Введение к работе
Актуальность темы
Современное состояние технологии полупроводниковых
арсенид-галлиевых СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) послужило мощным стимулом для развития соответствующих средств автоматизации проектирования.
Однако, сложившаяся к настоящему времени организационная структура САПР, реализующая традиционный сценарий автоматизированного проектирования аналоговых гибридных интегральных схем, состоящий из последовательного выполнения этапов схемотехнического и топологического проектирования, оказывается малоэффективной, а в ряде случаев и неприемлемой при проектировании аналоговых МИС,
Сложность ситуации заключается в том, что при
схемотехническом проектировании арсенид-галлиевых СВЧ МИС необходимо учитывать ограничения на электрофизические параметри врсенид-галлиевого материала, топологические параметры компонентов и параметры различных слоев, образующих МИС. В противном случае ее дальнейшая реализация может оказаться невозможной.
Таким образом, для экономии времени и материальных средств чрезвычайно важной становится возможность принятия всех основных проектных решений о электро-физических и топологических параметрах МИС еще на стадии схемотехнического проектирования.
С другой стороны, постоянный рост степени интеграции кристаллов и микросборок, освоение МИС на все более высоких частотных диапазонах требует создания принципиально новых электрофизических и математических моделей компонентов, учета многочисленных паразитных взаимодействий в конструкциях, которые естественным образом приводят к увеличению сложности и размерности систем дифференциальных уравнений электронных схем.
Как показывают численгае эксперименты, в полупроводниковых СВЧ схемах козффицект жесткости составляет Юб - Ю1г, а в некоторых случаях до 10го со специфическим достаточно равномерным распределением спектра собственных колебаний. Это обстоятельство не дает возможности построения эффективного алгоритма разделения колебаний на группы больших и малых, что делает затруднительным применение методов численного интегрироования жестких систем.
Таким образом, реализация численно-аналитического подхода для
2.
систем алгеоро-дафференциалышх уравнений электронных схем, позволяющая избежать этапа численного интегрирования при эффективной организации процесса вычислений с разреженными матрицами коэффициентов на основе принципа разделения планирования и производства вычислительных процессов, наряду о разработкой стратегии построения вариационных и оптимизационных процедур представляется перспективным и актуальным научным направлением для систем моделирования в разнообразных приложениях, и прежде всего для САПР СВЧ-микросхем.
Цель работы Целью работы является:
- разработка алгоритмов и програш для автоматизации
проектирования арсенид-галлиевых СВЧ схем на оонове
численно-аналитического подхода к решению жестких систем
алгебро-дифференциальных уравнений;
разработка алгоритмов и программ решения задач векторной оптимизации статических и частотных характеристик СВЧ-схем на основе формирования обобщенного функционала оптимальности;
решение задачи эффективной организации вычислений с использованием виртуралышх процессоров в рамках разработки математического и программного обеспечения пакета прикладных программ схемотехнического проектирования арсенид-галлиевых микросхем СВЧ диапазона "МИКРО-МИС" для персональных ЭВМ.
Методы исследования При выполнении работы в качестве математического аппарата использовалась теория матриц, теория обыкновенных дифференциальных уравнений, теория цепей, современные метода прикладной и вычислительной математики.
Научная новизна работы
-
При разработке алгоритмов и программ моделирования арсенид-галлиевых СВЧ схем, описанных жесткими системами дифференциальных уравнений, предложено удобное с точки зрения формирования алгоритма представление алгебраической части численно-аналитического решения.
-
Предложен способ оптимального формирования уравнений электронных схем в виде алгебро-дифференциальных систем единичного индекса, обеспечивающий минимизацию обьема вычислений, высокую точность, простоту в реализации промежуточных вычислений.
3. Сформулированы правила графического представления изменения координатного Оазиса при формировании матрицы, участвующей в получении чисто алгебраической части решения. Получен вид матриц преобразования подобия, приводящих исходную систему уравнений к системе типа "ранг-степень".
3. Разработаны принципы оптимизации радиоэлектронных схем в
статике и частотной области по совокупности критериев. Реализован
векторный критерия оптимальности, позволяющий корректно учитывать
противоречивые требования, зачастую предъявляемые к
характеристикам схемы.
4. Разработаны архитектурные принципы построения пакета
прикладных программ схемотехнического моделирования на основе
виртуальных процессоров вычислений, позволяющих разделить этапы
планирования и исполнения задач.
5. Разработан входной язык пакета, учитывающий специфику
заложенных моделей арсенид-галлиевых полупроводниковых
СВЧ-элементов и выполняемых проектных процедур.
Практическая значимость работы
Разработанные программы позволяют повысить эффективность алгоритма численно-аналитического решения уравнений электронных схем за счет удобного представления алгебраической части решения.
Применение оптимального базисе переменных позволяет сформировать систему уравнений электронных схем в виде "ранг-степень".
Использование методики виртуальных процессоров вычислений существенно повышает производительность пакета в целом, за счет полного исключения всех логических операций, связанных с анализом ненулевой структуры разраженных матриц, хотя и требует дополнительной памяти для хранения кода решения.
Разработанные лингвистические средства поддержки
оптимизационных процедур, обеспечивают возможность формирования векторного критерия оптимальности на уровне входного языка пакета.
Разработан пакет прикладных программ "МИКРО-МИС" для
персональных ЭВМ, прошедший промышленную эксплуатацию и
показавший свою эффективность при решении задач схемотехнического проектирования арсенид-галлиевых СВЧ-шжросхем.
Реализация и внедрение результатов работы
В итоге проведенных научных исследований при личном участии автора разработан ряд пакетов прикладных программ, а именно:
4.
серия версий пакета "Сдактр-АК/86-90" для ЕС ЭВМ;
пакет "Микро-Мисдля ПЭВМ типа ІБИ PC/AT.
Многолетнее использование во ВНИИРА з тих пакетов позволило создать широкий ассортимент арсенид-галлиевых СВЧ МИО, включая широкополосные усилители и смесители, аттенюаторы, умножители частоты для бортового, навигационного и посадочного оборудования, пейджеров, радиотелефонов, приемников спутниковой связи и др.
В настоящий момент с помощью этих пакетов в НЛП ВНШРА-МИКРО выполняются разработки уникальной радиоаппаратуры специального назначения.
Апробация работы
Научные результаты и основные положения работы докладывались и обсуздались на 4 Всесоюзных научно-технических конференциях:
на Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики" (Новосибирск, 1987);
на Всесоюзной конференции "Проблемы нелинейной электротехники*' (Киев,1988);
на Всесоюзной конференции "Теория и практика построения' интеллектуальных интегрированных САПР РЭА и БИС" (Звенигород, 1989);
на Всесоюзной научно-технической конференции "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах (ОНО)" (Суздаль, 1989).
Публикации по работе По тема диссертации опубликовано 8 работ в изданиях, допускающих изложение основных научных результатов. Структура и объем работы диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов с выводами, заключения, приложения и списка литературы, включающего 114 наименований. Осовной текст изложен ва 115 страницах. Работа содержит 8 рисунков.
