Введение к работе
Актуальность проблемы. Массовое применение полупроводниковых интегральных цепей на переключаемых конденсаторах (ЦПК) в современной жизни обусловлено их использованием в таких бурно развивающихся областях техники, как телепередающие системы телекоммуникаций с частотным или временным уплотнением каналов, телефония, измерительная техника и системы анализа сигналов, адаптивная фильтрация и т.д. Такие цепи выполняют периферийные функции цифровых процессоров. На современном рынке БИС ЦПК в широком ассортименте присутствуют изделия таких известных фирм, как Sierra Semiconductor, Maxim Integrated Product, Crystal Semiconductor, EG&G Reticon, Exar. Все это дешевые универсальные схемы или фильтры специального назначения массового производства. В качестве альтернативы таким схемам выступают заказные и полузаказные схемы с прецизионными характеристиками. В последнее время появился и продолжает интенсивно расширяться рынок специализированных БИС систем обработки и преобразования сигналов, построенных на основе ЦПК. Примером таких систем являются эквалайзеры, кодеки, модуляторы, демодуляторы, АЦП, ЦАП и всевозможные интегрированные устройства, изготавливаемые по интегральной технологии. Разработка таких БИС, как правило, всегда связана с необходимостью проектирования фильтров с переключаемыми конденсаторами (ФПК) для каждого конкретного случая.
Широкое применение БИС ЦПК объясняется их низкой стоимостью при высокой точности обработки сигналов, малыми габаритами и низкой потребляемой мощностью. БИС ЦПК успешно конкурируют с устройствами на основе цифровых сигнальных процессоров особенно в приложениях, связанных с малым энергопотреблением. Также получили распространение полностью интегральные аналого-цифровые устройства, содержащие ЦПК.
Наряду с наличием положительных качеств ЦПК имеют и ряд недостатков.
Характеристики универсальных ЦПК, как правило, программируются
высокоразрядными конденсаторными матрицами, управляемыми
переключателями или процессором, и обладают высокой чувствительностью характеристик к изменению параметров элементов. Изменение параметров элементов вызвано кодированием с ограниченной разрядностью или в результате воздействия дестабилизирующих факторов (изменение температуры, радиация, старение). Альтернативные заказные и иолузакачкые схемы имеют прецизионные характеристики и, соответственно, более высокую стоимость, что сдерживает их массовое применение.
Современный уровень развития технологии производства и применения полупроводниковых интегральных схем стимулирует разработку новых методов сиіііе-ja ЦПК и создание оригинальных схемных решений. В настоящее время
технологические возможности значительно опережают возможности проектирования таких схем. Например, уникальная способность ЦПК к реализации нескольких передаточных функций на одном выходе в разные интервалы времени, то есть реализация так называемых схем с мультиплексированием, на практике используется редко, а методы синтеза таких схем развиты слабо. Или возможность формирования полюсов и нулей передаточных функций одним набором элементов, отсутствующая в классических ARC-схемах и обуславливающая структурно ограниченную низкую параметрическую чувствительность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе пропускания к изменению отношений емкостей конденсаторов ЦПК. Другая возможность заключается в уменьшении числа программируемых емкостей, умеиыпснии раіброса емкостей и суммарной емкости цепи, что позволит снизить потребляемую мощность, по многом обусловленную динамической мощностью заряда/разряда конденсаторов. Из всего сказанного можно сделать вывод о необходимости дальнейшей разработки универсальных ЦПК и методов их синтеза. Такие схемы должны обладать низкой чувствительностью характеристик к изменению параметров элементов и иметь малые значения суммарной емкости, что позволит реализовать прецизионные параметры ЦПК и снизить длину управляющего кода, уменьшить потребляемую мощность, а значит и уменьшить стоимость БИС при улучшении их характеристик, расширить сферы их применения.
С учетом вышеизложенных аргументов можно сделать вывод об актуальности темы данных исследований.
Целью диссертационной работы является разработка методов синтеза низкочувствительных мультиплексных ЦПК, построенных на основе сигнальных четырехполюсников. Основные задачи сформулированы следующим образом.
-
Исследовать критерии схемной реализуемости ЦПК, способы мультиплексирования и структуры ЦПК на основе сигнальных четырехполюсников, а также условия минимизации параметрической чувствительности АЧХ.
-
Разработать методы реализации передаточных функций низкочувствитедьными мультиплексными ЦПК различных структур.
-
Разработать универсальные методы реализации функциональных блоков ЦПК с мультиплексированием и учетом паразитных параметров элементов БИС.
-
Создать базовое схемотехническое обеспечение.
Методы исследовании. При решении поставленных задач использованы основные положения теории электрических цепей, аппарат современных методов анализа и синтеза аналоговых цепей, цифровых фильтров, ЦПК, элементы маїричпой алгебры, математического анализа и теории графов, численные методы. Основные теоретические положения подтверждены численным моделированием и практическим использованием разработанных ЦПК.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
-
Разработан новый класс низкочувствительных мультиплексных ЦИК, что является развитием нового научного направления теории синтеза полупроводниковых интегральных ЦПК.
-
Предложены оригинальные способы построения мультиплексных ЦПК новых и известных структур.
-
Разработаны универсальные методы прямой реализации передаточных функций ЦПК различных структур.
-
Разработаны универсальные матричные методы схемной реализации ЦПК с внутренним мультиплексированием и новые схемы основных функциональных блоков.
-
Создана интегрированная объектно-ориентированная система проектирования ЦПК DisCAD.
-
Разработанные методы синтеза низкочувствительных мультиплексных ЦПК на основе сигнальных четырехполюсников позволяют получить новые схемы с улучшенными характеристиками.
Практическая ценность. Разработанные методы синтеза нового класса с\ем с переключаемыми конденсаторами позволяют существенно снизить параметрическую чувствительность ЛЧХ в полосе пропускания, увеличить технологические допуски и уменьшить длину управляющего кода, уменьшить суммарную емкость, снизить потребляемую мощность и уменьшить стоимость промышленных БИС ЦПК.
Создана интегрированная объектно-ориентированная система DisCAD, котрая используется для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектированию дискретно-аналоговых и цифровых
сие і ем.
Результаты диссертационной работы позволяют создавать принципиально новые дешевые технологичные схемы на ПК с улучшенными характеристиками.
Реалтания результатов работы. Результаты диссертационной работы получены в ходе выполнения договорных научных исследований на кафедре >.'іскірофпзики МЭИ и договорных научных исследований в ИГАСА, а также в холе реализации Программы информатизации Ивановской области в 1995-1997 гг. Научные исследования выполнены при поддержке гранта №96-01-06393, выданного Российским фондом фундаментальных исследований (распоряжение №96-43-15л), а также Государственной научной стипендии молодых ученых, присужденной Президиумом РАН (Постановление №26 от 25.01.94).
Предложенные в диссертационной работе методы синтеза и схемотехнические решения были использованы Московским ПИИ микрозлектронной аппаратуры "Прогресс" при разработке двухканалыюго
полосового фильтра и фильтра нижних частот на переключаемых конденсаторах для серийного ИКМ-кодека.
По разработанным методам синтеза ЦПК спроектирован и изготовлен ряд модемных фильтров, которые внедрены и используются в телекоммуникационном оборудовании Ивановской областной распределённой сети передачи данных органов государственной власти и управления. Интегрированная система DisCAD внедрена и используется при проектировании микроэлектронных полупроводниковых интегральных фильтров на переключаемых конденсаторах (ФПК) в учебном процессе в Ивановском государственном энергетическом университете.
Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Достоверность научных положений диссертации обуславливается корректностью исходных посылок и преобразований, использованием апробированного математического аппарата, логической обоснованностью выводов. Полученные результаты проверялись с помощью физических и вычислительных экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, семинарах и ярмарках:
XI и XIII научно-методических семинарах "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" и ярмарке-показе САПР г.Иваново, 1988 г.. і.Новочеркасск, 1987 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы нелинейной электротехники", і .Черкассы, 1988 і.;
Всесоюзной конференции "Проблемная адаптация алгоритмического и информационного обеспечения САПР (Адашация-89)", г.Киев. 1989 г.;
Всесоюзной научно-технической конференции "Чувствителыюсть-89", і.Владимир, 1989 г. и научно-технической конференции "Использование вычислительной техники и САПР в научно-исследовательских и опытных разработках", г.Владимир, 1987 г.;
Урало-Сибирской научной конференции (НПО "Уралсистем") и ярмарке САПР, г.Свердловск, 1989 г.;
краевых научно-технических конференциях: "Устройства и системы питомашки автономных объектов", "Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотреблеиия". г.Красноярск, 1984-1989 гг.;
XIV научно-технической конференции НИИЭМ НПО "Полюс", г.Томск, 1990 г.:
советско-болгарском научно-техническом семинаре "Микропроцессорная и компьютерная техника в машино- и приборостроении", г.Абакан, 1990 г.;
И-ой Всесоюзной научно-технической конференции по теоретической электротехнике, г.Винница, 1991 г.;
международной конференции "Информационные средства и технологии" в рамках международного форума информатизации МФИ-95, г.Москва, 1995 г.;
- республиканской научной конференции "Современные проблемы
информатизации СПИ-96", г.Воронеж, 1996 г.;
научных семинарах профессорско-преподавательского состава КрПИ, МНИ. Ив1 ЭУ. ИГАСЛ, МЭИ в 1987 - 1997 гг.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в мопсі рафии, учебном пособии, 37 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы in 180 наименований и приложений. Работа содержит 285 страниц, включая 28 таблиц и 108 рисунков.
