تصميم وتصنيع الدوائر الدقيقة الثلاثية باستخدام تقنية CMOS المعتادة

ادعى الكثير أنهم يقومون ببناء جهاز كمبيوتر ثلاثي من مكونات منفصلة ، لكن البعض يقومون بتطوير وطلب دوائر مصغرة ثلاثية الأبعاد الآن :)



لقد طورت وطلبت أول دائرة صغيرة ثلاثية (تم تعبئة البلورة نفسها بثلاثة أحجام مختلفة - DIP40 و DIP28 و SOIC16) في عام 2015. اليوم كانت تجربتي الأولى والأخيرة من هذا النوع ، ولكن هناك رغبة وقوة للمحاولة مرة أخرى - مع الأخذ في الاعتبار الخبرة المكتسبة ومع مراعاة الفائدة الحقيقية مثل المنطق القابل للبرمجة الثلاثي و / أو متحكم ثلاثي - وهو أمر على الفور يمكن ان تستعمل.

والآن حول كيف فعلتها بالفعل وماذا جاء منها. بدأت ملحمي بثلاثة أضعاف في نهاية عام 2004 ، عندما كان nedoPC في منتدي الخاص بالحواسيب الآلية ومحبي الإلكترونيات المنزلية الصنعبدأت المناقشات حول نظام رقم ثلاثي متوازن وإمكانية بناء حواسيب جديدة تعتمد عليه. ثم بدأ مستخدمو المنتدى في البحث عن مواد حول هذا الموضوع على الشبكة ، وندهش الكثيرون من أن أجهزة الكمبيوتر الثلاثية قد تم تطويرها لفترة طويلة جدًا وحتى أنها تم إنتاجها بكميات كبيرة - على وجه الخصوص ، جهاز كمبيوتر Setun الثلاثي ، الذي تم إنتاجه منذ عام 1959 ، تم تصميمه بواسطة نيكولاي بتروفيتش بروسينتسوف ومجموعة من الأشخاص ذوي التفكير المماثل في مركز الحوسبة بجامعة موسكو الحكومية وكان منتشرًا جدًا في جميع أنحاء البلاد.

من المهم أن نفهم أنه من خلال نظام الأرقام الثلاثية نعني في المقام الأول ثلاثية "متوازنة" (ثلاثية متوازنة) ، حيث يتم استخدام ثلاث حالات -1.0 ، + 1 (وليس على الإطلاق 0.1.2 كما قد يعتقد الكثير). وهكذا بدأنا في المنتدى بتجربة خيارات مختلفة لبناء عناصر ثلاثية من المكونات المتاحة - جربنا المقارنات (مع الثنائيات):



الترانزستورات ثنائية القطب (مع الثنائيات زينر):



optocouplers (مع الترانزستورات):



وأخيرًا المفاتيح التناظرية :



على طول الطريقة التي حصلت بها على بعض الهجينة - على سبيل المثال ، المقارنات والثنائيات ومفاتيح CMOS:



أو الترانزستورات ثنائية القطب والمزدوجات الضوئية ومفاتيح CMOS:



(وفي عام 2011 قمت بتحميل فيديوالمصمم الثلاثي الكامل المبني على مثل هذه الهجينة يعمل :)

ولكن من حيث البساطة (2 دوائر دقيقة ، 4 مكثفات ، مجموعة من جهات الاتصال) والسرعة (حتى 2.5 ميجاهرتز) ، تجاوزت دائرة DG403 جميع الخيارات الأخرى - في نوفمبر 2010 ، أنشأت TRIMUX - ثلاثية ثلاثية محدد (معدد / مضاعف الإرسال):



لاحقًاhaqreuصنع نسخته من هذا المنديل على مكونات مثبتة على السطح وبدأ في بناء الكمبيوتر الثلاثي TRIADOR عليها (التي ولدت بنيتها أيضًا في المناقشات على منتدى nedoPC ) - انظر هنا لمزيد من التفاصيل .

لذا - بحلول عام 2015 ، كان لدي قناعة قوية بأن المحدد الثلاثي الذي نبني عليه كل شيء يجب أن يكون أساس الدوائر الثلاثية. ولكن للحصول على شيء أقل فائدة ، تحتاج إلى مئات من محددات ثلاثية. لم أكن أرغب في لحام المئات من الترموسات ، لكنني أردت أن أصنع دائريتي الدقيقة الثلاثية - ولكن كيف؟ FPGA ليست طريقة - كل شيء ثنائي داخل (تقديم إشارة ثلاثية مع زوج ثنائي مملة وغير مثيرة للاهتمام). إذا قمت بإنشاء شريحة حقيقية ، فإن تقنية CMOS المعتادة فقط هي التي تتوفر عليها كل شيء تقريبًا تم القيام به في العقود القليلة الماضية (فقط أحجام الترانزستورات تتغير - تصبح أصغر وأصغر): كان



شراء منتج تطوير الرقائق التجارية غير واقعي (مكلف للغاية) ، لذلك تم العثور على Magic VLSI Open Source Package(هناك تجميعات لنظامي التشغيل Linux و Windows) ، حيث توجد ملفات قواعد ، على سبيل المثال ، وفقًا لتقنية معالجة CMOS 0.5um ، التي كانت الشركة الأمريكية MOSIS ، التي كانت تعمل في جامعة جنوب كاليفورنيا ، في ذلك الوقت تتلقى الطلبات ، وركزت عليها ، وخلق عمل رسمي في الولايات المتحدة الأمريكية. لان لا تعمل MOSIS مع الأفراد (في الواقع ، ما زلت أحاول الذهاب إلى شركة أوروبية واحدة ، والتي تجمع أيضًا تصميمات مختلفة على رقاقة سيليكون واحدة ، لكنهم في النهاية رفضوا العمل معي).

للتجارب ، أخذت لأول مرة المحاكي المجاني LTspiceIV (هذا هو برنامج Windows يعمل بشكل رائع على Linux من تحت Wine). وبدأت في بناء دوائر CMOS (الثنائية) المعتادة واختبارها على نماذج سبايس من ترانزستورات PMOS و NMOS الحقيقية (هذه النماذج تسير على الإنترنت ويمكن العثور عليها غالبًا في كتيبات عبر الإنترنت في دورات VLSI للجامعات الأمريكية):





لاحظت ذلك في اعتمادًا على كيفية توصيل مدخلات البوابة المنطقية ، يتم تغيير عتبة تشغيلها:



اتضح أنه إذا أخذت ثلاث كتل NAND للإدخال (والتي يمكن أن تتحول عتبة الاستجابة إلى اليمين) وكتل NOR 3 للإدخال (التي يمكن أن يتحول عتبة الاستجابة إلى اليسار) وربط مدخلاتها بالأرض أو الطاقة بطريقة معينة ، يمكنك الحصول على عتبات التشغيل متباعدة لكي نكتشف جهدًا متوسطًا عند الإدخال - بعد تلقي إشارة منطقية عادية ، يمكننا إرساله (وانعكاسه) إلى مفتاح CMOS الذي يمكنه تشغيل أو إيقاف الإشارة التناظرية التي يمر بها (ويعمل هذا المفتاح في كلا الاتجاهين):



نتيجة لذلك ، لقد حصلت على مثل هذه الدائرة ، التي لها العديد من عتبات الزناد:



تحتوي هذه الدائرة على إدخال تحكم S ، والذي عند توصيله بالأرض ، جهد أو قوة وسيطة ، يربط الإشارة المشتركة C إلى جهات الاتصال N (سلبية) ، O (وسيط) أو P (إيجابي) ، على التوالي - في هذه الحالة نعتبر الجهد المتوسط ​​بمثابة إشارة صفر ، على التوالي ، أرضية الدائرة المصغرة هي -2.5 فولت ، والطاقة + 2.5 فولت. في سياق منطقة العمل ، هناك فتحتان تجعل من الدائرة القصيرة العشوائية مستحيلة إذا تم تشغيل المفاتيح المجاورة فجأة في نفس الوقت الذي يتم فيه تنشيط المناطق النشطة (بعد كل شيء ، يمكن توصيل مدخلات المحدد الثلاثي بالأرض أو مباشرة بمصدر الطاقة) لأن تتم هذه الحدود من قبل "الثقوب":



عن طريق الفيديو الرائع الدروس ماجيك ( هنا و هنا) بدأت في رسم الترانزستورات - بحيث يكون حد الاستجابة بالضبط في المنتصف ، يجب أن يكون حجم الترانزستور العلوي (PMOS) حوالي ضعف حجم الترانزستور السفلي (NMOS):



يتيح لك Magic حفظ الرسم المسحوب إلى المكتبة ومن ثم يسمح لك بإنشاء دوائر أكثر تعقيدًا من مكونات المكتبة المحفوظة ، ربط الكتل بطبقات التعدين (التي كانت هناك 3 في هذه العملية):



تسمح لك قواعد العملية بسحب نموذج SPICE بأكمله للدائرة بأكملها ، ومن ثم يمكن محاكاة هذا النموذج في ngspice (محاكي SPICE مفتوح المصدر ، موجود على سبيل المثال بين حزم Debian Linux القياسية).

في عملية العمل في مكتبتي ، تمكنت من العثور على مجموعة مهتمة من الناس ، تتكون من مواطنين من ولايات مختلفة ، وافقوا على دفع نصف الإنتاج (الحد الأدنى 40 بلورة) في مقابل المساعدة في بعض المخططات الثلاثية والرباعية - ونتيجة لذلك ، احتل بعض النصف العلوي من البلورة بعض ربما ليس لدي الحق في الحديث عن الأشياء ، وكان الجزء السفلي يحتوي على وحدة للاختبار الانتقائي لـ 16 دائرة أساسية (على اليسار) ومحدد ثلاثي (نفسه على اليمين):



في المجموع ، كان لهذا التصميم حوالي 1500 ترانزستور يقع على رقاقة 2.2x2.2mm مع 40 وسادة (10 على كل جانب) بحجم 100x100um ، وقد رسمت يدويًا جميع الترانزستورات والوسادات والإشارات من الصفر وأنا بالطبع لم أفوت الفرصة لكتابة لقبي على البلورة تحت نفس المحدد الثلاثي الذي يشير إلى العام :)



من الجيد دائمًا رؤية اسمك الخاص ضمن "النطاق الصغير" ، تقديم نفسك على أنه ليفتي ، وارتداء البراغيث ؛)



بعد تسليم التصميم للإنتاج في يونيو 2015 ، حصلت على السيليكون الجاهز بلورات و 8 رقائق معبأة في DIP40 فقط في أكتوبر:



بعد التأكد من أن الدائرة المصغرة تعمل ككل ، أضفت بلورات السيليكون المتبقية (إعادتها) إلى DIP28 (لإعطاء جزء منها للرجال) و SOIC16 حيث تبرز إشارات المحدد الثلاثية فقط (تكلف عدة آلاف أخرى):



للاختبار التفصيلي ، I لقد طلبت وشاحًا لهذه soics ، حاملاً إحدى الدوائر المصغرة هناك:



وأخذت راسمات التذبذب ببادئة مرسمة الذبذبات الرقمية إلى الكمبيوتر - المحدد المتصل في وضع المخزن المؤقت الثلاثي:



وفي وضع العاكس الثلاثي:



هنا كانت الطاقة -5V ... + 5V (أكثر بقليل من الجهد العادي 5V بين الأرض ومصدر الطاقة الموصى به لـ CMOS 0.5um) ويمكن ملاحظة أن عتبات اللغة العامية قد تحركت ، ولكن بشكل عام يتم تحديد متوسط ​​الجهد تمامًا لنفسه. المشكلة الوحيدة مع هذه الرقائقإنها تعمل فقط بترددات تصل إلى 10 كيلوهرتز : (

افتراضي حول الخصائص الديناميكية الضعيفة لهذه الدوائر الدقيقة هو أنني حاولت تلبية المتطلبات الخاصة للمصنع بشكل مستقل - لقد طلبوا ملء جميع الأماكن المجانية على الشريحة بكتل من طبقات معدنية ، إلخ. نظرًا لأن غيابها يمكن أن يتضرر عند الحفر بواسطة التصاميم المجاورة الموجودة على نفس اللوحة ، ونتيجة لذلك كان عليّ اختراع حشو البلوك الخاص بي:



الذي ملأ جميع البقع الحرة على البلورة:



ويبدو أنني نسيت توصيله بالأرض نتيجة لذلك ، حيث تم تعليق أكوام من المكثفات الضالة على البلورة ، تلتهم جميع الترددات العالية. في المرة القادمة سأحاول تجنب هذا الخطأ ، أو ربما سأخذ منتجًا تجاريًا للعمل وأستخدم مكتباته ، لأن محددي يمكن أن يتكون من مكونات ثنائية قياسية أثناء العمل مع الإشارات الثلاثية. قد يكون من الممكن العثور مرة أخرى على مجموعة مهتمة من الأشخاص الذين يوافقون على مشاركة تكلفة الدفعة التالية (على سبيل المثال ، ستكلف شريحة واحدة من الدفعة الأخيرة حوالي ثلاثمائة دولار بسعر التكلفة). أتطلع إلى آراء وتعليقات من الخبروفيين المحترمين :)