Разработка цифровой ИС, выполняющей функцию демультиплексора

Разработка цифровой ИС, выполняющей функцию демультиплексора

Содержание

Введение

. Краткий анализ технического задания

. Разработка функциональной схемы

. Разработка принципиальной схемы

. Моделирование ИС с применением САПР

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В настоящее время создание новых типов ИМС (интегральных микросхем) различного назначения, разработка новых типов микросхем с заданными характеристиками является важнейшей задачей, решаемой с помощью методов и средств микросхемотехники. Существует целый ряд различных вариантов элементных баз, на основе которых формируется логическая схема. Поэтому схемотехническое проектирование микросхемы, осуществляемое в данной работе, необходимо начать с выбора элементной базы из числа уже разработанных вариантов схем логических элементов [1].

Первая стадия структурного проектирования состоит в создании на выбранной элементной базе структурной схемы, которая обеспечивает выполнение функций, определенных техническим заданием, и в проверке правильности функционирования синтезированной структуры. На втором этапе, схемном проектировании, необходимо получить электрическую схему разрабатываемой ИС и определить ее основные параметры.

В данной работе моделирование схемотехники и определение параметров производится с применением САПР, что позволяет выбирать оптимальную схемотехническую реализацию разрабатываемой ИС.

Проектирование одной из основных логических ИС, которой является демультиплексор, представляет собой актуальную задачу, поскольку, несмотря на стремительный прогресс в микросхемотехнике, классические ИС не утрачивают своего значения [2].

1       Краткий анализ технического задания

Согласно техническому заданию необходимо разработать цифровой ИС, выполняющей функцию демультиплексора на 8 выходов. Демультиплексором называется функциональный узел, обеспечивающий передачу информации, поступающей по одной входной линии связи, на несколько выходных линий.

Исходные данные разрабатываемой ИС:

напряжение питания + 5 В;

потребляемая мощность 550 мВт;

среднее время задержки распространения сигнала 8 нс;

предельная частота 50 МГц;

нагрузочная способность 4;

емкость нагрузки 20 пФ;

диапазон рабочих температур -20 - +70 ºС;

Z-состояние на выходе схемы - нет;

наличие сигнала S (SС) на входе - да.

Из анализа исходных данных и характеристик элементных баз цифровых ИС следует, что наиболее подходящим будет применение эмиттерно - связанной логики (ЭСЛ). Элементы ЭСЛ имеют малое время задержки распространения сигнала, поскольку транзисторы токового переключателя не переходят в режим насыщения, и, следовательно, отсутствует время рассасывания неосновных носителей заряда в базовой области [3].

демультиплексор микросхема вентиль эмиттерный

2       Разработка функциональной схемы

Согласно предложенному заданию, необходимо разработать микросхему, выполняющую логическую функцию демультиплексора 1×8, который в соответствии с принятым адресом направляет информацию в одну из четырех линий. При этом на остальных линиях поддерживается логический «Ø».

Таблица 1. Таблица истинности демультиплексора 1×8 [1].

Логическая схема, выполняющая данные функции, показана на рисунке 1.

Реализация функции демультиплексирования на элементах ИЛИ-НЕ предпочтительна, поскольку необходимо связать логическую и принципиальную схему (на выходах вентиля ЭСЛ реализуются функции ИЛИ-НЕ/ИЛИ).

В микросхемах демультиплексор имеет следующее обозначение:

Рисунок 1. Обозначение демультиплексора.

где DI (data input) - поле входных сигналов;

DMX (демультиплексор) - обозначение функции, которую выполняет логический элемент;

DO (data output) - поле выходных сигналов;

СS (crystal select) - управляющий сигнал, который запрещает («1») или разрешает («Ø») работу схемы. Таким образом, если СS = «Ø», на всех выходах схемы будет наблюдаться ее работа в зависимости от входных, а если СS = «1», то схема работать не будет, независимо от входных сигналов.

Из таблицы истинности видно, что минимизировать данные функции невозможно, так как они представлены в тупиковой форме. Поэтому синтез функциональной схемы проводится непосредственно по записанным выходным функциям в базисе «ИЛИ-НЕ».

Рисунок. 2. Функциональная схема демультиплексора 1х8 в базисе ИЛИ-НЕ

Рисунок 3. Временная диаграмма работы функциональной схемы при CS=0

Рисунок 4. Временная диаграмма работы функциональной схемы при CS=1

3       Разработка принципиальной схемы

Элементы ЭСЛ относятся к потенциальным элементам: при построении схем ЭВМ на их основе они соединяются между собой потенциальными связями, т.е. без конденсаторов и трансформаторов. Значения «1» и «Ø» представляются в виде напряжений. Для положительной логики U^Ø = -1,45 - -1,9 В, U¹ = - 0,7 - - 0,9 В [2].

Схема основного вентиля на основе ЭСЛ, приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема основного вентиля на основе ЭСЛ.

При разработке схемы считаем, что эмиттерные переходы любых транзисторов открываются при U_бэ = 0,7 B, падение напряжения на диодах в прямом направлении составляет также 0,7 В.

Исходные данные для расчета основного вентиля схемы:

коэффициент усиления транзисторов β = 50;

коэффициент разветвления К_раз = 4;

емкость нагрузки С_н = 20 пФ;

уровень напряжения U^Ø = -1,5 В;

уровень напряжения U¹ = -0,7 В;

Перечень необходимых параметров указывается в процессе расчета.

Расчет статических параметров:

Проведем расчет статических параметров типового вентиля схемы согласно формулам, приведенным в [2].

Падение напряжения на открытом p-n-переходе (В)

Опорное напряжение (В)

Сопротивления (Ом)

Входной ток логической «1» и «0» (А):

Напряжение порога переключения (В):

Ширина активной зоны (В):

Логический перепад (В):

Напряжение статической помехоустойчивости по уровню «0» и «1» (В):

Ток логической части элемента (А):

Токи эмиттерных повторителей (А):

Токи источника опорного напряжения (А):

Общий ток, потребляемый элементом в состоянии «1» «0» (А):

Мощность потребления логической части элемента (Вт):

Мощность, потребляемая эмиттерными повторителями (Вт):

Мощность, потребляемая источником опорного напряжения (Вт):

Суммарная мощность, потребляемая элементом (Вт):

Входное сопротивление элемента (Ом):

Выходное сопротивление элемента (Ом):

Из проведенного расчета можно сделать вывод, что типовой вентиль ИС удовлетворяет основным требованиям.

4       Моделирование ИС с применением САПР

К основным статическим характеристикам относятся входная передаточная, выходная. Так как инвертор является стандартным элементом, то получим все характеристики только для базового элемента ИЛИ-НЕ.

Определим основные параметры и построим характеристики демультиплексора с помощью САПР MicroCap 9.

Входная характеристика вентиля представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Входная характеристика вентиля.

Передаточная характеристика показана на рисунке 7 :

Рисунок 7. Передаточная характеристика.

Рисунок 8. Выходная характеристика при логической 1 на входе

Рисунок 9. Выходная характеристика при логическом 0 на входе

Принципиальная схема, представленная выполненная с помощью схемотехнической САПР MicroCap 9, синтезируется непосредственно на основе функциональной схемы. Она представлена на рисунке 10:

Рисунок 10. Принципиальная схема.

Входные сигналы представлены на рисунке 11:

Рисунок 11. Входные сигналы (два последних сверху-вниз информационный сигнал и сигнал CS соответственно).

Проводя анализ динамического режима работы схемы, приведем эпюры выходного напряжения (рисунок 12)

Рисунок 12. Эпюры выходного напряжения.

Заключение

Проведенный анализ полученной схемы демультиплексора 1×8 показывает, что схема, разработанная на базе ЭСЛ - элементов, практически полностью удовлетворяет заданию на курсовой проект, в том числе по основным параметрам таким, как предельная частота и потребляемая мощность.

Список используемой литературы:

1.       Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособ. для вузов. - М.: Радио и связь, 1990. 496 с.

.        Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. - М.: Высш. шк., 1990. 160 с.

.        Голиков А.А., Меер В.В. Импульсно-аналоговая электроника и цифровые интегральные схемы: Учеб. пособ. для вузов. - М.: МЭИ, 1983. 228 с.