Покажем более подробно последовательность разработки РЭА на микросхемах на основании имеющегося в настоящее время опыта проектирования. При этом содержание основных этапов раскроем на примере цифровых устройств, для которых процесс проектирования отработан сейчас в наибольшей степени. Некоторые особенности проектирования аналоговых устройств будут рассмотрены далее. Последовательность основных этапов проектирования РЭА на микросхемах может быть представлена в виде, показанном на рис. 8.2.

Первый этап - разработка требовании к проектируемому устройству, т. е. составление технического задания. Это задание устанавливает назначение и область применения создаваемой аппаратуры, а также ее основные параметры. К таким параметрам у цифровых устройств относятся: быстродействие, точность, потребляемая мощность, надежность и т. п. В техническом задании указывают условия эксплуатации проектируемой аппаратуры, в част» ности, пределы изменения температуры, влажности, давления, механических воздействий и др. Задание должно содержать требования к конструкции (максимальную массу и габаритные размеры, допустимые тепловые режимы, необходимость герметизации и т. п.). В техническом задании, как правило, приводят технико-экономические показатели (допустимая стоимость, степень унификации и стандартизации, экономическая эффективность).

Техническое задание должно составляться с учетом фактических возможностей реализации проектируемой аппаратуры.

Второй этап - разработка структурной схемы и определение основных технических характеристик. На рассматриваемом этапе изучают существующие устройства, подобные проектируемому, и соответствующие патентные материалы. Затем проводят анализ возможных принципов построения, причем каждый вариант прорабатывают до глубины, достаточной для его сравнения с другими по наиболее существенным показателям: надежности, стоимости, перспективности и т. п. По результатам этого сравнения выбирают лучший вариант. Для него составляют структурную схему, устанавливают общие технические характеристики ее основных частей и их взаимосвязи.

Отметим, что структурные схемы микроэлектронны.х устройств, особенно реализуемых на микросхемах повышенной степени интеграции, часто отражают не только принципы работы, но и содержат информацию о каналах для параллельной обработки сигналов с целью повышения быстродействия, об устройствах встроенного контроля, поканальном резервировании и т. п. Таким образом, результатом второго этапа является разработка технического предложения для последующих стадий проектирования.

Третий этап - выбор элементной базы. Для дискретных устройств сначала выбирают тип логики (ТТЛ, МДПТЛ, ЭСЛ и др.). Этот выбор производят, исходя из основных требований к аппаратуре (выполняемая функция, быстродействие, потребляемая мощность и т. п.).

При выборе типа логики принимается во внимание структурная схема проектируемого устройства. Так, при параллельной обработке информации задержки сигналов сокращаются (можно выбрать элементную базу с меньшим 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, обычно рассматривают две-три серии в выбранном типе логики. В этом случае ориентировочно оценивают только основные характеристики проектируемого устройства при реализации с помощью выбранных серий. Например, рассчитывают максимальную задержку сигналов в цепи с наибольшим числом последовательно срабатывающих элементов, общую мощность потребления, стоимость и т. д. Чаще всего такую оценку можно сделать по функциональной схеме (см. четвертый этап). По результатам оценки выбирают лучший вариант реализации и для него разрабатывают полную принципиальную схему, а также выполняют все последующие этапы проектирования (см. рис. 8.2).

При построении сложных устройств очень важно до выбора конкретной серии определить оптимальную степень интеграции микросхем, ибо от этого будет существенно зависеть надежность, стоимость, габаритные размеры и другие характеристики. Выбор оптимальной степени интеграции возможен при наличии ряда серий, имеющих общий базовый логический элемент и различающихся степенью интеграции, а также при использовании микросборок [Микросборка - микроэлектронное изделие, состоящее из элементов и компонентов, включая микросхемы, которые имеют отдельное конструктивно-; исполнение и могут быть испытаны до сборки и монтажа. Микросборка разрабатывается для конкретной РЭА.].

4 S 16 22 6~4 т 255

Рис. 8.3. Зависимость относительной технико-экономической эффективности от уровня интеграции микросхем (1 - толстопленочные гибридные микросхемы; 2 - тонкопленочные гибридные микросхемы)

Существует несколько критериев для определения оптимальной степени интеграции, например

минимальная удельная стоимость элементарной логической схемы - вентиля, максимальная универсальность логических элементов. Используют также метод, основанный на обеспечении требуемой надежности контактных соединений.

Наиболее обоснованно степень интеграции выбирается по технико-экономической эффективности Э, определяемой соотношением Э = ТРМИ/3, где T - ресурс аппаратуры; 3 - затраты на ее изготовление и эксплуатацию; nk - исходная сложность проектируемого устройства, оцениваемая количеством простейших логических 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 от вида технологии, типа конструкции блоков и ряда других факторов. Для иллюстрации на рис. 8.3 приведены зависимости относительной технико-экономической эффективности от количества J вентилей в микросхеме для двух различных вариантов технологии. Эти кривые получены при проектировании одной из вычислительных машин. Из рис. 8.3 следует, что для данной разработки оптимальна степень интеграции, соответствующая 48 элементам при использовании толстопленочной технологии [41].

Выбор оптимальной степени интеграции с учетом различных факторов предусматривает рассмотрение большого количества вариантов. При этом разработка каждого из них до принципиальной схемы практически невозможна, поэтому в данном случае используют ориентировочные оценки, исходя из основных данных аппаратуры.

Расчет эффективности проводят с использованием главным образом эмпирических формул, полученных при обработке статистических данных по различным типам уже разработанной аппаратуры. При этом проектируемое устройство представляется построенным на однотипных по конструкции и степени интеграции микросхемах.

Задаваясь различными степенями интеграции, видами конструкции аппаратуры и другими параметрами, оценивают эффективность различных вариантов и определяют предпочтительный. После предварительной оценки вариантов выбирают микросхемы, уровень интеграции и другие параметры которых наиболее близки к найденным в результате расчетов.

Таким образом, при использовании рассматриваемого критерия на данном этапе проектирования не только выбирают элементную базу, но и в общих чертах разрабатывают конструкцию, т. е. фактически создают эскизный проект. Этот проект позволяет судить о типе и числе ячеек и блоков, габаритных размерах всего устройства, ориентировочной стоимости и ряде других показателей, что является основанием для последующих этапов технического проектирования.

Четвертый этап - разработка в выбранном логическом базисе функциональной схемы, которая полностью отражает характер, а также последовательность работы устройства.

Методы синтеза функциональных схем дискретных устройств разработаны достаточно хорошо. Синтез может проводиться в логическом базисе элементов И, ИЛИ, НЕ с последующим переходом к реализации в базисе выбранной серии (И - НЕ, И - ИЛИ - НЕ, ИЛИ - НЕ и т. д.) или непосредственно в заданном базисе.

Основной критерий синтеза функциональных схем аппаратуры на интегральных микросхемах - минимизация числа микросхем и их внешних соединений. Сложность каждой микросхемы - в данном случае не лимитирующий фактор. Другой критерий - функциональная однородность, т. е. максимальное использование элементов с одинаковыми функциями. Это обусловливает унификацию схемы, что, в свою очередь, 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 в базисе выбранных микросхем (примеры реализации перечисленных структур приведены в гл. 4). При использовании микросхем повышенной степени интеграции необходимость в синтезе указанных типовых структур иногда отпадает, поскольку они могут входить в состав серий.

Пятый этап - разработка принципиальной схемы. На данном этапе проводят электрический расчет всех элементов, которые нельзя было реализовать с помощью выбранных серий общего применения. Здесь же окончательно разделяют схему на части: а) реализуемые с помощью выбранных серий общего применения; б) реализуемые с помощью новых специализированных микросхем (микросборок); в) реализуемые на основе дискретных компонентов (блоки питания, фильтры, устройства сопряжения с исполнительными элементами и т. д.). Дискретные компоненты используют в первую очередь в тех случаях, когда интегральные микросхемы из-за технологических или других ограничений не могут обеспечить требуемых параметров. В табл. 8.1 приведены границы областей применения дискретных резисторов и конденсаторов в аппаратуре на гибридных (в числителе) и полупроводниковых (в знаменателе) микросхемах. Катушки индуктивности обычно используют в виде дискретных компонентов при любых номинальных значениях. Исключение составляют лишь случаи использования пленочных катушек индуктивностью до 20 мкГн в гибридных микросхемах. Возможно также применение электронных эквивалентов катушек индуктивности - гираторов.

Таблица 8.1

-I-.....з

2S 50 75 100 125 пм

Рис. 8.4. Зависимость числа выводов от сложности ячейки (1 - число внешних выводов ячейки; 2 - общее число выводов микросхем; 3 - число выводов, приходящихся на одну микросхему)

В результате рассмотренного этапа получают принципиальную схему и технические требования на разработку микросхем специализированного применения. На принципиальной схеме показывают все интегральные микросхемы с обозначением выводов, а также соединения и навесные элементы. (Примеры принципиальных схем цифровых устройств приведены в гл. 6, 7.)

Шестой этап - расчленение элементов принципиальной схемы на ячейки. Основным критерием при расчленении является минимальное число внешних выводов ячейки при ее максимальной сложности и функциональной законченности. Это обусловлено тем, что интенсивность отказов подвижных контактов примерно на порядок превышает интенсивность отказов паяных соединений на печатной плате.

Зависимость числа внешних связей от числа микросхем пм в ячейке, полученная в результате обобщения фактических 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 внешних контактных соединений, следует стремиться к увеличению числа микросхем в ячейках. Однако их увеличение снижает универсальность и повторяемость ячеек, что очень существенно для ЭВМ. Поэтому приходится принимать компромиссное решение.

При расчленении устройства на ячейки и определении их размеров принимаются также во внимание технологические возможности изготовления ячеек с двусторонним расположением контактов. Малая длина разъемов не позволяет иметь достаточно контактов, что исключает возможность получения функционально законченных узлов. Чрезвычайно большое число контактов приводит к усложнению конструкции разъема.

Если на плате можно расположить несколько функциональных узлов, то устройство расчленяют так, чтобы узлы, связанные большим числом соединений, оказались в одной ячейке.

Одним из способов уменьшения числа внешних соединений является введение избыточности в ячейки. Пример, который поясняет этот способ, приведен на рис, 8.5,«, где показана схема, содержащая устройство памяти и счетчик, расположенные в разных ячейках. Для соединения рассматриваемых узлов требуется восемь контактов. При введении дополнительных инверторов в ячейку памяти (рис. 8.5,6) число внешних контактов уменьшается в 2 раза. Другой критерий расчленения - максимальная повторяемость функций внутри ячейки. Это обеспечивает простоту, максимальную плотность и минимальную площадь монтажных соединений, а также удобство эксплуатации. Кроме того, при расчленении устройства на ячейки учитывают необходимость обеспечения минимального времени для диагностики неисправностей.

Число микросхем в ячейках должно быть примерно одинаковым, оно определяется размерами ячеек, микросхем и шагом их установки. Как показывает опыт проектирования с учетом всех перечисленных факторов, число микросхем, размещаемых на печатной плате, обычно не превышает 100.

Седьмой этап - разработка специализированных микросхем или микросборок (если есть потребность). При этом выбирают технологию, размеры подложек, схемы соединений. Чаще всего специализированные микросхемы выполняют по гибридной технологии с широким использованием бескорпусных микросхем, транзисторов, диодов, навесных конденсаторов.