（电路与系统专业论文）模拟电路演化设计研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho n a n a l o g c i r c u i t e v o l u t i o n a r yd e s i g n a u t h o r sn a m e s p e c i a l i t y n s u d e 1 s o r 11 o f1 n 1 s n e dt l m e h o n g y i n g y u a n c i r c u i ta n ds y s t e m a s s o c i a t ep r o f j i n g s o n gh e m a y1 0 m 2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果 除已特 别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一 同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 轰必签字日期 丝眨二笸二丝 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文 的部分使用权 即 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 可以将学位论文编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 眺 开口保密 年 作者签名 盍红挞 导师签名 签字日期 型 兰二艘 燧 签字日期 望 二6 二1 摘要 摘要 演化硬件是指通过与环境的相互作用自动 动态地改变其结构和行为的硬 件 它采用进化算法和可编程器件相结合 实现硬件电路的功能自我重配置 目 前国际上有许多科研机构和学者正从事演化硬件的研究 模拟电路演化设计是演 化硬件的一个重要分支 其具体设计过程是将每个电路中元器件的类型 连接方 式和参数值编码成为个体 将电路行为 即电路的输入 输出特性 与预期结 果的符合程度定义为个体的适应度值 最终通过进化算法搜索并评估电路的适应 度值 从而得到满足预期功能要求的电路 近年来 模拟电路演化设计已成为演 化硬件领域的研究热点之一 本文综合应用进化算法 电路设计和仿真等方面的理论方法 系统深入地 分析了模拟电路演化设计中的各个关键技术环节 总结了几种电路编码方式和适 应度评估策略 重点研究了适合于解决电路演化设计问题的可变长算法 提出了 一种可变长差分进化算法 利用可变长差分进化算法提高模拟电路设计效率 最 后 以低通滤波器为演化设计目标 设置实验观察分析影响可变长差分进化算法 性能的因素 通过合理选择控制参数和变异策略达到提升设计结果质量的目的 本文的主要研究工作如下 1 首先回顾了模拟电路演化设计研究的历史和发展概况 对模拟电路演化设计 的关键技术环节 电路编码 适应度值评估和搜索算法作了比较详细的介 绍 针对模拟电路演化设计较大规模电路时效率不高的问题 通过研究改进 可变长进化算法达到提高设计效率的目的 2 提出了一种可变长差分进化算法 并利用该算法成功设计出模拟运算放大器 该算法充分利用了可变长算法和d e 算法的优点 在进化过程中能够快速地 同时优化电路拓扑结构和元器件参数值 通过实验证明了v d e 算法可以演化 设计出较大规模的电路 与文献 1 中利用g a 算法设计运算放大器相比 v d e 算法在完成设计任务的同时 搜索效率更高 3 本文以低通滤波器为设计目标 设置实验观察基于v d e 算法的电路设计收敛 速度和最优解质量 同时分析影响v d e 算法性能的因素 实验结果表明 合 理的选择控制参数和变异策略 可大大提高v d e 算法的收敛速度和最优解的 质量 关键词 模拟电路演化设计可变长差分进化算法运算放大器低通滤波器 摘要 a b s t r a c t 一 a b s t r a c t e v o l v a b l eh a r d w a r e e h w r e f e r st oh a r d w a r et h a tc a n c h a n g ei t sa r c h i t e c t u r e a n db e h a v i o rd y n a m i c a l l ya n da u t o n o m o u s l yb yi n t e r a c t i n gw i t hi t se n v i r o n m e n t i ti s o f t e na ni n t e g r a t i o no f e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o na n dp r o g r a m m a b l eh a r d w a r ed e v i c e s t h eo b j e c t i v eo fe v o l v a b l eh a r d w a r ei st h ea u t o n o m o u sr e c o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r e s t r u c t u r ei no r d e rt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo v e rt i m e a tp r e s e n t t h e r ea r em a n y i n t e r n a t i o n a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n ds c h o l a r sa r ee n g a g e di nt h er e s e a r c h o ne v o l v a b l eh a r d w a r e a n a l o gc i r c u i te v o l u t i o n a r yd e s i g ni sa ni m p o r t a n tb r a n c ho f t h ee v o l v a b l eh a r d w a r e w h i c hu s i n gt h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r s a sa n i n d i v i d u a la n du s i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni t sa c t i o n sa n de x p e c t e dr e s u l t sa s d e f i n i t i o no ft h ei n d i v i d u a lf i t n e s s f i n a l l yo b t a i n i n gt a r g e tc i r c u i t sw h i c hm e e tt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sb a s e do ne v o l u t i o n a r ys e a r c ha l g o r i t h ma n df i t n e s sv a l u e e v a l u a t i o n a n a l o gc i r c u i te v o l u t i o n a r yd e s i g nh a sa l r e a d yb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t o fe h wi nr e c e n ty e a r s t h i s p a p e rs y n t h e t i c a l l ya p p l i e se v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m c i r c u i td e s i g na n d s i m u l a t i o ns u c ha st h et h e o r ya n dm e t h o d s d e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e se a c h k e yt e c h n o l o g yl i n ki na n a l o gc i r c u i t se v o l u t i o n a r yd e s i g n s u m m a r i z e ss e v e r a lc i r c u i t c o d i n gm o d e sa n df i t n e s se v a l u a t i o ns t r a t e g i e s f o c u so nv a r i a b l e l e n g t ha l g o r i t h m w h i c hs u i t a b l ef o r s o l v i n gc i r c u i td e s i g np r o b l e m p u tf o r w a r dak i n d o fn e w a l g o r i t h mn a m e dv a r i a b l e l e n g t hd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mw h i c hh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed e s i g no fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r f i n a l l y m a k i n gl o wp a s s f i l t e ra se v o l u t i o n a r yd e s i g ng o a l s e te x p e r i m e n t st oo b s e r v ea n da n a l y z et h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c i n gt h ev a r i a b l e l e n g t hd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h er e a s o n a b l ec h o i c eo fc o n t r 0 1p a r a m e t e r sa n dm u t a t i o ns t r a t e g i e st o i m p r o v et h eq u a l i t yo f r e s u l t s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s 1 r e v i e wr e s e a r c hh i s t o r ya n d d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ea n a l o gc i r c u i t e v o l u t i o n a r yd e s i g n a n di n t r o d u c et h ek e yt e c h n o l o g yl i n ko fa n a l o gc i r c u i t e v o l u t i o n a r yd e s i g ni nd e t a i l w h i c hi n c l u d i n gc i r c u i t c o d i n g f i t n e s sv a l u e e v a l u a t i o na n ds e a r c ha l g o r i t h m o na c c o u n to ft h ep r o b l e mo fl o w e rs e a r c h e f f i c i e n c yi nt h ep r o c e s so fa n a l o gc i r c u i te v o l u t i o n a r yd e s i g nt h el a r g es c a l e c i r c u i t w ef o c u so ni m p r o v ev a r i a b l e l e n g t he v o l u t i o na l g o r i t h mt oi m p r o v e s e a r c he f f i c i e n c y i i i a b s t r a c t p r o p o s eav a r i a b l e l e n g t hd i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mw h i c hh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed e s i g no fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h i sa l g o r i t h mm a k e s f u l lu s eo ft h ea d v a n t a g eo fv a r i a b l e l e n g t ha l g o r i t h ma n dd ea l g o r i t h m i tc a n o p t i m i z ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dc o m p o n e n tp a r a m e t e r sq u i c k l ya n ds i m u l t a n e o u s l y i nt h ee v o l u t i o n a r yp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tl a r g es c a l ec i r c u i tc a nb e d e s i g n e db a s e do nv d ea l g o r i t h m a n dc o m p a r e dw i t ha m p l i f i e r sd e s i g nu s i n g g aa l g o r i t h m 1 v d ea l g o r i t h mh a sh i g h e rs e a r c he f f i c i e n c y t h i sp a p e rm a k e sl o wp a s sf i l t e ra se v o l u t i o n a r yd e s i g ng o a l s e t se x p e r i m e n t st o o b s e r v et h ec o n v e r g e n c es p e e da n dt h eq u a l i t yo ft h eo p t i m a ls o l u t i o n a tt h es a m e t i m e a n a l y z e st h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c i n gt h ev a r i a b l e 1 e n g t hd i f f e r e n t i a l e v o l u t i o na l g o r i t h m p e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e a s o n a b l ec h o i c eo fc o n t r o lp a r a m e t e r sa n dm u t a t i o n s t r a t e g i e s c a l lg r e a t l y i m p r o v et h ec o n v e r g e n c es p e e da n dt h eq u a l i t yo ft h eo p t i m a ls o l u t i o n k e yw o r d s a n a l o gc i r c u i te v o l u t i o n a r yd e s i g n v a r i a b l e l e n 驰d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n a l g o r i t h m o p e r a t i o n a la m p l i f i e r l o wp a s sf i l t e r 2 王 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 目录 v 第一章绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 模拟电路演化设计研究进展 3 1 3当前模拟电路演化设计的关键技术及存在的难点 5 1 4 本文研究内容和组织结构 7 1 4 1 本文主要研究内容 7 1 4 2 论文的组织结构 8 第二章模拟电路演化设计关键技术分析 9 2 1 电路编码 9 2 2 适应度评估 1 1 2 3 用于模拟电路演化设计的进化算法 13 2 4 本章小结 1 5 第三章基于可变长差分进化算法的运算放大器设计 17 3 1 引言 1 7 3 2 准备工作 18 3 3 差分进化算法 1 9 3 3 1 标准差分进化算法 1 9 3 3 2 改进的d e 操作算子 2 0 3 4 可变长差分进化算法 2 1 3 4 1 变异操作 2 2 3 4 2 交叉操作 2 3 3 4 3 选择及边界条件处理 2 3 3 4 4 v d e 算法步骤 2 4 3 5 实验设置及结果分析 2 4 3 5 1 对比分析v d e 算法和g a 算法的收敛效率 2 4 3 5 2 电路演化过程跟踪分析 2 8 3 6 本章小结 3 0 第四章可变长差分进化算法实验研究 31 v 目录 4 1 引言 31 4 2 实验观察与分析 3 2 4 2 1 分析不同变异策略对v d e 算法性能的影响 3 2 4 2 2 分析控制参数对v d e 算法性能的影响 3 5 4 2 3 对比分析几种变形形式的v d e 算法性能 4 0 4 3 本章小结 4 3 第五章总结与展望 4 5 5 1 工作总结 4 5 5 2 展望 4 6 参考文献 4 7 致谢 5 3 攻读硕士期间发表的论文和参与的科研项目 5 5 v i 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着集成电路 i c s e 艺技术的飞速发展 电路系统的规模和复杂性日益增长 传统的基于先验知识和设计规则的电路设计方法 在设计l s i 和v l s i 时遇到的 矛盾问题越来越多 例如 电路系统高性能和低功耗之间的矛盾 系统大规模问 题和可靠性之间的矛盾等 面对传统电路设计方法存在的问题 一个可行的解决 方案是采用电路演化设计 电路演化设计展示了一种全新的电路设计方法 其以 进化算法作为优化搜索的主要工具 将可重新配置的逻辑器件作为主要的评估手 段和实现载体 通过进化来生成满足期望功能的电路 传统的电路设计方法是知识密集 确定性和逻辑性强的方法 同时是一种自 上而下的设计方法 即必须先具有该类电路的理论 设计方案 才能进行具体设 计j 因此整个设计过程对人工经验依赖程度高 设计周期长 其设计流程如图 1 1 所示 电路设计又包括模拟电路设计和数字电路设计 模拟电路是电子系统 最重要的组成模块之一 很多系统都需要将数字模块和模拟模块集成到同一硅片 上 对于数字模块 先进的数字c a d 工具可以提供大规模数字模块到硅片版图 的快速综合 而对于多数模拟模块 即使规模很小 仍然依赖于专家使用耗时的 传统技术进行人工设计 过去二十年 v l s i 集成度和复杂度空前提高 系统时 钟不断加快 如何使用有限的资源设计出最优的模拟电路显得尤为突出 且深入 研究模拟电路自动设计方法就显得十分必要 1 图1 1 传统电路设计方法流程图 第一章绪论 模拟电路演化设计或综合 是将电路的拓扑结构和元器件参数等作为个体进 行编码 而将电路行为 即电路的输入 输出特性 与预期结果的符合程度定 义为个体的适应度 通过进化计算最终求得满足功能要求的解电路 2 其一般 设计流程如图1 2 所示 电路演化设计包括模拟电路演化设计和数字电路演化设 计 模拟电路是电子系统最重要的组成模块之一 在系统与外界接口以及射频收 发机中不可或缺 模拟电路设计通常是系统设计中周期最长 成本最大和实现最 难的部分 3 在当前v l s i 快速发展的形势下 通过人力来设计出规模庞大的电 路 其工作量大 费时多 且需要设计者具备丰富的经验 所以 研究电路演化 设计技术显得十分迫切和必要 电路演化设计技术的优点主要有f 4 1 不依赖于先验知识 电路演化设计与常规设计方法相比 不依赖于先 验知识 自动化程度高 需要的人工干预较少 若合理利用先验知识可提高设计 的效率 2 设计结果新颖 由于演化设计只对电路预期功能进行设定 设计过程 是在巨大的设计空间中进行优化搜索 因此 可获得常规设计方法考虑范围以外 的设计 能够得到新颖的设计结果 3 灵活性高 电路演化设计具体实施非常方便 例如 在设计低通滤波 器时 要求扩展其通带频率从1 k h z 到2 k h z 仅需修改适应度评估中限定条件 特别适用于约束条件和需求经常变化的情形 k o z a 提出了基于遗传规划 g p 的通用电路演化设计方法 5 1 6 1 7 文献 5 中放大器电路的设计目标是一个最大电压增益约为1 0 0 d b 的放大器 实际设计 结果是一个电压增益为9 6 2 d b 3 d b 带宽为1 0 7 8 4 h z 的放大器 程序调用s p i c e 仿真次数为8 6 6 4 0 0 0 0 次 l o h n 等提出基于线性编码的g a 综合方法 1 该文 献中放大器电路的设计目标是一个最大电压增益约为1 0 0 d b 的放大器 实际设 计结果是一个电压增益为8 5 4 1 d b 3 d b 带宽为2 8 2 8 k h z 的放大器 程序调用 s p i c e 仿真次数为3 6 3 5 1 2 0 0 次 文献 5 中在一个8 0 m h z 处理器上s p i c e 仿真 一次的时间是0 2 5 s 因此 无论是k o z a 的基于g p 或l o h n 的基于g a 的电路 演化设计方法 若不采用大型的并行高速处理器 耗时均是惊人的 如果电路在 进化过程中 收敛速度加快 则程序调用s p i c e 仿真次数下降 耗时自然减少 电路演化设计结果新颖 自动化程度高 如果设计周期缩短 则在电路设计领域 将具有非常广阔的应用前景 第一章绪论 y 一j 二一 演化设计结束 4 图1 2 电路演化设计的基本流程 1 2 模拟电路演化设计研究进展 模拟电路演化设计研究初期 仅尝试利用g a 算法来选择滤波器的规模 8 或选择滤波器的拓扑结构 9 或基于一个小的拓扑结构集合设计运算放大器 1 0 直到k o z a 提出了基于遗传规划的通用电路演化设计方法 能够使电路拓 扑结构 电路规模和元器件值同时进行优化 至此 模拟电路演化设计研究开始 迅速发展起来 下面对有代表性的模拟电路演化设计方法进行了简要描述 k o z a 提出了基于遗传规划的通用电路演化设计方法 5 遗传规划是能够让 计算机自动解决问题的系统方法 其进化对象是用于构建电路的程序段 在电路 进化开始前 其准备工作是根据待设计电路的输入和输出个数选择相应的 胚胎 e m b r y o 电路 即仅包含输入 输出 负载 信号源和可修改连线的简单电 路 然后不断地对电路的可修改连线进行修改操作 使电路得以 生长 经过 很多代 逐渐培育出满足特定设计目标的电路 电路的适应度则通过电路仿真软 件s p i c e 来加以测量 使用该方法 k o z a 等人共设计了8 个不同的模拟电路 包括低通滤波器 交叠滤波器 源辨认电路 放大器 计算电路 时间优化控制 电路 热敏电路 电压参照电路 实验结果显示 每个实验至多在第二轮运行就 能得到一个满意解 甚至 有些进化结果具有与专利电路相媲美的优良特性 1 1 1 第一章绪论 此外 k o z a 等人还开展了对电路子结构的复用问题的研究 1 2 但是 由于其电 路编码不满足闭合性 初始化或经遗传操作易产生大量的非法个体 必须使用复 杂的电路合法性检查操作对每个个体进行检查并处理 导致计算消耗很大 不利 于大规模电路的自动设计和优化 l o h n 等提出基于线性编码的g a 综合方法 1 通过使用特定原语来构造电 路从而避免产生非法个体 特别指出的是 该文献给出了三端器件 极管1 的编 码方法 即通过设定第三端与地 电源 输入端 输出端或前一结点固定相连接 即可将三极管可作为双端器件使用 三极管简化后共有5 0 余种组态 线性编码 是采用包含构建电路所需指令的线性队列来表示电路 由程序逐条解释和执行队 列中的指令 从而得到电路网表 再利用s p i c e 软件对电路进行仿真 根据仿 真结果计算电路的适应度值 由并行遗传算法进行迭代搜索 实验结果表明 该 方法可生成足够丰富的有效电路结构 能够保证电路拓扑结构和元器件参数的同 时进化 与k o z a 的g p 方法相比 运算量减少 但是因每次适应度评估均需调 用一次s p i c e 仿真 演化设计常用的放大器仍需并行计算机工作数日 t h o m p s o n 等基于s m a s h 仿真软件演化设计直流放大器 2 在演化设计过 程中 利用了已有的先验知识 如电阻和晶体管参数等的合理取值范围等 以保 证演化所得到的电路的实用性 实验结果显示 直流放大器的主要技术指标与集 成运放n e 5 5 3 4 相媲美 但是程序运行同样需要耗费大量时间 s t o i c a 等学者基于现场可编程晶体管阵y t j f p t a 研究电路的内部进化方法 1 3 文献 1 3 中提出了 混合进化 方法 所谓的混合进化是指 在进化过程 的每一代种群中 对部分个体实施内部进化 而对其余个体实施外部进化 他们 还建议利用 混合进化 方法寻找那些在实测和仿真过程中表现不同的个体 以 便发现仿真软件尚不支持的新颖的电路特性 z e b u l u m 等研究基于现场可编程模拟阵歹t j f p a a 研究电路的内部进化方法 1 4 实验结果证明内部进化可明显提高模拟电路进化的效率和成功率 但是总 的来说 受可编程模拟器件的类型 品种和规模等制约 内部进化方式可以实现 的设计规模和电路类型等均受限 z e b u l u m 等还提出把演化硬件和多目标优化算 法结合起来实现了模拟电路多目标设计 使大量设计参数同时满足设计指标 电 路将具有很强的实用性 1 4 1 5 c l a u d i o 等人提出了一种模拟遗传编码方法 a g e 1 6 旨在用于电路和神经 网络的进化综合与反向工程 诸如模拟电子电路 神经网络和基因调控网络 a g e 容许同时优化网络的拓扑结构和规模 网络设备之间连接方式的确定是基 于一种基因组不同部分相互作用的隐式定义 与直接编码连接方式相比 该方法 将降低基因组携带的信息量 a g e 在模拟电子电路和神经网络综合的应用证实 4 第一章绪论 了该编码方法的有效性 w a n g 等人基于双层进化的遗传规划算法 t l g p 提出了一种新的电路编码方 法 1 7 t l g p 算法利用分而治之的方法来演化设计模拟电路 新编码方法将电 路拓扑结构和元器件参数分开表示 独立进化 有利于产生期望的电路图 文中 利用该编码方法演化设计出了电压放大器和低通滤波器 证明了所提出编码方法 的有效性 l i u 等人提出了一个混合精英保留和过变异策略的g a 算法 h m e s g a 1 8 其中 过变异策略用来增强g a 进化电路器件值的能力 而精英保留策略用来保 持较优解 从而指引过变异算子搜索更具有开发价值的区域 1 9 1 实验结果表明 h m e s g a 在模拟电路进化上比传统g a 更加有效 p i e r o 等人提出一种新的进化算法 被称为精英免疫规划算法 e i p 2 0 本 文通过利用e i p 算法和工业元件系列自动综合模拟电路 目的是得到可靠的和低 成本的电路 分别利用e i p 算法和g p 算法设计低通滤波器 从设计结果的频率 响应和元器件个数这两个方面来看 基于e i p 算法设计的电路性能更好 1 3当前模拟电路演化设计的关键技术及存在的难点 本文的模拟电路演化设计是利用软件 例如 m a t l a b w i n s p i c e l i n u x n g s p i c e 等 对硬件电路设计进行进化 评估 并把最终的进化结果生成硬件电路 多与 间接编码方式配合用于模拟电路演化设计 模拟电路演化设计具有三个主要的技 术环节 电路编码 适应度评估和进化算法 1 电路编码 电路编码是指将电路用其他方式进行描述 使其适合于进 化算法的求解 目前本文研究主要采用间接编码 间接编码是指采用抽象的表达 方式 将树或语法等作为染色体 其进化的结果需经过解码方能用于器件或系统 的配置 4 通过解码可得到电路网表 根据电路网表可仿真出实际的电路 在 电路进化过程中 有效的电路编码方式应该满足以下性质 1 电路编码方式应 该适合于任何电路或至少大部分电路 表现型和基因型之间的映射速度尽可能 快 语法表示严谨 即父代是有效电路 经过遗传操作 子代仍是有效的电路 目前电路编码方法有很多 如树状结构编码法 5 2 1 1 线性编码法 1 1 二叉树编 码法 2 2 模拟遗传编码法 1 6 实数编码方案 2 3 等 这些方法各有优缺点和局 限性 例如树状结构编码不满足闭合性 初始化或经遗传操作易产生大量的非法 个体 必须使用复杂的电路合法性检查操作对每个个体进行检查并处理 线性编 码使用特定原语构造电路从而避免产生非法个体 但缩小了搜索空间 实数编码 方案不会产生非法个体 可以直接对个体进行快速的数值或符号分析即可得出电 第一章绪论 路的频率特性 设计耗时锐减 但仅限于设计r l c 电路 对于一个通用的电路 演化设计系统 采用何种电路编码方式对电路进化具有重要的影响 目前 仍有 许多学者致力于电路编码方案研究 2 适应度评估 适应度评估是指在电路演化设计过程中 依据评估函数 计算每个个体的适应度值 再按照个体适应度值进行选择操作 选择性能好的个 体保留到下一代 进而推动整个群体趋优演化 适应度评估策略包括动态评估策 略和静态评估策略两种 2 4 静态评估策略在搜索过程中评估函数的目标参数保 持不变 动态评估策略在搜索过程中评估函数的目标参数不断变化 其又具体细 分为三种 自适应适应度值调节 固定适应度值调节以及协同进化的适应度值调 节 文献 2 5 中分别基于四种适应度评估策略 一种静态的 3 种动态的 进行模拟 放大器设计 并根据实验结果对各种评估策略的优缺点进行总结 例如静态评估 策略因其实施简单 效果好等特点而得到广泛应用 协同进化的适应度值评估策 略特点是 该策略又引入一个目标向量种群 则该算法包括两个种群 一个是由 电路染色体组成的主种群 另一个是由目标向量组成的副种群 两个种群同时进 化 能够有效地指导电路的学习 但同时也增加了设计的难度 目前 对适应度 评估策略进行研究改进的成果较少 一般情况下 都采用静态适应度评估策略 3 进化算法 进化算法是指模拟生物进化过程中 优胜劣汰 适者生存 的自然选择规律和自然遗传机制算法的总称 在模拟电路演化设计领域 最常用 的两种进化算法是遗传算法和遗传规划 文献 1 中的遗传算法实际上是可变长 遗传算法 在演化过程中 采用单点交叉的方法 染色体的长度不断变化 因此 能够满足对电路拓扑结构和元器件参数同时进行优化 遗传规划是能够让计算机 自动解决问题的系统方法 其进化对象是用于构建电路的程序段 不断地对电路 的可修改连线进行修改操作 使电路得以 生长 经过很多代 逐渐培育出满 足特定设计目标的电路 此后 l i u 等人在g a 算法的基础上 提出了一个混合 精英保留和过变异策略的g a 算法 h m e s g a 1 8 实验结果表明 h m e s g a 在模拟电路进化上比传统g a 更加有效 p i e r o 等人在g p 算法的基础上 采用精 英免疫算子 从而提出一种新的精英免疫规划算法 e i p 2 0 实验结果表明 e i p 算法和传统g p 算法相比可得到较可靠的和低成本的电路 近年来 进化算法在理论分析和工业应用方面均得到巨大发展 2 6 但在模 拟电路演化设计领域 对进化算法的研究主要集中在对g a 和g p 算法的改进上 原因是在电路演化设计过程中 电路拓扑结构不断变化 电路染色体的长度也一 直在改变 这就要求用于模拟电路演化设计的进化算法必须能够处理可变长染色 体 因此 如d e 算法 p s o 算法就不能运用到解决该问题中 目前 电路演化 设计技术研究过程中急需解决的难点之一是系统大规模问题和设计周期长之间 6 第一章绪论 的矛盾 而提高进化算法的收敛速度是缩短设计周期的重要方法 因此 尝试对 某些高效的进化算法进行改遴 使之适合予解决染色体长度可变的电路演化设计 问题 将很有希望提高设计效率 缩短设计周期 也是该研究领域的一个重要突 破方向 综上所述 现有的模拟电路演化设计技术研究在电路编码 适应度评估及在 不增加系统复杂度情况下提高搜索算法收敛速度等方面 还缺乏有效方法 制约 了其进一步发展和应用 本文侧重对电路 寰化设计问题中的进化算法进行研究 以期缓解系统大规模问题和设汁周期长之间的矛盾 l 4 本文研究内容和组织结构 当前模拟电路演化羧讲 技术尚处于理论探索研究阶段 对于大规模电路设计 问题 其设计周期较长 不满足实际应用的需要 本文的研究图标是提出一种可 变长差分进化算法 基于该算法进行模拟电路演化没计 可提高电路设计效率 缩短设计周期 缓解系统大娥模设计与设计周期长之间的矛盾 1 裤 1本文主要研究内容 针对当前模拟电路演化设计技术中存在的难点 本文将对电路编码 适应度 评估和搜索算法这三个技术环节进行深入磷究 主要研究内容包括 1 分析模拟电路演化设计的关键技术环节 本文对电路演化设计的三个关键技 术环节作了调研分析 结合已有的研究成果 为解决系统大规模问题乖f l 没计 周期长之间的矛盾 制定出以改进用于电路演化过程中的进化算法为突破点 的研究方向和思路 2 研究一种改进的差分进化算法 本文提出了一1 群改进的差分进化算法 即可 变长差分进化算法 该算法充分利用了可变长算法和d e 算法的优点 在进 化过程中能够快速地同时优化电路拓扑结构和元器件参数 通过实验证髓了 v d e 算法在演化设计较大规模的电路时 与传统g a 算法相比 具有较快的 收敛速度 3 研究如何充分利用司 变长差分进化算法的性能 本文以低通滤波器为设计固 标 设置实验观察v d e 算法的搜索能力 同时分析影响v d e 算法性能晌因 素 实验结果表明 合理的选择控制参数和变异策略 可大大提高v d e 算法 的搜索能力 7 第一章绪论 1 4 2 论文的组织结构 本文共分为五个章节来阐述工作内容的 具体安排如下 第一章 绪论 首先介绍了模拟电路演化设计的研究背景和意义 然后回顾 了模拟电路演化设计研究的历史和发展概况 再着重分析模拟电路演化设计技术 中的关键技术环节 同时指出这些环节中存在的难点问题及本文的研究内容与解 决方案 第二章 模拟电路演化设计关键技术分析 模拟电路演化设计关键技术环节 包括电路编码 适应度评估和搜索算法 详细介绍了线性编码 简要介绍四种适 应度评估策略 并给出了在模拟电路演化设计中常用的静态适应度评估方法 概 述了进化算法的流程和用于模拟电路演化设计的进化算法 第三章 基于可变长差分进化算法的运算放大器设计 提出了一个可变长的 差分进化算法 利用该算法演化设计运算放大器电路 与传统g a 算法相比 具 有较高的收敛效率 通过实验证明了该算法对于解决电路演化设计问题的有效 性 第四章 可变长差分进化算法实验研究 设置实验观察了v d e 算法的收敛 速度和搜索能力 同时分析影响v d e 算法性能的因素 实验结果表明 合理的 选择控制参数和变异策略 可大大提高v d e 算法的收敛速度和最优解的质量 第五章 总结与展望 对本文的研究工作进行了总结 并对今后的工作方向 作了展望 第二章模拟电路演化设计关键技术分析 第二章模拟电路演化设计关键技术分析 模拟电路演化设计包括三个关键技术环节 电路编码 适应度评估和进化算 法 每个环节在电路演化设计过程中均占有十分重要的作用 本章的主要任务是 对这三个关键技术环节进行深入分析 寻找模拟电路演化设计研究的突破点 并 给出相应的解决方案 2 1电路编码 正确的电路编码是有效电路演化设计的基础 2 7 电路编码是电路从表现型 向基因型的映射 即将电路用其它方式进行描述 使其适合于演化算法的求解 在电路进化过程中 有效的电路编码方式应该满足以下性质 1 电路编码方式 应该适合于任何电路或至少大部分电路 表现型和基因型之间的映射速度尽可能 快 语法表示严谨 即父代是有效电路 经过遗传操作 子代仍是有效的电路 目前 有关电路编码的研究成果很多 主要总结如下 k o z a 等提出了树状结构编石 q 5 1 但是由于其电路编码不满足闭合性 初始 化或经遗传操作易产生大量的非法个体 必须使用复杂的电路合法性检查操作对 每个个体进行检查并处理 l o h n 等提出了线性编码 1 通过使用特定原语构造 电路从而避免产生非法个体 c h a n g 等将电路结构限制为串并联r l c r 电阻 l 电感 c 电容 网络结构 采用二叉树编码和g p 求解技术 2 2 c l a u d i o 等人 提出了一种模拟遗传编码方法 a g e 1 9 a g e 容许同时优化网络的拓扑结构和 规模 w a n g 等人基于双层进化的遗传规划算法 t l g p 提出了一种新的电路编码 方法 17 t l g p 算法利用分而治之的方法来演化设计模拟电路 新编码方法将 电路拓扑结构和元器件参数分开表示 独立进化 有利于产生期望的电路图 h e 等人提出了一种新颖的模拟电路实数编码方案及相应的演化模型 2 3 1 所提出 的编码方案不会产生非法个体 在适应度评估时 可以直接进行电路分析 不需 调用计算复杂度很高的s p i c e 仿真器 在分析了各种电路编码方法的优缺点和 使用局限性后 本文选择采用线性编码 而且在随后章节的基于可变长差分进化 算法的放大器或滤波器设计实验中 电路编码实际上被改进为实数线性编码 也 有利于提高电路演化设计收敛速度 下面对线性编码进行详细的介绍 线性编码是通过使用特定原语构造电路 线性编码的基本思想是 基于生长 的概念去构造所需的电路 模拟电路是由各类电子元器件连接而成 如果将每个 电路元件及其接入电路的方式视为一个基因 则电路可容易地表示成基因组 每 9 第二章模拟电路演化设计关键技术分析 个基因是用一个结构体表示 共包含三个元素 器件类型 器件值和接入电路方 式 对于大部分模拟电路 不能根据电路图直接计算出电路的输入输出特性 因 此 本文中的模拟电路的适应度评估是借助仿真软件完成的 模拟电路演化设计 过程如图2 1 所示 亡 二 f 二 习 二二 习 b 设计流程 图2 1 基于线性编码的模拟电路演化设计模型 c i r c u i t 一 篙譬 u n d e r 1 一 i c o n s t r u c t i o n fa 代 r 1 ra 呈c 业t l v e u n d e r 一 侈 j 卜1 一r 二 i f c o n s t r u c t i o n j 图2 2x m o v e t o n e w 操作 士 图2 3 x c a s t t o g r o u n d 操作 在本章中 将元件接入电路的方式分为5 种基本方式 如表2 1 所示 其中x 代表具体的元器件 如电阻 电感 电容或三极管等 m o v e t o n e w 操作是当将 一个元件接入电路中时 元件一端连接当前激活点 另一端变成当前电路新激活 点 原先的激活点消失 c a s t t o 操作时当将一个元件接入电路中时 元件一端连 接当前激活点 另一端接输入端 输出端 地等 图2 2 和2 3 分别展示了元件 m o v e t o n e w 操作和c a s t t o g r o u n d 操作 1 0 适应度计算 一 jjllllf l l li jjil 蕊穸 一 一电善一 丽基 一般仿一 一 路 黔秒 一 旧懈悯傣 i 一 点影 警一 一 哕匡 第二章模拟电路演化设计关键技术分析 表2 1 构造指令含义图 i n s t r u c t i o n o u t g o i n gn o d e a c t i v en o d e x m o v e t o n e w n e w l y c r e a t e dn o d e b e c o m e st h en e w l y c r e m e dn o d e x c a s t t o p r e v i o u sp r e v i o u sn o d eu n c h a n g e d x c a s t t o g r o u n dg r o u n dn o d eu n c h a n g e d x c a s t t o i n p u ti n p u tn o d eu n c h a n g e d x c a s t t o o u t p u to u t p u tn o d e u n c h a n g e d 上文中元件x 均是双端元件 在实际电路 如放大器 计算电路等 中存在 大量三端元器件 因此 在演化设