Разработка систем-на-кристалле
Для функционирования системы программное обеспечение не менее важно, чем аппаратное. Разработка, как правило, ведётся параллельно. Аппаратная часть собирается из стандартных отлаженных блоков, для сборки программной части используются готовые драйверы. Применяются средства автоматизации разработки CAD и интегрированные программные оболочки.
Для того, чтобы удостовериться в правильной работе созданной комбинации блоков, драйверы и программу загружают в эмулятор аппаратной части (микросхему с программируемыми цепями, FPGA). Также требуется задать расположение блоков и разработать межблочные связи.
Перед сдачей в производство аппаратная часть тестируется на корректность с использованием языков Verilog и VHDL, а для более сложных схем –System Verilog, SystemC,e и OpenVera. До 70 % общих усилий на разработку затрачивается именно на этом этапе.
Системы-на-кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее количество корпусов упрощает монтаж. Тем не менее, создание одной слишком большой и сложной системы на кристалле может оказаться более дорогим процессом, чем серии из маленьких из-за сложности разработки и отладки и снижения процента выхода годных изделий.
Полузаказные и заказные цифровые ИМС
Полузаказные и заказные специализированные ИС (Application Spe-cific Integrated Circuits - ASIC) также используются для обеспечения решае-мых проблем, но ПЛИС обеспечивают дополнительную гибкость при проектировании и модификации аппаратуры, обеспечивают более быстрый выход на рынок и более низкие затраты.
Технологии проектирования и изготовления специализированных имс
Специализированные ИМС (ASIC) делят (рис. 1):
- на заказные;
-
полузаказные; 
- программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
Рис. 1. Классификация ИМС по методологии (технологии) проектирования
и изготовления
Заказные (полностью заказные, full custom) ИМС проектируются и из-готавливаются по технологии стандартных ИМС, но в отличие от стандартных в них:
• ИМС выполняют специальные функции;
• серия выпускаемых микросхем обычно невелика.
Процесс проектирования и изготовления заказных ИМС отличается значительными затратами, большими сроками разработки (5 - 9 месяцев), но ИМС полностью удовлетворяют требованиям заказчика, обладают наилучшими техническими характеристиками, минимальными размерами кристалла. Здесь каждый прибор и схемный элемент разрабатывается под конкретный кристалл, эта технология выбирается, когда необходимо минимизировать размер кристалла или реализовать функцию, которая невыпол
К полузаказным (semi-custom) ИМС относят микросхемы, проектиро-вание и изготовление которых выполняется на основе методов стандартных ячеек и базовых матричных кристаллов.
Технология на основе метода стандартных ячеек (standard cells) полу-чила наибольшее распространение в мире и имеет следующие особенности:
- основана на применении при проектировании заранее разработан-ных компонентов (ячеек);
- в качестве ячеек могут быть отдельные транзисторы, логические элементы, триггеры, регистры, АЛУ, ОЗУ и т.п.;
- для ячеек имеется полная технологическая, схемная и конструк-торско-топологическая информация, которая хранится в библиоте-ках САПР;
- проектирование заключается в покрытии исходной (проектируе-мой) схемы набором ячеек, размещении отобранных ячеек на кри-сталле и трассировки межсоединений;
- нет сокращения числа фотошаблонов по сравнению с заказными;
- сокращение процесса проектирования за счет использования гото-вых библиотек стандартных ячеек, которые уже полностью извест-ны и являются, по сути, заказными;
- ИМС полностью удовлетворяют требованиям заказчика, обладают практически наивысшими техническими характеристиками и ми-нимальной площадью кристалла;
- технология характеризуется более низкой стоимостью проектиро-вания и готовых кристаллов (по сравнению с заказной), малыми сроками проектирования (2 - 3 месяца) и изготовления (2 - 3 неде-ли).
Технология на основе метода базовых матричных кристаллов (БМК, БИС на БМК, МаБИС, gate arrays) имеет следующие отличительные осо-бенности:
- проектирование основано на использовании заранее подготовлен-ных кристаллов (по заказной технологии) с уже имеющимися эле-ментами чаще всего в виде матрицы одинаковых элементов, а также ряда элементов коммутации и ввода/вывода и т.п.;
- все схемы и элементы БМК прошли полную аттестацию (по элек-трическим и топологическим параметрам), нет только соединений между элементами, необходимы одна-две операции по выполне-нию соединений с помощью одного-двух слоев металлизации;
- проектирование схем на БМК можно выполнить или в фирме-разработчике БМК по запросу заказчика, или непосредственно пользователем под конкретную схему;
- БМК поставляются с библиотекой параметров элементов матриц и коммутаций;
- БМК могут быть на основе вентильных матриц для цифровых ИМС или на основе аналоговых матриц кристаллов и функцио-нальных элементов для аналоговых ИМС;
- достоинствами технологии являются низкие стоимость проектиро-вания и изготовления изделий на БМК, малые сроки проектирова-ния и изготовления (1 - 2 месяца);
- недостатки: несколько большая площадь кристалла (по сравнению с заказными и на основе стандартных ячеек), неполное использо-вание кристалла (лишние элементы, избыточность БМК), несколь-ко худшие технические характеристики (по сравнению с заказными).
нима или неоптимальна в полузаказных, или когда нет подобных стандартных ИМС.
Операционные усилители
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.
Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:
Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи Gopenloop.[2]
Бесконечно большое входное сопротивлениевходовV- и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
Нулевое выходное сопротивлениевыхода ОУ.
Способность выставить на выходе любое значение напряжения.
Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
6 Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности. Обозначение ОУ на схемах