論基于遺傳算法的模擬電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

王澤華

(湖南省長(zhǎng)沙市中南大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410012)

論基于遺傳算法的模擬電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

王澤華

(湖南省長(zhǎng)沙市中南大學(xué),湖南長(zhǎng)沙 410012)

遺傳算法可以有效解決電路優(yōu)化設(shè)計(jì)面臨的速度和規(guī)模瓶頸,雖然有固定的編解碼方案,但是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度看,電路優(yōu)化的創(chuàng)造空間很大,影響參數(shù)可以滿足適度調(diào)節(jié)需要。圍繞遺傳算法,設(shè)定的調(diào)節(jié)參數(shù),其功能性很強(qiáng),可以為元件控制設(shè)計(jì)、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)提供穩(wěn)定的運(yùn)算規(guī)范?；诖?本文將結(jié)合遺傳算法相關(guān)內(nèi)容,深度解析電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題。

遺傳算法 模擬電路 優(yōu)化設(shè)計(jì) 研究方法

電路優(yōu)化設(shè)計(jì)空間大,需挖掘的潛在空間很廣。編輯模擬器作為電路的核心組件,其自動(dòng)測(cè)試功能、運(yùn)算功能、間接編碼功能必須加速優(yōu)化,只有這樣,電路才能完成“與日俱增”的運(yùn)算量。遺傳算法可以利用放大器、過(guò)濾器、三極管等雙端元件,適量簡(jiǎn)化電路的運(yùn)算操作模式,使其能在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算的基礎(chǔ)上,自動(dòng)生成電路結(jié)構(gòu)。

1 編解碼方案與仿真技術(shù)

編解碼是電路自動(dòng)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),它直接參與到電路結(jié)構(gòu)的構(gòu)建工作。所以,根據(jù)遺傳算法原理,編解碼需設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn),選擇適當(dāng)、合理的元件種類(lèi)和個(gè)數(shù),使自動(dòng)生成的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)需要。同時(shí),仿真技術(shù)也應(yīng)適當(dāng)升級(jí)、更新,因?yàn)橐跃W(wǎng)表格為基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu),其二進(jìn)制編碼的設(shè)計(jì)需求和模式轉(zhuǎn)型變化復(fù)雜,需依靠計(jì)算獲得。電阻、電容等雙端元件的編碼計(jì)算公式為:

2 適應(yīng)度評(píng)估方法

2.1 子目標(biāo)集合

電路想滿足多個(gè)運(yùn)行要求,所以其電路結(jié)構(gòu)中的運(yùn)行目標(biāo)是多樣化的。在整合電路結(jié)構(gòu)時(shí),需利用遺傳算法的子目標(biāo)合成優(yōu)勢(shì),轉(zhuǎn)移信號(hào),突顯綜合目標(biāo)的主導(dǎo)優(yōu)勢(shì),以順利完成運(yùn)算設(shè)計(jì)的適應(yīng)度評(píng)估工作。

式中, wi表示電路適應(yīng)度的權(quán)值系數(shù),反映遺傳算法的優(yōu)化權(quán)重; Fit(X)i表示電路的各子運(yùn)行目標(biāo),待X到達(dá)極限值時(shí),子目標(biāo)便可以統(tǒng)一規(guī)劃適應(yīng)度,形成標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)體集合,集合中的每個(gè)參數(shù)都能表示電路設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 權(quán)值系數(shù)的動(dòng)態(tài)更新

因?yàn)檫z傳算法的標(biāo)的值具有動(dòng)態(tài)變化的特征,所以與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理相同,電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的權(quán)值系數(shù)也應(yīng)隨之變化,這樣才能顯現(xiàn)出電路與遺傳算法的統(tǒng)一性和同步性。同時(shí),權(quán)值系數(shù)的變化情況不是混亂的,是遵循一定規(guī)律的,如下:

(0≤a≤常數(shù))

2.3 頻響曲線

遺傳算法在計(jì)算響應(yīng)頻率時(shí),幅度-時(shí)間曲線是隨著電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的變化而變化的,個(gè)體的電路特性,其運(yùn)算量仿真效果不明顯、不理性、不規(guī)范。為此,要想降低誤差,使個(gè)體適應(yīng)度能夠高度吻合電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),遺傳算法必須利用頻響曲線,豐富設(shè)計(jì)功能。簡(jiǎn)化公式為:

式中, fj表示電路設(shè)計(jì)頻率采樣位置;表示理想狀態(tài)下,遺傳算法計(jì)算出來(lái)的頻響特性表示電路實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的仿真效果。

3 遺傳參數(shù)調(diào)整策略

通過(guò)上文分析可知,遺傳算法在電路設(shè)計(jì)中各參量值、權(quán)值系數(shù)計(jì)算上起到了很強(qiáng)的影響作用,在沒(méi)有確定交叉概率之前,Pc和變異概率對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響也很大。為此,要防止電路低能粗略搜索,影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,需適當(dāng)調(diào)整遺傳參數(shù),并根據(jù)其變化情況,分析整體電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略,具體內(nèi)容如下。

3.1 確定基因段的取值范圍

因?yàn)殡娐分腥旧w對(duì)子目標(biāo)的控制能力有限,所以染色體中的基因段很難測(cè)試出遺傳參數(shù)的變化范圍。如果電路的遺傳進(jìn)程被改變,則電路的響應(yīng)功能會(huì)立即崩潰,相應(yīng)元件的功能性也會(huì)隨即減弱。由此可見(jiàn),遺傳參數(shù)調(diào)整策略的首要前提是,優(yōu)化內(nèi)容需根據(jù)基因段的取值范圍,測(cè)算元件類(lèi)型、遺傳進(jìn)程、遺傳參數(shù)變化等內(nèi)容。

3.2 電路結(jié)構(gòu)、類(lèi)型的統(tǒng)一設(shè)定

除基因段之外,電路的結(jié)構(gòu)類(lèi)型也會(huì)干擾遺傳算法的準(zhǔn)確度,在高位序基因段中,電路子目標(biāo)所體現(xiàn)的權(quán)值系數(shù)根本無(wú)法解決結(jié)構(gòu)差異問(wèn)題,也無(wú)法滿足調(diào)節(jié)遺傳參數(shù)系數(shù)的運(yùn)行要求。因此,電路優(yōu)化設(shè)計(jì)需采用“先定結(jié)構(gòu),后定參數(shù)”的設(shè)計(jì)模式,在排除個(gè)體適應(yīng)度影響的基礎(chǔ)上,合理分配電路各設(shè)計(jì)層的工作任務(wù)和設(shè)計(jì)要求,盡可能做到“共同決定”。同時(shí),如果調(diào)整后的遺傳參數(shù)仍不能滿足電路正常運(yùn)行,則應(yīng)從電路設(shè)計(jì)入手,根據(jù)信號(hào)響應(yīng)力差異,縮短檢索范圍,增強(qiáng)遺傳進(jìn)程的主導(dǎo)能力,提高遺傳運(yùn)算量。

3.3 增進(jìn)遺傳參數(shù)的相互配合

因?yàn)檫z傳運(yùn)算進(jìn)化中隱含多個(gè)電路結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)變化區(qū)段、系數(shù)取值范圍各不相同,為連接不同階段的層級(jí)電路,需利用遺傳參數(shù)的交叉概率、變異概率,測(cè)算電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響范圍,并確定元件類(lèi)型。如果支撐電路的元件、遺傳參數(shù)、電路規(guī)模無(wú)法滿足適應(yīng)度,深受其他設(shè)計(jì)要素影響,則需在保持電路基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,調(diào)節(jié)各元件參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文對(duì)遺傳算法在電路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)分析可以,可自動(dòng)生成的電路結(jié)構(gòu),其元件參數(shù)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特點(diǎn)都是可計(jì)算的,通過(guò)優(yōu)化元件參數(shù),逐步得到具備預(yù)期功能且經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的電路,是最為有效的電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

[1]殷時(shí)蓉,陳光,謝永樂(lè).基于遺傳算法的模擬電路故障診斷激勵(lì)優(yōu)化[J].測(cè)控技術(shù),2007,13(06):120-122.

[2]游海龍,賈新章,王少熙.基于遺傳算法的Kriging元模型及其在模擬集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2007,12(08):1325-1329.