Моделирование свойств и разработка методов управления многоустойчивыми узлами на кольцевых p-n-p-n триггерах как средство улучшения их динамических и функциональных характеристик

Аппаратурная реализация цифровых методов обработки информации всегда связана с доминирующим применением разнообразных по степени сложности функциональных узлов, основой для построения которых служат симметричные триггеры статического типа. Выполняемые в различных элементных базисах цифровой микроэлектроники, они используются для выполнения логических и арифметических операций, когда особо важно получать сигналы в прямом и инверсном кодах, для синхронного запоминания, преобразования, передачи и синхронизации сигналов в узлах сложной логической структуры.

Вопросам изучения физических процессов в симметричных триггерах, разработке методов управления им посвящены работы Т. М. Агаханяна, Я. Будинского, А. М. Гольденберга, Я. С. Ицхоки, Б. Н. Кононова, Л. А. Мееровича, Л. Г. Зеличенко, И. П. Степаненко [2, 25, 31, 38, 45, 58] и других авторов. Современное совершенствование триг-герных систем на их основе обеспечивается развитием методов синтеза принципиальных и функционально-логических схем в получивших наиболее распространение схемотехнологических направлениях ТТЛ, ТТЛ-Ш, ПМДП, К4Щ1, ЭСЛ. Значительные достижения в этой области связаны с работами И. И. Шагурина ?5, 64+70], А. Н. Кармазинского [б, 39+4*0 по улучшению параметров — быстродействия, экономичности, степени интеграции биполярных и МДП цифровых ми! фосхем, в том числе и триггеров, С. П. Плеханова по синтезу функционально-логических схем бистабильных и многостабильных, многофазных триггер-ных систем [2, 49+51]. Разработанные критерии сравнения элементных базисов позволяют дать оценку их возможностям для построения сверхбыстродействующих БИС и их использования в аппаратуре с соответствующими требованиями [37].

Следует отметить, что улучшение параметров аппаратуры свяэано как с совершенствованием существующей элементной базы, так и с разработкой новых структурных методов ее построения. При их реализации применение серийных ИС общего применения, и в том числе триггерных систем, не всегда позволяет извлечь максимальную выгоду от предложенных архитектурных решений и требуются специализированные узлы, схемотехника которых целесообразна вне рамок традиционных элементных базисов.

Такое положение складывается в области практической реализации многостабильных многофазных триггерных систем, отличающихся числом устойчивых состояний равновесия № 2. и наличием рабочего уровня сигнала на одном (однофазные) или нескольких (многофазные) выходах одновременно. Рекомендованная область применения таких систем — устройства высокого быстродействия при жестких ограничениях по потребляемой мощности [ 231. принцип построения многоустойчивой пересчетной системы (№С) на основе комбинационных схем заключается в организации множественных связей каждого ее разряда с остальными, благодаря чему становится возможным формирование большого числа устойчивых состояний. Однако ограничения на число входов элементов, свойственное всем схемотехническим базисам, не позволяют при их использовании реализовать практически целесообразную МПС с числом 8 • Искусственное увеличение числа входов за счет введения в схему избыточных элементов цриводит к потере быстродействия за счет накопления задержек переключения элементов и преимущественно энергопотреблению перед обычными схемами.

При практической потребности в МПС с большим числом устойчивых состояний для целей пространственного и временного преобразования сигналов, синхронизации в устройствах аналоговой коммутации [ИЗ ассоциативно-параллельных процессорах? 33, 46, 53], устройствах отображения информации 34, 75], приобретает актуальность исследование принципов их построения, позволяющих сочетать высо.

6 я" кое быстродействие с экономичностью по потребляемой мощности цри практически неограниченном числе разрядов.

Для этих целей на наш взгляд перспективно использование свойств кольцевых триггеров, в которых в каждом состоянии устойчивого равновесия режимы транзисторов одинаковы и цри переключениях на выходах формируются одинаковые по модулю сигналы [ 2, 42]. Это позволяет при их несимметричной форме (преимущественным нахождением триггера в забытом состоянии) пропорционально росту скважности уменьшить потребляемую мощность до величины Р^^ где? сим — мощность потребления симметричного триггера. Для МПС, использующей в качестве разрядов объединенные общими связями кольцевые триггеры, потребление определяется не их общим числом, а лишь выбором функционального режима с одновременным включенным состоянием одного или нескольких триггеров. Построение кольцевых триггеров и МПС на их основе наиболее целесообразно цроводить, используя комплементарные биполярные транзисторы. Такая МПС в виде гибридной ми1фосхемы 26ТП01 используется в настоящее время в пе"* редеющей аппаратуре телевизионных центров L 55].

Хотя гибридная технология на сегодняшний день наиболее целе"" сообразна для выпуска МПС, ввиду малых масштабов их производства сугубо для аппаратуры специализированного назначения, тем не менее проводятся интенсивные работы по их реализации в твердом теле [19*22, 27−30, 56]. Возможность параметрического управления как функциональными режимами — автоколебательный или триггерный с циркуляцией одной или нескольких областей проводимости, так и динамическими характеристиками, позволяют считать МПС на кольцевых триггерах перспективными для построения последовательностных функциональных узлов адаптивных схем, характеризующихся способностью к перестройке своей логической структуры.

Методы схемотехнического проектирования твердотельных МПС основываются на использовании физических процессов в твердом теле, аналитическое изучение которых требует привлечения сложного математического аппарата нелинейных дифференциальных уравнений и по-видимому является одной из причин неразвитости инженерных методов. С этой точки зрения МПС на дискретных кольцевых fD-n-p-n. триггерах являются удобной моделью для аналитических исследований и разработки более близких в инженерной практике методов проектирования, так как характеризуются такой же совокупностью режимов и динамических характеристик, что и их твердотельные аналоги с сосредоточенными или полураспределенными параметрами, относящиеся к функциональным изделиям микроэлектроники [ 4].

Возникающие при этом задачи выявления свойств управляемости МПС как средства выбора ее функционального назначения и повышения быстродействия имеют первостепенное для практики значение, так как по динамическим характеристикам они уступают функциональным узлам, выполненным на биполярных транзисторах по основным схемотехническим базисам ТТЛ, ЭСЛ. Наконец, принципиальное значение имеют выработка оценки предельных возможностей по быстродействию для триггерных схем, относящихся к одному классу динамических систем с памятью независимо от возможных схемотехнических реализаций.

Цель диссертационной работы заключается в аналитическом исследовании методов управления параметрами МПС на кольцевых р-п-р-п. триггерах, определяющими их функциональное назначение и динамические параметры и распространение полученных результатов на возможные реализации в твердом теле, экспериментальной проверке полученных результатов и использовании схемотехнических разработок в быстродействующих информационных и вычислительных средствах с жестко ограниченными энергоресурсами.

До недавного времени основными препятствиями для достижения этой цели являлись нетехнологичность, низкий уровень интеграции комплементарных биполярных структур и, как следствие, неразвитость схемотехники МПС на кольцевых триггерах, методы которой должны учитывать возможности выбора ее функционального назначения и динамических свойств за счет управления величинами параметров, характеризующих связность кольцевых триггеров в многокаскадной.

СХ6М6•.

Поэтому известные и широко использовавшиеся свойства структур при построении аппаратуры на дискретных компонентах I 26, 31, 32, 35, 36, 40, 41, 71] в дальнейшем по мере бурного развития интегральной техники утратили свои преимущества. И лишь в последнее десятилетие потребности практики в вычислительных средствах для которых принципиально важно сочетание быстродействия и экономичности с гибкостью перестройки, стимулировали возрождение интереса к таким структурам и широкий фронт исследовательских работ. Развитие инжекционной логики И1 Л • результаты по созданию сложных функциональных узлов с устойчивыми состояниями равновесия на основе комплементарных биполярных р-п-р-п структур позволяют сделать вывод, что для таких приборов технологические трудности преодолимы и создание элементной базы на их основе в большой мере сдерживается ограниченными по отношению к данному классу схем возможностями распространенных методов анализа. Основанные на использовании эквивалентных схем, анализе различных характеристик триггера, они не позволяют установить соответствие между типами устанавливающихся в кольцевой МПС режимов и значениями ее отдельных схемных параметров. С этой точки зрения для анализа таких схем необходим метод, позволяющий оценить условия возникновения в многокаскадной схеме определенного режима и совокупность возможных форм переходных процессов.

Как классические для электроники аналитические методы анализа, так и машинные, предполагают знание такой совокупности, на основе которой осуществляется оптимизация по заданным параметрам конкретной схемы. Поэтому при выборе метода, позволяющего в целом выявить и оценить всевозможные формы переходных процессов, мы исходим из следующих соображений.

Любую электронную схему можно рассматривать как замкнутую или разомкнутую динамическую систему, входной сигнал для которой должен возбуждать все ее собственные колебания, а отдельные каскады схемы — как инерционные звенья этой системы. Следовательно, для достижения поставленной цели возможно и целесообразно применение методов теории колебаний и оптимального управления. В качестве такового выбран метод пространства состояний, основанный на понятиях состояния динамической системы, характеризуемого некоторыми обобщенными координатами, и оператора, определяющего его изменение во времени L 3, 26, 47]. При такой математической модели результатом аналитических расчетов, связанных с решением дифференциальных уравнений и их представлением в фазовой плоскости выбранных координат (плоскости состояний), является возможность целенаправленного варьирования законом управления на основе оценок фазовых траекторий и тем самым изучение всевозможных состояний в переходных и устойчивых режимах функциональных МПС на основе кольцевых р-п-р-п. триггеров.

В работе были поставлены следующие основные задачи:

— исследовать совокупность режимов цепочечных р-П-р-П. структур в методы управления их параметрами, обеспечивающими выбор определенного режима в соответствии с функциональным назначением ;

— исследовать изохронные и инвариантные свойства триггерных схем для обоснованного выбора параметров управления, оптимизирующих длительность переходного процесса-,.

— исследовать процесс управления триггерами на одно и многозвенных jwi-p-n. структурах и определить факторы, ограничивающие их быстродействие ;

— исследовать на основании выработанных критериев предельные частотные возможности по управлению триггерами;

— использовать результаты исследований при построении экономичных быстродействующих функциональных узлов с управляемым числом устойчивых состояний равновесия.;

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

— проведен и обоснован выбор физической модели учета инерционных свойств релаксатора, позволяющей максимально упростить матема** тическую модель процесса управления и описать качественные процессы в его конкретной разновидности в широком частотном диапазоне ;

— определена совокупность режимов для триггерных схем Hap-ivp-n. структурах и установлены граничные значения параметров и методы управления ими, обеспечивающие выбор режима в соответствии с функциональным назначением и динамическими характеристиками разрабатываемого устройства,.

— предложено понятие изоэфонной структуры динамической системы с устойчивыми состояниями равновесия в режиме свободных движений и изучены ее свойства для триггеров различного типа, позволяющие обоснованно выбирать параметры управления для оптимизации длительности переходного процесса;

— изучены переходные процессы в триггерах на однокаскадных и связных р-п-р-Рструктурах и установлены физические ограничения их быстродействия при возможных способах управления;

— изучен процесс приближения свойств триггерных схем к автоколебательным по мере повышения частоты управления и установлены предельные соотношения, характеризующие режим синфазного управления;

— предложены технические решения по повышению быстродействия триггерных схем на р-n-p-n. структурах за счет разработки методов управления и разработаны адаптивные функциональные узлы, харастеризующимся быстродействием на уровне ТТЛ-схем и на порядок меньшим фактором добротности.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. Все основные теоретические результаты диссертационной работы получены автором лично. Самостоятельно выполнены исследования по:

— обоснованию и построению физической и математической моделей работы нелинейных схем различных типов ;

— анализу режимов в цепочечных комплементарных биполярных структурах с произвольным числом устойчивых состояний равновесия;

— введению понятия изохронной структуры динамической системы с памятью в режиме свободных движений, ее расчету и анализу для некоторых реализаций в виде триггерных схем;

— определению оптимальных по быстродействию способов управления многоустойчивыми функциональными узлами на комплементарных биполярных структурах;

Определяющим является вклад автора в анализ предельных возможностей управления нелинейными схемами в наносекундном диапазоне, а также разработку устройств управления ими для таких случаев. При выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ, в рамках которых была выполнена диссертация:

Исследование и разработка методов построения быстродействующих систем первичной обработки сигналов многоэлементных приемных устройств отбора информации" (номер гос. регистрации 79 019 036) — «Разработка методов и средств повышения эффективности определения метрологических и информационных характеристик неоднородностей в цространственных полях различной физической природы» (номер гос. регистрации 79 014 558), а также при проектировании и внедрении созданных устройств по хозяйственным договорам и договорам о научно-техническом сотрудничестве, автор являлся ответственным исполнителем.

Практическая ценность работы заключается в том, что использование полученных результатов по управлению триггерными схемами позволяет обеспечить максимальное быстродействие для их конкретных схемных модификаций и с этой точки зрения исключить принятие недостаточно обоснованных решений на стадии проектирования и разработки быстродействующих информационно-вычислительных систем. Материалы диссертационной работы, в том числе ряд предложенных схемных решений на основе р-гг-р-п. структур, открывают перспективу их использования в виде микроэлектронных функциональных узлов.

Практическое использование результатов работы внедрено автором при проектировании и разработке блоков программного управлеI ния многоканальных ru 100,400 коммутаторов аналоговых сигналов и анализатора параметров фотоприемных матриц, модернизации сервисного оборудования вычислительного комплекса 4КН", расчете и анализе скоростных свойств триггерных схем методом изохрон. Применение в этих разработках функциональных узлов на p-n-p-п. структурах позволило при значительном упрощении схемотехнических решений и сокращении аппаратурных и энергетических затрат провести построение предельных по совокупности параметров, коммутаторов, модернизировать оборудование для технического обслуживания вычислительного комплекса. Использование метода изохрон позволило получить достоверные оценки скоростных свойств триггерных схем на этапе математического моделирования и сократить сроки экспериментальных исследований. Целесообразность и экономическая эффективность предложенных технических решений подтверждена актами внедрений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на.

— научно-технической конференции «Электронные и полупроводниковые преобразователи энергии и информации» Томск, 1979 г.

— школе-семинаре «Распараллеливание обработки информации» Львов, 1979 г.

— научно-технической школе «Интегрализация радиоаппаратуры» Моеква, 1978 г.

— научно-технической школе «Элементы и узлы радиоаппаратуры» Москва, 1979 г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в I монографии и 12 статьях.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы 79 наименований и содержит 190 страниц, из которых 150 страниц машинописного текста и 40 страниц с рисунками и таблицами.

Основные результаты работы.

-. Разработана математическая модель М — каскадной р-п-р-п-структуры и методом пространства состояний определены:

— условия формирования устойчивых состояний равновесия и выбора режима проводящего каскада наиболее благоприятного для динамики ее переключения и построения аналого-цифровых узлов — мультиплексоров, демультиплексоров ;

— возможности построения многофазных пересчетных схем (МПС) -распределителей, регистров, цифровых линий задержки на основании установленной зависимости числа Cj, одновременно открытых каскадов от величин их коэффициентов усиления, разброс которых ограничивает значение ^ при дискретной реализации структуры ;

— причины установления при низковольтном источнике и неравномерном распределении усиления между активными компонентами каскада его квазиоткрытого состояния, препятствующего переключению структуры и предложено схемное решение по устранению этого эффекта;

— формы переходных процессов в кольцевом триггере в виде уравнений свободного движения в плоскости состояний, позволяющих дать оценку их длительностям для способов управления его переключениями ;

— аналогии между режимами дискретных и монолитных [Э-П-р-п. структур с обьемными межкаскадными связями, что позволяет моделировать свойства последних с помощью полученных аналитических соотношений. Предложена оценка способов и параметров управления триггерами на основании построений по разработанному алгоритму и машинной программе изохронной структуры — однозначной характеристики динамических свойств схемы для возможных в переходном процессе сочетаний режимов ее активных компонентов. Для кольцевого триггера наилучшим с точки зрения быстродействия и требований к стабильности параметров импульсов запуска является управление в базу основного транзистора при выключении схемы. Существует оптимадьная длительность управления, превышение которой приводит к затяжке выключения триггера.

3. Установлено, что для МПС на кольцевых триггерах с межкаскадными емкостными связями инвариантными переменными, описываемыми одноэкспоненциальными функциями, являются напряжения и ток в общей цепи связи основных транзисторов. Воздействие на них управляющего сигнала однозначно и ускоряет переключение структуры.

4. Исследованя процессы управления бистабильными кольцевыми p-ri-p-p. триггерами и МПС на их основе и получены соотношения для длительностей стадий переходных процессов. Невысокое быстродействие функциональных узлов определяется длительностью большего на порядок фронта, формируемого при выключении триггера. Потенциальные возможности улучшения этого параметра не реализуются из-за нечувствительности схемы к управлению после размыкания цепи п.о.с. и медленного, эквивалентного свободному, процесса установления выключенного состояния.

5. Предложен и реализован метод повышения быстродействия функциональных узлов на кольцевых триггерах, заключающийся в организации в плечах схемы управляющих контуров на активных компонентах, токами которых обеспечивается ускоренный вывод из насыщения, регенерация и перезаряд паразитных емкостей, а течение двух заключительных стадий отсечки токов, при которых формируется основной участок фронта. Выиграю по быстродействию в результате достигнутого равенства фронтов составляет не менее чем в 10 раз и в абсолютных единицах достигает 30−40 МГц. При несимметричной структуре кольцевого триггера, потребляющего лишь во включенном состоянии, и достигнутом быстродействии расширяются возможности для построения на их основе последовательностных функциональных узлов цифрового и цифроаналогового типов, совместимых с основными элементными базисами цифровой техники и имеющих по сравнению с ними в силу отмеченных особенностей преимущества при использовании в периферийных и сервисных блоках цифровых систем для целей первичного отбора, пространственно-временного преобразования, синхронизации и отображения данных.

6. Исследованы предельные возможности по частоте управления нелинейными схемами, которые зависят не от типа точек равновесия, определяющих их автоколебательный или триггерный режим, а от обобщенных параметров — коэффициента усиления К и отношения постоянных времени паразитной и хронирующей цепей. Критерием для количественной оценки является синфазность режима управления, когда задержка переключения схемы не превышает 0,1 его периода. Полученные результаты в функции от и J* справедливы для различных схе-тотехнических реализаций, в которых осуществляется управляемый процесс переключения вследствие этого формируются фронты одного порядка малости. Поэтому при наличии контура управления, обеспечивающего выполнение этих условий в кольцевых триггерах, для них принципиально достижимо быстродействие до 100 МГц при интегральном исполнении с постоянной времени паразитной цепи менее I не.

7. Разработаны кольцевые триггеры и МПС на их основе, характеризуемые совместимостью по параметрам с ТТЛ-элементной базой, управляемым числом разрядов, фаз и порядком их переключения при малом и не зависящем от этих параметров потреблении. Это позволило:

— реализовать предельные по совокупности параметров — числу каналов, быстродействию и точности системы первичной обработки информации о состоянии физического поля, построение управляющей части которых в традиционных базисах с симметричной структурой невыгодно из-за больших на порядок аппаратурных и энергетических затрат ;

— расширить функциональные возможности и производительность систем за счет организации их многопрограммного режима работы с распараллеливанием процесса отбора информации ;

-> модернизировать сервисного оборудование вычислительного комплекса «КН». Экономический эффект от внедрений составляет 64 т.руб.год.