Разработка цифрового интегрального устройства

Страницы работы

12 страниц (Word-файл)

Содержание работы

Задание №47

Выход: 3 состояния

Pпотр<2мВт

Tзд. Р. Ср.<=150 нс


Введение.

В современном мире производится триллионы полупроводниковых приборов – начиная от диодов, транзисторов и кончая сверхбольшими интегральными схемами (СБИС) с очень высокой степенью интеграции. Уже давно увеличивается выпуск цифровых ИМС. Это связано с высокой повторяемостью параметров схем, высокой надежностью, а также с простотой построения устройств на ЦИМС. Сейчас в ЦИМС все чаще встраиваются аналоговые схемы. Это позволяет создать прецизионные аналоговые устройства с простым управлением и настройкой, которые стали возможны с приходом цифры в аналоговый мир. Например, уже широко распространены телевизоры, приемники у которых производят настройку на канал (частоту) цифровым способом. Появились магнитофоны и фотоаппараты, у которых нет движущихся частей, а вместо пленки стоит цифровая микросхема высокой интеграции СБИС, которая хранит оцифрованное изображение или звук. Также применение «цифры» позволяет производить чтение или запись без ухудшения качества, что, конечно же, не могли делать аналоговые устройства. И, конечно, без цифровых микроконтроллеров сейчас немыслимо управление сколь либо сложной техники, т.к. на создание сложного устройства на серийном микроконтроллере уходит гораздо меньше средств, чем на дискретных элементах.


I. Разработка цифрового интегрального устройства

В данном разделе необходимо разработать электрическую схему цифрового устройства, выполняющего определенные заданием функции, и оценить параметры устройства.

1.1 Задание

1.2. Упрощение

1.3 Формальная логическая схема

На основании полученных уравнений составляем формальную логическую схему (рис.1).

Полученная логическая схема имеет 8 входов и 3 выхода и состоит из 10 элементов:

2ИЛИ – 4 шт.

2И – 3 шт.

2И-НЕ – 2 шт.

Исключающее ИЛИ – 1 шт.

Кроме того, на выходе схема должна иметь 3 состояния.

На 1 элемент приходится в среднем:

Рпотр.ед.потр.общ/10=0,2 мВт

tзд.р.ср.ед.=tзд.р.ср./10=15 нс

По критерию Рпотр.ед.=0,2 мВт для данной реализации данной схемы выбираем элементы КМДП-логики (у элементов ТТЛ-логики Рпотр. Значительно больше).

Кроме этого выбранные элементы КМДП-логики должны обладать достаточным быстродействием.

1.4 Выбор конкретных микросхем для устройства.

При выборе микросхем необходимо использовать их минимальное количество. Поэтому с учетом конкретных уже микросхем конечная схема может немного изменится. Например, в качестве инвертора можно использовать элемент Исключающее ИЛИ.

4 элемента "2И"
1564 ЛИ
Eпит=5В
Iнагр.ср.=5мкА
tпотр.=20нс
Рпотр=0,025мВт
4 элемента "2ИЛИ-НЕ"
1564 ЛЕ4
Eпит=5В
Iнагр.ср.=4мкА
tпотр.=16нс
Рпотр=0,02мВт
4 элемента "исключающее ИЛИ"
1564 ЛП5
Eпит=5В
Iнагр.ср.=5мкА
tпотр.=18нс
Рпотр=0,025мВт

6 элементов "НЕ"
1564 ЛН1
Eпит=5В
Iнагр.ср.=5мкА
tпотр.=18нс
Рпотр=0,025мВт

2 4-х разрядных формирователя с 3-мя состояниями на выходе и инверсионным управлением
КР1554 ЛП5
Eпит=5В
Iнагр.ср.=8мкА
tпотр.=7нс
Рпотр=0,04мВт

1.5 Расчет параметров цифрового устройства.

Мощность, потребляемая микросхемой:

Рпотр.DD1+ РDD2+ РDD3+ РDD4+ РDD5+ РDD6=0.025+0.2+0.025*2+0.025+0.04=0.16 мВт.

tзд.р.ср.= tзд.р.ср.DD2+ tзд.р.ср.DD3+ tзд.р.ср.DD4+ tзд.р.ср.DD1+ tзд.р.ср.DD6=16+18+20+18+7=79 нс.

Таким образом:

Рпотр.=0.16 мВт<2 мВт

tзд.р.ср.= 79 нс.< 150 нс

Значит, поученные параметры удовлетворяют начальным условиям.

1.6 Принципиальная электрическая схема, рис.2


1.7 Вывод.

Полученная схема удовлетворяет начальным условиям (Рпотр<2 мВт и tззд.р.ср.< 150 нс). Она имеет 8 входов и 3 выхода и состоит из 6 ИМС (20 элементов). В схеме была использована КМДП-логика и выбрано Епит.=5 В. Для получения 3х состояний на выходах использована ИМС КР1554 ЛП5, а в качестве одного из трех инверторов был элемент Исключающее ИЛИ.


II. Проанализируем работу схемы при подаче на вход трех различных комбинаций.

а) х1=х2=х3=х4=0 => Uвх=0.1 В

UA=Uвх + UбэVT1= 0.1+0.7=0.8В; IR1=(Eп-UA)/R1=(6-0.8)/12*103=0.433 мА Iэ1=Iэ2=Iэ3=IR1/3=0,144мА.

Эмитерные переходы VT1 – открыты, а КП VT1 – закрыт => VT1 – в режиме насыщения с разорванной коллекторной цепью.

IVD1≈IR3≈ IбVT3≈1 мкА => VD1 – закрыт, VT3 – в режиме отсечки

IкVT3≈ IэVT3≈1 мкА,  Uc=0.1B

UB=U0вх +UбэVT2=0.1+0.7=0.8B; IR2=(Eп-UB)/R2=(6-0.8)/12*103=0.433мА Iэ4= =IR2=0,433мА=I0вх

ЭП VT2 – открыт, а КП VT2 – закрыт => VT2 в режиме насыщения с разорванной коллекторной цепью.

IVD2≈IR4≈ IбVT4≈1 мкА => VD2 – закрыт, VT4 – в режиме отсечки, IкVT4≈ IэVT4≈1 мкА,  UЕ=0.1B

UD= UбэVT5=0.7B. IR2=(Eп-UD)/R5=(6-0.7)/9.1*103=0.582мА= IбVT5

C помощью оценки токов определим режим работы VT5:

Uк=Uкэнас=0.1B, IR2=(Eп-Uк)/R5=7.2мА, IкVT5=IR6+I0вых=7,633мА; IKнасVT5= IкVT5/β=7,633/50=0,153мА< IбVT5 => VT5 в режиме насыщения.

IэVT5= IбVT5+ IкVT5=8,215мА

I0вых= I0вх=0,433мА (по условию)

б) х1=х2=х3=х4=1 => Uвх=3 В

UA=UкVT5+UVD1+UбэVT5=0.6+0.6+0.7=2В; IR1=(Eп-UA)/R1=(6-2)/12*103=0.333 мА; Iэ1=Iэ2=Iэ3=IR1*β/3=0,0055мА.

Эмитерные переходы VT1 – закрыты, а КП VT1 – открыт => VT1 – в инверсном режиме.

IVD1=IR1+ Iэ1+Iэ2+Iэ3=0,33+3*0,0055=0,347мА => VD1 – открыт.

Uc= UбэVT3=0.7B; IR3=UС/R3=0.7/104=0.07мА

IбVT3= IVD1-IR3=0,347-0.07=0.277мА

ЭП VT3 – открыт => VT3 в режиме насыщения. Для уточнения режима работы выполним оценку токов. Пусть UD=Uкзнас=0.1B

IR5=(Eп-UD)/R5=(6-0.1)/9.1*103=0.65мА

IэVT5=(IR5+ I0вых)/2=0,54мА,  I0вых=I0вх=0.433мА

IбнасVT3= IкVT3/β=0.54/50=0,011мА

IбVT3 > IбнасVT3 => VT3 в режиме насыщения.

IэVT3= IбVT3+ IкVT3=0.817мА

UB=UкбVT2+ UVD1+UбэVT2=0.6+0.6+0.7=2В;

IR2=(Eп-UB)/R2=(6-2)/12*103=0.333мА

ЭП VT2 – закрыт, а КП VT2 – открыт => VT2 в инверсном режиме

IVD2=ID2+ Iэ4=0.347мА  VD2 – открыт.

UE=UбэVT4=0.7B;  IR4=UE/R4=0.7/104=0.07мА

IбVT4= IVD2-IR4=0.277мА

Аналогично определим режим работы VT4  Uкэ=U0=0.1B

I0вых= I0вх=0,433мА (по условию)

IкVT4=(IR5+ I0вых)/2=(0,65+0,433)/2=0,54мА

IбVT4нас= IкVT4/β=0,54/50=0,011мА

IбVT4> IбVT4нас => VT4 в режиме насыщения

IэVT4= IбVT4+ IкVT4=0,817мА

IбVT5≈ IкVT5≈ IэVT5≈1мкА => VT5 – в режиме отсечки

IR6= I1вых= I1вых=0.0165мА (по условию)

Uк=Ек-IR6R6=6-0.0165*0.82=5.986=U1вых в) х1=х2=х3=0;  х4=1

Аналогично а)  UA= 0.8В;  IR1=0,144мА;  Iэ1=Iэ2=Iэ3=IR1/3=0,144мА.

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Электроника
Тип:
Задания на контрольные работы
Размер файла:
144 Kb
Скачали:
0