Размещено на http://www.allbest.ru/

Счетчик с переключаемым модулем и направлением счета (+15;-27) триггер JK

• Техническое задание

триггерный транзистор схемотехнический

Полное наименование устройства	Счетчик с переключаемым модулем и направлением счета (+15;-27) триггер JK
Логический базис	ИЛИ-НЕ
Технологический базис	AMS-1.2um

Параметры технологического базиса

Параметр базиса	Значение
Пороговое напряжение n-МДПТ, Vtn, B	0.8
Пороговое напряжение p-МДПТ, Vtp, B	-0.76
Удельная крутизна n-МДПТ, Kon, мкА/В2	80
Удельная крутизна p-МДПТ, Kop, мкА/В2	25
Толщина подзатворного окисла, tox, нм	20
Толщина межслойного окисла, hox, мкм	1.2
Толщина слоя металл-1, hme1, мкм	0.8
Уд. сопротивление поликремния, Rpoly, Ом/?	25
Уд. сопротивление металла-1, Rme1, Ом/?	0.075
Уд. сопротивление металла-2, Rme2, Ом/?	0.04

Технические характеристики устройства

Характеристика	Значение
Рабочая частота по входному сигналу, fраб, МГц	10
Нагрузочная емкость, Cн, пФ	5
Напряжение питания, Vdd, В	5
Время фронта и среза, tcp, tфр, нс	5

1.Теоретические сведения

Схемы счетчиков весьма широко применяются в различных цифровых устройствах.

Основные параметры, которые характеризуют счетчики:

- модуль счета К_сч (во многих литературных источниках - M). Это максимальное число импульсов, которое считывается с выхода после чего счетчик возвращается в исходное состояние, когда на всех выходах появляются сигналы “0”. Величина модуля счета - это еще число устойчивых состояний схемы счетчика;

- быстродействие, которое характеризуется максимальной рабочей частотой входных импульсов и временем установки в исходное состояние;

- деление частоты входного сигнала. В последнем разряде счетчиков частота переключений в K_сч раз меньше входной, поэтому схемы счетчиков используются в качестве делителей частоты.

Самым распространенным схемотехническим запоминающим элементом является триггер. Логические схемы с несколькими логическими переменными на входах, в которых имеются два устойчивых состояния и два выхода, при этом на одном выходе схемы снимается высокий потенциал (ток, “1”, Q), а на другом - его инверсия (“0”, ), называются триггерами. Выходные сигналы в триггерах зависят не только от входных управляющих переменных, но и от значений выходных переменных в предыдущем интервале времени. В интервале между входными управляющими логическими сигналами состояние триггера не меняется, он “помнит” набор предыдущих логических переменных, на выходах сохраняются соответствующие потенциалы (бистабильная ячейка, БЯ). Изменить состояние триггера и, значит, величины потенциалов на выходах, возможно только под действием определенного набора входных логических переменных и значений выходных переменных в предыдущем интервале работы схемы.

Поскольку для переустановки триггера в конечном диапазоне времени необходима некоторая последовательность управляющих сигналов при наличии на выходах конкретного логического состояния, триггерные схемы относятся к классу последовательностных логических схем. Способность триггеров под действием определенного набора входных логических переменных “запоминать” состояние на выходе в течение неограниченного времени (без отключения питания) позволяют использовать их в качестве элементов памяти.

В общем случае триггерное устройство состоит из входной комбинационной логической схемы, формирующей команду управления триггером, и собственно триггерного элемента памяти.

Рис.1.3 - Обобщенный триггер

Входные логические переменные (в общем случае х_i, рис.1.3) обозначаются следующими символами:

S (set) - установка триггера (Q = 1),

R (reset) - сброс триггера (Q = 0),

J (jet) - вход установки универсального триггера (Q = 1),

K (key cancel) - вход сброса универсального триггера (Q = 0),

D (data) - информационный вход, данные,

T (takt) - счетный вход, тактовый сигнал,

C (clock) - управляющий тактовый сигнал, синхросигнал,

Pr (precharge) - сигнал выборки, предзаряда, активизации триггера,

Cl (cleare) - сброс, очистка, стирание, установка в “0”-состояние,

V - сигнал блокирования работы триггера, сохранение ранее записанной информации.

Триггер считается установленным (в состояние “1”), если Q = 1, = 0.

Триггер считается сброшенным (в состояние “0”), если Q = 0, = 1.

Основные характеристики триггеров: логическая функция F, рабочая частота f или период тактового сигнала T, число управляющих входов.

Входы триггера могут быть прямыми или инверсными, то есть действующий переключающий сигнал может быть высоким (“1”) или низким (“0”). Чаще всего это связано с элементной базой, в которой реализован триггер: для элемента ИЛИ-НЕ сигнал “0” является пассивным, его появление не изменяет состояние триггера, а сигнал “1” - это активный сигнал, при его появлении на выходе триггера будет состояние “0”.

Широкое применение схемы JK-триггера обусловлено тем, что в его работе нет запрещенных, как в RS-триггерах, состояний на входах.

Логическая функция JK-триггера будет выглядеть одинаково и для триггера со статическим управлением, и для триггера динамического типа.

Полный набор состояний в такой схеме показана в табл.1.4.

Рис.1.5. R-S-триггеры

 на элементах ИЛИ-НЕ

Рис.1.12. Структурная схема универсального статического JK-триггера на RS-триггере

Таблица 1.4 Полная таблица переходов (состояний) в JK- триггере

J	K	Qn	Qn+1
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	0

В рассматриваемой схеме J - сигнал установки, K - сигнал сброса триггера. При поступлении на оба информационных входа единичных сигналов состояние на выходах инвертируется, т.е. триггер работает как счетный.

Логическое проектирование

В результате проектирования схема счетчика была разделена на несколько функциональных блоков, которые изображены на рисунке 3. Логические функции, описывающие ее работу, даны ниже, а соответствующие карты Карно в приложении 1.

Блок my_trig - триггер, логическая схема которого представлена на рисунке 4, а результаты моделирования на рисунке . Блоки my_J0, my_К1, my_J1, my_К2, my_J2, my_К3, my_J3 - это управляющие функции, логические схемы которых показаны на рисунках, а на рисунках показаны результаты логического моделирования. Для упрощения проверки результаты выражены в шестнадцатеричной системе исчисления.

Рис.3 Структурная схема счетчика

Логические функции счетчика

Рис.5 Блок my_trig и его УГО



Рис.5 Блок my_J0 и его УГО

Рис.6 Блок my_K1 и его УГО

Рис.7 Блок my_J1 и его УГО

Рис.7 Блок my_K2 и его УГО

Рис.7 Блок my_J2 и его УГО



Рис.7 Блок my_K3 и его УГО

Рис.7 Блок my_J3 и его УГО

Рис.7 Блок my_K4 и его УГО

Рис.7 Блок my_J4 и его УГО

Рис.8 Моделирование блока my_trig

Рис.9 Выборочное моделирование блока my_J0



Рис.10 Выборочное моделирование блока my_K1

Выборочное моделирование блока my_J1

Выборочное моделирование блока my_K2

Выборочное моделирование блока Блок my_J2

Выборочное моделирование блока my_K3

Выборочное моделирование блока my_J3

Выборочное моделирование блока my_K4



Выборочное моделирование блока my_J4

Проверяя основные блоки, мы удостоверились, что они работают правильно. Для проверки работы всего устройства промоделируем схему на рисунке, а выходной сигнал выразим в шестнадцатеричной системе исчисления. В результате выборочного логического моделирования, который показан на рисунке 17, можно убедиться в правильности работы счетчика.

а

б

Рис.17 Выборочное моделирование счетчика

а) направление счета (+15)

б) направление счета (-27)

Заключительным этапом логического проектирования является определение максимального пути распространения цифрового сигнала и максимального коэффициента разветвления в схеме

Схемотехническое проектирование

Предварительный расчет параметров транзисторов

Размеры вентилей:

Инвертор

2ИЛИ-НЕ

3ИЛИ-НЕ

SPICE модели 3-го уровня n- и p-МДП транзисторов

n-MOS Model 3 :

.MODEL MbreakN NMOS LEVEL=3 VTO=0.7 KP=80u LD=-80n THETA=0.1 GAMMA=0.4 PHI=0.7 KAPPA=10m VMAX=150K CGSO=10p CGDO=10p TOX=20n

p-MOS Model 3:

.MODEL MbreakP PMOS LEVEL=3 VTO=-0.76 KP=25u LD=-30n THETA=0.1 GAMMA=0.4 PHI=0.7 KAPPA=45m VMAX=70K CGSO=10p CGDO=10p TOX=20n

Инвертор 2ИЛИ-НЕ 3ИЛИ-НЕ

Рис.18 Основные вентили и их УГО

После разработки вентилей, мы определили размеры буферного элемента с помощью параметрического и временного моделирования схемы, показанной на рисунке 19. Здесь первые два инвертора имитируют выход логической схемы, а два последних образуют буфер. Результаты моделирования данной схемы показаны ниже на рисунке 20.

Рис.19 Схема буферного элемента и его УГО

Рис.20 Моделирование буферного элемента

По полученным результатам выбрали коэффициент ширины транзисторов K_in=6, K_out=32, так как минимальное значение A=32 удовлетворяет значениям времени фронта и среза по ТЗ - 5нс.

Далее, собрали схемы кольцевых генераторов, моделирующие лучший и худший случай по коэффициенту разветвления. Для чистоты эксперимента в кольцо добавили буфер и нагрузочный конденсатор. Схему можно увидеть на рисунке 21, а моделирование на рисунке 22.



Рис.21 Схемы кольцевых генераторов

Рис.22 Моделирование кольцевых генераторов

Рабочая частота и по результатами моделирования Проверили все вентили, которые используется в курсовой работе, и буферный элемент, схемы которых показаны на рисунке 23. Используя результаты моделирования на рисунке 24, измерили динамические характеристики и заполнили таблицу 2.



Рис.23 Схемы всех используемых вентилей

Рис.24 Моделирование всех используемых вентилей

Таблица 2 Динамические характеристики используемых в проекте вентилей

Наименование вентиля						нагрузка
Инвертор	3.8n	2.9n	1.2n	2.5n	1.85n	13
2ИЛИ-НЕ	2.9n	3.2n	1.5n	1.9n	1.7n	13
3ИЛИ-НЕ	2.7n	3.8n	2n	1.8n	1.9n	13
Буфер	1.5n	1.2n	1.9n	2.1n	2n	3р

Затем проверили работу всей схемы с учетом выходных буферов и нагрузочных емкостей.



Рис.25 Моделирование всей схемы

Рис.26 Результат моделирования всей схемы

Далее выяснили минимальное напряжение питания (при номинальной величине нагрузочной ёмкости) и максимальную величину нагрузочной ёмкости (при номинальном значении напряжения питания), при которых характеристики устройства не выходят за рамки требований технического задания. Для этого провели параметрическое моделирование схемы на рисунке, где в первом случае параметром служит напряжение питания, а во втором - величина нагрузочной емкости, а на рисунке показаны результаты моделирования.

Топологическое проектирование

Разработав библиотеку топологических ячеек, показанных на рисунке 27, создали все блоки устройства, показанные на рисунках ниже. Также разработали и минимизировали буферный элемент, показанный на рисунке 34.



Инвертор 2ИЛИ-НЕ 3ИЛИ-НЕ Пустая ячейка

Рис.27 Библиотека топологических ячеек

Рис.10 Топология блока my_trig

Рис.9 Топология блока my_J0



Рис.10 Топология блока my_K1

Рис.10 Топология блока my_J1



Рис.10 Топология блока my_K2

Рис.10 Топология блока my_J2

Рис.10 Топология блока my_K3

Рис.10 Топология блока my_J3



Рис.10 Топология блока my_K4

Рис.10 Топология блока my_J4

Рис.34 Топология буферного элемента

Рис. 35 Топология всего устройства

Расчет допустимой максимальной длины участка межсоединения

Самый длинный участок межсоединения в итоговой топологии .

Выводы по работе

1. Был разработан Счетчик с переключаемым модулем и направлением счета (+15;-27) триггер JK.

2. Характеристики разработанного устройства соответствуют поставленному техническому заданию.

3. Для обеспечения характеристик устройства при работе на нагрузочную емкость С_н=3 пФ был разработан буферный элемент.

4. При уменьшении напряжении питания ниже 1.8В, устройство перестает удовлетворять ТЗ.

5. Влиянием межсоединений на работу устройства пренебречь нельзя.

6. Занимаемая площадь на кристалле 740033мкм²

Список литературы

1. Шишина Л.Ю. Элементная база биполярных цифровых ИС: Конспект лекций по курсу "Микросхемотехника ЦИС", - М: МИЭТ, 2008.

2. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника, С-Пб. 2004.

3. Пухальский Г.И. -Цифровые устройства, С-Пб 1996

4. Гуминов Н.В., Миндеева А.А. Проектирование схем в программе Schematics системы OrCAD.

5. Методические указания к выполнению курсового проекта и содержанию пояснительной записки по курсу ЦИС, Москва 2013.

Приложение

Карты Карно для счетчика

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	1	x	1	x	1	x	1	x
001	1	x	1	-	0	x	1	x
110	1	x	1	x	1	x	1	x
111	1	x	1	-	-	-	-	-
101	1	x	1	x	1	x	1	x
100	1	x	0	x	1	x	1	x

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	0	x	x	1	0	x	x	1
001	0	x	x	-	1	x	x	1
110	1	x	x	0	1	x	x	0
111	1	x	x	-	-	-	-	-
101	1	x	x	0	1	x	x	0
100	1	x	x	0	1	x	x	0

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	x	1	0	x	x	1	0	x
001	x	1	0	-	x	1	0	x
110	x	0	1	x	x	0	1	x
111	x	0	1	-	-	-	-	-
101	x	0	1	x	x	0	1	x
100	x	0	1	x	x	0	1	x

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	x	x	x	1	0	0	0	x
001	x	x	x	-	1	0	0	x
110	x	x	x	0	0	0	1	x
111	x	x	x	-	-	-	-	-
101	x	x	x	0	0	0	1	x
100	x	x	x	0	0	0	1	x

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	0	0	0	x	x	x	x	1
001	0	0	0	-	x	x	x	1
110	0	0	1	x	x	x	x	0
111	0	0	1	-	-	-	-	-
101	0	0	1	x	x	x	x	0
100	0	0	0	x	x	x	x	0

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	x	x	x	x	x	x	x	x
001	0	0	0	-	1	0	0	0
110	x	x	x	x	x	x	x	x
111	0	0	0	-	-	-	-	-
101	0	0	1	0	0	0	0	0
100	x	x	x	x	x	x	x	x

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	0	0	0	1	0	0	0	0
001	x	x	x	-	x	x	x	x
110	0	0	1	0	0	0	0	0
111	x	x	x	-	-	-	-	-
101	x	x	x	x	x	x	x	x
100	0	0	1	0	0	0	0	0



	010	001	000	111	110	101	100	011
000	x	x	x	x	x	x	x	x
001	x	x	x	-	x	x	x	x
110	0	0	1	0	0	0	0	0
111	0	0	0	-	-	-	-	-
101	x	x	x	x	x	x	x	x
100	x	x	x	x	x	x	x	x

	010	001	000	111	110	101	100	011
000	0	0	0	0	0	0	0	0
001	0	0	0	-	0	0	0	0
110	x	x	x	x	x	x	x	x
111	x	x	x	-	-	-	-	-
101	0	0	0	0	0	0	0	0
100	0	0	1	0	0	0	0	0

Размещено на Allbest.ru