Схема триггера с динамическим управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

1. Используя параметры эквивалентного логического элемента, разработанного в предыдущем КП по микросхемотехнике ЦИС, спроектировать схему триггера с динамическим управлением (фронтом или срезом синхросигнала). Результатом проектирования является схема, выполняющая заданную логическую функцию для указанной рабочей частоты при заданном значении нагрузочной емкости.

2. Выбрать по литературным источникам схему устройства на базе спроектированного триггера, реализующую заданную логическую функцию (регистра, счетчика, делителя частоты и т.д.).

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.

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. В качестве библиотечного элемента использовать вентили из библиотеки.

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.

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

· Рассчитать величины паразитных емкостей (Cпар) и сопротивлений (Rпар) шин межсоединений для полученного топологического эскиза схемы. Расчет вести для самых длинных шин, если величины Cпар будут меньше 10 фФ, а Rпар - 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 со 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 КП и в 10 раз большая;

· номинал источника питания 2.5 и 1.8 В.

9. Рассчитываются частоты:

- максимальная,

- рабочая,

- при заданных параметрах выходного импульса,

- для различных вариантов нагрузки.

Описание работы устройства

Логическое моделирование

Логическое моделирование проводилось в программе DSCH. Ниже приведены структурные схемы и тактовые диаграммы счётчика и устройств, из которых он построен - Т-триггера и исключающего ИЛИ (в дальнейшем - английское XOR).

Рис. 1. Структурная схема Т-триггера

Рис. 2. Тактовая диаграмма Т-триггера

Рис. 3. Структурная схема и тактовая диаграмма элемента XOR

Рис. 4. Структурная схема счётчика (делителя частоты на 5)

Рис. 5. Тактовая диаграмма делителя частоты на 5

Как видно из тактовой диаграммы, предложенная схема действительно является схемой делителя частоты на 5. Так при входной частоте 100 МГц (по заданию), на выходе устройства сигнал имеет частоту 20 МГц.

Схемотехническое моделирование

Схемотехническое моделирование велось в программе PSpice.

Модели транзисторов (взяты из программы microwind):

*

* n-MOS Model 3:

* Standard

MODEL N1 NMOS LEVEL=3 VTO=0.45 U0=0.060 TOX= 5.0E-9

+LD =0.020U THETA=0.300 GAMMA=0.400

+PHI=0.200 KAPPA=0.010 VMAX=130.00K

+CGSO=100.0p CGDO=100.0p

+CGBO= 60.0p CJSW=240.0p

*

* p-MOS Model 3:

* Standard

MODEL P1 PMOS LEVEL=3 VTO=-0.45 U0=0.020 TOX= 5.0E-9

+LD =0.020U THETA=0.300 GAMMA=0.400

+PHI=0.200 KAPPA=0.010 VMAX=100.00K

+CGSO=100.0p CGDO=100.0p

+CGBO= 60.0p CJSW=240.0p

Ниже приведены электрические схемы базисных вентилей, XOR'а, триггера и счётчика.

Рис. 6. Электрические схемы базисных вентилей

Рис. 7. Схема триггера

Рис. 8. Схема исключающего ИЛИ

Рис. 9. Электрическая схема делителя частоты на 5

Рис. 10. Результат моделирования в программе PSpice

делитель частота триггер схема

В результате моделирования были получены следующие параметры выходного сигнала:

t⁰¹ = 0.64 нс

t¹⁰ = 1.13 нс

t_r = 0.42 нс

t_f = 0.75 нс

Таким образом, видим, что устройство удовлетворяет заданным условиям.

Топологическое моделирование

Топологическое моделирование осуществлялось в программе Microwind в соответствии с правилами технологии CMOS0.25mkm-5Metal. Размеры транзисторов те же, что и при схемотехническом моделировании. Ниже приведены топологии базисных вентилей, топология элемента XOR, топология триггера и всего устройства, а так же диаграмма, полученная при моделировании в Microwind.

Рис. 11. Топлогии базисных вентилей (инвертор, 2И-НЕб 3И-НЕ)

Рис. 12. Топология элемента XOR

Рис. 13. Топология триггера

Рис. 14. Топология делителя частоты на 5

Рис. 15. Результат моделирования в программе Microwind

Таким образом, видим, что спроектированная топология полностью соответствует устройству.

Размеры, занимаемые устройством на кристалле: 91.5 22.1 мкм².

Исследование устройства

Рассчитаем параазитные элементы, связанные с топологией (для самой длинной шины - Q):

Для расчета паразитных емкостей и сопротивлений используем следующие значения:

- сопротивление 1-го слоя металлизации R_m1 = 0.25 Ом/?

- сопротивление 2-го слоя металлизации R_m2 = 0.05 Ом/?

- толщина подзатворного окисла d_ок = 1 мкм

- диэлектрическая проницаемость окисла е_ок = 3.9

Рассчитаем паразитные емкость и сопротивление самой большой шины.

R_пар = l_m*R_m/W

где l_m - длина слоя металлизации, R_m - его сопротивление, W - ширина шины

R_пар = 0.05*90/0.375 + 0.25*12/0.375 = 20 Ом

С_пар = (е_о*е_ок*S)/d_ок

где S - площадь обкладок паразитного конденсатора.

С_пар = 1.3fF

t_{зд пар}= R_пар *С_пар подсчитаем для больших значений.

t_{зд пар}= 0.03 пс

Таким образом вкладом паразитных элементов в задержку схемы можно пренебречь.

При моделировании нетлиста, полученного из программы Microwind, получили следующие параметры выходного сигнала:

t⁰¹ = 0.78 нс

t¹⁰ = 1.29 нс

t_r = 0.44 нс

t_f = 0.79 нс

Видно, что даже при учёте паразитных элементов, связанных с топологией, устройство по-прежнему удовлетворяет заданным параметрам выходного сигнала.

Максимальная частота, на которой проверялась схема - 200Мгц при этом устройство полностью удовлетворяло заданию:

Рис. 16. Тактовая диаграмма устройства на частоте 200МГц

Потребляемая мощность: P = С_н*f_т*U_ип² = 0.2мВт

При понижении питания до 1,5В устройство сработает, но не удовлетворяет заданию. Аналогично, требования задания не выполнияются при увеличении нагрузочной ёмкости до 3пФ.

Вывод

делитель частота триггер схема

В ходе проектирования был разработан и промоделирован делитель частоты на 5. Для его разработки были использованы синхронные динамические Т-триггеры с асинхронными инверсными входами предустановки и сброса. Кроме того, в качестве управляющей схемы было использовано два элемента исключающего ИЛИ. Всё устройство исполнено в И-НЕ базисе (базисные вентили - инвертор, 2И-НЕб 3И-НЕ).

Были разработаны как схемотехническое описание (иерархический нетлист получен при помощи программы OrCAD), так и топологическое (с использованием программы Microwind). Кроме того было проведено логическое моделирование устройства, которое показало правильность составленной схемы.

Устройство полностью удовлетворяет заданным характеристикам, работая на частоте 100Мгц на нагрузку 0.3пФ оно имеет фронт и срез выходного сигнала не превышающие 1 нс (времена фронта и среза входного сигнала - 0.1 нс). Кроме того было проведено успешное мделирование схемы с учётом паразитных элементов (нетлист получен с помощью программы Microwind), в том числе и на частоте 200МГц, при этом нарушения требований не происходило. При моделировании с пониженным напряжением питания или увеличенной нагрузочной ёмкостью устройство работало, но не удовлетворяло заданным характеристикам. Потебляемая мощность 0.2 мВт.

Разработанный делитель частоты на 5 правильно выполняет свою функцию. Занимаемое на кристалле место - 91.5 22.1 мкм².

Размещено на Allbest.ru