Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

по курсу микросхемотехники цифровых интегральных схем

на тему:

Суммирующий счетчик с переменным модулем счета

(5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29). Триггер Т-V.

ОГЛАВЛЕНИЕ

• 1. Техничесое задание
• 2. Теоретические сведения
• 3. Логическое проектироавние
• 4. Схемотехническое проектирование
• 5. Топологическое проектирование
• Список литературы
• 1. ТехничесКое задание

№	Параметр ТЗ	Значение
1	номер варианта	11
2	название устройства	Суммирующий счетчик с переменным модулем счета (5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29). Триггер T-V
3	логический базис	ИЛИ-НЕ
4	технологический базис	AMS-0.8um
5	время фронта и среза, tфр,ср, нс	3
6	рабочая частота по входному сигналу, fраб, МГц	10
7	рабочая частота по входам настройки, fset, МГц	--
8	нагрузочная емкость, Cн, пФ	3
9	напряжение питания, Vdd, В	5
10	пороговое напряжение n-МДПТ Vtn, В	0.8
11	пороговое напряжение p-МДПТ Vtn, В	-0.8
12	удельная крутизна n-МДПТ K0n, мкА/В2	110
13	удельная крутизна p-МДПТ K0p, мкА/В2	36
14	толщина подзатворного окисла tox нм	15

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Счетчиком называется последовательное устройство, предназначенное для счета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде [1]. Счетчики строятся на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит из триггера и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления тригерром.

В цифровых схемах счетчики могут выполнять следующие микрооперации над кодовыми словами:

- установка в исходное состояние (запись нулевого кода);

- запись входной информации;

- хранение информации;

- выдача хранимой информации;

- инкремент - увеличение хранящегося кодового слова на единицу;

- декремент - уменьшение хранящегося кодового слова на единицу;

Основным статическим параметром счетчика является модуль счета M, который характеризует максимальное число импульсов, после прихода которого счетчик устанавливается в исходное состояние.

Основным динамическим параметром, определяющим быстродействие счетчика, является время установления выходного кода t_k, характеризующее временной интервал между моментом подачи входного сигнала и моментом установления нового кода на выходе.

По значению модуля счета счетчики подразделяют на:

- двоичные, модуль счета которых равен целой степени числа 2 (M=2ⁿ);

- двоично-кодированные, в которых модуль счета может принимать любое, не равное целой степени числа 2, значение.

По направлению счета счетчики подразделяют на:

- суммирующие, выполняющие микрооперацию инкремента над хранящимся кодовым словом;

- вычитающие, выполняющие микрооперацию декремента над хранящимся кодовым словом;

- реверсивные, выполняющие в зависимости от значения управляющего сигнала либо операцию декремента над хранящимся кодовым словом, либо инкремента.

По способу организации межразрядных связей счетчики делятся на:

- счетчики с последовательным переносом, в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется последовательно одним за другим;

- счетчики с параллельным переносом, в которых переключение всех триггеров разрядных схем осуществляется одновременно по сигналу синхронизации;

- счетчики с комбинированным переносом, при котором используются различные комбинации способов переноса.

3. ЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Структурная схема проектируемого счетчика приведена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - Структурная схема счетчика

Как видно из рисунка модуль счета мы будем задавать в кодированном виде двоичными числами от 000 до 111. Дешифратор будет преобразовывать их в максимальное число для заданного модуля счета (например, для модуля счета 11 таким числом будет «1010» - «10» в двоичной системе счисления). Это число будет сравниваться с числом формируемым выходами триггеров и в случае если они сравняются или число на выходах триггеров будет больше чем число формируемое дешифратором, произойдет возврат к нулю. Помимо этого в схеме будут предусмотрены возможности сброса текущего состояния счетчика и паузы.

TV-триггер.

Схема двухступенчатого TV-триггера переключающегося по срезу и результат её моделирования показаны на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема и результат моделирования TV-триггера

Компаратор.

Для построения компаратора воспользуемся схемой из книги Угрюмова «Цифровая схемотехника». Нарастив схему до 5-ти разрядного компаратора и удалив из неё вентили отвечающие за ненужные функции (M=Q и M<Q) получим схему показанную на рисунке 3.3.

Дешифратор.

Закодировав модули счета как показано в таблице 3.1 можно легко получить функции выходов дешифратора. Заметим, что дешифратор возвращает число на 1 больше максимального для заданного модуля счета. Это вызвано тем, что для уменьшения площади вход М0 компаратора сделан инверсным.

Таблица 3.1 Таблица истинности дешифратора

Модуль	Входы дешифратора	Выходы дешифратора
счета	K2	K1	K0	M4	M3	M2	M1	M0
5	0	0	0	0	0	1	0	1
7	0	0	1	0	0	1	1	1
11	0	1	0	0	1	0	1	1
13	0	1	1	0	1	1	0	1
17	1	0	0	1	0	0	0	1
19	1	0	1	1	0	0	1	1
23	1	1	0	1	0	1	1	1
29	1	1	1	1	1	1	0	1

Рисунок 3.3 - Схема компаратора

Функции выходов дешифратора:

Схема дешифратора показана на рисунке 3.4

Рисунок 3.4 - Схема дешифратора

Комбинационная часть счетчика.

Комбинационную часть счетчика возьмем такую же, как и для 5-ти разрядного счетчика с параллельным переносом. Данная схема представлена на рисунке 3.5

Рисунок 3.5 - Комбинационная часть счетчика

Схема возврата к нулю.

В качестве схемы возврата к нулю используем простой мультиплексор из 2 в 1 (рисунок 3.6), который по сигналу компаратора (в случае если число формируемое счетчиком будет больше или равно числу, которое формирует дешифратор) подаст на входы TV-триггеров их текущее состояние, тем самым гарантируя их нулевое состояние при приходе следующего среза рабочей частоты.

Рисунок 3.6 - Мультиплексор

Счетчик.

Конечная схема счетчика показана на рисунке 3.7. Помимо входов для задания модуля счета в ней присутствует вход сброса и вход паузы/остановки счета которые срабатывают при подаче на них высокого уровня сигнала. На рисунке 3.8 приведены временные диаграммы для различных модулей счета. Максимальный коэффициент разветвления в схеме равен 10-ти (выход компаратора). Максимальный путь равен 5-ти вентилям.

Рисунок 3.7 - Суммирующий счетчик с переменным модулем счета



а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

з)

Рисунок 3.8 -- Временные диаграммы счетчика с модулем счета а) 5; б) 7; в) 11; г) 13; д) 17; е) 19; ж) 23; з) 29

5. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Для схемотехнического моделирования воспользуемся следующими SPICE-моделями транзисторов для сборки КМОП-вентилей (рисунок 4.1, 4.2, 4.3):

* n-MOS Model 3 :

.MODEL HSN NMOS LEVEL=3 VTO=0.80 KP=110.000E-6

+LD =0.060U THETA=0.180 GAMMA=0.700

+PHI=0.700 KAPPA=0.030 VMAX=130.00K

+CGSO=300.0p CGDO=300.0p tox=15n

* p-MOS Model 3:

.MODEL HSP PMOS LEVEL=3 VTO=-0.80 KP=36.000E-6

+LD =-0.050U THETA=0.180 GAMMA=0.450

+PHI=0.700 KAPPA=0.040 VMAX=100.00K

+CGSO=300.0p CGDO=300.0p tox=15n

Рисунок 4.1 -- Схема, графическое обозначение и временные диаграммы КМОП-инвертора.



Рисунок 4.2 -- Схема, графическое обозначение и временные диаграммы вентиля 2ИЛИ-НЕ

Рисунок 4.3 -- Схема, графическое обозначение и временные диаграммы вентиля 3ИЛИ-НЕ

Максимальный путь, который должен пройти сигнал по комбинационной части схемы при переключении триггера равен N_max=14 вентилям. Исходя из этого определим максимальную задержку на элемент в комбинационной части:

С помощью схемы для определения динамических характеристик (рисунок 4.4) с учетом максимального коэффициента разветвления по выходу было установлено, что для схемы будет достаточно минимальных размеров элементов. Также было установлено, что вентиль минимальных размеров способен обеспечить соблюдение ТЗ при максимальном коэффициенте разветвления по выходу равном 14.

Рисунок 4.4 -- Схема для определения динамических характеристик и результат моделирования инвертора с минимальными размерами

Таким образом, размеры вентилей в схеме будут следующими:

Инвертор: Lp = Ln = 0.8 мкм (2л); Wn = 2 мкм (5л); Wp = 6.4 мкм (16л).

2ИЛИ-НЕ: Lp = Ln = 0.8 мкм (2л); Wn = 2 мкм (5л); Wp = 12.8 мкм (32л).

3ИЛИ-НЕ: Lp = Ln = 0.8 мкм (2л); Wn = 2 мкм (5л); Wp = 19.2 мкм (48л).

Так же с помощью схемы для определения динамических характеристик были установлены размеры инверторов буферного элемента обеспечивающие соблюдение ТЗ.

Размеры транзисторов выходного инвертора буфера:

Lp = Ln = 0.8 мкм (2л); Wn = 22 мкм (55л); Wp = 70.4 мкм (176л).

Размеры транзисторов входного инвертора буфера:

Lp = Ln = 0.8 мкм (2л); Wn = 6 мкм (15л); Wp = 19.2 мкм (48л).

Рисунок 4.5 -- Результат моделирования буфера с помощью схемы для определения динамических характеристик

Времена фронтов, срезов и задержек элементов схемы приведены в таблице 4.1. Переходные процессы в вентилях, по которым заполнялась таблица, показаны на рисунках 4.6, 4.7, 4.8, 4.9.

Таблица 4.1 Динамические характеристики вентилей

Наименование вентиля	tфр, нс	tср, нс	tзд01, нс	tзд10, нс	Нагрузка
Инвертор	2.17	1.75	1.32	0.78	10 инверторов
2ИЛИ-НЕ	1.20	1.80	0.67	0.99
3ИЛИ-НЕ	1.61	2.09	0.99	1.22
Буферный элемент	2.74	2.14	2.00	1.91	3 пФ

счетчик инвертор триггер моделирование

Рисунок 4.6 -- Переходные процессы в инверторе

Рисунок 4.7 -- Переходные процессы в вентиле 2ИЛИ-НЕ



Рисунок 4.8 -- Переходные процессы в вентиле 3ИЛИ-НЕ

Рисунок 4.9 -- Переходные процессы в буферном элементе

Оценка максимальной частоты работы устройства производилась с помощью схем кольцевого генератора показанных на рисунках 4.10 и 4.11, которые дают соответственно оценку для лучшего и худшего случаев предельную рабочую частоту определим с помощью кольцевого генератора из 3-х инверторов.

Рисунок 4.10 -- Схема кольцевого генератора и результат моделирования для лучшего случая (T_Г = 5.7 нс)



Рисунок 4.11 -- Схема кольцевого генератора и результат моделирования для худшего случая (T_Г = 46.6 нс)

Максимальную рабочую частоту найдем с помощью формулы:

;

После сборки всех вентилей логической схемы в КМОП-базисе схема делителя частоты примет вид показанный на рисунке 4.12

Рисунок 4.12 -- Схема делителя частоты собранная в КМОП-базисе

На рисунке 4.13 и 4.14 приведены результаты моделирования схемы, а в таблице 4.2 представлены её динамические характеристики. Как видно из таблицы 4.2 времена фронта и среза не превышают аналогичные времена, заданные в ТЗ.

Рисунок 4.13 -- Временные диаграммы счетчика при модуле счета равном 13

Рисунок 4.14 -- Временные диаграммы счетчика при модуле счета равном 29

Таблица 4.2 - Динамические характеристики делителя частоты

	Выходы счетчика
	o0	o1	o2	o3	o4
tфр, нс	2,54	2,53	2,52	2,53	2,54
tср, нс	2,01	2,03	2,03	2,03	2,04

Топологическое проектирование.

Рис 21. Топология инвертора

Рис.22 Топология 2ИЛИ-НЕ



Рис.23 Топология 3ИЛИ-НЕ

Рис.24 Топология буфера

Рис.25 Топология всей схемы.

Расчет максимально допустимой длины шины разводки металла

При

Список литературы

1. Е.П. Угрюмов, Цифровая схемотехника, С-Пб. 2004

2. Л.Ю. Шишина. Проектирование цифровых МДП ИС. Методические указания по курсовому проектированию. М., МИЭТ 1994.

3. А.А. Миндеева. Моделирование схем в системе OrCAD, лабораторный практикум, МИЭТ Москва 2006.

4. Ю.А. Браммер, И.Н. Пащук. Цифровые устройства. Москва 2004.

Размещено на Allbest.ru