес
печивающих высокие показатели качества аналоговых микроэлект
ронных устройств./ . ',.
Решение научной проблемы, связанной с поставленной целью, включает в' себя следующие задачи.
2 .
-
Обоснование методологии автоматизированного проекти -рования на основа принципов оптимальности схем и параметров АИС, оптимальной серийноспособности и адекватности моделей транзисторов.
-
Исследование моделей инжекционных структур для низкочастотного и высокочастотного диапазонов а установление воз -можности управления параметрами АИС с ИЛ изменением конструктивно-топологических характеристик инкекциошых структур.
-
Теоретическое обоснование оптимальных КС для различных АИС с ИП.
-
Разработка схемотехники потенциально устойчивых в высокочастотном диапазоне схем инжекционных структур и АИС с ИП.
-
Создание методов идентификации параметров моделей инжекционных структур на основе экспериментальных данных, полученных в результате измерений статических и динамических характеристик тестовых образцов ТИП.
-
Определение алгоритмов оптимизации параметров АИС с ИП по конструктивно-топологическим характеристикам инжекционных структур и алгоритмов статистической оптимизации параметров АИС с ШІ для получения максимального процента выхода годных изделий.
-
Разработка структуры организации программного обеспечения САПР АИС с ИП, диалоговых процедур параметрической идентификации моделей компонентов этих схем.
-
Исследование и разработка архитектуры САПР АИС с ИП на основе системного анализа процесса проектирования, общесистемных принципов создания САШ3 и анализа основных функций системы.
-
Практическое применение системы САПР д. з проектирования АИС с ИД и статистической оптимизаций их параметров.
Решение вышеуказанной проблемы проводилось в соответствии с планом исследований по естественным наукам на І98І-І985 и 1988-1993 гг.;. утвержденным Президиумом АН СССР и ГКНТ СССР (проблема I.12.12.1 - Теория построения принципов автоматизированного проектирования); координационным планом по КНТП "САПР" Минвуза PCffiC1' (приказ JS 254 от 9.04.87 г.) по заданию 9.4.14 "РазьііТие подсистемы моделирования дискретных компонентов аналоговых и цифровых рлектронных схем"; межвузовской комплексной программой "Технология микроэлектронной аппаратуры средств свасі
зи" на 1986-1990 гг.; межвузовской целевой НТП на 1987-1990 гг. и на период до 2000 года пПовышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения" (приказ Минвуза РСФСР № 485 от 6.07.87 г.) по заданию 03.21 "Разработка методов оценки надежности, принятия проект -ных решений.на основе экспертных систем"; планом госбюджетных НИР кафедры САПР Воронежского государственного технического, университета 1985-1994 гг. выполненных в соответствий с научным направлением Воронежского государственного технического университета -"Разработка и внедрение математических мето -дов и алгоритмов управления сложными объектами и системами'.
Тема диссертации связана с 14 научно-исследовательскими работами Воронежского государственного технического университета, выполненными при непосредственном участии автора диссертации. :
На защиту, выносятся следующие научные положения, полученные лично автором.
I. Снижение энергопотребления АИС и основы построения АИС с ИД:' - ' .
аналитическое выражение для управления эффективным коэффициентом передачи ТИП варьированием конструктивно-топологи -ческими параметрами иняекциояяой структуры (шириной базы и площадью коллектора),* являющееся,алгоритмом параметрической оптимизации АИС при автоматизированном проектировании;
создание линейного режима за счет формирования фиксиро -ванных токов и напряжений в цепях базы инжектора ТИП путем подачи в цепь базы усилительного транзистора смещения, равного напряжении в рабочей точке, или путем реализации расчетной величины тока инжектора при'заданных параметрах транзистора в граничном реадмэ;
формирование регулярных и нерегулярных каскодных инфек
ционных, структур, учитывающих определяющие факторы построения
схем: стандартные схемы нормально и инверсно включенного тран
зистора, способы обеспечения.линейных режимов инжектора и уси
лительного транзистора, многоколлекторность инжекционяых струк
тур;' ' .;'' .'-. ;'' - '''-.
схемотехническое построение на иняекцаонных структурах
гхем генератора тока и"интегрального усилителя с оригинальными топологическими решениями. , .
2. Существенное повышение устойчивого усиления АИС при
. использовании структур КС на БТ и ПТ и условий реализации оптимальных параметров КС-для высокочастотных усилителей:
оптимальные структуры КС для узкополосных и широкополосных усилителей;
частотные области устойчивости КС и соотношения, при которых эти области наибольшие;
аналитические выражения для оптимальных режимов по по -стоянному току транзисторов и параметров их моделей, позволяющие определить минимум результирующего показателя качества узкополосных усилителей в виде взвешенной суммы четырех показателей качества - предельной частоты крутизны, модуля пря -мого проходного параметра, активности и входного сопротивления;
аналитические выражения для оптимальных режимов по по -стоянному току транзисторов и параметров их моделей, позволяющие определить максимум площади усиления широкополосных усилителей.
3. Реализация интегрированной САПР АИС о Ш, включающей
в себя: ,-
структуру организации информационного и программного обеспечения САПР АИС с ИД, основанную на параметрической идентификации моделей инкекционных структур и управлении их параметрами изменением конструктивно-тополо аческих характеристик ТИП;
методику идентификации параметров модели ТИП, использую
щую экспериментальное определение статических и динамических
параметров инжекцаонных структур при применении оптимизацион
ного метода оценка параметров и являщуюся ал^іритмом парамет
рической оптимизации АИС при автоматизированном проектирова -
нии; '".'.'
подсистему статистической оптимизации параметров АИС с ИИ, основанную на использовании метода статистического моделирования и установленных закономерностях по статистическим характеристикам параметров АИС с ИД.
Научная новизна работл состоит в следующем.
I. В мало сигнальной модели БТ с ИД предложена зависимость
5 эффективного коэффициента передачи тока базы от.конструктивно-топологических параметров инжекционных структур, позволяющая осуществлять управление аффективным коэффициентом перадачи при автоматизированном проектировании микромощных АИС с ИП.
-
Выполнена многокритериальная оптимизация всех возможных вариантов КС на ВТ и ПТ и получены соотношения для их оптимальных режимов,'позволяющие упорядочить структуры КС по максимальной частотной области устойчивости и показателям качества для узкополосных и широкополосных усилителей.
-
Предложены способы и условия обеспечения линейного ре-кяма усилителей и новые структуры АИС с ИП, в том числе на основе каскодных схем включения транзисторов, 'отличающиеся от АИС с ВТ резким уменьшением энергопотребления.
-
Разработана оригинальная методика идентификации модели ТИП, отличающаяся экспериментальным определением статических
и динамичеоких параметров инжекционных структур и применением оптимизационных оценок параметров модели.
5. Обосновано построение САПР АИС с ИП, отличающееся при
менением автоматизированных процедур, построенных на базе ори
гинальных результатов работы.
-6. На ТИП предложены и разработаны схемы АИС с ИП в оптимальных режимах, две'из которых защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
. Практическая ценность работы. .Отмеченные выше научные результаты имеют конкретную прикладную, направленность, связанную как с. практической реализацией рассмотренных в. диссертационной работе структур АИС с ИП, так и с программно-техническим воплощением предложенных методик и алгоритмов в интегрированной САПР АИС с ИП. Существенной осо-. .бенностьз решения этих прикладных задач является исполъзова -
ние созданного методического обеспечения непосредственно для '.- проектирования базовых инлекционяых структур и АИС с ИП.
ЦраКТИЧеСКОе ПрИМеЯеНИв МеТОДИЧвСКОГО Обеспечения П03Б0-
,. - ляет решать при проектировании АИС с ИЛ следующие задачи:
создавать..новые типы АИС с ИП на основе КС на биполярных и инжекционных структурах, обеспечивающих в оптимальных режимах показатели качества в несколько раз больше промышленных
:"'ис; > .':;.-/ ;;;..'. -, ./''.'. - : -.
осуществлять не только расчет и оптимизацию параметров АКС с Щ, но и прогнозирование серийноспособности и диагностику годных ИС при их производстве.'
Все это приводит к сокращении в 1,5-2 раза сроков и стоимости проектных работ и повышает качество проектирования АИС, что явилось основанием для получения экономического эффекта от внедрения результатов работы.
Полученные научные результаты и методологические аспекты проектирования АИС с ИД позволяют более эффективно построить разделы учебных программ ряда учебных дисциплин специальности САПР по автоматизации схемотехнического проектирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Схемотехническая, конструктивно-технологическая и программно-техническая реализация и внедрение результатов работы осуществлены на предприятиях электронной и радиотехнической промышленности (НПО "йлектроника", г.Воронеж; ШО "Заря", г.Воронеж), а также в ряде вузов страны (Воро-нояский государственный технический университет, Московский государственный институт электроники и математики).
При внедрении результатов диссертационной работы в промышленности (НИИ электронной техники ШО "Электроника", НИИ связи ЖЮ "Заря") получен общий годовой экономический эффект 134 миллиона 200 тысяч рублей ( в ценах 1994 года).
А.ПрОиаЦКл раиОГ Ы. vCH БпЫо К&уЧНЫо И ЗКСПа—
римонтальные результаты диссертационной работы докладывались и обсуздались на 20 всесоюзных и республиканских конференциях, симпозиумах и семинарах: I Всесоюзной научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов*( Кишинев, 1982); Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов" (.Воронеж, 1984); Всесоюзной научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроения!* (Москва, 1984); Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории, чувствительности электронных и электромеханических систем" (Москва,1985); Всесоюзном научно-техническом с.мянарв "Эффективно хь и надежность сложных технических систем" '.Москва, ІУ85); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Надежность и качество в приборостроении и радиоэлектроника". (Москва, 1986);
7 It Всесоюзной конференции " Прием и анализ оверхнизкочастоткых колебаний естественного происхождения"(Воронек, 1987); научно-техническом семинаре "Современные проблемы обеспечения и повышения надежности преобразовательных и вычислительных устройств и систем"(Москва-Сухуми, І988); зональной конференции "Методы прогнозирования надежности проектируемых РЗА и ЭШ" (Пенза, ГЭ88); Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых и специалистов "Интегрированные системы автоматизированного проектирования в гибких производственных системах" (Воронеж,IS88); Республиканском семинаре "Машинные методы проектирования электронно-вычислительной аппаратуры" (Каунас, 1988); Республикан -ской научно-методической конференции "Опыт работы филиалов кафедр и роль в перестройка учебного процесса и улучшения качества подготовки, специалистов" (Воронеж, 1988); Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы создания интеллектуальных САПР КЭА и СБИС" (Воронеж, 1989); Всесоюзном.совещании-семинаре молодых ученых и специалистов "Разработка и оптимизация САПР и ГАЛ изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини-и микроЭШ" (Воронеж, 1989); Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем" (Владимир, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры" (Запорожье, 1990); Всесоюзной научно-технической 'конференции "Автоматизированные системы обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры" (Москва-Львов, 1990); Все -союзном совещании-семинаре "Интерактивное проектирование технических устройств и автоматизированных систем на персональных ЭШ" (Воронек,. 1991); IX Всесоюзном симпозиуме "Эффективность, качество и надежность систем человек-машина" (Воронеж, 1992); Российской научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем"(Пенза, 1994)'. , .'
В полном объеме научные результаты "иссертационяой работы и их реализация в. промышленности обсуждены и одобрены на тематическом семинаре "Системы 'радиотехники и автоматизации проектирования" Воронолсского государственного технического университета, где выполнялась работа,.а такие на заседании научно-технического совета ШЛ-33 Московского.государственного института электроники и'математики.'
Публикация результатов работы.
По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения; научные труди опубликованы в центральных и республиканских изданиях, а также изданиях, соответствующих перечням издательств и издающих организаций, в которых могут публиковаться основные научные результаты , включаемые в докторские диссертации. Основное содержание работы достаточно полно изложено в 30 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из списка основных терминов и сокращений, введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Внутреннее единство работы отражено в структурном распределении материала по главам. В первой „-'лаве на основе классификации АИС и их элементов, анализа современных интегрированных САПР и тенденций юс
