Разработка электрической схемы цифрового устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время весьма актуальной задачей является техническое перевооружение, быстрейшее создание и повсеместное внедрение принципиально новой электронной техники. В решении этой задачи одна из ведущих ролей принадлежит цифровой технике. Интегральные микросхемы в настоящее время являются одним из самых массовых изделий современной микроэлектроники. Применение микросхем облегчает расчет и проектирование функциональных узлов и блоков электронной аппаратуры, ускоряет процесс создания принципиально новых аппаратов и внедрения их в серийное производство. Широкое использование микросхем позволяет повысить технические характеристики и надежность аппаратуры. Отечественной электронной промышленностью освоен выпуск широкой номенклатуры микросхем, ежегодно создаются десятки и сотни тысяч новых приборов для перспективных радиоэлектронных средств. В поиске и выборе элементной базы и схемотехнических решений существенную помощь может оказать систематизированная информация о существующих интегральных микросхемах. Справочные сведения о микросхемах составлены на основе данных, зафиксированных в государственных стандартах и технических условиях на изделия.

Раздел 1. Разработка электрической схемы цифрового устройства

Задание: Разработать электрическую схему цифрового устройства, выполняющего следующие логические функции:

Дополнительные требования:

1) Потребляемая схемой мощность не должна превышать 100 мВт

2) Время задержки распространения сигнала по самому длинному пути не должно превышать 100 нс

3) Выход: ОК, ОС или ОЭ

1.1 Упрощение и преобразование

Используя законы алгебры логики, преобразуем исходные уравнения к виду, удобному для реализации:

1.2 Формальная схема устройства

Формальную схему составим согласно преобразованиям пункта 1.1:

Исходя из составленной схемы, оставляем список требуемых элементов:

§ 1 элемент «2и-не» с ОК

§ 4 элемента «2и-не»

§ 2 элемента «2или-не» с ОК

§ 2 элемента «2или-не»

§ 2 элемента «исключающее или» (двухвходовые)

§ 1 элемент «2и»

1.3 Выбор типа логики и обоснование выбора

Выбор типа логики основывается на выполнении дополнительных требований, приведенных в задании. В моем случае наиболее оптимальным выбором станут схемы ТТЛ и ТТЛШ, поскольку, обладая небольшой потребляемой мощностью, они обеспечивают достаточно высокое быстродействие.

МДП и КМДП схемы не подходят, поскольку при очень маленькой потребляемой мощности они обладают большим временем задержки распространения сигнала, а это не удовлетворяет условиям поставленной задачи.

В своей схеме я буду использовать ТТЛШ логику серии КР1533:

1) DD1 ЛА3 2)DD2 ЛА8 3)DD3 ЛЕ11

4 эл-та «2и-не» 4 эл-та «2и-не» с ОК 4 эл-та «2или-не» с ОК

мА мА мА

мВТ мВт мВт

нс нс нс

4) DD4 ЛЕ1 5)DD5 ЛП5 6)DD6 ЛИ1

4 эл-та «2или-не» 4 эл-та «искл. или» 4 эл-та «2и»

мА мА мА

мВТ мВт мВт

нс нс нс

1.4 Расчет потребляемой мощности и среднего времени задержки распространения сигнала

Расчет потребляемой мощности проведем с учетом составленной выше электрической схемы. То есть будем учитывать то, что в некоторых ИМС задействованы не все элементы:

DD1: мВТ

DD2: мВТ

DD3: мВТ

DD4: мВТ

DD5: мВТ

DD6: мВТ

Таким образом:

мВТ (<100 мВт)

Среднее время задержки распространения сигнала считается по наибольшему пути прохождения сигнала. В моем случае, наиболее длинный путь это:

DD5-DD6-DD3

DD5: нс

DD6: нс

DD3: нс

нс (<100 нс)

Рассчитанные параметры устройства не превышают заданные значения.

1.5 Вывод по проделанной работе

В этом разделе курсовой работы была составлена электрическая схема цифрового устройства, реализующая заданные логические функции. В ходе составления схемы были соблюдены дополнительные условия (ограничение по потребляемой мощности и времени задержки распространения). Были приобретены навыки выбора(по справочнику) необходимых, для данного случая, микросхем.

Раздел 2. Электрический расчет цифровой схемы

2.1 Таблица состояний активных элементов

X1

X2

X3

X4

VT1

VT2

VD1

VD2

VT3

VT4

VT5

VD3

Y

0

0

0

0

нас

нас

закр

закр

отс

нас

отс

откр

1

0

1

1

1

нас

инв

закр

откр

нас

отс

нас

закр

0

1

0

0

0

инв

нас

откр

закр

нас

отс

нас

закр

0

1

1

1

1

инв

инв

откр

откр

нас

отс

нас

закр

0

2.2 Таблица истинности

Составим таблицу истинности и определим функцию, выполняемую данной схемой.

X1	X2	X3	X4	Y
0	0	0	0	1
0	0	0	1	1
0	0	1	0	1
0	0	1	1	1
0	1	0	0	1
0	1	0	1	1
0	1	1	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	0
1	0	0	1	0
1	0	1	0	0
1	0	1	1	0
1	1	0	0	0
1	1	0	1	0
1	1	1	0	0
1	1	1	1	0

Данная цифровая интегральная схема реализует следующую логическую функцию:

2.3 Расчет схемы

Оценка потенциалов

1) На вход подаем комбинацию «0000». В данном случае, эмиттеры VT2 имеют низкий потенциал, а на базу, через R2, подается напряжение питания. Возникает большая разность потенциалов, следовательно, через эмиттерные переходы будет протекать ток. Разность потенциалов между любым эмиттером и базой равна 0,7 В, поэтому, потенциал в точке B равен:

B

Аналогично, напряжение в точке А:

B

Напряжение равномерно распределяется между КП VT1, VD1, ЭП VT3 и ЭП VT5.Следовательно, на каждый p-n переход придется по 0,2 В. А этого недостаточно для их открытия, поэтому у VT1 будет разорвана коллекторная цепь, а сам VT1 будет находиться в режиме насыщения.

Напряжение в точке С и Е будет определяться следующим образом:

В

В

Поэтому транзисторы VT3 и VT5 будут в режиме отсечки. Через резистор R3 на базу VT4 подается напряжение питания. Транзистор VT4 открывается, поэтому:

В

, где В

Ток будет очень мал, поэтому:

В.

Такой потенциал соответствует уровню логической единицы на выходе.

2) Теперь подадим на все входы уровень логической единицы «1111». Разности потенциалов нет, поэтому VT1 и VT2 переходят в инверсный режим. При открытом КП, разность потенциалов между любым коллектором и базой равна 0,6 В, поэтому:

В

Аналогично определяем :

В

Инверсные режимы VT1 и VT2 приводят к открытию VT3 и, соответственно, VT5.

При этом:

В

В

Так как транзистор VT3 переходит в режим насыщения, то в точке D, потенциал будет равен:

В

Этого потенциала не хватает для открытия VD3 и VT4, поэтому, потенциал на выходе() будет равен:

В

Что соответствует уровню логического нуля на выходе.

3) На входы схемы подадим комбинацию «0111». Тогда VT1, VT3 и VT5 будут в режиме насыщения, VT2 - в инверсном режиме, а VT4 - в отсечке. Потенциал в точке А найдем, как:

B

Остальные потенциалы найдем аналогично второму случаю:

В

В

В

В

В, что обеспечивает лог «0» на выходе.

4) Рассмотрим еще случай, обратный третьему случаю. То есть подадим на входы «1000». Тогда VT1 ,будет в инверсном режиме, VT2, VT3 и VT5 - в режиме насыщения, а VT4 будет в режиме отсечки. Все потенциалы(кроме ) будут определяться аналогично со вторым случаем

В

B

В

В

В

В, что обеспечивает лог «0» на выходе.

резистор ток мощность сигнал

Расчет токов через резисторы

Расчет токов проводиться для тех же случаев:

1. «0000»

мА

мА

мА

мА

мА

2. «1111»

мА

мА

мА

мА

мА

3. «0111»

мА

мА

мА

мА

мА

4. «1000»

мА

мА

мА

мА

мА

Расчет мощностей

мВт

мВт

мВт

мВт

мВт

мВт

Обобщенная таблица

0000	0,8	0,8	0,4	1,4	0,2	4,9	0,21	0,21	0,36	0,05	24,5	0,88	0,88	1,76	0,12	120
1111	2,7	2,7	1,4	0,8	0,7	0,1	0,11	0,11	0,42	0,18	0	0,88	0,88	1,76	0,12	120
0111	0,8	2,7	1,4	0,8	0,7	0,1	0,21	0,11	0,42	0,18	0	0,88	0,88	1,76	0,12	120
1000	2,7	0,8	1,4	0,8	0,7	0,1	0,11	0,21	0,42	0,18	0	0,88	0,88	1,76	0,12	120

Раздел 3. Разработка топологии ИМС в гибридном исполнении

3.1 Выбор активных элементов

Выбор диодов и транзисторов осуществляется с помощью справочников.

Транзисторы VT1, VT3,VT4 и VT5 можно реализовывать на транзисторах типа КТ331(А-Г) - 1.

Транзисторы кремниевые планарные n-p-n.Предназначены для усиления и генерирования сигналов ВЧ. Бескорпусные, без кристалодержателя, с гибкими выводами и защитным покрытием эмалью. Выпускаются в сопровождающей таре. Обозначение типа приводится на этикетке. Масса транзистора не более 0,003 г.

Характеристики:

мА

мА

мА

В

В

Обозначение транзистора:

Для диодов VD1, VD2 и VD3 возьмем диод КД116А-1.

Диоды кремниевые диффузионные. Предназначены для применения в герметизированной аппаратуре для гашения ЭДС самоиндукции электромагнитных реле, а также преобразования переменного напряжения частотой до 200 кГц(КД116А-1) и до 20 кГц(КД116Б-1).

Бескорпусные с гибкими выводами. Выпускаются в двух конструктивных вариантах. Тип диода и схема соединения электродов с выводами приводятся на индивидуальной таре. Положительный вывод диодов КД116Б-1 маркируется краской синего цвета. Масса диода не более 0,1г.

Характеристики:

Напряжение(постоянное обратное)…100 В

Средний выпрямленный ток…25 мА

Импульсный прямой ток…110 мА

3.2 Выбор материала для пленочных резисторов и их выводов

Для определения материала резисторов, определим по заданной принципиальной схеме максимальное и минимальное значение сопротивления:

(Ом) (кОм)

Коэффициент формы резисторов () должен быть не менее 0,5 и не более 10, то есть:

, отсюда

Исходя из этих данных, выбираем для резисторов РС3001 с удельным поверхностным сопротивлением .

Материал контактных площадок: золото с подслоем хрома. Удельная мощность рассеяния равна:

Теперь определим размеры пленочных резисторов и их :

Если в качестве метода нанесения тонких пленок выбрать фотолитографию, то минимально допустимая ширина пленочных резисторов составит 0,2 мм.

Исходя из этого:

мм

мм

мм

мм

мм

Далее, определяем мощность рассеяния пленочных резисторов:

мВт

мВт

мВт

мВт

мВт

Условие ( рассчитаны в разделе 2 для каждого резистора) не выполняется для резистора R5. Увеличим одновременно длину и ширину, сохраняя прежним. Увеличим размеры R5 в 25 раз:

мВт

Окончательные размеры резисторов:

кОм	кОм	кОм	кОм	Ом
мВт	мВт	мВт	мВт	мВт
l,мм	b,мм	l,мм	b,мм	l,мм	b,мм	l,мм	b,мм	l,мм	b,мм
5	0.2	5	0.2	2.5	0.2	1	0.2	1.25	5

Для пленочных проводников и контактных площадок возьмем медь с подслоем нихрома.

Удельное сопротивление 0,02-0,04

Размеры контактных площадок для внешних выводов составляют

Общая площадь подложки должна быть в 4,5 раза больше общей площади деталей.

В качестве материала для контактных площадок выберем фотоситал, так как он устойчив к кислотам и высоко теплопроводен. Наиболее оптимальный размер подложки 10x12 мм.

По результатам расчета составим топологический чертеж данной схемы в масштабе 10:1.

Заключение

Данная работа была разделена на три раздела. В первом, была составлена электрическая схема цифрового устройства. Вариантов реализации схемы достаточно много, но мною был выбран один, на мой взгляд наиболее оптимальный, так как потребляемая мощность и время задержки распространения составили около 50% от предельных значений.

Во втором разделе был проведен электрический расчет заданной цифровой схемы. Расчет был проведен с некоторой погрешностью, поскольку падения напряжений на p-n переходах были учтены с относительно небольшой точностью - до десятых долей. Но в нашем случае этой погрешностью можно пренебречь.

В третьем разделе были получены навыки в разработке топологии данной цифровой схемы (раздел 2). При разработке были учтены максимальные мощности рассеяния на резисторах (по расчету из раздела 2). Был составлен топологический чертеж в масштабе 10:1.

В данной курсовой работе были систематизированы знания, полученные в курсах «Физические основы электроники» и «Электроника». Было освоено практическое применение полученных знаний.

Список используемой литературы

1. «Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника» под ред. Федорова\ Москва \ «Радио и связь» \ 1998 г.

2. «Методические указания к выполнению курсовой работы на тему «Разработка интегрального цифрового устройства» доц. Удальцов А. Н. \ СибГУТИ \ 1999 г.

Размещено на Allbest.ru