1.2. Схемотехническое проектирование

Базовые вентили

Согласно технологии CMOS-0.35 um ширины транзисторов базовых вентилей: L=0.35 мкм; 0.2 мкм

Минимальные ширины транзисторов в базовом инверторе:

W_0n = 4 0.8 мкм; мкм

Текст модели p-канального транзистора	Текст модели n-канального транзистора
.model Mbreakp PMOS LEVEL=3 VTO=-0.60 KP=52.000E-6 LD =-0.050U THETA=0.300 GAMMA=0.400 PHI=0.700 KAPPA=0.010 VMAX=100.00K CGSO= 10.0p CGDO= 10.0p TOX=7n *$	.model Mbreakn NMOS LEVEL=3 VTO=0.60 KP=200.000E-6 LD =-0.050U THETA=0.300 GAMMA=0.400 PHI=0.700 KAPPA=0.010 VMAX=130.00K CGSO= 10.0p CGDO= 10.0p TOX=7n *$

Ширины n-канальных транзисторов в базовом вентиле 2И-НЕ увеличиваются в 2 раза, т.е. W_n = 1.6 мкм, в базовом вентиле. В 3И-НЕ увеличиваются в 3 раза, т.е. W_n = 2.4 мкм

Используя полученные данные, собираются базовые вентили на транзисторах с минимальными ширинами и создаются библиотеки. Полученные схемы представлены на рисунке 1.8.

а) б)

в)

Рис. 1.8 - Электрическая схема инвертора (а), элемента 2И-НЕ (б) и

элемента 3И-НЕ (в)

Буферный элемент

Чтобы обеспечить заданное по ТЗ быстродействие при работе схемы на большую выходную нагрузочную ёмкость, необходимо рассчитать параметры буферного элемента. Для этого собирается схема буферного элемента (рис. 1.9) и осуществляется параметрическое моделирование данной схемы (рис. 1.10).

Рис. 1.9 - Схема моделирования буферного элемента

При моделировании необходимо увеличивать размеры транзисторов в буферном элементе до тех пор, пока фронт и срез выходного сигнала не станут удовлетворять требованиям ТЗ.

По ТЗ t_фр,ср = 1 нс, поэтому из рисунка 1.10 было выбрано удовлетворяющее ему значение параметра A = 18. Далее для найденного параметра A = 9 измерены динамические характеристики буферного элемента.

Рис. 1.10 - Результаты параметрического моделирования буферного элемента

Далее проводится параметрический анализ схемы моделирования буферного элемента (рис. 1.11 и 1.12), чтобы определить минимальное напряжение питания и максимальную нагрузочную ёмкость, при которых еще выполняется требование ТЗ по времени фронта и среза.

Рис. 1.11 - Результат параметрического моделирования буферного элемента по напряжению питания

Рис. 1.12 - Результат параметрического моделирования буферного элемента по нагрузочной ёмкости

Из рис. 1.11 и 1.12 видно, что минимальное напряжение питания равно Vdd_min= 3.3В, а максимальная нагрузочная ёмкость равна С_Hmax= 1.547 пФ

Кольцевой генератор

Для того, чтобы определить нагрузочную способность всех вентилей, можно воспользоваться методом построения кольцевого генератора. Схема моделирующая «лучший» случай, состоит из последовательно подключенных инверторов, количество которых определяется значением максимального пути. Схема моделирующая «худший» случай, состоит из нагруженных и последовательно подключенных инверторов, количество которых определяется значением максимального пути. В данном проекте максимальный путь в устройстве равен N_max = 15, максимальный коэффициент разветвления по выходу – M _сх = 9. Схемы моделирования кольцевых генераторов представлены на рис.1.13, а результат её моделирования на рис.1.14.

Видно, что M_max = 5, при M _сх = 5, рабочая частота составляет , а M_max >> M _сх, тогда T = 1/f_раб= 1/(96.77*10⁶)=10.7 нс

а)

б)

Рис. 1.13 - Схема моделирования кольцевых генераторов: а) «лучший» случай;

б) «худший» случай

Рис. 1.14 - Результат моделирования кольцевых генераторов.

Динамические характеристики вентилей

Электрическая схема для моделирования вентилей приведена на рисунке 1.15. Вентили подключаются по схеме худшего случая по крутизне. В таблицу 3 занесены динамические характеристики логических элементов, полученные в результате их моделирования.

Рис. 1.15 - Схема моделирования логических элементов

Таблица 3. Результаты измерения динамических характеристик логических элементов

Логич. эл-ты	tфр, нс	tср, нс	tзд01, нс	tзд10, нс	tзд ср, нс	Нагрузка
Инвертор	0.499	0.427	0.311	0.217	0.264	M =5
2И-НЕ	0.532	0.341	0.343	0.163	0.253
3И-НЕ	0.551	0.331	0.371	0.149	0.260
Буфер	0.971	0.850	0.763	1.022	0.893	Cн=1.5p

Полная схема устройства

На основе раннее созданных элементов, собирается общая схема устройства, с учетом буферных элементов и емкостей. Схема представлена на рис. 1.16, а результат моделирования на рис. 1.17.

Рис. 1.16 - Полная схема устройства с учетом буферных элементов

и нагрузочных ёмкостей

Рис. 1.17 - Результат моделирования полной схемы устройства

После схемотехнического моделирования необходимо провести расчёт средней потребляемой мощности в устройстве. Результат моделирования изображен на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Средняя мощность устройства 

Из рисунка 1.18 видно, что в конце моделирования средняя мощность принимает значение Р_ср = 1.56 мВт

Для оценочного расчёта потребляемой мощности можно воспользоваться формулой:

,

где

= 52; = 81; = 54; = 1;

Тогда: Р_потр = 3.15 мВт

Перед проектированием топологии компонентов и всего устройства необходимо произвести расчет максимально допустимой в заданном технологическом базисе длины межсоединений.

Далее необходимо найти постоянную времени в цепи из двух логических элементов по формуле:

,

где R₁ – выходное сопротивление логического элемента 1 и С₂ – входная емкость логического элемента 2.

С учетом задержки в межсоединении она равна:

,

где R_Me и С_Me - сопротивление и емкость дорожки соединения между двумя логическими элементами.

Выходное сопротивление логического элемента можно приближенно оценить по формуле

т.к. основная часть переходного процесса идет в крутой области работы МДП-транзистора [2].

Входная емкость равна:

Влияние паразитных сопротивления и ёмкости дорожек металлизации существенно если , или

Таким образом, для нахождения максимально допустимой длины участка межсоединений, влиянием которого на задержку распространения сигнала можно пренебречь, требуется решить уравнение:

,

Удельная паразитная ёмкость вычисляется по формуле плоского конденсатора

,

Сопротивление дорожки металлизации вычисляется по формуле:

(1)

Но, т.к. квадратный участок металлизации имеет одинаковое сопротивление при любой длине его сторон, то используют величину удельного сопротивления слоя R₀, измеряемую в единицах Ом/□.

(2)

Величина сильно отличается в уравнениях (1) и (2). Значит необходимо выбрать значение из уравнения (2). Далее нужно решить квадратное уравнение:

,

_{D=R12CL2+RL2C22+2,2R1CLRLC2 = (754)2*(20.7*10-12)2+(0.5*106)2*}

_{*(3.5*10-14)2+2,2*754*20.7*10-12*0.5*106*3.5*10-14=}

_{=11.35*10-16 (Ом2*Ф2)/м2}

тогда, максимальная длина шины разводки, будет равна

- максимальная допустимая длина межсоединений в данном технологическом базисе.

Следовательно, удельная паразитная емкость cоставит:

C_Me=C_L*l=20.7*10^-12*39*10^-6=8.1*10^-16 Ф