ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА МОРФОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМОЙ АНАЛОГОВОЙ ЯЧЕЙКИ ПОЛУЗАКАЗНЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ СБИС С МАТРИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.382

Применение метода морфологического синтеза для проектирования реконфигурируемой аналоговой ячейки полузаказных аналого-цифровых СБИС с матричной структурой

Д.П. Фролов

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Рассмотрены подходы к построению аналоговых реконфигурируемых ячеек ИС с матричной структурой. Предложен метод синтеза аналоговой реконфигурируемой ячейки с применением морфологических методов и критерии для оценки ее эффективности. Разработаны конструкция и электрическая схема реконфигурируемой ячейки, приведены результаты схемотехнического моделирования.

Ключевые слова: аналого-цифровые БМК, полузаказные ИС с матричной структурой, реконфигурируемая аналоговая ячейка, морфологический синтез.

Существуют различные подходы к построению реконфигурируемых аналого-цифровых базовых матричных кристаллов (АЦ БМК). Матрицы строят на основе вычислительных блоков и технологии транзисторов с плавающим затвором [1]. Существуют матрицы, реконфигурируемые лазером [2] или настраиваемые слоем контактных окон (via) [3], а также различные модификации электрически реконфигурируемых аналоговых матриц [4].

В общем случае АЦ БМК содержат в составе конфигурируемую структуру аналоговых элементов (ячеек). Основополагающим компонентом описанных методов построения реконфигурируемых структур является матрица межсоединений - схема коммутации ячеек между собой и с выводами ИС. В ходе разработки конструкции реконфигурируемой матричной структуры на основе описанных методов возникает задача выбора оптимального состава ячейки и минимизации количества межсоединений. При этом матрица должна удовлетворять двум условиям: иметь возможность построения на своей основе большинства типовых аналоговых устройств; обладать высокими точностными характеристиками обработки аналоговых сигналов.

В настоящей работе предлагается метод построения универсальной реконфигури-руемой аналоговой ячейки (РА-ячейки) для применения в аналого-цифровых матричных структурах с использованием метода морфологического синтеза [5].

Метод синтеза структуры универсальной реконфигурируемой аналоговой ячейки и оценки его собственной эффективности. Согласно концепции идеализации подсхем [6] реализация произвольного аналогового устройства возможна посредством композиции аналоговых эталонов (АЭ) и основных аналоговых функций (ОАФ). Выделяют пять основных аналоговых функций: усиления, сравнения, перемножения, частотной фильтрации и ограничения, которые в совокупности образуют функционально полный набор аналоговых операций. Наиболее востребованными при этом являются элементы, реализующие ОАФ усиления и сравнения.

© Д.П. Фролов, 2013

Рис.1. Морфологический граф основных классификационных признаков ОУ и компараторов

Предлагается конструкция РА-ячейки, обеспечивающей одновременную реализацию ОАФ усиления и сравнения. С этой целью на основе анализа классификации схем операционных усилителей и компараторов строится граф упорядоченного морфологического множества основных классификационных признаков ОУ и компараторов (рис.1).

На основе анализа морфологического графа однозначно идентифицируется множество объектов (схем усиления и сравнения), возможных к реализации функциональных элементов (ФЭ): ФЭ1 - дифференциальный ОУ с выходом по току; ФЭ2 - дифференциальный ОУ с выходом по напряжению; ФЭ3 - компаратор напряжения; ФЭ4 - полностью дифференциальный ОУ с выходом по току; ФЭ5 - полностью дифференциальный ОУ с выходом по напряжению; ФЭ6 - стробируемый компаратор напряжения; ФЭ7 - полностью дифференциальный стробируемый компаратор.

Идентифицированный набор ФЭ - необходимый и достаточный для реализации большинства типовых аналоговых устройств при условии использования дополнительных пассивных компонентов. При разработке РА-ячейки поставлена задача реализации на ней идентифицированного множества элементов.

Для осуществления синтеза структуры РА-ячейки каждый идентифицированный объект дополняют его спецификацией - информацией о структуре на уровне основных компонентов Лу электрической схемы, где i - номер ФЭ, j - номер структурного блока, входящего в состав ФЭ.

Таким образом, для реализации всех ФЭ требуется максимум 17 компонентов Лу. Например, ФЭ5 (полностью дифференциальный ОУ) состоит из трех компонентов Лу: Л51 - входного дифференциального каскада, Л52 - схемы токовой обратной связи, Л53 - выходного каскада с цепью частотной коррекции и так далее для других ФЭ.

После исключения идентичных компонентов Лу (выполняющих одинаковую функцию) разных объектов получают упорядоченный морфологический граф структуры РА-ячейки на уровне спецификаций (рис.2).

Рис.2. Морфологический граф структуры РА-ячейки на уровне спецификаций

Задача синтеза структуры и схемы РА-ячейки сводится к выбору схем электрических для каждого компонента АПри выборе решений для каждого компонента предлагается проводить структурную оптимизацию на схемотехническом уровне:

1) отбирать схемы компонентов А- с общими структурными частями и возможностью их взаимной реконфигурации друг в друга, тем самым минимизировать конечное множество А у-;

2) при реконфигурировании компонентов минимизировать количество межсоединений (используемых коммутационных элементов (КЭ)).

Оценку эффективности синтеза структуры РА-ячейки предлагается проводить на основе расчета эффективности использования компонентного состава и коммутационного пространства РА-ячейки.

В качестве основного критерия для оценки собственной эффективности компонентного состава предлагается использовать относительные коэффициенты использования основных компонентов ячейки конечного множества А- при реализации всех возможных ФЭ:

N

к Л \ = ^ > 0)

ч

где к(Лу) - относительный коэффициент использования основных компонентов АРА-ячейки при построении ФЭ; N - общее количество основных компонентов А-

N

РА-ячейки; Е Л^ - суммарное количество N основных компонентов Азадействован-

ных при реализации -го ФЭ сравнения или усиления.

В качестве критерия для оценки эффективности коммутационного пространства реконфигурируемой ячейки предлагаются относительные коэффициенты использования коммутационных элементов при реализации всех возможных ФЭ:

N

Е щ

к (БЖ),. =-=1-, (2)

где к(8Ж\ - относительный коэффициент использования КЭ РА-ячейки;

N

Е - общее количество КЭ в составе РА-ячейки; Е - суммарное количество N

.=1

коммутационных элементов в составе РА-ячейки, используемых при реализации -го ФЭ сравнения или усиления.

Эффективность использования всей РА-ячейки оценивается как среднее арифметическое рассчитанных коэффициентов для всех ФЭ.

Следует отметить, что в процессе разработки структуры аналоговой ячейки с применением метода морфологического синтеза необходимо учитывать накладываемые ограничения: поиск технических решений осуществляется только в пределах множества схем аналоговых устройств, полученного в результате морфологического анализа; разработка конструкции носит последовательный характер (выбирается наиболее оптимальное техническое решение самого значимого компонента, следующие компоненты выбираются с уче-

Е Л

У=1_

Е Л'

том первого). Таким образом, накладывается ограничение на множество решений отдельных компонентов конструкции аналоговой ячейки, начиная со второго.

Синтез структуры РА-ячейки и выбор схемно-конструктивных исполнений ее элементов. Проведен анализ типовых схем ОУ и компараторов [7-9]. Отобраны типовые схемы, которые при минимальной реконфигурации могут быть перестроены друг в друга. Тем самым в схемах выделены общие структурные части для разных ФЭ.

В электрической схеме полностью дифференциального ОУ присутствует блок схемы токовой обратной связи (ТОС). В качестве данного блока отобрана схема, представленная на рис.3,а, которая может быть реконфигурирована во входной каскад полностью дифференциального компаратора (рис.3,б). Это достигается путем изменения подключений входов дифференциальных пар (транзисторы М2 и М3) и добавлением дополнительного выхода (затвор-сток транзистора М6). Следовательно, на основе двух схем выделяется общая структурная часть в качестве компонента Ар РА-ячейки (рис.3,в). Предложенная конструкция компонента с помощью двух КЭ (металлический

Рис.3. Схемы электрические: а - токовой обратной связи (ТОС) для полностью дифференциального ОУ; б - входного усилительного каскада (УК) для стробируемых компараторов; в - основного компонента Ар РА-ячейки, одновременно выполняющего функции схем (а) и (б)

контакт, пережигаемая перемычка или ключ) способна реконфигурироваться в схему ТОС либо в предусилитель стробируемых компараторов.

Для реализации функции усиления отобранные схемы дифференциального и полностью дифференциального ОУ путем реконфигурации связей выходного каскада и включением/отключением предложенного блока ТОС могут быть взаимно преобразованы друг в друга. Кроме того, схемы содержат отключаемые выходные каскады с цепями частотной коррекции и дополнительные КЭ для выбора режима выхода (напряжение или ток). Следовательно, из них также выделяем общую структурную часть (усилительный каскад) в качестве компонента Лу РА-ячейки.

С использованием описанного подхода выделены и другие элементы в качестве основных компонентов в составе РА-ячейки. Таким образом, при использовании предложенной структурной оптимизации решением морфологического графа на уровне спецификаций станет блок-схема структуры РА-ячейки (рис.4). Для реализации на основе РА-ячейки всех семи ФЭ необходимо включить в ее состав четыре настраиваемых основных компонента (вместо 17 исходных). Кроме того, состав ячейки необходимо дополнить схемой формирования напряжений и токов смещения для основных компонентов.

Разработка конструкции универсальной РА-ячейки. Предложенные конструкции четырех основных компонентов суммарно содержат 11 КЭ. Разработанные компоненты дополнены 12 коммутационными элементами для формирования конструкции РА-ячейки (рис.5). Состояния элементов межсоединений при каждой из реализаций представлены в табл.1, где состояние «1» обозначает наличие контакта для однонаправленных КЭ межсоединений, «0» - отсутствие. Для двунаправленных КЭ межсоединений состояние «1» обозначает наличие контакта в первом направлении, «0» - во втором. Состояние «x» обозначает отсутствие необходимости однозначного определения состояния межсоединения. Для реализации любой из конфигураций РА-ячейки достаточно иметь 3-битный код для реконфигурирования.

Рис. 4. Синтезированная структура РА-ячейки на уровне спецификаций

Рис.5. Структурная схема РА-ячейки

Таблица 1

Реализация основных аналоговых ФЭ с помощью РА-ячейки

Реализуемый ФЭ С вязи при внутр реали и ком гзаци! понен 1 конк [тов Р ретнс А-яче го ФЭ йки э

К1 К2 КЗ К4 К5 К6 К7 К8 К9 К10 К11 К12

Ячейка не используется (питание отключено) x x x x x x x x 0 0 x x

ОУ с выходом по току 0 0 x x 0 0 1 1 1 1 x 1

ОУ с выходом по напряжению 0 0 x x 0 0 1 1 1 1 x 1

Компаратор напряжения 0 0 x x 0 0 0 0 1 1 0 0

Полностью дифференциальный ОУ с выходами по току 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Полностью дифференциальный ОУ с выходами по напряжению 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Стробируемый компаратор напряжения 0 0 x x 0 0 0 0 1 1 0 0

Стробируемый полностью дифференциальный компаратор напряжения 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0

Проектирование РА-ячейки и результаты моделирования. Разработанная РА-ячейка спроектирована для типового КНИ КМОП технологического процесса уровня 0,25 мкм. Проведена ее функциональная верификация при всех конфигурациях и рассчитаны основные электрические параметры ФЭ.

В табл.2 представлены расчетные данные электрических параметров ФЭ на основе РА-ячейки и значения относительных коэффициентов использования основных компонентов и КЭ при их реализации.

Анализ показал, что среднее значение относительного коэффициента использования основных компонентов РА-ячейки составило 57%, а среднее значение относительного коэффициента использования КЭ - 75,8%, что подтверждает высокую эффективность использования разработанной конструкции. В случае использования для реализации каждого ФЭ своего собственного набора компонентов среднее значение коэффициента использования ячейки составит не более 15%.

Представленные электрические параметры приведены в качестве примера реализации РА-ячейки и не являются предельными. Конкретная РА-ячейка может быть спроектирована с заданными характеристиками в зависимости от области применения АЦ БМК. При этом необходимо проектировать основные составляющие компоненты (УК, ТОС) с требуемыми параметрами.

Паразитные составляющие, вносимые коммутационными элементами (межсоединениями) и связанные с несимметричностью конструкции законченного ФЭ на основе ячейки, могут быть минимизированы путем тщательной топологической реализации с использованием фиктивных элементов и известных методов согласования.

Таким образом, на основе морфологического синтеза предложен метод разработки структуры реконфигурируемой аналоговой ячейки для построения на ее основе типовых схем сравнения и усиления.

Таблица 2

Значения относительного коэффициента использования РА-ячейки при реализации ФЭ и расчетные электрические параметры.

Относительный

Реализуемый ФЭ сравнения коэффициент Основные электрические

или усиления использования, % параметры

основных

компонентов КЭ

ячейки

ОУ с выходом по току 40 65,2 /потр= 190 мкА; Au = 40 дБ; ^едус= 1,7 МГц ; SR= 6 В/мкс

ОУ с выходом по напряжению 40 65,2 1потр= 400 мкА; Au = 65 дБ; ^ед.уС= 10,5 МГц; SR= 7 В/мкс

Компаратор напряжения 60 82,6 1потр= 220 мкА; Тзад = 8 нс

Полностью дифференциальный ОУ с 60 91,3 /П(Лр= 200 мкА; Au = 40 дБ;

выходами по току ^едус= 1,5 МГц; SR= 7 В/мкс

Полностью дифференциальный ОУ с 40 91,3 1потр= 380 мкА; Au = 64 дБ;

выходами по напряжению ^ед.уС= 12 МГц; SR= 10 В/мкс

Стробируемый компаратор 80 60,9 1потр= 198 мкА;

напряжения Тзад = 4 нс

Стробируемый полностью дифферен- 80 73,9 1потр= 198 мкА;

циальный компаратор напряжения Тзад = 4 нс

Разработанная на основе выделения общих структурных элементов конструкция РА-ячейки позволяет существенно минимизировать количество коммутационных элементов при увеличенном числе реализуемых аналоговых ФЭ усиления и сравнения.

Литература

1. Characteristics and programming of floating-gate pfet switches in an fpaa crossbar network / J. Gray, C. Twigg, D. Abramson, P. Hasler // IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) (IEEE Cat. No. 05CH37618). - 2005. - Vol. 1. - P. 468-471.

2. A continuous-time laser programmable analog array for radiation environments / Anthony L. Wilson, Ji Luo, Joseph B. Bernstein et al. // The 7-th annual MAPLD International Conference. - 2004. - P. 1-9.

3. VCTA: A Via-Configurable Transistor Array Regular Fabric / M. Pons, F. Moll, A. Rubio et al. // 18-th IEEE/IFIP International Conference on VLSI and System-on-Chip, VLSI-SoC. - 2010. - P. 541-547.

4. EdwardK. F. Lee, P. Glenn Gulak. A CMOS field-programmable analog array // IEEE journal of solidstate circuits. - 2005. - Vol. 26, N 12. - P. 1860-1867.

5. Акимов С.В. Модель морфологического множества уровня спецификации // Тр. учебных заведений связи. - 2005, № 174. - С. 76-87.

6. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.

7. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. - М.: Горячая линия-Телеком. - 2005. - 454 с.

8. Волович Г.И. Cхемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - 3-е изд. стер. - М.: Додэка-XXI, 2011. - 528 с.

9. Shar A. Design of a high-speed CMOS comparator // Master Thesis in Electronics System at Linkoping Institute of Technology. - 2007. - 30 p.

Статья поступила 25 марта 2013 г.

Фролов Дмитрий Петрович - ассистент кафедры проектирования и конструирования интегральных микросхем МИЭТ. Область научных интересов: развитие методов проектирования аналого-цифровых полузаказных схем, развитие методов конструирования аналого-цифровых базовых матричных кристаллов и схем на основе КМОП КНИ-технологии. E-mail: dmitryfrol@gmail.com