книги / Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах

сигналов, обеспечивающие работоспособность динамических элемен­ тов

зовым сигналом, то схема является двухфазной. Однако она может функционировать и при одном фазовом сигнале, так как каждый сигнал разбивает период на время действия импульса и паузу между ними. Временная диаграмма, со­ ответствующая (2.13), показана на рис. 2.26, а. Обратим внимание на то, что qa может быть равен 1 во время обоих тактов. Временная диаграмма на рис. 2.26, б отличается только запретом на появление qu во втором такте. Эта диа­ грамма соответствует (2.14). На рис. 2.26, в показана диа­ грамма, реализующая уравнение (2.15). Число тактов, за которое выполняются все ограничения, равно трем.

Тактовые импульсы и минимальная временная диаграм­ ма показывают, что функционирование можно обеспечить и двумя тактовыми последовательностями, например Фх и Ф2. Тогда первому такту выполнения операций соответст­

вует конъюнкция сигналов Фх*Ф2, второму — Фх*Ф2, тре* тьему — Фх-Ф2. В данном случае пауза между сигналами обеспечивает выполнение всех операций. Введем дополни­ тельный сигнал, соответствующий регенерации информации. Будем рассматривать схему, считывание в которой проис­ ходит с разрушением. Для такой схемы будут справедливы

— 1. Внесем в таблицу новую переменную q B- Очевидно ог­ раничения Fg, Fü, F7, F9 т о л ь к о сокращают число строк в

новой таблице. При введении новой переменной число строк из

таблицы удваивается. Табл. 2.20 описывает функциониро­ вание схемы. Определяя значения функций F 6, Fe, F v F8, занося их в таблицу, легко найти F — F^F^F^Fg = 1. На­

неся эти значения на диаграмму Вейча (рис. 2.27; а) и счи­ тывая ее в минимальной форме, получаем:

F — CJvflxQc "Ь ЯвЯсЯз "Ь ЯиЯхЯз “Ь Я\ЯсЯзЯп'

Введение дополнительного сигнала и связанных с ним ограничений приводит к увеличению минимального числа временнйх интервалов, необходимых для реализации всех операций. Временная диаграмма работы схемы показана на рис. 2.27, б. Работа такой схемы должна быть синхронизи­ рована четырьмя или тремя последовательностями фазовых сигналов. В последнем случае для синхронизации исполь­ зуется пауза между импульсами. В первом такте осущест­ вляется запись информации, во втором — хранение, в тре­ тьем — считывание и, наконец, в четвертом — регенера­ ция информации. Конкретный вид временных диаграмм за­ висит от выбранного способа выполнения операций. Рассмо­ тренные временные диаграммы определяют минимальное число временных интервалов для выполнения операций и

Таблица 2.20

Рнс. 2.27. Диаграммы Вейча (а) и вре­ менная диаграмма (б) динамического элемента с регенерацией информации

обеспечивают выполнение всех операций исключительно во время действия фазовых импульсов. Так как возможны раз­ личные способы выполнения операций записи, считывания, регенерации, то это может привести к изменению временнйх диаграмм. Зная временные диаграммы и выполняемые в каждом такте операции, нетрудно с помощью табл. 2.18 составить РЛФ, которая позволяет синтезировать прин­ ципиальную схему динамического элемента. Задаваясь по­ следовательностью выполнения операций, нетрудно по; строить [41] динамическое цифровое устройство,

2.14. Выводы

Схемотехническими критериями качества, которые сле­ дует учитывать при синтезе, являются: число транзисторов в схеме, быстродействие, потребляемая мощность, площадь, занимаемая элементом на кристалле, структура топологии. Оптимизация по этим критериям сводится, к оптимизации структуры проектируемого элемента — порядка соединения транзисторов.

Критерии качества схем «с отношением» смешанного типа и «без отношения» различны, что приводит при одина­ ковых логических функциях к разным схемотехническим решениям. Схемы смешанного типа всегда реализуются на меньшем числе транзисторов, чем схемы «без отношения», но, как правило, уступают последним по электрическим па раметрам.

Комплекс — многоразрядное число, характеризующее количество покрытий каждой конституенты логической функции импликантами, позволяет установить принци­ пиальные различия между синтезированными схемами. Мак­ симальное число различных комплексов для каждой функ­ ции характеризует число различных схемотехнических ре­ шений. Так как с ростом числа логических переменных уве­ личивается число разных комплексов, то при синтезе схем целесообразно ограничиваться квазиполным набором комп­ лексов, который позволяет для каждой функции найти до­ статочно большое множество схемотехнических решений.

Синтез схем с ОС — триггеров и триггерных систем — можно свести к синтезу комбинационных схем, описывающих изменение управляющих сигналов триггерных ячеек. Воз­ можен и непосредственный синтез схемы для функции, вы­ полняемой триггером. В этом случае формально следует ввести элемент повторения с задержкой, который реализу­ ется двумя каскадно соединенными транзисторами.

Соответствие СФ соединению транзисторов в схеме поз­ воляет осуществить анализ новых принципиальных схем, определить выполняемые ими функции и новые идеи совершествования схемотехнических решений.

Разработанные методы синтеза и оптимизации позволили получить схемотехнические решения цифровых элементов более эффективные, чем известные ранее. При реализации логических функций это уменьшает число элементов в сред­ нем в 3 раза, число транзисторов—в 1,5—2 раза, активную

площадь схемы — в 1,3 раза, повышает быстродействие в 1,5— 2 раза.

Синтез принципиальных схем динамических элементов подобен синтезу статических элементов при заданном наборе сигналов с учетом взаимосвязи логики их работы с числом тактовых управляющих сигналов и временной диаграммой функционирования.

При синтезе сложных устройств трудности возникают при определении функций, которые они должны выполнять. Метод типовых операций удобен при эвристическом проекти­ ровании схем цифровых устройств. По совокупности вы­ полняемых операций определяется РЛФ для синтезируемого устройства, что позволяет определить функции элемента, а затем на основе разработанных методов оптимизации полу­ чить оптимальноё схемотехническое решение.

Синтез входных элементов микросхем, элементов неравнозначности

истробирования

3.1.Вводные замечания

Вцифровых микросхемах наряду с разнообразными по своим функциям ЛЭ и триггерами, выполняющими тради­ ционные логические и арифметические функции, функции элементов памяти, сдвига, пересчета, записи, считывания информации и т. д., применяются различные специальные

ивспомогательные элементы, к которым относятся входные

ивыходные элементы, элементы согласования и сдвига уров­ ней, стробирования, -объединения и разделения (мульти­ плексоры и демультиплексоры) и др. Схемотехнике этих элементов уделяется обычно недостаточное внимание в пе­ риодической литературе. На npàKTHKe используются лишь отдельные типовые решения. Очевидно, что множество прин­ ципиальных схем таких элементов постоянно растет, а свой­ ства и функции их расширяются. С ростом сложности БИС

иповышением их быстродействия будут повышаться требо­ вания к качеству специальных и вспомогательных элемен­ тов. Одним из направлений их совершенствования является совершенствование схемотехники, основанное на синтезе принципиальных схем, поэтому в данной,главе рассмотре­ ны методы синтеза некоторых специальных элементов и приведены схемотехнические решения, которые будут по­ лезны в практической работе.

Основное внимание уделено входным элементам, элемен­ там стробирования й элементам неравнозначности, с помо­ щью которых реализуются многие функции, выполняемые цифровыми устройствами.

Рассмотренные в данной главе примеры являются иллю­ страцией применения методов синтеза, рассмотренных выше. Основное внимание уделено неавтоматизированному син­ тезу принципиальных схем, что делает изложенные ниже приемы синтеза доступными и для повседневной инженер­ ной практики.

3.2. Назначение и классификация входных элементов микросхем

Входные элементы предназначены для:

защиты входных цепей от электрических перегрузок; формирования внутренних для микросхем логических

уровней; хранения информации в процессе ее обработки в микро­

схеме; согласования различных цифровых устройств по уров­

ням входных и выходных сигналов, усиления входных сиг­ налов;

повышения чувствительности и быстродействия входных цепей и помехоустойчивости микросхем.

В зависимости от назначения входные элементы делятся на элементы защиты входных цепей, входные элементы пря­ мого усиления, элементы с фиксацией и хранением входной информации — входные регистры.

Схемотехника и конструкция элементов защиты подроб­ но рассмотрены в [59]. Необходимость в элементах защиты обусловлена тем, что МДП-транзисторы имеют большое входное сопротивление и на диэлектрике накапливается значительный заряд статического электричества, который может оказаться достаточным для электрического пробоя диэлектрического слоя. Для защиты цепей затворов МДПтранзисторов, подключенных к выводам корпуса микросхе­ мы, применяются специальные элементы защиты, которые предназначены для ограничения статического напряжения и статического заряда на затворе транзистора и для созда­ ния цепей утечки этого заряда.

К элементам защиты предъявляются следующие основ­ ные требования. Они должны обеспечивать эффективное ог­ раничение входного сигнала — минимально возможное из­ менение напряжения на входе транзистора при максималь­ но допустимом входном сигнале. Разброс уровней ограниче­ ния в цепях затворов не должен превышать заданного мак­ симального значения, обеспечивающего надежную работу схем, и не должен быть меньше максимально допустимого напряжения питания схемы. Элемент защиты должен быть эффективен как при отрицательных, так и положительных напряжениях на входе. После выполнения охранных функ­ ций элемент должен быстро восстанавливать свои электриче­ ские свойства. Так как элементы защиты не выполняют ло­ гических функций, то они синтезируются эвристическими методами.

Цель данной главы — проиллюстрировать инженерную методику синтеза входных элементов прямого усиления и ре­ гистрового типа, а также элементов синхронизации сигна­ лов — элементов стробирования, рассмотреть особенности конкретных схемотехнических реализаций. Большинство примеров, приведенных в данной главе, представляют собой элементы на КМДП-транзисторах. Основные их достоинст­ ва хорошо известны [191. Методы синтеза, как было отмече­ но ранее, применимы и к схемам на одноканальных транзи­ сторах (например, на n-канальных), т. е. к схемам «с отно­ шением».

3.3.Функции, выполняемые входными элементами

Вкаждый момент времени t состояние входного элемен­ та будем характеризовать значениями трех сигналов: двух внешних — сигнала выборки кристалла ВК (0 и сигнала входной информации :— входных данных D (0, а также

внутреннегосигнала и (0 , характеризующего состояние

на выходе элемента в момент времени t. Под действием вход­ ных сигналов элемент переходит в новое состояние, которое характеризуется сигналом и (/ + 1). Такой подход позво­ ляет рассматривать входные элементы как автоматы. В част­ ном случае, когда и (t + 1) не зависит от и (0 и автомат не

сохраняет своего состояния при изменении входных внеш­ них сигналов, такой автомат превращается в комбинацион­

переменных ВК (0, D (0 , и (0 , что свидетельствует о су­

ществовании 256 различных функциональных зависимостей и (t + 1) от входных переменных. Ограничим число рассма­ триваемых в дальнейшем вариантов входных элементов. Для этого предположим, что запись информации происхо­

ход показывает, что введение дополнительных ограничений уменьшает возможное число вариантов. Введение дополни­ тельных условий, совершенствующих функциональные возможности входных элементов (например, условия регене­ рации входных сигналов), приводит к увеличению возмож­ ного числа схемотехнических решений.

Сформулированные ранее ограничения приводят к 16 функциям, которые реализуются входными элементами.