Приложение I.

КМОП элементная база – это класс схем, которые могут быть описаны обобщенной структурной схемой:

Обобщенная структурная схема нужна для того, чтобы генерить конкретные схемотехнические решения с помощью морфологического метода. В структуре схемы выделяют: нагрузочный элемент (НЭ), переключательный элемент (ПЭ), шина питания, шина земли, вход и выход. Так для простейшего элемента – инвертора, нагрузочным элементом является p-канальный транзистор, а переключательным – n-канальный. Таким образом, инвертор состоит из двух транзисторов и связями между ними. Общий принцип работы такого элемента:

Когда на входе имеется напряжение логического нуля, n-канальный транзистор закрыт, тогда его можно представить разомкнутым ключом. При этом p-канальный транзистор открыт, следовательно, его можно уподобить ключу разомкнутому. В этом состоянии цепь между шиной питания и общей шиной разомкнута, и ток в этой цепи не протекает. Тогда U_вых=Е_п.

Если на входе напряжение логической единицы, то получим наоборот. Тогда выход связан с общей шиной и имеет напряжения логического нуля.

Приложение II.

Для подсчета средней потребляемой мощности за период была написана специальная целевая функция (Goal Function). Описание ее следующее:

Pow(1) = mpavg(x1,x2,1)

{

1| Search forward level(5%,p) !1

Search forward level(5%,p) !2;

}

Здесь pow – название функции (единица в левой части означает, что на ее месте надо писать вид расчетной зависимости), mpavg - функция, считающая среднее значение по оси Y между двумя значениями по оси X (последняя цифра означает область распространения подсчета в этом интервале, выражается в процентах). В фигурных скобках описывается тело функции.

Для подсчета также можно использовать другой вариант: вывести с каким-то шагом все значения тока на источнике питания, посчитать их среднее значение и умножить на напряжение питания. Но этот способ не очень приемлем в Orcad Capture, поскольку каждую схему приходится дополнительно считать в Pspice для вывода в output файле всех значений.

Оценка задержек переключения и потребляемой мощности.

Оценку задержек проводим в среде Orcad Capture и в среде Pspice. Необходимо это для того, чтобы проверить влияние особенностей топологии на задержку переключения и потребляемую мощность схемы.

Для начала рассчитываем задержки в зависимости от количества нагрузочных инверторов:

• Ненагруженная схема:

Orcad Capture

t₀₁= 39.4 пс

t₁₀= 40.2 пс

t_ср= 39.8 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 14.49Ггц

Pspice

t₀₁= 87.57 пс

t₁₀= 86.75 пс

t_ср= 87.16 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 7.246Ггц

• Подключен один нагрузочный инвертор:

Orcad Capture

t₀₁= 55 пс

t₁₀= 56.1 пс

t_ср= 55.55 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 12.195Ггц

Pspice

t₀₁= 113.27 пс

t₁₀= 110.64пс

t_ср= 111.95 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 4Ггц

• Подключены два нагрузочных инвертора:

Orcad Capture

t₀₁= 72.2 пс

t₁₀= 73.165 пс

t_ср= 72.68 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 6.41Гц

Pspice

t₀₁= 144.62 пс

t₁₀= 137.95 пс

t_ср= 141.29 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 3.048Ггц

• Наконец подключаем четыре нагрузочных инвертора:

Orcad Capture

t₀₁= 104.49 пс

t₁₀= 106.74 пс

t_ср= 105.615 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 3.378Ггц

Pspice

t₀₁= 201.862 пс

t₁₀= 200.66 пс

t_ср= 201.26 пс

Рабочая частота при этом

_раб= 1.428Ггц

Зависимость средней задержки от температуры:

Как видно из графиков и из расчета задержек, с увеличением числа нагрузочных инверторов увеличивается средняя задержка переключения и уменьшается рабочая частота. Причем задержки в Pspice оказываются больше, чем в Orcad Capture. Это объясняется тем, что в Orcad Capture не учитывается влияние на работу схемы паразитных элементов, в частности, емкостей между металлизацией, подложкой, затворами и областями диффузии. При моделировании схемы на уровне топологии (в Microwind) производится учет этих параметров, что сказывается на быстродействии, т.к. на их зарядку и разрядку тратится время. Соответственно изменяется и потребляемая мощность, затрачиваемая на переключение элемента из закрытого состояния в открытое и наоборот. Некоторое отличие потребляемой мощности от 0 после переключения 0-1 можно объяснить тем, что в структуре присутствуют токи утечек.

Рассчитаем теперь задержки в зависимости от изменения температуры. Значения температуры взяты от –50^оС до +50^оС.

Orcad Capture

Т=-50^оС

t₀₁= 44.15 пс

t₁₀= 43.45 пс

t_ср= 43.8 пс

T=-23 ^оС

t₀₁= 43.6 пс

t₁₀= 43.7 пс

t_ср= 43.65 пс

T=0 ^оС

t₀₁= 42.8 пс

t₁₀= 43.4 пс

t_ср= 43.1 пс

T=27 ^оС T=+50 ^оС

t₀₁= 41.55 пс t₀₁= 40.35 пс

t₁₀= 41.5 пс t₁₀= 40.6 пс

t_ср= 41.525 пс t_ср= 40.475 пс

При этом рабочая частота равняется 14.085Ггц

Pspice

Т=-50^оС

t₀₁= 88.69 пс

t₁₀= 89.98 пс

t_ср= 89.33 пс

T=-23 ^оС

t₀₁= 88.25 пс

t₁₀= 89.79 пс

t_ср= 89.024 пс

T=0 ^оС

t₀₁= 87.38 пс

t₁₀= 88.25 пс

t_ср= 87.81 пс

T=27 ^оС T=+50 ^оС

t₀₁= 86.041 пс t₀₁= 83.38 пс

t₁₀= 87.59пс t₁₀= 86.48 пс

t_ср= 86.81 пс t_ср= 84.93 пс

Рабочая частота в этом случае принята равной 7.092Ггц

Зависимость средней задержки от температуры:

Как видим, среднее время задержки меняется очень незначительно, причем, чем меньше температура – тем больше задержка переключения. Это связано с изменением подвижности отновных носителей. Также при увеличении резко меняются свойства полупроводника, что и сказывается на увеличении средней задержки. При более высокой температуре 80С и выше происходит разрушение структуры транзистора. Это можно объяснить тем, что при увеличении температуры увеличивается число основных носителей заряда и увеличением области объемного заряда. Графики мгновенной мощностей для соответствующих значений температур:

Orcad Capture Pspice

И зависимость мгновенной мощности и рассеивающей мощности от температуры:

Аналогичным образом рассчитываются задержки в зависимости от напряжения источника питания. Расчет сделан для напряжений 1.1В, 1.2В, 1.3В (10%).

Orcad Capture

Е_пит=1.1В

t₀₁= 45.55 пс

t₁₀= 45.9 пс

t_ср= 45.725 пс

Е_пит=1.15В

t₀₁= 45.75 пс

t₁₀= 45.4 пс

t_ср= 45.575 пс

Е_пит=1.2В

t₀₁= 43.35 пс

t₁₀= 43.4 пс

t_ср= 43.375 пс

Е_пит=1.25В Е_пит=1.3В

t₀₁= 43.05 пс t₀₁= 43.1 пс

t₁₀= 43 пс t₁₀= 41.75 пс

t_ср= 43.25 пс t_ср= 42.425 пс

Рабочая частота в этом случае принята равной 13.699Ггц

Pspice

Е_пит=1.1В

t₀₁= 90.081 пс

t₁₀= 89.657 пс

t_ср= 89.869 пс

Е_пит=1.15В

t₀₁= 88.172 пс

t₁₀= 88.171 пс

t_ср= 88.172 пс

Е_пит=1.2В

t₀₁= 86.473 пс

t₁₀= 87.747 пс

t_ср= 87.11 пс

Е_пит=1.25В Е_пит=1.3В

t₀₁= 86.61 пс t₀₁= 85.624 пс

t₁₀= 86.47 пс t₁₀= 85.625 пс

t_ср= 86.545 пс t_ср= 85.625 пс

Рабочая частота в этом случае принята равной 16.993Ггц

Зависимость средней задержки от напряжения питания:

Как видно из графиков, наиболее сильно задержка изменилась при .

Достаточно большое отличие задержки переключения 0-1 при уменьшении напряжения питания объясняется тем, что при подаче меньшего напряжения на сток p- канального транзистора в вольт-амперной характеристике ток уменьшается, соответственно увеличивается время на зарядку паразитной емкости. Если подаем напряжение больше напряжения питания, то ток достигает тока насыщения, и время на зарядку практически не изменяется. На n- канальном транзисторе при этом задержка практически неизменна, так как входной импульс и емкость после зарядки не изменяются, то ток разрядки примерно одинаков.

Графики мощности

Orcad Capture Pspice

Ниже представлена зависимость средней мгновенной и рассеиваемой мощности от напряжения питания:

Для определения минимальной задержки воспользуемся кольцевым генератором. Суть его состоит в последовательном соединении нечетного числа инверторов. Тогда сигнал, входящий в первый из них, пройдя всю цепочку, вернется в инверсном виде и т.д. То есть на отдельно взятом инверторе будет происходить постоянное чередование сигналов, при этом период чередования будет зависеть от числа инверторов и от их собственной задержки. Средняя задержка на инверторе рассчитывается с помощью формулы , где Т – средний период, N – количество включенных в цепь инверторов.

• 3 инвертора

Т= 93 пс

t_min= 15.5 пс

• 5 инверторов

Т= 160 пс

t_min= 16 пс

• 7 инверторов

Т= 220пс

t_min= 15.7 пс

Для определения средней задржки строим график зависимости средней задержки от числа подключенных инверторов:

Среднее время задержки при этом t_cp= 15.8 пс

Общий вывод:

Наибольшее влияние на быстродействие оказали нагрузочные инверторы. При температуре, особенно положительной, и изменении напряжения питания задержка в схеме почти не менялась, или менялась, но не существенно. Но даже в случае ненагруженной схемы задержка оказалась в 3 раза больше, чем минимальная, полученная при расчете с помощью кольцевого генератора. А так как мощность потребляется только при переходных процессах в схеме на КМОП элементах, то при увеличении задержки она соответственно увеличивается. Особенно это сказывается при учете топологии, т.к. при построении более сложной схемы число паразитных емкостей увеличивается, в результате чего ухудшается быстродействие и увеличиваться потребляемая мощность. Поэтому для уменьшения задержки переключения необходимо либо переходить на новый технологический уровень, либо модель модифицировать (как это делается в ТТЛ(там транзисторы шунтируют диодом Шотки для увеличения быстродействия)), либо разрабатывать принципиально новую конфигурацию.

13