1、1第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术 VLSIC是高度复杂的集成系统，为保证是高度复杂的集成系统，为保证设计的正确性并且降低设计难度，提高设计设计的正确性并且降低设计难度，提高设计效率，避免由于在版图设计过程中采用复杂效率，避免由于在版图设计过程中采用复杂结构而引入不可靠因素，因此，在结构而引入不可靠因素，因此，在VLSI的设的设计技术中大量地采用规则结构，晶体管规则计技术中大量地采用规则结构，晶体管规则阵列设计技术就是其中之一。阵列设计技术就是其中之一。 在这个结构中的基本单元就是在这个结构中的基本单元就是MOS晶体晶体管或管或CMOS晶体管对。晶体管对。电子科学与工
2、程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术24.1 晶体管阵列及其逻辑设计应用晶体管阵列及其逻辑设计应用 ROM是最常用的晶体管规则阵列，它以晶体管的是最常用的晶体管规则阵列，它以晶体管的有无来确定存储的信号是有无来确定存储的信号是“0”或或“1”。电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术34.1.1 全全NMOS结构结构ROM 163251423212311,RCRRCRCRCRRCRRC3134223211,RRCRRCRRRC电子科
3、学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术4 与与/或或ROM对比对比或或ROMNMOS并联结构并联结构与与ROMNMOS串联结构串联结构字线有效性字线有效性高有效高有效其他字线为其他字线为”0”低有效低有效其他字线为其他字线为”1”数据存储数据存储有晶体管为有晶体管为”0”无晶体管为无晶体管为”1”有晶体管为有晶体管为”1”无晶体管为无晶体管为”0”电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术5动态动态NMOS或非结构或非结构ROM电
4、子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术64.1.2 ROM版图版图1. NMOS或非结构或非结构ROM版图版图 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术72. NMOS与非结构与非结构ROM版图版图 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术8例题：按照真值表，用例题：按照真值表，用NMOS或非或非ROM结构电路实现逻辑。结构电路实现逻辑。
5、电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术9电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术10电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术11电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术12电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章
6、晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术13电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术14电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术154.2 MOS晶体管开关逻辑晶体管开关逻辑 MOS开关晶体管逻辑是建立在开关晶体管逻辑是建立在“传输晶体传输晶体管管”或或“传输门传输门”基础上的逻辑结构，所以又称基础上的逻辑结构，所以又称为传输晶体管逻辑。信号的传输是通过导通的为传输晶体管逻辑。信号的传输是通过导通的MOS器件，从源传到漏
7、或从漏传到源。这时的信器件，从源传到漏或从漏传到源。这时的信号接受端的逻辑值将同时取决于信号的发送端和号接受端的逻辑值将同时取决于信号的发送端和MOS器件栅极的逻辑值。器件栅极的逻辑值。 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术164.2.1 开关逻辑开关逻辑1. 多路转换开关多路转换开关MUX 3210CABCABCABCABZ电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术17CMOS结构的结构的MUX电子科学与工程学院电子科学
8、与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术18带有提升电路的带有提升电路的MUX电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术192. MUX逻辑应用逻辑应用 在在MUX作为选择开关的应用时，将作为选择开关的应用时，将B和和A当作控制信号，而将当作控制信号，而将C0C3当作数据信号，当作数据信号，如果反过来，仍是这个电路结构，将如果反过来，仍是这个电路结构，将C0C3当作逻辑功能控制信号，当作逻辑功能控制信号，B和和A作为逻辑数作为逻辑数据信号，我们可以得到
9、一个非常有趣地逻辑据信号，我们可以得到一个非常有趣地逻辑结构。结构。 3210CABCABCABCABZ电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术20ABABABABABZ,AB ABBABAABABABAB ABABABABBABA3210CABCABCABCABZ电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术21ABABABABABZ,AB ABBABAABABABAB ABABABABBABAA、B的“与”函数枚举：A B、A
10、 B、A B、A B（=A+B）A、B的“与非”函数枚举：A B、A B、A B、A BA、B的“或”函数枚举：A+B、A+B、A+B、A+B（=AB）A、B的“或非”函数枚举：A+B、A+B、A+B、A+BA、B同相、倒相、异或、同或：A、A、B、B、 、BA BA 让我们来看一看，这些逻辑是否能够涵盖所有可能的两输入逻辑让我们来看一看，这些逻辑是否能够涵盖所有可能的两输入逻辑电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术22例例2：设计一个实现四种逻辑操作的电路，其中控制：设计一个实现四种逻辑操作的电路，其中控
11、制信号为信号为K1K0，逻辑输入为，逻辑输入为A、B，当，当K1K0=00时，实时，实现现A、B的与非操作；当的与非操作；当K1K0=01时，实现时，实现A、B的或的或非操作；当非操作；当K1K0=10时，实现时，实现A、B的异或操作；当的异或操作；当K1K0=11时，实现时，实现A信号的倒相操作；信号的倒相操作； 分析：首先，我们可以确定采用四到一分析：首先，我们可以确定采用四到一MUX能够实现能够实现所需的四种逻辑操作，接下来的任务是产生所需的四所需的四种逻辑操作，接下来的任务是产生所需的四种控制编码种控制编码C3C0，同时，这四种控制编码又对应了，同时，这四种控制编码又对应了外部的二位控
12、制信号外部的二位控制信号K1K0，因此，该逻辑应由两部分，因此，该逻辑应由两部分组成：编码产生与控制逻辑和四到一的组成：编码产生与控制逻辑和四到一的MUX。 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术23查表查表4-1可知，当实现可知，当实现A、B与非操作时，与非操作时，C3C0为为0111； AB AB AB AB ABZ,AB AB BAB AABABAB AB ABABABA BBA BA 当实现当实现A信号倒相操作时，信号倒相操作时，C3C0为为0101；当实现当实现A、B异或操作时，异或操作时，C3C
13、0为为0110；当实现当实现A、B或非操作时，或非操作时，C3C0为为0001； K1K0=00时，时，A、B的与非操作；的与非操作；K1K0=01时，时，A、B的或非操作；的或非操作；K1K0=10时，时，A、B的异或操作；的异或操作；K1K0=11时，时，A信号的倒相操作；信号的倒相操作；电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术24AKKABABKKBAKKBAKKZ01010101K1K0=00, ,A、B与非操作与非操作, , C3C0为为0111;K1K0=01, A、B或非操作或非操作, , C3
14、C0为为0001;K1K0=10, A、B异或操作异或操作, , C3C0为为0110;K1K0=11, A信号倒相操作信号倒相操作, ,C3C0为为0101。电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术254.2.2 棒状图棒状图 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术264.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA也是典型的晶体管规则阵列结也是典型的晶体管规则阵列结构，它采用两级构，它采用两级
15、ROM形式构造电路，其两级形式构造电路，其两级ROM阵列阵列分别为分别为“与平面与平面”和和“或平面或平面”，这是源于大多数逻辑，这是源于大多数逻辑表达式采用表达式采用“与与-或或”结构。结构。 它不用译码电路而直接将输入变量的原量和非量送它不用译码电路而直接将输入变量的原量和非量送入晶体管阵列。入晶体管阵列。 实际的实际的PLA结构中，结构中，“与平面与平面”并不是由并不是由“与门与门”阵列构成，同样的，阵列构成，同样的，“或平面或平面”也不是也不是“或门或门”阵列，阵列，其两个其两个“平面平面”的组合是以的组合是以“或非或非-或非或非”或者或者“与非与非-与非与非”，或者其他变形结构的阵列
16、形式出现。，或者其他变形结构的阵列形式出现。 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术274.3.1 “与非与非-与非与非”阵列结构阵列结构dbdcacbaZ电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术284.3.2 “或非或非-或非或非”阵列结构阵列结构 dbdcacbaZ 当用当用“或非或非-或非或非”结构结构PLA实现逻辑时必须实现逻辑时必须输入取反、输出取反。输入取反、输出取反。 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VL
17、SIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术29例例3：用或非：用或非-或非结构的或非结构的PLA实现下面的逻辑实现下面的逻辑解：这个逻辑函数就是例解：这个逻辑函数就是例2描述的逻辑，我们在例描述的逻辑，我们在例2中采中采用的是用的是ROM+MUX的结构，现在采用的结构，现在采用PLA进行设计。首进行设计。首先需将函数化为标准的与先需将函数化为标准的与-或表达式：或表达式： AKKABABKKBAKKBAKKZ 01010101AKKABKKABKKBAKKBKKAKKAKKABABKKBAKKBAKKZ01010101010101010101电子科学
18、与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术30AKKABKKABKKBAKKBKKAKKZ 010101010101电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术314.3.3 多级门阵列多级门阵列(MGA) MGA是在是在PLA基础上变化而成的多级门结构，虽基础上变化而成的多级门结构，虽然它被称为门阵列，实际上它是多级然它被称为门阵列，实际上它是多级PLA的组合，一个的组合，一个最明显的标志是它对输入、输出位置的限制。最明显的标志是它对输
19、入、输出位置的限制。 因为在每块因为在每块PLA中，中，“与平面与平面”只能外部输入，内只能外部输入，内部输出，部输出，“或平面或平面”只能内部输入，外部输出。只能内部输入，外部输出。 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术324.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 多级门阵列多级门阵列(MGA) 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术334.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 多级门阵列多级门阵列(MGA) 电子科学与
20、工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术344.3 PLA及其拓展结构及其拓展结构 多级门阵列多级门阵列(MGA) 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术354.4 门阵列门阵列 门阵列是一种规则化的版图结构。门阵列版图采门阵列是一种规则化的版图结构。门阵列版图采用行式结构，在单元行内规则的排列着以标准门定义用行式结构，在单元行内规则的排列着以标准门定义的门单元。的门单元。 严格地讲，门阵列不是一个实现逻辑的电路结构，严格地讲，门阵
21、列不是一个实现逻辑的电路结构，它是一种版图形式。它是一种版图形式。 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术36电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术37电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术384.4.1 门阵列单元门阵列单元 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体
22、管规则阵列设计技术39电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术40电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术41电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术42电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术434.4.2 整体结构设计准则整体结构设计准则 电源、地线必
23、须用铝引线，为了使电源和地线通达各个电源、地线必须用铝引线，为了使电源和地线通达各个单元，它们应设计成叉指形。电源、地线在各单元行的位单元，它们应设计成叉指形。电源、地线在各单元行的位置、宽度必须一致。对于外部的输入、输出单元的电源和置、宽度必须一致。对于外部的输入、输出单元的电源和地线的设计采用地线的设计采用“回回” 字型结构，以保证电源和地线能字型结构，以保证电源和地线能够通达到每一个单元。够通达到每一个单元。 采用垂直布线法，即水平方向用铝线作为各单元间的互采用垂直布线法，即水平方向用铝线作为各单元间的互连线。垂直方向用多晶硅条或扩散条作为穿越单元行的通连线。垂直方向用多晶硅条或扩散条作
24、为穿越单元行的通信以及铝引线交叉的通道。由于铝线与多晶硅条或扩散条信以及铝引线交叉的通道。由于铝线与多晶硅条或扩散条可以互相跨越，因此它们可以共用同一个布线通道。可以互相跨越，因此它们可以共用同一个布线通道。 采用采用“行式结构行式结构”，即单元行和布线通道间隔排列，这，即单元行和布线通道间隔排列，这种间隔便于种间隔便于CAD软件实现自动布局布线。软件实现自动布局布线。 用掩模版编程的用掩模版编程的I/O PAD单元或独立的单元或独立的I/O单元位于芯单元位于芯片四周。片四周。 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵
25、列设计技术44电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术45 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 S1S2Q1S2S3AS3S4BQ1S1S2AS2S3BS3S4读图方法：读图方法：1. 读晶体管读晶体管S、G、D2. 读纯掺杂区互连读纯掺杂区互连3. 读多晶硅互连读多晶硅互连4. 读金属互连读金属互连AS3S2S2S1Q1电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术464.4.3
26、门阵列在门阵列在VLSI设计中的应用形式设计中的应用形式 门阵列是一种规则阵列形式的版图，可以完门阵列是一种规则阵列形式的版图，可以完全按照人们习惯的设计方式构造电路，不必考虑全按照人们习惯的设计方式构造电路，不必考虑逻辑表达式是什么形式。逻辑表达式是什么形式。 门阵列设计应用形式：电路的完全实现形式；门阵列设计应用形式：电路的完全实现形式；电路的局部实现形式。电路的局部实现形式。电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术474.5 晶体管规则阵列设计技术应用晶体管规则阵列设计技术应用 1. EPLD中的宏单元
27、中的宏单元 EPLD（Erasable Programable Logic Devices）是）是目前应用最为广泛的现场编程器件之一。它采用电编写目前应用最为广泛的现场编程器件之一。它采用电编写和电擦除的特殊和电擦除的特殊MOS器件（器件（E2PROM器件）作为晶体管器件）作为晶体管规则阵列中的单元，实现现场编程规则阵列中的单元，实现现场编程。电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术48电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技
28、术492. E2PROM晶体管晶体管 电子科学与工程学院电子科学与工程学院VLSIVLSI设计基础设计基础第四章第四章 晶体管规则阵列设计技术晶体管规则阵列设计技术503. 编程的概念编程的概念 用晶体管规则阵列设计用晶体管规则阵列设计VLSI的过程，通常就是的过程，通常就是“编程编程”的过程。对的过程。对ROM结构，我们通过一块掺杂掩结构，我们通过一块掺杂掩膜版编程，如源漏掺杂掩膜版、离子注入掩膜版等。对膜版编程，如源漏掺杂掩膜版、离子注入掩膜版等。对开关晶体管逻辑、开关晶体管逻辑、PLA及其拓展结构也采用同样的方法及其拓展结构也采用同样的方法编程。对门阵列，我们采用金属掩膜版进行编程，等等。编程。对门阵列，我们采用金属掩膜版进行编程，等等。
