МИЭТ (ТУ)

Курсовой проект

по курсу АИС

на тему

"Четырёх канальный распределитель импульсов с перекрестной связью”

Выполнил: ФилипповМ.К

ЭКТ-45

Проверил: Шишина Л.Ю.

Москва 2001

Задание.

Спроектировать схему четырёх канального распределителя импульсов с перекрестной связью на RS-триггерах в ИЛИ-НЕ логическом базисе, выполненную по КМОП технологии. Результатом проектирования является схема, выполняющая заданную логическую функцию для указанной рабочей частоты при минимальной из заданных значений нагрузочной емкости.

Внешние условия функционирования:

а) напряжение источника питания U_ИП = 5В;

б) нагрузочная емкость C_Н = 0.5 пФ;

Рабочие параметры схемы, условия работоспособности:

а) рабочая частота 20 Мг;

б) длительность и симметрия фронтов выходного сигнала t_Ф⁰¹ = t_СР¹⁰ =1 нс.

Технологические и топологические ограничения:

а) пороговое напряжение n- и p-МДПТ U_ПОРn = 0.8 В, U_ПОРp = -1,2 В;

б) электрофизические параметры технологической МДП структуры для расчета крутизны транзисторов и паразитных емкостей и сопротивлений:

• подвижность носителей: _n= 360 см²/В*с; _p = 165 см²/В*с;

• концентрация носителей N_A = 10¹⁵ см ^–3; N_D = см^-3;

• толщина слоя подзатворного диэлектрика d_OX = 20 нм.

в) топологические ограничения:

• минимальный тополографический размер  = 1 мкм.

Получить:

1. Структурную схему четырёх канального распределителя импульсов с перекрестной связью на RS триггерах.

2. Размеры всех транзисторов W, L на основании предварительного расчета по заданным параметрам t_ф, f_T.

3. Расчет статических и динамических характеристик устройства при помощи программы “SPICE” с возможной коррекцией параметров W, L ряда транзисторов для обеспечения заданных условий работоспособности.

4. Получить и оценить:

• получить зависимость времени задержки сигнала от величины нагрузочной емкости;

• оценить предельную рабочую частоту для заданных топологических норм.

5. Оценить потребляемую мощность.

6. Разработать эскиз топологии полученной схемы и заданного триггера.

7. Проверить с помощью программы ASKT правильность работы схемы.

Теоретические сведения.

Триггеры RS-типа.

Триггером RS-типа называют логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, имеющие два информационных входа R и S, такие что при S =1 и R=0 триггер принимает состояние 1 (Q=1), а при R=1 и S=0 триггер принимает состояние 0 (Q=0).

Закон функционирования триггера RS-типа отображен в табл.1

tn			tn+1		tn			tn+1
Qn	Rn	Sn	Qn+1		Qn	Rn	Sn	Qn+1
0 0 0 0	0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 0 X		1 1 1 1	0 0 1 1	0 1 0 1	1 1 0 X

При одновременном поступлениина входы R и S логических 1 триггер принимает неопределенное состояние. Поэтому логические устройства на основе RS триггеров должны строится с учетом исключения комбинаций сигналов R*S = 1. Логическое уравнение RS триггера, составленное в соответствии с его таблицей переходов и с учетом оговоренного выше ограничения, записывается в виде

_

Qⁿ⁺¹ = S ⁿ +Rⁿ *Qⁿ; Rⁿ * Sⁿ = 0 (1)

Многотактные тригерные устройства, как правило, выполняются на основе тактируемых триггеров RS типа по схеме “M-S”. Основной (Master) принимает входную информацию, а вспомогательный триггер (Slave) фиксирует состояние тригерного устройства.

Распределителя импульсов с перекрестной связью

Счетчики на сдвигающих регистрах с перекрестными связями позволяют создавать устройства с 2N устойчивыми состояниями (N—разрядность регистра). Задача построения распределителя на их основе сводится к созданию схемы дешифрации состояний. В зависимости от способа сдвига информации в регистре различают распределители многократного и однократного действия. Последние выполняются на D, R-S, J-K триггерах и находят наибольшее применение.

На рис.1 приведена схема четырёх канального распределителя импульсов с перекрестной связью, выполненная на двух R-S триггерах .

Рис.1. схема четырёх канального распределителя импульсов с перекрестной связью

Анализ и расчет

В данной работе схема четырёх канального распределителя импульсов с перекрестной связью была реализован в ИЛИ-НЕ логическом базисе по схеме предложенной на рис. 1Схема триггера, используемого в данном счетчике, представлена на рис. 2

рис.2

Все устройства в этой работе были выполнены на элементах 2ИЛИ-НЕ, 3ИЛИ-НЕ, 4ИЛИ-НЕ и инвертор.

Быстродействие данной схемы заданно тактовой частотой f_T=20МГц. Максимальное число элементов, которое входной сигнал проходит до выхода равно восьми.

Воспользуемся выражениями для приближенной оценки задержки переключения:

t_ЗД⁰¹ = (C_H U_ИП)/(K_0N W_n/L_n (U_ИП - U_ПОРn)²)

t_ЗД¹⁰ = (С_H U_ИП)/(K_0P W_P/L_n(U_ИП - U_ПОРp)²)

откуда

W_n/L_n = (C_H U_ИП)/(K_0N t_ЗД⁰¹ (U_ИП - U_ПОРn)²)

W_p/L_p = (C_H U_ИП)/(K_0p t_ЗД¹⁰ (U_ИП - U_ПОРp)²) (3)

Определим K_0n = _nC_od/2, где

С_od = _d₀/d_ox = (3*10^-13 Ф/см)/(20*10^-7 см) = 1,5*10^-7 Ф/см²

K_0n = (360 см²/В с * 1.5*10^-7 Ф/см²)/2 = 28 мкФ/В с

Аналогично для p-типа

K_0p = _pC_od/2,

K_0p = (165 см²/В с * 1.5*10^-7 Ф/см²)/2 = 12 мкФ/В с.

Wp/Lp = (0.5*1^-12 Ф * 5 В )/(28*10^-6 Ф/В с (5 В – 0.8 В)² * 2 * 10^-9 с) = 15

Wn/Ln = (0.1*1^-12 Ф * 5 В )/(12*10^-6 Ф/В с (5 В + 1,2 В)² * 2 * 10^-9 с) = 5

Берем длины всех транзисторов минимальными, т.е 2 мкм. Отсюда W_n= 10мкм, а W_P = 30 мкм.

С помощью программы “PSPICE” в данной работе были уравнены t_Ф и t_СР схемы. Это было достигнуто выравниванием крутизны n- и p-канального эквивалентного транзистора K_n=K_p.

Таким образом удалось достичь (рис.):

t_Ф⁰¹ = 1 нс; t_СР¹⁰ =1 нс.

С помощью средств программы “PSPICE” из графиков (рис. ) были найдены:

t_ЗД⁰¹ = 0.5 нс; t_ЗД¹⁰ =0.5нс;

Определим

t_ЗД = (t_ЗД⁰¹ ₊ t_ЗД¹⁰)/2 = 0.5нс.

f_T < 1/3 * t_ЗД = 6.7 МГц.

Таким образом при данных размерах транзисторов и величине нагрузочной емкости (C_H = 0,5 пФ) схема работает нормально. Путем повышения номинала нагрузочной емкости была найдена такая нагрузочная емкость, при которой схема перестает переключаться. Она составила C_H = 18.7 пФ. Для этой емкости были найдены:

t_Ф⁰¹ = 38нс; t_СР¹⁰ =45нс.

Из графиков рис. были найдены:

t_ЗД⁰¹ = 0.848нс; t_ЗД¹⁰ =0.595 нс;

откуда

t_ЗД = (t_ЗД⁰¹ ₊ t_ЗД¹⁰)/2 = 0.721нс.

На рис. показана зависимость времени задержки переключения выходного сигнала от величины емкости нагрузки.

Рис. Зависимость времени задержки от нагрузочной емкости.

Расчет потребляемой мощности.

Статическая мощность в КМДП схемах не потребляется, а динамическая рассчитывается для максимально допустимой величины C_H:

P_ДИН = f_т С_{H МАК} U_ИП² = 3.1 мВт.

Проектирование эскиза топологии.

Топология счетчика показана на рис.

Общая площадь схемы составила S =1375мкм * 1250мкм = 1718750мкм².

Оценку величины паразитной емкости между проводящими слоями можно сделать, пологая минимальную толщину межслойной изоляции (SiO₂) d_ox = 0.5 мкм и зная площадь самой длинной шины в схеме:

C_пар = _d₀/d_ox *S = (3*10^-13 Ф/см)/(0.5*10^-6 см) *0.0007121= 4.6пФ/см²

R=p*n=0.07*791=55.37 Om

T=R*C=26*е-09

Проектирование в ASKT.

Схема счетчика была собрана в программе ASKT. Результаты этого моделирования показаны на рис.

Вывод.

В данной работе были получены следующие результаты:

• при минимальной нагрузочной емкости (С_H=0.5 пФ):

t_Ф⁰¹ = 0.5нс; t_СР¹⁰ =0.5 нс

t_ЗД = 0.5 нс.

f_T < 6.7 МГц.

• при максимальной нагрузочной емкости (С_Н=18.7пФ):

t_Ф⁰¹ = 0.848 нс; t_СР¹⁰ =0.595нс.

t_ЗД = 0.721нс.

Для обеспечения равенства t_Ф = t_СР =1нс были подобраны размеры транзисторов:

- nМДПТ l=2u w=20u

• pМДПТ l=2u w=60u

Приведена зависимость времени задержки схемы от величины нагрузочной емкости.

Рассчитана динамическая потребляемая емкость между проводящими слоями: С_ПАР=.4.6 мпФ/см²

Рассчитана динамическая потребляемая мощность P_ДИН = 3.1 мВт

Общая емкость схемы S = 1718750 мкм².

Схема триггера была смоделирована в программе PSPICE, где были получены все расчетные данные. А также схема счетчика была смоделирована в программе ASKT, где была проверена логика работы схемы.

Список используемой литературы.

1. Л.Ю.Шишина “Методические указания по курсовому проектированию по курсу “элементарная база цифровых ИС” МИЭТ, 1994.

2. Н.В.Воробьев “Счетчики и пересчетные устройства” МИЭТ, 1992

3. И.Н.Букреев “Микроэлектронные схемы цифровых устройств” “Советское радио”, 1975.

4. Конспект лекций по курсу “Микросхемотехника ЦИС” 2001.

5. В.И.Старосельский “Физика МДП транзисторов” Москва, 1992.