1.6. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И ПЕРХПЕКТИВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АИС /

Непрерывное ужесточение и разнообразие требований одновременно к точности, быстродействию и энергопотреблению выполнения аналоговых операций i электронной аппаратуре ун<е не могут обеспечиваться за счет применения АИС и расширения их номенклатуры. Чтобы с максимальной эффективностью проектировать и применять АИС, необходи.мо уметь выбирать из всего многообразия их типов и структур лучшие и достигать в них предельные сочетания точности, быстродействия ипотребления для данного уровня развития схемотехники и технологии ИС. Решение подобных задач уже не представляет большого труда для разработчиков цифровой аппаратуры, которые развили аппарат логического проектирования и ввели обобщенные морфологические показатели качества [23]. В то же время, для АИС не определены обобщенные критерии оценки качества и способы оптимизации параметров, позволяющие выявить и реализовать резервы совершенствования их технического уровня независимо от степени интеграции элементов и функций в них. В этом параграфе показано, как с помощью введенных информационно-энергетических показателей можно привести частные технические характеристики различных типов АИС к единой системе параметров, дать обобщенную количественную оценку техня-ческого уровня АИС общего применения и определить наиболее перспективные направления их совершенствования и развития.

Решение охарактеризованных задач должно основываться на области науки, позволяющей представить в едином виде функционирование любой АИС. В настоящее время такой обобщающей наукой стала кибернетика, основанная на теории информации. Для ее использования применительно к АИС необходи.мо представить их в виде преобразователей информации, сведя частные параметры к единым показателям, принятым в теории информации.

Вместе с тем современная наука рекомендует с методологической точки зрения рассматривать в неразрывной связи с информационным и энергетический аспект. Введенный для цифровых ИС энергетический покатель качества {энергия переключения) стал их обобщенным показателем технического уровня (ОПТУ). Следовательно, для решения проблемы выбора и проектирования предельных по сочетанию параметров АИС необходимо представить их в виде преобразователей информации, затрачивающих на ее прием и передачу энергию. Сведение, таким образом, частных характеристик АИС к единым информационно-энергетическим показателям открывает возможности для проведения обобщенных количественных оценок качества новых разработок, унификации элементной базы и оптимизации параметров АИС с различным уровнем интеграции элементов и функций.

Обобщенная информационно-энергетическая модель АИС. Представим сначала АИС общего применения в виде преобразователей, а их частные параметры сведем к единым, принятым для информационно-измерительных систем [16]. Часть информации АХ, поступающей на вход АИС, теряется из-за ее погрешности Ах. В качестве меры количества информации, содержащейся в сообщении X, в теории информации используют понятие энтропии Н(Х).

Количество информации Q об X, содержащееся в выходном сообщении, равно разности энтропии входного сообщения и погрешности АИС: Q = H{X) - -Н (Ах). Для сигнала, ограниченного по амплитуде значениями Xi и Xj, эитро-

ПИЯ максималЦ1а при равномерном его распределении, а количество информации, получаемой на Выходе АИС, Q = log£[(xj-а;,)/2Ах].

Количество информации о входном сообщении, переданное на выход АИС, является ее точностной характеристикой. По аналогии с информационно-измерительными системами для оценки совокупности динамико-точностных характеристик АИС воспользуемся понятием пропускной способности Ct. Это максимальное количество информации Qmax, передаваемой на ввод АИС в единицу времени

Ct= Qmax/n, (1.1)

где - время, необходимое для преобразования X с погрешностью Ах.

Энергетический аспект преобразования информации в дополнение к информационному был впервые исследован Бриллюэном [16]. Введено понятие энергетической цены измерения , определяемой наименьшим количеством энергии, которую необходимо затратить на входе измерительного устройства для получения ответа па один двоичный вопрос (да - нет) с вероятностью правильного ответа 0,5. Для идеального прибора, у которого устранены все погрешности, за исключением термодинамических флуктуации, энергетический порог чувствительности достигает своего предельного значения 3,5-10-2° д.

Введем пороговую энергию Лв, определяющую минимальную удельную (на 1 бит) полезную энергию, которую необходимо затратить на входе АИС для получения на ее выходе максимальной информации Qmax об X. Эта энергия имеет размерность Дж/бит и рассчитывается из выражения [24]

=/вх tBX max n/Qmax, (1-2)

где /вх - входной ток АИС; (7вх max - входное напряжение, при котором Q достигает максимума.

Очевидно, что реальные затраты энергии Ав.р на входе АИС будут всегда больше Л в из-за действия паразитных входных емкостей АИС. Поэтому эффективность использования затрачиваемой на входе АИС энергии можно оценить коэффициентом полезного действия входной цепи т = /4в 4в.р. Очевидно, что т будет зависеть от структуры входной цепи АИС и технологии ее изготовления.

Для трансляции входной информации на выход АИС потребляет мощнос1Ь Р от источников питания. По аналогии с Лв для характеристики этого процесса воспользуемся энергией

An = PinlQmax (1-3)

где P = U+nIni + U-nIn2 определяется токами /щ и /лг, отбираемыми АИС от источников питания с напряжениями U+ -ц. Величину Лп назовем удельной энергоемкостью АИС. Она имеет размерность Дж/бит и определяет минимальную энергию, которую необходимо затратить по цепи питания, чтобы АИС передала на выходы 1 бит входной информации.

Значения Лв и An определяются всей совокупностью показателей точности, быстродействия и потребления (обычно 15-20), характеризующих АИС любого типа, и, следовательно, люгут быть обобщенными показателями их технического уровня. То, что Лв и Лп имеют понятный физический смысл, выгодно отличает их от используемых до сих пор показателей для АИС некоторых типов, определяемых отношением или произведением только частных параметров.

Информационно-энергетические показатели ОУ. Результат преобразования входной информации передается на выход ОУ с погрешностью

Ах = Ки Еот. (1.4)

где Ки - коэффициент передачи ОУ с ОС, а £ош дано в § il.2.

Время преобразования информации в ОУ до требуемой относительной погрешности б = Да;/(/вх запишем, используя выражение для /р, полученное в [8].

п.у = (вх t/л) K/V + {K/2n /j.) In {[[/л/(б - бс К) t/Bx]2 + 1}, (1.5)

где бс = £ош/Увх - относительная статическая погрешность. В отличие от выражения для р, в приведенном у = 0 при 6>U IUbx. Точность используемой аппроксимации для упрощает расчеты и обеспечивает погрешность меньше 15%.

С учетом действия бс количество информации, получаемой на выходе ОУ в результате измерения входного сообщения Ubx при равномерном законе его распределения, можно записать в виде

Q= - !og2 (б + бс). (1.6)

Подставляя (1.5) и (1.6) в (1.1), получаем выражение для пропускной способности ОУ с ОС

С<у= - logs (б + бс)/.у. (1.7)

Максимальное значение С(у достигается прн Kul и 17см=0 (повторитель с отрегулированным напряжением смещения нуля). Величины Л в, Аа и Ct, вычисленные для современных ОУ (рис. 1.41), определялись при 6 = 10-, где Ct для всех ОУ близки к своему максимальному значению. Зиачения Л в рассчитывались при Ubx = \0 В при использовании всего диапазона допустимых входных сигналов большинства ОУ (для 153УД1, 140УД1 и 140УД5 Ubx = 5 В). Увеличение входного напряжения пропорционально увеличивает Лв, и, следовательно, для сравнения ОУ достаточно определить их энергии Лв при каком-либо одном значении [24].

Усилители выборки - хранения (УВХ). Этот тип АИС можно рассматривать как модификацию ОУ на более высоком уровне функциональной интеграции. Обладая всеми функциональными возможностями ОУ (УВХ в режиме выборки), УВХ выполняют дополнительную функцию - хранение аналогового сигнала. Полезным результатом работы УВХ является количество информации о входном сообщении, которое содержится в выходном сигнале к моменту начала хранения. Относительно конечного результата работы режим выборки (установление с заданной точностью однозначной связи между входным и выходным сигналами) является паразитным , однако неизбежным вследствие несовершенства элементов и схемотехники УВХ. Именно поэтому основные параметры УВХ характеризуют режим выборки, а хранение описывают обычно только скоростью d изменения хранимого сигнала, т. е. скоростью потери полученной информации (гл. 5).

Статическую погрешность Дв выборки УВХ можно определить, используя выражение (1.4), а количество информации о входном сигнале, получаемой на выходе УВХ в режиме выборки -из выражения (1.6) при бс=Ав вх = бв.

В режиме хранения за время часть выбранной информации AQx теряется из-за действия ошибки хранения Ax = dt. Следовательно, суммарное коли-