честно информации, получаемой за один цикл работы УВХ (выборка и хранение), Q = Qb -AQi = log2(6+6B-t-6i). При работе УВХ обычно выбирают с таким расчетом, чтобы Дх<Дв- Поэтому предельные возможности УВХ полностью определяются его параметрами в режиме выборки. Поскольку характеристики ОУ и УВХ в режиме выборки совпадают, то для расчета времени выборки и пропускной способности Ct УВХ можно воспользоваться выражениями (1.7), заменив бо на бв. Рассчитанные при аналогичных принятым для ОУ исходных данных значения пропускной способности Ct, Лв и Лп наиболее перспективных типов полупроводниковых УВХ приведены на рис. 1.4il.

1983 Годы

1971 1975(1970) 1978(197) тз Годы

i97i(196S) 1975(1970) 1978(197)

1983 Годы

Рис. 1.41. Динамика совершенствования информационно-энергетических показателей АИС:

----компараторы;----ОУ на биполярных транзисторах;------ ОУ с поле-

Еыми транзисторами на вхоле; -О-О- устройства выборки - хранения- -Д~Д- - КМОП ЦАП; -X-X- - б1-1полярные ЦАП; -□ -□--АЦП. В скобках указан год разработки изделия за рубежом

Компараторы напряжения. Любое количество входной информации компаратор напряжения преобразует в одно бинарное сообщение, определяемое на; его выходе уровнями напряжений лог. О или лог. 1 в зависимости от того, больше или меньше входной сигнал Ubx опорного Uon-

Погрешность преобразования входной информации компаратора определяется напряжением ошибки Лх, выражение для которого аналогично (1.4) прп Ки = \ и Ubux = U-U . При \Ubx-Loii = £om выходное напряжение равно-логическому пороговому (у1 ио)у2. Если разность /в = - оп лежит в диапазоне Un<\Eom\, то равновероятны оба состояния на выходе компаратора.

Пусть бинарным элементам входного сообщения X соответствуют

элементы у2 выходного сообщения Y. Если уровни напряжения ххг попадают в диапазон ±£ош или на вход компаратора воздействуют помехи, то однозначная связь между X п Y нарушается. Наибольшая скорость передачи ин-фор.мации в бинарном канале достигается при равенстве вероятностей P{yilx-2)=p(y2lx\)=Pn ошибочного приема входного сообщения [25]. В этом случае пропускную способность компаратора как бинарного канала можно определить из выражения Ct. = [(1-рл) logs Рл+(1-рл) log2(l-p.-i) ]/п.к, где числитель определяет количество инфор;мации Q, получаемой от компаратора. При Рл-0 CfKl/i.K и CfK->-0, если рл0,5.

Выражения для Лв и А компаратора напряжения рассчитаны в [14]. Нетрудно показать, что при Lb=2-15 мВ величина Лв слабо зависит ог Ub [24]. Поэтому при расчетах Лв для компараторов, у которых значение п.к нормируется при Lb = 5 мВ, можно воспользоваться выражением Ав1вх{5мВ + + Ucu)tu.K- Рассчитанные величины Лв, Лц и Ct при АГ=100°С для основных типов компараторов [24] приведены на рис. 1.41.

Информациоино-энсч;эгетические показатели ЦАП и АЦП. Количество информации, получаемой от ЦАП (АЦП) в случае равномерного закона распределения входной информации, равно их разрядности Л. Величина N и время преобразования / входной информации в выходную у любого ЦАП (АЦП) являются нормированными параметрами. Поэтому величины Ct и Лп получаютс.ч непосредственной подстановкой в (1.1), (1.3) значений / , N = Q, U, / для Ц.4П (АЦП) без промежуточных (как в ОУ, компараторах напряжения, УВХ) вычислений. Что касается Л в, то в ЦАП этот показатель вырождается в суммарнук> энергию, затрачиваемую источником информации на переключение его входной логики (энергия переключения). В АЦП величина Лв определяется соответствующим типом входного узла (обычно ОУ, УВХ, компараторов), т. е. показателем использованной на входе АИС, а не АЦП. Значения Ct и Лп, вычисленные для наиболее перспективных типов отечественных и зарубежных полупроводниковых ЦАП и АЦП [24], приведены на рис. 1.41.

Для совместного рассмотрения значения Лв, Л и С( в зависимости ог зремени разработки представлены в виде графиков на рис. 1.41. Последние демонстрируют динамику совершенствования АИС, выражающую в уменьшении их тороговой энергии и удельной энергоемкости и увеличении пропускной способ-юсти. Из анализа рис. 1.41 можно сделать следующее заключение. За 10 лет эазработок в области АИС увеличилась в 10*-10 раз их чувствительность ко зходной информации и уменьшились в 10-10* раз затраты энергии на ее но-аучение. Наиболее значительные улучшения параметров АИС обеспечивались в

первую очередь за счет совершенствования технологии их изготовления. В различных тинах АИС в разное время достигаются одни и те же предельные значения пороговой энергии Лв.п 10->= Дж/бит и удельной энергоемкости Лп.п 10- Дж/бит. Зарубежные типы компараторов и ОУ достигли этих значений соответственно в 1973 и 1975 гг., и в последующих разработках наблюдались в основном вариации между потребляемой мощностью и быстродействием при неизменных Лв и Лп. Несмотря на непрерывные усилия разработчиков ОУ и компараторов их последующие успехи сводятся к некоторому уменьшению погрешности преобразования А в основном за счет совершенствования технологии. Так, с разработкой технологии, позволяющей в едином цикле получать высококачественные дополняющие биполярные и полевые транзисторы, удалось в ОУ достичь Лв ~0,3-lO-s Дж/бит, т. е. уменьшить достигнутое ранее значение втрое. Однако величина Лп в этих ОУ пока больше Лп.п, достигнутой в ОУ на биполярных транзисторах с диэлектрической изоляцией элементов.

Наибольший разрыв между достигнутыми значениями Лв и Лп и предельными для современного уровня развития технологии АИС наблюдается в УВХ. По-вндимому, это объясняется несовершенством традиционной схемотехники УВХ. Имея Лв и Лп значительно больше предельных, УВХ, видимо, будут продолжать сравнительно быстро совершенствоваться в основном схемотехнически, пока запас, обеспечиваемый технологией, ие будет исчерпан.

Хотя ЦАП были изготовлены в виде полупроводниковых ИС позже операционных усилителей и компараторов (примерно на 5 лет), однако ЦАП на КМОП сразу достигли Лп 10- Дж/бит, и до настоящего времени это значение почти не уменьшилось. Вместе с тем значительный прогресс был дости--нут при разработке ЦАП по биполярной технологии, у которых величины Ct и Лп за 10 лет были улучшены более чем на порядок, В последних разработках этих ЦАП величина Лп.п уже практически достигнута.

Что касается одновременного значительного (более чем на порядок) уменьшения Лв.п и Лп.п в АИС общего применения, то для этого пока нет видимых технологических и схемотехнических предпосылок. Вместе с тем предельно достижимая величина Лв, определяемая уровнем термодинамических флуктуации, равна 3,5-10-2° Дж/бит, и, следовательно, проблема значительного уменьшения Лв.п ждет своего решения. По-видимому, это относится и к Лп.п-

Из сказанного можно сделать вывод, что основные типы АИС общего применения к настоящему времени достигли предела совершенствования своего технического уровня, определенного в основном возможностями технологии ич изготовления при традиционной схемотехнике. Вследствие этого, а также благодаря массовому применению АИС в аппаратуре интенсифицировалось второе направление их развития создание многофункционных аналого-цифровых БИС (АЦП, устройства ввода - вывода, аналоговые процессоры). Именно в области проектирования и применения этих структур целесообразно видеть наиболее плодотворные перспективы развития АИС. Переход к обобщенным информационно-энергетическим показателям качества АИС, аналогичным принятым для цифровых ИС позволяет перейти к синтезу оптимальных структур многофункциональных блоков из однотипных по параметрам аналоговых v цифровых ИС, отличающихся только выполняемой функцией. То, что энергии Лв и Лп определяются всей совокупностью показателей точности, быстродействия и потребления, позволяет использовать Лв и Ли в качестве целевых фун1с-