Проверил

Шишина Л.Ю.

Москва 2004 г

1. Задание на курсовой проект

1) Техническое задание

1. используя параметры эквивалентного логического элемента, разработанного в предыдущем КП по курсу «Компьютерное моделирование интегральных приборов», спроектировать схему триггера с динамическим управлением (фронтом или срезом синхросигнала) в соответствии с заданным вариантом. Результатом проектирования является схема, выполняющая заданную по варианту логическую функцию для указанной рабочей частоты при минимальной величине нагрузочной емкости.

2 Выбрать по литературным источникам на базе спроектированного триггера, схему устройства, реализующего заданную логическую функцию (регистра, счетчика, делителя частоты и т.д.) с многоразрядными логическими переменными. Число разрядов не менее 8, число транзисторов в устройстве - не менее 100. При необходимости для реализации логической функции возможны трансформации исходного триггера, например:

преобразование JK-триггера в Т-триггер и т.п.;

введение дополнительного логического управляющего сигнала сброса информации и выборки (установки);

осуществление коррекции топологических размеров исходного логического 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 схемы с 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 разрабатываемого устройства при помощи, например, программы ASKT. В качестве библиотечного элемента использовать вентили из библиотеки ASKT.

6. Выполнить эскизный чертеж топологии устройства, используя разработанный ранее эскиз топологии триггера в виде прямоугольника, подсоединенного к шинам питания, с размерами, координатами входов и выходов в заданном масштабе - проектирования. Программа PULT или другой алгоритм.

7. Рассчитать паразитные сопротивления и емкости шин межсоединений (разрешено 2 уровня Al-металлизации) по разработанному топологическому варианту.

· Рассчитать величины паразитных емкостей (С_пар) и сопротивлений (R_пар) шин межсоединений для полученного топологического эскиза схемы. Расчет вести для самых длинных шин, если величины С_пар будут меньше 10 фФ, а R_пар - меньше 50 Ом, т.е. <0,1 пс, то вкладом задержек в шинах разводки в быстродействие схемы можно пренебрегать. В ином случае, соответствующие емкости и сопротивления должны быть включены в электрическую схему для проведения моделирования переходных процессов в проектируемой схеме.

· Определить время задержки в шинах связи, сравнить с временами задержки в схеме триггера, скорректировать рабочую частоту.

· Скорректировать величины емкостей, подсоединенных в качестве нагрузки к выходам триггера с учетом дополнительных топологических емкостных нагрузок от шин разводки, на основании этого сделать перерасчет рабочей частоты и потребляемой мощности триггера и устройства на его основе.

8. Изменяемые параметры:

· Емкость нагрузки устройства из исходного курсового и в 10 раз большая,

· Номинал источника питания 5 и 3,6 В.

9. Рассчитывается частота:

- максимальная,

- рабочая,

- при заданных параметрах выходного импульса,

- для различных вариантов нагрузки.

10. Исследования (бонус):

· неопределенных и запрещенных состояний в триггерах,

· функциональных и логических состязаний.

2) Исходные параметры устройств

Вариант 21,

Технологические параметры:

1. Технологический базис CMOS 0.7мкм-2Metal, напряжение питания 5 В.

2. Пороговое напряжение n-канального транзистора В.

3. Пороговое напряжение p-канального транзистора В.

4. Крутизна n-канального транзистора.

5. Крутизна p-канального транзистора

6. Максимальное время фронта и среза 1 нс.

7. Рабочая частота 20 МГц.

8. Нагрузочная емкость 0.5 пФ.

Окончательные топологические параметры транзисторов в инверторе:

, , .

Таблица 1.1. Параметры быстродействия вентилей

2. Теоретические сведения

1). Структурная схема счетчика

На рисунке 1 приведена структурная схема проектируемого счетчика на базе DC-триггеров с асинхронными входами сброса и установки.

Рис. 2.1 Структурная схема кольцевого счетчика

Поскольку исходным триггером является RSC-триггер, то ниже приведена схема преобразования синхронного RSC-триггера в D-триггер, а также схема самого RSC-триггера с асинхронными входами сброса и установки.

Рис. 2.2. Структурная схема D-триггера

Рис 2.3 Структурная схема RSC-триггера и его условное обозначение

2). Описание работы

Распространенной разновидностью параллельных счетчиков являются кольцевые счетчики, строящиеся на базе сдвиговых регистров. Пример простейшего кольцевого счетчика дан на рис.2.1. Схема имеет 15 устойчивых состояний, после прохождения которых она возвращается в исходное состояние. Таким образом данная схема выполняет функцию счетчика с модулем счета . Числа на выходе счетчика представлены в закодированном виде. Чтобы преобразовать их в двоичный код, к выходам счетчика необходимо подключить соответствующую ВКС.

Если регистр содержит m триггеров, то счетчик, получаемый после замыкания обратной связи с выхода на вход , имеет устойчивых состояний. Для получения нечетных значений необходимо исключить одно из устойчивых состояний. Обычно исключают состояние, когда . Чтобы исключить это состояние, необходимо обеспечить =0(ввод 0), когда или , т.е. Эти схемы реализуются на RS или JK-триггерах. Для установки счетчиков в состояние “0” или “1” используются асинхронные входы R и S. Кольцевые счетчики достаточно просты, надежны в работе, обладают высоким быстродействием.

3). Таблица истинности

Таблица 1

3. Базисные вентили.

1). Электрические схемы

Для построения требуемых триггеров были использованы вентили 2И-НЕ и 3И-НЕ

Рис. 3.1 Электрическая схема вентиля 2И-НЕ

Рис. 3.2 Электрическая схема вентиля 3И-НЕ

2). Эскиз топологии вентилей

Топологические параметры транзисторов в вентиле 2И-НЕ:

, ,

Топологические размеры вентиля 2И-НЕ: на .

Рис. 3.3 Топология вентиля 2И-НЕ

Топологические параметры транзисторов в вентиле 3И-НЕ:

, , .

Топологические размеры вентиля 3И-НЕ: на .

Рис. 3.4 Топология вентиля 3И-НЕ

3). Параметры транзисторов и модели вентилей.

Параметры транзисторов (длины и ширины) берутся из предыдущего курсового проекта по курсу «Компьютерное моделирование интегральных приборов»

, ,

где мкм.

Быстродействие вентилей рассчитывалось в программе PSpice. Ниже приведены модели полевых транзисторов, использующиеся в этом и во всех последующих моделированиях.

* PSpice Model Editor - Version 9.2

model mbreakn (level=3 kp=135e-6 vto=0.8 gamma=3 kappa=2.1e-01 lambda=0.1

+tox=50n phi=0.7 ld=9.1e-10 wd=7.5e-7 tpg=1 nss=0 nsub=1.3e+16 nfs=0

+rsh=1.03e+1 cgdo=5e-11 cgso=5e-11 cgbo=3.1e-10 cj=2.74e-4 mj5.5e-1

+cjsw=1.92e-10 mjsw=1e-1 pb=9.9e-1 xqc=0.6 uo=688 theta=1.16e-1 vmax=1.97e+5

+eta=9.34e-2 xj=0.7u delta=8.763e-1)

model mbreakp (level=3 kp=47e-6 vto=-1.1 gamma=3 kappa=2.1e-01 lambda=0.1

+tox=50n phi=0.7 ld=9.1e-10 wd=7.5e-7 tpg=-1 nss=0 nsub=1.3e+16 nfs=0

+rsh=1.03e+1 cgdo=5e-11 cgso=5e-11 cgbo=3.1e-10 cj=2.74e-4 mj5.5e-1

+cjsw=1.92e-10 mjsw=1e-1 pb=9.9e-1 xqc=0.6 uo=688 theta=1.16e-1 vmax=1.97e+5

+xj=0.7u delta=8.763e-1)

Результаты моделирования вентилей.

4. Триггеры

1). Схемы RSC и DC-триггеров

Рис. 4.1 Схема RSC-триггера в программе OrCAD

Рис. 4.2 Схема DC-триггера в программе OrCAD.

2). Расчет быстродействия триггеров

Рис. 4.3 Диаграмма переключения RSC-триггера

Рис. 4.4 Диаграмма переключения DC-триггера

5. Проектирование и расчет счетчика

1) Расчет счетчика в программе OrCAD

Рис. 5.1 Диаграмма переключения счетчика в программе OrCAD (частота 20 МГц)

Таблица 5.1 Результаты моделирования счетчика (быстродействие)

2). Логическое моделирование схемы

Логическое моделирование счетчика было проведено в программе OrCAD на базе микросхем серии 74. Результаты и логическая схема приведены на рисунках 5.2 и 5.3.

Рис. 5.2 Результаты логического моделирования устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. .5.3 Логическая схема счетчика

3). Макетная топологическая модель счетчика

Макетная топологическая модель счетчика представлена в приложении.

Эскиз топологии был подготовлен в программе-редакторе блок-схем Visio, в строго выдержанном масштабе, с соблюдением всех допусков на ширину металлических шин и расстояния между соседними элементами. При создании топологии были использованы условные обозначения «» для обозначения подныра и «» для указания межсоединения между различными типами металлов.

Итоговый размер устройства: 2550 на 680 (892,5 мкм на 238 мкм).

счетчик триггер модуль частота

6. Анализ и корректировки

1). Анализ рабочей частоты

При анализе рабочих частот были проведены моделирования схемы на частотах 50 и 100 МГц. На частоте 50 МГц (рис 6.1) схема полностью сохраняет свою функциональность. Частоту 100 МГц (рис 6.2) можно считать максимальной рабочей частотой для данного устройства, выше которой функциональность не обеспечивается, так у устройства в «нуле» уже нет «планки» постоянного сигнала, что в дальнейшем приведет к невозможности срабатывания на переключение.

Рис 6.1 Частота 50 МГц

Рис. 6.2 Частота 100 МГц

2). Варьирование параметров схемы

В качестве варьируемого параметра было выбрано напряжение питания. Исходя из результатов моделирования, можно сделать вывод: увеличение питания приводит к увеличению быстродействия схемы счетчика, и наоборот. Графики и таблица комментируют результат.

Рис. 6.3 Питание схемы 12 В

Рис. 6.4 Питание схемы 2 В

Таблица 6.1 Результаты варьирования напряжения питания

Примечание: увеличение/уменьшение выходной емкости дает результат, аналогичны варьированию питания

3). Расчет межсоединений и паразитных емкостей

Расчет произведения RC выполняется для одного из главных сигналов тактирующего импульса входной частоты. Для расчета берется прохождение сигнала только по одному из RS-триггеров схемы - для нахождения времени задержки на всем устройстве полученное значение надо умножить на 8. На рисунке приведен фрагмент топологии с указанием пути сигнала.

Рис. 6.5 Путь сигнала

Согласно масштабу, общий длина внешних шин между устройствами на участке 1-5 равна 64,22 мкм (длины были измерены в графическом редакторе Visio). Внутри каждого устройства сигнал проходит 6,25 мкм в среднем, итого 25 мкм на 4 вентиля. Таким образом, общая длина шин составляет 89,22 мкм.

Согласно используемым моделям транзисторов, в каждом вентиле сигнал проходит 3 емкости: затвор-сток и затвор-исток ML (см. рис. 3.2), и затвор-сток MA, т.е. всего 12 емкостей. Все соединенные параллельно емкости суммируются, на каждый транзистор приходится емкость затвор-сток 50пФ и затвор-исток 50 пФ. Суммарная паразитная емкость составит 600 пФ.

Исходные данные:

, , ,

, , ,

, ,

Расчет

- суммарное сопротивление металлических шин.

- суммарная емкость металлических шин.

- постоянная времени задержки на межсоединениях.

4). Выводы

Разработанная схема обладает следующим быстродействием:

Топологические размеры устройства составили 2550 на 680 (892,5 мкм на 238 мкм).

Потребляемая мощность устройства (на частоте 20 МГц):

- сигнал проходит через восемь триггеров

Устройство способно работать на частотах до 100 МГц (в 4 раза больше номинальной). Для повышения быстродействия на высоких частотах рекомендуется увеличение питания схемы.

7. Литература

1. Ю.А. Браммер, И.Н. Пащук. Импульсные и цифровые устройства. М., Высшая школа, 1999.

2. Ю.Ф. Опадчий и др. Аналоговая и цифровая электроника. М., Телеком, 1999.

3. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники, Москва «Мир» 2003.

4. А.Г. Алексенко, И.И. Шагурин. Микросхемотехника. М., Радио и связь, 1982.

5. И.Н. Букреев и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М., Сов. Радио, 1975.

Размещено на Allbest.ru