Расчет и проектирование СБИС. Лекции
Подождите немного. Документ загружается.
использования в БИС. При этом на одном кристалле может размещаться
несколько сотен вентилей.
Элемент ШТРЛ реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.4.1,а).
Включив коллекторы, как показано на рис, 3.4.1,б, можно выполнить
соединение «монтажное И». Время задержки составляет 25 нс, а максимальная
нагрузочная способность по выходу равна пяти для вентилей внутри кристалла.
Рис. 3.4.1.
а – электрическая схема ШТРЛ-вентиля; б – выполнение соединения «монтажное
И»
Эмиттерная функциональная логика
Эмиттерная функциональная логика (ЭФЛ), базовая схема которой
приведена на рис. 3.4.2, а, реализует только прямые значения логических
функций (рис. 3.4.2,б). Это свойство является необычным для логических типов
интегральных схем. Поскольку операция НЕ не может быть реализована с
использованием ЭФЛ, для этой цели следует использовать ИС другого типа.
Операция И выполняется путем включения многоэмиттерного транзистора на
входе вентиля. Для эмиттеров выходных транзисторов возможно соединение
«монтажное ИЛИ». (На случай многократного увеличения входного тока
добавляется транзистор, показанный на рис. 3.4.2, а штриховой линией
(практически он работает как диод), для того чтобы предохранить от
повреждения входной транзистор.)
Рис. 3.4.2. а – электрическая схема ЭФЛ-вентиля; б – логические функции, реализуемые этим
вентилем.
81
Схемы ЭФЛ имеют гораздо меньшее быстродействие, чем схемы ЭСЛ, но
потребляют и меньшую мощность. Однако комбинация ЭФЛ-схемы при
транзисторно-последовательном соединении с многоуровневой ЭСЛ-схемой
позволяет получить логическую структуру, обладающую лучшими
характеристиками (такими, как быстродействие, произведение временная
задержка — мощность и занимаемая площадь) по сравнению с обычными
ЭФЛ-схемами и транзисторно-последовательными ЭСЛ-схемами.
Интегральная инжекционная логика
Интегральную инжекционную логику (И
2
Л) называют также смешанной
транзисторной логикой (СТЛ). О ее создании в 1972 г. объявили одновременно
фирмы IBM и Philips. Она явилась первым типом логических схем, для
которого было достигнуто значительное уменьшение площади кристалла и
мощности,
потребляемой одним вентилем. И
2
Л-вентиль занимает площадь
650—1300 мкм
2
, или площадь одного обычного биполярного транзистора.
Рис 3.4.3 иллюстрирует схему И
2
Л. Дырки инжектируются из p-области
эмиттера (обозначенного как р
1
) р — n — р-транзистора, образуемого
областями р
1
, n
1
и р
2
(рис. 3.4.3, а). Дырки из зоны перехода эмиттер — база,
образуемого областями р
1
и n
1
работают как носители тока в двух других
биполярных n - р — n-транзисторах (рис. 3.4.3, а), каждый из которых состоит
из областей п
2
, р
2
и n
1
. Другими словами, токи в этих транзисторах текут через
небольшой эмиттер, называемый инжектором, тогда как в случае ТТЛ или ЭСЛ
токи текут через резисторы, которые занимают значительную площадь
кристалла. Поэтому И
2
Л-вентиль занимает необычно малую площадь по
сравнению с другими типами биполярных логических схем. Как видно из рис.
3.4.3, б, И
2
Л-вентили имеют прямоугольную форму.
Электрическая схема, соответствующая структуре на рис. 3.4.3, а и б,
представлена на рис. 3.4.3, в. На этой схеме инжекторная область p
1
,
изображенная на рис. 3.4.3, а, разделена на две области, относящиеся к двум р
— п — р-транзисторам. Обратите внимание, что инжектор р
1
пластина п
1
и база
р
2
образуют р — п — р-транзистор, а пластина п
1
, база р
2
и коллектор п
2
образуют п — р —n-транзистор. (Эта комбинация р — п—р- и п — р — n-
транзисторов показана на рис. 3.4.3, в.) Поскольку р — п — р- и n — р — n-
транзисторы объединены в одно целое структурой И
2
Л-вентиля, И
2
Л называют
также смешанной транзисторной логикой. Каждый И
2
Л-вентиль по существу
является инвертором на одном транзисторе. Логическая операция ИЛИ-НЕ
реализуется соединением «монтажное И» нескольких И
2
Л-вентилей (рис. 3.4.3,
в). Электрическую схему, приведенную на рис. 3.4.3, в, обычно изображают в
виде схемы, представленной на рис. 3.4.3, г, в которой каждый р — п — р-
транзистор, не участвующий в выполнении вентилем логической операции,
обозначен как два кольца. Выход одного И
2
Л-вентиля с помощью соединения
«монтажное И» может быть связан с выходами других таких же вентилей.
Каждый вентиль может иметь более одного коллектора, как показано на рис.
3.4.3, в и г для выхода . Следует заметить, что коллекторное питание на два
транзистора подается через другие И
2
Л-вентили, которые присоединяются к
выходам, т. е. к коллекторам этих транзисторов.
82
Рис. 3.4.3. И
2
Л-вентиль: а –– поперечный разрез; б –– вид сверху; в –– электрическая
схема;
г — общепринятое обозначение.
Логическое проектирование И
2
Л-схем облегчается, если они
интерпретируются как логические схемы на вентилях И-НЕ, а не ИЛИ-НЕ (см.
упр. 3.4.6).
83
Рис. 3.4.4. Логическая операция И-НЕ, реализуемая И
2
Л-вентилем.
Процедура 3.4.1. Проектирование логических схем на И
2
Л-вентилях
Если схему И
2
Л изобразить несколько по-иному, чем это сделано на рис.
3.4.3, г, то каждый И
2
Л-вентиль может рассматриваться как логический
элемент И-НЕ (рис. 3.4.4). Поэтому, когда задается И
2
Л-схема, показанная на
рис. 3.4.4, а, она может быть интерпретирована как логическая схема на
элементах И-НЕ (рис. 3.4.5, б). Основываясь на этом преобразовании, можно
получить И
2
Л-схему с минимальным числом И
2
Л-вентилей, для чего
необходимо выполнить следующие действия.
1. Разработать логическую схему на вентилях И-НЕ для заданной функции
f. При этом на первом этапе целью проектирования должно быть получение
схемы с минимальным числом вентилей И-НЕ, а на втором — минимального
количества соединений между вентилями.
2. Преобразовать каждый элемент И-НЕ в вентиль И
2
Л.
Рис. 3.4.5. Преобразование И
2
Л-схемы в логическую схему на вентилях И-НЕ.
Следует заметить, что в И
2
Л-схеме внешние входы обычно соединяются
«монтажным И» с входами других вентилей. (Например, изображенный на рис.
3.4.5 вход х вентиля 1 соединен посредством «монтажного И» с входом у, а
84
вход х вентиля 2 — с выходом вентиля 1.) Поэтому если операция «монтажное
И» над внешними входами недопустима, то следует добавить дополнительные
И
2
Л-вентили в качестве буферов внешних входов. Если в предшествующей
И
2
Л-схеме нагрузочная способность по выходу для внешнего входа
следующего вентиля обеспечивается отдельным коллектором
многоколлекторного транзистора (например, на схеме рис. 3.4.5 сигнал на вход
х вентиля 1 подается с одного коллектора, а на вход х вентиля 2 — с другого;
эти коллекторы составляют многоколлекторный И
2
Л-вентиль, не показанный
на рис. 3.4.5), то внешние входы этого вентиля могут свободно соединяться
«монтажным И» с другими внешними входами.
Рис. 3.4.6. Триггер D-типа: а — логическая схема на вентилях И-НЕ; б — схема на И
2
Л-
вентилях; в — топология И
2
Л-схемы.
85
Рис. 3.4.7. Топология дешифратора.
На рис. 3.4.6 представлена логическая схема D-триггера на вентилях И-НЕ,
а также соответствующие ей электрическая схема на И
2
Л-вентилях и
топология И2Л-схемы. Заметим, что две шины синхронизации С (рис. 3.4.6, б
и в) не могут быть, соединены, так как каждая из них используется в
соединении «монтажное И» с выходами разных вентилей. На рис. 3.4.7
показана конфигурация компонентов дешифратора; для упрощения
соединения на рисунке обозначены линиями.
Рис. 3.4.8. Взаимосвязь между быстродействием И
2
Л-схемы и ее топологией (плотностью
размещения вентилей).
Как можно видеть из схем рис. 3.4.6 и 3.4.7, конфигурация" инжекторов
разнообразна, хотя ею определяется быстродействие И
2
Л-схем. Рис. 3.4.8, а
иллюстрирует зависимость быстродействия И
2
Л-схемы от ее топологии. Когда
базовая область размещается перпендикулярно инжектору (случай 1), то имеет
86
место неоднородность плотности тока из-за сопротивления слоя базы внутри
каждого п — р — n-транзистора. В результате временная задержка для разных
коллекторов будет разная (быстродействие будет меньше для К
3
, чем для K
1
из-
за меньшего тока — см. рис. 3.4.8,б). Топология, при которой область базы
параллельна инжектору (случай 3), обеспечивает минимальную временную
задержку для всех коллекторов, но при этом уменьшается плотность
компоновки элементов, потому что в этом случае инжекторы должны
размещаться на кристалле более плотно.
Поскольку И
2
Л-вентили размещаются на кристалле в виде структур
прямоугольной формы, увеличивать плотность компоновки И
2
Л-вентилей
относительно просто по сравнению с другими типами логических схем (в
частности, МОП), топология которых выглядит как узор головоломки из
фрагментов произвольной формы.
Рис. 3.4.9. Сравнение вентилей различных типов по площади, занимаемой на кристалле.
[Перепечатано из Electronics, p. 85 (Feb. 6, 1975). Copyright ©McGraw-Hill, Inc., 1975. All
rights reserved.]
В каждой структуре имеется четыре входа или выхода. Все размеры даны в микрометрах. В
новой технологии КМОП вместо используемого здесь металлического затвора применяют
кремниевый затвор.
На рис. 3.4.9 приводится сравнение вентилей различных типов
(производимых по технологическим методам, которым отдавалось наибольшее
предпочтение в 1975 г.) по площади, занимаемой ими на кристалле ИС. Хотя
малая площадь, занимаемая вентилем на кристалле, и является очень
желательной, это еще не гарантирует малой площади кристалла, на котором
размещается схема заданной логической функции. И
2
Л-вентиль, занимая на
кристалле небольшую площадь, имеет относительно низкие логические
87
возможности, потому что может реализовать только логическую операцию И-
НЕ. Довольно часто другие типы логических схем могут позволить разместить
схему, реализующую логическую функцию, на кристалле меньшей площади,
чем при использовании И
2
Л-логики, хотя для размещения каждого вентиля и
может потребоваться большая площадь, чем для И
2
Л-вентиля. Это связано с
тем, что каждый вентиль имеет большие логические возможности, чем И
2
Л-
вентиль.
Рис. 3.4.10. Произведение временная задержка — мощность для различных типов
логических схем [937].
Другие особенности схем И2Л
Временная задержка для И
2
Л-вентиля равна не менее 10 нс при мощности
рассеяния 50 мкВт. Произведение временная задержка — мощность для И
2
Л-
вентиля в лабораторных условиях составляет 0,1 пДж, тогда как для ЭСЛ- и
ТТЛ-вентилей оно, как правило, не менее 10 пДж. На рис. 3.4.10 приводится
сравнение этого параметра для различных типов логических схем. В табл. 3.4.1
типичный И
2
Л-вентиль сравнивается с маломощным ТТЛ-вентилем с
транзисторами Шоттки (МШТТЛ) и вентилем интегральной логики с диодами
Шоттки (ИЛШ) (см. прим. 3.4.2).
Таблица 3.4.1. Сравнение И
2
Л с другими типами
логических ИС
Параметр
МШТТЛ И
2
Л ИЛШ
88
Быстродействие, нс
Мощность, мВт
Произведение
«временная задержка —
мощность», пДж
9,5
2
19
15
0,25
3,75
3,5
0,25
0,88
Рис. 3.4.11. Размещение элемента И
2
Л и биполярного транзистора на одном кристалле.
Еще одной особенностью схемы И
2
Л является ее совместимость в одном и
том же кристалле с элементами биполярных логических схем других типов.
При этом для того, чтобы разместить в кристалле с И
2
Л-схемой обычные
биполярные транзисторы (см. рис. 3.4.11), требуется семь масок, в то время как
для самой И
2
Л-схемы необходимы четыре или пять масок. Таким образом, для
получения высокого быстродействия или большой мощности на выходе схему
И
2
Л можно комбинировать с биполярными логическими схемами других типов,
такими, как ЭСЛ, ТТЛ или ЭФЛ. Поэтому И
2
Л пригодна как для реализации
ИС, имеющих малое быстродействие и высокую плотность размещения
компонентов, так и для реализации ИС, имеющих высокое быстродействие и
малую плотность размещения компонентов. Кроме того, схема И
2
Л может быть
скомбинирована с аналоговыми и линейными электрическими схемами, что
делает ее полезной для многих приложений.
Примечание. Рабочие характеристики И
2
Л-схем могут быть улучшены при
использовании изопланарной технологии. Фирма Fairchild называет такую технологию
«Изопланар И
2
Л» или «И
3
Л» [225].
При использовании диодов Шоттки характеристики И
2
Л-схем также улучшаются. Таким
улучшением И
2
Л является интегральная логика с диодами Шоттки (ИЛШ), используемая
фирмой Philips. Электрическая схема и поперечный разрез ИЛШ-вентиля приводятся на рис.
3.4.12.
89
Рис. 3.4.12. а — электрическая схема ИЛШ-вентиля; б —поперечный разрез.
Время задержки вентиля лежит в пределах 2—4 нс. Оно в два раза превышает время
задержки вентиля маломощной ТТЛ и в четыре раза меньше времени задержки И
2
Л-вентиля.
Поэтому ИЛШ как бы заполняет разрыв между И
2
Л (характеризуемой высокой плотностью
размещения вентилей в кристалле, невысоким быстродействием и малым потреблением
мощности) и маломощной ТТЛ (отличающейся высоким быстродействием, небольшой
плотностью размещения вентилей и большой потребляемой мощностью). ИЛШ отличается
от логики на транзисторах Шоттки, описанной Бергером и Виедманном из фирмы IBM и от
логики, предложенной Шёнеманном и Виедманном в 1973 г., тем, что в них отсутствуют
транзисторы Т
2
—Т
3
. Вследствие сложной структуры для размещения ИЛШ-вентиля
требуется площадь на 20% больше, чем для И
2
Л-вентиля. При этом источник тока должен
присоединяться к входному электроду в отличие от И
2
Л-вентиля, в котором роль источника
тока выполняет инжектор.
Логика на транзисторах Шоттки (ЛТШ) имеет время задержки менее 500 пс/вентиль и
произведение временная задержка — мощность менее 50 фДж (фемтоджоулей).
Статическая индукционная транзисторная логика (СИТЛ) также представляет собой
разновидность логики с диодами Шоттки и имеет хорошие характеристики.
Другие типы логических ИС
Разработано множество вариантов и разновидностей логических схем.
Примерами таких логических семейств является комплементарная
транзисторная логика и низкопотенциальная инвертирующая логика. Для
90