Московский институт электронной техники

Курсовая работа по

Интегральной схемотехнике

Оценка быстродействия схемы на схемотехническом

и топологическом уровне

Выполнил

Студент гр. ЭКТ-32

Тюрин А.В.

Москва 2002

Цель курсовой работы – дать оценку быстродействию схемы на основе ее поведения при изменении каких-либо параметров. При этом анализ проводится для варианта схемы без учета топологии и на топологическом уровне. Работа выполняется в среде Orcad v9.2 и в среде Microwind.

Заданная схема построена на основе логики на комплиментарных полевых транзисторах (КМОП). Она основана на принципе, который заключается в том, чтобы обеспечить отсутст-вие токов, и следовательно, потребляемой мощности в стационарных состояниях, а также чтобы создать такую схемотехническую конфигурацию, которая обеспечивала работу логического элемента при минимальном напряжении питания. Основа структуры логических элементов – комплиментарная пара транзисторов (n- и p-типа проводимости). Она является исчерпывающей для как построения простейшей структуры – инвертора, так и более сложных элементов. Данная схема состоит из трех логических элементов: инвертора, элемента типа 2И-НЕ и элемента типа 2ИЛИ-НЕ. Структура элементов представлена ниже (рисунки выполнены в Orcad Capture)

2ИЛИ-НЕ

2И-НЕ

Простейший КМОП элемент – инвертор, состоит из нагрузочного элемента (здесь М2) и переключательного элемента (М1). На основе обобщенной схемы инвертора можно построить остальные базовые элементы.

Для формирования схемы на топологическом уровне используем среду Microwind. На уровне топологии транзистор представляет собой две области n- или p- диффузии (сток, исток), между которыми находится слой поликремния, выполняющий роль затвора. P- канальный транзистор выполнен в отдельном кармане n- типа.

О

инвертор

сновные требования, накладываемые на топологию: достижение максимальной плотности компоновки и уменьшение суммарной длины соединений. Для увеличения плотности компоновки разумно использовать принцип функциональной интеграции. Суть его заключается в следующем: различные рабочие области полупроводниковых приборов, имеющие один тип проводимости и по условиям рабочей схемы всегда находящиеся под одним потенциалом, совмещаются. В результате такого совмещения оказывается, что одна и та же полупроводниковая область выполняет 2 функции: стока одного транзистора и истока другого, либо общим затвором (поликремнием). Для уменьшения длины соединений металлизацию проводим таким образом, чтобы она имела как можно меньше пересечений. Также одним из основных свойств МОП транзистора, влияющим на плотность компоновки, является свойство самоизоляции.

Для нормального функционирования схемы исходная подложка p- типа всегда соединяется с точкой наиболее отрицательного потенциала. Соответственно подложка n- типа соединяется с наиболее положительным потенциалом. При этом обеспечивается хорошая изоляция.

Все транзисторы выполняем по технологии 0.12 мкм, при этом ширина канала W=0.36мкм, длина канала L=2min, т.е. 0.24мкм.

После создания топологии получаем нетлист с p- и n- канальными транзисторами типа highspeed

Пример нетлиста:

.MODEL MbreakN NMOS LEVEL=3 VTO=0.30 U0=0.060 TOX= 3.5E-9

+LD =0.000U THETA=0.300 GAMMA=0.400

+PHI=0.200 KAPPA=0.060 VMAX=170.00K

+CGSO=100.0p CGDO=100.0p

+CGBO= 60.0p CJSW=240.0p

+L=0.24u W=0.36u

Основные параметры транзистора:

• VTO – пороговое напряжение (напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает определенной величины)

• L – длина канала, W – ширина канала (область канала находится под затвором между стоком и истоком)

• LD и WD – длина и ширина боковых диффузий

• U0 – поверхностная подвижность

• GAMMA – коэффициент влияния подложки

• THETA – коэффициент модуляции подвижных носителей

• TOX – толщина подзатворной области

• CGSO, CGDO, CGBO, CJSW – емкости структуры (например, CGSO – емкость между затвором и истоком)

Для дальнейшего расчета топологию экстрагируем в Pspice. Воспользовавшись Orcad Capture, проведем оценку задержек переключения и сравним ее с задержками, полученными в Pspice. По максимальному пути получаем максимальную задержку переключения и максимальную рабочую частоту.