Курсовой проект по КТО

Оглавление.

Введение.

Темой данного курсового проекта является проектирование быстродействующего обрабатывающего устройства в объеме одного МКМ на бескорпусных БИС.

Актуальность применения МКМ подчеркивает тот факт, что смене поколений СВТ характерны свои принципы проектирования и компоновки элементов и устройств, методы обработки информации, проблемы конструктивно-технологического порядка. Переход к каждому последующему поколению связан с изменением этих принципов и традиций, которые ведут к увеличению быстродействию, надежности, минимизации конструкций и уменьшения стоимости.

1. Выбор схемотехники, уровня технологии и параметров БМК МКМ.

1. Выбор значения М2 и М3

Задано: N_{maxэффек}=225000, i=1,2,3,4, МП-принцип, М₁=10, М₄=36

Расчет:

М₁*М₂*М₃*М₄=N_{maxэффек}

М₁*M₄=10*36=360 элэ

M₂*M₃=N_{maxэффек}/(M₁*M₄)=225000/360=625 элэ

M₂*M₃=625

Если М₂=25, то М₃=25

Примем:

М₁=10, М₂=25, M₃=25, M₄=36

1.2. Определение максимальной интеграции БИС.

Логические элементы в модулях БИС используются со средней эффективностью равной 0,5. При этом эффективность использования структурных элементов по уровням компоновки равно:

для i=1: Э_Э1=0,7

для i=2: Э_Э2=0,8

для i=3: Э_Э3=0,9

для i=4: Э_Э4=1

N_maxmax=N_{maxэффект}/Э_эф=225000/0.5=450000 элэ

Максимальная интеграция рассчитывается по формулам: .

Вычислим, сведя результаты в таблицу 1.1:

Табл. 1.1

1
.3. Определение уровней полупроводниковой технологии () МКМ

 = 10/(N₃)^1/4 = 10/(6944)^1/4 = 1,1 мкм

1.4 . Выбор схемотехники.

Строим МКМ на основе схемотехники КМОП.

Рис. 1. Принципиальная схема 4-х входового элемента И-НЕ

2. Расчет основных и произвольных компоновочных параметров логической схемы устройства.

Результаты расчетов сведены в таблицу 1:

3. Расчет энергетических характеристик МКМ.

Расчитаем мощность, потребляемую одним ЛЭ, задержку и напряжение

Расчитаем мощность, потребляемую одним ЛЭ, задержку и напряжение

Принимаем U^БЛЭ=3,7 в, тогда

Зная, заданную максимальную эффективную интеграцию и энергетические параметры одного ЛЭ, определим параметры всей БИС:

кмоп:

;

Анализируя параметры рассеивания мощности для КМОП, ТТЛ и ЭСЛ видно, что Р^ТТЛ и Р^ЭСЛ в 5-20 раз выше, чем P^КМОП, при этом возникает не решаемая проблема отвода тепла. Следовательно, в качестве схемотехники СБИС выбираем КМОП технологию.

4. Выбор системы охлаждения МКМ и обоснование требований к элементам конструкций.

Из п.3 известно:

P^МКМ = 34 Вт

Для выбора системы охлаждения воспользуемся отношением

P / S  [ P_S ], где

P = P^МКМ, Вт;

S - площадь корпуса МКМ, см²;

P_S – плотность, Вт / см² (выбирается по специальной таблице в зависимости от вида системы охлаждения).

Вид Системы Охлаждения Плотность теплового потока, P_s [Вт/см]

Естественная(Воздушная)  0.2

Принудительная воздушная  1.0

Жидкостная система  20

Испарительная система  200

Специальная система >200

Выражая отсюда площадь, получим

S  P / P_S

Таким образом, площадь корпуса может быть найдена по формуле

S = L_кор², где

L_кор – сторона корпуса (корпус квадратный).

Подставляя численные значения получим

L_кор =127 мм

Тогда площадь корпуса

S = 9,2² = 161,29 см²

Выберем принудительную воздушная систему охлаждения (P_S < 1,0 ).

161,29  34/ 1  161,29  34 (выполняется).

Таким образом, для конструкции МКМ необходима принудительная воздушеая система охлаждения.

5. Описание принципов обеспечения помехоустойчивости конструкции.

Обеспечение помехоустойчивости является одним из самых важных факторов при проектировании устройств ВТ.

Для правильного функционирования МКМ недопустимы даже кратковременные искажения информации, т.к. они приводят к ошибкам в конечных результатах и, как следствие, к потерям машинного времени для повторного вычисления. Причиной разного рода искажений являются помехи.

Помехи, как правило, имеют характер кратковременных импульсов. Различают помехи внешние и внутренние. К внешним относятся помехи от промышленной сети электропитания, сильноточных переключателей, атмосферных осадков. Защита от таких помех осуществляется конструктивно на уровне непосредственно ЭВМ (устройства защиты, стабилизаторы), поэтому непосредственно для МКМ их влияние можно не рассматривать.

К внутренним помехам относятся такие помехи, амплитуда и длительность воздействия которых находятся в прямой зависимости от амплитуды и длительности фронтов сигнала ЛЭ. Предотвращение воздействия таких помех есть прямая задача конструирования непосредственного устройства ЭВМ, в нашем случае МКМ. Внутренние помехи обусловлены:

• емкостными и индуктивными связями между сигнальными цепями ЛЭ (перекрестные помехи);

• наличием общих участков цепи схемной «земли», экранов и цепей питания (кондуктивные помехи);

• неполным согласованием цепей связи, колебательных режимов, резонансных явлений и (колебательные помехи).

Обеспечение помехоустойчивости МКМ достигается конструктивными особенностями, среди которых:

• одинаковое и достаточное число контактов земли и питания;

• правильное распределение контактов питания и земли по отношению к сигнальным контактам на корпусе ;

• правильный выбор топологии и трассировки цепей питания в кристалле;

• правильная компоновка и трассировка логических цепей в кристалле;

• правильная развязка цепей питания за пределами корпуса;

Проведем расчет числа контактов питания и земли.

Общее число внешних контактов МКМ может быть рассчитано по формуле:

m_общ^МКМ=m_i+m_E0+m_E1

где: m_i – число внешних связей;

m_E0 – число контактов нулевого потенциала;

m_E1 – число потенциальных контактов.

Так как m_i=m_вхi+m_выхi , при этом m_выхi=m_i/(K_i+1), где K_i=m_вхi/m_выхi, можно записать для КМОП (m_E0=m_E1=m_выхi/6) следующую формулу:

m_общ^МКМ=m_i+m_i/(3*(K_i+1))

Подставляя значения из таблицы, получим:

m_общМКМ= 910,68+910,68/(3*(1+1))=1062 шт

и полагая m_E0 = m_E1, получим m_E0 = m_E1=(1062-910)/2 = 152/2=76 шт

Возьмем по 79 выводов на нулевые или потенциальные контакты.

В итоге, m_общ^мкм=910+76+76=1062

Следует заметить, что часть выводов будет отведена под внутренние соединения (к ОЗУ).

Чтобы избежать наводок со стороны линий питания и земли на логические цепи необходимо равномерно распределить контакты земли и питания по корпусу .

Для обеспечения экранировки и простоты топологии цепи питания и земли выполним сплошными отдельными слоями. Расположение логических цепей по отношению к цепям питания и земли определяют два варианта компоновки цепей в кристалле – с открытым и закрытым структурным звеном.Первый вариант характеризуется лучшим быстродействием, но худшей экранировкой. Второй вариант – наоборот. В силу критерия лучшей помехозащищенности к МКМ выбираем вариант закрытого структурного звена.(см. рис 2)