Разработка интегрального цифрового устройства
Федеральное
агентство по связи и информатике
Государственное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
Сибирский
государственный университет телекоммуникаций и информатики
Курсовая
работа
Разработка
интегрального цифрового устройства
Выполнил:
Симон А.С.
студент гр.
В-67
Проверил:
Савиных В.Л.
г.
Новосибирск - 2008 г.
Содержание
1.
Разработка электрической схемы цифрового устройства
.1
Задание к первой части
.2
Упрощение и преобразование
.3
Выбор типа логики и конкретных серий
.4
Электрическая схема цифрового устройства
.5
Проверка условий
Вывод
.
Электрический расчет цифровой схемы
.1
Задание ко второй части
.2
Электрический расчет схемы
.3
Таблицы
.4
Расчет мощностей
.5
Таблица истинности
Вывод
.
Разработка топологии в гибридном варианте
.1
Пленочные проводники
.2
Навесные элементы
.3
Топологический чертеж ИМС
Вывод
Заключение
Список
используемой литературы
1. Разработка электрической схемы
цифрового устройства.
.1 Задание к первой части
Даны четыре уравнения:
Дополнительные требования:
· Выходной ток Iвых≤30мА
· Общая потребляемая мощность
устройства Pпотр≤100мВт
· Время задержки распространения
сигнала tзд.р.ср≤70нсек
1.2 Упрощение
и преобразование
Y2 оставим без
изменения
1.3 Выбор типа логики и конкретных
серий
При реализации данного цифрового
устройства будем использовать 6 ЦИМС с логикой КМДП (DD1, DD2, DD3, DD4, DD5 и DD7) 1 ЦИМС с
логикой ТТЛ (DD6), чтобы
была необходимая мощность. Чтобы обеспечить большой выходной ток, будем
использовать параллельное включение Eпит=5В.
|
|
|
|
Iпотр.ср
|
I0вых
|
I1вых
|
tзд.р.ср
|
DD1
|
1564ЛИ1
|
4
лог. эл.
|
2И
|
5мкА
|
5,2мА
|
-0,5мА
|
19,5нс
|
DD2
|
1564ЛЛ1
|
4
лог. эл.
|
2ИЛИ
|
5мкА
|
5,2мА
|
-0,5мА
|
17нс
|
DD3
|
1564ЛЕ1
|
2 лог. эл.
|
2ИЛИ-НЕ
|
4мкА
|
5,2мА
|
-0,5мА
|
17нс
|
DD4
|
КР1554ЛЛ1
|
4
лог. эл.
|
2ИЛИ
|
4мкА
|
24мА
|
-24мА
|
7,25нс
|
DD5
|
КР1554ЛП5
|
4
лог. эл.
|
ИСКЛ.
ИЛИ
|
8мкА
|
24мА
|
-24мА
|
13,5нс
|
DD6
|
КР1531ЛИ1
|
1 лог. эл.
|
2И
|
10,65мА
|
60мА
|
1мА
|
6,3нс
|
DD7
|
КР1554ЛЛ1
|
3 лог. эл.
|
2ИЛИ
|
4мкА
|
24мА
|
-24мА
|
7,25нс
|
1.4 Электрическая схема цифрового
устройства
1.5 Проверка условий
Время задержки распространения
Для Y1
tзд.р.ср=t1+t4+t5=19.5+7.25+13.5=40.25нс<70нс
Для Y2
tзд.р.ср=
t1++t3+t4=19.5+17+7.25=43.75нс<70нс
Для Y3
tзд.р.ср=
t2+t5+t7=17+13.5+7.25=37.75нс<70нс
Для Y4
tзд.р.ср=
t1+t5+t6=19.5+13.5+6.3=39.3нс<70нс
Потребляемая мощность.
Pпотр = Eпит
* ∑Iпотр = 5*(4*5*10-3+4*5*10-3+2*4*10-3+4*4*10-
+4*8*10-3 + 1*10,65 + 3*4*10-3)
= 53,79мВт < 100мВт
Выходной ток
Для Y1
Iвых=2*24мА=48мА>30мА
Для Y2
Iвых=2*24мА=48мА>30мА
Для Y3
Iвых=2*24мА=48мА>30мА
Для Y4
Iвых=60мА>30мА
Вывод
Получили электрическую схему цифрового
устройства, которая реализует данные 4 уравнения и соответствует дополнительным
условиям
2.Электрический расчет цифровой
схемы
2.1 Задание ко второй части
Рассчитать данную схему
2.2 Электрический расчет схемы
а) х1=0 х2=0 х3=0 х4=0
UА=U0вх
+Uэб=0,1+0,7=0,8В
UВ=U0вх
+Uэб=0,1+0,7=0,8В
,8В не хватит, чтобы открыть три p-n
перехода.
VD1, VD2,
VT3, VT4
- закрыты.
UC=UE=0
IКVT1
=
IКVT2=IR3=IR4
=
IБVT3=IБVT4=0
IR1 = (Eп-
UА)/R1
= (6-0,8)/12=0,433мА0вх1
= I0вх2=I0вх3=
IR1/3=0,144мАR2
= (Eп-
UВ)/R2
= (6-0,8)/15 = 0,347мА0вх4
= IR2=0,347мАD
= Uэб=0,7ВБVT5
= IR5 = (Eп-
UD)/R5 = (6-0,7) / 9,1 = 0,582мА0вых= I0вх=0,433мА
(берем самый худший случай)
Предположим. Что VT5
находится в режиме насыщения.
IБVT5>IБ.НАС → VT5
действительно находится в режиме
насыщение
IR6 = (Eп- UКЭ.НАС)/R6=(6-0,1)/0,82=7,2мА
UF= UКЭ.НАС =0.1В
IКVT5= I0вых+ IR6=0.433+7.2=7.633мА
Y=0
б) х1=1 х2=1 х3=1 х4=1
UА=
0,6+0,7+0,7=2В
UB=0,6+0,7+0,7=2В
VT1 и VT2 - в
инверсном режиме.
IR1=(Eп-
UА)/R1=(6-2)/12=0,333мА1вх1=I1вх2=I1вх3=
IR1ВИ=0,333*0,05=0,0166мАКVT1=
IR1+ I1вх1+
I1вх2+
I1вх3=0,383мА
UC
=
Uэб = 0,7В
IR3
=
UC/R3
= 0,7/10 = 0,07мА
IБVT3
=
IКVT1-
IR3 =
0,383-0,07 = 0,313мА
IR2
=
(Eп- UВ)/R2
= (6-2)/15 = 0,266мА
I1вх4
= IR2ВИ
= 0,266*0,05 = 0,0133мАКVT2
= IR2+ I1вх4
= 0,28мАЕ
= Uэб
= 0,7ВR4
= UЕ/R4
= 0,7/10 = 0,07мАБVT4
=
IКVT2-
IR4 =
0,28-0,07 = 0,21мА
Предположим, что VT3
и VT4 находятся в
режиме насыщения.
IБVT3>IБ.НАС.VT3, IБVT4>IБ.НАС.VT4 → VT3 и VT4
действительно находятся в режиме насыщения.
UD= UКЭ.НАС =0.1В →
VT5 - закрыт.
IБVT5=0, IКVT5=0
IR5= (Eп- UD)/R5=(6-0,1)/9,1=0,648мА
I1вых = I1вх=0,0166мА
(берем самый худший случай)
IR6= I1вых
=0,0166мА
UF=Eп- IR6*R6=6-0,0166*0,82=5.986В
Y=1
в) х1=0 х2=0 х3=0 х4=1 (аналогично
а) и б)
UА=U0вх +Uэб=0,1+0,7=0,8В
,8В не хватит, чтобы открыть три p-n перехода.
VD1, VT3 - закрыты.
UC=0
IКVT1=IR3= IБVT3=0
IR1=(Eп-
UА)/R1=(6-0,8)/12=0,433мА0вх1=I0вх2=I0вх3=
IR1/3=0,144мАB=0,6+0,7+0,7=2В
цифровой интегральный
микросхема топология
VT2 - в
инверсном режиме.
IR2=(Eп- UВ)/R2=(6-2)/15=0,266мА
I1вх4=
IR2ВИ=0,266*0,05=0,0133мАКVT2=
IR2+ I1вх4=0,28мАЕ=Uэб=0,7ВR4=
UЕ/R4=0,7/10=0,07мАБVT4= IКVT2- IR4=0,28-0,07=0,21мА
Предположим, что VT4
находится в режиме насыщения.
IБVT4>IБ.НАС.VT4 → VT4
действительно находятся в режиме насыщения.
UD= UКЭ.НАС =0.1В →
VT5 - закрыт.
IБVT5=0, IКVT5=0
IR5= (Eп- UD)/R5=(6-0,1)/9,1=0,648мА
IR6= I1вых
=0,0166мА
UF=Eп- IR6*R6=6-0,0166*0,82=5.986В
Y=1
2.3 Таблицы
|
UA
|
UB
|
UC
|
UD
|
UE
|
UF
|
VT1
|
VT2
|
VT3
|
VT4
|
VT5
|
VD1
|
VD2
|
0000
|
0,8
|
0,8
|
0
|
0,7
|
0
|
0,7
|
эб-откр.
кб-закр.
|
эб-откр.
кб-закр.
|
закр
|
закр
|
нас.
|
закр
|
закр
|
1111
|
2
|
2
|
0,7
|
0,1
|
0,7
|
5,986
|
инвер.
|
инвер.
|
нас.
|
нас.
|
закр
|
откр
|
откр
|
0001
|
0,8
|
2
|
0
|
0,1
|
0,7
|
5,986
|
эб-откр.
кб-закр.
|
инвер.
|
закр
|
нас.
|
закр
|
закр
|
откр
|
|
IВХ1
|
IВХ2
|
IВХ3
|
IВХ4
|
IR1
|
IR2
|
IR3
|
IR4
|
IR5
|
IR6
|
IБVT3
|
IБVT4
|
IБVT5
|
0000
|
0,144
|
0,144
|
0,144
|
0,347
|
0,433
|
0,347
|
0
|
0
|
0,582
|
7,2
|
0
|
0
|
0,582
|
1111
|
0,016
|
0,016
|
0,016
|
0,013
|
0,333
|
0,266
|
0,07
|
0,07
|
0,648
|
0,016
|
0,313
|
0,21
|
0
|
0001
|
0,144
|
0,144
|
0,144
|
0,013
|
0,433
|
0,266
|
0
|
0,07
|
0,648
|
0,016
|
0
|
0,21
|
0
|
.4 Расчет мощностей
Входная
комбинация
|
Токи,
мА
|
Потребляемая
мощность, мВт
|
Вх.1
|
Вх.2
|
Вх.3
|
Вх.4
|
IR1
|
IR2
|
IR5
|
IR6
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0,433
|
0,347
|
0,582
|
7,2
|
51,37
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0,333
|
0,266
|
0,648
|
0,016
|
7,58
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0,433
|
0,266
|
0,016
|
8,18
|
P=Eп*(
IR1+ IR2+ IR5+ IR6)
Для первой комбинации P=6*(0,433+0,347+0,582+7,2)=51,37мВт
Для второй комбинации P=6*(0,333+0,266+0,648+0,016)=7,58мВт
Для третьей комбинации P=6*(0,433+0,266+0,648+0,016)=8,18мВт
Максимальные мощности резисторов
Максимальный
ток, мА
|
Мощность
резисторов, мВт
|
IR1
|
IR2
|
IR3
|
IR4
|
IR5
|
IR6
|
PR1
|
PR2
|
PR3
|
PR4
|
PR5
|
PR6
|
0.433
|
0.347
|
0,07
|
0,07
|
0.648
|
7.2
|
2,25
|
1,8
|
0,049
|
0,049
|
3,82
|
42,45
|
PRi=Ii2*RiR1=(0.433)2*12=2.25мВтR2=(0.347)2*15=1,8мВт
PR3=(0.07)2*10=0,049мВт
PR4=(0.07)2*10=0,049мВт
PR5=(0,648)2*9,1=3,82мВт
PR6=(7,2)2*0,82=42,45мВт
2.5 Таблица истинности
Если х4 равен 0 и х1 или х2, х3 равен 0, то VT3
и VT4 будут закрыты, а VT5
будет открыт → Y=0,
в остальных случаях Y=1…
х1
|
х2
|
х3
|
х4
|
Y
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
Данная схема реализует функцию Y=x1*x2*x3+x4…
Вывод
Рассчитали электрическую схему, определили
таблицу истинности и по ней определили какую функцию реализует заданная схема
3. Разработка топологии в гибридном
варианте
.1 Пленочные проводники
|
R1
|
R2
|
R3
|
R4
|
R5
|
R6
|
|
12
кОм
|
15
кОм
|
10
кОм
|
10
кОм
|
9,1
кОм
|
820
Ом
|
P,
мВт
|
2,25
|
1,8
|
0,049
|
0,049
|
3,82
|
42,45
|
КФ
|
12
|
15
|
10
|
10
|
9,1
|
0,82
|
lрасчетн.
|
1,16
|
1,16
|
0,16
|
0,16
|
1,32
|
1,32
|
bрасчетн.
|
0,0966
|
0,0773
|
0,016
|
0,016
|
0,145
|
1,61
|
l
|
2,4
|
3
|
2
|
2
|
1,8
|
1,6
|
b
|
0,2
|
0,2
|
0,2
|
0,2
|
0,2
|
1,3
|
Возьмем сплав PC-3001
RS=1000
Ом/кв. P0=20мВт/мм2
Найдем КФ = RI/
RS
КФ1 = R1/
RS=12
КФ2 = R2/
RS=15
КФ3 = R3/
RS=10
КФ4 = R4/
RS=10
КФ5 = R5/
RS=9,1
КФ6 = R6/
RS=0,82
Найдем
Найдем bI=lI/KФI
b1=l1/KФ1=1,16/12=0,0966
b2=l2/KФ2=1,16/15=0,07733=l3/KФ3=0,16/10=0,0164=l4/KФ4=0,16/10=0,0165=l5/KФ5=1,32/9,1=0,145
b6=l6/KФ6=1,32/0,82=1,61
Так как у пленочных резисторов есть
ограничения, то l и b примут
следующие значения, приведенные в таблице
3.2 Навесные элементы
Выбираем активные элементы - диоды и
транзисторы, руководствуясь следующими принципами:
· Диоды и транзисторы должны быть бескорпусными;
· Должны быть предназначены для работы
в импульсном режиме;
· Структура транзистора n-p-n;
· Коэффициент передачи тока БТ >50;
· Для диодов:
, ;
· Для транзисторов:
, ,
1. В
качестве диодов VD1,
VD2 возьмем КД904А
Uобр.max=10В
Iпр.max=5мА,
габариты 1×1×1
. В качестве транзисторов VT2,
VT3, VT4,
VT5 используем КТ331А
Iк.max
= 20мА
Uкэmax
= 10В
Pкmax
= 15мВт
габариты 1×1×0,8
. В качестве транзистора VT1
берем многоэмитерный транзистор
3.3 Топологический чертеж ИМС
Площадь, занимаемая резисторами:
SR=SR1+SR2+SR3+SR4+SR5+SR6=2.4*0.2+3*0.2+2*0.2+2*0.2+1.8*0.2+1.6*1.
3=4.32мм2
Площадь, занимаемая навесными элементами схемы:
S=SVD1+SVD2+SVT1+SVT2+SVT3+SVT4+SVT5+SVT6=1+1+4+1+1+1+1+1=11мм2
Площадь подложки должна быть не менее
5*(4,32+11)=76,6мм2
В качестве подложки выбираем ситалл размерами 12×10…
Масштаб 10:1
Вывод
В третье части я разработал топологический
чертеж в гибридном варианте, учитывая основные ограничения, накладываемые
тонкопленочной технологией.
Заключение
В данной курсовой работе мы составили электрическую
схему на основе базовых цифровых интегральных микросхем (ЦИМС), для этой
электрической схемы и учитывая дополнительные требования к этой схеме мы
выбрали для 6 ЦИМС логику КМДП и для 1 ЦИМС логику ТТЛ; произвели электрический
расчет цифрового устройства и построил топологию этого устройства.
В результате проделанной работы мы освоили
основные положения Т.Э. и их практическое применение, а именно:
Закрепили основные положения алгебры логики, при
помощи чего, можно минимизировать функции и реализовывать их в различных
логических базисах и на практических элементах;
Освоили принципы выбора логики ИМС и расчета их
параметров; -Научились рассчитывать простейшие цифровые интегральные
микросхемы;
Так же освоили принцип подбора материалов и
активных элементов для микросхемы, и последующей разработки топологии этой
схемы.
Список используемой литературы
1.
Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов /
Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др.; Под ред. проф. Н.Д. Федорова.-
М.: Радио и связь, 1998. - 580 с.
.
Ефимов, Козырь. Основы микроэлектроники.- М.: Сов. Радио,1980г.
.
В.Л. Савиных. Микроэлектроника. 1999
.
А.Н. Удальцов. Разработка интегрального цифрового устройства. 2008