Разработка интегрального цифрового устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Кафедра технической электроники

Курсовая работа:

Разработка интегрального цифрового устройства

Содержание:

Введение

1. Разработка структурной схемы

1.1 Исходные данные

1.2 Минимизация функций

1.3 Общая функциональная схема устройства

1.4 Выбор типа логики и ИМС

1.5 Принципиальная схема на основе выбранных элементов

1.6 Расчёт параметров цифрового устройства

2. Электрический расчёт ЦИМС

2.1 Исходные данные

2.2 Анализ работы логического элемента

2.3 Расчёт токов и напряжений

2.3.1 При комбинации на входе: 0000

2.3.2 При комбинации на входе: 1111

2.3.3 При комбинации на входе: 0111

2.4 Расчёт потребляемых мощностей

2.5 Результаты расчёта ЦИМС

3. Разработка топологии ИМС

3.1 Выбор активных элементов

3.2 выбор материала для плёночных элементов

3.3 Выбор типа подложки и её нанесение

3.3.1 Выбор метода заданной конфигурации плёночных элементов

3.3.2 Выбор метода нанесения тонких плёнок

3.3.3 Выбор подложки

3.4 Составление топологического чертежа

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Основной задачей современной микроэлектроники является создание высоконадёжной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры на базе интегральных микросхем.

Применение интегральных микросхем позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры в десятки раз, а микропроцессоров в сотни, тысячи раз. Это объясняется тем, что размеры элементов интегральных микросхем составляют единицы и десятки доли микрометра.

Малые габариты интегральных микросхем и малое потребление электроэнергии позволяет осуществить комплексную микроминиатюрную реализацию всех компонентов электронной аппаратуры. Также повышает надёжность аппаратуры.

Целью данной курсовой работы является разработка цифрового интегрального устройства, и закрепления основных положений курса технической электроники.

1. Расчёт структурной схемы

Разработка цифрового устройства на простых логических элементах, которые реализуют заданные функции. Принципиальную схему составить по минимальным функциям, с использованием одного элемента для частичного выполнения нескольких функций одновременно.

Исходные данные:

1.2 Минимизация функций

Для преобразования выражений будем использовать: законы дуальности, неравнозначность. При упрощении будем стремиться к большему использованию элементов «И-НЕ» так как для данных выражений это будет более рационально.

Дело в том, что одновременная инверсия сигналов на выходе элемента «исключающее ИЛИ» не изменяет сигнал на выходе. Согласно таблице истинности:



Поэтому одно отрицание мы убираем.

В последнем выражении оставляем как исходное так как это будет более рационально.

1.3 Общая функциональная схема

1.4 Выбор типа логики и ИМС

Выбор серии микросхем для устройства

Выбор микросхем для устройства, достаточно ограничить логикой ТТЛ, ТТЛШ и КМДП широкого применения. По заданию ограничение по мощности равное 5 мВт. Значит можно сразу исключить микросхемы логики ТТЛ и ТТЛШ, так как у этих ЦИМС потребляемая мощность минимум 10-20 мВт на один логический элемент. Значит, остаются микросхемы КМДП логики.

При выборе конкретны микросхем на устройство необходимо использовать минимальное количество микросхем. Поэтому с учётом конкретных уже микросхем схема может немного изменится.



Необходимо:

· Два логических элемента «3И»;

· 10 логических элементов «ИЛИ-НЕ»;

· 1 логический элемент «исключающее ИЛИ»;

· 2 логических элемента «2И»

· 1 логический элемент «2И-НЕ»

Три логических элемента «3И»:

КР1564ЛИ3

Шесть логических элементов «НЕ»:

КР1564ЛН2

Четыре логических элемента «2И»:

КР1554ЛИ1

Четыре логических элемента «исключающее ИЛИ»:

КР1554ЛП5

Из выбранных микросхем составим обую функциональную схему устройства с учётом микросхем.

1.5 Принципиальная схема на основе выбранных элементов

1.6 Расчёт параметров цифрового устройства

Расчёт максимального времени задержки сигнала:

Максимальная задержка сигнала будет при прохождении сигналом пути с наибольшим количеством логических элементов.

Суммарная мощность равна:

Наша ИМС выдерживает выходной ток до 20мА, так как:

в данном случае этот выбор микросхем является оптимальным для более точного приближения к заданным параметрам:

· выбор другого типа логики, например ТТЛ или ТТЛШ увеличил бы в несколько порядков потребляемую мощность, в нашем случае это не приемлемо, так как потребляемая мощность должна быть менее 5мВт. Поэтому весь выбор проходит на КМДП логике, у которой маленькая потребляемая мощность.

· В данном случае базисным напряжением является 5В так как выбор другого напряжения привёл бы к выбору других микросхем, например десяти вольтовых у которых очень большое время задержки, а в нашем случае оно должно быть менее 200нс, поэтому выбор микросхем проходит на микросхемах имеющих напряжение питания 5В. А как известно, что использовать микросхемы с разным напряжением питания нельзя, то есть должен быть единый источник питания, например 5В, как в нашем случае.

· В ходе подбора были выбраны две дорогие микросхемы КМДП логики, это КР1554ЛИ1 и КР1554ЛП5, так как только они обеспечивают выходной ток более 20мА, это значит, что ИМС должна выдерживать выходной ток порядка 20-24мА. Поэтому данный выбор я считаю самым оптимальным к более точному приближению к заданным параметрам.

2. Электрический расчёт ЦИМС

2.1 Исходные данные

Принципиальная схема:

Наборы: x1 x2 x3 x4

0 0 0 0

1 1 1 1

0 1 1 1

2.2 Анализы работы логического элемента

Анализ принципиальной схемы логического элемента сводится к определению таблиц истинности устройства. Составление таблицы истинности производится исходя из особенностей работы транзисторов при подаче соответствующих уровней на входе устройства, а также проведении анализа протекающих токов в схеме, при заданных входных сигналах.

Входные сигналы

VD1

VD2

VD3

VD4

VD5

VD6

VD7

VD8

VT1

VT2

Y

0000

Открыт

Открыт

Закрыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Открыт

Закрыт

Отсеч.

Отсеч.

Логич 1

1111

Закрыт

Закрыт

Открыт

Открыт

Открыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Насыщ.

Насыщ.

Логич 0

0111

Открыт

Закрыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Отсеч.

Насыщ.

Логич 0

Обозначение режимов работы транзисторов и диодов:

· Отсеч.- (режим отсечки)

· Насыщ.- (режим насыщения)

· Открыт - (диод открыт)

· Закрыт - (диод закрыт)

По результатам анализа определим основные направления токов через элементы в схеме, составим таблицу истинности базового элемента.

Таблица истинности:

x1	x2	x3	x4	y
0	0	0	0	1
0	0	0	1	1
0	0	1	0	1
0	0	1	1	0
0	1	0	0	1
0	1	0	1	1
0	1	1	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	0	1	1
1	0	1	0	1
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

Данное устройство выполняет функцию И-ИЛИ-НЕ: ,

Данная функция может быть реализована в виде логического элемента:



2.3 Расчёт токов и напряжений в схеме

Произведём расчёт для следующих входных сигналов:

x1 x2 x3 x4

0 0 0 0

1 1 1 1

0 1 1 1

Для выполнения расчётов, полагаем что:

,

Обратный ток диода - не больше 1мкА;

Ток БТ находящегося в режиме отсечки - не больше 1мкА

Напряжение между коллектором и эмиттером БТ, находящегося в режиме отсечки =0,1В

Падение напряжения на диоде при прямом включении: 0,7В

Напряжение на переходе эмиттер-база БТ при прямом включении: 0,7В

Напряжение на переходе коллектор-база БТ при прямом включении: 0,6 В

Коэффициент передачи тока БТ в активном режиме =50;

Коэффициент передачи тока БТ в инверсном режиме =0,05;

2.3.1 Расчёт токов и напряжений при комбинации на входе: 0000

x1=x2=x3=x4=0

При и .

Расчёт в точке А:

Потенциал в точке:

Диоды VD1 и VD2 открыты, тогда потенциал в точке

состоит из входного напряжения и падения напряжения на диоде, которое примерно равно 0.7:

Ток в точке:

Расчёт в точке В:

Потенциал в точке:

Диоды VD6 и VD7 открыты, тогда потенциал в точке

состоит из входного напряжения и падения напряжения на диоде, которое примерно равно 0.7:

Ток в точке:

Расчёт в точке С:

Потенциал в точке:

Транзисторы VD3, VD4 закрыты, тогда полагая, что все три p-n-перехода VD3, VD4 и эмиттерный переход VT1 одинаковы, получаем напряжение на базе транзистора:

Ток в точке: так как для открытия транзистора нужно напряжение примерно 0.7 В, то

Расчёт в точке D:

Потенциал в точке:

Транзисторы VD5, VD8 закрыты, тогда полагая, что все три p-n-перехода VD5, VD6 и эмиттерный переход VT2 одинаковы, получаем напряжение на базе транзистора:

Ток в точке: так как для открытия транзистора нужно напряжение примерно 0.7 В, то

Расчёт в точке E:

Потенциал в точке будет равен разности напряжения на базе-эмитторе VT2 и напряжения питания:



Ток в точке:

ток в точке находится по формуле, током транзистора в режиме отсечки мы пренебрегаем, так как оно на несколько порядков меньше (1мкА),

.

Результат расчёта:

2.3.2 Расчёт токов и напряжений при комбинации на входе: 1111

x1=x2=x3=x4=0

При

Расчёт в точке А:

Потенциал в точке:

При подаче на входы «логической 1», диоды VD1 и VD2 будут включены в обратном направлении (закрыты), через них будет протекать обратный ток, который не больше 1мкА (так как он на несколько порядков ниже токов в схеме мы им пренебрегаем). Основной же ток будет протекать через диоды VD3 и VD4 и эмиттерный переход транзистора, на каждом из p-n-переходов падает напряжение 0.7В, поэтому:

Ток в точке:

Расчёт в точке В:

Потенциал в точке:

При подаче на входы «логической 1», диоды VD6 и VD7 будут включены в обратном направлении (закрыты), через них будет протекать обратный ток который не больше 1мкА (так как он на несколько порядков ниже токов в схеме мы им пренебрегаем). Основной же ток будет протекать через диоды VD5 и VD8 и эмиттерный переход транзистора, на каждом из p-n-переходов падает напряжение 0.7В, поэтому:

Ток в точке:

Расчёт в точке С:

Потенциал в точке:

Потенциал в точке будет равняться падению напряжения на диоде, т.к. VD3, VD4 открыты:

,

интегральный цифровой топологический микросхема

следовательно, на базу будет подаваться напряжение достаточное для открытия транзистора и перехода его в режим насыщения

Ток на резисторе R3:



Расчёт в точке D:

Потенциал в точке:

Потенциал в точке будет равняться падению напряжения на диоде, т.к. VD5, VD8 (открыты):

,

следовательно, на базу будет подаваться напряжение достаточное для открытия транзистора и перехода его в режим насыщения

Ток на резисторе R5:

Расчёт в точке Е:

Потенциал в точке:

Транзисторы VT1 и VT2 находятся в режиме насыщения, тогда напряжение на их коллекторах будет примерно равно: , что соответствует «логическому 0» на выходе.

Ток в точке:

Результаты расчёта:

2.3.3 Расчёт токов и напряжений при комбинации на входе: 0111

x1=0, x2=x3=x4=1,

При и .

Расчёт в точке А:

При подаче на вход x1 «Логического 0» VD1 открыт, а VD2 будет закрыт и ток от источника питания будет проходить через диод VD1, и напряжение в точке А тогда:

Ток в точке:

Расчёт в точке В:

Потенциал в точке:

При подаче на входы диодов VD6 и VD7 «логической 1», они будут включены в обратном направлении, через них будет протекать обратный ток. Основной же ток будет протекать через диоды VD5 и VD8 и эмиттерный переход транзистора, на каждом из p-n-переходов падает напряжение 0.7В, поэтому:

Ток в точке:



Расчёт в точке С:

Потенциал в точке:

Полагая, что все три p-n-перехода VD3, VD4 и эмиттерный переход VT1 одинаковы, получаем напряжение на базе транзистора:

Ток в точке: так как для открытия транзистора нужно напряжение примерно 0.7 В, то

Расчёт в точке D:

Потенциал в точке:

Потенциал в точке будет равняться падению напряжения на диоде: , следовательно, на базу будет подаваться напряжение достаточное для открытия транзистора и перехода его в режим насыщения

Ток на резисторе R5:

Расчёт в точке Е:

Потенциал в точке:

Транзистор VT1 находится в режиме отсечки, а VT2 находится в режиме насыщения, тогда напряжение на их коллекторах будет примерно равно: , что соответствует «логическому 0» на выходе.

Ток в точке:

Результаты расчёта:

2.3 Расчёт потребляемых мощностей

Рассеиваемые мощности на резисторах:

Потребляемый ток при различных комбинациях на входе устройства:



2.4 Результаты расчёта

Входные сигналы	U(A)	U(B)	U(C)	U(D)	U(E)	I(R1)	I(R2)	I(R3)	I(R4)	I(R5)	Iпотр.
	В	В	В	В	В	мА	мА	мкА	мА	мкА	мА
0000	0,8	0,8	0,27	0,27	3,9	0,8	0,8	0	0,1	0	1,7
1111	2,1	2,1	0,7	0,7	0,1	0,475	0,475	66,6	3,9	66,6	4,983
0111	0,8	2,1	0,27	0,7	0,1	0,8	0,475	0	3,9	66,6	5,2416

Входные сигналы

VD1

VD2

VD3

VD4

VD5

VD6

VD7

VD8

VT1

VT2

Y

0000

Открыт

Открыт

Закрыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Открыт

Закрыт

Отсеч.

Отсеч.

Логич 1

1111

Закрыт

Закрыт

Открыт

Открыт

Открыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Насыщ.

Насыщ.

Логич 0

0111

Открыт

Закрыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Закрыт

Закрыт

Открыт

Отсеч.

Насыщ.

Логич 0

Обозначение режимов работы транзисторов и диодов:

· Отсеч. - (режим отсечки)

· Насыщ. - (режим насыщения)

· Открыт - (диод открыт)

· Закрыт - (диод закрыт)

Вывод:

Результатом выполнения электрического расчёта базового элемента стало определение потенциалов в расчётных точках, определение режимов работы транзисторов и диодов, протекающих токов при различных входных сигналах. Мы составили таблицу истинности, а так же определили функцию, которую выполняет данное устройство. Рассчитали потребляемые мощности устройства и токи потребления схемы при различных входных сигналах.



3. Разработка топологии ИМС

3.1 Выбор активных элементов

При разработке топологии, пользуясь справочниками Гололидова и Горюнова, выбираем активные элементы - диоды и транзисторы, руководствуясь следующими принципами:

· Диоды и транзисторы должны быть бескорпусными;

· Должны быть предназначены для работы в импульсном режиме;

· Структура транзистора n-p-n;

· Коэффициент передачи тока БТ >50;

· Для диодов:

, ;

· Для транзисторов:

, ,

В качестве диодовVD1-VD8 выберем

2D910Б-1:

,

,

Диодная матрица из двух кремниевых планарных диодов с общим анодом; бескорпусная, с гибкими входами, без кристаллодержателя.

В качестве транзисторов VT1 и VT2 -КТ206Б:

,

,

,

Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные n-p-n маломощные, универсальные; бескорпусные, без кристалодержателя, с защищенные покрытием, с гибкими выводами.

3.2 Выбор материала для пленочных элементов

В гибридных ИМС широко используют тонкоплёночные резисторы, которые наносят, но подложку в виде узких полосок, заканчивающихся контактными площадками.

Материал, используемый для изготовления резистивных плёнок, должен обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени сопротивлений, обладать низким температурным коэффициентом сопротивления и высокой коррозионной стойкостью. При напылении он должен образовывать тонкие, чёткие линии с хорошей повторяемостью их от образца к образцу.

Материал для плёночных резисторов возьмём:

Сплав РС3001 с удельным сопротивлением и удельной мощностью рассеивания . Материал для контактных площадок и проводников - золото с подслоем хрома.

Произведём необходимый расчёт:

; ,

где - длина и ширина резистора, - коэффициент формы.

; .

R1=R2=4000 Ом

;

Максимальная рассеиваемая мощность на резисторе:

<

R3=R5=7500 Ом

;



Максимальная рассеиваемая мощность на резисторе:

<

R4=1000 Ом

;

Максимальная рассеиваемая мощность на резисторе:

<

3.3 Выбор типа подложки и её нанесение

3.3.1 Выбор метода заданной конфигурации плёночных элементов:

Сформируем конфигурацию резисторов с помощью метода двойной фотолитографии. Метод фотолитографии применяется при изготовлении топологически сложных тонкопленочных структур или одновременно большого числа элементов. Данный метод позволяет сформировать плёночные резисторы с контактными площадками и необходимыми внутрисхемными соединениями. При двойной фотолитографии сначала на подложку последовательно напыляют любым из вакуумных методов резистивный и проводящий слой, после чего формируют конфигурацию проводников и контактных площадок, а затем резисторов.

Элементы, сформированные напылением плёнки с последующей фотолитографией, характеризуются высокой точностью и воспроизводимостью. Следует отметить, что методом фотолитографии получают только резисторы и внутренние соединения.

3.3.2 Выбор метода нанесения тонких плёнок

В качестве метода получения тонких плёнок наиболее распространено термическое (вакуумное) напыление. Для такого напыления существуют два способа:

Обычный и промышленный. При котором материал должен быть высокой частоты. Испаритель нагревают до тех, пока давление паров материала не превысит давления в вакуумной системе. Атомы испарившегося материала движутся прямолинейно и конденсируются на всех поверхностях, имеющих более низкую температуру, включая подложку. Для обеспечения прямолинейности движения атомов давление в системе должно быть снижено до такого значения, при котором вероятность столкновения между атомами испарённого материала (газа) мало. Качество плёнки тем лучше, чем выше вакуум напылительной установки.

Основным преимуществом метода термического напыления является его простота и возможность получения при высоком вакууме очень чистых плёнок.

3.3.3 Выбор подложки

Подложка является конструктивной основой плёночной микросхемы. Материал подложки и его обработка оказывают существенное влияние на параметры осаждаемых плёночных слоёв и надёжность всех микросхемы.

К материалу подложки предъявляются следующие основные требования:

· Высокое удельное электрическое сопротивление;

· Механическая прочность при больших толщинах;

· Химическая инертность к осаждаемым веществам;

· Высокая физическая и химическая стойкость при нагревании до нескольких сотен градусов;

· Отсутствие газовыделених в вакууме;

· Хорошая полируемость поверхности;

· Доступность и невысокая стоимость;

· Коэффициент термического расширения материала подложки, должен быть по возможности близок к коэффициенту термического расширения напыляемых материалов.

Выберем в качестве материала для подложки - ситалл, состоящий из:

· Окиси кремния 75%

· Лития 11.5%

· Алюминия 10%

· Калия 3.5%

· Добавки азотнокислого серебра и двуокиси церия.

Ситалл почти удовлетворяет вышеперечисленным требованиям. Ситалл представляет собой стеклокерамический материал. В отличие от большинства высокопрочных кристаллических материалов он хорошо обрабатывается. Его можно прессовать, вытягивать, прокатывать и отливать центробежным способом. Температура деформации ситалла выше, чем температура начала испарения проводящего материала.

Ситалл выдерживает перепады температур в воздушной среде: от -60 до +700. Он обладает высоким электрическим сопротивлением, которое несколько уменьшается с повышением температуры.

По электрической прочности ситалл не уступает лучшим образцам вакуумной керамики. По механической прочности этот материал в 2-3 раза прочнее стекла. Ситалл имеет высокую сопротивляемость к испарению, обладает высокой химической стойкостью к кислотам. Он не порист, даёт незначительную объёмную усадку, газонепроницаем и имеет малую газоотдачу при высоких температурах.

Подложки применяемы для гибридной ИМС, имеют, как правило, квадратную и прямоугольную формы.

Рассчитаем размер подложки:

Выбираем размеры подложки:

3.4 Составление топологического чертежа:

При составлении топологического чертежа следует учитывать основные ограничения.

· Ширина пленочных проводников не менее 100 мкм

· Ширина пленочных резисторов не менее 200 мкм, длина не менее 500 мкм;

· Размеры контактных площадок для навесных элементов не менее 200 200 мкм;

· Размеры контактных площадок для внешних выводов не менее 500 500 мкм;

· Удаление контактных площадок для внешних выводов от края подложки не менее 500 мкм;

· Расстояния между любыми элементами не менее 200 мкм;

· Длина проволочных выводов навесных элементов не более 5 мм.

Топологический чертёж:

Масштаб 10:1

Заключение:

В результате проделанной работы мы освоили основные положения технической электроники и их практическое применение, а именно:

· Закрепили основные положения алгебры логики, при помощи чего, можно минимизировать функции и реализовать их в различных логических базисах и на практических элементах;

· Освоили принципы выбора логики ИМС и расчёта их параметров;

· Научились рассчитывать простейшие цифровые интегральные микросхемы;

· Так же освоили принцип подбора материалов и активных элементов для микросхемы, и последующей разработки топологии этой схемы.

Список используемой литературы:

1. Цифровые и аналоговые микросхемы: справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулашова и др.; под ред. С.В. Якубовского.- М.: Радио и связь, 1989.-496 с.: ил.

2. Конспект лекций по курсу «Электроники»

3. Конспект лекций по курсу «ВТиИТ»

4. Удальцов А.Н. Разработка интегрального цифрового устройства. - Новосибирск. 1999.

5. Алексенко А.Г. Основы микросхематехники.-3-е изд., перераб. И доп.-М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002,-448 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru