Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

_Разное / KURSOV1 / МИЭТ

.doc
Скачиваний:
6
Добавлен:
16.04.2013
Размер:
366.59 Кб
Скачать

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 UИП = 5В;

б) нагрузочная емкость CН = 0.5 пФ;

Рабочие параметры схемы, условия работоспособности:

а) рабочая частота 20 Мг;

б) длительность и симметрия фронтов выходного сигнала tФ01 = tСР10 =1 нс.

Технологические и топологические ограничения:

а) пороговое напряжение n- и p-МДПТ UПОРn = 0.8 В, UПОРp = -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 NA = 1015 см –3; ND = см-3;

  • толщина слоя подзатворного диэлектрика dOX = 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 tф, fT.

  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.

  1. Оценить потребляемую мощность.

  2. Разработать эскиз топологии полученной схемы и заданного триггера.

  3. 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 fT=20МГц. Максимальное число элементов, которое входной сигнал проходит до выхода равно восьми.

Воспользуемся выражениями для приближенной оценки задержки переключения:

tЗД01 = (CH UИП)/(K0N Wn/Ln (UИП - UПОРn)2)

tЗД10 = (СH UИП)/(K0P WP/Ln(UИП - UПОРp)2)

откуда

Wn/Ln = (CH UИП)/(K0N tЗД01 (UИП - UПОРn)2)

Wp/Lp = (CH UИП)/(K0p tЗД10 (UИП - UПОРp)2) (3)

Определим K0n = nCod/2, где

Сod = d0/dox = (3*10-13 Ф/см)/(20*10-7 см) = 1,5*10-7 Ф/см2

K0n = (360 см2/В с * 1.5*10-7 Ф/см2)/2 = 28 мкФ/В с

Аналогично для p-типа

K0p = pCod/2,

K0p = (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 Wn= 10мкм, а WP = 30 мкм.

С помощью программы “PSPICE” в данной работе были уравнены tФ и tСР схемы. Это было достигнуто выравниванием крутизны n- и p-канального эквивалентного транзистора Kn=Kp.

Таким образом удалось достичь (рис.):

tФ01 = 1 нс; tСР10 =1 нс.

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

tЗД01 = 0.5 нс; tЗД10 =0.5нс;

Определим

tЗД = (tЗД01 + tЗД10)/2 = 0.5нс.

fT < 1/3 * tЗД = 6.7 МГц.

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

tФ01 = 38нс; tСР10 =45нс.

Из графиков рис. были найдены:

tЗД01 = 0.848нс; tЗД10 =0.595 нс;

откуда

tЗД = (tЗД01 + tЗД10)/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 CH:

PДИН = fт СH МАК UИП2 = 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) dox = 0.5 мкм и зная площадь самой длинной шины в схеме:

Cпар = d0/dox *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 (СH=0.5 пФ):

tФ01 = 0.5нс; tСР10 =0.5 нс

tЗД = 0.5 нс.

fT < 6.7 МГц.

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

tФ01 = 0.848 нс; tСР10 =0.595нс.

tЗД = 0.721нс.

Для обеспечения равенства tФ = tСР =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: СПАР=.4.6 мпФ/см2

Рассчитана динамическая потребляемая мощность PДИН = 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.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке KURSOV1