Справочное пособие - микросхемы и их применение (1086445), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Для дискретных устройств сначала выбирают тип логики (ТТЛ,МДПТЛ, ЭСЛ и др.). Этот выбор производят, исходя из основных требований к аппаратуре (выполняемаяфункция, быстродействие, потребляемая мощность и т. п.).При выборе типа логики принимается во внимание структурная схема проектируемого устройства. Так, припараллельной обработке информации задержки сигналов сокращаются (можно выбрать элементную базу сменьшим быстродействием), но вместе с тем увеличивается коэффициент разветвления элементов по выходу.(Некоторые конкретные рекомендации по выбору элементной базы приведены в гл.
4.)При построении сравнительно простых устройств, содержащих менее 100 микросхем, обычнорассматривают две-три серии в выбранном типе логики. В этом случае ориентировочно оценивают толькоосновные характеристики проектируемого устройства при реализации с помощью выбранных серий. Например,рассчитывают максимальную задержку сигналов в цепи с наибольшим числом последовательносрабатывающих элементов, общую мощность потребления, стоимость и т.
д. Чаще всего такую оценку можносделать по функциональной схеме (см. четвертый этап). По результатам оценки выбирают лучший вариантреализации и для него разрабатывают полную принципиальную схему, а также выполняют все последующиеэтапы проектирования (см. рис. 8.2).При построении сложных устройств очень важно до выбора конкретной серии определить оптимальнуюстепень интеграции микросхем, ибо от этого будет существенно зависеть надежность, стоимость, габаритныеразмеры и другие характеристики. Выбор оптимальной степени интеграции возможен при наличии ряда серий,имеющих общий базовый логический элемент и различающихся степенью интеграции, а также прииспользовании микросборок [Микросборка — микроэлектронное изделие, состоящее из элементов и компонентов, включая микросхемы, которые имеют отдельное конструктивно-; исполнение и могут быть испытаныдо сборки и монтажа.
Микросборка разрабатывается для конкретной РЭА.].Рис. 8.3. Зависимость относительной технико-экономической эффективности от уровняинтеграции микросхем (1 — толстопленочные гибридные микросхемы; 2 — тонкопленочныегибридные микросхемы)Существует несколько критериев для определения оптимальной степени интеграции, напримерминимальная удельная стоимость элементарной логической схемы — вентиля, максимальная универсальностьлогических элементов. Используют также метод, основанный на обеспечении требуемой надежностиконтактных соединений.Наиболее обоснованно степень интеграции выбирается по технико-экономической эффективности Э,определяемой соотношением Э = ТРМИ/3, где Tр — ресурс аппаратуры; 3 — затраты на ее изготовление иэксплуатацию; NK — исходная сложность проектируемого устройства, оцениваемая количеством простейшихлогических элементов, при уменьшении которого уже нельзя обеспечить функционирование устройства(определяется ориентировочно из статистики по предыдущим разработкам подобной аппаратуры).При использовании последнего критерия оптимальная степень интеграции определяется в зависимости отвида технологии, типа конструкции блоков и ряда других факторов.
Для иллюстрации на рис. 8.3 приведенызависимости относительной технико-экономической эффективности от количества J вентилей в микросхеме длядвух различных вариантов технологии. Эти кривые получены при проектировании одной из вычислительныхмашин. Из рис. 8.3 следует, что для данной разработки оптимальна степень интеграции, соответствующая 48элементам при использовании толстопленочной технологии [41].Выбор оптимальной степени интеграции с учетом различных факторов предусматривает рассмотрениебольшого количества вариантов. При этом разработка каждого из них до принципиальной схемы практическиневозможна, поэтому в данном случае используют ориентировочные оценки, исходя из основных данныхаппаратуры.Расчет эффективности проводят с использованием главным образом эмпирических формул, полученных приобработке статистических данных по различным типам уже разработанной аппаратуры.
При этомпроектируемое устройство представляется построенным на однотипных по конструкции и степени интеграциимикросхемах.Задаваясь различными степенями интеграции, видами конструкции аппаратуры и другими параметрами,оценивают эффективность различных вариантов и определяют предпочтительный. После предварительнойоценки вариантов выбирают микросхемы, уровень интеграции и другие параметры которых наиболее близки кнайденным в результате расчетов.Таким образом, при использовании рассматриваемого критерия на данном этапе проектирования не тольковыбирают элементную базу, но и в общих чертах разрабатывают конструкцию, т.
е. фактически создаютэскизный проект. Этот проект позволяет судить о типе и числе ячеек и блоков, габаритных размерах всегоустройства, ориентировочной стоимости и ряде других показателей, что является основанием для последующихэтапов технического проектирования.Четвертый этап — разработка в выбранном логическом базисе функциональной схемы, которая полностьюотражает характер, а также последовательность работы устройства.Методы синтеза функциональных схем дискретных устройств разработаны достаточно хорошо.
Синтезможет проводиться в логическом базисе элементов И, ИЛИ, НЕ с последующим переходом к реализации вбазисе выбранной серии (И — НЕ, И — ИЛИ — НЕ, ИЛИ — НЕ и т. д.) или непосредственно в заданномбазисе.Основной критерий синтеза функциональных схем аппаратуры на интегральных микросхемах —минимизация числа микросхем и их внешних соединений. Сложность каждой микросхемы — в данном случаене лимитирующий фактор.
Другой критерий — функциональная однородность, т. е. максимальноеиспользование элементов с одинаковыми функциями. Это обусловливает унификацию схемы, что, в своюочередь, ведет к снижению ее стоимости.В цифровой аппаратуре обычно можно выделить типовые функциональные структуры (дешифраторы,триггеры, счетчики, распределители, регистры, устройства памяти и др.), которые заранее синтезированы вбазисе выбранных микросхем (примеры реализации перечисленных структур приведены в гл.
4). Прииспользовании микросхем повышенной степени интеграции необходимость в синтезе указанных типовыхструктур иногда отпадает, поскольку они могут входить в состав серий.Пятый этап — разработка принципиальной схемы. На данном этапе проводят электрический расчет всехэлементов, которые нельзя было реализовать с помощью выбранных серий общего применения.
Здесь жеокончательно разделяют схему на части: а) реализуемые с помощью выбранных серий общего применения; б)реализуемые с помощью новых специализированных микросхем (микросборок); в) реализуемые на основедискретных компонентов (блоки питания, фильтры, устройства сопряжения с исполнительными элементами ит. д.). Дискретные компоненты используют в первую очередь в тех случаях, когда интегральные микросхемыиз-за технологических или других ограничений не могут обеспечить требуемых параметров.
В табл. 8.1приведены границы областей применения дискретных резисторов и конденсаторов в аппаратуре на гибридных(в числителе) и полупроводниковых (в знаменателе) микросхемах. Катушки индуктивности обычно используютв виде дискретных компонентов при любых номинальных значениях. Исключение составляют лишь случаииспользования пленочных катушек индуктивностью до 20 мкГн в гибридных микросхемах.
Возможно такжеприменение электронных эквивалентов катушек индуктивности — гираторов.BТаблица 8.1BBBBBПараметрРезисторНоминальное значение, более500Допуск, %, кенее100 к0м120PТемпературный коэффициент,1/0Сх10в, менееPPPPЧастота, МГц, болееPКонденсатор50000500 11ф520P505010001000500500100100PРис. 8.4. Зависимость числа выводов от сложности ячейки (1 — число внешних выводовячейки; 2 — общее число выводов микросхем; 3 — число выводов, приходящихся на однумикросхему)В результате рассмотренного этапа получают принципиальную схему и технические требования наразработку микросхем специализированного применения. На принципиальной схеме показывают всеинтегральные микросхемы с обозначением выводов, а также соединения и навесные элементы. (Примерыпринципиальных схем цифровых устройств приведены в гл. 6, 7.)Шестой этап — расчленение элементов принципиальной схемы на ячейки.
Основным критерием прирасчленении является минимальное число внешних выводов ячейки при ее максимальной сложности ифункциональной законченности. Это обусловлено тем, что интенсивность отказов подвижных контактовпримерно на порядок превышает интенсивность отказов паяных соединений на печатной плате.Зависимость числа внешних связей Nвн от числа микросхем пм в ячейке, полученная в результате обобщенияфактических данных, показана на рис. 8.4 (кривая 1).
На этом же графике приведены кривые 2 и 3,характеризующие соответственно суммарное число выводов микросхемы JVM, и число внешних связей,приходящихся на одну микросхему. Из графиков следует, что, с точки зрения уменьшения числа внешнихконтактных соединений, следует стремиться к увеличению числа микросхем в ячейках. Однако их увеличениеснижает универсальность и повторяемость ячеек, что очень существенно для ЭВМ. Поэтому приходитсяпринимать компромиссное решение.При расчленении устройства на ячейки и определении их размеров принимаются также во вниманиетехнологические возможности изготовления ячеек с двусторонним расположением контактов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
