Проектирование логического ключа в n-МОП базисе с квазилинейной нагрузкой

	Скачать реферат: Проектирование логического ключа в n-МОП базисе с квазилинейной нагрузкой

Техническое задание

1.  Минимизировать заданную логическую функцию с учетом схемотехнического базиса.

2.  Разработать электрическую схему в заданном схемотехническом nМОП-базисе. Рассчитать параметры компонентов.

3.  Рассчитать передаточную характеристику.

4.  Разработать эскиз топологии в соответствии с заданным технологическим маршрутом.

Наименование	Обозначение	Величина	Размерность
Уровень логической единицы		6	В
Уровень логического нуля		0.8	В
Напряжение помехоустойчивости		0.5	В
Средняя мощность		0.4	мВт
Коэффициент влияния подложки		0.3
Минимальный размер проектирования		2	мкм
Толщина окисла		50	нм
Диэлектрическая проницаемость окисла		4
Диэлектрическая проницаемость воздуха
Подвижность электронов в подложке		500
Глубина диффузии		0.7	мкм
Емкость нагрузки		1	пФ
Тип затвора
Тип логического ключа	Квази-линейная нагрузка
Логическая функция по варианту задания

Минимизация логической функции в nМОП-базисе

Минимизацию заданной логической функции F₈ производим по карте Карно:

В результате минимизации получаем логическую функцию F_min, которую преобразуем при помощи операций булевой алгебры в функцию удовлетворяющую nМОП-базису:

Электрическая схема в nМОП-базисе

В соответствии с полученной логической функции F_min и заданным видом нагрузочного транзистора, составляется электрическая схема логического nМОП ключа:

Логический ключ с квазилинейной нагрузкой

Электрическая схема ключа:

В логическом ключе с квазилинейной нагрузкой, нагрузочный транзистор должен работать в крутой области. Поэтому на работу такого ключа накладывается условие:

,

где

Тогда при подстановке этих значений в условие, а также после преобразования неравенства, получим:

при этом напряжение смещения затвора нагрузочного транзистора стараются брать не очень большим. Ток протекающий через нагрузочный транзистор описывается выражением:

Для простоты анализа схемы, будем предполагать, что

,

т. е. транзистор работает на границе между крутой и пологой областями. При этом допущении ток нагрузочного транзистора преобразуется в  выражение:

Также для простоты будем считать, что

Совместная ВАХ ключа показана на рис.1. Чтобы построить передаточную характеристику логического ключа, необходимо разобрать работу ключа в трех характерных точках (областях) ВАХ.

1. 

В этой области ключевой транзистор закрыт, значит напряжение на выходе равно уровню логической 1

.

2. 

Ток протекающий через нагрузочный транзистор равен току ключевого транзистора работающего в пологой области:

, при .

Тогда зависимость выходного напряжения от входного, определяется как

 и является линейной зависимостью.

Напряжение между второй и третьей областями, находится при наложении условия работы транзистора на границе между пологой и крутой областями:

.

Приравнивая две последнии формулы, получим граничное напряжение

3. 

Здесь ключевой транзистор работает в крутой области, следовательно

.

Выразить из этой формулы выходное напряжение достаточно сложно, но можно выразить входное напряжение от выходного, а затем проанализировать его.

.

Чтобы сказать какая это зависимость, лучше сначала эту формулу апроксимировать. Т. к. в третьей области напряжения на выходе малы и близки к нулю, то соответствующими членами в уравнении можно пренебречь:

, теперь можно выразить выходное напряжение

 и эта зависимость является гиперболической.

В результате внимательного рассмотрения трех характерных областей работы логического ключа, была построена на рис.2 передаточная характеристика этого ключа.

Полученные характеристики логического ключа с квазилинейной нагрузкой:

Методика расчета параметров компонентов nМОП ключа

Напряжение источника питания равно

На входе логического элемента действует напряжение:

Пороговое напряжение транзистора при нулевом напряжении затвор-исток выражается из формулы для нахождения помехоустойчивости:

Максимальный ток, при котором открыты ключевые транзисторы Т1 и Т2 в nМОП ключе, находится из выражения:

Напряжение смещения затвора нагрузочного транзистора (чтобы он работал в крутой области) рассчитывается по формуле:

Для расчета крутизн nМОП ключа, необходимо рассмотреть совместную выходную ВАХ работы этого ключа.  На рис.1 представлена такая совместная ВАХ трех транзисторов: нагрузочного Т3 и двух ключевых транзисторов Т1 и Т2, включенных параллельно, таким образом, что реализуется логическая схема ИЛИ-НЕ. Рассмотрим два случая, обозначенные на графике точками 1 и 2.

Случай 1. Потенциалы на обоих затворах ключевых транзисторов Т1 и Т2 одинаковы и равны уровню логической 1. Тогда при одинаковых транзисторах Т1 и Т2 ток нагрузочного транзистора Т3 равен:

и он не должен превышать ток указанный в техническом задании. А выходное напряжение ключа должно быть меньше, чем уровень логического 0:

Следовательно, точка 1 будет описываться следующей системой уравнений:

Эту систему можно преобразовать к виду:

Случай 2. В этом случае на одном из ключевых транзисторов действует уровень логической 1, а на другом - уровень логического 0. Поэтому весь ток протекающий через нагрузочный транзистор Т3 равен току протекающему только через один из двух ключевых транзисторов:

причем:

А выходной потенциал не должен превышать указанный уровень логического 0. В результате точка 2 на графике будет описана второй системой уравнений:

Затем эту систему можно привести к уравнению вида:

По этому уравнению можно сразу рассчитать отношение крутизн. Затем из уравнения выведенного в первом случае, после раскрытия скобок, преобразования и приведения подобных, получим уравнение вида:

,

где

тогда решением квадратного уравнения будет:

Воспользовавшись уравнениями из первого случая, находим соответствующие крутизны транзисторов, которые определяются как:

Размеры соответствующих транзисторов nМОП ключа выводятся из формулы для определения крутизны:

где удельная крутизна равна:

На размеры транзисторов накладывается дополнительное условие минимально допустимого размера элемента. Для поликремния эти условия равны:

т.е. при определении размеров канала, одна из двух величин (ширина или длина) должна быть равна минимально допустимому значению (в силу экономии места на пластине), а вторая величина соответственно должна быть больше или равна минимально допустимой. Затем производят округление полученных значений.

Расчет по указанным формулам производится с помощью программы написанной  на языке Паскаль SOLVE.PAS, Текст которой, а также результат работы программы приведены на страницах 1113.

После расчета всех параметров, проводят моделирование nМОП ключа на ЭВМ в среде PSPICE. Программы моделирования и расчета логического ключа, а также значения потребляемой мощности, передаточной и переходной характеристик показаны на страницах 1416. По передаточной и переходной характеристикам определяются соответственно статические и динамические параметры схемы, значения которых сведены в одну общую таблицу на странице 17.

Программа расчета параметров ключа SOLVE.PAS

Program SOLVE;

const

U1  : Real=(6.0);  {В}

U0  : Real=(0.8);  {В}

Upu  : Real=(0.5);  {В}

P  : Real=(0.4);  {мВт}

n  : Real=(0.3); { коэффициентвлиянияподложки }

dok  : Real=(50);  {нм}

eok  : Real=(4);

e0  : Real=(8.85e-12); {Ф/м}

un  : Real=(500);  {см2/Вс}

xj  : Real=(0.7);  {мкм}

cn  : Real=(1);  {пФ}

lamda: Real=(2);  {мкм}

var

I0, Uin  : real;

Wn, Ln, Wk, Lk  : real;

Kn, Kk, Kyd  : real;

A, B, C, K  : real;

Up, Unop0, U3 : real;

Uv1, Uv2, Uv  : real;

procedure WL(a:real;var W,L:Real);  { процедуранахождения W и L }

begin

if a<1 then

begin

W:=2*lamda;L:=round(W/a);

end

else

begin

L:=2*lamda;W:=round(L*a);

end;

end;

begin

Up:=U1;

writeln('Напряжение источника питания Uип=',Up:3:3,' В');

Uin:=U1;

writeln('Входное напряжение ключа Uвх=',Uin:3:3,' В');

Unop0:=U0+Upu;

write('Пороговое напряжение транзисторов Uпор0=');

writeln(Unop0:3:3,' В');

I0:=2*P*1e-3/Up;

writeln('Максимальный ток лог. "0" Io=',I0*1e6:3:6,' мкА');

U3:=Up*(1+n)+Unop0;

write('Напряжение на затворе Uз > ',U3:3:3,' В');

U3:=round(U3)+1;writeln(', принимаем Uз=',U3:3:3,' В');

K:=U0*(2*(Uin-Unop0)-U0*(1+n));

K:=K/((Up-U0)*(2*(U3-Unop0)-(Up+U0)*(1+n)));

writeln('Отношение крутизн Kн/Kк=',K:3:6);

A:=(1+n)*(2+K);

B:=2*(2*(Uin-Unop0)+K*(U3-Unop0));

C:=Up*K*(2*(U3-Unop0)-Up*(1+n));

writeln('Коэффициенты в квадратном уравнении для расчета U'':');

writeln('A=',A:3:6,'; B=',B:3:6,'; C=',C:3:6,';');

Uv1:=(B-sqrt(sqr(B)-4*A*C))/(2*A);

Uv2:=(B+sqrt(sqr(B)-4*A*C))/(2*A);

if Uv1<U0 then Uv:=Uv1 else Uv:=Uv2;

write('Решения квадратного уравнения [В]: U''(1,2)=(');

writeln(Uv1:3:3,',',Uv2:3:3,') < ',U0:3:3,' =>> U''=',Uv:3:3);

Kn:=2*I0/((Up-Uv)*(2*(U3-Unop0)-(Up+Uv)*(1+n)));

Kk:=I0/(Uv*(2*(Uin-Unop0)-Uv*(1+n)));

Kyd:=un*1e-4*eok*e0/(dok*1e-9);

write('Рассчитанные крутизны [мкB/A2]: Kуд=',Kyd*1e6:3:3);

writeln('; Kн=',Kn*1e6:3:6,'; Kк=',Kk*1e6:3:6,';');

WL(Kn/Kyd,Wn,Ln);WL(Kk/Kyd,Wk,Lk);

write('Округленные значения размеров канала [мкм]: Wн=',Wn:3:1);

writeln(', Lн=',Ln:3:1,'; Wк=',Wk:3:1,', Lк=',Lk:3:1,';');

write('*** Пересчет параметров с учетом округленных ');

writeln('значений ширины и длины канала ***');

Kn:=Kyd*Wn/Ln;Kk:=Kyd*Wk/Lk;

write('Значения крутизн [мкB/A2]: ');

writeln('Kн=',Kn*1e6:3:6,'; Kк=',Kk*1e6:3:6,';');

K:=Kn/Kk;writeln('Отношениекрутизн Kн/Kк=',K:3:6);

A:=(1+n)*(1+K);

B:=2*(Uin-Unop0+K*(U3-Unop0));

C:=Up*K*(2*(U3-Unop0)-Up*(1+n));

writeln('Коэффициенты в квадратном уравнении для расчета Uo:');

writeln('A=',A:3:6,'; B=',B:3:6,'; C=',C:3:6,';');

Uv1:=(B-sqrt(sqr(B)-4*A*C))/(2*A);

Uv2:=(B+sqrt(sqr(B)-4*A*C))/(2*A);

if Uv1<Uv2 then Uv:=Uv1 else Uv:=Uv2;

writeln('Рассчитанное значение уровня лог. "0" Uo=',Uv:3:3,' В');

A:=(1+n)*(2+K);

B:=2*(2*(Uin-Unop0)+K*(U3-Unop0));

C:=Up*K*(2*(U3-Unop0)-Up*(1+n));

writeln('Коэффициенты в квадратном уравнении для расчета U'':');

writeln('A=',A:3:6,'; B=',B:3:6,'; C=',C:3:6,';');

Uv1:=(B-sqrt(sqr(B)-4*A*C))/(2*A);

Uv2:=(B+sqrt(sqr(B)-4*A*C))/(2*A);

if Uv1<Uv2 then Uv:=Uv1 else Uv:=Uv2;

writeln('Перерассчитанное значение U''=',Uv:3:3,' В');

I0:=Kk*(Uv*(2*(Uin-Unop0)-Uv*(1+n)));

write('Заново рассчитанный MAX ток лог. "0" Io=');

writeln(I0*1e6:3:6,' мкА');

P:=Up*I0/2;

write('Средняя потребляемая мощность ЛЭ P=');

writeln(P*1e3:3:6,' мВт');

end.

Программы анализа схемы в среде PSPICE

Программа N1: расчет графических характеристик.

.Model nmos nmos (level=2 vto=1.3 kp=35.400u tpg=-1

+gamma=1 tox=50n xj=0.7u uo=500 )

MT3 5 3 4 0 nmos L=27u W=4u

MT1 4 1 0 0 nmos L=4u W=4u

MT2 4 2 0 0 nmos L=4u W=4u

Vdop 2 0 DC 0.8

Vp 5 0 DC 6

V3 3 0 DC 10

Vin 1 0 Pulse (0 6 0 1.5n 1.5n 55n)

Cn 4 0 1pf

.DC Vin 0 6 0.01

.tran 0.1n 300n

.probe

.end

Программа N2: расчет потребляемой мощности.

.Model nmos nmos (level=2 vto=1.3 kp=35.400u tpg=-1

+gamma=1 tox=50n xj=0.7u uo=500 )

MT3 5 3 4 0 nmos L=27u W=4u

MT1 4 1 0 0 nmos L=4u W=4u

MT2 4 2 0 0 nmos L=4u W=4u

Vin1 1 0 DC 6

Vin2 2 0 DC 6

Vp 5 0 DC 6

V3 3 0 DC 10

Cn 4 0 1pf

.probe

.end

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION  TEMPERATURE=27.000 DEG C

NODE  ( 1)  ( 2)  ( 3)  ( 4)  ( 5)

VOLTAGE  6.0000  6.0000  10.0000  .4133  6.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

Vin1  0.000E+00

Vin2  0.000E+00

Vp  -1.279E-04

V3  0.000E+00

TOTAL POWER DISSIPATION  7.68E-04  WATTS

Результат работы программы SOLVE.PAS

Напряжение источника питания Uип=6.000 В

Входное напряжение ключа Uвх=6.000 В

Пороговое напряжение транзисторов Uпор0=1.300 В

Максимальный ток лог. "0" Io=133.333333 мкА

Напряжение на затворе Uз > 9.100 В, принимаем Uз=10.000 В

Отношение крутизн Kн/Kк=0.150252

Коэффициенты в квадратном уравнении для расчета U':

A=2.795327; B=21.414378; C=8.654493;

Решения квадратного уравнения [В]:

U'(1,2)=(0.428,7.233) < 0.800 =>> U'=0.428

Рассчитанные крутизны [мкB/A2]:

Kуд=35.400; Kн=5.292064; Kк=35.221348;

Округленные значения размеров канала [мкм]:

Wн=4.0, Lн=27.0; Wк=4.0, Lк=4.0;

*** Пересчет параметров с учетом округленных значений

ширины и длины канала ***

Значения крутизн [мкB/A2]: Kн=5.244444; Kк=35.400000;

Отношение крутизн Kн/Kк=0.148148

Коэффициенты в квадратном уравнении для расчета Uo:

A=1.492593; B=11.977778; C=8.533333;

Рассчитанное значение уровня лог. "0" Uo=0.790 В

Коэффициенты в квадратном уравнении для расчета U':

A=2.792593; B=21.377778; C=8.533333;

Перерассчитанное значение U'=0.422 В

Заново рассчитанный MAX ток лог. "0" Io=132.371876 мкА

Средняя потребляемая мощность ЛЭ P=0.397116 мВт

Определение параметров логического ключа по графическим характеристикам.

Наименование	Параметры	Значение	Размерность
Уровень логического 0 на выходе ключа		0.7791	В
Уровень логической 1 на выходе ключа		6	В
Разность логических уровней		5.2209	В
Пороговая точка переключения		3.14	В
Помехозащищенность логического 0		2.3609	В
Помехозащищенность логической 1		2.86	В
Помехоустойчивость логического 0		0.7909	В
Помехоустойчивость логической 1		1.96	В
Средняя потребляемая мощность ключа		0.384	мВт
Время среза импульса		22.04	нс
Время фронта импульса		237.4	нс
Время задержки переключения из 1 в 0		10.81	нс
Время задержки переключения из 0 в 1		44.05	нс
Среднее время задержки переключения		27.43	нс

Технологический маршрут изготовления простейшего МДПвентиля с самосовмещенным затвором.

1.  Выращивание тонкого подзатворного диэлектрика.
2.  Создание p+-охраны.
3.  Локальное окисление.
4.  Формирование поликремниевого затвора.
5.  Ионное n+-легирование через тонкий диэлектрик.
6.  Нанесение ФСС и вскрытие контактных окон.
7.  Металлизация алюминием.
8.  Пассивация.

Топологическое проектирование.

Заключение

В процессе проектирования логического элемента в nМОП-базисе была проделана следующая работа:

1. Полное аналитическое раскрытие режимов работы логического ключа с квазилинейной нагрузкой.

2. В соответствии с техническим заданием выполненно:

Минимизация логической функции с учетом схемотехнического базиса.

Проектирование электрической схемы ключа в nМОП-базисе.

Разработка методики расчета параметров компонентов nМОП-ключа.

Составление программы расчета параметров на языке Паскаль.

Написание программы исследования логического ключа в среде PSPICE на предмет получения (расчета) передаточной и переходной характеристик.

Определение параметров по полученным характеристикам и занесение их в таблицу.

Разработка технологического маршрута изготовления простейшего вентиля на МДП-транзисторе и топологическое проектирование всего логического ключа.

Литература

1. Онацко В. Ф. Конспект лекций по курсу Микросхемотехника на факультете МТМиК за 6 семестр. МИЭТ. 1995г.