Лабы и курсовая / Готовые курсовые / 1 / cis_kersa4_12var / small / doc / kurs

1 . Техническое задание

Технологический базис	,								Схема устройства
	5В	0,7	-0,75	80	25	2	50	0,2	Реверсивный счетчик с параллельным переносом

1. Используя параметры эквивалентного логического элемента, разработанного в предыдущем КП по микросхемотехнике ЦИС, спроектировать схему триггера с динамическим управлением (фронтом или срезом синхросигнала). Результатом проектирования является схема, выполняющая заданную логическую функцию для указанной рабочей частоты при заданном значении нагрузочной емкости.

2. Выбрать по литературным источникам схему устройства на базе спроектированного триггера, реализующую заданную логическую функцию (регистра, счетчика, делителя частоты и т.д.).

При необходимости для реализации логической функции возможны трансформации исходного триггера, например:

- преобразование JK-триггера в Т-триггер и т.п.;

- введение дополнительного логического управляющего сигнала сброса информации и выборки (установки);

- осуществление коррекции топологических размеров исходного логического элемента и связанных с этим времен задержки на логических вентилях. При необходимости выполняется перерасчет схемы триггера при помощи программы SPICE;

- разработка топологического эскиза базовой триггерной схемы.

3. Разработать устройство по полузаказному алгоритму проектирования, считая исходный триггер библиотечным элементом матрицы.

4. При помощи программы Orcad нарисовать электрическую схему устройства.

5. Провести логическое моделирование разрабатываемого устройства. В качестве библиотечного элемента использовать вентили из библиотеки.

6. Выполнить эскизный чертеж топологии устройства, используя разработанный ранее эскиз топологии триггера в виде прямоугольника, подсоединенного к шинам питания, с размерами, координатами входов и выходов в заданном масштабе -проектирования.

7. Рассчитать паразитные сопротивления и емкости шин межсоединений (разрешено 2 уровня Al-металлизации) по разработанному топологическому варианту.

• Рассчитать величины паразитных емкостей (Cпар) и сопротивлений (Rпар) шин межсоединений для полученного топологического эскиза схемы. Расчет вести для самых длинных шин, если величины Cпар будут меньше 10 фФ, а Rпар - меньше 50 Ом, т.е. < 0.1 пс, то вкладом задержек в шинах разводки в быстродействие схемы можно пренебрегать. В ином случае, соответствующие емкости и сопротивления должны быть включены в электрическую схему для проведения моделирования переходных процессов в проектируемой схеме.

• Определить время задержки в шинах связи, сравнить со временами задержки в схеме триггера, скорректировать рабочую частоту.

• Скорректировать величины емкостей, подсоединенных в качестве нагрузки к выходам триггера с учетом дополнительных топологических емкостных нагрузок от шин разводки, на основании этого сделать перерасчет рабочей частоты и потребляемой мощности триггера и устройства на его основе.

8. Изменяемые параметры:

• емкость нагрузки устройства из исходного КП и в 10 раз большая;

• номинал источника питания 2.5 и 1.8 В.

9. Рассчитываются частоты:

- максимальная,

- рабочая,

- при заданных параметрах выходного импульса,

- для различных вариантов нагрузки.

Исходная комбинационная схема:

2. Описание работы устройства

Реверсивный счетчик с параллельным переносом. Такой счетчик должен работать как на сложение, так и на вычитание. В суммирующем счетчике каждый последующий триггер получает информацию с прямого выхода предыдущего, а в вычитающем – с инверсного выхода, т.е. для перехода от сложения к вычитанию и обратно надо изменять подключение счетного входа последующего триггера к выходам предыдущего.

Что бы осуществить сложение надо на шину сложения с входа D подать единицу, которой вводятся в действие конъюнкторы верхнего ряда. При этом на шине вычитания присутствует ноль, за счет чего конъюнкторы нижнего ряда выключены. Вычитание осуществляется при D=0, то есть с подачей единицы на шину вычитания 0 на шину сложения. Счетные импульсы поступают на вход Т.

Данный счетчик реализован на JK-триггере MS-типа, управляемый фронтом.

Q_g+1 = C(JQ_n + KQ_n) + CQ_n

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

3. Анализ работы триггера

3.1 Параметры логических элементов

Размеры транзисторов для логических элементов возьмем из предыдущего КП:

инвертор: Ln = Lp = 2 Wn = 6 Wp = 20

2И-НЕ: Ln = Lp = 2 Wn = 12 Wp = 20

3И-НЕ: Ln = Lp = 2 Wn = 18 Wp = 20

2ИЛИ-НЕ: Ln = Lp = 2 Wn = 6 Wp = 40

3.2 Расчет параметров триггера

В данной схеме на каждый триггер тактовый импульс поступает непосредственно не зависимо от предыдущего триггера, т.е. максимальная задержка для каждого триггера будет примерно равна:

t_зд = 6.6нс t_ф = t_ср  2нс

После предварительного расчета и проектирования в программе Orcad получили следующие результаты работы триггера:

t_зд⁰¹ = 3.6нс t_зд¹⁰ = 4,1нс t_{зд ср} = 3.8нс t_ф = 1.78нс t_ср = 1.6нс

Эти результаты полностью удовлетворяют заданным условиям.

3.3 Эквивалентная схема JK-триггера

3.4 Результаты работы JK-триггера, срабатывающего по срезу синхросигнала

4. Предварительный анализ работы устройства

4.1 Предварительные параметры устройства

Результаты работы устройства (без учета паразитных емкостей и сопротивлений):

t_зд⁰¹ = 3.4нс t_зд¹⁰ = 3.1нс t_{зд ср} = 3.5нс t_ф = 1.96нс t_ср = 2.4нс

Видно что, время среза не удовлетворяет заданным значениям, а при учете паразитных емкостей еще возрастет. Для корректировки работы устройства необходимо: либо на выходе устройства ставить мощные инверторы, либо увеличивать размеры (ширин W) транзисторов. Выберем второй вариант, увеличим размеры транзисторов :

3И-НЕ: Ln = Lp = 2 Wn = 24 Wp = 20

После изменения размеров транзисторов получаем следующие результаты работы устройства:

t_зд⁰¹ = 3.4нс t_зд¹⁰ = 3.1нс t_{зд ср} = 3.3нс t_ф = 1.91нс t_ср = 1.92нс

В результате повысилось быстродействие устройства, и все значения обеспечивают необходимый запас для увеличения нагрузочной способности, вследствие учета паразитных емкостей и сопротивлений.

4.2 Эквивалентная схема устройства

3. Логическое моделирование устройства

5. Топологическое проектирование

1. Топология логических элементов

2. Топология триггера

2. Топология устройства

6. Окончательный анализ работы устройства

6.1 Расчет паразитных емкостей и сопротивлений

Для расчета паразитных емкостей и сопротивлений используем следующие значения:

- сопротивление 1-го слоя металлизации R_m1 = 0.1 Ом/□

- сопротивление 2-го слоя металлизации R_m2 = 0.05 Ом/□

- толщина подзатворного окисла d_ок = 0.5мкм

- диэлектрическая проницаемость окисла ε_ок = 3.9

Рассчитаем паразитные емкость и сопротивление одной из самых больших шин – шины Rа.

,

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

,

где S – площадь обкладок паразитного конденсатора

«Ручной» расчет:

Паразитное сопротивление шины:

Паразитная емкость шины:

Расчеты программы MICROWIND

Влиянием паразитных сопротивлений можно пренебречь, так как время задержки очень мало ( 0,77пс<<16,67нс). Поэтому основной вклад в работу схему будут вносить паразитные емкости, от которых зависит время среза и фронта.

Паразитная емкость контактной площадки:

6.2 Параметры спроектированного устройства с учетом паразитных емкостей и сопротивлений

Результаты работы устройства (с учетом паразитных емкостей и сопротивлений):

t_зд⁰¹ = 3.5нс t_зд¹⁰ = 3.15нс t_{зд ср} = 3.32нс t_ф = 1.96нс t_ср = 1.99нс

Параметры устройства полностью удовлетворяют требованиям ТЗ:

t_зд = 6.6нс t_ф = t_ср  2нс

6.2 Анализ работы устройства с учетом с учетом паразитных емкостей и сопротивлений

6.3 Изменение номинала источника питания и нагрузочной емкости: U_ип = 3.6В, C_н = 2пФ.

При увеличении емкости в 10 раз схема становится неработоспособной (смотри график в приложении). Для работоспособности схемы следует увеличивать топологические размеры элементов.

При уменьшении номинала источника питания до 3.6В получаем следующие параметры:

t_зд⁰¹ = 4,1нс t_зд¹⁰ = 3,3нс t_{зд ср} = 3,7нс t_ф = 2,2нс t_ср = 2,8нс

как видно, что время фронта и среза не входит в границы ТЗ (t_ф = 2нс). Поэтому для его уменьшения следует на выходах поставить мощные инверторы.

.

4. Максимальная частота

Из анализа работы устройства видно, что время задержки устройства немного меньше максимального, т.е. можно увеличить частоту до 90МГц.

6.5 Потребляемая мощность

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

Мощность, потребляемая отдельным триггером:

Мощность 1 триггера: P = = 16фФ·50МГц·25В² = 0,020мВт,

Мощность 2 триггера: P = = 19фФ·50МГц·25В² = 0,024мВт,

Мощность 3 триггера: P = = (0.2пФ+17фФ)·50МГц·25В² = 0,27мВт.

Мощность, потребляемая всей схемой целиком:

P_сх = 0.32мВт

7. Вывод

Спроектированное устройство – Реверсивный счетчик с параллельным переносом является работоспособным, так как его параметры удовлетворяют условиям технического задания (,,).

Данное устройство построено в базисе И-НЕ (использовалась модель транзисторов 3го уровня).

Устройство занимает площадь ().

Рассмотрена работа схемы с нагрузочной емкостью 0,2пФ. Увеличение емкости в 10 раз до 2пФ привело к тому, что условия ТЗ перестали выполняться (отсутствует устойчивое состояние). Для работоспособности схемы следует увеличивать топологические размеры элементов.

Понижение U­_ип до 3,6В привело к тому что время фронта и среза перестали входить в границы данные в ТЗ, для его уменьшения следует на выходах поставить мощные инверторы.

Устройство работает на частоте 50 МГц. Дальнейшее увеличение частоты до 90МГц сохраняет работоспособность схемы при .

Потребляемая мощность – 0,32мВт