автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными функциональными возможностями

На правах рукописи

Фролов Дмитрий Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ КМОП КНИ БМК С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

Специальность 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 3 АПР 2314

Москва-2014

005546558

005546558

Работа выполнена на кафедре Проектирования и конструирования интегральных микросхем Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель:

Казенное Геннадий Георгиевич, доктор технических наук,

профессор, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Официальные оппоненты:

Шагурин Игорь Иванович доктор технических наук, профессор,

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», зам. зав. кафедрой Микро- и наноэлектроники

Иванов Юрий Павлович кандидат технических наук,

ФГУП «Научно-исследовательский институт «Квант», главный специалист отдела

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский

институт молекулярной электроники»

Защита диссертации состоится «_ » 2014 г.

в /^ часов 3 О минут на заседании диссертационного совета

Д212.134.01 при Национальном исследовательском университете

«МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального

исследовательского университета «МИЭТ»

Автореферат разослан «ЛЬ » ^Ал-дЭс р 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

Крупкина Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1.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.

2. С учетом требований по согласованию многоуровневых напряжений питания и/или йходных/выходных сигналов разработать маршрут реализации МЭУ на основе АЦ БМК,

дополняющий стандартный маршрут проектирования матричных СБИС.

3. 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.

4. 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.

5. С учетом предложенных методов, алгоритмов, конструкций и схем провести разработку схемно-конструктивного исполнения микросхемы аналого-цифрового БМК.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. На основе исследованных методов снижения числа слоев "персонализации" матричных СБИС разработаны рекомендации для построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства.

5. 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, й предназначена для применения в АЦ БМК и/или программируемых ИС.

6. 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.

7. 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:

1. Маршрут проектирования МЭУ на основе аналого-цифрового БМК, позволяющий учитывать требования по межкомпонентному согласованию сигналов.

2. Алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки АЦ БМК, основанный на применении методов морфологического синтеза и структурной оптимизации, позволяющий минимизировать число составных компонентов ячейки.

3. Метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на принципе стекового соединения КНИ КМОП транзисторов.

4. 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-20И" (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 б 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, срдержит 66 рисунков и 13 таблиц к основному тексту.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, изложены научная новизна и

практическая ценность работы, сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор требований эксплуатации и технологий создания специализированных аналого-цифровых БМК, анализ существующих архитектур и схемно-конструктивных решений. Исследованы архитектуры реконфигурируемых и программируемых аналоговых матричных структур и методы реализации МЭУ на основе АЦ БМК. Проведен анализ существующих методов топологической "персонал изации" АЦ БМК и межкомпонентного согласования уровней сигналов.

Проведенный обзор существующих отечественных БМК позволяет сделать ряд выводов. Во-первых, практически полностью отсутствуют отечественные БМК, выполненные по современным субмикронным нормам, что существенно снижает их функциональную емкость. Во-вторых, большинство БМК имеют канальную или бесканальную архитектуру и слабо представлены БМК с блочной архитектурой и интегрированными СФ-блоками. Это ограничивает возможность однокристального исполнения сложных аналого-цифровых систем.

Специфика применения МЭУ для аппаратуры специального назначения требует создания АЦ БМК, пригодных к использованию в тяжелых условиях эксплуатации. В качестве базовой технологии для разработки таких АЦ БМК предлагается выбрать субмикронный КМОП КНИ процесс. Имеющиеся в настоящее время технологии отечественных предприятий позволяют изготавливать КНИ СБИС с проектными нормами уровня 0,25 мкм.

Существующие особенности КНИ технологии накладывают ограничения на процесс проектирования БМК: на состав, конструкцию базовых ячеек и схемы разрабатываемых на их основе функциональных узлов.

Таким образом, выбор конструкции БМК, состава, электрических параметров отдельных элементов должен быть осуществлен с учетом ограничений, накладываемых базовой технологией.

Второй важной проблемой является обеспечение интеграции разрабатываемых субмикронных СБИС в существующую аппаратуру.

В настоящее время для передовых отечественных субмикронных технологических процессов типовым напряжением питания ИС является диапазон от 1,8 В до 3,3 В. В то же время в

аппаратуре активно используются микросхемы с более широким диапазоном питающих и сигнальных напряжений, который может составлять от 5 до 30 В. Во многом это связано с использованием ИС, производимых по проектным нормам от 1 мкм и выше.

Для повышения эффективности аналого-цифровых БМК необходимо расширить диапазон входных и питающих напряжений путем реализации схем преобразователей уровней в рамках субмикронного технологического процесса.

С целью оперативного проектирования современных полузаказнътх КМОП СБИС (с проектными нормами 0,18 мкм -0,25 мкм), к которым предъявляются требования по согласованию с более высоковольтными узлами аппаратуры, в рамках создания АЦ БМК необходимо разработать ТР-блоки и библиотечные функциональные элементы (ФЭ), обеспечивающие такое согласование.

Перечисленные факты делают актуальной задачу разработки нового типа отечественных аналого-цифровых БМК с блочной архитектурой на базе субмикронного технологического процесса с целью существенного расширения функциональных возможностей при реализации МЭУ на их основе.

В литературе введено понятие комплексной функции (т.е. сложной функции) аналого-цифрового микроэлектронного устройства, которая представляет собой основную операцию, выполняемую МЭУ данного класса.

Проведенный анализ методов реализации произвольных микроэлектронных устройств в виде матричных СБИС показывает, что любое устройство возможно к построению путем схемотехнической реализации комплексной функции (КФ) МЭУ, основанной на композиции аналоговых и цифровых элементарных функций (ЭФ).

Следовательно, еще одной важной задачей, требующей решения, является модификация стандартной методики реализации МЭУ на основе АЦ БМК для учета требований по межкомпонентному согласованию сигналов.

Вторая глава посвящена архитектурным методам расширения функциональных возможностей АЦ БМК.

Функциональный базис АЦ БМК можно обозначить в виде множества С = {с1, с2, сЗ,... сп}, которое состоит из ФЭ а, реализуемых на основе стандартных ячеек БМК и выполняющих элементарную функцию Г(с1). В этом случае любое ¡-ое аналого-цифровое МЭУ может быть построено на подмножестве Ть

состоящим из ограниченного набора ФЭ С1, задействованных при реализации МЭУ:

С = {с1,с21...,с1,...,сг,} _Т, = {с,|с, 6СЛ< т} '

(1)

где С - функциональный базис БМК, то есть множество ФЭ сь реализуемых на основе стандартных ячеек; Т; - подмножество функционального базиса БМК, состоящее из т ФЭ С).

Тогда И будем называть множеством комплексных функций аналого-цифровых МЭУ на множестве С, представляющих собой сложные функции, выполняемые объединением ФЭ, или композицией элементарных функций этих элементов:

То есть каждому МЭУ из множества Б, реализуемому на основе аналого-цифрового БМК, ставится в соответствие композиция элементарных аналоговых и/или цифровых функций обработки сигнала Г(^).

Использование такого подхода к построению комплексной функции МЭУ справедливо для БМК с канальной или бесканальной матричными структурами из однотипных элементов на основе стандартных ячеек. Анализ таких КФ МЭУ позволяет сформировать требования к его конструкции и составу только в рамках указанных архитектур.

Для определения функционального базиса аналого-цифрового БМК с блочной архитектурой выражение (1) необходимо представить в виде объединения двух множеств:

где А - функциональный базис АЦ БМК с блочной архитектурой; М - множество ФБ на базе макроячеек (СФ-блоков) АЦ БМК; С - множество ФЭ на базе библиотечных элементов (стандартных ячеек) АЦ-БМК.

Из (2) с учетом (3), для комплексной функции

Р = {Р1,Р2,...,Р1.....Ы

Р1 = Г(с,)оГ(ск)о...оГ(ст)|с,еС

(2)

А = С и М

(3)

произвольного i-ro МЭУ получим выражение:

F, = f(a,) ° f(ak) о ... о f(am)| а, £ С U М, (4)

где Fj - КФ произвольного АЦ МЭУ; aj - произвольный ФЭ из базиса АЦ БМК с блочной архитектурой; f(aj) - элементарная или сложная функция произвольного ФЭ, реализованного либо в виде библиотечного элемента, либо в виде "жесткой" макроячейки.

Для решения задачи межкомпонентного согласования входных/выходных сигналов и напряжений питания предлагается ввести дополнительное множество функций Umax обработки сигналов с расширенным входным/выходным диапазоном:

^max = {^maxly Umax2, ••• • Umax); ■■• • Umaxk} •

Тогда комплексная функция произвольного МЭУ, реализуемого на основе АЦ БМК с блочной архитектурой, с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов может быть представлена выражением:

= Umaxj ° Fi ° Umaxfc . (6)

где UmaXj, Umaxk - дополнительные КФ обработки сигналов (входных и/или выходных) с расширенным диапазоном; - КФ АЦ МЭУ с учетом межкомпонентного согласования сигналов; Fj-КФ АЦ МЭУ без учета межкомпонентного согласования сигналов.

Дополнительную сложную функцию Umaxj будем определять в виде:

г 1, при VCHrHan < Vdd ном

I/dc(u]) ° <Dc("l) ° - 0 fDc(um)luj е С U М, при

М: и гнал Vdd ном.

где Усигнал - максимальное напряжение обрабатываемого сигнала; Vdd ном, - номинальное напряжение питания; fDC(Uj) -элементарная функция преобразования (согласования) уровней сигналов, реализуемая функциональными элементами Uj, реализованными в функциональном базисе АЦ БМК.

Тогда получаем, что комплексная функция АЦ МЭУ, реализуемых в виде специализированных СБИС на основе БМК с блочной архитектурой, с учетом межкомпонентного согласования

сигналов определяется в виде:

^ = Цпах; ° /Ог) ° /Сак) 0 - ° Г(ат)\ а, е С и М . (7)

Как видно из полученных формул, для реализации АЦ МЭУ на основе БМК с блочной архитектурой и учетом требований по согласованию сигналов, необходимо определить набор СФ-блоков для включения в состав БМК, и разработать ФБ для реализации комплексных и элементарных функций преобразования (согласования) сигналов.

На основе анализа литературных источников и требований разработчиков аппаратуры сформирован набор основных типовых комплексных и элементарных функций аналого-цифровых МЭУ.

Для разработки состава функциональных блоков АЦ БМК (макроячеек множества М) в работе используются морфологические методы структурного синтеза. На основе анализа классификации схем аналого-цифровых МЭУ определяем морфологическое множество основных схем таких устройств. Однозначно идентифицируем множество функциональных элементов, ЭФ которых входят в состав КФ МЭУ. Затем исключаем идентичные объекты (или заменяем группу объектов одним с "усредненными" требованиями), в результате чего получаем набор макроячеек АЦ БМК, позволяющий реализовывать большинство произвольных АЦ МЭУ.

Для аналоговых МЭУ предлагается -выделить следующие основные элементарные функции: усиление, сравнение, коммутация и формирование эталона. Такие функции наиболее востребованы при проектировании большинства аналоговых МЭУ. Элементарные функции цифровых узлов МЭУ реализуются стандартными методами цифрового синтеза и не требуют включения в состав АЦ БМК специализированных СФ-блоков.

На рис. I представлен состав АЦ БМК, сформированный в соответствии с описанной последовательностью на основе анализа типовых КФ МЭУ. Элементы, выделенные на рис. I, предлагается выполнить в виде "жестких" СФ-блоков и включить в состав АЦ БМК в качестве макроячеек. Такое включение не исключает реализацию аналогичных по функциям блрков на множестве элементарных ячеек, а лишь расширяет функциональные возможности АЦ БМК.

СФ-блоки

ЧТОНО Г L^An J j Компаратор ]

АЦП

Г

ОУ

| j ДХ-модуляторы j

интегратор г-"

к—

фильтры J

др. аналоговые вычислительные блоки

Сложные аналого-цифровые системы в однокристальном исполнении

Рис. 1. СФ-блоки для включения в состав макроячеек АЦ БМК.

Согласно (б) для построения АЦ МЭУ с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов необходимо разработать набор специализированных элементов, реализующих функции fDC(uj;) преобразования сигналов. В работе предлагаются два подхода к реализации такой функции.

Первый подход заключается в разработке специализированных схем всех "высоковольтных" узлов МЭУ. При этом обеспечивается их согласование с "низковольтными" блоками (стандартными элементами) путем многократного преобразования "высоковольтных" сигналов в номинальные и обратно. Для реализации такого подхода необходимо разработать базовые библиотечные элементы АЦ БМК.

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:

Umax) = fDC,0(u|) 0 ft)CioCul) 0 fDC|0Cum)luj Е С U М,ПрИ ^сигнал > Vdd ном. 1

где fDc,0(uj) " элементарная функция преобразования (согласования) уровней сигналов, реализуемая ячейкой ввода/вывода.

С учетом предложенных подходов и представления

комплексной функции МЭУ предлагаются этапы реализации МЭУ на основе аналого-цифрового БМК, дополняющие стандартный маршрут проектирования матричных СБИС. Блок-схема модифицированного маршрута представлена на рис. 2.

Исходные данные по проектированию

Изготовление АЦ БМК

• Библиотечные, элементы - СФ&ПОКИ (макроячейки)

Системное проектирование

Определенна необходимости согласованна уровней сигналов (введения функций иг.1у|)

Схемотехническое прсектироззние

Топологическое

проекткрогание

И з готоа дение ФШ

слоев «персонализации*

X

Изготовление и аттестация опытны* обоазцоз

Амати требований к сигналам н Еыбср способа реапиггции зькскоеопьтных бпсков

Ф ~— I

Использование универсальных рекзнфкгурируемых 1г0 ячеэк

Построение спецнапизнрованны* с*ем обработки

ВЫСОИСВОПЬТКЫА СИГНЗПР8

Рис.2. Модифицированный маршрут проектирования специализированных МЭУ на основе АЦ БМК.

С целью дальнейшего расширения функциональных возможностей БМК предлагается проводить построение топологии с уменьшенным числом слоев "персонализации" матричных СБИС.

В работе исследованы возможные к построению простейшие аналоговые и цифровые ФЭ. На основании исследования определено требуемое для их построения минимальное количество транзисторов и соединений, и предложены конструкции ячеек с уменьшенным числом слоев для их "персонализации", вплоть до одного слоя контактов.

На основе проведенных исследований и разработанных конструкций выработаны рекомендации для построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства в зависимости от типа реализуемых МЭУ.

Третья глава посвящена исследованию и разработке универсальной реконфигурируемой аналоговой базовой ячейки АЦ БМК.

В работе предлагается принцип организации элементарных аналоговых ячеек БМК на основе универсальной реконфигурируемой ячейки, который позволяет повысить эффективность использования области элементарных ячеек в блочных БМК.

В литературе выделяют пять основных аналоговых функций (ОАФ): усиления, сравнения, перемножения, частотной фильтрации и ограничения. Наиболее востребованными при этом являются элементы, реализующие ОАФ усиления и сравнения. В работе предлагается конструкция аналоговой ячейки АЦ БМК с возможностью реконфигурации в схемы усиления и сравнения -реконфигурируемая аналоговая ячейка (РА-ячейка).

На рис.3 представлен предлагаемый алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки матричных кристаллов на основе методов морфологического синтеза.

I Анализ классификационных признаков 1

Построение графа упорядоченного 1 ' " морфологического множества ^ |

I Идентификация множества объектов | (функциональных элементов) |

у Построение/Морфологического графа, I на уровне спецификаций

Структурная оптимизация компонентов: м ! поиск взаимных реконфигураций 1

Синтез структуры ячейки ,

Рис.3 Алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки на основе методов морфологического синтеза.

На основе анализа классификации схем ОУ и компараторов построен граф упорядоченного морфологического множества их основных классификационных признаков (рис. 4).

На основе анализа морфологического графа однозначно идентифицируем множество объектов (схем усиления и сравнения), возможных к реализации: ФЭ1 - дифференциальный ОУ с выходом

по току; ФЭ2 - дифференциальный ОУ с выходом по напряжению; ФЭЗ - компаратор напряжения;ФЭ4-ттолностъю дифференциальный ОУ с выходом по току; ФЭ5 - полностью дифференциальный ОУ с выходом по напряжению; ФЭб - стробируемый компаратор напряжения; ФЭ7 - полностью дифференциальный стробируемый компаратор.

Рис.4. Морфологический граф основных классификационных признаков ОУ и компараторов.

Идентифицированный набор ФЭ - необходимый и достаточный для реализации большинства типовых аналоговых устройств при условии использования дополнительных пассивных компонентов. Для осуществления синтеза структуры РА-ячейки дополняем каждый идентифицированный объект его спецификацией - информацией о структуре на уровне основных компонентов А у электрической схемы. Затем исключаем идентичные компоненты Ау (выполняющие одинаковую функцию) разных объектов. В результате получаем упорядоченный граф структуры РА-ячейки на уровне спецификаций (рис.5).

Теперь задача синтеза структуры и схемы РА-ячейки сводится к выбору электрических схем для каждого компонента А у. При выборе решений для каждого компонента предлагается проводить поиск взаимных реконфигураций на схемотехническом уровне:

1. отбирать схемы компонентов А у с общими структурными частями и возможностью их взаимной реконфигурации друг в друга, тем самым минимизировать конечное множество Ау;

2. при реконфигурировании компонентов минимизировать количество межсоединений (используемых коммутационных элементов (КЭ)).

Рис. 5. Упорядоченный морфологический граф структуры РА-ячейки на уровне спецификаций.

В процессе разработки аналоговой ячейки с применением предложенного алгоритма необходимо учитывать ряд ограничений. Во-первых, поиск технических решений осуществляется только в пределах множества схем, полученного в результате морфологического анализа. Во-вторых, разработка носит последовательный характер: выбирается наиболее оптимальное техническое решение самого значимого компонента, а следующие выбираются с учетом первого. Т.е. накладывается ограничение на множество решений компонентов ячейки, начиная со второго.

В работе проведен анализ типовых схем ОУ и компараторов. В результате были отобраны такие, которые при минимальной реконфигурации могут быть перестроены друг в друга. Тем самым выделены общие структурные части разных ФЭ.

Например, в полностью дифференциальном ОУ (ПДОУ) присутствует блок токовой обратной связи (ТОС). В качестве данного блока отобрана схема, которая может быть реконфигурирована в схему входного каскада полностью дифференциального компаратора путем незначительного изменения подключений входящих в ее состав транзисторов. На основе двух таких схем выделяем общую структурную часть в качестве компонента Aij РА-ячейки (рис.б). Предложенная конструкция компонента с помощью двух коммутационных элементов (металлический контакт, пережигаемая перемычка или ключ) способна реконфигурироваться в схему TOC, либо в предусилитель стробируемых компараторов.

С использованием описанного подхода выделены и другие элементы в качестве основных компонентов в составе РА-ячейки.

МЗ I М4 1 '

г I

Рис.6 Схема структурного компонента РА-ячейки: элемента ПДОУ и одновременно входного каскада компаратора.

Таким образом, при использовании предложенной структурной оптимизации решением морфологического графа на уровне спецификаций станет блок-схема структуры РА-ячейки на рис.7.

Рис. 7. Синтезированная структура предложенной РА-ячейки на уровне спецификаций.

Видно, что для реализации на основе РА-ячейки всех семи ФЭ необходимо включить в ее состав 4 настраиваемых основных компонента. Также состав ячейки необходимо дополнить схемой формирования напряжений и токов смешения.

Для разработки электрической схемы реконфигурируемой аналоговой ячейки проведено схемотехническое проектирование указанных компонентов. Разработанные компоненты суммарно содержат 11 -тъ коммутационных элементов КЭ. Схемы дополнены 12-тью коммутационными элементами, что позволило разработать конструкцию РА-ячейки (рис.8).

Рис.8. Структурная схема РА-ячейки.

Оценку эффективности синтеза структуры РА-ячейки предлагается проводить на основе расчета собственной эффективности использования компонентов РА-ячейки.

Для расчета относительного коэффициента использования основных компонентов ячейки при реализации всех возможных ФЭ предлагается использовать выражение:

у?4 А! = еГ1 '

где к(А)| - относительный коэффициент использования основных компонентов РА-ячейки при конфигурации ¡-ого ФЭ; 2 А - суммарное количество основных компонентов А в составе ячейки (для разработанной ячейки сумма равна четырем); Х^А}-суммарное количество компонентов А ячейки, задействованное для реализации ¡-ого ФЭ сравнения или усиления.

В качестве критерия для оценки собственной эффективности коммутационного пространства РА-ячейки предлагается использовать относительные коэффициенты использования коммутационных элементов при реализации всех возможных ФЭ:

V?1

= ^ ' О0)

где к(БШ)| - относительный коэффициент использования КЭ РА-ячейки при конфигурации ¡-ого ФЭ; £ БШ - суммарное количество КЭ в составе РА-ячейки; - суммарное

количество КЭ в составе РА-ячейки, задействованное при реализации ¡-го ФЭ сравнения или усиления.

Анализ рассчитанных значений показывает, что среднее значение относительного коэффициента использования основных компонентов РА-ячейки составляет 57%, а среднее значение относительного коэффициента использования КЭ - 75,8%.

С целью подтверждения эффективности состава предложенной РА-ячейки проведен сравнительный анализ рассчитанных коэффициентов с коэффициентами наиболее близкого аналога и ячейки, разработанной без применения методов морфологического синтеза и структурной оптимизации (рис.9).

1«

м «

Рис.9. Средние значения относительного коэффициента использования основных компонентов: 1 - РА-ячейки; 2 - ячейки, косвенного аналога; 3 - ячейки на основе синтеза без поиска взаимных реконфигураций.

Как видно из рис.9, РА-ячейка имеет самый высокий коэффициент использования основных компонентов в сравнении с другими конструкциями, что подтверждают ее высокую эффективность.

Разработанная ячейка может быть применена в матричных и программируемых аналого-цифровых СБИС. На основе разработанной ячейки в работе предложены способы построения

электрически реконфигурируемых аналого-цифровых (ЭРАЦ) БМК в виде набора таких ячеек с обеспечением коммутации их друг с другом и выводами СБИС.

Четвертая глава посвящена исследованию и разработке схемотехнических методов расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК.

Предлагается метод преобразования сигналов, основанный на построении базовых аналоговых и цифровых элементов с использованием принципа каскадирования (стекового соединения) КНИ КМОП транзисторов. На рис.10 в общем виде представлена структурная схема такого стекового транзистора.

I V

и 1 \

V1

Л--1 \

- Г V

у 01 --¡с—. \

| |Уй5.1<ии

Рис.10. Принцип реализации высоковольтного транзистора на стандартных КНИ КМОП транзисторах (стековая архитектура).

При построении такой конструкции обязательным условием является объединение тела (базы) каждого КНИ транзистора с собственным истоком. Для реализации указанного принципа необходимо строго контролировать соблюдение условий по предельно-допустимым уровням напряжений в узлах стека, и тогда максимальное значение напряжения на стоке О может быть много больше относительно номинального напряжения отдельного транзистора 11тм.

В общем случае данное условие предлагается сформулировать в виде:

Уап.....У0$п<ишш. (11)

или. ^ < Unpo6.cn

Стоит отметить ограничения, накладываемые на использование данного принципа. Максимальное значение напряжения на стоке не должно превышать напряжения пробоя сток-подложка, то есть предельно-допустимого напряжения относительно общей подложки кристалла.

Также важным является контроль скорости нарастания напряжений в отдельных узлах стека относительно остальных узлов при включении схемы или переключениях во время работы. При разработке схем элементов необходимо ограничивать скорость (с помощью фильтров или других решений) во избежание кратковременных превышений допустимой разницы потенциалов для отдельных транзисторов.

Для преобразования цифровых сигналов предлагается обобщенный метод построения преобразователей уровня, основанный на разделении схемы на группы элементов, для каждой из которых фиксируется собственный диапазон напряжения питания. Вся схема при этом становится разделенной на уровни по питанию. Для построения "высоковольтных" схем необходимо обеспечить трансляцию сигнала с одного уровня в другой.

На основе описанных подходов и предложенных методов решается задача по разработке схемотехнического базиса АЦ БМК для построения типовых аналоговых и аналого-цифровых ИС с расширенными диапазонами напряжений питания и/или входными/выходными напряжениями на базе субмикронных технологических процессов уровня 0,18 - 0,25 мкм и ниже.

В ходе разработки такого базиса предложены методы проектирования и разработаны схемы базовых аналоговых и цифровых элементов.

Для преобразования аналоговых сигналов предлагается использовать элементы, построенные с использованием стекового транзистора. Например, истоковый повторитель напряжения и усилитель, конструкции которых представлены на рис.11.

Для расширения диапазона выходного аналогового сигнала на основе предложенных элементов разработана схема повышающего преобразователя аналогового сигнала, представляющая собой усилитель входного сигнала с обратной связью для регулировки выходного сигнала.

зуаа в-

/л/

-Е

О

О

оиг

■Г

т

ъ

о

оиг

а)

б)

Рис. 11. Электрическая схема элемента на основе стека: а) истокового повторителя; б) усилителя напряжения.

Для расширения диапазона питающих напряжений на основе предложенных элементов разработана. схема масштабируемого понижающего регулятора напряжений, обеспечивающего стабильное напряжение питания АЦ БМК от источников с напряжением выше номинального.

Для расширения диапазона выходного цифрового сигнала на основе предложенных методов разработаны конструкции буферов для максимального напряжения, втрое превосходящего стандартное напряжение питания технологического процесса. То есть буферы, осуществляющие преобразование высокого уровня сигнала вида: Ус)с! в 2УсМ, и УсШ в ЗУсЗсЗ. В качестве примера на рис.12 приведена структурная схема выходного буфера для преобразования высокого логического уровня от Ус)с1 к 2УсЗс1.

На основе описанных выше методов предлагается конструкция универсальной реконфиг^рируемой ячейки ввода/вывода в виде реконфигурируемого 1Р-блока для включения в состав АЦ БМК. Указанная ячейка разработана с условием, что максимальное напряжение на ее контактной площадке не будет превышать утроенного значения номинального предельного рабочего напряжения для выбранной технологии.

При реализации МЭУ на основе АЦ БМК элементы ячейки реконфигурируются с помощью слоев "персонализации" в схемы входных или выходных буферов, предложенных в работе выше.

Исследование характеристик предложенной ячейки проведено на основе тестовых структур и экспериментальных образцов АЦ БМК, изготовленных по КМОТТ КНИ технологическому процессу с проектными нормами 0,25 мкм и номинальным напряжением питания 3,3 В. Эксперимент подтвердил, что схемы, реализованные в кремнии, полностью работоспособны, и пригодны к использованию

Пятая глава посвящена описанию практического применения результатов в разработке микросхем аналого-цифровых БМК и МЭУ на их основе.

Эффективность способов, алгоритмов и методов, предложенных в работе и направленных на расширение функциональных возможностей микросхем субмикронных аналого-цифровых БМК, была экспериментально подтверждена путем практического внедрения в ходе разработки и освоения в производстве опытных образцов ряда микросхем КНИ (КНС) АЦ БМК с субмикронными топологическими нормами:

1. микросхемы К1451БК1У- аналого-цифрового БМК с блочной архитектурой для КНС технологического процесса с проектными нормами 0,8 мкм в 64-выводном корпусе (рис.13);

2. микросхем 5400БК1Т и 5400БК2У- аналого-цифровых БМК высокой степени интеграции с блочной архитектурой для КНИ технологического процесса с проектными нормами 0,25 мкм в 108-выводном и 48-выводном корпусах соответственно (рис.14).

Областью применения указанных микросхем АЦ БМК является аппаратура двойного и специального назначения. Микросхемы предназначены для создания аналого-цифровых МЭУ

систем управления питанием, систем обработки сигналов датчиков, аналого-цифровых интерфейсов и других.

Р

и 11 ¡ИМЯ ■ИМ !

ян ■ аннв яиив ¡■I ■га 2' иЯШЕ Ш

В дам I.

• 1

¡шипшш"

ШИШКИН I*

Рис. 13. Топология АЦ БМК К1451БК1У.

1}

llllli IlllPi

fcipf

ШИРЯ

ВнЯ sfcltsl

11 ¿Si

Рис.14. Топология КНИ АЦ БМК 5400БК1Т.

В соответствии с предложенными в работе методами в микросхемы включены "жесткие" СФ-блоки, реализующие функции усиления, сравнения, эталона, преобразования (ОУ, компараторы, ИОН, ЦАП). Проведена разработка их конструкций, схемотехническое проектирование, моделирование и верификация.

Также разработан ряд библиотечных элементов на множестве элементарных ячеек микросхемы 5400БК1Т, позволяющих преобразовать "высоковольтные" сигналы, и разработана конструкция реконфигурируемой I/O ячейки для преобразования таких сигналов.

На основе указанных микросхем реализован ряд СБИС с использованием предложенного модифицированного маршрута проектирования МЭУ на основе АЦ БМК с учетом требований по

межкомпонентному согласованию. В качестве примера описывается разработка ШИМ-контроллера для управления внешним силовым транзистором в понижающем регуляторе напряжения, четырехканального ШИМ-регулятора системы термостатирования, и ряда других СБИС аналого-цифровых МЭУ.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основным научным результатом диссертационной работы является разработка методов проектирования аналого-цифровых КНИ/КНС БМК с расширенными функциональными возможностями, предназначенных для реализации на их основе аналого-цифровых микроэлектронных устройств различного функционального назначения. В ходе выполнения работы получены следующие основные научные результаты:

1. Предложен метод формирования состава аналого-цифрового базового матричного кристалла с блочной архитектурой и соответствующий маршрут проектирования МЭУ на основе АЦ БМК, позволяющие учитывать требования по межкомпонентному согласованию сигналов.

2. Разработан алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки АЦ БМК, основанный на применении методов морфологического синтеза и структурной оптимизации, позволяющий минимизировать число составных компонентов ячейки.

3. Предложен метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на принципе стекового соединения КНИ КМОП транзисторов, позволяющий преобразовывать высоковольтные сигналы в рамках стандартного субмикронного процесса без использования дополнительных технологических опций.

4. Разработан схемотехнический базис аналого-цифрового БМК, основанный на методе расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений, позволяющий обеспечивать межкомпонентное согласование сигналов в АЦ БМК и осуществлять интеграцию матричной СБИС в аппаратуру без применения дополнительных преобразователей уровней.

5. Предложен маршрут построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства, основанный на разработке конструкций библиотечных элементов с использованием одного слоя "персонализации", позволяющий

разрабатывать рекомендации для построения топологии АЦ БМК.

6. Проведено практическое внедрение результатов работы в ходе разработки ряда микросхем современных субмикронных аналого-цифровых БМК с расширенными функциональными возможностями.

Полученные научные результаты и разработанные инженерные средства были практически внедрены в ходе разработке ряда микросхем АЦ БМК и МЭУ на их основе.

На основе разработанных микросхем аналого-цифровых БМК был реализован ряд СБИС АЦ МЭУ с использованием маршрута проектирования МЭУ на основе БМК с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов, предложенного в диссертационной работе.

Измерения и испытания экспериментальных образцов разработанных матричных СБИС показали их соответствие техническим требованиям, что подтверждает эффективность предложенных в работе методов, алгоритмов, принципов и средств проектирования аналого-цифровых БМК и АЦ МЭУ на их основе.

Использование разработанных микросхем АЦ БМК в аппаратуре позволяет снизить себестоимость и улучшить эксплуатационные характеристики широкого спектра МЭУ.

Практические результаты работы апробированы и внедрены в процессе разработки аналого-цифровых БМК и СБИС на их основе, проводимых в ООО "Дизайн Центр "Союз" и ОАО "НИИМЭ и Микрон".

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Фролов Д.П. Применение метода морфологического синтеза для проектирования реконфигурируемой аналоговой ячейки полузаказных аналого-цифровых СБИС с матричной структурой // Известия ВУЗов. Электроника. - 2013.- №5 (103).—С.45 - 51.

2. Кобзев Ю.М., Фролов Д.П., Эннс В.И., Осокин С.А. Проектирование схем на базе КМОП КНИ/КНС технологии для обработки аналоговых сигналов с напряжением, превышающим номинальное напряжение питания // Труды ФГУП "НПЦ АП". Системы и приборы управления,- 2012 — №3,- С. 10-20.

3. Ю.М. Кобзев, Д.П. Фролов, A.B. Эннс, В.И. Эннс, С.А. Осокин

Радиационно-стойкий аналого-цифровой КНС БМК К1451БК1У: состав и возможности проектирования // Труды ФГУТ7 "НГПД АП". Системы и приборы управления- 2010-№4,-С. 17-23.

4. В.М. Дьяконов, Н.В. Семученков, B.C. Тараканов,

Д.П.Фролов, А.В.Коршунов Методика проведения оперативного анализа электрических и временных параметров цифровых КМОП элементов и СБИС на их основе // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №.1(2), Самара: 2012,- С. 605- 609.

Материалы и тезисы докладов научных конференций:

1. Ю.М. Кобзев, Д.П. Фролов, В.В. Эннс, В.И. Эннс Исследования радиационной стойкости схем на основе аналого-цифрового БМК К1451БК1У. Развитие серии аналого-цифровых БМК для создания СБИС специального назначения. // Радиационная стойкость электронных систем -СТОЙКОСТЬ-2011, вып. 14, Москва, -2011. - С. 57-58.

2. О. Э. Оганесян, Д. П. Фролов Особенности проектирования прецизионных схем на основе АЦ БМК на примере СБИС преобразователя напряжение-частота // 20-ая н.-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2013". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2013, С. 101.

3. Фролов Д.П., Эннс В.И. Проектирование трансляторов уровней цифровых сигналов для полузаказных субмикронных аналого-цифровых СБИС // 19-ая н.-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2012". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2012, С. 89.

4. Фролов Д.П., Эннс В.И. Особенности проектирования схем управления питанием для аппаратуры специального назначения на основе КНС БМК. // 18-ая н.-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2011". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2011, С. 92.

5. Фролов Д.П., Волобуев П.С. Исследование методов снижения энергопотребления цифровых МОП СБИС // 17-ая н.-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2010". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2010, С. 107.

6. Дьяконов В.М., Семученков Н.В., Тараканов B.C., Фролов Д.П. Проектирование энергоэффективных базовых элементов на основе замещения логических элементов «эквивалентными инверторами». // Межд. н.-т. конф. «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы». Тезисы

докладов, М.: МИЭТ, 2010, С. 36. 7. Фролов Д.П. Исследование и разработка АЦП с учетом влияния стационарного ионизирующего излучения // 16-ая н,-т. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика-2009". Тезисы докладов, М.: МИЭТ, 2009, С. 102. Свидетельства о государственной регистрации топологии ИМС:

1. Фролов Д.П., Эннс В.В. Блок КНИ КМОП 12-разрядного АЦП для радиационно-стойких применений // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС №2011630087 от

26.08.2011 г.

2. Фролов Д.П., Тараканов B.C., Коршунов A.B., Волобуев П.С. Субмикронный реконфигурируемый I/O буфер цифровых сигналов с настраиваемой драйверной способностью // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС №2013630020 от 9.01.2013 г.

3. Фролов Д.П., Тараканов B.C., Коршунов A.B., Волобуев П.С. Микромощный реконфигурируемый многоканальный накопительный регистр с настраиваемой разрядностью входных данных // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС №2013 63 0019 от 9.01.2013 г.

4. Беспалов В.А., Дьяконов В.М., Фролов Д.П., Тараканов B.C., Коршунов А.В Микромощный входной буфер синхросигнала со встроенным делителем частоты // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС №2012630020 от

27.01.2012 г.

5. Беспалов В.А., Дьяконов В.М., Коршунов A.B., Тараканов B.C., Фролов Д.П. Микросхема энергоэффективного одноразрядного полного сумматора // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС №2010630096 от 01.10.2010 г.

6. Дьяконов В.М., Коршунов A.B., Тараканов B.C., Фролов Д.П. Микросхема четырех канального цифрового мультиплексора // Свидетельство о государственной регистрации ТИМС №2010630063 от21.05.2010 г.

Автореферат

Фролов Дмитрий Петрович

Исследование и разработка аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными функциональными возможностями

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л.1,5 Тираж 100 экз. Заказ № 6

Отпечатано в типографии ИТТК МИЭТ. 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5.

а

V

30\

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

На правах рукописи

04201457433

Фролов Дмитрий Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ КМ011 КНИ БМК С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ

ВОЗМОЖНОСТЯМИ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные ком!юнен I ы. микро- и налоэлектроника. приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Казенное Г. Г.

Москва - 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

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

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В настоящее время активно осуществляется модернизация существующих и создание новых образцов аппаратуры специального и двойного назначения. 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, необходимо применять полузаказное проектирование.

При этом наиболее эффективным направлением разработки полузаказных ИС для аппаратуры специального назначения является применения 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 и задачи диссертации

Цель диссертационной работы состоит в разработке аналого-цифровых КМОП КНИ БМК с расширенными функциональными возможностями и в развитии методов их проектирования.

Предложенные в диссертации методы, алгоритмы и маршруты позволяют решать следующие задачи:

1. разрабатывать аналоговую реконфигурируемую ячейку аналого-цифровых базовых матричных кристаллов с целью ее применения в матричных и программируемых СБИС;

2. проектировать функциональные элементы АЦ БМК, позволяющие обеспечивать согласование уровней сигналов при интеграции СБИС на основе субмикронных БМК в аппаратуру без использования дополнительных преобразователей уровней;

3. разрабатывать состав и конструктивное исполнение аналого-цифровых БМК с расширенными функциональными возможностями в части увеличения диапазона обрабатываемых сигналов и усложнения функций реализуемых устройств;

4. проектировать микроэлектронные устройства на основе АЦ БМК с учетом требований по согласованию многоуровневых напряжений питания.

Научная новизна диссертации

1. 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.

2. 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.

3. 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 значимость работы

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. На основе исследованных методов снижения числа слоев "персонализации" матричных СБИС разработаны рекомендации для

построения топологии АЦ БМК с эффективным использованием коммутационного пространства.

5. На основе анализа типовых схем ОУ и компараторов, и 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.

6. Результаты работы внедрены в процессе разработки и производства ряда микросхем КНИ (КНС) аналого-цифровых БМК (К1451БК1У, 5400БК1Т, 5400БК2У и др.), в части разработки конструкции микросхем, состава и электрических схем встроенных функциональных блоков и библиотечных элементов.

7. На основе разработанных микросхем АЦ БМК изготовлен ряд СБИС аналого-цифровых МЭУ с использованием предложенного маршрута проектирования с учетом требований по межкомпонентному согласованию сигналов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Маршрут проектирования МЭУ на основе аналого-цифрового БМК, позволяющий учитывать требования по межкомпонентному согласованию сигналов.

2. Алгоритм синтеза универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки АЦ БМК, основанный на применении методов морфологического синтеза и структурной оптимизации, позволяющий минимизировать число составных компонентов ячейки.

3. Метод расширения диапазонов питающих и сигнальных напряжений аналого-цифровых БМК, основанный на принципе стекового соединения КНИ КМОП транзисторов.

4. Конструкция аналого-цифрового базового матричного кристалла и результаты реализации МЭУ на его основе.

Степень достоверности и апробации результатов

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-технических конференциях.

Практические результаты работы апробированы и внедрены в процессе разработки аналого-цифровых БМК и СБИС на их основе, что подтверждено актами о внедрении.

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.

Глава 1. Литературный обзор 1.1. Введение

Радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) классифицируют по множеству признаков: конструктивным особенностям, назначению, сложности исполнения [1]. В зависимости от функциональной сложности аппаратуру подразделяют на системы, комплексы, устройства. По назначению ее можно классифицировать на аппаратуру гражданского назначения (коммерческую аппаратуру широкого применения), военную и аппаратуру специального назначения. Также активно употребляется термин "аппаратура двойного назначения" - аппаратура, которая используется в гражданских целях, но обладает характеристиками, позволяющими применять ее в составе вооружений и военной техники.

Наиболее многочисленной группой является аппаратура двойного и специального назначения ввиду обширной области применения и узкой направленности решаемых задач. К указанной группе относятся системы управления атомными реакторами, аппаратура наземной и морской военной техники, системы и комплексы связи, навигации, радиолокации, бортовая аппаратуры авиационной, ракетной и космической техники.

Активно проводимая модернизация существующих образцов и создание новой аппаратуры требуют разработки микроэлектронных устройств (МЭУ), прежде всего СБИС, пригодных для использования в ее составе. К подобным МЭУ, предназначенным для работы в тяжелых условиях эксплуатации, предъявляются жесткие требования по надежности, температурному диапазону и стойкости к воздействию внешних факторов [2].

Указанные микроэлектронные устройства различны по своему назначению, функциональности, электрическим параметрам, при этом в большинстве своем они являются мелкосерийными изделиями (годовая потребность в отдельных СБИС может исчисляться десятками или даже

единицами штук). Эти факторы оказывают влияние на сложность и длительность разработки, что определяет высокую конечную стоимость таких СБИС.

В литературе [3] принято подразделять интегральные схемы по признаку ориентации на массовое потребление или на конкретный заказ на стандартные и специализированные. В свою очередь специализированные СБИС, то есть схемы, разрабатываемые для удовлетворения требований конкретного заказчика (разработчика аппаратуры), классифицируют на заказные и полузаказные. Очевидно, что разработка МЭУ для аппаратуры специального назначения требует разработки именно специализированных СБИС. Для существенного сокращения сроков и сложности разработки, а также с целью обеспечения универсализации (повторной пригодности) разработанных схем отдельных функциональных узлов и блоков, необходимо применять полузаказное проектирование.

Полузаказные интегральные схемы традиционно классифицируются на ИС на основе библиотечных элементов или стандартных ячеек, и на ИС на основе матричных структур [4]. С учетом мелкосерийности специализированных МЭУ для снижения стоимости разработки наиболее перспективным направлением является использование полузаказных схем на основе регулярных матричных структур, прежде всего, на основе базовых матричных кристаллов (БМК). Так как в своем большинстве, МЭУ представляют собой аналого-цифровые системы, то их реализация требует наличия аналоговых и цифровых функциональных элементов.

В отечественной практике имеется успешный опыт соз