А. Гольдшер, Б. Юргаев

Цифровой базовый матричный кристалл К 1589ХМ1

    Цифровой базовый матричный кристалл (ЦБМК) К 1589ХМ1, предназначен для создания БИС цифровой обработки информации в аппаратуре специального и общегражданского применения. В частности, на его основе в настоящее время создана БИС многоканального генератора синхроимпульсов (БИС МГС), являющегося одним из основных функциональных модулей электроники обрамления современных тепловизионных систем.

    В качестве элементной базы ЦБМК использованы маломощные ТТЛ ИС с диодами Шоттки (МТТЛШ).

    В отличие от известных ранее МТТЛШ БМК, например, 1548ХМ1, ЦБМК 1589ХМ1 обеспечивает возможность создания на его основе БИС, сопрягаемых как с ТТЛ, так и с КМОП-процессорами ЭВМ.

Введение

    Известны два альтернативных пути создания высокоинтегрированной элементной базы современной микроэлектронной аппаратуры (МЭА):

• на основе специализированных или заказных микросхем (ИМС);
• на основе базовых матричных кристаллов (БМК) или полузаказных ИМС [1, 2].

    Технико-экономические требования к МЭА, в частности, к фотоприёмным устройствам (ФПУ) на основе многоэлементных линейчатых и матричных фотоприёмников (ФП) различных типов, предопределяют эффективность выбора каждого из них.

    В настоящее время объём выпуска оптико-электронных систем на основе твердотельных ФП относительно невелик. Поэтому нами предпочтение отдано БМК, поскольку они позволяют только путём изменения топологии коммутационных слоёв создавать БИС, учитывающие особенности временных диаграмм ФП конкретного типа и при этом — в исключительно короткие сроки (3–4 месяца) и с низкой себестоимостью.

Библиотечные функциональные элементы ЦБМК

    Библиотечными функциональными элементами (БФЭ) ЦБМК являются:

• базовый элемент, реализующий логическую функцию “4И-НЕ” и содержащий фиксирующий диод;
• базовый элемент, реализующий логическую функцию “4И-НЕ” без фиксирующего диода;
• входной периферийный элемент с инверсным выходом;
• выходной периферийный элемент с инверсным стандартным ТТЛ-выходом;
• выходной периферийный элемент с инверсным выходом, тремя устойчивыми состояниями и повышенным значением выходного напряжения высокого уровня UОН.

    Их принципиальные электрические схемы приведены на рис. 1–5.

Рис. 1. Логический элемент "4И-НЕ" с фиксирующим диодом	Рис. 2. Логический элемент "4И-НЕ" без фиксирующего диода
Рис. 3. Входной периферийный элемент с инверсным выходом	Рис. 4. Выходной периферийный элемент с инверсным стандартным ТТЛ-выходом

    Первый из базовых элементов предназначен для работы “друг на друга”, а также с входным периферийным элементом. Второй — для работы на выходные периферийные элементы, для приёма сигналов с базовых элементов и с входного периферийного элемента.

Рис. 5. Выходной периферийный элемент с инверсным выходом, тремя устйчивыми состояниями и повышенным значением выходного напряжения высокого уровня U_OH

    Элементы TG02, TG08, TG01, TG07, TG06 являются микроблока-ми ЦБМК. На их основе, в частности, на основе элемента TG02, созданы макроблоки, расширяющие библиотеку функциональных элементов:

1. R-S триггер с тремя входами “Установки напряжения логического нуля”, четырьмя прямыми и двумя инверсными входами “Установки напряжения логической единицы” (код элемента TG04).
2. R-S триггер с тремя инверсными входами “Установки напряжения логического нуля” и тремя инверсными входами “Установки напряжения логической единицы” (код элемента TG05).
3. Одноразрядный двоичный счётчик с управлением по отрицательному фронту тактового импульса (код элемента TG11).
4. Одноразрядный двоичный счётчик с управлением по положительному фронту тактового импульса (код элемента TG12).
5. 4-разрядный двоичный счётчик с двумя асинхронными инверсными входами “Установки напряжения логической единицы” и двумя инверсными входами “Установки напряжения логического нуля” (код элемента TG13).
6. 4-разрядный двоичный счётчик с тремя асинхронными инверсными входами “Установки напряжения логической единицы” и двумя инверсными входами “Установки напряжения логического нуля” (код элемента TG13а).

    Элементы TG04 и TG05 могут быть также использованы как одноразрядные регистры.

    На основе микро- и макроблоков также реализованы многоразрядные счётчики импульсов с различными коэффициентами деления, многовходовые дешифраторы, анализирующие состояние счётчиков и выделяющие сигналы в нужный момент времени, регистры различных типов, комбинационные схемы.

    Рассмотренные БФЭ и макро-блоки использованы при разработке БИС МГС.

Топология ЦБМК и его технологические особенности

    B основу топологии ЦБМК положен вентильный способ организации ячеек матрицы с использованием в качестве базового логического элемента “4И-НЕ”. При этом базовая ячейка включает 4 логических элемента с напряжением питания +2 В.

    ЦБМК включает: 600 базовых элементов, 52 периферийных элемента, из которых 27 могут быть входными либо выходными со стандартным ТТЛ-выходом, а 25 — входными или выходными со стандартным ТТЛ-выходом, либо выход-ными с инверсным выходом, тремя устойчивыми состояниями и повышенным значением выходного напряжения высокого уровня UOH (КМОП-выход).

    Каждая матричная базовая ячейка (МБЯ) содержит набор частично соединённых электрических элементов (транзисторных и диодных структур, резисторов). Расположение электрических элементов, в пределах одного столбца, симметрично относительно вертикальной оси. Каждая периферийная базовая ячейка (ПБЯ) условно разделена на два фрагмента, каждый из которых представляет собой набор нескоммутированных элементов.

    По периметру кристалла расположены 64 контактные площадки (КП). 54 КП входят в состав ПБЯ и являются информационными выводами ЦБМК. 10 КП предназначены для подключения питания и “земли” (0 В), из них 4 КП отведены для подключения к выводам “земли” корпуса ИМС, 4 — для подключения питания ПБЯ (+5 В), 2 КП — для подключения питания матрицы МБЯ (+2 В).

    Трассировка межсоединений в ЦБМК К1589ХМ1 осуществляется в двух уровнях. Электрическая связь между уровнями, а также подключение к элементам базовых ячеек осуществляется посредством межслойных контактов.

    В основу технологического процесса изготовления ЦБМК положена планарно-эпитаксиальная технология с изоляцией элементов ИМС обратносмещённым р-n-переходом. При этом изолирующая диффузия бора осуществляется с использованием сильнолегированных р+-слоев и с сохранением боросиликатного стекла перед второй стадией диффузии, что позволило, по сравнению с обычно применяемыми режимами, снизить паразитные ёмкости изолирующих переходов в 1,5 раза.

    К основным технологическим особенностям ЦБМК следует отнести:

• использование процессов ионного легирования сурьмы, бора и мышьяка, обеспечивающих высокую воспроизводимость электрофизических параметров слоёв в широком диапазоне концентраций легирующих примесей;
• малые глубины залегания р-n-переходов, составляющие доли мкм, в частности, ширина базы hб » 0,25 мкм, что при соответствующей геометрии элементов ИМС и технологическом процессе их изготовления обеспечивает граничную частоту усиления по току fГР n-р-n транзисторных структур порядка 2 ГГц;
• малые размеры элементов, в наибольшей степени влияющих на параметры ИМС. В частности, ширина контакта к области эмиттера составляет 2 мкм. Минимальный размер эмиттера ограничен требованиями по величине сопротивления тела коллектора rК;
• одновременное использование двухслойной и двухуровневой металлизации на основе молибдена-алюминия или молибдена-алюминия, легированного кремнием.

    Топология ЦБМК защищена охранным документом РФ, что свидетельствует о её новизне и оригинальности.

Основные параметры библиотечных функциональных элементов ЦБМК

    Для исследования параметров БФЭ и их зависимостей от различных дестабилизирующих факторов (длины линии связи между элементами — L, коэффициента нагрузки по выходу — N, коэффициента объединения по “ИЛИ“ — К) на основе ЦБМК К 1589ХМ1 была реализована тестовая БИС. Она включает около 20 различных тестовых модулей.

    В частности, в связи с тем, что непосредственно исследовать динамические параметры базовых элементов не представлялось возможным из-за больших погрешностей, вносимых измерительной аппаратурой, в тестовой БИС предусмотрены различные цепочки элементов, включающие входной элемент — цепь из n-го количества базовых элементов — и выходной элемент.

    Для определения максимальной тактовой частоты переключения элементов в тестовую БИС был введён тестовый модуль счётчика-распределителя импульсов, включённый в цепь: “входной элемент” – “счётчик-распределитель” – “базовый элемент (без фиксирующего диода)” – “выходной элемент”.

    Основные параметры БФЭ и их зависимости от различных дестабилизирующих факторов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры библиотечных функциональных элементов и их зависимости от различных дестабилизирующих факторов

    Быстродействие оценивалось также путём определения максимальной входной частоты fВХ, при которой сохраняется надёжное переключение счётчика-распределителя, содержащего входной и два выходных периферийных элемента, а также счётчика-делителя частоты на два. Особенностью счётчика является одинаковая длительность входных и выходных импульсов.

    Проведённые исследования показали, что созданный на основе БФЭ счётчик-распределитель нормально функционирует при f_ВХ = 30 МГц (при U_CC1 = 5 B, U_CC2 = 2 B, t_amb = 25±10°C, C_L = 15 пФ). При t_amb = 125°C быстродействие практически сохраняется, а при t_amb = -60°C — f_ВХ снижается до 27 МГц.

    Снижение f_ВХ наблюдается также и при уменьшении U_CC1 до 4,5 В, U_CC2 до 1,8 В. Величина f_ВХ составляет 30 МГц при t_amb = 25±10°C и 25 МГц — при t_amb = -60°C.

БИС многоканального генератора синхроимпульсов А1175

    Одним из основных модулей современных фотоприемных устройств являются многоканальные генераторы синхроимпульсов. В функциональном отношении они представляют собой формирователи цифровых сигналов управления различными модулями электроники обрамления ФПУ, обеспечивая выработку необходимых серий синхроимпульсов и синхронизацию выдачи видеоинформации по двум каналам — телевизионному (ТВ) и тепловизионному (ТПВ).

    БИС МГС являются специализированными микросхемами, поскольку каждая из них привязана к кон-кретной временной диаграмме, определяемой типом используемого фотоприёмника.

    Временная диаграмма входных и выходных сигналов блока синхронизации одной из современных тепловизионных систем показана на рис. 6.

Рис. 6. Временная диаграмма входных и выходных сигналов блока синхронизации

    БИС вырабатывает 6 серий синхроимпульсов, приведённых в табл. 2. В ней же изложены основные требования к каждому из них.

Таблица 2. Синхроимпульсы БИС многоканального генератора и требования к ним

    Запуск БИС МГС осуществляется непрерывной серией входных импульсов, характеризующихся следующими параметрами:

• частота входного сигнала f_вх = 14 МГц;
• скважность Q = 2;
• входное напряжение низкого уровня U_IL < 0,5 В;
• входное напряжение высокого уровня U_IH > 2,5 В;
• входной ток низкого уровня I_IL < 0,2 мА;
• входной ток высокого уровня I_IH < 0,02 мА.

    Выходные напряжения низкого U_OL и высокого U_OH уровней должны соответственно составлять < 0,5 В и > 2,5 В.

    Для обеспечения требований временной диаграммы работы БИС МГС, заданных соотношений между тактовой частотой входной серии сигналов и частотой выходных серий синхроимпульсов, временных соотношений между формируемыми сериями синхроимпульсов, в структурной схеме предусмотрены функциональные узлы и блоки, вырабатывающие ряд основных и вспомогательных импульсов с периодами 0,57 мкс; 1,0 мкс; 1,7 мкс; 6,27 мкс; 12,0 мкс; 32,0 мкс; 44,0 мкс; 64,0 мкс; 128,0 мкс; 161,7 мкс; 20,0 мс; 40,0 мс. Структурная схема БИС (рис. 7) содержит 4 функциональных блока:

• блок формирования опорной серии синхроимпульсов с частотой 1 МГц (ОСИ-1);
• блок формирования опорной серии синхроимпульсов с частотой 1,75 МГц (ОСИ-1,75) и временных интервалов 1,7 и 6,27 мкс;
• блок формирования строчных синхроимпульсов (ССИ-0) и временных интервалов 12,0; 32,0; 44,0 и 64,0 мкс;
• блок формирования кадровых синхроимпульсов (КСИ-0), сигнала признака поля (СПП-0) и импульсов чётности строк (ЧС-0).

Рис. 7. Структурная схема БИС МГС

    Основу приведённых блоков составляют многоразрядные счётчики импульсов с различными коэффициентами деления, многовходовые дешифраторы, анализирующие состояние счётчиков и выделяющие сигналы в нужные моменты времени, регистры и простые комбинационные схемы, реализованные на основе микро- и макроэлементов. В част-ности, с помощью многовходового дешифратора, регистров и комбинационных схем обеспечивается требуемая временная привязка к строчным синхроимпульсам, а также — формирование выходных серий “КСИ-0”, “СПП-0” и “ЧС-0” с требуемыми длительностями и частотами.

    Все остальные, требуемые по временной диаграмме работы БИС, временные интервалы и соотношения получены путём дешифрирования импульсов с выходов многоразрядных счётчиков с чётным и нечётным коэффициентами деления.

    Все синхросерии выдаются по двум выходам парафазно, то есть для каждой серии имеются выходы с прямыми и инверсными сигналами.

    Частота следования выходных серий синхроимпульсов изменяется прямо пропорционально изменению частоты следования входных импульсов, стабильность коэффициента пропорциональности частоты выходных серий синхроимпульсов по отношению к частоте входной серии не превышает 0,3%.

    Разработка принципиальной схемы БИС велась путём логического моделирования с использованием пакета программ Р-CAD в условиях максимального приближения режимов работы БИС к реальным, то есть учитывались временные параметры входных, базовых, микро-, макро- и выходных элементов.

    Основные параметры БИС МГС типа А1175 приведены в табл. 3.

Таблица 3

    Конструктивно БИС МГС выполнена в 48-выводном корпусе типа 4134.48-2 с двухсторонним планарным расположением выводов.

    В настоящее время ведутся работы по разработке многоканальных генераторов синхроимпульсов, ориентированных на временные диаграммы фотоприёмников других типов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ермаков А.Е., Крюков В.П., Назаров Н.Б., Петров Л.Н. Базовые матричные кристаллы типа ТТЛШ серии К1548. — Электронная промышленность. — 1991. — Вып. 7. — 105 с.
2. Домрачев В.Г., Мальцев П.П., Новаченко И.В., Пономарев С.Н. Базовые матричные кристаллы и матричные БИС. — М.: Энергоиздат. — 1992. — 225 с.

ГУП НПП «Пульсар»
Тел./факс (095) 369-4821