close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Курсовой проект ЦИС Санжапов

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет "МИЭТ"
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине ЦИС
Тема: "проектирование вычитающего счетчика с модулем счета 47, триггер DC"
Руководитель: Гуминов Н. В. Выполнил: Санжапов К. И.
Дата: 20.12.2013
Москва 2013
Содержание
Техническое задание
Теоретические сведения Этап логического проектирования
Этап схемотехнического проектирования
Этап проектирования топологии
Выводы по работе
Список литературы
Техническое задание
Полное наименование устройства
Вычитающий счетчик с модулем счета 47, триггер DC
Логический базисИ-НЕТехнологический базисAMS-0.8um
Параметры технологического базиса:
Параметр базисаЗначениеПороговое напряжение n-МДПТ, Vtn, B0,8Пороговое напряжение p-МДПТ, Vtp, B-0,8Удельная крутизна n-МДПТ, Kon, мкА/В2110Удельная крутизна p-МДПТ, Kop, мкА/В236Толщина подзатворного окисла, tox, нм15Толщина межслойного окисла, hox, мкм1,1Толщина слоя металл-1, hme1, мкм0,6Уд. сопротивление поликремния, Rpoly, Ом/□25Уд. сопротивление металла-1, Rme1, Ом/□0,07Уд. сопротивление металла-2, Rme2, Ом/□0,04
Технические характеристики устройства:
ХарактеристикаЗначениеРабочая частота по входному сигналу, fраб, Мгц120Нагрузочная емкость, Cн, пФ0.5Напряжение питания, Vdd, В5Время фронта и среза, tcp, tфр, нс1
Модели(LEVEL=3) МДП транзисторов:
n-МДПТ.MODEL HSN NMOS LEVEL=3 VTO=0.80 KP=110.000E-6
+LD =0.060U THETA=0.180 GAMMA=0.700
+PHI=0.700 KAPPA=0.030 VMAX=130.00K
+CGSO= 10.0p CGDO= 10.0p TOX=15N
p-МДПТ.MODEL HSP PMOS LEVEL=3 VTO=-0.80 KP=36.000E-6
+LD =-0.050U THETA=0.180 GAMMA=0.450
+PHI=0.700 KAPPA=0.040 VMAX=100.00K
+CGSO= 10.0p CGDO= 10.0p TOX=15N
Теоретические сведения
Счетчик - цифровое устройство, осуществляющее счет числа появлений на входе определенного логического уровня. Числа в счетчике представляются определенными комбинациями состояний триггеров. При поступлении на вход очередного уровня логической 1 в счетчике устанавливается новая комбинация состояний триггеров, соответствующая числу, на единицу большому предыдущего числа. Таким образом, счетчик представляет собой логическое устройство последовательностного типа, в котором новое состояние определяется предыдущим состоянием и значением логической переменной на входе.
Наряду с суммирующими счетчиками, в которых в процессе счета каждое очередное число на одну единицу превышает предыдущее, используются и такие счетчики, в которых в процессе счета числа последовательно убывают (эти счетчики называются вычитающими).
В заданном вычитающем счетчике мы должны каждый раз уменьшать число на 1.Модуль счета равен 47. Следовательно, счетчик должен быть 6-разрядным. Этап логического проектирования
После изучения основных функций заданного вычитающего счетчика, было решено использовать для создания логической схемы устройства 6 DC-триггеров, собранных на стандартной библиотеке 74hc. Структурная схема вычитающего счетчика с шагом(2,3) представлена на рисунке 1.
Рис. 1 Структурная схема счетчика
Таблица истинности счетчика представлена в таблице 1.
числоQ5Q4Q3Q2Q1Q0D5D4D3D2D1D0461011101011014510110110110044101100101011431010111010104210101010100141101001101000401010001001113910011110011038100110100101371001011001003610010010001135100011100010341000101000013310000110000032100000011111310111110111103001111001110129011101011100280111000110112701101101101026011010011001250110010110002401100001011123010111010110220101100101012101010101010020010100010011190100110100101801001001000117010001010000160100000011111500111100111014001110001101130011010011001200110000101111001011001010100010100010019001001001000800100000011170001110001106000110000101500010100010040001000000113000011000010200001000000110000010000000000000101110
Табл. 1 Таблица истинности счетчика
Затем для каждого из входов были составлены карты Карно (таблицы 2-7) и по ним синтезированы управляющие функции для каждого входа D0-D5.
Q5Q4Q3\Q2Q1Q000000101101011011110110000000011001001100110010111001100101010011001110xxxxxxxx111xxxxxxxx10110011x0110010011001 Табл. 2 Карта Карно для входа D0
D_0=Q_2∙(Q_0 ) ̅+Q_1∙(Q_0 ) ̅+Q_3∙(Q_0 ) ̅+Q_4∙(Q_0 ) ̅+Q_5∙(Q_0 ) ̅
Q5Q4Q3\Q2Q1Q000000101101011011110110000010100101001101001010111010010101010100101110xxxxxxxx111xxxxxxxx10110100x0110010100101 Табл. 3 Карта Карно для входа D1
D_1=Q_0∙Q_1+(Q_1 ) ̅∙(Q_0 ) ̅
Q5Q4Q3\Q2Q1Q000000101101011011110110000010001110001100011100111000111001010001110110xxxxxxxx111xxxxxxxx10110001x1010010001110 Табл. 4 Карта Карно для входа D2
Q5Q4Q3\Q2Q1Q000000101101011011110110000010000000001011111110110111111101010000000110xxxxxxxx111xxxxxxxx10101111x1110010000000 Табл. 5 Карта Карно для входа D3
Q5Q4Q3\Q2Q1Q000000101101011011110110000000000000001000000000111111111101001111111110xxxxxxxx111xxxxxxxx10100000x0010010000000 Табл. 6 Карта Карно для входа D4
Q5Q4Q3\Q2Q1Q000000101101011011110110000010000000001000000000110000000001000000000110xxxxxxxx111xxxxxxxx10111111x1110001111111 Табл. 7 Карта Карно для входа D5
Далее были собраны логические схемы DC-триггера и управляющие функции, показанные на рисунках 2 и 3.
Рис.2 Логическая схема DC-триггера
Рис.3 Логическая схема блоков управляющих функций
После создания логических схем блоков функций и триггера, была собрана логическая схема всего счетчика. Схема, готовая к моделированию представлена на рисунке 4.
Рис.4 Логическая схема счетчика
Результаты моделирования логической части устройства представлены на рисунках 5 и 6.
Рис. 5 Результаты моделирования логической схемы 1
Рис. 6 Результаты моделирования логической схемы 2
По приведенным рисункам можно убедиться, что устройство работает правильно.
Заключительным этапом логического проектирования является определение максимального пути распространения цифрового сигнала и максимального коэффициента разветвления в схеме:
N_max=N_триг+N_сум=4+5=9
M_cx=4
Этап схемотехнического проектирования
Разработаем основные вентили, необходимые для реализации схемы счетчика на транзисторах. По указаниям методички в breakout.lib были вставлены модели транзисторов (Level=3) из программы Microwind. Далее были разработаны основные вентили, схемы которых представлены на рисунках 7-9.
Инвертор:
Рис.7 Инвертор
Wp=K_n/K_p *Wn=110/36*5*0.4u=16*0.4u
Транзистор MbreakP будет иметь параметры: Wp= {@K*16*0.4u}; Lp=0.8u,
а транзистор MbreakN будет иметь параметры: Wn= {@K*5*0.4u}; Ln=0.8u, где K - параметр, с возможностью задания в схеме.
2-И-НЕ:
Ширины транзисторов MbreakN будут удвоены и равны Wn=4 u, а ширина MbreakP останется прежней.
Рис.8 2-И-НЕ
3-И-НЕ:
Ширины транзисторов MbreakN будут утроены и равны Wn=6u, а ширина MbreakP останется прежней.
Рис.9 3-И-НЕ
После разработки вентилей был произведен расчет ширины буферного элемента, с помощью параметрического и временного моделирования схемы, показанной на рисунке 10. Рис.10 Схема для определения ширины буферного элемента
Результаты моделирования данной схемы показаны ниже на рисунке 11.
Рис.11 Результаты моделирования ширины буферного элемента
По полученным результатам выберем параметр Kin=3, Kout=7, так как A=7 удовлетворяет значениям времени фронта и среза по ТЗ.
Далее соберем схемы кольцевых генераторов, моделирующие лучший и худший случай. Они представлены на рисунке 12.
Рис.12 Схемы кольцевых генераторов
Результаты моделирования представлены на рисунке 13.
Рис.13 Результаты моделирования кольцевых генераторов
По ТЗ Fраб=120 МГц. По результатам моделирования кольцевых генераторов (рисунок 13 ) находим, Мmax=3. А из этапа логического проектирования Мсх=4 и тогда Fрабмах=90МГц. Необходимо изменить рабочую частоту.
Далее промоделируем все вентили из базиса и буфер на рабочей частоте с коэффициентом разветвления M_max 〖≤M〗_max^*≤M_cx. Выберем M_max^*=4. Схема для моделирования показана на рисунке 14, а результаты моделирования и основные характеристики вентилей на рисунках 15 и 16 . Все характеристики вентилей удовлетворяют ТЗ. Рис.14 Схема моделирования всех вентилей
Рис.15 Результаты моделирования всех вентилей и буфера
Рис.16 Основные характеристики вентилей
После проверки основных характеристик вентилей были созданы схемотехнические схемы блоков управляющих функций и триггера (рисунок 17).
Рис. 17 Схема DC-триггера на созданных вентилях
Затем была создана схемотехническая схема всего устройства, готовая к моделированию. Она представлена на рисунке 18.
Рис. 18 Схемотехническая схема счетчика
Результаты моделирования схемы представлены на рисунке 19.
Рис. 19 Результаты моделирования схемотехнической схемы
Для выхода Q0 были померены задержки переключения: t_зд^10=580пс,t_зд^01=840пс . Они практически совпадают со значениями задержки буфера, что так же показывает, что устройство работает правильно.
Заключительным действием в этапе схемотехнического проектирования является моделирование схемы по напряжению питания и поиск такого значения напряжения питания, при котором схема перестанет работать. Схема моделирования представлена на рисунке 20. Для моделирования был введен глобальный параметр А и по нему был проведен параметрический анализ. Результаты его приведены на рисунке 21.
Рис. 20 Моделирование схемы по напряжению питания
Рис. 21 Результаты моделирования по напряжению питания
Таким образом, устройство начнет сбоить при напряжении питания меньшем 3,2 В.
Далее аналогичным образом было проведено моделирование по емкости. Результаты моделирования представлены на рисунке 22.
Рис. 22 Результаты моделирования по емкости
При увеличении емкости в 10 раз, tфр=6,4пс.
Этап топологического проектирования
Для проектирования топологии устройства была выбрана программа Layout Editor, так как она более удобна, чем Microwind для проектирования многоуровневой топологии и имеет возможность создания отдельных ячеек и блоков.
Сначала была создана библиотека всех вентилей базиса и контакт между металлами, которые приведены на рисунке 23.
Рис. 23 Библиотека вентилей
Далее на основе созданных вентилей были собраны: блоки управляющих функций, триггер (рисунок 24) и буферный элемент (рисунок 25). Далее был создана топология всего устройства. Она изображена на рисунке 26.
Рис. 24 Топология DC-триггера
Рис. 25 Топология буфера
Рис. 26 Топология всего устройства Таким образом, получилось, что максимальная длина шины металлизации l=560 мкм. Для расчета максимальной длины шины металлизации, влиянием на межсоединения которой можно пренебречь, рассмотрим задачу. Рассмотрим схемы, изображенные на рисунке 31. Рис. 27 Схемы для определения максимальной длины шины
τ_0=R_вых 〖∙С〗_вх=83.48∙〖10〗^(-15)
С_вх=(ε_sio2 ε_0)/T_ox ∙S=(3.9∙8.85∙〖10〗^(-12))/(15∙〖10〗^(-9) )∙0.8∙〖10〗^(-6)∙8,4∙〖10〗^(-6)=15.46∙〖10〗^(-15) Ф R_вых=(∂I_d)/(∂V_ds )=[K_on∙W_n/L∙(V_dd-V_t)]^(-1)=(2∙〖10〗^(-6))/(110∙〖10〗^(-6)∙0.8∙〖10〗^(-6)∙(5-0.8))=5.4 Ом
τ=(R_вых+R_пар )∙(С_вх+С_пар)
С_пар=(ε_sio2 〖∙ε〗_0∙w_me)/h_ox ∙l_max=(3.9∙8.85∙〖10〗^(-12)∙0.4∙〖10〗^(-6))/(1,1∙〖10〗^(-6) )∙l_max=12.55∙〖10〗^(-12)∙l_max Ф
R_пар=(ρ∙l_max)/(w_me∙h_me )=9.7∙〖10〗^10∙l_max Ом/м
τ-τ_0=0.1τ_0
τ-〖1.1∙τ〗_0=0
τ=〖(R〗_вых+R_пар)〖∙(С〗_вх+С_пар)
〖1.21l〗_max^2+1.49∙〖10〗^(-3) l_max-8.344=0
l_max=2.62∙〖10〗^(-3) м
Из топологии: lmax = 560 мкм. Таким образом, влиянием межсоединений можно пренебречь. В конце работы вычислим аналитически потребляемую мощность устройства и сравним с результатами моделирования, приведенными на рисунке 32.
Рис. 28 Результат моделирования среднего тока источника питания
Тогда P_(ср_прак)=0,0008*5=0,4мВт.
Вычислим мощность аналитически:
С_(вх inv)=(ε_sio2 ε_0)/T_ox ∙L∙(W_n+W_p )=15.46∙〖10〗^(-15) Ф
С_(вх 2and)=(ε_sio2 ε_0)/T_ox ∙L∙(〖2W〗_n+W_p )=19.14∙〖10〗^(-15) Ф
С_(вх 3and)=(ε_sio2 ε_0)/T_ox ∙L∙(3W_n+W_p )=22.82∙〖10〗^(-15) Ф
N_inv=29
N_2and=28
N_3and=39
С_sum=15.46∙〖10〗^(-15)∙29+19.14∙〖10〗^(-15)∙28+22.82∙〖10〗^(-15)∙39+0,5∙〖10〗^(-12)∙6=4.87∙〖10〗^(-12) Ф.
P_(ср_ан)=С∙V_dd^2∙F=1,09мВт.
Мощность потребляемая устройством на практике меньше чем рассчитанная аналитически. Выводы по работе
Был разработан вычитающий счетчик с модулем счета 47 на DC-триггерах.
Характеристики разработанного устройства соответствуют поставленному техническому заданию.
Рабочая частота была уменьшена и составляет 90 Мгц.
Для обеспечения характеристик устройства при работе на нагрузочную емкость Сн=0,5 пФ был разработан буферный элемент.
Устройство становится неработоспособным при напряжении питания 3,2 В.
Влиянием межсоединений на работу устройства можно пренебречь.
Занимаемая площадь на кристалле: S=106350〖 мкм〗^2 Список используемой литературы
Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника, С-Пб. 2004.
Гуминов Н.В., Миндеева А.А. Проектирование схем в программе Schematics системы OrCAD.
В.В.Ракитин. Интегральные схемы на КМОП транзисторах, Москва 2007
Методические указания к выполнению курсового проекта и содержанию пояснительной записки по курсу ЦИС, Москва 2013.
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
49
Размер файла
5 772 Кб
Теги
проект, курсовой, санжапова, цис
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа