Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1. Введение 10
1.2 Анализ эксплуатационных требований и выбор базовой технологии создания специализированных АЦ БМК . 14
1.3 Анализ архитектур и схемно-конструктивных решений АЦ БМК 19
1.4 Исследование архитектур реконфигурируемых и программируемых аналоговых матричных структур 26
1.5 Исследование методов реализации МЭУ на основе АЦ БМК. 32
1.6. Исследование методов топологической "персонализации" АЦ БМК. 35
1.7 Анализ методов межкомпонентного согласования уровней аналоговых сигналов. 38
1.8 Выводы 41
1.9 Постановка задачи 42
Глава 2. Архитектурные методы расширения функциональных возможностей аналого-цифровых БМК 43
2.1 Метод формирования состава АЦ БМК с блочной архитектурой на основе анализа комплексных функций МЭУ 43
2.2 Разработка МЭУ на основе АЦ БМК с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов 51
2.3 Разработка конструктивных методов снижения числа слоев "персонализации" матричных СБИС 54
2.4 Маршрут построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства 62
2.5 Выводы 64
Глава 3. Исследование и разработка универсальной реконфигурируемой аналоговой базовой ячейки АЦ БМК 65
3.1 Алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки матричных кристаллов 65
3.2 Разработка реконфигурируемой аналоговой ячейки и метод построения электрически реконфигурируемых матричных СБИС 74
3.3 Расчет и оценка эффективности использования состава предложенной реконфигурируемой аналоговой ячейки 79
3.4 Выводы 84
Глава 4. Схемотехнические методы расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК . 85
4.1 Метод преобразования сигналов на основе стекового соединения КМОП КНИ транзисторов 85
4.2. Разработка схем аналоговых базовых элементов для межкомпонентного согласования сигналов 90
4.3. Разработка схем цифровых базовых элементов для межкомпонентного согласования сигналов 98
4.4. Разработка универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода АЦ БМК и результаты экспериментальных исследований 104
4.5. Выводы 107
Глава 5. Практическое применение результатов в разработке микросхем аналого-цифровых БМК и МЭУ на их основе . 108
5.1. Разработка микросхем АЦ БМК с расширенными функциональными возможностями 108
5.1.1 Разработка КМОП КНС АЦ БМК с блочной архитектурой. 109
5.1.2. Разработка КМОП КНИ АЦ БМК высокой степени интеграции .111
5.2. Реализация аналого-цифровых МЭУ различного функционального назначения на основе АЦ БМК. 116
5.3. Выводы 127
Заключение 128
Литература 131
Приложения 139
- Анализ эксплуатационных требований и выбор базовой технологии создания специализированных АЦ БМК
- Разработка МЭУ на основе АЦ БМК с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов
- Разработка реконфигурируемой аналоговой ячейки и метод построения электрически реконфигурируемых матричных СБИС
- Разработка универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода АЦ БМК и результаты экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность работы. По назначению радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) подразделяют на гражданскую (коммерческую аппаратуру широкого применения), военную и аппаратуру специального назначения. При этом, аппаратура двойного и специального назначения является многочисленной группой ввиду обширной области применения и узкой направленности решаемых задач. Она предназначена для работы в тяжелых условиях эксплуатации с предъявлением жестких требований по надежности и стойкости к воздействию внешних факторов.
В настоящее время активно осуществляется модернизация существующих и создание новых образцов аппаратуры данного класса. Основой модернизации является замена используемых функциональных узлов, выполненных на микросхемах малой степени интеграции, на современные аналоговые и аналого-цифровые СБИС. Согласование впервые вводимых в эксплуатацию субмикронных ИС с уже используемой электронной компонентной базой (ЭКБ) вызывает множество проблем, прежде всего связанных с разным напряжением питания микросхем и уровнями сигналов.
Микроэлектронные устройства (МЭУ) аппаратуры
специального назначения различны по своей функциональности, электрическим параметрам, и, в большинстве своем, являются мелкосерийными изделиями (годовая потребность в отдельных СБИС может исчисляться десятками или даже единицами штук). Эти факторы оказывают влияние на сложность и длительность разработки, производства и испытаний каждого МЭУ, что определяет высокую конечную стоимость таких СБИС.
Для существенного сокращения сроков модернизации
аппаратуры, сложности и стоимости такой модернизации, а также с
целью обеспечения повторной пригодности разработанных
функциональных блоков (ФБ), необходимо использовать
полузаказное проектирование.
При этом наиболее эффективным направлением разработки
полузаказных ИС для аппаратуры специального назначения
является применение базовых матричных кристаллов (БМК). Это
обусловлено тем, что при создании БМК изготавливаются тестовые
микросхемы, подвергаемые всем видам квалификационных
испытаний с последующим выпуском групповых технических условий (ТУ), что значительно упрощает процесс аттестации СБИС, разрабатываемых на их основе. Этот фактор значительно
сокращает стоимость и сроки производства МЭУ, особенно в условиях их мелкосерийности.
Аналого-цифровые БМК (АЦ БМК) расширяют
возможности по применению методов цифровой обработки сигналов при модернизации аналоговых МЭУ, позволяя усложнять их функционал, и разрабатывать сложные аналого-цифровые устройства в однокристальном исполнении.
Разработка отечественных микросхем аналого-цифровых БМК является особенно актуальной, ввиду специфики применения аппаратуры и с учетом того, что использование импортной элементной базы затруднено или невозможно.
Эксплуатационные требования аппаратуры специального
назначения сужают возможность выбора технологического базиса.
Выполнение условий по стойкости к внешним факторам
обеспечивается преимущественно за счет использования
технологий "кремний на изоляторе" (КНИ). Область применения и
условия эксплуатации микросхем предъявляют дополнительные
требования к конструкции и составу БМК. Разработка базовых
кристаллов для использования в аппаратуре специального
назначения, расширение их функциональных возможностей и
улучшение технико-экономических характеристик, требуют
развития методов проектирования БМК.
Таким образом, разработка аналого-цифровых БМК с расширенными функциональными возможностями и развитие методов их проектирования, является актуальной и значимой задачей. В работе исследуются архитектурные и схемотехнические методы, позволяющие решить эту задачу.
Цель диссертационной работы состоит в разработке
аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными
функциональными возможностями и развитии методов их проектирования.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
На основе анализа комплексных (сложных) функций МЭУ предложить конструктивное исполнение и состав АЦ БМК, позволяющие расширить его функциональные возможности в части увеличения диапазона обрабатываемых сигналов и расширения функций реализуемых устройств.
-
C учетом требований по согласованию многоуровневых напряжений питания и/или входных/выходных сигналов разработать маршрут реализации МЭУ на основе АЦ БМК,
дополняющий стандартный маршрут проектирования матричных СБИС.
-
Разработать алгоритм синтеза универсальной аналоговой реконфигурируемой ячейки АЦ БМК на основе методов морфологического синтеза и способы ее применения в матричных и программируемых СБИС. Определить критерии для оценки ее собственной эффективности.
-
Разработать метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, позволяющий обеспечивать согласование уровней сигналов при интеграции СБИС на основе БМК в аппаратуру. Реализовать предложенный метод в виде функциональных элементов АЦ БМК.
-
С учетом предложенных методов, алгоритмов, конструкций и схем провести разработку схемно-конструктивного исполнения микросхемы аналого-цифрового БМК.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
На основе анализа существующих архитектур и схемно-конструктивных решений аналого-цифровых БМК выявлены факторы, ограничивающие их применение для модернизации аппаратуры специального назначения, и предложена модификация комплексной функции МЭУ, позволяющая учитывать особенности блочных архитектур БМК и требования по межкомпонентному согласованию сигналов.
-
На основе анализа типовых микроэлектронных устройств и блочных архитектур БМК установлен набор основных комплексных и элементарных функций МЭУ, и предложены метод формирования состава базового матричного кристалла и соответствующий маршрут проектирования МЭУ на его основе, позволяющие учитывать требования по межкомпонентному согласованию сигналов.
-
Предложен алгоритм синтеза реконфигурируемой аналоговой ячейки аналого-цифровых БМК, основанный на применении методов морфологического синтеза и структурной оптимизации, который позволяет минимизировать число составных компонентов ячейки.
4. Предложен метод расширения диапазонов питающих и
сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на
применении принципа стекового соединения КНИ КМОП
транзисторов, для построения и включения в состав БМК
функциональных элементов, обеспечивающих межкомпонентное
согласование сигналов в аппаратуре.
Практическая ценность работы.
-
Построение комплексной функции микроэлектронного устройства для проектирования на основе АЦ БМК с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов позволяет определять состав АЦ БМК и дополнительные компоненты, требующие разработки в виде функциональных элементов или блоков.
-
Метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК позволяет проектировать высоковольтные аналоговые и цифровые устройства в рамках стандартного субмикронного процесса без введения дополнительных технологических операций.
-
На основе предложенного метода разработан схемотехнический базис для межкомпонентного согласования сигналов в виде библиотечных функциональных элементов АЦ БМК, позволяющих реализовывать МЭУ с расширенными диапазонами напряжений питания и/или входных/выходных сигналов. Разработана конструкция и электрическая схема универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода, реализующая функцию преобразования сигналов.
-
На основе исследованных методов снижения числа слоев "персонализации" матричных СБИС разработаны рекомендации для построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства.
-
На основе анализа типовых схем ОУ и компараторов в соответствии с предложенным алгоритмом синтеза разработана конструкция и электрическая схема реконфигурируемой аналоговой ячейки АЦ БМК. Она позволяет сконфигурировать семь типовых схем сравнения и усиления, и предназначена для применения в АЦ БМК и/или программируемых ИС.
-
Результаты работы внедрены в процессе разработки и производства ряда микросхем КНИ (КНС) аналого-цифровых БМК, в части разработки конструкции микросхем, состава и электрических схем встроенных функциональных блоков и библиотечных элементов.
-
На основе разработанных микросхем АЦ БМК изготовлен ряд СБИС аналого-цифровых МЭУ с использованием предложенного маршрута проектирования с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов.
Внедрение. Результаты работы внедрены при разработке и освоении в производстве микросхем аналого-цифровых БМК
К1451БК1У, 5400БК1Т и 5400БК2У и др., что подтверждено актами о внедрении.
На защиту выносятся:
-
Маршрут проектирования МЭУ на основе аналого-цифрового БМК, позволяющий учитывать требования по межкомпонентному согласованию сигналов.
-
Алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки АЦ БМК, основанный на применении методов морфологического синтеза и структурной оптимизации, позволяющий минимизировать число составных компонентов ячейки.
-
Метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на принципе стекового соединения КНИ КМОП транзисторов.
-
Конструкция аналого-цифрового базового матричного кристалла и результаты реализации МЭУ на его основе.
Апробация работы. Основные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на
Всероссийских научно-технических конференциях
«Микроэлектроника и информатика» (г. Зеленоград, 2009, 2010,
2011, 2012, 2013 гг.), на Всероссийской конференции
"Радиационная стойкость электронных систем — СТОЙКОСТЬ-2011" (г. Лыткарино, 2011 г.), международной научно-технической конференции «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы» (г. Москва, 2010 г) и других.
Публикации. Результаты диссертационной работы
опубликованы в 11 печатных работах, из которых 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, и 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях. Получено 6 свидетельств о государственной регистрации топологии ИМС.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы, и списка используемой литературы из 87 наименований. Диссертация изложена на 139 листах основного текста, содержит 66 рисунков и 13 таблиц к основному тексту.
Анализ эксплуатационных требований и выбор базовой технологии создания специализированных АЦ БМК
Аппаратура двойного и специального назначения при эксплуатации часто подвергается воздействию внешних факторов среды. Согласно ГОСТ [6], под внешними воздействующими факторами (ВВФ) понимают явление, процесс или среду, внешние по отношению к изделию или его составным частям, которые могут вызвать ограничение или потерю работоспособности изделия в процессе эксплуатации.
При этом к аппаратуре предъявляются требования по широкому спектру параметров. Стойкость к некоторым из них (сейсмический удар, синусоидальная вибрация, стойкость к агрессивным средам, и т. д.) определяется свойствами используемых материалов, конструктивным исполнением самой аппаратуры и корпусами микросхем.
В работе проанализированы требования по стойкости к двум факторам, обеспечение стойкости к которым непосредственно зависит от конструкции и технологии изготовления СБИС. Это температурные воздействия и воздействия ионизирующего излучения.
Анализ требований к аппаратуре специального назначения по температурной стойкости показал, что для реализации на основе АЦ БМК наиболее широкого спектра СБИС, необходимо обеспечить их функционирование в диапазоне рабочих и предельных температур от -150 до +125 градусов Цельсия. Вторым ключевым фактором является воздействие ионизирующего излучения, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков [7, 8]. Доминирующие механизмы отказов КМОП ИС при воздействии ионизирующего излучения связаны с поверхностными (дозовыми) ионизационными эффектами в МОП-структурах [9,10]. При облучении в окисле происходит генерация электронно-дырочных пар и их первичная рекомбинация [11]. Таким образом, в подзатворном окисле происходит накопление положительного заряда, а на границе раздела Si\SiO2 возникают дополнительные уровни поверхностных состояний (ПС). Захват носителей заряда в объеме диэлектрика и на уровне ПС вызывает сдвиг пороговых напряжений и изменение крутизны МОП-транзистора.
Обобщение литературных данных показывает, что основными эффектами воздействия излучения на КМОП СБИС являются:
– образование ионизационных токов p-n переходов;
– отпирание паразитных диодных структур, накопление и релаксация зарядов в неподключенной подзатворной области;
– кратковременное уменьшение напряжений питания элементов за счет протекания ионизационных токов по шинам питания и общей;
– ионизация диэлектрических областей и образование токов утечки;
– тепловой вторичный пробой и пережег шин металлизации в следствии протекания ионизационных токов при предельных уровнях излучения.
Таким образом, для возможности реализации на основе АЦ БМК наиболее широкого спектра СБИС аппаратуры специального назначения, необходимо обеспечить его стойкость к ионизирующему излучению и функционирование в расширенном температурном диапазоне.
Методы улучшения эксплуатационных характеристик СБИС В ходе литературного анализа выделены и систематизированы основные методы повышения стойкости СБИС к ВВФ на различных уровнях проектирования. Анализ литературы [12-16] показывает, что повышение стойкости к ионизирующему излучению возможно с помощью различных конструктивно-технологических методов:
1. снижение толщины подзатворного окисла кремния; 2. применение технологии КНИ/КНС;
3. имплантация скрытого оксида ионами различных элементов;
4. радиационно-термическая отбраковка (РТО);
5. использование альтернативных материалов затвора;
6. лазерный отжиг;
7. замена традиционного окисла кремния другими диэлектриками.
В работе были рассмотрены и систематизированы конструктивно схемотехнические способы снижения радиационной чувствительности МОП ИМС:
1. использование резервирующих систем [11];
2. оптимизация смещения МОП транзисторов [17];
3. схемотехническая компенсация радиационного сдвига порогового напряжения;
4. введение дополнительных структур задержек [11];
5. введение методов цифровой коррекции [11]. Применение специальных приемов проектирования топологии МОП
ИМС также способствует повышению их радиационной стойкости.
Комплексное применение указанных методов при проектировании МЭУ, входящих в состав специализированной аппаратуры, позволяет обеспечивать требования по стойкости к ВВФ.
Выбор базовой технологии создания специализированных АЦ БМК. Применение большинства стандартных методов улучшения эксплуатационных характеристик при разработке СБИС ограничено спецификой матричной структуры БМК.
Использование специализированных топологических приемов затруднено вследствие ограничения возможностей согласования отдельных узлов схемы. Это связано с дискретностью набора компонентов, фиксированностью их геометрического расположения, и использованием для трассировки фиксированного числа слоев металлизации. Использование различных схемотехнических приемов также
ограниченно дискретностью набора компонентов. На схемотехническом уровне проектирования актуальными остаются архитектурные методы: использование резервирующих систем, изменение структуры сигналов, проверка бит четности, методы цифровой коррекции и т.д.
Таким образом, видно, что при разработке матричных СБИС наиболее эффективными являются технологические методы повышения стойкости к ВВФ. Анализируя существующие технологии производства ИС, очевидно, что наиболее подходящими являются технологии "кремний на изоляторе" (КНИ, SOI (англ.)) и "кремний на сапфире" (КНС, SOS (англ.)).
Подложка, выполненная по технологии КНИ, представляет собой трёхслойную структуру, которая состоит из монолитной кремниевой пластины, диэлектрика, и размещённого на нём тонкого поверхностного слоя кремния (рис. 1.1).
Разработка МЭУ на основе АЦ БМК с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов
Согласно предложенной формуле (2.8) для построения АЦ МЭУ с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов необходимо разработать набор специализированных элементов uj. Схемно конструктивные решения таких элементов должны позволять реализовывать элементарные функции преобразования (согласования) сигналов. В работе предлагается метод реализации таких функций , состоящий из двух подходов (рис.2.2). Первый заключается в разработке специализированных конструкций всех "высоковольтных" блоков, т.е. составных узлов МЭУ, сигналы которых превышают стандартный диапазон питающих или сигнальных напряжений. При этом обеспечивается их согласование с "низковольтными" блоками (стандартными элементами). В этом случае на основе БМК проектируется ИС, в состав которой входит n-ое количество специализированных блоков, разрабатываемых согласно требуемому техническому заданию, а преобразование "высоковольтных" сигналов в номинальные и обратно может осуществляться многократно в зависимости от функции устройства. Описанный подход иллюстрируется на рис.2.2а. Для описанной реализации необходимо разработать базовые библиотечные элементы АЦ БМК с изменяемой конфигурацией и/или параметрами при необходимости. Второй предлагаемый подход заключается в реализации всех узлов схемы на основе стандартных библиотечных элементов АЦ БМК без усложнения их конструкций. При этом, согласование с внешними "высоковольтными" сигналами осуществляется преобразователями уровней на основе универсальной ячейки ввода/вывода, то есть: СМ где: - элементарная функция преобразования (согласования) уровней сигналов, реализуемая ячейкой ввода/вывода. Таким образом, разработка ячейки ввода/вывода позволит реализовать "высоковольтные" устройства на основе стандартных субмикронных блоков без усложнения их конструкций, а требования к согласованию стандартных и "высоковольтных" сигналов предъявляются только к ячейкам ввода/вывода.
Следуя предложенным двум подходам, в работе разработаны базовые схемно-конструктивные решения функций обработки сигналов для произвольного применения (для ядра БМК) и схемно-конструктивные решения стандартизованной ячейки ввода/вывода (для периферии БМК). Подробная техническая реализация предложена и описана в главе 4. С учетом предложенных методов и модифицированного представления комплексной функции специализированных устройств в работе предложен маршрут проектирования МЭУ на основе АЦ БМК, дополняющая стандартный маршрут проектирования матричных СБИС, и учитывающий требования по межкомпонентному согласованию сигналов. Блок-схема разработанного маршрута представлена на рис. 2.3.
Для использования предложенных методов и подходов стандартному маршруту полузаказного проектирования должны предшествовать этапы определения необходимости согласования уровней сигналов, выбора подхода к реализации такого согласования и при необходимости разработки специализированных схемных решений.
Разработка конструктивных методов снижения числа слоев "персонализации" матричных СБИС
Предложенный состав АЦ БМК, сформированный на основе анализа КФ МЭУ, расширяет функциональные возможности базовых кристаллов за счет определения необходимого набора СФ-блоков и решения задачи по межкомпонентному согласованию сигналов. Введение в состав БМК предложенных СФ-блоков и элементов для межкомпонентного согласования сигналов требует проработки архитектурных и конструктивных способов их технической реализации. С целью дальнейшего расширения функциональных возможностей АЦ БМК предлагается использовать дополнительные архитектурные методы повышения эффективности использования базового кристалла. Предложения основаны на проведенном исследовании возможных к построению простейших аналоговых конструкций с использованием аналоговых транзисторов, и возможных к построению логических ФЭ на базе одной цифровой ячейки. На основании результатов исследования определено требуемое для этого минимальное количество транзисторов и межкомпонентных соединений и предложены методы построения топологии с уменьшенным числом слоев "персонализации" матричных СБИС. Построение топологии цифровых блоков аналого-цифрового БМК с использованием 1 слоя "персонализации". На рис.2.4 представлена структурная схема типовой базовой цифровой ячейки БМК, состоящей из 4-х КНИ транзисторов A-типа, каждый из которых имеет 3 терминала (сток, исток, затвор). Тело транзистора имеет "жесткий" контакт с истоком. Рис.2.4 Структурная схема базовой цифровой ячейки КНИ БМК. В таблице 2.2 приведены результаты исследования возможных к построению на базе одной цифровой ячейки логических ФЭ и рассчитаны требуемые для этого коммутационные соединения. Реализуемые в рамках одной базовой ячейки ФЭ представляют собой полной функциональный базис, а значит являются достаточными для синтеза любой цифровой схемы.
Разработка реконфигурируемой аналоговой ячейки и метод построения электрически реконфигурируемых матричных СБИС
Для разработки электрической схемы реконфигурируемой аналоговой ячейки проведено схемотехническое проектирование 4-х основных компонентов, полученных в ходе проведения морфологического синтеза компонентного состава ячейки.
Электрические схемы компонентов: токовой обратной связи (ТОС) и усилительного каскада представлены выше на рис.3.8в и 3.10 соответственно. На рисунке 3.12 представлены разработанные электрические схемы
а) остальных компонентов. Все четыре основных компонента суммарно содержат одиннадцать коммутационных элементов.
б) Рис.3.12. Схемы реконфигурируемых компонентов аналоговой ячейки: а) блок принятия решения для стробируемых компараторов; б) цифрового выходного буфера с возможностью запоминания сигналов. Разработанные схемы дополнены 12-тью коммутационными элементами, что позволило спроектировать конструкцию РА-ячейки (рис.3.13).
Для снижения потребления мощности в случае неиспользования ячейки предусмотрен режим энергосбережения (англ., Shut Down). Состояния элементов межсоединений при каждой из конфигураций представлены в таблице 3.1. В таблице 3.1 состояние "1" - обозначает наличие контакта для однонаправленных КЭ межсоединений, «0» - отсутствие. Для двунаправленных КЭ межсоединений- состояние "1" обозначает наличие контакта в первом направлении, "0" – во втором. Состояние "x" обозначает отсутствие необходимости однозначного определения состояния межсоединения. Таким образом, в случае использования ключей для реконфигурирования (электрического) ячейки, при реализации любой одной из семи конфигураций РА-ячейки достаточно иметь 3-х битный управляющий код. На основе разработанной конструкции универсальной аналоговой ячейки предлагается метод построения электрически реконфигурируемых аналого-цифровых (ЭРАЦ) БМК в виде набора электрически реконфигурируемых аналоговых ячеек с обеспечением коммутации их друг с другом и выводами СБИС. Электрически реконфигурируемую аналоговую (ЭРА) ячейку предлагается разработать в виде многополюсника с жестко заданными входами/выходами и программируемыми внутренними связями с помощью сдвигового регистра (рис.3.14). ЭРА ячейка реализуется на основе разработанной РА-ячейки с добавлением дискретного набора пассивных элементов и ключей. Конструкция может быть эффективно использована в составе ЭРАЦ БМК или ПАИС различных типов. Предлагаемая ячейка позволяет реконфигурировать на своей основе функциональные элементы с расширенным набором типовых режимов включения.
Рис.3.14. Структурная схема реконфигурируемой базовой ячейки ЭРАЦ БМК. Основные возможные реализации аналоговых ФЭ на базе ячейки представлены в виде диаграммы на рис.3.15. На рис. 3.16 представлена разработанная структурная схема электрически реконфигурируемой аналоговой ячейки. Оценку эффективности синтеза структуры РА-ячейки предлагается проводить на основе расчета собственной эффективности использования компонентов и коммутационных элементов РА -ячейки [77]. Для расчета относительного коэффициента использования основных компонентов ячейки при реализации всех возможных ФЭ предлагается использовать выражение: , (3.1) где:
- относительный коэффициент использования основных компонентов РА -ячейки при конфигурации i-ого ФЭ;
- суммарное количество основных компонентов A в составе ячейки (для разработанной ячейки сумма равна четырем);
- суммарное количество компонентов A ячейки, задействованное для реализации i-ого ФЭ сравнения или усиления.
В общем случае, реконфигурирование ячейки во все возможные ФЭ может осуществляться разными коммутационными элементами (ключ, пережегаемая перемычка и т.д.). При оценке относительного коэффициента использования основных компонентов коммутационные элементы не учитываются. Для разработанной РА-ячейки в качестве основных компонентов рассматриваются только составные блоки (СРС, ТОС и т.д.).
В качестве критерия оценки эффективности использования
коммутационного пространства РА -ячейки предлагается выражение для относительного коэффициенты использования КЭ при реализации всех возможных ФЭ: , (3.2) где:
- относительный коэффициент использования КЭ РА-ячейки при конфигурации i-ого ФЭ;
- суммарное количество КЭ в составе РА-ячейки;
- суммарное количество КЭ в составе РА-ячейки, задействованное при реализации i-го ФЭ сравнения или усиления.
В таблице 3.2 приведены рассчитанные значения относительных коэффициентов использования основных компонентов и коммутационных элементов.
Разработка универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода АЦ БМК и результаты экспериментальных исследований
На основе описанных выше методов и предложенных схем разработана конструкция универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода. Указанная ячейка разработана с условием, что максимальное напряжение на ее контактной площадке не будет превышать утроенного значения предельного рабочего напряжения для выбранной низковольтной субмикронной КНИ/КНС технологии. В качестве примера в работе разработана ячейка для номинального напряжения питания 3,3В с предельным рабочим напряжением 3,7 В. Ячейка разработана в виде реконфигурируемого IP-блока для включения в состав АЦ БМК и использования при проектировании МЭУ с расширенным диапазоном входных/выходных или питающих напряжений. Указанный IP-блок обеспечивает интерфейс ядра базового матричного кристалла с напряжением питания Vdd с внешними сигналами, размах которых может достигать 3Vdd.
Ячейка состоит из контактной площадки, окружающих ее групп комплементарных транзисторов n- и p- типа, групп согласованных резисторов, конденсаторов и диодов. Ячейка может быть одинаковым образом использована для ввода/ вывода как цифровых, так и аналоговых сигналов.
При реализации МЭУ на основе АЦ БМК элементы ячейки реконфигурируются с помощью слоев "персонализации" в схемы входных или выходных буферов, предложенных в работе выше. Таким образом обеспечивается реконфигурация следующего набора схем:
1. резистивный делитель для понижения входного аналогового сигнала с произвольным коэффициентом масштабирования;
2. предложенная схема повышающего преобразователя аналогового сигнала (рис.4.6);
3. резистивный делитель и входной буфер (парное число последовательно соединенных инверторов) для понижения входного цифрового сигнала;
4. предложенная схема выходного буфера цифровых сигналов для преобразования высокого логического уровня из Vdd в 2Vdd (рис.4.11);
5. предложенная схема выходного буфера цифровых сигналов для преобразования высокого логического уровня из Vdd в 3Vdd (рис.4.13);
6. номинальный режим работы ячейки в диапазоне напряжений от 0 до Vdd (в этом случае стековые конструкции не используются).
На рис.4.16 представлена топологическая конструкция универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода АЦ БМК.
Для ячейки также разработаны элементы электростатической защиты, которые в зависимости от требований к уровням сигналов могут работать в нескольких диапазонах напряжений: в номинальном режиме — от 0 до Vdd, и в высоковольтном режиме — диапазон от 0 до 2Vdd или от 0 до 3Vdd.
Исследование характеристик схем на основе ячейки было проведено на основе тестовых структур и экспериментальных образцов АЦ БМК, изготовленных по КМОП КНИ технологическому процессу с проектными нормами 0,24 мкм с номинальным напряжением питания 3,3В.
Экспериментальный образец содержит ячейку, реконфигурированную в повышающий преобразователь цифрового сигнала и тестовую схему, на входе которой установлен резистивный делитель 2:1 (для уменьшения входного напряжения в 3 раза), сигнал с которого поступает на вход схемы повышающего (в 3 раза) преобразователя уровня. Таким образом тестовая схема, реализованная по КНИ технологии с номинальным питанием 3,3В позволяет повторять внешний цифровой сигнал в диапазоне от 0 до 9,9В.
На рис. 4.17 представлена осциллограмма работы экспериментальных образцов повышающего преобразователя цифрового сигнала, сконфигурированного на основе ячейки. Для представленного образца Uвх = 0 ... 9В, Uпит.=9В, Uвых = 0 ... 9В. сигнала.
Как видно из осциллограммы, предложенные схемы полностью работоспособны и экспериментально аттестованы, что делает их пригодными к использованию, а разработанную ячейку – к включению в состав АЦ БМК.
Проведённые исследования и разработка на базе КМОП КНИ/КНС технологии схемотехнических методов расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, позволяют сделать следующие выводы:
1. предложенный метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на принципе стекового соединения КНИ КМОП транзисторов, позволяет преобразовывать высоковольтные сигналы в рамках стандартного субмикронного процесса без использования дополнительных технологических опций;
2. предложенный метод построения КНИ/КНС цифровых схем, основанный на выделении нескольких уровней с относительным напряжением питания для каждого, позволяет многократно повышать высокий уровень выходного цифрового сигнала;
3. исследованные и разработанные схемы аналоговых и цифровых базовых элементов, основанные на предложенных методах расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений, позволяют обеспечивать межкомпонентное согласование сигналов в АЦ БМК;
4. разработанная конструкция универсальной реконфигурируемой ячейки ввода/вывода аналого-цифрового БМК, основанная на предложенных методах и спроектированных схемах, обеспечивает интерфейс ядра базового матричного кристалла с напряжением питания Vdd с внешними сигналами, размах которых может достигать 3Vdd.
