使用常规CMOS工艺技术设计和制造三元微电路

许多人声称他们是用分立元件构建三元计算机的，但有些人现在正在开发和订购三元微电路：）



我在2015年开发并订购了我的第一个三元微电路（相同的晶体包装成3种不同的尺寸-DIP40，DIP28和SOIC16）。今天，这是我的第一个也是最后一个经验，但是有一种再次尝试的愿望和力量-考虑到获得的经验，并着眼于真正的实用性，例如三元可编程逻辑和/或三元微控制器-立即可用于。

现在，关于我实际上是如何做到的以及它的来龙去脉。我的三部史诗始于2004年底，当时nedoPC在我的复古计算机和自制电子产品爱好者论坛上讨论开始于平衡的三进制数系统以及基于该系统构建新计算机的可能性。然后，论坛用户开始在网络上搜索有关此主题的资料，令他们感到惊讶的是，许多人得知三元计算机是很久以前开发的，甚至是批量生产的-特别是自1959年以来生产的Setun三元计算机是由Nikolai Petrovich Brusentsov和一群志同道合的人设计的。在莫斯科国立大学的计算机中心，并在全国相当广泛。

重要的是要理解，通过三进制数系统，我们主要是指“平衡”三元组（平衡三元组），其中使用了三个状态-1.0，+ 1（而不是像许多人认为的那样为0.1.2）。因此，我们在论坛上开始尝试从可用组件中构建三元元素的各种选择-我们尝试了比较器（带二极管）：



双极晶体管（带齐纳二极管）：



光耦合器（带晶体管）：



最后是模拟键：



随着我得到一些混合动力，例如比较器，二极管和CMOS键：



或双极晶体管，光耦合器和CMOS键：（



在2011年，我什至上传了一个视频基于这种混合动力的完整三重加法器可以工作：)

但就简单性（2个微电路，4个电容器，触点梳状）和速度（高达2.5 MHz）而言，DG403电路超出了所有其他选项-2010年11月，我创建了TRIMUX-双三元选择器（复用器/解复用器）：



随后哈克鲁在表面贴装组件上制作了他的手帕版本，并开始在组件上建立TRIADOR三元计算机（该体系结构也出现在nedoPC论坛的讨论中）-请参阅这里了解更多详细信息。

所以-到2015年，我坚信三元选择器应该可以构成三元电路的基础。但是要获得一些不太有用的东西，您需要数百个三元选择器。我不想焊接数百个微管，但是我想制作自己的三元微电路-但是如何？ FPGA不是一种方法-里面的所有东西都是二进制的（用一对二进制来表示一个三进制信号很无聊，没意思）。如果您制作的是真正的芯片，那么只有过去几十年中几乎所有事情都可以使用的常规CMOS工艺技术（只有晶体管的尺寸改变-它们变得越来越小）：



购买商用芯片开发产品是不现实的（非常昂贵），所以我找到了Magic VLSI开源软件包（有用于Linux和Windows的程序集），例如，根据CMOS 0.5um工艺技术，在其中有规则文件，当时在美国南加州大学工作的美国公司MOSIS正在接受订单，而我专注于它们，并在美国开展了正式业务因为MOSIS与个人不合作（实际上，我仍然尝试去一家欧洲公司，该公司还在一个硅晶片上收集不同的设计，但最终他们拒绝与我合作）。

为了进行实验，我首先使用了免费的模拟器LTspiceIV（这是Windows程序，在Wine之下的Linux上都可以很好地运行）。我开始在那里建造通常的（二进制）CMOS电路和测试他们在现实PMOS和NMOS晶体管的SPICE模型（例如模型走在互联网上，经常可以在美国大学的VLSI在线课程手册中找到）：





我注意到，在根据逻辑门输入的连接方式，其操作阈值将发生变化：



事实证明，如果采用3输入NAND模块（其响应阈值可以向右移动）和3输入NOR模块（其响应阈值可以向左移动），并以某种方式将其输入接地或电源，则可以将操作阈值隔开以便在输入检测中间电压-接收规则逻辑信号之后，我们可以将它（和它的反转）发送到可打开或关闭所述模拟信号通过它打算（和在两个方向上该开关作品）的CMOS键：



作为结果，我有一个这样的电路，它有几个触发阈值：



该电路具有控制输入S，当将其接地时，中间电压或电源将公共信号C分别连接到触点N（负），O（中间）或P（正）-在这种情况下，我们将中间电压视为信号零，微电路的地分别为-2.5V和电源为+ 2.5V。在工作区域的过程中，如果激活活动区域的同时突然打开相邻按键，则有2个孔使随机短路成为不可能（毕竟，三进制选择器的输入可以接地或直接连接到电源），因为这些边界是由“漏洞”构成的：



使用精彩的Magic视频教程（此处和此处））我开始绘制晶体管-使响应阈值恰好在中间，上晶体管（PMOS）的大小应约为下晶体管（NMOS）大小的2倍：



Magic允许您将绘制的图像保存到库中，然后允许您从保存的库元件中创建更复杂的电路，将模块与金属化层连接（此过程中有3个层）：



该过程规则允许您拉出整个电路的整个SPICE模型，然后可以在ngspice中仿真该模型（开源SPICE模拟器，例如在标准Debian Linux软件包中提供）。

在我的图书馆工作过程中，我设法找到了一群感兴趣的人，这些人由不同州的公民组成，他们同意支付一半的生产量（最小批量为40个晶体），以换取一些三元和四元方案的帮助-结果，晶体的上半部分被一些人占用了。我可能无权谈论这些事情，而下一个有一个用于选择性测试16个基本电路（左侧）和三元选择器本身（右侧）的模块：



此设计总共有约1,500个晶体管位于2.2x2.2mm芯片上，具有40个焊盘（每侧10个），尺寸为100x100um，并且所有晶体管，焊盘和信号都是我从头开始手工绘制的，当然，我没有错过在同一个三元选择器上的水晶上写下我的昵称的年份的机会：）



很高兴能在“小范围”下看到自己的名字，向自己介绍“左撇子” ，,着跳蚤；）



2015年6月将设计移交给生产后，我准备了现成的硅仅在十月份以DIP40包装了晶体和8芯片：



确保微电路可以整体工作后，我将剩余的硅晶体（发送回去）添加到DIP28（为孩子提供一部分）和SOIC16情况下，只有三元选择器的信号伸出（花费数千美元）：



为进行详细测试，我我为这些soics订购了一条手帕，在那里焊接了一个微电路：



并将带有数字示波器前缀的波形图带到计算机-选择器以三元缓冲模式连接：



在三元反相器模式下：



这里的电源为-5V ... + 5V（比正常电压高一点）地面和建议用于CMOS的电源之间的5V电压建议为0.5um），可以看出the语的阈值已移开，但一般而言，平均电压已完全确定。这些芯片的唯一问题是它们只能在高达10 kHz的频率下工作 :(

我对这些微电路的不良动态特性的假设是，我试图独立地满足制造商的特殊要求-他们要求芯片上的所有自由空间都要填充有金属层的块等。由于它们的缺失会被位于同一板上的相邻设计蚀刻而损坏，因此，我不得不发明自己的块状填充剂：



它填充了晶体上的所有自由点：



结果，我似乎忘记了将其连接到地面上，晶体上悬挂了成堆的杂散电容器，耗尽了所有高频。下次，我将尝试避免出现此错误，或者我将某商业产品投入使用并使用其库，因为在处理三元信号时，我的选择器可以由STANDARD二进制组件组成。可能有可能再次找到一个感兴趣的人，他们同意分担下一批的成本（例如，最后一批中的一个芯片的成本约为三百美元）。我期待着尊敬的Khabrovites的意见和评论：）