2.5.2.1 Опис, конструкція і принцип використання нескомутованої вентильної матриці

Нескомутована вентильна матриця /НВМ/ [1, 2] - стандартно розміщений на кристалі набір активних і пасивних елементів, з'єднаних між собою за допомогою одного шару комутації. НВМ призначена для прискореного створення спеціалізованих замовних ВІС.

Використання ВІС на основі КМОП дає можливість подолати труднощі, пов’язані зі збільшенням номенклатури ІС, і гарантує:

1) значне зменшення терміну розробки;

2) значне зменшення трудомісткості проектних робіт;

3) малу споживану потужність;

4) можливість побудови апаратури з малими масою й габаритними розмірами;

5) високу надійність, властиву схемам з високим рівнем інтеграції.

НВМ - це заготовка кристала розміром 6,35 × 7,15 мм², на полі якого розміщені 1012 базових комірок для реалізації логічних і тригерних функцій і 62 комірки для функцій "вхід - вихід". Кристал містить у собі 64 контактні площадки. Контактні площадки 32 і 64 - відповідно "земля" і "живлення".

Структурно кристал НВМ є матрицею, до складу якої входять 22 стовпці і 46 рядків комірок типу nm між якими перебувають полікремнієві шини комутації. По периметру кристала розміщені елементи входу-виходу з контактними площадками.

Базовий кристал виготовлено за КМОП-технологією з полікремнієвими затворами. Базова комірка, на основі якої будуються бібліотечні елементи, містить у собі 12 транзисторів (шість - канальних і шість - канальних).

Проектуючи НВІС на основі КМОП-технології, необхідно дотримуватися таких умов:

1) кількість виводів, які реалізують функцію "вихід", має не перевищувати 40;

2) виводи типу "вхід-вихід", "вихід" розміщуються симетрично відносно контактної площадки "земля".

Бібліотека логічних елементів розроблена на основі компонентів базової комірки. Бібліотечний елемент реалізується з допомогою тієї чи іншої топологічної конфігурації в змінному шарі. Топологія кожного бібліотечного елемента НВМ однозначно визначає його функціональний зміст. Склад бібліотеки елементів і їх параметри наведені у дод. А.

Стандартні комірки дають можливість легко використовувати ЕОМ для спрощення проектування ВІС і полегшують задачу розміщення, що дозволяє скоротити терміни проектування.

Пропонується такий маршрут для проектування ВІС:

1) розробка принципової електричної схеми;

2) логічне моделювання принципової електричної схеми;

3) синтез тестів функціонального контролю;

4) орієнтовний розрахунок електричної схеми;

5) трасування;

6) розробка й перевірка топології;

7) перевірний розрахунок електричної схеми, враховуючи топологію;

8) запис інформації на магнітну стрічку і виготовлення фотошаблонів.

Перед початком розробки принципової електричної схеми слід вивчити бібліотеку стандартних елементів і застосувати її згідно з вимогами на трасування, динамічними параметрами і вимогами на автоматизоване проектування. Розроблюючи схему, необхідно повністю використати всі логічні елементи однієї комірки, тобто, неприпустимі, невикористані (висячі) входи бібліотечних елементів.

Проектуючи принципові електричні схеми, слід приблизно оцінити середній сумарний час затримки на ланцюгу логічних елементів, не враховуючи паразитних ємностей.

Середній сумарний час затримки обчислюється за формулою

де - середній час затримки поширення сигналу на -му елементі,

де , час затримки передачі відповідно переднього й заднього фронтів сигналу.

Через розкид технологічних параметрів середній час затримки поширення сигналу може відрізнятися від обчислених даних, тому треба мати запас по цих параметрах.

Після отримання топології кристала необхідно провести перевірчий розрахунок. Для цього слід обчислити паразитні ємності й опір зв’язків по алюмінієвих і полікремнієвих шинах, а також сумарну ємність по затворах. Сумарну паразитну ємність обчислюють за формулою

де , , - сумарна ємність відповідно алюмінієвої шини, полікремнієвої шини й затворів.

Аналогічно розраховується сумарний паразитний опір з’єднань.

Електрофізичні й геометричні параметри кристала НВМ серії 1515ХМ1 наведені в табл. 1.1

Шини синхронізації виконуються алюмінієвими провідниками. Підсилювач синхронізації будується у тому самому стовпці, що й тригери.

Максимальна кількість навантажень на один елемент:

інвертор - 5;

тригер – 5;

підсилювач одинарний - 10;

підсилювач (3-НЕ) - 15;

підсилювач (4-НЕ) - 20;

вхідний елемент - 12.

Для дво- і тривходових елементів максимальна кількість навантажень - 4.

Забороняється використовувати в НВМ внутрішні генератори імпульсів.

Таблиця 2.3 – Електрофізичні й геометричні параметри кристала НВМ

Параметр, його одиниця	Значення
Ширина алюмінієвих трас, мкм	5,7...6
Геометричні розміри комірки, мкм: довжина ширина	128 240
Ємність одного входу вентиля, пФ	0,15
Опір та ємність шини, яка приходить між комірками і : Ом пФ	540 0,03
Питома ємність, пФ/ полікремнія по оксиду: тонкому	440

Продовження табл. 2.3

товстому

30…40

Питома ємність алюмінія, пФ/:

N - кармана

р - підкладки

15…20

680

220

Питомий поверхневий опір, Ом/:

N - області

р – області

полікремнію

алюмінію

20…40

60…80

20…30

0,015…0,025

2.5.2.2 Логічне проектування цифрових виробів на основі БМК

Логічне проектування цифрового виробу [1, 2] полягає у розробці й послідовному налагодженні логічної моделі, яка є сукупністю проектної інформації про електричну схему, значення кодів частин, що програмуються, тестової перевірки роботи виробу (ПРВ) і конструктивних виводів у обсязі, достатньому для проектування топології й автоматичного синтезу програм контролю. Програма забезпечує налагодження методом логіко-часового моделювання.

Програма логічного моделювання застосовується для виробів, логіку функціонування яких можна адекватно подати у восьмеричному алфавіті логічних значень:

0 - низький рівень напруги;

1 - високий рівень напруги;

Z - високоімпедансний стан;

- часткова невизначеність /0 або Z/;

- часткова невизначеність /1 або Z/;

X - повна невизначеність;

/ - невизначеність за час перемикання з "0" в "1";

b - невизначеність за час перемикання з "1" в "0".

Тест логічної моделі складається з розділів. Кожний розділ починається синтаксичним знаком "%", який забороняється застосовувати для інших призначень, і складається з послідовності рядків, що закінчуються знаками "-".

Опис електричної схеми зводиться до послідовного опису структур, що її покривають. При цьому кожний функціонально закінчений фрагмент, який повторюється, подається окремою структурою й ідентифікується своїм ім’ям. Допускається будь-яка кількість структурних вкладень. Структура, що визначає всю електричну схему, задається останньою.

Опис кожної структури починається ключовим словом "структура", містить у собі три розділи й закінчується знаком оклику.

< Структура > :: =

<Структура> <тип> <елементи> <зв'язок > !

У розділі <тип> задають умовне позначення типу, з яким взаємно однозначно порівнюються структура, що описується, і вся інформація про неї.

У розділі <елементи> визначається склад елементів, які утворюють структуру. При цьому для кожного елемента структури наводиться умовне позначення його типу і локальне ім’я, що забезпечує його індивідуальність. Після вказання умовного позначення типу через кому перелічуються імена елементів наведеного типу.

У розділі <зв’язок> послідовно описуються зв’язки між зовнішніми виводами структури та її складовими елементами. Кожний зв’язок задають переліком через кому всіх безпосередньо зв’язаних між собою виводів і закінчують крапкою з комою, якщо він не останній. Останній закінчується символом "". Зовнішні виводи структури позначаються простими, в одне слово, іменами. Зовнішні виводи елементів - складними (у два слова) іменами, в яких указують імена елемента та його виводу.

Описуючи зв’язки, кожний вивід згадується один і тільки один раз. Поява імені будь-якого виводу ще раз вважається помилкою.

Проектування тестової перевірки (ТП) цифрової НВІС зводиться до проектування базисної послідовності елементарних перевірок, яка реалізовується за допомогою контрольно-вимірювального обладнання. Елементарна перевірка - найпростіша перевірна операція, що реалізовується за командою програми управління. Протягом будь-якої елементарної перевірки кожний зовнішній вивід НВІС перебуває тільки в одному логічному стані.

Складну тестову перевірку рекомендується описувати по частинах, що значно спрощує її налагодження і коректування. Тому в загальному випадку опис тестової перевірки складається з послідовності розділів. Кожний розділ починається ключовим словом "перевірка", що перебуває між символами "" і ":", і задає логічний стан усіх виводів за допомогою діаграм. Кожна діаграма описує перелік згрупованих виводів і послідовність їх логічних станів.

Об’єднання виводів у групи і порядок проходження діаграм не регламентуються, а вибираються з погляду зручності.

<перевірка> : := перевірка : <діаграми>

У лівій частині кожної діаграми через кому перелічуються згруповані виводи. У правій частині після символа "=" задається опис станів цих виводів протягом потрібної послідовності елементарної перевірки.

Перемикання описуються переліком через кому окремих перемикань і повторів. Кратність вказує на кількість елементарних перевірок, протягом яких згруповані виводи зберігають свій стан. Якщо кратність не задана явно, то вона вважається такою, що дорівнює одиниці.

Періодичну частину в послідовності перемикань описують так: виявляють частину, що повторюється; описують її один раз усередині дужок, після закриваючої дужки вказують кратність періоду.

Опис контрольних точок починається заголовком "контр. точки" і вміщує перелік через кому тих виводів і внутрішніх змінних, стан яких треба запам'ятати для наступного аналізу. Зовнішні виводи виробу ідентифікують простими іменами, внутрішні – складними, які відображають ієрархію структурного опису.

У моделі стан кожного виводу описують двома змінними. Одна описує логічний сигнал, який передається виводом у з’єднання, друга - сигнал, який приймає вивід зі з’єднання. За допомогою службових слів "джерело" і "приймач" слід уточняти, яка з двох змінних потрібна.

У додатку Б наведено приклад опису електричної схеми тригера (див. рис. 2.4) і його тестової перевірки.

Рисунок 2.4 – Принципова електрична схема тригера і тест його перевірки

2.5.2.3 Трасування

Трасування НВМ [3, 4] зводиться до нанесення електричних з'єднань між вибраними комірками за допомогою змінного шару металізації. Основою для виконання трасування є технологічне креслення - трафарет для розведення.

Трафарет - це спрощене зображення базового кристала й допоміжна інформація в умовному вигляді, на який накладається і поєднується плівка для нанесення шарів розведення.

Структурно на трафареті виділяють три умовні зони (рис. 2.5).

Зона 1 - робоча. Тут розміщують комірки . Це основне поле, на якому розміщують бібліотечні елементи і з’єднують між собою. Поле містить 1012 комірок типу .

Зона 2 - зона трасування. Введена для зручності розведення з’єднань між зоною 1 і зовнішніми контактними площадками. У ній розміщується система полікремнієвих шин, за допомогою яких можна з’єднати елементи з контактними площадками кристала.

У зоні 3 розміщуються 62 комірки типу . Крім того, тут розміщені контактні площадки "земля" і "напруга", виготовлені постійним шаром алюмінію.

Знаками "" чорного кольору умовно зображені місця розташування контактів бібліотечних елементів.

Знаком "" червоного кольору показують точки можливої прив'язки бібліотечного елемента. Вершина прямого кута є центром прив’язки, а розворот трикутника вказує на розворот бібліотечного елемента. У комірках типу крім прив’язки, існує знак розвороту комірки.

Процес трасування зводиться до компонування відповідних схем бібліотечних елементів на полі трафарету і розведення виводів бібліотечних елементів згідно зі з’єднаннями за схемою.

Комірка типу складається з двох частин, поділених полікремнієвою шиною. Перша половина вміщує 4 транзистори, друга - 8.

Номери бібліотечних елементів мають такі позначення:

де - порядковий номер бібліотечного елемента.

Комірка типу побудована на базі чотирьох транзисторів, тому її прив’язка відноситься до чотиритранзисторної частини комірки.

Комірка типу побудована на базі восьми транзисторів, і місце її прив’язки визначається у восьмитранзисторній частині комірки.

Комірка типу має таку побудову:

- місце привязки комірки;

- означає, що комірка закінчується у восьмитранзисторній частині комірки;

- кількість полікремнієвих шин, які відділяють чотири- транзисторну частину комірки від восьмитранзисторної.

Якщо яка-небудь комірка не використовується, то на кресленні трасування залишають порожнє місце.

У зоні 2 (поле комутацій) можливе проведення провідників двох типів: полікремнієвих і алюмінієвих. Організація поля комутацій наведена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема організації поля комутацій

Горизонтальні лінії відповідають полікремнієвим провідникам, які покриті діелектричним матеріалом, що дозволяє проводити поверх них алюмінієві провідники. Контактні з’єднання з полікремнієвими провідниками можливі тільки у спеціально відведених місцях (контактні площадки ).

З рис. 2.6 видно, що кожна полікремнієва шина має п’ять контактних площадок. Поле комутацій дозволяє провести шість паралельних алюмінієвих провідників (два між кожними двома контактними площадками до полікремнієвої шини). Перевагу при з’єднаннях елементів віддають алюмінієвим провідникам, тому що вони мають значно менший питомий опір.

При виконанні креслень полікремнієві шини виконують червоним кольором, алюмінієві провідники – чорним, а вертикальні лінії – зеленим кольором.

На рис. 2.7 наведено фрагмент трасування.

Рисунок 2.7 – Фрагмент трасування