Расчет и проектирование СБИС. Лекции

Подождите немного. Документ загружается.

101

Поэтому выбор минимального двоичного числа на шаге 3 этапа 1 не является

обязательным. Достаточно выбрать двоичное число, удовлетворяющее другим

условиям шага 3 для того, чтобы получить МОП-схему с тем же минимальным

количеством ячеек, если только количество разрядов R в L(00...0) останется

неизменным. (Для узла верхнего уровня также нет необходимости выбирать

минимальное число в качестве метки L(ll...l) независимо от того, является

значение функции f в этом узле фиктивным или нет.)

Результатом такой свободы выбора в определении значений L(V)

является возможность составления схем различной структуры, содержащих тем

не менее минимальное количество ячеек. Среди всех получаемых таким

образом схем имеется схема, содержащая не только минимальное количество

ячеек (что является критерием оптимальности проектирования первого уровня),

но и минимальное количество связей между вентилями (критерий

оптимальности второго уровня). Обычно найти такую схему весьма непросто

ввиду слишком большого числа вариантов.

Хотя число МОП-ячеек в схеме, спроектированной в соответствии с

процедурой 4.2.1, всегда минимально (доказательство этого приведено в

приложении), при следовании этой процедуре могут возникнуть следующие

трудности: 1) количество связей между вентилями не всегда минимально; 2)

некоторые ячейки могут получиться настолько сложными, что не смогут

работать надлежащим образом (время задержки на вентиле больше

допустимого). (Как показано в разд. 4.3, сложность некоторых ячеек

представляет собой серьезную проблему для статических МОП-схем.

Несколько проще она решается в случае динамических МОП- или КМОП-схем,

что показано в разд. 4.8 и 4.9 соответственно.) Если это происходит,

приходится разбивать эти ячейки на большое количество достаточно простых

ячеек, поступаясь при этом принципом минимальности их числа. Вместе с тем,

разработав несколько вариантов схем в соответствии с этапом 3, можно

надеяться получить приемлемую схему. (Другие возможности изложены в

прим. 4.2.2.)

ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

Проектирование логических схем, разработка электрических схем и

топологии тесно связаны между собой, потому что проблемы, возникающие на

одном из этих этапов, воздействуют на другие как ограничения. Теперь, после

знакомства с проектированием логических схем рассмотрим ключевые

проблемы, имеющие отношение к этапу разработки электрических схем

Размер МОП-ячейки

Высокое и низкое напряжения на выходе МОП-ячейки, отображающие

логические величины 1 и 0 соответственно в положительной логике (или 0 и 1 в

отрицательной логике), должны достаточно отчетливо различаться по

величине. Разность между ними называется перепадом напряжения. Если

перепад напряжения будет слишком мал, следующая МОП-ячейка может

оказаться не в состоянии различить два логических значения 0 и 1 из-за

наложения помех и схема сработает неправильно. Размеры МОП-транзисторов

и, следовательно, размеры МОП-ячейки выбираются с таким расчетом, чтобы

обеспечивался достаточно большой перепад напряжения.

Величина сопротивления МОП-транзистора, когда он находится в

открытом состоянии, пропорциональна L/W, где длина канала L является

расстоянием между диффузионными областями истока и стока под затвором

транзистора, а ширина канала W представляет собой ширину тонкого слоя

диэлектрика под затвором транзистора (рис. 4.2.5). Чем больше L, тем больше

сопротивление; а чем больше W, тем оно меньше.

Рис. 4.2.5. Размеры МОП-транзистора

Рис. 4.2.6. Электрическая схема МОП-ячейки

При последовательном соединении многих транзисторов они занимают

чрезмерно большую площадь. Если последовательно соединены k

транзисторов, то площадь топологии функциональной схемы увеличивается в

раз. Допустимо параллельное размещение большого количества

транзисторов, так как при этом подобных проблем не возникает. Если k

транзисторов соединены параллельно, то площадь, занимаемая активными

транзисторами, увеличивается лишь в ~k раз

Кроме того, большая ширина канала W приводит к увеличению

перекрытия между затворами МОП-транзисторов и диффузионными

областями. Следовательно, при последовательном соединении транзисторов

величина паразитных емкостей больше, чем при параллельном. Таким образом,

даже с точки зрения быстродействия последовательное соединение в любой

ветви МОП-ячейки менее желательно. Конечно, если соединить параллельно

слишком много транзисторов, паразитная емкость на выходе схемы станет

очень большой.

Обычно число последовательно соединенных транзисторов не

превышает трех при среднем быстродействии и двух — при высоком

быстродействии. Максимально допустимое число параллельно соединенных

транзисторов равно восьми. По этой причине спроектированная в качестве

примера с использованием процедуры 4.2.1 схема (рис. 4.2.4) не может быть

применена в устройствах со средним быстродействием. Для этого необходимо

преобразовать последнюю МОП-ячейку так, чтобы она содержала меньшее

число последовательно соединенных транзисторов.

102

Быстродействие МОП-схем

Быстродействие МОП-схем сильно зависит от величины паразитной

емкости (рис. 4.2.7).

Рис. 4.2.7. а —МОП-ячейка; б —эквивалентная схема; в — заряд и г —разряд

паразитной емкости

Допустим, что выход инвертора, состоящего из нагрузочного

транзистора М

и активного транзистора М

, соединен с затвором транзистора

в следующей МОП-ячейке (рис. 4.2.7, а). Такая МОП-схема может быть

представлена эквивалентной электрической схемой (рис. 4.2.7,б) с нагрузочным

сопротивлением R

, активным сопротивлением R и паразитной емкостью С.

(Линия соединения с другой ячейкой также обладает некоторым

сопротивлением, но им можно пренебречь, если только оно не изготовлено из

поликристаллического кремния и не является слишком длинным и узким.)

Паразитная емкость С по существу включает следующие три паразитные

емкости:

— паразитную емкость диффузионных областей нагрузочного (М

) и

активного (M

) транзисторов относительно подложки (или земли). Другими

словами, это емкости С

пи

и С

пс

Для транзисторов М

и M

соответственно (рис.

4.1.7). Чем меньше эти диффузионные области, тем меньше C

Сс —паразитную емкость соединительной линии (металлического или

поликремниевого слоя) относительно подложки-(или земли). Она меньше, чем

цли С

, если только соединительный проводник не является длинным.

— паразитную емкость затвора транзистора M

относительно

подложки (или земли) (рис. 4.1.7).

При х=1 активный транзистор M

открыт, сопротивление R

относительно мало и, следовательно, выходное напряжение и равно ~0 В. При

изменении значения х от 1 до 0 транзистор М

закрывается и сопротивление R

103

104

становится бесконечно большим. При этом паразитная емкость С заряжается до

напряжения и от источника питания Е

через нагрузочное сопротивление R

Таким образом, происходит постепенное (непрерывная линия на рис, 4.2.7,в), а

не мгновенное (штриховая линия на том же рисунке) изменение напряжения и.

Чем меньше Rн или С, тем быстрее заканчивается переходный процесс (т. е.

изменение и происходит по кривой, ближе расположенной к штриховой

линии). При обратном изменении х (от 0 до 1) транзистор M

становится

проводящим, и сопротивление R становится малым (но не равным 0). При этом

паразитная емкость С разряжается через R. Поэтому и изменяется постепенно

(непрерывная линия на рис. 4.2.7,г), а не мгновенно (штриховая линия). Чем

меньше R и С, тем быстрее реакция схемы. Отметим, что переходный процесс

заканчивается в этом случае гораздо быстрее, чем на рис. 4.2.7, в, так как R

намного меньше R

Когда МОП-ячейка соединяется выходными линиями с т

транзисторами в логических элементах следующего уровня, величина С

увеличивается в т раз, а С

— пропорционально их общей длине. В МОП-

ячейках с короткими соединениями, если только нагрузочный коэффициент по

выходу не является большим, определяющую роль играет емкость С

, а в

ячейках с длинными соединениями — емкость С

. В ячейках со средним

быстродействием емкости С

, Сс и С

имеют величину одного порядка. В

МОП-ячейках с высоким быстродействием обычно превалирует величина

емкости С

, находящаяся в пределах 0,1—0,3 пФ на соединение, если только

соединительные проводники не длинные.

Если паразитная емкость велика (из-за высокого нагрузочного

коэффициента по выходу или длинных соединений), реакция схемы на

изменение входного сигнала (рис. 4.2.7, в и г) довольно продолжительная, так

что для уменьшения времени реакции необходимо уменьшить нагрузочное

сопротивление R

Это означает, что ширина канала нагрузочного транзистора

должна быть увеличена, а следовательно, для выполнения требования

большого отношения должна быть увеличена и ширина канала активного

транзистора M

- Это приводит к увеличению размеров схемы. Но увеличение

ширины канала ведет к увеличению паразитных емкостей С

пи

, С

пс

и др. (рис.

4.1.7), что уменьшит эффективность усилий по повышению быстродействия.

Если при увеличении ширины канала существенного улучшения временных

характеристик не происходит, то преодолеть эту трудность можно только

путем проектирования новой логической схемы. Таким образом, в некоторых

трудных случаях приходится повторять процессы проектирования логической,

электрической и топологической схем.

Пересечение соединений

Когда пересечение двух соединений выполняется с помощью

диффузионной области, но существу происходит добавление сопротивления

небольшой величины. Паразитная емкость также больше, чем при

использовании металлического соединения на слое диэлектрика. Таким

образом, большое количество пересечений нежелательно (хотя это не играет

роли в том случае, когда общая сумма сопротивлений одного проводника мала

по сравнению с выходным сопротивлением МОП-ячейки.

Рис. 4.2.8, Паразитный МОП-транзистор, который может быть образован

пересечением одного соединения с двумя другими:

а — вид сверху; б — поперечное

сечение

Если две диффузионные области двух соединений идут параллельно, а

третье металлическое соединение проходит перпендикулярно им по

поверхности слоя диэлектрика (рис. 4.2.8), то может возникнуть

нежелательный паразитный транзистор, часто называемый полевым.

Проводящий канал этого транзистора образуется при наличии напряжения на

металлическом соединении. Две диффузионные n

-области и канал формируют

паразитный МОП-транзистор. При определенных условиях они работают как

биполярный п — р — n-транзистор, в котором роль эмиттера и коллектора

выполняют диффузионные области, а роль базы — подложка. Учет

свойств

этих паразитных транзисторов необходим при проектировании топологии

соединений.

Распространение выделяемого тепла

Для обеспечения надежного функционирования рассеяние мощности не

должно превышать ~10 мВт на 100 мкм

кристалла, так как наличие теплового

сопротивления может привести к нагреванию кристалла до температуры,

превышающей допустимую температуру 150°С

4.3. Комплементарные МОП-структуры

105

Комплементарная МОП (КМОП)-ячейка состоит из двух частей, одна из

которых построена на n-МОП-, а другая на р-МОП-структуре, причем все

МОП-транзисторы работают в режиме обогащения. Комплементарные МОП-

структуры носят такое название потому, что n-МОП и р-МОП-части схемы

являются взаимно дополняющими. Рассмотрим структуру и функционирование

КМОП-структуры на простом примере инвертора, показанного на рис. 4.9.1. р-

канальный полевой МОП-транзистор включен между положительным

полюсом источника питания Е

и выходом схемы, а n-канальный — между

выходом схемы и отрицательным полюсом указанного источника питания Е

Отрицательный полюс источника питания, как

Рис. 4.9.1. Инвертор на основе КМОП-структуры.

правило, заземлен и таким образом Е

равно потенциалу кмоп-структуры земли.

Подложка р-МОП-транзистора обычно соединяется с Е

, что обозначается на

рисунке соединением конца стрелки с Е

. Подложка n-МОП-транзистора

обычно соединяется с Е

, что обозначается на рисунке соединением стрелки с

. В дальнейшем соединения подложек на рисунках отображаться не будут.

Вход х соединен с затворами и р-МОП-, и n-МОП-транзисторов.

Рис. 4.9.2. КМОП-ячейка, выполняющая функцию ИЛИ-НЕ.

При подаче на вход х высокого напряжения р-МОП-транзистор запирается, а n-

МОП-транзистор открывается. При подаче на вход х низкого напряжения р-

МОП-транзистор открывается, а n-МОП-транзистор запирается. Величина

высокого входного напряжения несколько ниже напряжения источника питания, а

величина низкого входного напряжения ~ 0 В.) Другими словами, когда один из

транзисторов открыт, другой закрыт. При низком уровне напряжения на входе х

(логический 0) открыт р-МОП-транзистор, n-МОП-транзистор заперт и на выходе

имеет местo высокий уровень напряжения (логическая 1), близкий к напряжению

источника питания Е

. При высоком напряжении на выходе х открыт n-МОП-

транзистор, а р-МОП-транзистор закрыт и выходное напряжение является

106

низким. Таким образом, КМОП-ячейка (рис. 4.9.1) работает как инвертор, в

котором р-МОП-транзистор играет роль переменной нагрузки.

Поскольку один из транзисторов всегда находится в закрытом состоянии,

ток от Е

к Е

через эти транзисторы отсутствует. Следовательно, если входной

сигнал не меняется, потребляемая мощность равна произведению напряжения

источника питания V (если отрицательный полюс находится на земле, то V равно

) и очень малого тока, протекающего через закрытый МОП-транзистор. (В

идеальном случае такого тока быть не должно, но в действительности он имеется

и носит название тока утечки.) Потребляемая в таком режиме мощность назы-

вается статической. Поскольку ток утечки составляет обычно несколько

наноампер при напряжении V = 5В, статическая потребляемая мощность КМОП

не превышает 10 нВт, т. е. имеет необычайно малую величину по сравнению с

другими типами ИС.

При изменении входного сигнала выходная паразитная емкость С

(включающая входные паразитные емкости последующих КМОП-ячеек) должна

зарядиться до высокого напряжения через открытый р-МОП-транзистор.

(Максимальный ток может достигать 0,3 мА.) При следующем изменении

входного сигнала накопившая электрический заряд паразитная емкость должна

разрядиться через открытый n-МОП-транзистор. Поэтому при изменениях

входного сигнала потребляется мощность, гораздо большая, чем статическая

потребляемая мощность. Эта динамическая потребляемая мощность

пропорциональна произведению

где С —паразитная емкость, V — напряжение источника питания, f — частота

изменения входного сигнала. Мощность, потребляемая КМОП-схемой, является

функцией частоты. КМОП-схемы потребляют очень малую мощность при низкой

частоте, но с ростом частоты потребление мощности может быть значительно

больше, чем у ТТЛ-схем.

Рассмотрим КМОП-ячейку, в которой р-МОП и n-МОП-схемы состоят из

нескольких МОП-транзисторов, работающих в режиме обогащения (например,

КМОП-ячейку, представленную на рис. 4.9.2). Если р-МОП-схему рассматривать

как нагрузку по аналогии с МОП-ячейками, описанными в разд. 4.1— 4.8, то

выходная функция может быть определена таким же образом, как и выше.

Определяется зависимость проводимости между выходом и землей от входных

сигналов в предположении, что МОП-транзисторы являются нормально

разомкнутыми реле. Инверсия этой зависимости и будет представлять собой

выходную функцию данной КМОП-ячейки. Так, КМОП-ячейка на рис. 4.9.2

реализует функцию

yxf ∨= .

Можно доказать, что если зависимость проводимости от входных

сигналов р-МОП-структуры любой КМОП-ячейки является

двойственной по отношению к соответствующей зависимости n-МОП-

структуры, то одна из половин ячейки (р-МОП- или n-МОП-схема) будет всегда

открыта, а другая — закрыта при любой комбинации входных сиг налов.

107

Рис. 4.9.3. Зависимость выходного напряжения от входного.

В КМОП-ячейке на рис. 4.9.2 функция проводимости р-МОП-структуры

=xy

является двойственной по отношению к функции проводимости n-МОП-

структуры g=x\/y.

КМОП-ячейка обладает необычайно высоким входным сопротивлением,

составляющим не менее 10

Ом. Это позволяет достигать высоких нагрузочных

коэффициентов по выходу без значительного увеличения статической

потребляемой мощности. Таким образом, если входной сигнал не меняется, для

КМОП не существует ограничений на нагрузочный коэффициент по выходу.

Хотя с его увеличением возрастает паразитная емкость и, следовательно,

снижается быстродействие, максимальные значения указанного коэффициента на

практике достигают 50 и более, т. е. исключительно высоких величин по

сравнению с его значениями для других типов ИС.

Помимо чрезвычайно низкой потребляемой мощности КМОП-схемы

обладают уникальным свойством независимости от флуктуации напряжения

источника питания, шумов и колебаний температуры.

Типичная зависимость между выходным и входным напряжениями КМОП-

ячейки при разных значениях температуры и напряжения источника, т.е.

передаточная характеристика, представлена на рис. 4.9.3. Кривые имеют очень

незначительные различия в широком диапазоне температур. Изменение

напряжения источника питания V приводит лишь к сдвигу кривой без

значительного изменения ее характера. При изменении V входное U

вх

и выходное

вых

напряжения меняются пропорционально, и КМОП-ячейка правильно

выполняет логические операций. Это обусловливает способность КМОП-ячеек

работать в широком диапазоне напряжений источника питания. Этот диапазон

шире, чем у других типов ИС, и КМОП-структуры широко используются в тех

случаях, когда источники питания характеризуются нестабильностью

напряжения, как, например, в автомобиле.

108

Высокая помехоустойчивость КМОП объясняется тем, что ее передаточная

характеристика имеет очень крутой перепад. Если для представления логических

величин 1 и 0 выбраны значения напряжения V и 0В соответственно, то КМОП-

ячейка сможет обеспечить выдачу на выходе правильных значений даже в том

случае, если входные напряжения сигналов в определенных пределах

искажаются из-за наличия помех. Таким образом, КМОП-структуры пригодны

для использования в условиях, характеризующихся наличием повышенного

уровня помех. Помехоустойчивость определяется как максимальное напряжение

помех, которое может воздействовать на вход без искажения сигнала на выходе,

т. е. появления 1 вместо 0 или 0 вместо 1.

К отрицательным свойствам КМОП-структур относится зависимость

величины сдвига передаточной характеристики КМОП-ячейки со многими

входами от количества входов, на которых изменилась величина сигнала.

Например, передаточная характеристика ячейки И-НЕ с двумя входами (рис.

4.9.4, а) при одновременном изменении уровней напряжения на обоих входах (1

и 2) отличается от характеристики, полученной при изменении уровня сигнала с

высокого на низкий на, входе 1 и сохранении высокого уровня на входе 2. Это

связано с тем, что в отличие от статических МОП-схем, в которых каждый

активный транзистор в открытом состоянии должен иметь

намного меньшее сопротивление, чем нагрузочный транзистор, для

обеспечения достаточно большого перепада напряжения, ни один из МОП-

транзисторов в КМОП-ячейке в открытом состоянии не обладает намного

большим сопротивлением, чем другие (поскольку либо р-МОП-, либо n-МОП-

схема является проводящей и достаточно высокий перепад напряжения может

быть получен и без высокого отношения сопротивлений). Например,

сопротивление р-МОП-схемы при изменении сигнала только на входе 1 (рис.

4.9.4, а) в два раза больше, чем ее сопротивление при изменении сигналов на

обоих входах 1 и 2. Поэтому паразитная емкость С в последнем случае

заряжается за меньшее время. С другими примерами можно ознакомиться,

обратившись к рис. 4.9.4. Описанный сдвиг передаточной характеристики на

практике ограничивает допустимое число входов КМОП-ячейки (оно должно

быть не более четырех) для обеспечения хорошей помехоустойчивости. Если

источник питания обладает хорошей стабильностью напряжения и вопрос

обеспечения высокой помехоустойчивости не вызывает особого беспокойства,

число входов в КМОП-ячейке может быть увеличено.

109

Рис 4.9.4 Схемы и передаточные характеристики при разном числе входов

элементов на КМОП-структурах: а — ячейка. И-НЕ с двумя входами; б —

ячейка ИЛИ-НЕ с двумя входами; в — ячейка И-НЕ с четырьмя входами.

110

Рис. 4.9.5. Передаточный вентиль.

Для повышения быстродействия схемы необходимо, чтобы скорость

переключения р-МОП-схемы имела такой же порядок, как и n-МОП-схема.

Поскольку подвижность электронов в ~2,5 раза выше подвижности дырок (см.

разд. 4.1), каналы р-канальных МОП-транзисторов должны быть намного шире

(обычно в 1,5—2 раза, а не в 2,5 благодаря разным уровням легирования), чем

n-канальных транзисторов, для компенсации относительно низкого

быстродействия р-канальных транзисторов, если в транзисторах обоих типов

длина канала выбрана минимальной (в КМОП-структуре минимальная длина

канала р-канального транзистора больше, чем у n-канального транзистора).

(Примеры приведены на рис. 4.9.8, в, 4,9.9, б и в.) Таким образом для

построения быстродействующих устройств ячейки И-НЕ являются более

предпочтительными, чем ИЛИ-НЕ. Это связано с тем, что ширина каналов