A 2-Bit ALU using N-MOS LSI technology is designed and fabricated for the purpose of studying N-MOS LSI technology and arithmetic and logic operations of computers, microprocessors, and calculators, etc.
The ALU is composed of two serial `Full Adders' and function control logic circuits. For logic elements, depletion type load is used, which improves the switching speed of the ALU.
INVERTER characteristics has been simulated for different $\beta_R$Bigg(=\frac{Z_D\cdot L_L}{L_D\cdot Z_L}Bigg)(\beta_R=1,2,5,10)$ using circuit simulation program "SPICE". After the mask making and wafer fabrication process, the chip was packaged and tested.
The output level is about 0.8V for logic "0" and 4.9V for logic "1". The propagation delay time is 0.4-0.8μs for 6 logic stages. The current of a single 5V power supply is 0.5mA. Power consumption per gate is about 0.05mW and all the logic operations of the fabricated 2-Bit ALU is successful.
본 논문에서는 Computer의 연산기능을 수행하는 2Bit ALU를 N-MOS IC 제작기법을 사용하여 설계, 제작하였다.
먼저 설계에 필요한 기본적인 이론을 알아본 다음 전가산회로를 기본으로 하여 논리회로를 설계하고, 그 회로를 집적회로로 바꾸는 Layout을 설계하였다. 다음에 회로를 동작시키는 적정 $V_T$를 산출하고 SPICE를 이용하여 설계된 집적회로의 특성을 예측하여 보았다.
다음에, 설계된 회로의 Layout으로부터 6개의 Emulsion mask를 제작하여, 집적회로 제작과정을 거쳐 2 Bit ALU를 제작하였다. 제작된 ALU는 5V전원에서 모든 기능을 정상적으로 수행하였고 $I_{DD}$는 0.5 mA로, 2.5 mW의 전력을 소모하였다.
출력 level은 4.9 ∼ 0.36V로 TTL의 level과 비슷하였으며 propagation delay는 0.4 ∼ 0.8 μsec로 예측치에 비하여 약 2배의 값이 나왔다. 이것은 side diffusion과 $V_T$의 오차때문에 $I_{DSS}$의 감소로 인한 것이라 생각된다.
