Es difícil sobreestimar la importancia de los circuitos integrados lógicos reprogramables (FPGA) en la síntesis de sistemas lógicos. El desarrollo integral de la base de elementos y los sistemas de diseño asistido por computadora hace posible implementar sistemas lógicos complejos en tiempos sin precedentes. poco tiempo y con mínimo los costos de materiales. Por tanto, es comprensible el deseo de lograr resultados similares en el diseño y producción de sistemas analógicos. Sin embargo, muchos intentos realizados en esta dirección aún no han dado los resultados esperados, y los circuitos integrados analógicos programables (PAIS) y los circuitos integrados analógicos matriciales (MABIS) no se han vuelto universales.
Problemas de diseño de LSI analógicas programables
El rápido progreso en el campo del diseño de sistemas lógicos en FPGA estuvo predeterminado por el hecho de que todos los sistemas lógicos se basan en un aparato matemático bien desarrollado de álgebra de Boole. Esta teoría permite demostrar que la construcción de una función lógica arbitraria es posible mediante la composición ordenada de un solo operador elemental: el Y-NO lógico (o O-NO). Es decir, cualquier sistema estrictamente lógico puede diseñarse a partir de elementos de un solo tipo, por ejemplo NAND.
La situación es completamente diferente en el campo del diseño (síntesis) y análisis (descomposición) de esquemas de circuitos de sistemas analógicos. En electrónica analógica todavía no existe un único aparato matemático generalmente aceptado que permita resolver problemas de análisis y síntesis desde una posición metodológica unificada. Las razones de este fenómeno deben buscarse en la historia del desarrollo de la electrónica analógica.
En las primeras etapas, los circuitos de los dispositivos analógicos se desarrollaron de acuerdo con los conceptos del método de nodos funcionales, cuya idea principal era la división de diagramas de circuitos complejos en nodos. Un nodo consta de un grupo de elementos y funciona completamente. función específica. Cuando se combinan, los nodos forman bloques, tableros, gabinetes, mecanismos, es decir. algunas estructuras unificadas llamadas dispositivos. La combinación de dispositivos forma un sistema. El método nodal funcional asumió que los componentes elementales de los sistemas deberían ser nodos, cuya tarea principal es realizar una función muy específica.
Por eso se tomó como criterio para clasificar los nodos la funcionalidad, es decir, el hecho de que un nodo realice alguna función. Sin embargo, a medida que se desarrolló la electrónica, hubo muchísimas funciones dedicadas y aisladas (y, por lo tanto, nodos). Ha desaparecido cualquier posibilidad de minimización y unificación necesaria para la síntesis. sistemas complejos. Es por eso que el desarrollo de LSI analógicos matriciales (MABIS) y de circuitos integrados analógicos reprogramables (PAIS) se ha visto y sigue viéndose obstaculizado.
La situación en el campo de los circuitos analógicos programables se puede rastrear analizando la evolución de las principales empresas rusas y extranjeras. Así, los especialistas de OJSC NIITT y la planta de Angstrem centraron sus esfuerzos en el desarrollo y producción de BMC (cristales de matriz básica) analógico-digitales del tipo Rul N5515ХТ1, Н5515ХТ101, destinados a sistemas de adquisición, monitoreo y control de datos, para equipos médicos y sistemas de control.
El diseño de estos BMK incluye una matriz analógica y digital. La matriz digital contiene 115 celdas base digitales (230 puertas 2N-NOT), que están dispuestas en cinco filas de 23 celdas cada una. La matriz analógica combina 18 celdas de base analógicas dispuestas en dos filas de 9 celdas. Entre las filas de celdas analógicas hay dos filas de condensadores (17,8 pF nominales) y dos filas de resistencias de difusión (24,8 kOhm cada una). Entre las partes analógica y digital hay una serie de resistencias de 3,2 kOhm.
El BMK proporciona dos tipos de celdas analógicas (A y B). Las celdas tipo A constan de 12 transistores colectores aislados PRP y cuatro RLR y 38 resistencias de difusión de tomas múltiples. En las celdas de tipo B, cuatro transistores lRL se reemplazan por dos transistores p-MOS. Las celdas periféricas de tipo A y B contienen cada una cuatro potentes transistores LRL (en las celdas de tipo B, con un colector aislado) y dos transistores bipolares.
Las celdas base digitales vienen en tres tipos: cuatro transistores l-MOS, cuatro transistores p-MOS y un par complementario de transistores bipolares. Además, en la periferia del cristal hay potentes celdas digitales que contienen cuatro potentes transistores l-MOS y p-MOS, así como dos transistores lrl conectados según un circuito Darlington.
Bibliotecas de analógicos estándar y elementos digitales, que facilitan y aceleran significativamente el proceso de diseño de dispositivos basados en BMK. Estos y otros BMK similares contienen conjuntos de elementos de radio eléctricos (ERE) que no están conectados entre sí, de los cuales se pueden obtener varias unidades funcionales especificadas en la biblioteca. La principal desventaja de tales microcircuitos es un ámbito de aplicación muy limitado, limitado a valores específicos de clasificaciones y otras características de los elementos de energía eléctrica en un conjunto determinado. Las capacidades de las unidades funcionales desarrolladas y recomendadas para este conjunto se dan en la biblioteca que acompaña al chip.
Arroz. 1. Estructura de ispPAC-10
Desde el año 2000, Lattice Semiconductor produce circuitos integrados analógicos programables (PAIC) de la familia ispPAC (Circuito analógico programable en el sistema) con programación en el sistema, es decir. sin extraer de placa de circuito impreso. A mediados de 2000, se estaban produciendo tres miembros de esta familia: ispPAC-Yu (Fig. 1), ispPAC-20 (Fig. 2) e ispPAC-80. Integran hasta 60 elementos activos y pasivos, que se configuran, simulan y programan mediante el paquete PAC-Designer.
Los PAIS de la familia ispPAC contienen:
Circuitos de interfaz en serie, registros y elementos de memoria no volátil eléctricamente reprogramable (EEPROM), que proporcionan configuración matricial;
células analógicas programables (PACcells) y bloques analógicos programables (PACblocks) compuestos por ellas;
Elementos programables para interconexiones (ARP - Analog Routing Pool).
La arquitectura de esta serie se basa en celdas básicas que contienen: amplificador de instrumentación (IA); amplificador de salida (OA), implementado mediante un circuito sumador/integrador; Fuente de tensión de referencia (ION) de 2,5 V; DAC de 8 bits con salida de voltaje y comparador dual (CP). Para aumentar el rango dinámico de las señales procesadas, las entradas y salidas analógicas de las celdas (a excepción del ION) se realizan mediante un circuito diferencial. Dos DUT y una VU forman una macrocélula, denominada bloque PAC, en la que las salidas del DUT están conectadas a las entradas sumadoras de la VU. El chip ispPAC-10 incluye cuatro bloques PAC y el ispPAC-20, dos. El ispPAC-20 también incluye DAC y celdas comparadoras. La ganancia del DUT se programa en la celda en el rango de -10 a +10 en pasos de 1, y en el circuito de retroalimentación de la VU, el valor de la capacitancia del capacitor (128 valores posibles) y encender/apagar la resistencia.
Varios fabricantes de circuitos integrados utilizan tecnología de "condensador conmutado" para programar funciones analógicas, lo que implica cambiar la capacitancia de los circuitos de ajuste de frecuencia mediante un interruptor electrónico que cambia según las condiciones.
Arroz. 2. Estructura de ispPAC-20
El enfoque de Lattice se basa en el uso de circuitos con características de tiempo constante que se pueden cambiar durante la reconfiguración del sistema sin cortar la alimentación. Esta mejora es significativa, ya que elimina tratamientos adicionales señal requerida en el primer método.
Las herramientas de enrutamiento interno (Analog Routing Pool) le permiten conectar los pines de entrada del microcircuito, las entradas y salidas de las macrocélulas, la salida DAC y las entradas del comparador entre sí. Combinando varias macrocélulas, es posible construir circuitos de filtros activos sintonizables en el rango de frecuencia de 10 a 100 kHz, basándose en el uso de una sección integradora.
Cabe señalar que los ispPAC de Lattice son los más cercanos a PAIS. Su único inconveniente es que no existe un sistema de elementos básicos universales que permita diseñar no solo filtros activos sintonizables, sino también una variedad bastante amplia de sistemas analógicos. Es esta circunstancia la que impide que ispPAC de Lattice Semiconductor se convierta en un análogo de los FPGA de empresas como Altera y Xilinx.
En general, analizando la situación en el campo del desarrollo y la implementación práctica de microcircuitos analógicos, se pueden hacer una serie de generalizaciones:
La mayor parte de los microcircuitos analógicos implementados industrialmente no pueden clasificarse como LSI en términos del grado de integración;
Los LSI y BMK analógicos están destinados al diseño de dispositivos de una determinada clase, es decir, no son universales;
Al diseñar grandes sistemas analógicos, el método de nodo funcional sigue siendo dominante (conjuntos de circuitos integrados especializados, por ejemplo para receptores de televisión).
Una base de diseño unificada para FPGA y MABIS
Sin embargo, la tarea de desarrollar una base de diseño de circuitos unificados para sistemas analógicos todavía tiene solución. Intentaremos fundamentar teóricamente y mostrar posibles direcciones para la implementación práctica de las ideas presentadas.
En primer lugar, se debe elegir un modelo matemático de un gran sistema electrónico analógico que permita identificar un pequeño grupo de elementos básicos. En el campo del análisis y síntesis de circuitos electrónicos prácticamente no existen alternativas al aparato matemático de sistemas de ecuaciones diferenciales lineales, reconocido allá por los años sesenta del siglo pasado. Sin embargo, tengamos en cuenta que la idea de un uso práctico masivo de esta metodología aún no ha captado la atención de todos los especialistas.
Un sistema de ecuaciones diferenciales consta de elementos, sus conexiones y se caracteriza por una determinada estructura. La base elemental de las ecuaciones diferenciales se estudió en la primera mitad del siglo pasado dentro de la disciplina científica de la "automatización". En este ámbito ha surgido una ventaja de las ecuaciones diferenciales como la unificación: su forma no depende del modelo de proceso descrito. Sin embargo, en la forma estándar de escribir una ecuación diferencial no hay información visual sobre la naturaleza de las relaciones en el sistema en estudio. Por lo tanto, a lo largo del desarrollo de la teoría del control automático se desarrollaron métodos para representar visualmente la estructura de sistemas de ecuaciones diferenciales en forma de varios tipos de diagramas.
A finales de los años 60 del siglo XX, se había desarrollado plenamente un punto de vista moderno sobre la organización estructural de los modelos de sistemas dinámicos. Formación modelo matemático el sistema comienza con su división en enlaces y su posterior descripción, ya sea analíticamente en forma de ecuaciones que conectan las cantidades de entrada y salida del enlace; o gráficamente en forma de diagramas mnemotécnicos con características. A partir de las ecuaciones o características de enlaces individuales, se compilan ecuaciones o características del sistema en su conjunto.
Enlaces de sistemas dinámicos identificados como típicos.
Nombre de la unidad |
Ecuación de enlace y(t)=f(u(t)) |
Función de transferencia W(s)=y(s)/u(s) |
Componentes elementales |
| Proporcional | |||
| Integrando | dy(t)/dt = ku(t); py = ku |
||
| diferenciando | y(t)=k·du(t)/dt; y = kpu |
||
| Aperiódico de 1er orden |
|
||
| Forzando el primer orden |
|
||
| Integrando inercial | W(s) = k/ |
|
|
| Diferenciando inercial | W(s) = ks/(Ts+1) |
|
|
| Izodrómnoe | W(s) = k(Ts+1)/s |
|
|
| Oscilador, conservador, aperiódico de segundo orden. | (T 2 p 2 +2ξTp+1)y = ku |
W(s)=k/(T 2 p2+2ξTp+1) |
|
Tenga en cuenta que si para un diagrama funcional el sistema se divide en enlaces según las funciones que realizan, entonces para una descripción matemática el sistema se fragmenta según la conveniencia de obtener la descripción. Por lo tanto, los enlaces deben ser lo más simples (pequeños) posible. Por otro lado, al dividir un sistema en eslabones, se debe elaborar una descripción matemática de cada eslabón sin tener en cuenta sus conexiones con otros eslabones. Esto es posible si los enlaces tienen direccionalidad de acción, es decir transmiten influencia en una sola dirección, de entrada a salida. Entonces un cambio en el estado de cualquier enlace no afecta el estado del enlace anterior.
Si se cumple la condición para la direccionalidad de la acción de los enlaces, se puede obtener una descripción matemática de todo el sistema en forma de un sistema de ecuaciones independientes de enlaces individuales, complementado con ecuaciones de conexión entre ellos. Los enlaces más comunes (típicos) se consideran enlaces aperiódicos, oscilatorios, integradores, diferenciadores y de retardo constante.
Varios autores han estudiado el problema de los vínculos elementales en modelos de la forma de un sistema de ecuaciones diferenciales. El análisis muestra que sus posiciones se reducen principalmente a constatar la existencia de vínculos típicos y estudiar su papel en el proceso de formación de estructuras más complejas. La selección dentro del grupo de unidades típicas se realiza de forma arbitraria, sin ningún criterio. Se incluyen varios enlaces en las listas de enlaces típicos sin explicación ni justificación, y para designar enlaces típicos en igualmente También se utilizan los términos "protozoos" y "elemental" (ver tabla). Mientras tanto, el estudio de numerosos vínculos "típicos" de sistemas dinámicos utilizando los métodos de matrices estructurales muestra que solo tres vínculos (proporcional, integrador y diferenciador) no contienen ciclos matriciales en sus matrices estructurales. Por tanto, sólo ellos pueden llamarse elementales. Todos los demás enlaces se construyen combinando enlaces elementales.
Entonces, si un enlace proporcional con una función de transferencia W B (s) = k B y un enlace diferenciador con una función de transferencia W A (s) = k A s están conectados de acuerdo con un circuito de retroalimentación negativa (Fig.3), entonces el equivalente función de transferencia
Así, el resultado, hasta los valores de las constantes de tiempo, coincide con la función de transferencia del enlace aperiódico de primer orden. Esto significa que este enlace se puede obtener conectando enlaces proporcionales y diferenciadores según un circuito con realimentación negativa y, por tanto, no puede considerarse elemental.
Fig. 3. Circuito de enlace aperiódico equivalente
Los enlaces restantes incluidos en la tabla se pueden construir de la misma manera. Se debe prestar especial atención a la función de transferencia del enlace oscilatorio (T 2 p 2 + 2ξTp + 1)y = ku. Por lo tanto, si conectamos en serie dos enlaces aperiódicos con funciones de transferencia que difieren sólo en constantes de tiempo, entonces la función de transferencia equivalente tomará la forma
Así, el resultado, hasta los valores de las constantes de tiempo, coincide con la función de transferencia del enlace en estudio. En consecuencia, se pueden obtener enlaces oscilatorios, conservadores y aperiódicos de segundo orden conectando enlaces de primer orden en serie. Esto significa que no pueden considerarse elementales, aunque en principio está permitido llamarlos típicos.
El análisis de los resultados dados en la última columna de la tabla nos permite concluir que enlaces como aperiódicos, isodrómicos, forzadores, inerciales diferenciadores e inerciales integradores se pueden obtener conectando enlaces elementales. Para demostrar que las funciones de transferencia de otros enlaces típicos se pueden obtener conectando enlaces elementales, sería necesario analizar conexiones de tres, cuatro, etc., enlaces mediante esquemas estándar conexiones. Se puede obtener el mismo resultado si consideramos las conexiones de enlaces elementales con enlaces típicos de primer orden. Parte de esta investigación ya se ha realizado, sus resultados se presentan en el trabajo.
Así, se ha demostrado que conectando enlaces elementales es bastante sencillo obtener todas las funciones de transferencia de los llamados enlaces dinámicos estándar. En consecuencia, los sistemas dinámicos arbitrarios se pueden sintetizar utilizando los operadores de multiplicación y combinación de solo tres enlaces elementales: proporcional, diferenciador e integrador. Esta conclusión es de fundamental importancia, ya que determina la base elemental necesaria para la construcción de sistemas dinámicos lineales de cualquier orden, incluidos los circuitos radioelectrónicos. Y si se supone que los sistemas dinámicos deben construirse a partir de una gama limitada de vínculos dinámicos, como en el caso de MABIS y PAIS, entonces la conclusión a la que se llega es especialmente importante.
Fig.4. Soluciones de circuitos simples de unidades elementales: a) sumador de múltiples entradas, b) amplificador diferencial (enlace proporcional), c) diferenciador (enlace diferenciador), d) integrador (enlace integrador)
¡Es posible sintetizar dispositivos analógicos arbitrarios a partir de solo cinco unidades funcionales: multiplexor, sumador, multiplicador, integrador y diferenciador (Fig. 4)! Tenga en cuenta lo que se muestra en la Fig. 4 no deben considerarse como soluciones de circuitos realmente probadas, sino sólo como una justificación para la posibilidad de sustituir en un diagrama funcional enlaces elementales por elementos radioelectrónicos básicos. Al reemplazar los enlaces elementales de los circuitos funcionales con sus contrapartes de hardware, es posible diseñar dispositivos analógicos con características específicas.
Ejemplo de síntesis de dispositivo analógico.
Consideremos un ejemplo muy simple de síntesis. diagrama esquemático dispositivo analógico según un modelo especificado por un sistema de ecuaciones diferenciales en forma de transformadas de Laplace de la forma: x 0 = g, x 1 = x 0 - 2x 2 /s, x 2 = 10x 1 /s, x 3 = x 2 - 10x 4 /s, x 4 = 500x 3 /s.
Construyamos una matriz estructural de este sistema de ecuaciones diferenciales y resaltemos los ciclos de la matriz con flechas:
Utilizando las ecuaciones y la matriz estructural, reconstruiremos el diagrama de bloques del dispositivo (Fig. 5). De acuerdo con la matriz estructural, el sistema tiene dos retroalimentaciones negativas: nodo 2 -> nodo1 y nodo 4 -> nodo 3, respectivamente. Dado que el diagrama de bloques de la Fig. 5 se basa inicialmente en enlaces elementales, puede considerarse como un diagrama funcional de un dispositivo electrónico.
Fig.5. Diagrama de bloques del dispositivo sintetizado (paso a paso)
De los resultados de la simulación (Fig. 6) del circuito sintetizado se desprende claramente que, con los parámetros dados, consta de dos generadores conectados en serie. Es decir, un dispositivo muy simple, que consta de sólo cuatro unidades integradoras, realiza la función relativamente compleja de modular una oscilación de baja frecuencia con una de alta frecuencia.
Tenga en cuenta que al diseñar y fabricar MABIS y PA-IS, no es necesario utilizar análogos de hardware de unidades elementales fabricadas con amplificadores operacionales, como en la Fig. 4, aunque se desarrollan mejor sobre esta base. La más prometedora es la implementación de análogos de hardware de unidades elementales utilizando componentes optoelectrónicos, aunque son posibles otras opciones.
Fig.6. Oscilograma de un dispositivo sintetizado.
Universal MABIS y PAIS - es posible
Así, podemos distinguir cinco componentes elementales (más simples) de cualquier REA, correspondientes a los operadores básicos de sistemas de ecuaciones diferenciales: multiplicación, diferenciación, integración, suma y reproducción (multiplexación). Metodología de diseño analógico. dispositivos electrónicos asume:
Utilizando como datos iniciales para diseñar un modelo matemático en forma de un sistema de n ecuaciones diferenciales de primer orden (o ecuación diferencial de l-ésimo orden;
construir una matriz estructural del dispositivo diseñado y encontrar ciclos de matriz;
restauración del diagrama estructural del dispositivo diseñado;
transformar un diagrama estructural en uno funcional reemplazando enlaces típicos por un conjunto de enlaces elementales;
convertir el diagrama funcional del dispositivo diseñado en un diagrama de circuito eléctrico reemplazando enlaces elementales con elementos básicos de hardware equivalentes (quizás el uso de sistemas CAD modernos nos permitirá evitar esta etapa sintetizando la topología directamente a partir de la descripción funcional);
Desarrollo de la topología del dispositivo diseñado.
El enfoque propuesto tiene una serie de ventajas decisivas. Así, el diagrama funcional del dispositivo diseñado se sintetiza a partir del sistema original de ecuaciones diferenciales mediante transformaciones matriciales estándar, que pueden ordenarse y convertirse en un algoritmo para cálculos automáticos. El diagrama del circuito eléctrico se sintetiza a partir del diagrama funcional simplemente reemplazando los enlaces dinámicos elementales con elementos básicos equivalentes. Modelar un dispositivo utilizando herramientas CAD también puede hacerlo mucho más fácil.
Así, dado que el conjunto de unidades elementales no es numeroso, existe una posibilidad real de diseñar MABIS y PAIS universales. Lo que, a su vez, simplifica enormemente el diseño de dispositivos analógicos y digitales a analógicos y abre perspectivas atractivas. mayor desarrollo electrónica en general.
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Todos los existentes circuitos electrónicos Se pueden dividir aproximadamente en 2 clases: digitales y analógicos.
Señal analoga representa una cantidad eléctrica que cambia continuamente a lo largo del tiempo (generalmente corriente o voltaje), que se encuentra dentro del rango informativo permitido de valores en cualquier momento, es decir, la cantidad de salida y la cantidad de entrada están relacionadas entre sí por la relación funcional 1/salida = L(/oh) .
Señal digital generalmente se caracteriza por dos valores estables (máximo y mínimo), mientras que
el paso de un valor a otro se produce en un corto intervalo de tiempo.
Los circuitos analógicos se basan en las etapas y cascadas de amplificación más simples, y los circuitos digitales se basan en los interruptores de transistores más simples.
Sobre la base de etapas de amplificación se construyen amplificadores multietapa complejos, estabilizadores de voltaje y corriente, moduladores y detectores, generadores de señales continuas en el tiempo y otros circuitos.
Cuando funciona cualquier circuito analógico, hay una desviación (dispersión) de las señales de salida C/out (O en un cierto rango, es decir, C7 OUT (0 = £/(£) ± D£/(Ts. La fuente de la desviación es D£/(*) puede haber variación de temperatura y tiempo de los parámetros de los elementos del circuito, ruido, dispersión tecnológica de los parámetros, etc. La dificultad de obtener una alta precisión en la reproducción de las características de los elementos con buena estabilidad y mínimo ruido fue la razón del retraso en el desarrollo de circuitos analógicos en comparación con los circuitos integrados digitales en las primeras etapas del desarrollo de la microelectrónica. Sin embargo, esta brecha ahora se ha eliminado y los microcircuitos analógicos se utilizan como elemento base principal de la mayoría de los dispositivos analógicos. posible reducirlo significativamente. dimensiones y la masa de estos dispositivos, así como el consumo de energía, y mejorar la precisión del procesamiento de información analógica. La última ventaja se debe al hecho de que en un IC sobre un sustrato se forma un conjunto de elementos con características mutuamente consistentes (el principio de coincidencia mutua de circuitos) y los elementos del mismo tipo tienen los mismos parámetros y compensación mutua por la inestabilidad de los parámetros. en todos los rangos de influencias externas permitidas.
Los circuitos integrados analógicos se pueden dividir en universal Y especializado. Los circuitos integrados analógicos de uso general incluyen conjuntos de resistencias, diodos y transistores adaptados, y amplificadores operacionales integrados (OP-AMP).
Los microcircuitos analógicos especializados realizan alguna función específica, como multiplicar señales analógicas, filtrar, comprimir, etc.
Convertidores analógicos a digitales (ADC) Y convertidores de digital a analógico (DAC) transformar información analógica en digital y viceversa. Los ADC básicamente convierten el voltaje en código digital. Los DAC más utilizados son los convertidores de código a voltaje y de código a corriente.
Microcircuitos de microondas integrados. Tienen especificidad funcional, de circuito, de diseño y tecnológica. Su desarrollo se ve estimulado por las necesidades de radar, televisión, tecnología aeroespacial, etc., que requieren la producción en masa de amplificadores de bajo ruido para pistas receptoras, convertidores de frecuencia, conmutadores de señales de microondas, generadores, amplificadores de potencia, etc.
En comparación con los circuitos discretos, los circuitos integrados se caracterizan por características distintivas, debido a las particularidades de su tecnología. Las características de los circuitos integrados analógicos incluyen el principio mencionado anteriormente de coincidencia mutua de circuitos y el principio de redundancia de circuitos, que consiste en complicar deliberadamente el circuito para mejorar su calidad, minimizar el área del chip y aumentar la capacidad de fabricación. Por ejemplo, los circuitos integrados analógicos utilizan estructuras complejas acopladas directamente en lugar de un condensador de área grande.
Por lo tanto, normalmente hay que hacer un compromiso y alimentar el amplificador operacional con un voltaje más bajo (para él). La mayoría de los amplificadores operacionales modernos funcionan con una tensión de alimentación de más de 3 V (±1,5 V), y sólo la serie K574, con una tensión de alimentación de más de 5 V. Además, especialmente para uso en baja tensión (5 V ) tecnología digital, también se producen amplificadores operacionales de la serie LM2901... LM2904: sus parámetros son ideales con una tensión de alimentación de 5 V, y el funcionamiento permanece en el rango "estándar" de 3...30 V. El " La mitad del voltaje de suministro” necesario para el funcionamiento del amplificador operacional y el comparador se puede “hacer” usando un divisor de voltaje por.
Otro problema es la coordinación entre niveles. Es imposible suministrar una señal digital a la entrada de microcircuitos analógicos, especialmente la señal de la salida de los microcircuitos (la amplitud de su voltaje de salida es igual al voltaje de suministro). Esto se analizó con más detalle anteriormente y puede reducir la amplitud de la señal de la salida digital utilizando un divisor de voltaje.
La señal en la salida de un sistema analógico que funciona en modo digital casi siempre tiene suficiente amplitud para el funcionamiento digital normal, pero también hay "freaks" a este respecto. Algunos microcircuitos analógicos tienen un nivel logarítmico. “0” corresponde a un voltaje de salida igual a +2,1…2,5 V con respecto al cable común (al que está conectada la entrada de alimentación negativa), y para circuitos TTL y algunos el voltaje de conmutación es 1,4…3,0 V. Entonces es posible para establecer el nivel de registro utilizando uno analógico. "0" en la entrada digital mencionada anteriormente es imposible. Pero con la configuración del nivel de registro. “1” en la entrada digital, casi nunca surgen problemas. Por lo tanto, hay dos salidas: o aplique solo analógica a la entrada “-U” un pequeño voltaje negativo (-2...-3 V) con respecto al cable común (Fig. 2.8, o), que se puede generar usando cualquier generador a cuya salida esté conectado - ( Fig. 2.8, b); R es necesario para que cuando el voltaje en la salida del amplificador operacional sea menor que el voltaje en el cable común, no dañe el microcircuito digital (TTL) ni sobrecargue el protector (), puede ser de 1 kOhm. a 100 kOhmios. La segunda salida se coloca entre los microcircuitos analógicos y digitales (Fig. 2.8, c): en este caso, el voltaje en la entrada digital también disminuirá en el nivel de registro. "1", que no es importante, y el nivel de voltaje es logarítmico. “0”, que es lo que necesitamos.
Las salidas de los comparadores generalmente se realizan de acuerdo con un circuito de colector abierto (Fig. 2.8, d), por lo tanto, cuando se usan comparadores para control circuitos digitales Se requiere “pull-up” (se enciende entre la salida del comparador y el bus “+U”). En los circuitos TTL, estos se instalan en el interior de cada entrada, en los circuitos internos deben instalarse "en el exterior". Nunca hay resistencias pull-up "dentro" de los comparadores.
La caída de voltaje en las transiciones del transistor de salida del comparador (Fig. 2.8, d) no excede los 0,8...1,0 V, por lo que nunca surgen problemas con el control de los circuitos digitales. Dado que la salida del comparador se realiza según un circuito de colector abierto, el voltaje de suministro del comparador (“+U”) puede ser mayor o menor que el voltaje de suministro digital; no es necesario realizar cambios en el circuito. En este caso se debe conectar el “pull-up” entre la salida del comparador y el bus “+U” de la parte digital.
Digamos que necesitamos crear uno que controle el valor de su propio voltaje de suministro y, tan pronto como sea mayor o menor de lo normal, se encenderá.
Primero, intentemos crear uno basado en microcircuitos digitales. Como saben, el voltaje de conmutación digital es muy débil desde su voltaje de suministro, por lo tanto, para controlar el voltaje de suministro, la entrada del elemento lógico se puede conectar directamente a través de los buses de alimentación (Fig. 2.10, a). En este circuito, el inferior reacciona a una disminución en el voltaje de suministro (luego su salida se establece en "uno"), y el superior reacciona a un aumento, y en este caso la salida del elemento DD1.2 se establece en un nivel de registro. "1". Las señales de las salidas de ambos canales se suman mediante un circuito de diodo "2OR", y cuando se establece "uno" en una de las salidas, el nivel de registro se establece en la salida DD1.4. “0”, permitiendo que el generador funcione.
Este circuito se puede simplificar si se utilizan entradas múltiples (Fig. 2.10, b). En estos esquemas DD1.2 (Fig. 2.10, a)
Arroz. 2.10. Dispositivos de control de voltaje: a - en inversores; b - mejorado en elementos lógicos; c - los microcircuitos analógicos utilizan uno de los elementos de "entrada"; gracias a esto, no hay necesidad de un sumador. Espero que puedas descubrir por ti mismo cómo funcionan.
Después de ensamblar uno de estos circuitos, notará que mientras el voltaje de suministro está dentro del rango normal, la corriente consumida por el circuito no excede unos pocos microamperios, pero cuando se acerca al límite normal, aumenta drásticamente miles de veces. A través de las corrientes han surgido. Con un cambio adicional en el voltaje de suministro, se encenderá (si el voltaje de suministro está pulsando, inicialmente "retumbará" al compás de las ondas) y después de un tiempo, con un cambio aún mayor en el voltaje de suministro, el La corriente consumida por el circuito comenzará a disminuir.
Si no necesita esos “trucos”, colóquelos en un circuito o amplificador operacional. Si se inicia por el nivel de registro. “O” es más conveniente: sus salidas se pueden conectar entre sí (¡no se puede hacer esto con un amplificador operacional!) y “arreglarse” con una resistencia “pull-up” común. Pero si comienza como "uno", un amplificador operacional es más conveniente: ahorrará 2 resistencias a través de las cuales fluye la corriente en el modo "de espera" (siempre que el voltaje esté dentro de los límites normales).
A diferencia de los comentados anteriormente, dicho circuito requerirá una fuente de voltaje de referencia. La forma más sencilla es ensamblarlo utilizando una resistencia y un diodo zener o un generador de corriente y una resistencia (o, mejor aún, un diodo zener). La opción de resistencia con diodo zener es la más barata, pero la mayoría de los diodos zener comienzan a funcionar normalmente solo cuando una corriente de varios miliamperios fluye a través de ellos, y esto afecta el consumo de energía de todo el sistema. Sin embargo, los domésticos modernos de pequeño tamaño comienzan a estabilizar el voltaje a una corriente de 10 μA. Basado en generadores de corriente (), la corriente mínima de estabilización puede ser cualquiera.
Para cargar menos, conectaremos directamente su salida a las entradas de los comparadores (los amplificadores operacionales y comparadores modernos son insignificantes y no superan los 0,1 μA), y encenderemos los trimmers "reguladores" de la misma manera que en los circuitos discutidos anteriormente. El resultado es el que se muestra en la Fig. 2,10, en; Cualquiera puede conectarse a las salidas de estos circuitos. Si utiliza amplificadores operacionales cuádruples () en el circuito, puede ensamblarlos en elementos "libres".
Ahora, para decidir cuál de los circuitos (digital o analógico a digital) es mejor, comparemos sus características:
Como puede ver, ambos esquemas tienen ventajas y desventajas, y las ventajas de uno cubren las desventajas del otro y viceversa. Por lo tanto, no es necesario que haga todo lo posible para ensamblar el suyo de acuerdo con el circuito "correcto", en el que una señal digital funciona con una señal digital y una señal analógica funciona con una señal analógica; a veces inclusión no estándar de elementos, como en la Fig. 2.10, a y 2.10.6, le permite ahorrar tanto en repuestos como en electricidad. Pero con la inclusión no estándar hay que tener mucho cuidado: la mayoría de los elementos en este modo son inestables y, bajo la influencia de la más mínima influencia, pueden "golpearse" o incluso fallar por completo. Es muy difícil incluso para los radioaficionados experimentados predecir el desarrollo de eventos cuando los elementos se encienden de manera no estándar, por lo que es posible determinar el rendimiento (o no operatividad) de uno u otro "no estándar" solo en un Bosquejo. Al mismo tiempo, también conocerás la corriente consumida por el circuito y algunas otras características que te interesen, y también podrás ajustar las clasificaciones de elementos individuales.
Un lugar especial en la historia de la electrónica lo ocupa el llamado “temporizador 555”, o simplemente “555” (la empresa que desarrolló este chip lo llamó “ΝΕ555”, de ahí el nombre). Esta es una combinación simple, como toda ingeniosa, de dispositivos analógicos y digitales, y por eso su versatilidad es asombrosa. En un momento (principios de los 90), muchas publicaciones de radioaficionados tenían una columna como "idear una nueva aplicación para el temporizador 555"; entonces solo se propusieron más circuitos estándar para encenderlo que páginas de este libro.
Y (el principio de funcionamiento) es muy simple: bajo la influencia de una señal moduladora analógica externa (¡no digital!), la frecuencia, el ciclo de trabajo o la duración de la señal de salida cambian.
Hay dos tipos: lineal y pulsado. Los lineales (amplitud, frecuencia, fase, etc.) se utilizan únicamente en la radiodifusión, por lo que no se considerarán aquí. Hay tipos de ancho de pulso (PWM) y de fase de pulso (PPM). Prácticamente no se diferencian entre sí, por lo que a menudo se confunden. Esto no se puede hacer; después de todo, si se les ocurrieron dos nombres diferentes, significa que alguien lo necesitaba. Se diferencian en que con PIM la frecuencia de la señal de salida no cambia (es decir, si la duración del pulso aumenta X veces, entonces la duración de la pausa disminuirá X veces), mientras que con PWM cambia (la duración de uno de los los semiciclos (pulso o pausa) son siempre los mismos, y para el otro cambia en el tiempo con el voltaje de modulación).
Consideraremos el funcionamiento de los moduladores utilizando los diagramas ubicados al lado de las figuras. Es muy conveniente aplicar la señal moduladora del temporizador 555 a su entrada REF (esta entrada del temporizador 555 está destinada precisamente a esto; ¡es imposible asignar una señal "moduladora" a la entrada REF de otros microcircuitos!), que es lo que se suele hacer.
Empecemos por la FIM. éste prácticamente no se diferencia de un generador convencional, y la frecuencia de los pulsos de salida PPM se calcula utilizando la fórmula del generador. Pero veamos qué sucede si se aplica un voltaje externo a la entrada REF del “generador”.
Como puede verse en los diagramas, bajo la influencia del voltaje de modulación, o, si alguien ha olvidado la esencia de este término, la relación entre el período del pulso (log. "1" + log. "O") al la duración del pulso (log. “1”) cambia. Y es por eso que esto sucede.
Cuando no se aplica ningún voltaje externo a la entrada REF, el voltaje en ella es 2/3 del voltaje de suministro e igual a 2, es decir, la duración del pulso es igual a la duración de la pausa. Esto es fácil de verificar mediante cálculos teóricos: el nivel es log. "O" en la salida del generador se establecerá solo después de que el voltaje en sus entradas R y S sea igual a 1/3 U cc con respecto al bus "U cc", y el nivel sea logarítmico. “1” - después de que el voltaje en las entradas sea igual a 2/4 U cc con respecto al cable común. En ambos casos, la caída de voltaje a través de la resistencia de ajuste de frecuencia R1 es la misma, por lo tanto, las duraciones del pulso y la pausa son las mismas.
Supongamos que, bajo la influencia de una señal externa, el voltaje en la entrada REF disminuye. Luego, el voltaje de conmutación de ambos comparadores de temporizador disminuirá, por ejemplo, a 1/4 y 2/4, respectivamente. Entonces el nivel es log. “1” cambiará a registro. "O" en la salida del temporizador después de que el voltaje en el condensador de ajuste de frecuencia aumenta de 1/4 U cc a 2/4 U cc y el nivel es logarítmico. “O” será reemplazado por el nivel de registro. "1" después disminuye de 2/4 U cc a 1/4 U cc. Es fácil notar que en el primer caso la caída de voltaje a través de la resistencia de ajuste de frecuencia es mayor (con U cc = 10 V cambia de 7,5 V a 5,0 V) que en el segundo (2,5 V - 5,0 V), y , si recordamos la ley de Ohm, la corriente que fluye en el primer caso será 2 veces mayor que en el segundo, es decir, en un nivel logarítmico. "1" en la salida del temporizador se cargará 2 veces más rápido que la descarga, a un nivel de registro. "0". Es decir, la duración del pulso es 2 veces menor que la duración de la pausa y con una disminución adicional del voltaje, REF disminuirá aún más.
Es lógico observar que a medida que aumenta el voltaje en la entrada, REF comenzará a aumentar y tan pronto como supere los 2/3 U cc, la duración del pulso será mayor que la duración de la pausa.
Sobre la base de un modulador de este tipo, es muy conveniente ensamblar una variedad de moduladores pulsados. El C4 más sencillo se carga rápidamente. Tan pronto como el voltaje en él comience a acercarse al valor establecido por la resistencia R7, VT3 comenzará a abrirse ligeramente, el voltaje en la entrada REF DA1 comenzará a disminuir y la duración de los pulsos en la salida del generador disminuirá. Con cada ciclo de oscilación del generador en C4, a través de VT1 y VT2, se “bombeará” cada vez menos energía hasta que, finalmente, se produzca el equilibrio dinámico: C4 recibe exactamente la misma cantidad de energía que le da a la carga, mientras que el El voltaje en él permanece sin cambios. Si la corriente de carga aumenta repentinamente, el voltaje en el capacitor disminuirá ligeramente (“la carga “agota” la fuente de energía”), VT3 se cerrará ligeramente y la duración del pulso será logarítmica. El "1" en la salida del generador aumentará hasta que se alcance nuevamente el equilibrio dinámico. Cuando la corriente de carga disminuye, la duración del pulso, por el contrario, disminuirá.
El equilibrio dinámico no debe confundirse con el equilibrio verdadero. Esto último ocurre cuando, por ejemplo, se colocan pesas de igual masa en dos balanzas; Tal equilibrio es muy inestable y es muy fácil alterarlo cambiando ligeramente la masa de cualquier peso. Una analogía del verdadero equilibrio en el mundo de la electrónica es cuando, para reducir el voltaje, se utiliza una fuente de energía de alto voltaje para alimentar algún dispositivo de bajo voltaje. Mientras la corriente consumida por el circuito sea constante, el voltaje a través de él también lo será. Pero tan pronto como aumenta la corriente consumida, el voltaje en el circuito disminuye y se altera el equilibrio.
Por lo tanto en todos esquemas modernos fuentes de alimentación (y no solo ellas), se implementa el principio de equilibrio dinámico: la parte (se llama "circuito OOS"; este término ya le resulta familiar) monitorea la señal en la salida del dispositivo, la compara con la señal de referencia (en el circuito de la Fig. 2.14, “voltaje de referencia ": el voltaje de activación del transistor VT3; no es muy estable, pero no necesitamos mayor precisión; para aumentar la precisión de mantener el voltaje de salida sin cambios, podemos reemplácelo con un inversor (k ycU y 20 ... 50) en el amplificador operacional) y si las dos señales no son iguales entre sí, cambia el voltaje en la salida del dispositivo en la dirección adecuada hasta que coincidan.
Dado que en este circuito solo se puede colocar una cascada en el circuito OOS (solo tal, e incluso un amplificador operacional costoso, puede amplificar la señal de voltaje; y k ycU en este circuito, para aumentar la estabilidad del voltaje de salida, debe ser significativo), luego, al aumentar el voltaje en la resistencia del motor R7, el voltaje en la entrada REF disminuirá, independientemente de la estructura (no funcionará normalmente).
Por lo tanto, tuve que hacer un poco de trampa: poner una etapa intermedia en el transistor (VT1) y una señal para controlar el transistor de potencia en la salida DA1. estructuras pnp(VT2) retirar de este transistor. Es cierto que esto surgió nuevo problema: las capacitancias de los transistores base-emisor se cargan “con un silbido”, pero se descargan muy lentamente. Debido a esto, se abre bruscamente (lo cual es necesario) y se cierra muy suavemente, mientras que la caída de voltaje en sus terminales colector-emisor también aumenta gradualmente y la potencia liberada en forma de calor aumenta bruscamente. Por lo tanto, para acelerar el proceso de apagado de los transistores, tuvimos que instalar R4 y R6 de baja resistencia. Gracias a ellos, la eficiencia del amplificador con una corriente de salida alta es mayor que sin ellos (se reducen las pérdidas de energía para calentar el radiador del transistor VT2), y con una corriente baja (menos de 200 mA) es menor: solo un Un poco más complicado: esto requiere impulsos de activación adicionales. Ésta es la diferencia fundamental entre FIM y PWM.
El funcionamiento se puede ver claramente en los diagramas. La duración de los pulsos de activación para dicho modulador (como en la Fig. 2.12) debe ser lo más corta posible, al menos cuando C1 se carga al voltaje de conmutación en la entrada R, el nivel de registro ya debería estar configurado en el Entrada S. “1”, que debe permanecer en él durante algún tiempo (aproximadamente 1/100 de la duración del pulso) para que C1 tenga tiempo de descargarse. De lo contrario, puede producirse una autoexcitación a una frecuencia cercana a la frecuencia operativa máxima utilizada en el circuito.
La multiplicación de señales analógicas, al igual que la amplificación, es una de las principales operaciones en el procesamiento de señales eléctricas. Para llevar a cabo la operación de multiplicación, se desarrollaron circuitos integrados especializados: multiplicadores de señales analógicas (ASM). PAS debe proporcionar una multiplicación precisa en un amplio rango dinámico de señales de entrada y en el rango de frecuencia más amplio posible. Si los PAS permiten multiplicar señales de cualquier polaridad, se denominan de cuatro cuadrantes; si una de las señales puede tener una sola polaridad, se denominan de dos cuadrantes. Los multiplicadores que multiplican señales unipolares se denominan de cuadrante único. Se conocen varios PAS de uno y dos cuadrantes basados en elementos con resistencia controlada, pendiente variable y el uso de logaritmadores y antilogaritmadores. Por ejemplo, un regulador que cambia el modo de funcionamiento de los elementos, que se muestra en la Figura 7.7c, se puede utilizar como multiplicador si se aplica voltaje a la entrada diferencial. tu x, y en cambio control electrónico entregar tu y. Bajo influencia tu y cambia la pendiente de la característica de transferencia de los transistores, cuyas bases se alimentan con el segundo voltaje multiplicado tu x. Se puede demostrar que el voltaje de salida Estás fuera, eliminado entre los colectores de los transistores DC, con R a 1 =R a 2 =R a determinado por la fórmula
Ganancia actual del BT conectado según el circuito con el OB; ? t- potencial de temperatura, ? t=25,6 mV.
Si tu x<<? t, entonces la expresión para Estás fuera se puede simplificar:
La desventaja del multiplicador considerado más simple en un solo DC es el rango dinámico muy pequeño de las señales de entrada, en el que se garantiza una precisión de multiplicación aceptable. Por ejemplo, ya en tu x=0,1? t El error de multiplicación alcanza el 10%.
Los multiplicadores logarítmicos construidos según el principio de "logaritmo-antilogaritmo" proporcionan un rango dinámico más amplio de voltajes multiplicados con un error menor. En la Figura 7.23 se muestra un diagrama de dicho PAS.
Figura 7.23. Multiplicador logarítmico
Aquí los amplificadores operacionales DA 1 y DA 2 toman el logaritmo de los voltajes de entrada, y el DA 3 se usa como sumador, cuyo voltaje de salida es igual a:
Ud. 0 = k 1 (en tu x+en tu y) = k 2 litros u x u y.
Usando el amplificador operacional DA 4, se realiza el antilogaritmo.
Estás fuera = k 3 antin Ud. 0 = k 3 u x u y
Cabe señalar que estas expresiones utilizan voltajes normalizados a un voltio. Coeficientes de proporcionalidad k 1 , k 2 , k 3 están determinados por elementos resistivos incluidos en los circuitos OOS de los amplificadores operacionales utilizados. La gran desventaja de este tipo de PAS es la fuerte dependencia del rango de frecuencia de funcionamiento de las amplitudes de las señales de entrada. Entonces, si con un voltaje de entrada de 10 V la frecuencia superior de los voltajes multiplicados puede ser de 100 kHz, entonces con un voltaje de entrada de 1 V la banda de frecuencia operativa se estrecha a 10 kHz.
El principio de logaritmo y antilogaritmo se utiliza en el método más común para construir PAS de cuatro cuadrantes con normalización actual, que tiene el mejor conjunto de parámetros como linealidad, banda ancha y estabilidad de temperatura. Suelen tener entradas diferenciales, lo que amplía su funcionalidad. Los multiplicadores con normalización actual se fabrican utilizando tecnología de semiconductores integrada.
En la Figura 7.24 se muestra un diagrama de circuito simplificado del PAS IC con normalización de corriente del tipo 525PS1.
El dispositivo contiene una cascada diferencial compleja que utiliza transistores VT 7, ..., VT 10. El acoplamiento cruzado de los colectores de estos transistores proporciona la inversión de señal necesaria para la multiplicación de cuatro cuadrantes. Las etapas de entrada de los transistores VT 3, ..., VT 6 y VT 11, ..., VT 14 convierten las tensiones de entrada tu x Y tu y en corrientes. Con la ayuda de los transistores VT 1 y VT 2 conectados por diodos, la señal actual en la entrada Y se logaritma. La señal Y se antilogaritma y se multiplica por la señal X mediante un amplificador que utiliza los transistores VT 7, ..., VT 10.
Figura 7.24. Diagrama de circuito simplificado del IC multiplicador 525PS1
En el dispositivo considerado, la conexión entre las señales de entrada y salida se puede representar como una relación de corriente. La corriente de salida del multiplicador está determinada por la relación
Dónde Yo X Y yo y yo- corrientes que fluyen a través de resistencias rx Y ry; IPX Y yo pY- corrientes de funcionamiento en los canales X e Y.
El voltaje de salida eliminado de una de las resistencias de carga es igual a
Factor de escala.
Todas las resistencias que se muestran en la figura 7.24, excepto R 1 y R 2, son externas. Su elección depende de los requisitos específicos del PAS.
Para obtener voltaje cero en la salida PAS cuando los voltajes de entrada son iguales a cero, el ajuste se realiza mediante resistencias variables R 4 y R 5. Si un multiplicador opera solo con una polaridad de una de las señales de entrada, entonces se llama polarizado. Para convertir un PAS de cuatro cuadrantes en uno polarizado, basta con aplicar una polarización tan constante a una de las entradas que las señales en esta entrada sean siempre menores que el voltaje de polarización.
"Directorio" - información sobre varios componentes electrónicos: transistores, microcircuitos, transformadores, condensadores, LED etc. La información contiene todo lo necesario para seleccionar componentes y realizar cálculos de ingeniería, parámetros, así como distribución de pines de carcasa, circuitos de conmutación típicos y recomendaciones para el uso de radioelementos.
Es difícil sobreestimar la importancia de los circuitos integrados lógicos reprogramables (FPGA) en la síntesis de sistemas lógicos. El desarrollo integral de la base de elementos y los sistemas de diseño asistido por computadora permite implementar sistemas lógicos complejos en un tiempo sin precedentes y con costos de material mínimos. Por tanto, es comprensible el deseo de lograr resultados similares en el diseño y producción de sistemas analógicos. Sin embargo, muchos intentos realizados en esta dirección aún no han dado los resultados esperados, y los circuitos integrados analógicos programables (PAIS) y los circuitos integrados analógicos matriciales (MABIS) no se han vuelto universales.
PROBLEMAS DE DISEÑO DE LSI ANALÓGICAS PROGRAMABLES
El rápido progreso en el campo del diseño de sistemas lógicos en FPGA estuvo predeterminado por el hecho de que todos los sistemas lógicos se basan en un aparato matemático bien desarrollado de álgebra de Boole. Esta teoría permite demostrar que la construcción de una función lógica arbitraria es posible mediante la composición ordenada de un solo operador elemental: el Y-NO lógico (o O-NO). Es decir, cualquier sistema estrictamente lógico puede diseñarse a partir de elementos de un solo tipo, por ejemplo NAND.
La situación es completamente diferente en el campo del diseño (síntesis) y análisis (descomposición) de esquemas de circuitos de sistemas analógicos. En electrónica analógica todavía no existe un único aparato matemático generalmente aceptado que permita resolver problemas de análisis y síntesis desde una posición metodológica unificada. Las razones de este fenómeno deben buscarse en la historia del desarrollo de la electrónica analógica.
En las primeras etapas, los circuitos de los dispositivos analógicos se desarrollaron de acuerdo con los conceptos del método de nodos funcionales, cuya idea principal era la división de diagramas de circuitos complejos en nodos. Un nodo consta de un grupo de elementos y realiza una función muy específica. Cuando se combinan, los nodos forman bloques, tableros, gabinetes, mecanismos, es decir. algunas estructuras unificadas llamadas dispositivos. La combinación de dispositivos forma un sistema. El método nodal funcional asumió que los componentes elementales de los sistemas deberían ser nodos, cuya tarea principal es realizar una función muy específica.
Por eso se tomó como criterio para clasificar los nodos la funcionalidad, es decir, el hecho de que un nodo realice alguna función. Sin embargo, a medida que se desarrolló la electrónica, hubo muchísimas funciones dedicadas y aisladas (y, por lo tanto, nodos). Ha desaparecido cualquier posibilidad de minimizarlos y unificarlos, necesaria para la síntesis de sistemas complejos. Es por eso que el desarrollo de LSI analógicos matriciales (MABIS) y de circuitos integrados analógicos reprogramables (PAIS) se ha visto y sigue viéndose obstaculizado.
La situación en el campo de los circuitos analógicos programables se puede rastrear analizando la evolución de las principales empresas rusas y extranjeras. Así, los especialistas de OJSC NIITT y la planta de Angstrem centraron sus esfuerzos en el desarrollo y producción de BMC (cristales de matriz básica) analógico-digitales del tipo Rul N5515ХТ1, Н5515ХТ101, destinados a sistemas de adquisición, monitoreo y control de datos, para equipos médicos y sistemas de control.
El diseño de estos BMK incluye una matriz analógica y digital. La matriz digital contiene 115 celdas base digitales (230 puertas 2N-NOT), que están dispuestas en cinco filas de 23 celdas cada una. La matriz analógica combina 18 celdas de base analógicas dispuestas en dos filas de 9 celdas. Entre las filas de celdas analógicas hay dos filas de condensadores (17,8 pF nominales) y dos filas de resistencias de difusión (24,8 kOhm cada una). Entre las partes analógica y digital hay una serie de resistencias de 3,2 kOhm.
El BMK proporciona dos tipos de celdas analógicas (A y B). Las celdas tipo A constan de 12 transistores colectores aislados PRP y cuatro RLR y 38 resistencias de difusión de tomas múltiples. En las celdas de tipo B, cuatro transistores lRL se reemplazan por dos transistores p-MOS. Las celdas periféricas de tipo A y B contienen cada una cuatro potentes transistores LRL (en las celdas de tipo B, con un colector aislado) y dos transistores bipolares.
Las celdas base digitales vienen en tres tipos: cuatro transistores l-MOS, cuatro transistores p-MOS y un par complementario de transistores bipolares. Además, en la periferia del cristal hay potentes celdas digitales que contienen cuatro potentes transistores l-MOS y p-MOS, así como dos transistores lrl conectados según un circuito Darlington.
Para BMK se han desarrollado bibliotecas de elementos analógicos y digitales estándar, que facilitan y aceleran significativamente el proceso de diseño de dispositivos basados en BMK. Estos y otros BMK similares contienen conjuntos de elementos de radio eléctricos (ERE) que no están conectados entre sí, de los cuales se pueden obtener varias unidades funcionales especificadas en la biblioteca. La principal desventaja de tales microcircuitos es un ámbito de aplicación muy limitado, limitado a valores específicos de clasificaciones y otras características de los elementos de energía eléctrica en un conjunto determinado. Las capacidades de las unidades funcionales desarrolladas y recomendadas para este conjunto se dan en la biblioteca que acompaña al chip.
Arroz. 1. Estructura de ispPAC-10
Desde el año 2000, Lattice Semiconductor produce circuitos integrados analógicos programables (PAIC) de la familia ispPAC (Circuito analógico programable en el sistema) con programación en el sistema, es decir. sin retirarlo de la placa de circuito impreso. A mediados de 2000, se estaban produciendo tres miembros de esta familia: ispPAC-Yu (Fig. 1), ispPAC-20 (Fig. 2) e ispPAC-80. Integran hasta 60 elementos activos y pasivos, que se configuran, simulan y programan mediante el paquete PAC-Designer.
Los PAIS de la familia ispPAC contienen:
Circuitos de interfaz en serie, registros y elementos de memoria no volátil eléctricamente reprogramable (EEPROM), que proporcionan configuración matricial;
células analógicas programables (PACcells) y bloques analógicos programables (PACblocks) compuestos por ellas;
Elementos programables para interconexiones (ARP - Analog Routing Pool).
La arquitectura de esta serie se basa en celdas básicas que contienen: amplificador de instrumentación (IA); amplificador de salida (OA), implementado mediante un circuito sumador/integrador; Fuente de tensión de referencia (ION) de 2,5 V; DAC de 8 bits con salida de voltaje y comparador dual (CP). Para aumentar el rango dinámico de las señales procesadas, las entradas y salidas analógicas de las celdas (a excepción del ION) se realizan mediante un circuito diferencial. Dos DUT y una VU forman una macrocélula, denominada bloque PAC, en la que las salidas del DUT están conectadas a las entradas sumadoras de la VU. El chip ispPAC-10 incluye cuatro bloques PAC y el ispPAC-20, dos. El ispPAC-20 también incluye DAC y celdas comparadoras. En la celda, la ganancia del DUT se programa en el rango de -10 a +10 en pasos de 1, y en el circuito de retroalimentación de la VU, el valor de la capacitancia del capacitor (128 valores posibles) y el encendido/apagado del resistencia.
Varios fabricantes de circuitos integrados utilizan tecnología de "condensador conmutado" para programar funciones analógicas, lo que implica cambiar la capacitancia de los circuitos de ajuste de frecuencia mediante un interruptor electrónico que cambia según las condiciones.
Arroz. 2. Estructura de ispPAC-20
El enfoque de Lattice se basa en el uso de circuitos con características de tiempo constante que se pueden cambiar durante la reconfiguración del sistema sin cortar la alimentación. Esta mejora es significativa porque elimina el procesamiento de señal adicional requerido en el primer método.
Las herramientas de enrutamiento interno (Analog Routing Pool) le permiten conectar los pines de entrada del microcircuito, las entradas y salidas de las macrocélulas, la salida DAC y las entradas del comparador entre sí. Combinando varias macrocélulas, es posible construir circuitos de filtros activos sintonizables en el rango de frecuencia de 10 a 100 kHz, basándose en el uso de una sección integradora.
Cabe señalar que los ispPAC de Lattice son los más cercanos a PAIS. Su único inconveniente es que no existe un sistema de elementos básicos universales que permita diseñar no solo filtros activos sintonizables, sino también una variedad bastante amplia de sistemas analógicos. Es esta circunstancia la que impide que ispPAC de Lattice Semiconductor se convierta en un análogo de los FPGA de empresas como Altera y Xilinx.
En general, analizando la situación en el campo del desarrollo y la implementación práctica de microcircuitos analógicos, se pueden hacer una serie de generalizaciones:
La mayor parte de los microcircuitos analógicos implementados industrialmente no pueden clasificarse como LSI en términos del grado de integración;
Los LSI y BMK analógicos están destinados al diseño de dispositivos de una determinada clase, es decir, no son universales;
Al diseñar grandes sistemas analógicos, el método de nodo funcional sigue siendo dominante (conjuntos de circuitos integrados especializados, por ejemplo para receptores de televisión).
BASE DE DISEÑO UNIFICADA PARA FPGA Y MABIS
Sin embargo, la tarea de desarrollar una base de diseño de circuitos unificados para sistemas analógicos todavía tiene solución. Intentaremos fundamentar teóricamente y mostrar posibles direcciones para la implementación práctica de las ideas presentadas.
En primer lugar, se debe elegir un modelo matemático de un gran sistema electrónico analógico que permita identificar un pequeño grupo de elementos básicos. En el campo del análisis y síntesis de circuitos electrónicos prácticamente no existen alternativas al aparato matemático de sistemas de ecuaciones diferenciales lineales, reconocido allá por los años sesenta del siglo pasado. Sin embargo, tengamos en cuenta que la idea de un uso práctico masivo de esta metodología aún no ha captado la atención de todos los especialistas.
Un sistema de ecuaciones diferenciales consta de elementos, sus conexiones y se caracteriza por una determinada estructura. La base elemental de las ecuaciones diferenciales se estudió en la primera mitad del siglo pasado dentro de la disciplina científica de la "automatización". En este ámbito ha surgido una ventaja de las ecuaciones diferenciales como la unificación: su forma no depende del modelo de proceso descrito. Sin embargo, en la forma estándar de escribir una ecuación diferencial no hay información visual sobre la naturaleza de las relaciones en el sistema en estudio. Por lo tanto, a lo largo del desarrollo de la teoría del control automático se desarrollaron métodos para representar visualmente la estructura de sistemas de ecuaciones diferenciales en forma de varios tipos de diagramas.
A finales de los años 60 del siglo XX, se había desarrollado plenamente un punto de vista moderno sobre la organización estructural de los modelos de sistemas dinámicos. La formación de un modelo matemático del sistema comienza con su división en enlaces y su posterior descripción, ya sea analíticamente en forma de ecuaciones que conectan las cantidades de entrada y salida del enlace; o gráficamente en forma de diagramas mnemotécnicos con características. A partir de las ecuaciones o características de enlaces individuales, se compilan ecuaciones o características del sistema en su conjunto.
Enlaces de sistemas dinámicos identificados como típicos.
Nombre de la unidad | Ecuación de enlace y(t)=f(u(t)) | Función de transferencia W(s)=y(s)/u(s) | Componentes elementales |
| Proporcional | |||
| Integrando | dy(t)/dt = ku(t); py = ku | ||
| diferenciando | y(t)=k·du(t)/dt; y = kpu | ||
| Aperiódico de 1er orden |
|
||
| Forzando el primer orden |
|
||
| Integrando inercial | W(s) = k/ |
|
|
| Diferenciando inercial | W(s) = ks/(Ts+1) |
|
|
| Izodrómnoe | W(s) = k(Ts+1)/s |
|
|
| Oscilador, conservador, aperiódico de segundo orden. | (T 2 p 2 +2ξTp+1)y = ku | W(s)=k/(T 2 p2+2ξTp+1) |
|
Tenga en cuenta que si para un diagrama funcional el sistema se divide en enlaces según las funciones que realizan, entonces para una descripción matemática el sistema se fragmenta según la conveniencia de obtener la descripción. Por lo tanto, los enlaces deben ser lo más simples (pequeños) posible. Por otro lado, al dividir un sistema en eslabones, se debe elaborar una descripción matemática de cada eslabón sin tener en cuenta sus conexiones con otros eslabones. Esto es posible si los enlaces tienen direccionalidad de acción, es decir transmiten influencia en una sola dirección, de entrada a salida. Entonces un cambio en el estado de cualquier enlace no afecta el estado del enlace anterior.
Si se cumple la condición para la direccionalidad de la acción de los enlaces, se puede obtener una descripción matemática de todo el sistema en forma de un sistema de ecuaciones independientes de enlaces individuales, complementado con ecuaciones de conexión entre ellos. Los enlaces más comunes (típicos) se consideran enlaces aperiódicos, oscilatorios, integradores, diferenciadores y de retardo constante.
Varios autores han estudiado el problema de los vínculos elementales en modelos de la forma de un sistema de ecuaciones diferenciales. El análisis muestra que sus posiciones se reducen principalmente a constatar la existencia de vínculos típicos y estudiar su papel en el proceso de formación de estructuras más complejas. La selección dentro del grupo de unidades típicas se realiza de forma arbitraria, sin ningún criterio. En las listas de enlaces típicos se incluyen varios enlaces sin explicación ni justificación, y los términos “más simple” y “elemental” también se utilizan por igual para designar enlaces típicos (ver tabla). Mientras tanto, el estudio de numerosos vínculos "típicos" de sistemas dinámicos utilizando los métodos de matrices estructurales muestra que solo tres vínculos (proporcional, integrador y diferenciador) no contienen ciclos matriciales en sus matrices estructurales. Por tanto, sólo ellos pueden llamarse elementales. Todos los demás enlaces se construyen combinando enlaces elementales.
Entonces, si un enlace proporcional con una función de transferencia W B (s) = k B y un enlace diferenciador con una función de transferencia W A (s) = k A s están conectados de acuerdo con un circuito de retroalimentación negativa (Fig.3), entonces el equivalente función de transferencia
Así, el resultado, hasta los valores de las constantes de tiempo, coincide con la función de transferencia del enlace aperiódico de primer orden. Esto significa que este enlace se puede obtener conectando enlaces proporcionales y diferenciadores según un circuito con realimentación negativa y, por tanto, no puede considerarse elemental.
Fig. 3. Circuito de enlace aperiódico equivalente
Los enlaces restantes incluidos en la tabla se pueden construir de la misma manera. Se debe prestar especial atención a la función de transferencia del enlace oscilatorio (T 2 p 2 + 2ξTp + 1)y = ku. Por lo tanto, si conectamos en serie dos enlaces aperiódicos con funciones de transferencia que difieren sólo en constantes de tiempo, entonces la función de transferencia equivalente tomará la forma
Así, el resultado, hasta los valores de las constantes de tiempo, coincide con la función de transferencia del enlace en estudio. En consecuencia, se pueden obtener enlaces oscilatorios, conservadores y aperiódicos de segundo orden conectando enlaces de primer orden en serie. Esto significa que no pueden considerarse elementales, aunque en principio está permitido llamarlos típicos.
El análisis de los resultados dados en la última columna de la tabla nos permite concluir que enlaces como aperiódicos, isodrómicos, forzadores, inerciales diferenciadores e inerciales integradores se pueden obtener conectando enlaces elementales. Para demostrar que las funciones de transferencia de otros enlaces típicos se pueden obtener conectando enlaces elementales, sería necesario analizar conexiones de tres, cuatro, etc., de acuerdo con diagramas de conexión típicos. Se puede obtener el mismo resultado si consideramos las conexiones de enlaces elementales con enlaces típicos de primer orden. Parte de esta investigación ya se ha realizado, sus resultados se presentan en el trabajo.
Así, se ha demostrado que conectando enlaces elementales es bastante sencillo obtener todas las funciones de transferencia de los llamados enlaces dinámicos estándar. En consecuencia, los sistemas dinámicos arbitrarios se pueden sintetizar utilizando los operadores de multiplicación y combinación de solo tres enlaces elementales: proporcional, diferenciador e integrador. Esta conclusión es de fundamental importancia, ya que determina la base elemental necesaria para la construcción de sistemas dinámicos lineales de cualquier orden, incluidos los circuitos radioelectrónicos. Y si se supone que los sistemas dinámicos deben construirse a partir de una gama limitada de vínculos dinámicos, como en el caso de MABIS y PAIS, entonces la conclusión a la que se llega es especialmente importante.
Fig.4. Soluciones de circuitos simples de unidades elementales: a) sumador de múltiples entradas, b) amplificador diferencial (enlace proporcional), c) diferenciador (enlace diferenciador), d) integrador (enlace integrador)
¡Es posible sintetizar dispositivos analógicos arbitrarios a partir de solo cinco unidades funcionales: multiplexor, sumador, multiplicador, integrador y diferenciador (Fig. 4)! Tenga en cuenta lo que se muestra en la Fig. 4 no deben considerarse como soluciones de circuitos realmente probadas, sino sólo como una justificación para la posibilidad de sustituir en un diagrama funcional enlaces elementales por elementos radioelectrónicos básicos. Al reemplazar los enlaces elementales de los circuitos funcionales con sus contrapartes de hardware, es posible diseñar dispositivos analógicos con características específicas.
EJEMPLO DE SÍNTESIS DE UN DISPOSITIVO ANALÓGICO
Consideremos un ejemplo muy simple de síntesis de un diagrama de circuito de un dispositivo analógico según un modelo especificado por un sistema de ecuaciones diferenciales en forma de transformadas de Laplace de la forma: x 0 = g, x 1 = x 0 - 2x 2 /s, x 2 = 10x 1 /s, x 3 = x 2 - 10x 4 /s, x 4 = 500x 3 /s.
| Fig.5. Diagrama de bloques del dispositivo sintetizado (paso a paso) De los resultados de la simulación (Fig. 6) del circuito sintetizado se desprende claramente que, con los parámetros dados, consta de dos generadores conectados en serie. Es decir, un dispositivo muy simple, que consta de sólo cuatro unidades integradoras, realiza la función relativamente compleja de modular una oscilación de baja frecuencia con una de alta frecuencia.
Fig.6. Oscilograma de un dispositivo sintetizado. MABIS Y PAIS UNIVERSAL - ES POSIBLEAsí, podemos distinguir cinco componentes elementales (más simples) de cualquier REA, correspondientes a los operadores básicos de sistemas de ecuaciones diferenciales: multiplicación, diferenciación, integración, suma y reproducción (multiplexación). La metodología para el diseño de dispositivos electrónicos analógicos implica: Utilizando como datos iniciales para diseñar un modelo matemático en forma de un sistema de n ecuaciones diferenciales de primer orden (o ecuación diferencial de l-ésimo orden; El enfoque propuesto tiene una serie de ventajas decisivas. Así, el diagrama funcional del dispositivo diseñado se sintetiza a partir del sistema original de ecuaciones diferenciales mediante transformaciones matriciales estándar, que pueden ordenarse y convertirse en un algoritmo para cálculos automáticos. El diagrama del circuito eléctrico se sintetiza a partir del diagrama funcional simplemente reemplazando los enlaces dinámicos elementales con elementos básicos equivalentes. Modelar un dispositivo utilizando herramientas CAD también puede hacerlo mucho más fácil. Así, dado que el conjunto de unidades elementales no es numeroso, existe una posibilidad real de diseñar MABIS y PAIS universales. Lo que, a su vez, simplifica enormemente el diseño de dispositivos analógicos y digitales a analógicos y abre perspectivas atractivas para un mayor desarrollo de la electrónica en general. LITERATURA1. Alenin S., Ivanov V., Polevikov V., Trudnovskaya E. Implementación de dispositivos analógico-digitales especializados basados en BIK MOS BMKtipo N5515ХТ1. - ChipNews, 2000, nº 2. Fecha de publicación: 30.03.2005 Opiniones de los lectores
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