Разработка цифрового интегрального устройства

Задание №47

Выход: 3 состояния

P_потр<2мВт

T_{зд. 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:

Р_{потр.ед.}=Р_{потр.общ}/10=0,2 мВт

t_{зд.р.ср.ед.}=t_{зд.р.ср.}/10=15 нс

По критерию Р_{потр.ед.}=0,2 мВт для данной реализации данной схемы выбираем элементы КМДП-логики (у элементов ТТЛ-логики Р_потр. 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.

1.5 Расчет параметров цифрового устройства.

Мощность, потребляемая микросхемой:

Р_потр.=Р_DD1+ Р_DD2+ Р_DD3+ Р_DD4+ Р_DD5+ Р_DD6=0.025+0.2+0.025*2+0.025+0.04=0.16 мВт.

t_{зд.р.ср.}= t_{зд.р.ср.DD2}+ t_{зд.р.ср.DD3}+ t_{зд.р.ср.DD4}+ t_{зд.р.ср.DD1}+ t_{зд.р.ср.DD6}=16+18+20+18+7=79 нс.

Таким образом:

Р_потр.=0.16 мВт<2 мВт

t_{зд.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 (Р_потр<2 мВт и t_{ззд.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 Е_пит.=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 => U_вх=0.1 В

U_A=U_вх + U_бэVT1= 0.1+0.7=0.8В; I_R1=(E_п-U_A)/R₁=(6-0.8)/12*10³=0.433 мА I_э1=I_э2=I_э3=I_R1/3=0,144мА.

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

I_VD1≈I_R3≈ I_бVT3≈1 мкА => VD1 – закрыт, VT3 – в режиме отсечки

I_кVT3≈ I_эVT3≈1 мкА,  U_c=0.1B

U_B=U⁰_вх +U_бэVT2=0.1+0.7=0.8B; I_R2=(E_п-U_B)/R2=(6-0.8)/12*10³=0.433мА I_э4= =I_R2=0,433мА=I⁰_вх

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

I_VD2≈I_R4≈ I_бVT4≈1 мкА => VD2 – закрыт, VT4 – в режиме отсечки, I_кVT4≈ I_эVT4≈1 мкА,  U_Е=0.1B

U_D= U_бэVT5=0.7B. I_R2=(E_п-U_D)/R₅=(6-0.7)/9.1*10³=0.582мА= I_бVT5

C помощью оценки токов определим режим работы VT5:

U_к=U_кэнас=0.1B, IR2=(E_п-U_к)/R5=7.2мА, I_кVT5=I_R6+I⁰_вых=7,633мА; I_KнасVT5= I_кVT5/β=7,633/50=0,153мА< I_бVT5 => VT5 в режиме насыщения.

I_эVT5= I_бVT5+ I_кVT5=8,215мА

I⁰_вых= I⁰_вх=0,433мА (по условию)

б) х1=х2=х3=х4=1 => U_вх=3 В

U_A=U_кVT5+U_VD1+U_бэVT5=0.6+0.6+0.7=2В; I_R1=(E_п-U_A)/R₁=(6-2)/12*10³=0.333 мА; I_э1=I_э2=I_э3=I_R1*β/3=0,0055мА.

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

I_VD1=I_R1+ I_э1+I_э2+I_э3=0,33+3*0,0055=0,347мА => VD1 – открыт.

U_c= U_бэVT3=0.7B; I_R3=U_С/R₃=0.7/10⁴=0.07мА

I_бVT3= I_VD1-I_R3=0,347-0.07=0.277мА

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

I_R5=(E_п-U_D)/R₅=(6-0.1)/9.1*10³=0.65мА

I_эVT5=(I_R5+ I⁰_вых)/2=0,54мА,  I⁰_вых=I⁰_вх=0.433мА

I_бнасVT3= I_кVT3/β=0.54/50=0,011мА

I_бVT3 > I_бнасVT3 => VT3 в режиме насыщения.

I_эVT3= I_бVT3+ I_кVT3=0.817мА

U_B=U_кбVT2+ U_VD1+U_бэVT2=0.6+0.6+0.7=2В;

I_R2=(E_п-U_B)/R₂=(6-2)/12*10³=0.333мА

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

I_VD2=I_D2+ I_э4=0.347мА  VD2 – открыт.

U_E=U_бэVT4=0.7B;  I_R4=U_E/R4=0.7/10⁴=0.07мА

I_бVT4= I_VD2-I_R4=0.277мА

Аналогично определим режим работы VT4  U_кэ=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)  U_A= 0.8В;  I_R1=0,144мА;  I_э1=I_э2=I_э3=I_R1/3=0,144мА.