Цель изадачи курсового проекта
Темакурсового проекта – «Разработка функциональных узлов (ФУ), выполняющих типовыедля цифровых устройств микрооперации».
Цельюкурсового проектирования являются:
1. Изучение технических характеристик и состава элементной базысовременной ЭВМ;
2. Практическое освоение формальных и эвристических приемов выбораоптимального варианта реализации ФУ из множеств возможных;
3. Обучение приемам описания ФУ построения временных диаграмм егоработы, ориентировочного расчета быстродействия и потребляемой мощности;
4. Освоение правил оформления функциональных и принципиальныхэлектрических схем;
5. Выработка навыков анализа переходных процессов в ФУ при помощимоделирования на ЭВМ.
Содержаниеи требования к выполнению курсового проекта.
1. Задание на проектирование ФУ и структурная схема ФУ,соответствующая заданию;
2. Синтез возможных вариантов реализации разрабатываемого узла науровне функциональных схем с использованием формальных и эвристических приемовпроектирования.
3. Сравнительный анализ полученных вариантов и выбор наилучшего вариантапо заданному критерию оптимизации;
4. Выбор типа описания используемых серий микросхем:
а) выбортипа системы элементов и конкретной серии с учетом критерия оптимизации ФУ;
б) условныеобозначения и технические характеристики конкретных микросхем, используемых впроектируемом узле;
в) описаниеэлементов выбранной серии в целом;
5. Разработкапринципиальной электрической схемы ФУ:
а) переходот функциональной к принципиальной электрической схеме; разводка и фильтрацияцепей памяти; решение задачи неиспользованных входов микросхемы;
б)временные диаграммы работы ФУ;
в) описаниеФУ с использованием временных диаграмм;
6. Расчетбыстродействия переходных процессов и потребляемой мощности ФУ на ЭВМ;
7. Заключениеи выводы по проделанной работе;
8. Переченьиспользованной литературы;
9. Приложение.Схема электрическая принципиальная и перечень элементов.
Задание накурсовое проектирование.
Индексзадания состоит из 4 позиций. Индекс моего варианта равен 2.1.5.3. Эти числауказывают на критерий оптимизации, номер задания, номер таблицы, номер вариантав таблице.
Критерийоптимизации: Максимум быстродействия.
Задание: Разработать распределитель тактовых импульсов, формирующий навыходах Z 1 и Z2 из N входных импульсов (от ГТИ),последовательности, указанные в таблице 1. Реализация на основе сдвиговогорегистра, двоичного счетчика.
Таблица 1.(вариант в таблице):Вариант № Номера импульсов, проходящих на выходы распределителя Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 4 3 20 1,5,6,7,10 2,6,7,8,11,12 3,7,8,9,12,13 4,8,9,10,13,14
Длякурсового проектирования я взял 2 режима: режим 1, режим 3.
Синтез ФУ.
Таблицапереходов:№ Х1 Х2 Х3 Х4 1 2 1 1 1 2 1 3 1 1 1 4 1 5 1 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 1 1 8 1 1 9 1 1 1 10 1 1 1 11 1 1 1 12 1 1 1 13 1 1 1 1 14 1 1 1 15 1 1 1 1
Минимизация(по карте Карно):
1.
Х1х2
Х3х4 00 01 11 10 00 01 1 1 11 1 10 1 1
Z1=/>/> x4 V />x2x3V x1/>x3/>
2.
Х1х2
Х3х4 00 01 11 10 00 1 1 01 1 1 11 1 1 10
Z2=x1/> V />x3x4
Переход вбазис И-НЕ:
Z1=/>/> x4 V />x2x3V x1/>x3/>= />; Z2= x1/> V
/>x3x4=/>
Выбор типаописания используемых серий микросхем
Перспективными,часто используемыми системами, имеющими широкий спектр СИС, являются системытипов ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП. Так как по критерии оптимизации мне досталсямаксимум быстродействия, то я выбрал систему типа ЭСЛ (эмиттерно-связаннаялогика). Цифровые микросхемы ЭСЛ имеют наибольшее быстродействие, но потребляютзначительную мощность. В настоящее время широко используются серии 100, 500,1500, отличающимися друг от друга типом корпуса и количеством СИС в серии. ОсобенностьЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегральногодифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток,но при этом никогда не попадают в режим насыщения.
/>
Рис. 1.1. Исходные схемы для элемента ЭСЛ:
На рис. 1.1, а показана основа логического элемента DD1 — переключатель тока. Если входным сигналом открыть транзистор VT, через негопотечет весь ток, вытекающий из общей точки эмиттеров — Э. На коллекторетранзистора VT1 окажется напряжение низкого уровня. В этот момент транзисторVT2 тока не имеет, он вынужденно находится в состоянии отсечки. На егоколлекторе отсутствует напряжение высокого уровня. Наличие генераторастабильного тока (ГСТ) принципиально — с его помощью строго фиксируютсявыходные логические уровни.
На рис. 1.1, б показан простейший одновходовой элемент ЭСЛ. Новым вразвитии элемента DD1 (рис. 1.1, а) здесь является источник опорного напряженияUon. Это напряжение фиксирует порог срабатывания переключателя тока. Тем самымдифференциальный усилитель превращается в логический элемент. У него теперь двасостояния выходов, которые переключаются лишь при условии: Uвх>Uon. Однакопри проектировании ЭСЛ ставилась задача: получить сверхскоростную логику. Насхеме (рис. 1.1, б) этого достичь нельзя, так как выходное сопротивление выходовQ и Q с инверсией велико, оно приближается к номиналу Rk. Для снижения выходногосопротивления к коллекторным выходам подключаются эмиттерныеповторители-транзисторы VT3 и VT4, работающие в линейном режиме (рис. 1.1, в).Теперь выходное сопротивление эмиттерного выхода принципиально уменьшается.
/>
где (В+1)-коэффициент усиления транзистора — эмиттерногоповторителя по току. Эмиттерные выходы чаще делаются «открытыми», чтобы можнобыло их соединять в элементы «монтажное ИЛИ». Кроме того, внутренниенагрузочные резисторы рассеивают большую мощность, чем сильно ухудшают тепловойбаланс корпуса ЭСЛ. Во многих случаях не обязательно отбирать от повторителейVT3-VT4 максимальный ток. Сопротивление внешнего нагрузочного резистора Rнможно выбрать самостоятельно в широких пределах, например от 300 Ом до 30 кОм.
На рис. 1.1, г показан следующий шаг развития схемотехники ЭСЛ:для получения нескольких логических входов следует использовать один пороговыйтранзистор (в схеме он составной: VT3-VT2) и несколько параллельно соединенныхвходных транзисторов. В данном случае логическую функцию входов A и B реализуюттранзисторы VT4 и VT1. В современных ЭСЛ логические входы снабжаютсявнутренними резисторами. Такой резистор, во-первых, позволяет оставлятьнеиспользуемые логические входы свободными, неприсоединенными; во-вторых, этирезисторы служат предыдущим элементам ЭСЛ нагрузками для их выходных эмиттерныхповторителей. В правой части схемы (рис. 1.1, г) показан простейший источникпорогового напряжения Uon (резисторы R1, R2 и диоды VD1, VD2), которыйвырабатывает опорное напряжение 4,6 B, он снабжен эмиттерным повторителем VT3для увеличения нагрузочной способности.
Отметим дальнейшую принципиальную особенность микросхем ЭСЛ: онипитаются отрицательным напряжением – -Uи.п. (т.е. — напряжение подается отэмиттеров), причем коллекторные цепи заземляются. Этим способом повышаетсяпомехоустойчивость ЭСЛ.
/>
Рис. 1.2. Способы подачи питания на ЭСЛ: а — с заземленными эмиттерами;б — с нулевой коллекторной шиной; в — с раздельными коллекторными выводами
На рис. 1.2, а показана передача сигнала Uc от эмиттерногоповторителя VT3 из элемента-источника DD1 (ЛЭЙ) на базовый вход транзистора VT1в логическом элементе-приемнике DD2 (ЛЭП). Видно, что большой ток потребленияIпот, протекающий по относительно тонкому проводнику коллекторного питанияUи.n.к, имеющему определенное погонное сопротивление R, даст напряжение помехиUn, которое в сумме с сигналом U поступит на вход А2 элемента DD2. Из этогообстоятельства следуют два вывода: во-первых, коллекторная шина питанияделается большого сечения и заземляется (дается нуль потенциала, см. рис. 1.2, б);во-вторых, разъединяются коллекторные цепи переключателя тока и эмиттерныхповторителей (рис. 1.2, в). Корпус ЭСЛ имеет, таким образом, два выводаколлекторного питания Uи.п. к1 и Uи.п. к2 и один вывод эмиттерного -Uи.п.э =-5,2 В.
/>
Рис. 1.3. Логический элемент ЭСЛ серии К500: а — принципиальнаясхема; б — включение; в — схема для снятия переключательных характеристик; г — переключательные характеристики для выходов Q и Q с инверсией; д — временнаядиаграмма
К помехам, возникающим в шине эмиттерного питания -Uи.п.э, переключательтока — дифференциальный усилитель менее чувствителен, так как в эмиттерной цепиприсутствует генератор стабильного тока, который фиксирует ток, не позволяетему изменяться, если меняется напряжение источника эмиттерного питания -Uи.п. э(что равноценно помехе). Чем выше качество схемы ГСТ, тем значительнее ДУослабляет эмиттерный синфазный сигнал помехи. Желательно, чтобы ток ГСТ независел как от пульсаций по шине, так и от изменений температуры. Учитываявышеизложенную последовательность схемотехнического развития, нетруднопроанализировать полную схему элемента ЭСЛ серии К500 (рис. 1.3, а). На рис.1.3, б показано включение этого элемента, причем внешние резисторы нагрузки Rнследует присоединять, если данный элемент работает как оконечный. Такимобразом, все логические уровни ЭСЛ имеют место в отрицательной областипотенциалов («под землей»). Такие логические уровни непосредственно несовместимы со схемами ТТЛ и КМОП, что считается большим недостатком ЭСЛ. Обаколлекторных вывода Uи.п. к1 и Uи.п. к2 присоединяются к нулевой шине (илиповерхности) печатной платы. На рис. 1.3, в показана схема, позволяющая снятьзависимости выходных напряжений UQ и UQ с инверсией изменения входногонапряжения Uвх, которое будем изменять с помощью потенциометра R1. Полученнаязависимость представлена на рис. 1.3, г. Видно, что амплитуда, выходныхимпульсов микросхем ЭСЛ (см. также осциллограмму, рис. 1.3, д): примерно равна0,9 В.
/>
Рис. 1.4. Поперечные сечения интегральных транзисторов:
На рис. 1.4, а показано поперечное сечение биполярного транзисторас p-n-изоляцией, на котором строились в 70-х годах, как аналоговые микросхемы,так и цифровые ЭСЛ. Такие транзисторы имели частоту единичного усиления f=1,5ГГц. Плотность упаковки получалась: 10 элементов на кв. мм. Следует отметить,что первые серии ЭСЛ появились еще в середине 60-х годов. В связи с чрезмерноудельной рассеиваемой мощностью этих наносекундных микросхем, многие ихварианты тогда имели: массивную гибридную конструкцию. В последующеедвадцатилетие широкое распространение как прототипы получили последовательносменявшие друг друга серии полупроводниковых ЭСЛ фирмы Motorola (например, MECL100, MECL 1000, MECL 10000, MECL 2500). В ходе развития не только улучшалисьпараметры, но и совершенствовалась схемотехника как собственно элемента, так ифункциональных узлов, входящих в серии. Логический элемент серии MECL 10000(иногда ее обозначают MECL 10К) соответствует схеме рис. 3.3, а.
Серия MECL 100000 (или, кратко: MECL100K) превосходит побыстродействию микросхемы перспективных серий ТТЛШ. На рис. 1.4, б доказанэскиз сечения биполярного транзистора, разработанного для этих субнаносекундныхмикросхем ЭСЛ. Здесь p-n-изоляция заменена диэлектрической Si02, поэтомутранзисторы имеют f=4,5 ГГц, что обеспечивает время задержки=0,75 нс. За счетсущественно, меньшей площади интегрального транзистора плотность упаковкиповышается до 20 элементов на квадратный миллиметр поверхности, хотя числотранзисторов в элементе ЭСЛ стало почти в два раз больше. На таких транзисторахстроятся БИС ЭСЛ и матрицы памяти.
Серия MECL 100000 (или, кратко: MECL100K) превосходит побыстродействию микросхемы перспективных серий ТТЛШ. На рис. 1.4, б доказанэскиз сечения биполярного транзистора, разработанного для этих субнаносекундныхмикросхем ЭСЛ. Здесь p-n-изоляция заменена диэлектрической Si02, поэтомутранзисторы имеют f=4,5 ГГц, что обеспечивает время задержки=0,75 нс. За счетсущественно, меньшей площади интегрального транзистора плотность упаковкиповышается до 20 элементов на квадратный миллиметр поверхности, хотя числотранзисторов в элементе ЭСЛ стало почти в два раз больше. На таких транзисторахстроятся БИС ЭСЛ и матрицы памяти.
/>
Рис. 1.5. Схемотехника субманосекундной ЭСЛ: а — структурная схемалогического элемента; б — схема переключателя тока ПТ, эмиттерного повторителяЭП и источника опорного напряжения ИОН; в — переключательные характеристики повыходам Q и Q с инверсией
Логический элемент серии MECL 100K имеет диодную цепьтермокомпенсации логических уровней, а также усовершенствованный источникопорных напряжений, делающий логические уровни независимыми от большихколебаний питающих напряжений, а также помех по цепи питания. На рис. 1.5, апоказана функциональная схема элемента серии MECL 100K, которая содержит тричасти: переключатель тока ПТ и эмиттерный повторитель ЭП, а также источник опорногонапряжения ИОН. Полная принципиальная схема этого элемента приведена на рис. 1.5,б. Эмиттерный повторитель VT4 можно нагрузить на резистор сопротивлением 50 Ом,подключив его вывод к потенциалу — 2В. Предельный ток нагрузки ЭП можетдостигать 55 мА. Отметим, что все измерения для ЭСЛ следует проводить приустановившемся температурном режиме, причем плату с микросхемами следуетобдувать (скорость потока 2,5 м/с). Номинальное напряжение питания для серииMECL 100К несколько уменьшено (-Uи.п. э=-4,5 В), однако логические уровнинепосредственно совместимы с предыдущей логикой (см. рис. 3,5, в). БлагодаряИОН логические уровни не изменяются, если напряжение питания будет находиться впределах -4,2 В
На рис. 1.6 показана диаграмма пределов переключательныххарактеристик ЭСЛ серий К500 и К1500. В табл. 1.1 даны цифровые значениясоответствующих координат входных и выходных напряжений. На диаграмме,построенной для каждой серии, типовые характеристики расположены внутризаштрихованного контура. Следует учесть, что данные столбца для микросхем серииК1500 не зависят от температуры и питающих напряжений. Для микросхем серии К500приведены значения при 25 °С. При температуре — 30 °С все напряжения возрастаютна 5...10 %, а при температуре +85 °С снижаются на такую же величину.
Рис. 1.6. Диаграмма пределов переключательных характеристикэлементов серии К1500
/>
Таблица 1.1. Входные и выходные уровни для элементов ЭСЛОбозначение уровня напряжения (см. рис. 1.6) Серия К500 К1500 Входной, высокий, максимальный Uвх_ max, мВ -810 -880 Входной, высокий, минимальный Uвх_ min, мВ -1105 -1165 Входной, низкий, максимальный Uвх_н_мах, мВ -1475 -1475 Входной, низкий, минимальный Uвх_н_min мВ -1850 — 1810 Выходной, высокий, максимальный Uвых_в_maх, мВ -810 -880 Выходной, высокий, минимальный Uвых_ в_min, мВ -960 -1025 Выходной, высокий, пороговый Uвыx_в_ пор, мВ -980 -1035 Выходной, низкий, пороговый Uвыx_н_пор, мВ -1630 -1610 Выходной, низкий, максимальный Uвых_н_maх, мВ -1650 -1620 Выходной, низкий, минимальный Uвых_ н_min, мВ -1850 -1810
/>
Рис. 1.7. Схема для измерения (а) параметров выходных импульсов(б)
Скорость переключения микросхем ЭСЛ удобно проверять придвуполярном напряжении питания (аналогично схеме включения операционногоусилителя). При таком включении элемента ЭСЛ (см. рис. 1.7, а) источник входныхимпульсов можно заземлить. На рис, 1.7,6 обозначены уровни входного и выходныхимпульсов, по которым следует отсчитывать время задержки распространения привключении и отключении элемента, если входной импульс имеет заданнуюдлительность фронта и среза. При замерах необходимо использовать кабели инагрузки с сопротивлением 50 Ом. Несогласованные проводники не должны бытьдлиннее, чем 2 мм. К выходу схемы (рис. 1.7, а) требуется подключать вход согласованнойлинии передачи. При эксплуатации микросхем ЭСЛ необходимо учитыватьдополнительно три временных параметра: ts-время «выдержки», th-время хранения иtr-время сброса.
/>
Рис. 1.8. Особые временные параметры ЭСЛ: а- время выдержки ts; б- время хранения th; в — время сброса tr
Для реализации ФУ нам потребуется счетчик, регистр. Ниже следуетописание этих элементов ЭСЛ в серии К500.
Микросхемы К500ИЕ136 и К500ИЕ137 (рис. 1.9) — однотипные счетчики,отличающиеся выходными кодами: ИЕ136 считает в гексадецимальном коде, а ИЕ137 — в десятичном. Оба эти счетчика имеют универсальное назначение и могут притактовых частотах свыше 100 МГц считать как на увеличение, так и на уменьшениевыходных данных (реверс). Полная принципиальная схема микросхемы ИЕ136 показанана рис. 1.9, а, микросхемы ИЕ137 — на рис. 1.9,6. Их цоколевки одинаковы (см.рис. 1.9, в). Четыре режима работы этих счетчиков программируются по двумвходам SI, S2 (см. табл. 1.2). Режим предварительной установки позволяетзагрузить данные, присутствующие на входах DO-D3(см. также первую и восьмуюстроки табл. 1.3).
Таблица 1.2. Выбор режимов счетчиков К500ИЕ136 и ИЕ137Вход Режим S1 S2
н н
н в
в н
в в
Предварительная установка
Счет на увеличение
Счет на уменьшение
Хранение; остановка счета (загрузка)
Счетчики меняют выходные состояния по положительному перепаду натактовом входе С. В другие моменты (С=Н, см. пятую строку табл. 1.3) можноменять данные на входах D. После завершения счета на выходе окончания счета ТСустанавливается напряжение низкого уровня. Аналогично работает и счетчикК500ИЕ137 (см, табл. 1.4). Реверс счета получается при смене уровней напряженияна входах S1 и S2 (см. табл. 1.2) на противоположные.
/>
Рис. 1.9. Счетчики серии К500: а — ИЕ136; б — ИЕ137; в — ихцоколевка
Таблица 1.3. Состояния счетчика К500ИЕ136Вход Выход S1 S2 D0 D1 D2 D3
/>С Q0 Q1 Q2 Q3
/> H Н Н Н В В Х В Н Н В В Н H В X X X X Н В В Н В В В H В X X X X Н В Н В В В В H В X X X X Н В В В В В Н Н В X X X X В Н В В В В В Н В X X X X В В В В В В В В В X X X X X В В В В В В H H В В Н Н X В В В Н Н Н В Н X X X X Н В Н В Н Н В В Н X X X X Н В В Н Н Н В В Н X X X X Н В Н Н Н Н Н В Н X X X X Н В В В В В В
Таблица 1.4. Состояния счетчика К500ИЕ137Вход Выход S1 S2 D0 D1 D2 D3
/>С Q0 Q1 Q2 Q3
/> H Н В В В Н Х В В В В Н В H В X X X X Н В Н Н Н В В H В X X X X Н В В Н Н В Н H В X X X X Н В Н Н Н Н В Н В X X X X Н В В Н Н Н В Н В X X X X В В В Н Н Н В Н В X X X X В В В Н Н Н В В В X X X X X В В Н Н Н В Н Н В В Н Н Х В В В Н Н В В Н X X X X Н В Н В Н Н В В Н X X X X Н В В Н Н Н В В Н X X X X Н В Н Н Н Н В
При напряжениях высокого уровня на входах S1, S2 счетостанавливается. Максимальная тактовая частота при счете, как на увеличение,так и на уменьшение составляет 125 МГц. Счетчики потребляют ток питания по 165мА на корпус в каждом варианте. Наибольшее время задержки имеет цепь от входа Сдо выхода ТС. Наибольшее время «выдержки» ts=7,5 не требуется между сигналамина входах выбора S и тактовым С.
Микросхема К500ИР141 (рис. 1.10) -это регистр, который можетработать в четырех режимах: остановка сдвига (хранение), сдвиг вправо, сдвигвлево, параллельный прием. Команда для выбора одного из режимов подается навходы выбора S1 и S2 согласно табл. 1.5. Сдвиг вправо и влево информации втриггерах получается после прихода положительного фронта тактового импульсаtn+i на тактовый вход G (вывод 4). В табл. 1.5 данные Qn соответствуютпредшествующему моменту tn. Регистр загружается параллельно по входам DO-D3, апо входам DL и DR последовательно для сдвига влево и вправо соответственно.Выходы QO-Q3 имеют нагрузочную способность 60 Ом. Если используется только одиниз выходов для последовательного вывода данных в нагрузку, остальные выходыследует оставить разомкнутыми.
/>
Рис. 1.10. Регистр К500ИР141: а — схема; б – цоколевка
Таблица 1.5. Состояния регистра ИР141Вход выбора Режим работы Выход SI S2 Q0(n+1) Q1(n+1) Q2(n+1) Q3(n+1)
Н Н
Н В
В Н
В В
Параллельный прием
Сдвиг вправо
Сдвиг влево
Остановка сдвига
D0
DR
Q1(n)
Q0(n)
D1
Q0(n)
Q2(n)
Q1(n)
D2
Q1(n)
Q3(n)
Q2(n)
D3
Q2(n)
DL
Q3(n)