ТЕХНОЛОГИЯ КМДП

4.1.4. ТЕХНОЛОГИЯ КМДП.

Следующим шагом развития МДП технологии стало использование комплиментарных МДП транзисторов, т.е. транзисторов с разным типом проводимости, причем основными являются транзисторы п-типа; а транзисторы р-типа используются в качестве динамической нагрузки.

Использование КМДП-схем по сравнению со схемами пМДП позволяет снизить потребляемую мощность, повысить быстродействие и помехоустойчивость, однако это достигается за счет увеличения площади занимаемой на кристалле и усложнения технологии производства.

Б
азовыми элементами КМДП-схем являются, как и для пМДП, логические элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ (см рис. 4.6 и 4.7).

Рис. 4.6. Схема ИЛИ-НЕ.

Рис. 4.7. Схема И-НЕ.

К особенностям интегральных схем, построенных по технологии КМДП можно отнести следующее:

Чувствительность к статическому электричеству (для защиты в буферные каскады ставятся диоды);

Тиристорный эффект (в КМДП структурах образуются паразитные биполярные, подобные тиристору, структуры между шинами питания). При включении питания тиристор включается и замыкает шину «+» на общую шину (для защиты используется окисная изоляция).

ВЫБОР СХЕМОТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ БИС

При сравнении рассмотренных выше схемотехнологий не трудно придти к следующим выводам:

В биполярных технологиях базовым является элемент реализующий лишь одну логическую функцию (И-НЕ в ТТЛ(Ш) и ИЛИ-НЕ в ЭСЛ), в то время как базовыми в МДП технологиях являются и те и другие логические элементы. Конечно, можно любую логическую функцию перевести в базисы И-НЕ или ИЛИ-НЕ, но это усложняет и процесс создания схемы, и саму схему. Следовательно с этой позиции схемы предпочтительней строить на основе МДП структур.

Так как внутреннее умножение частоты в проектируемой БИС было устранено, то быстродействие не играет значительной роли, следовательно, технология ЭСЛ отпадает; так как интегральные схемы, построенные по данной технологии, потребляют значительную мощность и менее помехоустойчивы, чем все остальные; а для обеспечения питания таких схем необходимы специальные каскады.

У схем МДП более простая технология изготовления, что сказывается на себестоимости всего устройства в целом, следовательно, с этих позиций технология МДП предпочтительней биполярной.

В результате анализа различных технологий (см. ГЛАВА 9) было отдано предпочтение технологии КМДП, как наиболее оптимальной для решения данной задачи.

СХЕМЫ КМДП С ТРЕЬИМ СОСТОЯНИЕМ
Для решения некоторых задач, например, таких как подключение нескольких устройств к одной шине, используются схемы с третьим состоянием. Помимо двух логических уровней у такой схемы есть еще одно - третье состояние, в котором выход (иногда вход) схемы отключен, и сигналы проходящие по шине в этот момент не влияют на элементы данной схемы, и в тоже время на шину не поступают сигналы от отключенных таким способом элементов. В результате схемы с третьим состоянием позволяют избежать наложения сигналов от разных устройств, подключенных к одной шине и, следовательно, избежать помех в общих для нескольких устройств проводниках. Так как для построения схемы была выбрана технология КМДП, то рассмотрим схему с тремя состояниями на примере инвертора построенного по технологии КМДП, схема этого устройства изображена на рисунке 4.8.

Транзисторы VT1 и VT2 представляют собой обычный КМДП инвертор, подключенный к источнику питания и общей шине через транзисторные ключи, построенные на транзисторах VT3 и VT4.

Р
ис. 4.8. Схема КМДП с тремя состояниями.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Управление ей осуществляется двумя входами Z и Z. Если на вход Z подать напряжение логической единицы, то транзисторы VT3 и VT4 откроются и схема работает как обычный инвертор, а при подаче на управляющий вход напряжения логического нуля транзисторы VT3 и VT4 закроются и на выходе схемы окажется очень большое сопротивление. Таблица истинности такого элемента сведена в таблицу 4.1.

Вход	Z	Z	Выход
0 1 0 1	0 0 1 1	1 1 0 0	Отключен Отключен 1 0

Таблица 5.1.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ БИС ГРУППОВОГО КАНАЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЗАКАЗНОЙ БИС

Увеличение степени интеграции ИС приводит к их функциональной специализации и затратам на разработку . Это приводит к тому , что заказные БИС обычно производятся малыми партиями по специальному заказу, поэтому такие БИС являются очень дорогими, по сравнению с серийными, так как требуют тех же затрат на разработку, при намного меньшем числе БИС в серии . Кроме этого высокая степень функциональной специализации таких БИС требует от проектировщика глубоких специальных схемотехнических знаний . Но при использовании серийных интегральных схем их количество в проектируемом устройстве составляло бы несколько десятков, что существенно снизило бы надежность, увеличило бы количество потребляемой энергии, потребовало бы намного большей площади, при тех же реализуемых функциях; и в итоге оказалось бы экономически нецелесообразным. Поэтому было решено строить интерфейс в виде одной заказной БИС.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Выбор оптимального строения структурной схемы БИС интерфейса в наибольшей степени зависит от выбора оптимальных условий формирования уплотненного временного канала.

Проведем сравнение этих условий по следующим критериям:

по числу функций, выполняемых блоками интерфейса ;

по внутренней частоте;

по стоимости реализации интерфейса;

по рациональному использованию оперативной памяти.

Рассмотрим три способа выделения и вставки каналов:

1 - традиционный;

2 – реализованный в прототипе;

3 – с параллельной шиной.

Традиционный способ состоит в выделения ( или вставки ) одного уплотненного по времени канала из 64^х входящих групповых каналов простым извлечением его из всеобщего потока посредством увеличения ( или уменьшения ) числа интерфейсом . Этот способ невыгоден, так как с увеличением числа интерфейсов увеличивается количество коммутаторов.

Это приводит к увеличению объема обработки , выполняемого коммутатором и увеличением тактовой частоты в два , четыре , восемь раз по

сравнению с данной . А это приводит к тому , что уменьшается количество операций выполняемых отдельными блоками коммутатора и усложняется схемотехника всего устройства в целом.

Способ, реализованный в прототипе, заключается в выделении и вставке 16 ^го служебного канала если тактовая частота совпадает со станционной частотой . Этот способ хоть и позволяет устранить некоторые сложности схемотехнического плана , но не решает всей проблемы в целом , т.к. не всегда эти частоты совпадают и на выравнивание приходится применять более сложную аппаратуру .

В качестве оптимального выбран 3^ий способ . Этот способ подразумевает выделение 16 ^го канала из внутренней оперативной памяти , в которую записываются каналы , которые пришли ранее синхросигнала ( нулевого канала ) . Все это позволяет в некотором виде снизить себестоимость устройства в целом .

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ БИС

К разрабатываемой БИС интерфейса предъявляются следующие требования, которые позволяют более плодотворно вести работу по созданию данного устройства:

возможность интегрирования в существующие цифровые системы передачи данных (в частности построение одно- и многозвенных систем на основе разрабатываемой БИС);

простота управления;

невысокая стоимость.

Для обеспечения возможности интегрирования в существующие цифровые системы необходимо применять стандартные схемотехнологии построения БИС, обладающие широкой распространенностью. Следовательно, для своей реализации разрабатываемое устройство требует определенные промышленные наработки различных технологий. На современном этапе производительность той или иной технологии не может быть измерена только количеством элементов (чаще всего транзисторов) на единице площади, как это часто делается для интегральных схем. Логическая функция (И-НЕ или ИЛИ-НЕ) реализованная по одной технологии необязательно эквивалентна по количеству элементов соответствующей логической функции реализованной на основе другой технологии, поэтому число элементов на единицу площади не является основным критерием сравнения технологий. В этом случае важны и другие характеристики БИС реализованных на основе разных технологий, отражающие их функциональные возможности, способы реализации логических функций.

От других типов БИС, заказные интегральные схемы отличаются следующими своими свойствами:

Большая степень интеграции;

Меньшая функциональная гибкость;

Аппаратная поддержка выполняемых команд.

Все эти и некоторые другие свойства позволяют реализовывать на них сложные алгоритмы обработки цифровых сигналов при относительно низких затратах.

Таким образом, использование заказной БИС, реализованной на отработанной технологии производства, существенно уменьшит ограничения на сложность реализации интерфейса при относительно низких затратах на производство.

Выбор технологии производства БИС производится методом анализа иерархий . Варианты , которые были рассмотрены , представлены в таблице 9.1.

Возможные варианты технологий производства заказной БИС.

Технология	Краткое описание (реализуемая базовая функция)
ТТЛ(Ш)	Биполярная (И-НЕ)
ЭСЛ	Биполярная (ИЛИ-НЕ)
NМДП	МДП с n-каналом (И-НЕ и ИЛИ-НЕ)
КМДП	Комплиментарная МДП (И-НЕ и ИЛИ-НЕ)

Таблица 9.1

При заполнении таблиц использовалась шкала относительной важности, приведенная в таблице 9.2.

Шкала относительной важности.

Интенсивность относительной важности	определение
1	равная важность
3	умеренное превосходство
5	сильное превосходство
7	значительное превосходство
9	очень сильное превосходство
2,4,6,8	промежуточные суждения

Таблица 9.2.

Выбор производится по следующим критериям:

Быстродействие;

Помехоустойчивость;

Потребляемая мощность;

Площадь, занимаемая на кристалле;

Совместимость (возможность интеграции БИС, построенной по данной технологии, с БИС, построенными по другой технологии);

Стоимость.

На основании этих данных были составлены 7 матриц: матрица попарных сравнений для критериев, по которой определяется наиболее важный (таблица 9.3) ,6 матриц попарных сравнений альтернатив по отношению к каждому критерию (таблицы 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9).

В матрицах приняты следующие обозначения:

X_i - локальный приоритет, определяемый по формуле : X_i=,

- сумма по столбцу .

A - вариант реализации на ТТЛ(Ш),

B - вариант реализации на ЭСЛ,

C - вариант реализации на nМДП,

D - вариант реализации на КМДП.

	1	2	3	4	5	6		Xi
1.Быстродей­ствие	1	1/5	3	1/3	1/7	3	0,66	0,07
2.Помехо­устойчивость	3	1/5	3	1	1/7	3	0,96	0,11
3.Потребление	1/3	1/7	1	1/3	1/5	3	0,46	0,05
4.Площадь	7	3	5	7	1	7	4,15	0,45
5.Совмести­мость	5	1	7	5	1/3	5	2,58	0,28
6.Стоимость	1/3	1/5	1/3	1/3	1/7	1	0,32	0,04
							9,13	1,00

Таблица 9.3.

Рассчитаем отношение согласованности по следующей формуле:

ОС = ИС/СС, где (9.1)

ИС = (_il - n)/(n - 1); (9.2)

n=6; СС=1,2

_il =  X_i *  y_ij = 1,17 + 1,33 + 0,96 + 1,54 + 0,88 + 0,88 = 6,76; (9.3)

ИС = (6,76 - 6)/(6 - 1) = 0,152;

ОС = 0,152/1,2 = 0,127.

ОС