Классификация БМК. 
Электроника и схемотехника

Для классификации используются ряд признаков.

Структурный признак является одним из основных признаков, по которому выделяют следующие типы БМК: канальные, весканальные, комбинированные и блочные БМК. Эти типы БМК рассмотрены ниже.

По виду преобразуемых сигналов различают цифровые, аналоговые и цифро-аналоговые БМК. Этот признак влияет на состав элементов базовых ячеек. В аналоговых и цифро-аналоговых БМК используются ячейки, позволяющие построить схемы операционных усилителей, компараторов, аналоговых ключей и др.

По технологии изготовления И С выделяют:

• • ЭСЛ-схемы БМК, обладающие максимальным быстродействием;
• • ТТЛШ-схемы, технология которых обеспечивает среднее быстродействие;
• • КМОП-схемы, имеющие наивысшую степень интеграции.

Кроме перечисленных, известны БМК на основе схемотехники биполярных и КМОП-структур, кремний на диэлектрике и др.

По технологии программирования межсоединений на втором этапе создания БИС различают:

• • БМК с масочным программированием (mask programmable gate anay — MPGA), в которых на кристалл наносят металлизированные дорожки с помощью специально изготовленных фотошаблонов;
• • БМК с лазерным программированием (laser programmable gate anay — LPGA), когда при программировании по заказу потребителя часть созданных заранее межсоединений кристалла разрывается с помощью лазерных лучей.

Приведем краткое описание основных типов БМК.

Канальные БМК. В центральной части кристалла расположена матрица базовых ячеек и трассировочные каналы, которые могут быть вертикальными и горизонтальными, как показано на рис. 12.7, а, либо только вертикальными (рис. 12.7, б). Канальные БМК обла

Рис. 12.7. Типовые структуры БМК: канальные БМК (а, б); бесканальные БМК (в); комбинированные БМК (г) дают широкими возможностями по созданию межэлементных связей, но имеют низкую плотность упаковки из-за значительных затрат площади кристалла на области межсоединений. Поэтому канальная структура используется в биполярных микросхемах, значительная мощность рассеивания которых препятствует плотной упаковке ячеек.

Бесканальные БМК. Внутренняя область бесканального БМК содержит ряды базовых ячеек (рис. 12.7, в), не имеющих явно выраженных трассировочных каналов для межсоединений. Каждая ячейка кристалла может быть задействована как для логической схемы, так и для межсоединений. При проектировании БИС площадь кристалла исходя из конкретных условий перераспределяется между трассировочными каналами и функциональными ячейками, благодаря чему потери площади кристалла снижаются. Кроме того, уменьшается задержка распространения сигналов, но каналам, так как их длины и паразитные емкости межсоединений уменьшаются.

Бесканальные БМК изготавливают по КМОП-технологии, которая обеспечивает компактность схемных элементов и небольшую мощность рассеяния базовых, что способствует плотной упаковке базовых ячеек. Микросхемы выпускают в вариантах «море вентилей» и «море транзисторов» [60]. Первый вариант БМК содержит массив закопченных логических элементов, второй — массив транзисторов.

Комбинированные БМК. На рис. 12.7, г приведена структура БМК с различной длиной ячеек. Комбинированные БМК изготавливаются по КМОП-технологии. В них каждая строка представляет собою цепь, составленную из последовательного соединения пар п- и /^-канальных транзисторов. Для фрагментации цепи достаточно подать запирающее напряжение на затворы транзисторов. Выделенный фрагмент цепи представляет собой базовые ячейки, содержащие различное число транзисторов.

По краям прямоугольной пластины кристалла, в периферийной области БМК, расположены контактные площадки, а также специальные базовые ячейки, предназначенные для реализации операций ввода/вывода данных (рис. 12.8).

Рис. 12.8. Расположение областей БМК.

БМК с блочной структурой. Повышение уровня интеграции микросхем привело к созданию БМК с блочной структурой (рис. 12.9, а), которые содержат блоки логической обработки данных, памяти и другие специализированные блоки. Базовый матричный кристалл с блочной структурой можно рассматривать как совокупность БМК меньшей размерности. Между отдельными блоками располагаются трассировочные каналы. На периферии блоков встроены мощные буферные каскады, обеспечивающие передачу сигналов, но межблочным связям, имеющим относительно большую длину. Структура периферийной области БМК с блочной структурой показана на рис. 12.9, б.

Рис. 12.9. Блочная структура базового матричного кристалла (а) и периферия его блоков (б).

В качестве примера на рис. 12.10, а изображена структура базового кристалла, состоящая из четырех ячеек 2И/2И-НЕ и ячейки источника опорного напряжения /7_0П. На рис. 12.10, б показаны все элементы ячейки 2И/2И-НЕ, а на рис. 12.10, в — элементы источника опорного напряжения. Принципиальная схема логического элемента 2И/2И-НЕ, составленная их этих элементов, приведена на рис. 12.10, г.

Рис. 12.10. Структура ячейки БМК И-200 (а), состав элементов ячеек 2И/2И-НЕ (б) и источника опорного напряжения (в), схема логического элемента 2И/2И-НЕ, построенная на основе ячеек (г) Параметры и характеристики БМК. Параметры БМК можно разделить на четыре группы:

• • параметры, отражающие функциональные возможности (число эквивалентных вентилей, тип базовой ячейки, число матричных и периферийных базовых ячеек, состав библиотеки функциональных ячеек и др.);
• • электрические параметры (уровни напряжений, кодирующих логические сигналы; напряжения питания; потребляемые токи; задержки распространения сигналов; максимальные частоты переключений и др.);
• • конструктивно-технологические параметры (тип корпуса, число выводов, число уровней металлизации, площадь кристалла и др.);
• • эксплуатационные характеристики (устойчивость к воздействию внешних факторов, надежность и др.).

Важной характеристикой БМК является число слоев межсоединений. При увеличенном числе слоев можно исключить трассировочные каналы между ячейками, перейдя к бесканальным структурам. Многослойность облегчает трассировку и позволяет изготовлять БМК более высокого уровня интеграции.

В работе [83] приведены основные параметры некоторых отечественных БМК разных типов с топологической нормой проектирования 540 нм.

Следует отметить, что в последние годы появился новый класс микросхем — структурированные вентильные матрицы ($ 1тсШгес1

gate arrays — SGA), которые отличаются от классических БМК крупнозернистыми логическими блоков, заимствованными у рассматриваемых ниже микросхем FPGA [83]. Достоинство вентильных матриц состоит в том, что для их конфигурирования требуется меньшее число заказных слоев металлизации, реализуемых с помощью специально изготовленных шаблонов.