Курсовойпроект по микросхемотехнике цифровых интегральных схем.
«Суммирующийсчетчик»
Вариант 9.
Содержание
1. Техническое задание.
2. Задание на схемотехническую часть работы.
3. Теоретические сведения.
3.1 Триггеры. Общие сведения.
3.2 Тактируемые триггеры.
3.3 Счетные триггеры.
3.4 Счетчики. Общие сведения.
3.5 Счетчики с последовательным переносом.
4. Логическое моделирование.
4.1 Моделирование TV-триггера.
4.2 Моделирование суммирующего счетчика
5. Базисные вентили.
5.1 Предварительный расчет параметров транзисторов.
5.2 Схемотехническое проектирование.
5.3 Топологическое проектирование.
6. TV-триггер.
6.1 Схемотехническое проектирование.
6.2 Топологическое проектирование.
7. Суммирующий счетчик.
7.1 Схемотехническое моделирование счетчика.
7.2 Топологическое проектирование.
7.3 Анализ и корректировки.
8. Расчет межсоединений и паразитных емкостей.
9. Расчет потребляемой мощности.
Выводы
Список использованной литературы
1. Техническое задание.
1) Используя параметры эквивалентного логического элемента,разработанного в предыдущем КП по курсу «Компьютерное моделированиеинтегральных приборов», спроектировать схему триггера с динамическимуправлением (фронтом или срезом синхросигнала) в соответствии с заданнымвариантом. Результатом проектирования является схема, выполняющая заданную поварианту логическую функцию для указанной рабочей частоты при минимальнойвеличине нагрузочной емкости.
2) Выбрать по литературным источникам на базеспроектированного триггера, схему устройства, реализующего заданную логическуюфункцию (регистра, счетчика, делителя частоты и т.д.) с многоразряднымилогическими переменными. Число разрядов не менее 8, число транзисторов вустройстве — не менее 100. При необходимости для реализации логической функциивозможны трансформации исходного триггера, например:
— преобразование JK-триггера в Т-триггер и т.п.;
— введение дополнительного логического управляющего сигналасброса информации и выборки (установки);
— осуществление коррекции топологических размеров исходногологического элемента и связанных с этим времен задержки на логических вентилях.При необходимости выполняется перерасчет схемы триггера при помощи программы SPICE;
— разработка топологического эскиза базовой триггерной схемыс применением измененных топологических вариантов библиотечных элементов.
3) Разработать устройство по полузаказному алгоритму проектирования,считая исходный триггер библиотечным элементом матрицы.
4) При помощи программы OrCad нарисовать электрическую схему устройства.
5) Провести логическое моделирование разрабатываемогоустройства при помощи, например, программы ASKT. В качестве библиотечного элемента использоватьвентили из библиотеки ASKT.
6) Выполнить эскизныйчертеж топологии устройства, используя разработанный ранее эскиз топологиитриггера в виде прямоугольника, подсоединенного к шинам питания, с размерами,координатами входов и выходов в заданном масштабе λ-проектирования. C помощью программы PULT или другого алгоритма.
7) Рассчитать паразитные сопротивления и емкости шинмежсоединений (разрешено 2 уровня Al-металлизации) по разработанному топологическому варианту.
· Рассчитатьвеличины паразитных емкостей (Спаp) и сопротивлений (Rnap) шин межсоединений для полученноготопологического эскиза схемы. Расчет вести для самых длинных шин, если величиныСпар будут меньше 10 фФ, a Rnap — меньше 50 Ом, т.е. tзд.паp
· Определить времязадержки в шинах связи, сравнить с временами задержки в схеме триггера,скорректировать рабочую частоту.
· Скорректироватьвеличины емкостей, подсоединенных в качестве нагрузки к выходам триггера сучетом дополнительных топологических емкостных нагрузок от шин разводки, наосновании этого сделать перерасчет рабочей частоты и потребляемой мощности триггераи устройства на его основе.
8). Изменяемыепараметры:
· Емкость нагрузкиустройства из исходного курсового и в 10 раз большая,
· Номинал источникапитания 5 и 3,6 В.
9) Рассчитать частоту:
— максимальную,
— рабочую,
— при заданных параметрах выходного импульса,
— для различных вариантов нагрузки.
10) Исследования (бонус):
· неопределенных изапрещенных состояний в триггерах,
· функциональных илогических состязаний./>
2. Задание насхемотехническую часть работы
Спроектировать суммирующийсчетчик со следующими параметрами:
Технологические параметры:
1. Технологический базис CMOS 0.8MKM-2Metal, напряжение питания 5 В.
2. Пороговое напряжение n-канального транзистора Unпор = 0.8 В.
3. Пороговое напряжение р-канального транзистора Upпор = — 0.8 В.
4. Крутизна n-канальноготранзистора K0n=110 мкА/В2.
5. Крутизна р-канального транзистора К0р= 36 мкА/В2
6. Рабочая частота 100 МГц.
7. Нагрузочная емкость 0.3 пФ.
3. Теоретические сведения3.1 Триггеры. Общиесведения
Устройство, имеющее дваустойчивых состояния, называют триггером. В триггере два выхода: один – прямой,а другой – инверсный. Потенциалы на них взаимно инвертированы: логическаяединица на одном соответствует логическому нулю на другом. С приходомпереключающих (запускающих) сигналов переход триггера из одного состояния вдругое происходит лавинообразно, и потенциалы на выходах меняются напротивоположные. В интервале между переключающими сигналами состояние триггеране меняется, т. е. он «запоминает» поступление сигналов, отражая это величинойпотенциала на выходе, это дает возможность использовать его как элемент памяти.
При лавинообразныхпереключениях на выходе триггера формируются прямоугольные импульсы спрямоугольными фронтами. Это позволяет использовать триггер для формированияпрямоугольных импульсов из напряжения другой формы (например, изсинусоидального). При двух последовательных переключениях триггера на выходеформируется один импульс, т. е. триггер можно использовать в качестве делителячастоты переключающих сигналов с коэффициентом, равным двум.
Различают нетактируемые итактируемые триггеры. Нетактируемый (асинхронный) триггер может менять своесостояние переключающими сигналами в любое время. Тактируемый (синхронный)триггер переключается синхронно с поступлением специального тактирующегоимпульса. Классификация триггеров приведена на рисунке 3.1.1.
Промышленность выпускаетразнообразные типы триггеров в интегральном исполнении. Кроме того, их можновыполнить на цифровых интегральных микросхемах, операционных усилителях итранзисторах.
/>
Рисунок 3.1.1.Классификация триггеров3.2Тактируемые триггеры
На входы логическогоэлемента или устройства сигналы не всегда поступают одновременно, так как передэтим они могут проходить через разное число элементов с различной задержкой.Это явление описывается как состязание или гонки сигналов. В результате втечении некоторого времени на входах создается непредвиденная ситуация: новыезначения одних сигналов сочетаются с предыдущими значениями других, что можетпривести к ложному срабатыванию элемента (устройства). Последствия гонок можноустранить временным стробированием, когда на элемент, кроме информационныхсигналов подаются тактирующие (синхронизирующие) импульсы, к моменту приходакоторых информационные сигналы заведомо успевают установиться на входах.
Тактируемый триггер,кроме информационных входов, имеет синхронизирующий (тактирующий, тактовый)вход С; сигналы на информационных входах воздействуют на такой триггер только споступлением сигнала на синхронизирующий вход. Различают следующие виды тактируемыхтриггеров: RS-триггеры (рисунок 3.2.1), двухступенчатыеRS-триггеры, D-триггеры и JK-триггеры
/>
Рисунок 3.2.1. Тактируемый RS-триггер.3.3Счетные триггеры
Отличие счетного триггераот остальных состоит в том, что он переключается с поступлением каждогоимпульса на тактовый вход, называемый в таком триггере счетным.
Счетный триггер можнореализовать на базе JK-триггера.Логическая единица на одном из входов элемента И не определяет потенциал на еговыходе, поэтому сочетание J = K = 1 не влияет на выходнуюхарактеристику первой ступени триггера. Она получает информацию только свыходов триггера, которая устанавливает ее в положение, когда с приходомсчетного импульса начнется очередное переключение – JK-триггер работает в счетном режиме. Реализация счетногорежима на JK-триггере приведена на рисунке 3.3.1,а.
/>
Рисунок 3.3.1. Реализациясчетного триггера на а) JK-триггере,б) D-триггере
Счетный триггер можнореализовать и на D-триггере(рисунок 3.3.1, б). Если после каждого переключения обеспечить автоматическуюсмену уровня потенциала на D-входе,то с каждым импульсом на C-входетриггер будет менять свое состояние. Указанная смена потенциала будетосуществляться, если D-входсоединить с выходом ØQ.Вторая перекрестная связь (аналогичная связи в JK-триггере) обеспечивается за счет соединения D-входа с R-входом запоминающей ячейки триггера через инвертор.3.4Счетчики. Общие сведения
Счетчики выполняют назапоминающих элементах – триггерах. Он фиксирует число импульсов, поступившихна его вход. В интервалах между ними счетчик хранит информацию об их числе.Совокупность единиц и нулей на выходах n триггеров (выходах счетчика) представляет собой n-разрядное двоичное число, однозначноопределяющее количество прошедших на входе импульсов. Поэтому триггеры счетчиканазывают его разрядами.
Суммирующий счетчикувеличивает свое содержимое на единицу с поступлением каждого входного(счетного) импульса. Вычитающий счетчик аналогично уменьшает свое содержимое наединицу.
Комбинацией суммирующегои вычитающего счетчиков является реверсивный счетчик. У него может быть двавхода, на один из которых поступают импульсы, увеличивающие его содержимое(суммирующие импульсы), на другой – вычитающие. Реверсивный счетчик может иметьодин вход для суммирующих и вычитающих импульсов, а переключение с одногорежима на другой осуществляется в нем сигналом на специальном входе.
В счетчик можетпредварительно заноситься число, для чего он имеет специальные входы.Классификация счетчиков и делителей частоты приведена на рисунке 3.4.1.
/>
Рисунок 3.4.1.Классификация счетчиков и делителей частоты
Каждый разряд счетчикаможет находиться в двух состояниях. Число устойчивых состояний, которое можетпринимать данный счетчик, называют его емкостью, модулем счета иликоэффициентом пересчета.
Одним из основныхпараметров счетчика является его быстродействие. Оно оценивается минимальныминтервалом между двумя соседними импульсами, с поступлением каждого из которыхсчетчик способен изменить свое содержимое. Счетчик является атрибутом многихцифровых устройств различного назначения. Его можно использовать по прямомуназначению – для счета поступающих на его вход импульсов и для деления ихчастоты следования.
Триггеры счетчикасоединяются между собой таким образом, чтобы каждому числу поступившихимпульсов соответствовали единичные состояния определенных триггеров. Счетчик,у которого при поступлении входного импульса переключающий перепад передаетсяот предыдущего триггера к последующему, называется счетчиком с последовательнымпереносом, а когда переключающий перепад на все разряды поступает одновременно(или почти одновременно) – счетчиком с параллельным переносом. Счетчики могутвыполняться только на счетных триггерах. О состоянии разряда счетчика судят попотенциалу на прямом выходе триггера.
В большинстве случаевсчетчики строятся таким образом, чтобы записываемое в них число было выражено внатуральном двоичном коде. В таком коде «вес» 1 на прямом выходе младшегоразряда равен 1, а в каждом последующем разряде вдвое больше, чем в предыдущем.3.5Счетчики с последовательным переносом
Первый разряд счетчика,будучи счетным триггером, переключается каждым входным импульсом. Каждыйпоследующий разряд счетчика получает переключающий перепад (1/0 или 0/1) отпредыдущего разряда – переключающий перепад распространяется вдоль цепочкитриггеров счетчика последовательно.
Схема суммирующегосчетчика с последовательным переносом приведена на рисунке 3.5.1, а. Споступлением каждого входного импульса число в счетчике увеличивается наединицу. Если в данном разряде присутствует единица, то под воздействиемперепада, поступающего от предшествующего, он обнуляется, и единица переноситсяв следующий разряд. Если же в данном разряде ноль, то в него вписываетсяединица.
/>
Рисунок 3.5.1.Суммирующий счетчик с последовательным переносом а) схема, б) условноеизображение.
На рисунке 3.5.2, бпредставлено условное изображение 4-разрядного счетчика. На счетный С входпоступают импульсы. Логическая единица на входе К сбрасывает все разрядысчетчика в ноль. По входам предварительной установки D0– D3 в счетчик может быть записано число,его значение должно сопровождаться логической единицей на входе разрешения V. Число, занесенное в счетчик, фиксируетсяна его выходах двоичным кодом с «весами» разрядов 1-2-4-8. На выходе P+ появляется логическая единица с поступлением на вход16-го импульса, т. е. вслед за тем, как предыдущими 15-ю импульсами все разрядысчетчика были установлены в единицу.
Суммирующий счетчикфункционирует по правилам сложения двоичных чисел. Это легко проследить повременной диаграмме, изображенной на рисунке 3.5.2, где крестиками отмеченыпереключающие перепады 1/0.
/>
Рисунок 3.5.2. Временнаядиаграмма работы суммирующего счетчика.
Из временных диаграммможно сделать следующие выводы:
— с наибольшей частотойпереключается входной триггер счетчика;
— частота импульсов навыходе каждого триггера вдвое меньше, частоты импульсов на его входе, а n разрядов счетчика делят частотувходных импульсов в 2nраз, таким образом, счетчик является делителем числа входных импульсов скоэффициентом деления (пересчета), равным емкости счетчика Ксч;
— при поступлении на входсуммирующего счетчика 2nимпульсов он переполняется: все триггеры устанавливаются в 0 (счетчикобнуляется);
— максимальное число,которое может содержать счетчик, на единицу меньше его емкости N = Ксч – 1 = 2n – 1;
— в момент,предшествующий переключению очередного разряда, все предыдущие разряды счетчиканаходятся в состоянии 1.
Если в счетчикеиспользованы триггеры, переключающиеся перепадом 0/1, то вход последующеготриггера нужно соединить с инверсным выходом предыдущего, на которомформируется этот перепад, когда по основному выходу триггер переключается из 1в 0. [1]
4. Логическое моделирование4.1Моделирование TV-триггера
триггер суммирующий счетчик
По заданию, необходимоиспользовать динамический TV-триггер, в качестве базисного. Для этого,модифицируем схему стандартного динамического JK триггера, превратив его вT-триггер, и добавив ему асинхронные входа R и V (сброс и принудительноехранение). В итоге, собранный триггер будет выглядеть следующим образом:
/>
Рисунок 4.1.1.Динамический TV-триггер.
Проведем логическоемоделирование TV-триггера в Orcad:
/>
Рисунок 4.1.2. Схема TV-триггера в Orcad.
Результат логическогомоделирования:
/>
Рисунок 4.2.3. Диаграммапереключения TV-триггера.
Таблица 4.1.1. Таблица истинности TV-триггера.V T
Qn+1
Qn 1
Qn 1
Qn 1 1
⌐ Qn 4.2Моделирование суммирующего счетчика
Проведем логическоемоделирование в Orcad:
/>
Рисунок 4.2.1. Схемасуммирующего счетчика в Orcad.
Результат логическогомоделирования:
/>
Рисунок 4.2.2. Диаграммапереключения суммирующего счетчика.
Таблица 4.2.1. Таблица истинности суммирующегосчетчикаНомер состояния
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8 1 2 1 3 1 4 1 1 5 1 6 1 1 7 1 1 8 1 1 1 9 1 10 1 1 11 1 1 12 1 1 1 13 1 1 14 1 1 1 15 1 1 1 16 1 1 1 1 17 1 18 1 1 19 1 1 … … … … … … … … … 250 1 1 1 1 1 1 251 1 1 1 1 1 1 252 1 1 1 1 1 1 1 253 1 1 1 1 1 1 254 1 1 1 1 1 1 1 255 1 1 1 1 1 1 1 256 1 1 1 1 1 1 1 1
5. Базисные вентили5.1 Предварительныйрасчет параметров транзисторов
Определим максимальноеколичество логических вентилей, через которые пройдет сигнал от входа к выходу:
Nmax = 10.
Определим период входногосигнала для заданной частоты:
Т = />
Максимальное времязадержки схемы не должно превышать половины периода входного сигнала:
tсх = 0,5 · 10-8 с.
Максимальное времязадержки элемента
tэл = tсх/10 = 0,5 · 10-9 с.
Определим параметры длятранзисторов:
Ln = />0,27Wn.
Ln = 2λ.
Инвертор:
Wn = 7,38λ ≈ 8λ= 3,2 мкм.
Wp = />23,52λ ≈ 24λ = 9,6 мкм.
2и-не:
Wn = 16λ = 6,4 мкм.
Wp = 24 λ = 9,6 мкм.
3и-не
Wn = 24λ = 9,6 мкм.
Wp = 24 λ = 9,6 мкм.5.2 Схемотехническоепроектирование
Результатысхемотехнического моделирования в Orcad:
/>
Рисунок 5.2.1.Электрическая схема инвертора
/>
Рисунок 5.2.2. Диаграммапереключения инвертора (частота 100МГц).
/>
Рисунок 5.2.3.Электрическая схема элемента «2и-не».
/>
Рисунок 5.2.4. Диаграммапереключения элемента «2и-не» (частота 100МГц).
/>
Рисунок 5.2.5.Электрическая схема элемента «3и-не».
/>
Рисунок 5.2.6. Диаграммапереключения элемента «3и-не» (частота 100МГЦ).
Таблица 5.2.1. Результатысхемотехнического моделирования вентилей
t10зд, нс
t01зд, нс
tсрзд, нс
tср, нс
tфр, нс НЕ 1,000 0,480 0,740 2,050 0,850 2И-НЕ 1,000 0,480 0,740 2,100 0,900 3И-НЕ 1,000 0,490 0,745 2,100 0,870 5.3Топологическое проектирование
Результатытопологического проектирования вентилей в Microwind:
/>
Рисунок 5.3.1 Топологияинвертора
/>
Рисунок 5.3.2. Диаграммапереключения инвертора (частота 100МГц).
/>
Рисунок 5.3.3. Топологияэлемента «2и-не».
/>
Рисунок 5.3.4. Диаграммапереключения элемента «2и-не» (частота 100МГц).
/>
Рисунок 5.3.5. Топологияэлемента «3и-не»
/>
Рисунок 5.3.6. Диаграммапереключения элемента «3и-не» (частота 100МГц).
Таблица 5.2.1. Результатытопологического моделирования вентилей
t10зд, нс
t01зд, нс
tсрзд, нс
tср, нс
tфр, нс НЕ 0,300 0,270 0,285 0,490 0,460 2И-НЕ 0,260 0,180 0,220 0,520 0,470 3И-НЕ 0,310 0,130 0,220 0,520 0,480
6. TV-триггер6.1Схемотехническое проектирование
Результатысхемотехнического моделирования TV-триггерав Orcad:
/>
Рисунок 6.1.1.Электрическая схема TV-триггера.
/>
Рисунок 6.1.2. Диаграммапереключения TV-триггера (частота 100МГц).6.2Топологическое проектирование
Результатытопологического проектирования в Microwind:
/>
Рисунок 6.2.1. Топология TV-триггера
/>
Рисунок 6.2.2. Диаграммапереключения TV-триггера (частота 100 МГц).
Таблица 6.2.1. Результатытопологического моделирования TV-триггера.
t10зд, нс
t01зд, нс
tсрзд, нс
tср, нс
tфр, нс 0,910 1,090 1,000 0,540 0,510
7.Суммирующий счетчик.7.1. Схемотехническоемоделирование счетчика
Результаты проектированиясчетчика в Orcad:
/>
Рисунок 7.1.1. Электрическаясхема суммирующего счетчика.
/>
Рисунок 7.1.2. Диаграммапереключения счетчика (частота 100 МГц)7.2 Топологическоепроектирование
Результаты топологическогопроектирования в Microwind:
/>
Рисунок 7.2.1. Топологиясуммирующего счетчика
/>
Рисунок 7.2.2. Диаграммапереключения суммирующего счетчика (частота 100МГц).
Таблица 7.2.1. Результатытопологического моделирования суммирующего счетчика.
t10зд, нс
t01зд, нс
tсрзд, нс
tср, нс
tфр, нс 9,280 9,620 9,450 1,210 1,120 7.3 Анализ икорректировки
При анализе рабочихчастот схема была промоделирована на частотах 100 и 1000 МГц. На частоте 100МГц схема полностью сохраняет свою функциональность. Частоту 1000 МГц можносчитать максимальной рабочей частотой для данного устройства, выше которойфункциональность не обеспечивается, так как у устройства в «нуле» уже нет«планки» постоянного сигнала, что при дальнейшем повышении частоты приведет кневозможности срабатывания на переключение.
/>
Рисунок 7.3.1. Диаграммапереключения устройства на частоте 100 МГц.
/>
Рисунок 7.3.2. Диаграммапереключения устройства на частоте 1000 МГц.
При анализебыстродействия схемы в диапазоне допустимого изменения напряжения питания, былопроведено моделирование схемы при напряжении питания в 5 В и 3,6 В. Исходя изрезультатов моделирования, можно сделать вывод, что снижение напряжения питанияприводит снижению быстродействия счетчика, и наоборот.
/>
Рисунок 7.3.3. Диаграммапереключения счетчика при напряжении питания в 3,6 В.
При анализебыстродействия схемы при изменении величины нагрузочной емкости, было проведеномоделирование схемы при значениях нагрузочной емкости в 0,3 пФ и 3 пФ. Исходяиз результатов моделирования, можно сделать вывод, что увеличение величинынагрузочной емкости ведет к снижению быстродействия схемы, а уменьшение – кувеличению быстродействия. То есть, изменение выходной емкости дает результат,аналогичный варьированию напряжения питания.
/>
Рисунок 7.3.4. Диаграммапереключения счетчика при значении нагрузочной емкости в 3 пФ.
Таблица 7.3.1. Результатыварьирования значений напряжения питания и нагрузочной емкости (для первоговыхода). 5 В; 0,3 пФ 3,6В; 0,3 пФ 5В; 3пФ
t10зд, нс 1,190 нс 1,210 нс 1,940 нс
t01зд, нс 0,970 нс 1,180 нс 1,540 нс
tсрзд, нс 1,080 нс 1,195 нс 1,740 нс
tср, нс 0,610 нс 0,650 нс 1,370 нс
tфр, нс 0,540 нс 0,630 нс 0,810 нс
8. Расчет межсоединений и паразитных емкостей
Расчет произведения RC выполняется для одного из главныхсигналов – тактирующего импульса входной частоты. Для расчета паразитныхемкостей и сопротивлений используем следующие значения:
-сопротивление 1-го слояметаллизации Rm2 = 0,07 Ом/□
-толщина окисла dок= 0.5мкм
-диэлектрическаяпроницаемость окисла xxо = 1×10-12 Ф/см
Рассмотрим случай с самойдлинной рабочей шиной. Таковой будет являться линия передачи сигнала отчетвертого по счету триггера к пятому. Ее длина не превышает 150λ или 60 мкм,ширина – 1,6 мкм.
Расчет:
/>Паразитноесопротивление:
/>
Паразитная емкость:
/>
Постоянная временизадержки на межсоединениях:
/>
tзад является абсолютно незначительнойвеличиной, поэтому временем задержки на межсоединениях можно пренебречь.
9. Расчет потребляемой мощности
Так как основные потреблениеэнергии происходит при переключении нагрузочных емкостей, потребляемую мощностьодного триггера можно рассчитать по формуле:
/>,
где Сн – емкостьнагрузки,
f – частота переключения,
Uип – напряжение питания.
Суммарная потребляемаямощность счетчика:
/>
Выводы
Разработанная схемаобладает следующим быстродействием:
t10зд, нс
t01зд, нс
tсрзд, нс
tср, нс
tфр, нс 9,280 9,620 9,450 1,210 1,120
Топологические размерыустройства составляют 1870λ ´ 480λ (748 мкм ´ 192 мкм).
Потребляемая устройствоммощность на частоте 100 МГц составляет 0,15 мВт. Устройство способно работатьна частотах до 1000 МГц, что в 10 раз больше номинальной. Для повышениябыстродействия счетчика при работе на высоких частотах, рекомендуется увеличитьнапряжение питания схемы.
Списокиспользованной литературы
1. Браммер Ю.А.,Пащук И.Н. «Цифровые устройства»: учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2004. –229 с.: ил.
2. Конспект лекций.
.