Разработка интегрального цифрового устройства

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.

1.4 Электрическая схема цифрового устройства

1.5 Проверка условий

Время задержки распространения

Для Y1 t_зд.р.ср=t1+t4+t5=19.5+7.25+13.5=40.25нс<70нс

Для Y2 t_зд.р.ср= t1++t3+t4=19.5+17+7.25=43.75нс<70нс

Для Y3 t_зд.р.ср= t2+t5+t7=17+13.5+7.25=37.75нс<70нс

Для Y4 t_зд.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

U_А=U⁰вх +Uэб=0,1+0,7=0,8В

U_В=U⁰вх +Uэб=0,1+0,7=0,8В

,8В не хватит, чтобы открыть три p-n перехода.

VD1, VD2, VT3, VT4 - закрыты.

U_C=U_E=0

I_КVT1 = I_КVT2=I_R3=I_R4 = I_БVT3=I_БVT4=0

I_R1 = (Eп- U_А)/R1 = (6-0,8)/12=0,433мА⁰вх₁ = I⁰вх₂=I⁰вх₃= I_R1/3=0,144мА_R2 = (Eп- U_В)/R2 = (6-0,8)/15 = 0,347мА⁰вх₄ = I_R2=0,347мА_D = Uэб=0,7В_БVT5 = I_R5 = (Eп- U_D)/R5 = (6-0,7) / 9,1 = 0,582мА⁰вых= I⁰вх=0,433мА (берем самый худший случай)

Предположим. Что VT5 находится в режиме насыщения.

I_БVT5>I_Б.НАС → VT5

действительно находится в режиме насыщение

I_R6 = (Eп- U_КЭ.НАС)/R6=(6-0,1)/0,82=7,2мА

U_F= U_КЭ.НАС =0.1В

I_КVT5= I⁰вых+ I_R6=0.433+7.2=7.633мА

Y=0

б) х1=1 х2=1 х3=1 х4=1

U_А= 0,6+0,7+0,7=2В

U_B=0,6+0,7+0,7=2В

VT1 и VT2 - в инверсном режиме.

I_R1=(Eп- U_А)/R1=(6-2)/12=0,333мА¹вх₁=I¹вх₂=I¹вх₃= I_R1В_И=0,333*0,05=0,0166мА_КVT1= I_R1+ I¹вх₁+ I¹вх₂+ I¹вх₃=0,383мА

U_C = Uэб = 0,7В

I_R3 = U_C/R3 = 0,7/10 = 0,07мА

I_БVT3 = I_КVT1- I_R3 = 0,383-0,07 = 0,313мА

I_R2 = (Eп- U_В)/R2 = (6-2)/15 = 0,266мА

I¹вх₄ = I_R2В_И = 0,266*0,05 = 0,0133мА_КVT2 = I_R2+ I¹вх₄ = 0,28мА_Е = Uэб = 0,7В_R4 = U_Е/R4 = 0,7/10 = 0,07мА_БVT4 = I_КVT2- I_R4 = 0,28-0,07 = 0,21мА

Предположим, что VT3 и VT4 находятся в режиме насыщения.

I_БVT3>I_{Б.НАС.VT3}, I_БVT4>I_{Б.НАС.VT4} → VT3 и VT4 действительно находятся в режиме насыщения.

U_D= U_КЭ.НАС =0.1В → VT5 - закрыт.

I_БVT5=0, I_КVT5=0

I_R5= (Eп- U_D)/R5=(6-0,1)/9,1=0,648мА

I¹вых = I¹вх=0,0166мА (берем самый худший случай)

I_R6= I¹вых =0,0166мА

U_F=Eп- I_R6*R₆=6-0,0166*0,82=5.986В

Y=1

в) х1=0 х2=0 х3=0 х4=1 (аналогично а) и б)

U_А=U⁰вх +Uэб=0,1+0,7=0,8В

,8В не хватит, чтобы открыть три p-n перехода.

VD1, VT3 - закрыты.

U_C=0

I_КVT1=I_R3= I_БVT3=0

I_R1=(Eп- U_А)/R1=(6-0,8)/12=0,433мА⁰вх₁=I⁰вх₂=I⁰вх₃= I_R1/3=0,144мА_B=0,6+0,7+0,7=2В

цифровой интегральный микросхема топология

VT2 - в инверсном режиме.

I_R2=(Eп- U_В)/R2=(6-2)/15=0,266мА

I¹вх₄= I_R2В_И=0,266*0,05=0,0133мА_КVT2= I_R2+ I¹вх₄=0,28мА_Е=Uэб=0,7В_R4= U_Е/R4=0,7/10=0,07мА_БVT4= I_КVT2- I_R4=0,28-0,07=0,21мА

Предположим, что VT4 находится в режиме насыщения.

I_БVT4>I_{Б.НАС.VT4} → VT4 действительно находятся в режиме насыщения.

U_D= U_КЭ.НАС =0.1В → VT5 - закрыт.

I_БVT5=0, I_КVT5=0

I_R5= (Eп- U_D)/R5=(6-0,1)/9,1=0,648мА

I_R6= I¹вых =0,0166мА

U_F=Eп- I_R6*R₆=6-0,0166*0,82=5.986В

Y=1

2.3 Таблицы

.4 Расчет мощностей

P=Eп*( I_R1+ I_R2+ I_R5+ I_R6)

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

P_Ri=I_i²*Ri_R1=(0.433)²*12=2.25мВт_R2=(0.347)²*15=1,8мВт

P_R3=(0.07)²*10=0,049мВт

P_R4=(0.07)²*10=0,049мВт

P_R5=(0,648)²*9,1=3,82мВт

P_R6=(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…

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

Возьмем сплав PC-3001

R_S=1000 Ом/кв. P₀=20мВт/мм²

Найдем К_Ф = R_I/ R_S

К_Ф1 = R₁/ R_S=12

К_Ф2 = R₂/ R_S=15

К_Ф3 = R₃/ R_S=10

К_Ф4 = R₄/ R_S=10

К_Ф5 = R₅/ R_S=9,1

К_Ф6 = R₆/ R_S=0,82

Найдем

Найдем b_I=l_I/K_ФI

b₁=l₁/K_Ф1=1,16/12=0,0966

b₂=l₂/K_Ф2=1,16/15=0,0773₃=l₃/K_Ф3=0,16/10=0,016₄=l₄/K_Ф4=0,16/10=0,016₅=l₅/K_Ф5=1,32/9,1=0,145

b₆=l₆/K_Ф6=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:

S_R=S_R1+S_R2+S_R3+S_R4+S_R5+S_R6=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=S_VD1+S_VD2+S_VT1+S_VT2+S_VT3+S_VT4+S_VT5+S_VT6=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