Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский институт электронной техники

Технический университет

Курсовой проект

по предмету

Микросхемотехника ЦИС

Выполнил студент гр. ЭКТ-45

Полякова В.В.

Проверил: Шишина Л.Ю.

Зеленоград 2004

Содержание

1. Задание на курсовой проект

2. Описание работы разрабатываемого устройства

3. Преобразование функциональной схемы

4. Анализ работы триггера

5. Предварительный анализ работы устройства

6. Топологическое проектирование

7. Окончательный анализ работы устройства

Вывод

Литература

1. Задание на курсовой проект

функциональный схема триггер

Схема устройства - делитель на 5 на D-C(D-V) - триггере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1. Схема устройства.

Параметры

Технологический базис: CMOS 0.35mkm - 5 Metal.

Uпор_n = 0.6В

Uпор_p = -0.6В

K_0n = 200 мкА/В²

K_0p = 52 мкА/В²

Uип=3.5В

t_фр=t_ср=1нс

=100МГц

Сн=0.1пФ

2. Описание работы устройства

Основными типами последовательных функциональных узлов являются регистры, счетчики и генераторы кодов. Счетчиком называется узел, на выходах которого образуется число, соответствующее количеству поступивших на вход импульсов. Основным параметром счетчика является модуль счета Kc - максимальное число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. После поступления Kc импульсов счетчик должен возвращаться в исходное состояние. Значение Kc равно числу устойчивых состояний счетчика. Счетчик, содержащий m разрядов(триггеров), может иметь 2^m устойчивых состояний, поэтому его модуль счета Kc 2^m . Обычно счетчики имеют дополнительные входы установки S, позволяющие предварительно установить на выходе счетчика заданное число, или выходы сброса R, сигнал на которых переводит счетчик в исходное состояние.

По структурной организации счетчики делятся на последовательные, параллельные, параллельно-последовательные и реверсивные, которые различаются способами подачи счетных импульсов на входы разрядов.

Последовательные счетчики можно использовать в качестве делителей частоты. Частота импульсов на выходе последнего разряда счетчика в Kc раз меньше частоты импульсов, поступающих на вход. Делители частоты считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал переключения триггеров в нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.

Рассмотрим на примере последовательный счетчик с Kc=8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Временная диаграмма такого счетчика будет следующая:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Как видно из рисунка каждый триггер делит частоту на 2, и в результате частота получается в 8 раз меньше, то есть этот счетчик является делителем частоты на 8. Причем нетрудно заметить, что он работает как суммирующий счетчик (такой счетчик выполняет прямой счет, т.е. при поступлении на вход очередного импульса число на выходе счетчика увеличивается на 1).

3. Преобразование функциональной схемы

В задании необходимо построить счетчик на D-C(D-V) триггерах. Так как счетчики обычно реализуют на T-триггерах, необходимо сделать некоторые преобразования. Предположим, что нам был дан D-триггер на J-K-триггере, то есть его вход K был присоединен ко входу J с помощью инвертора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уберем инвертор, и подсоединим входы J и K к питанию, а на вход C будем подавать импульс T. Тогда получим асинхронный T-триггер.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Так как по заданию схема должна быть спроектирована на триггерах с динамическим управлением по заднему фронту синхросигнала, построим ее на двухступенчатых триггерах, реализованных на базе и-не.

4. Анализ работы триггера

4.1 Параметры логических элементов

Параметры логических элементов

Из предыдущего КП возьмем значения размеров транзисторов для логических элементов:

Логический элемент	Ln=Lp	Wn	Wp
Инвертор	2	4	16	0.4нс
2 и-не	2	8	16	0.4нс
2 или-не	2	4	32	0.2нс
3 и-не	2	12	16	0.3нс

В данной схеме на триггер сигнал поступает только после переключения предыдущего (за исключением первого триггера). Тогда максимальная задержка каждого триггера будет примерно

t_зд=T/6 t_зд =10нс/6=1.6(6)

t_ф =t_ср 1нс

Результаты работы схемы триггера, разработанной в программе Orcad:

t_зд⁰¹=1.6 нс t_зд¹⁰=1.7 нсt_{зд ср} =1.65 нс t_ф =0.7 нсt_ср=0.8 нс

Эти результаты не удовлетворяют требованиям, поэтому увеличим шины транзисторов:

Логический элемент	Ln=Lp	Wn	Wp
Инвертор	2	6	23
2 и-не	2	12	23
2 или-не	2	6	46
3 и-не	2	18	23

Получаем следующие времена задержек:

t_зд⁰¹=1.6 нсt_зд¹⁰=1.1 нсt_{зд ср} =1.35 нсt_ф =0.5 нсt_ср=0.5 нс

На рисунках далее изображены схема триггера, смоделированная в программе Orcad и результаты ее работы.

5. Результаты работы устройства (без учета паразитных емкостей и сопротивлений)

t_зд⁰¹=3.3с t_зд¹⁰=3.2нс t_{зд ср} =3.25 нс t_ф =0.78 нс t_ср=0.91 нс

Все параметры устройства полностью удовлетворяют начальным условиям.

t_ф = t_ср 1 нс t_зд < 10 нс

На рисунках далее изображены результирующая схема устройства, смоделированная в программе Orcad и результаты ее работы.

6.Топологическое проектирование

6.1 Топология элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Инвертор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2и-не

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2или-не

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3или-не

6.2 Топология триггера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Результат работы триггера в программе Microwind

6.3 Топология устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Результаты работы схемы в программе Microwind

7. Окончательный анализ работы устройства

7.1 Расчет паразитных емкостей и сопротивлений

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 = 0.5мкм

-диэлектрическая проницаемость окисла е_ок = 3.9

Рассчитаем паразитные емкость и сопротивление самых больших шин.

R_пар = l_m*R_m/W

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

С_пар = (е_о*е_ок*S)/d_ок

где S - площадь обкладок паразитного конденсатора.

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

Шины	Спар, фФ	Rпар, Ом/?	tзд пар,пс
	теория	Microwind	теория	Microwind
R	8.35	20.31	18.9	37	0.75
S	10.74	43.82	24.31	38	1.6
м/у тремя триггерами (м/у элементами и и или)	24.85	46.68	35.15	49	2.3

Если С_пар< 20 фФ и R_пар< 25 Ом , т.е. t_{зд пар}= R_пар *С_пар < 0.5 пс то паразитными емкостями можно пренебречь. Как видно из таблицы выше в схему необходимо ввести паразитные емкости.

7.2 Параметры спроектированного устройства с учетом паразитных емкостей и сопротивлений

Включим в электрическую схему все паразитные емкости.

Результаты работы устройства:

t_зд⁰¹ = 3.9 нс t_зд¹⁰ = 3.4 нс t_{зд ср} = 3.65 нс t_ф = 0.81нс t_ср = 0.92нс

Все параметры устройства удовлетворяют начальным условиям.

t_ф = t_ср 1 нс t_зд < 10 нс

7.3 Изменение номинала источника питания и нагрузочной емкости

U_ип = 5В, C_н = 1пФ.

При таких номиналах U_ип и C_н параметры схемы не удовлетворяют требованиям ТЗ. Для выполнения требований ТЗ следует либо понижать нагрузочную емкость, либо увеличивать топологические размеры элементов.

7.4 Максимальная частота

Будем увеличивать частоту, а, следовательно уменьшать период и найдем максимальную частоту на которой схема будет работать. Как видно из предыдущих исследований, времена фронта и среза очень близки к 1нс, то есть при незначительном увеличении частоты эти времена должны выйти за рамки ТЗ. И уже при частоте110МГц схема не удовлетворяет требованиям ТЗ.

7.5 Потребляемая мощность

Так как t_ф ~ t_ср, то потребляемую мощность можно рассчитать по формулам:

Мощность, потребляемая отдельным триггером:

P = С_н*f_т*U_ип² = 0.1пФ·100МГц·(3.5) ²В² = 0.122мВт

Мощность, потребляемая всей схемой целиком:

P_сх = *f_т*U_ип² =0.488 мВТ

Вывод

Спроектированное устройство - делитель на 5 выполняет заданную функцию. При этом его параметры удовлетворяют условиям ТЗ.

Данное устройство занимает площадь 201мкм на 70мкм.

Устройство спроектировано в базисе элементов И-НЕ, так как элементы получаются меньшей площади, и для их переключения требуется чтобы на всех входах ЛЭ были уровни лог. единицы, что значительно уменьшает вероятность ложного переключения устройства при появлении помех, по сравнению с элементами логического базиса ИЛИ-НЕ.

Рассмотрена работа схемы с нагрузочной емкостью 0.1пФ. Увеличение емкости в 10 раз до 10пФ привело к тому, что условия ТЗ перестали выполняться.

Устройство работает на частоте 100 МГц. Дальнейшее увеличение частоты приводит к тому, что параметры устройства не удовлетворяют требованиям ТЗ.

Потребляемая мощность - 0.488мВт

Используемая литература

1. А. Г. Алексенко, И.И. Шагурин. Микросхемотехника. Учебное пособие для высших учебных заведений. 1990г.

2. Л. Ю. Шишина. Проектирование цифровых МДП ИС. Методические указания по курсовому проектированию по курсу «Элементная база цифровых ИС». Москва 1994.

3. Е. Угрюмов Цифровая схемотехника. Учебное пособие. 2004г.

Размещено на Allbest.ru