Разработка интегрального цифрового устройства

Страницы работы

Фрагмент текста работы

Оглавление:

I. Введение.

II. Задание

II.I. Преобразование или упрощение функции

II.II.Формальная схема

II.III. Выбор типа логики и конкретного ИМС

II.VI.Принципиальная элект-ая схема на выбранных ИМС

II.V. Расчёт параметров цифрового устройства.

III.Электрический расчёт ЦИМС

III.I.Принципиальная схема

III.II.Анализ работы логического элемента

III.III.Расчёт потенциалов и токов

III.VI.Расчёт мощностей

III.V.Сводная таблица

IV.Выбор топологии ИМС

IV.I.Выбор активных элементов

VI.II. Выбор материала для плёночных элементов и их расчёт.

IV.III.Выбор метода нанесения тонких плёнок

VI.VI.Выбор подложки

IV.V.Разработка топологии и составление топологического чертежа

V.Заключение

IV.Список используемой литературы

I.Введение

      Быстрое расширение областей применения электронных устройств – одна из самых характерных особенностей современного прогресса. Этот процесс в определённой степени связан с внедрением интегральных микросхем в универсальные и управляющие вычислительные комплексы, периферийные оборудования, устройства для передачи информации, автоматизированные системы управления, приборы и оборудование для научных исследований, аппаратуру для сельского хозяйства и контроля за состоянием окружающей среды и т.п.

      Наибольшее распространение интегральные микросхемы находят в вычислительной техники. Новые Электронно-вычислительные машины разрабатываются только на интегральных микросхемах (машины третьего поколения). Успехи микроэлектроники в создании линейных интегральных микросхем (усилители, преобразователи частоты, детекторы и др.) стимулировали их внедрение в аппаратуру связи.

II.Задание

         ______                                    ______     __                            __

Y1=X1*X2*X3*X4+X1*X2*X3*X4+(X5*X6*X7*X8+X5*X6*X7*X8)

                   ___   ___                       ___   ___

Y2=(X1*X2+X1*X2)*(X5*X6+X5*X6)

Y3=X5*X6+X7*X8

Выход: Iвых до 30 мА

Рпотр £ 2 мВт

tзд.р.ср £ 500 нсек

II.I. Преобразование или упрощение функции

       ______                             ______   __                               __

Y1=X1*X2*X3*X4+X1*X2*X3*X4+(X5*X6*X7*X8+X5*X6*X7*X8)=

   ______________                                                                   _____________

=(X1*X2 Å X3*X4)+X7*X8(X5 Å X6)=(X1*X2 Å X3*X4)+X7*X8(X5 Å ÅX6)

               __   __                    __   __

Y2=(X1*X2+X1*X2)*(X5*X6+X5*X6)=(X1 Å X2)*(X5 Å X6)

                                   _____    _____

Y3=X5*X6+X7*X8=X5*X6*X7*X8

II.II.Формальная схема

4 ЛЭ – «2И»

4 ЛЭ – «исключающее ИЛИ»

5 ЛЭ – «2И-НЕ»

II.III. Выбор типа логики и конкретного ИМС

      Для реализации формальной схемы нам нужно в среднем 4 ИМС, причём одна с повышенной нагруженной способностью. Но по условию Рпотр £ 2 мВт, то нам необходимо ИМС с  Рпотр £ 0,5 мВт. Такому условию подходят ИМС с КМДП структурой. tзд.р.ср  по условию £ 500 нсек. Самый длинный путь прохождения сигнала 3 ЛЭ, следовательно ИМС берём с tзд.р.ср »130 нсек.

Используем К564 серию.

ЛЭ – «2И»

В К564 серии элемент «2И» отсутствует, позаимствуем его из 1564 серии. К1564Л1

7 – общее.

                                                       14 – Еп

Iпотр=5 мкА

                  tзд.р.ср =30 нсек,  Еп=5В

        обозначим DD1

ЛЭ – «исключающее ИЛИ»

К564ЛП2

7 – общее.

                                                       14 – Еп

  Iпотр=10 мкА

                     tзд.р.ср =230 нсек,  Еп=5В

                                                       обозначим DD2

ЛЭ – «2И-НЕ»

7 – общее.

                                                       14 – Еп

                                 Iпотр=10 мкА,       Iвых до 38 мА  

                     tзд.р.ср =150 нсек,  Еп=5В

                                                       обозначим DD3, DD5

ЛЭ – «2И-НЕ»

К564ЛЕ5

7 – общее.

                                                       14 – Еп

    Iпотр=10 мкА,      

                     tзд.р.ср =120 нсек,  Еп=5В

                                                       обозначим DD4

II.VI.Принципиальная элект-ая схема на выбранных ИМС

II.V. Расчёт параметров цифрового устройства.

РпотрI* Iпотр*Eп=(10+10+10+10+5)*10-6*5=0,225 мВт

Рпотр усл. £ 2 мВт

Это условие выполнено.

tзд.р.ср £ 500 нсек

Выберем самый длинный путь прохождения сигнала.

tDD1+tDD2+tDD3=30+230+150=410 нсек

Это условие также выполнено.

III.Электрический расчёт ЦИМС

III.I.Принципиальная схема

0000

1111

0011

III.II.Анализ работы логического элемента

U0вх=0,1 ¸ 0 В

U1вх=3 ¸ 1

Комбинации: а) 0000

                       б) 1111

                       в) 0011

а) 0000 на вход подаём U0вх, низкий потенциал. На базу VT1 и VT2 подаём Еп через R1 и R2, а такое сочетание обеспечивает прямое включение   эмитторных переходов, устанавливая при этом:

UБVT1=UБVT2= UА=UB= Uвх0+UЭБ=0,1+0,7=0,8В

т.е. этого потенциала недостаточно для открытия коллекторного перехода, VD1(VD3), VD2(VD4) и эмитторного перехода VT3(VT4), т.е. VT1 и VT2 в режиме насыщения по как бы с разорванной коллекторной цепью.

VD1, VD2, VD3, VD4 – закрыты

VT3, VT4 – в отсечке. На выходе уровень логической единицы

б) 1111 на вход подаём U1вх, высокий потенциал. А сочетание высоких потенциалов на эмитторах и на базе обеспечивает прямое включение коллекторных переходов. Тем самым VT1 и VT2 переходят инверсный режим работы. VT1 и VT2 – открыты и в прямом включении, VT3 и VT4 – переходят в режим насыщения и на входе устанавливаются уровень логи-ческого нуля.

в) 0011 на вход VT1 подаём U0вх, тем самым мы переводим этот транзис-тор в режим насыщения, но как бы с разорванной коллекторной связью, т.е. VD1, VD2 – закрыты, VT3 в отсечке. На вход VT2 подаём U1вх, тем самым мы переводим его в режим инверсии, а это означает, что откры-ваются диоды VD3, VD4, а VT4 переходит в режим насыщения.

Таблица состояний

VD1

VD2

VD3

VD4

VT1

VT2

VT3

VT4

Y

токи

0000

закрыт

закрыт

закрыт

закрыт

насыщ

насыщ

отсечка

отсечка

1

1111

открыт

открыт

открыт

открыт

инверс

инверс

насыщ

насыщ

0

0011

закрыт

закрыт

открыт

открыт

насыщ

инверс

отсечка

насыщ

0

Определим функцию:

                                        _________   __   _____________

Y=X1*X2*X3+X4=X1*X2*X3+X4

Таблица истинности

X1

X2

X3

X4

Y

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

1

0

III.III.Расчёт потенциалов и токов

1.  Если комбинация сигналов на входах 0000

     UA=UB=U0вх+UЭБ=0,1+0,7=0,8 В

UC=UD=UA/4,5=0,18 В

IR1=IR2=(Eп-UA)/R1=(5-0,8)/12*103=0,35 мА

IX1=IX2=IX3=(1/3)*IR1=0,116 мА

IX4=IR2=0,35 мА

I0вх=IX4=0,35 мА

IVD1=IVD2=IVD3=IVD4=1 мкА

IR3=IR4=UC/R3=0,18/7,5*103=0,024 мА

IR5=| I1вых |=| I1вх |=0,0096 мА

UЕп-IR5*R5=4,9885 В

2.  Если комбинация сигналов на входах 1111

UA=UB=UЭБ+UVD1+UVD2+UКБ=0,7+0,7+0,7+0,6=2,7 В

UC=UD=UЭБ=0,7 В

UЕ=UЭКVT3=0,1 B

IR1=IR2=(Eп-UA)/R1=(5-2,7)/12*103=0,192 мА

IX1=IX2=IX3=IX4=b*IR1=0,009583 мА

IR3=IR4=UC/R3=0,7/4*103=0,093 мА

IR5=(Eп-UБ)/R5=(5-0,1)/1,2*103=4,08 мА

I1вх=0,00958

3.  Если комбинация сигналов на входах 0011

UA=U0вх+UЭБ=0,1+0,7=0,8 В

UВ=UЭБVT4+UVD3+UVD4+UКБVT2=0,7+0,7+0,7+0,6=2,7 В

UD=UЭБVT4=0,7 B

UC=0,18 B

UЕ=0,1 B

IR1=(Eп-UA)/R1=(5-0,8)/12*103=0,35 мА

IR2=(Eп-UВ)/R2==0,192 мА

IR3=UС/R3=0,024 мА

IR4=UD/R4=0,093 мА

IX1=IX2=IX3=1/4*IR1=0,116 мА

IX4=b*IR2=0,00958 мА

IR5=(Eп-UE)/R5=(5-0,1)/1,2*103=4,08 мА

III.VI.Расчёт мощностей

1.  Если комбинация сигналов на входах 0000

PR1=IR1*UR1=2,205 мВт

PR2=IR2*UR2=2,205 мВт

PR3=IR3*UR3=0,0081 мВт

PR4=IR4*UR4=0,0081 мВт

2.  Если комбинация сигналов на входах 1111

PR1=IR1*UR1=0,6613 мВт

PR2=IR2*UR2=0,6613 мВт

PR3=IR3*UR3=0,123 мВт

PR4=IR4*UR4=0,123 мВт

3. Если комбинация сигналов на входах 0011

     PR1=IR1*UR1=2,205 мВт

     PR2=IR2*UR2=0,6613 мВт

     PR3=IR3*UR3=0,0081 мВт

     PR4=IR4*UR4=0,123 мВт

III.V.Сводная таблица

UA, B

UB, B

UC, B

UD, B

UE, B

IR1, мА

IR2, мА

0000

0,8

0,8

0,18

0,18

4,9856

0,525

0,525

1111

2,7

2,7

0,7

0,7

0,1

0,2875

0,2875

0011

0,8

2,7

0,18

0,7

0,1

0,525

0,2875

IR3, мА

IR4, мА

IR5, мА

PR1,мВт

PR2,мВт

PR3,мВт

PR4,мВт

0000

0,045

0,045

0,0144

2,205

2,205

0,0081

0,0081

1111

0,175

0,175

4,9

0,6613

0,6613

0,123

0,123

0011

0,045

0,175

4,9

2,205

0,6613

0,0081

0,123

Рассчитаем потребляемую мощность:

       Pпот=Eпит*(åIмах)=5*(0,525+0,525+0,175+0,175+4,9)*10-3=31,5 мВт

       Pпот=31,5 мВт

Часть №3

IV.Выбор топологии ИМС

IV.I.Выбор активных элементов

При выборе элементов используем следующие условия:

-  транзисторы безкорпусные

-  транзисторы предназначены для работы в импульсном режиме

-  структура транзистора n-p-n

-  коэффициент передачи тока: b>50

-  Для диодов:

n Iпр > Iсхемы

n Umax доп > Епит

-  Для транзисторов:

n Iк > Iв схеме

n Uкэ max доп > Епит

n Рmax доп > Рк мах

В качестве диодов выберем: KD911Б

                                                                 

Кремневая безкорпусная диодная матица, состоящая диодов с общим катодом.

Iпр=10 мА

Uобр=5 В

В качестве транзистора выберем: КТ332Д                                   

 

                                                                 

Транзистор кремниевый планарный безкорпусный n-p-n типа.

b=80¸220

Uкб=15 В

Iк=20 мА

Pк=15 мВт

VI.II. Выбор материала для плёночных элементов и их расчёт.

      В ГИМС широко используют тонкоплёночные резисторы, которые нано-сят на подложки в виде узких полосок, заканчивающихся контактными площадками с высокой проводимостью.

      В качестве материала для выполнения тонкоплёночного резистора выбе-рем – МЛТ-314 с удельным сопротивлением RS=500 Ом с удельной

Похожие материалы

Информация о работе