晶体管规则阵列设计技术课件

第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术 VLSIC是是高高度度复复杂杂的的集集成成系系统统，为为保保证证设设计计的的正正确确性性并并且且降降低低设设计计难难度度，提提高高设设计计效效率率，避避免免由由于于在在版版图图设设计计过过程程中中采采用用复复杂杂结结构构而而引引入入不不可可靠靠因因素素，因因此此，在在VLSI的的设设计计技技术术中中大大量量地地采采用用规规则则结结构构，晶晶体体管管规规则则阵阵列列设设计技术就是其中之一。计技术就是其中之一。在在这这个个结结构构中中的的基基本本单单元元就就是是MOS晶晶体体管或管或CMOS晶体管对。晶体管对。1第四章 晶体管规则阵列设计技术 VLSI电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.1 晶体管阵列及其逻辑设计应用晶体管阵列及其逻辑设计应用 ROM是最常用的晶体管规则阵列，它以晶体管的是最常用的晶体管规则阵列，它以晶体管的有无来确定存储的信号是有无来确定存储的信号是“0”或或“1”。224.1 晶体管阵列及其逻辑设计应用 ROM是电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.1.1 全全NMOS结构结构ROM 334.1.1 全NMOS结构ROM 33电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术 与与/或或ROM对比对比或或ROMNMOS并联结构并联结构与与ROMNMOS串联结构串联结构字线有效性字线有效性高有效高有效其他字线为其他字线为”0”低有效低有效其他字线为其他字线为”1”数据存储数据存储有晶体管为有晶体管为”0”无晶体管为无晶体管为”1”有晶体管为有晶体管为”1”无晶体管为无晶体管为”0”44 与/或ROM对比或ROM与ROM字线有效性高有效低有效数据电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术动态动态NMOS或非结构或非结构ROM55动态NMOS或非结构ROM55电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.1.2 ROM版图版图1.NMOS或非结构或非结构ROM版图版图 664.1.2 ROM版图1.NMOS或非结构ROM版图 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术2.NMOS与非结构与非结构ROM版图版图 772.NMOS与非结构ROM版图 77电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术例题：按照真值表，用例题：按照真值表，用NMOS或非或非ROM结构电路实现逻辑。结构电路实现逻辑。88例题：按照真值表，用NMOS或非ROM结构电路实现逻辑。8电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术9999电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术10101010电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术11111111电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术12121212电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术13131313电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术14141414电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.2 MOS晶体管开关逻辑晶体管开关逻辑 MOS开关晶体管逻辑是建立在开关晶体管逻辑是建立在“传输晶体管传输晶体管”或或“传输门传输门”基础上的逻辑结构，所以又称为基础上的逻辑结构，所以又称为传输晶体管逻辑。信号的传输是通过导通的传输晶体管逻辑。信号的传输是通过导通的MOS器件，从源传到漏或从漏传到源。这时的信号接器件，从源传到漏或从漏传到源。这时的信号接受端的逻辑值将同时取决于信号的发送端和受端的逻辑值将同时取决于信号的发送端和MOS器件栅极的逻辑值。器件栅极的逻辑值。15154.2 MOS晶体管开关逻辑 MOS开关电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.2.1 开关逻辑开关逻辑1.多路转换开关多路转换开关MUX 16164.2.1 开关逻辑1.多路转换开关MUX 1616电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术CMOS结构的结构的MUX1717CMOS结构的MUX1717电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术带有提升电路的带有提升电路的MUX1818带有提升电路的MUX1818电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术2.MUX逻辑应用逻辑应用 在在MUX作为选择开关的应用时，将作为选择开关的应用时，将B和和A当作控制信号，而将当作控制信号，而将C0C3当作数据信号，当作数据信号，如果反过来，仍是这个电路结构，将如果反过来，仍是这个电路结构，将C0C3当作逻辑功能控制信号，当作逻辑功能控制信号，B和和A作为逻辑数作为逻辑数据信号，我们可以得到一个非常有趣地逻辑据信号，我们可以得到一个非常有趣地逻辑结构。结构。19192.MUX逻辑应用 在MUX作为选择开关的应用时电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术20202020电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术A、B的“与”函数枚举：A B、A B、A B、A B（=A+B）A、B的“与非”函数枚举：A B、A B、A B、A BA、B的“或”函数枚举：A+B、A+B、A+B、A+B（=AB）A、B的“或非”函数枚举：A+B、A+B、A+B、A+BA、B同相、倒相、异或、同或：A、A、B、B、让我们来看一看，这些逻辑是否能够涵盖所有可能的两输入逻辑让我们来看一看，这些逻辑是否能够涵盖所有可能的两输入逻辑2121A、B的“与”函数枚举：A、B的“与非”函数枚举：A、B的“电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术例例2：设计一个实现四种逻辑操作的电路，其中控制：设计一个实现四种逻辑操作的电路，其中控制信号为信号为K1K0，逻辑输入为，逻辑输入为A、B，当，当K1K0=00时，实时，实现现A、B的与非操作；当的与非操作；当K1K0=01时，实现时，实现A、B的或的或非操作；当非操作；当K1K0=10时，实现时，实现A、B的异或操作；当的异或操作；当K1K0=11时，实现时，实现A信号的倒相操作；信号的倒相操作；分析：首先，我们可以确定采用四到一分析：首先，我们可以确定采用四到一MUX能够实现能够实现所需的四种逻辑操作，接下来的任务是产生所需的四所需的四种逻辑操作，接下来的任务是产生所需的四种控制编码种控制编码C3C0，同时，这四种控制编码又对应了外，同时，这四种控制编码又对应了外部的二位控制信号部的二位控制信号K1K0，因此，该逻辑应由两部分组，因此，该逻辑应由两部分组成：编码产生与控制逻辑和四到一的成：编码产生与控制逻辑和四到一的MUX。2222例2：设计一个实现四种逻辑操作的电路，其中控制信号为K1K0电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术查表查表4-1可知，当实现可知，当实现A、B与非操作时，与非操作时，C3C0为为0111；当实现当实现A信号倒相操作时，信号倒相操作时，C3C0为为0101；当实现当实现A、B异或操作时，异或操作时，C3C0为为0110；当实现当实现A、B或非操作时，或非操作时，C3C0为为0001；K1K0=00时，时，A、B的与非操作；的与非操作；K1K0=01时，时，A、B的或非操作；的或非操作；K1K0=10时，时，A、B的异或操作；的异或操作；K1K0=11时，时，A信号的倒相操作；信号的倒相操作；2323查表4-1可知，当实现A、B与非操作时，C3C0为0111电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术K1K0=00,A、B与非操作与非操作,C3C0为为0111;K1K0=01,A、B或非操作或非操作,C3C0为为0001;K1K0=10,A、B异或操作异或操作,C3C0为为0110;K1K0=11,A信号倒相操作信号倒相操作,C3C0为为0101。2424K1K0=00,A、B与非操作,C3C0为0111;24电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.2.2 棒状图棒状图 25254.2.2 棒状图 2525电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA也是典型的晶体管规则阵列结也是典型的晶体管规则阵列结构，它采用两级构，它采用两级ROM形式构造电路，其两级形式构造电路，其两级ROM阵列阵列分别为分别为“与平面与平面”和和“或平面或平面”，这是源于大多数逻辑，这是源于大多数逻辑表达式采用表达式采用“与与-或或”结构。结构。它不用译码电路而直接将输入变量的原量和非量送它不用译码电路而直接将输入变量的原量和非量送入晶体管阵列。入晶体管阵列。实际的实际的PLA结构中，结构中，“与平面与平面”并不是由并不是由“与门与门”阵列构成，同样的，阵列构成，同样的，“或平面或平面”也不是也不是“或门或门”阵列，阵列，其两个其两个“平面平面”的组合是以的组合是以“或非或非-或非或非”或者或者“与非与非-与非与非”，或者其他变形结构的阵列形式出现。，或者其他变形结构的阵列形式出现。26264.3 PLA及其拓展结构 可编程逻辑阵列PLA也电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.3.1 “与非与非-与非与非”阵列结构阵列结构27274.3.1 “与非-与非”阵列结构2727电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.3.2 “或非或非-或非或非”阵列结构阵列结构 当用当用“或非或非-或非或非”结构结构PLA实现逻辑时必须实现逻辑时必须输入取反、输出取反。输入取反、输出取反。28284.3.2 “或非-或非”阵列结构 当用“或非-或电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术例例3：用或非：用或非-或非结构的或非结构的PLA实现下面的逻辑实现下面的逻辑解解：这这个个逻逻辑辑函函数数就就是是例例2描描述述的的逻逻辑辑，我我们们在在例例2中中采采用用的的是是ROM+MUX的的结结构构，现现在在采采用用PLA进进行行设设计计。首首先需将函数化为标准的与先需将函数化为标准的与-或表达式：或表达式：2929例3：用或非-或非结构的PLA实现下面的逻辑2929电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术30303030电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.3.3 多级门阵列多级门阵列(MGA)MGA是在是在PLA基础上变化而成的多级门结构，虽基础上变化而成的多级门结构，虽然它被称为门阵列，实际上它是多级然它被称为门阵列，实际上它是多级PLA的组合，一个的组合，一个最明显的标志是它对输入、输出位置的限制。最明显的标志是它对输入、输出位置的限制。因为在每块因为在每块PLA中，中，“与平面与平面”只能外部输入，内只能外部输入，内部输出，部输出，“或平面或平面”只能内部输入，外部输出。只能内部输入，外部输出。31314.3.3 多级门阵列(MGA)MGA电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 多级门阵列多级门阵列(MGA)32324.3 PLA及其拓展结构 3232电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 多级门阵列多级门阵列(MGA)33334.3 PLA及其拓展结构 3333电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 多级门阵列多级门阵列(MGA)34344.3 PLA及其拓展结构 3434电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.4 门阵列门阵列 门阵列是一种规则化的版图结构。门阵列版图采门阵列是一种规则化的版图结构。门阵列版图采用行式结构，在单元行内规则的排列着以标准门定义用行式结构，在单元行内规则的排列着以标准门定义的门单元。的门单元。严格地讲，门阵列不是一个实现逻辑的电路结构，严格地讲，门阵列不是一个实现逻辑的电路结构，它是一种版图形式。它是一种版图形式。35354.4 门阵列 门阵列是一种规则化的版图结构。门阵电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术36363636电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术37373737电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.4.1 门阵列单元门阵列单元 38384.4.1 门阵列单元 3838电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术39393939电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术40404040电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术 s s1 1 s s2 2 s s3 3 s s4 4 s s5 5 s s6 6 s s7 7 s s11 s s2 2 s s33 s s44 s s55 s s6 6 s s77 4141 s1 s2 s3 s4 s5 s6 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术42424242电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.4.2 整体结构设计准则整体结构设计准则 电电源源、地地线线必必须须用用铝铝引引线线，为为了了使使电电源源和和地地线线通通达达各各个个单单元元，它它们们应应设设计计成成叉叉指指形形。电电源源、地地线线在在各各单单元元行行的的位位置置、宽宽度度必必须须一一致致。对对于于外外部部的的输输入入、输输出出单单元元的的电电源源和和地地线线的的设设计计采采用用“回回”字字型型结结构构，以以保保证证电电源源和和地地线线能能够通达到每一个单元。够通达到每一个单元。采采用用垂垂直直布布线线法法，即即水水平平方方向向用用铝铝线线作作为为各各单单元元间间的的互互连连线线。垂垂直直方方向向用用多多晶晶硅硅条条或或扩扩散散条条作作为为穿穿越越单单元元行行的的通通信信以以及及铝铝引引线线交交叉叉的的通通道道。由由于于铝铝线线与与多多晶晶硅硅条条或或扩扩散散条条可以互相跨越，因此它们可以共用同一个布线通道。可以互相跨越，因此它们可以共用同一个布线通道。采采用用“行行式式结结构构”，即即单单元元行行和和布布线线通通道道间间隔隔排排列列，这这种间隔便于种间隔便于CAD软件实现自动布局布线。软件实现自动布局布线。用掩模版编程的用掩模版编程的I/O PAD单元或独立的单元或独立的I/O单元位于芯单元位于芯片四周。片四周。43434.4.2 整体结构设计准则 电源、地线必须用铝引线，为电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术44444444电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 S1S2Q1S2S3AS3S4BQ1S1S2AS2S3BS3S4读图方法：读图方法：1.读晶体管读晶体管S、G、D2.读纯掺杂区互连读纯掺杂区互连3.读多晶硅互连读多晶硅互连4.读金属互连读金属互连AS3S2S2S1Q14545 s1 s2 s3 s4 s5 s6 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.4.3 门阵列在门阵列在VLSI设计中的应用形式设计中的应用形式 门门阵阵列列是是一一种种规规则则阵阵列列形形式式的的版版图图，可可以以完完全全按按照照人人们们习习惯惯的的设设计计方方式式构构造造电电路路，不不必必考考虑虑逻辑表达式是什么形式。逻辑表达式是什么形式。门门阵阵列列设设计计应应用用形形式式：电电路路的的完完全全实实现现形形式式；电路的局部实现形式。电路的局部实现形式。46464.4.3 门阵列在VLSI设计中的应用形式 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4.5 晶体管规则阵列设计技术应用晶体管规则阵列设计技术应用 1.EPLD中的宏单元中的宏单元 EPLD（Erasable Programable Logic Devices）是目）是目前应用最为广泛的现场编程器件之一。它采用电编写和前应用最为广泛的现场编程器件之一。它采用电编写和电擦除的特殊电擦除的特殊MOS器件（器件（E2PROM器件）作为晶体管规器件）作为晶体管规则阵列中的单元，实现现场编程则阵列中的单元，实现现场编程。47474.5 晶体管规则阵列设计技术应用 1.EPLD中的宏电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术48484848电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术2.E2PROM晶体管晶体管 49492.E2PROM晶体管 4949电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术3.编程的概念编程的概念 用晶体管规则阵列设计用晶体管规则阵列设计VLSI的过程，通常就是的过程，通常就是“编编程程”的过程。对的过程。对ROM结构，我们通过一块掺杂掩膜版结构，我们通过一块掺杂掩膜版编程，如源漏掺杂掩膜版、离子注入掩膜版等。对开关编程，如源漏掺杂掩膜版、离子注入掩膜版等。对开关晶体管逻辑、晶体管逻辑、PLA及其拓展结构也采用同样的方法编程。及其拓展结构也采用同样的方法编程。对门阵列，我们采用金属掩膜版进行编程，等等。对门阵列，我们采用金属掩膜版进行编程，等等。50503.编程的概念 用晶体管规则阵列设计VLSI的过