Расчет и конструирование схемы параллельного регистра на триггере CLD — типа

1. Описание электрической принципиальной схемы

2. Выбор элементной базы и ее обоснование

3. Расчет тепловых процессов устройства

4. Расчет помехоустойчивости

5. Расчет надежности устройства

6. Разработка компоновки печатной платы

7. Разработка трассировки печатной платы устройства Заключение Список литературы

Одним из основных достижений микроэлектроники является создание на основе фундаментальных и прикладных наук новой элементной базы — интегральных микросхем. Развитие вопросов проектирования и совершенствование технологии позволило в короткий срок создать высокоинтегрированные функциональные узлы, например в виде больших (БИС), сверхбольших (СБИС), ультрабольших (УБИС) микросхем и программируемых устройств — микропроцессоров. Интегральные изделия имеют малые габариты, экономное потребление энергоресурсов, низкую стоимость и высокую надежность, что позволило развить электронику в интегральную и функциональную микроэлектронику, далее в нано электронику. Это в свою очередь создает базу интенсивного развития современного общества во всех сферах (медицина, информатика, автоматизация техпроцессов и др.).

Курсовой проект по дисциплине «Проектирование микросхем и микропроцессоров» выполняется с целью закрепления приобретенных при изучении курса знаний и получения практических навыков конструирования интегральных микросхем (ИМС). Осуществляется практика анализа электрических схем с целью выявления возможностей миниатюризации и выполнения рассматриваемого узла как единого функционального узла с учетом реальных конструкторско-технологических ограничений и требований. Приобретаются навыки в расчетах полупроводниковых активных и пассивных элементов, пленочных пассивных элементов, выбора активных навесных компонентов, общей компоновки узла и оформления конструкторско-технологической документации.

регистр триггер интегральная микросхема

1. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Последовательное или параллельное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, обычно D, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединённых друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.

В параллельных (статических) регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса/установки, разрешения выхода или приема, то есть цепи управления. Пример схемы статического регистра, построенного на триггерах типа D с прямыми динамическими входами, имеющего входы сброса и выходы с третьим состоянием, управляемые сигналом.

Параллельный регистр служит для запоминания многоразрядного двоичного (или недвоичного) слова. Количество триггеров, входящее в состав параллельного регистра определяет его разрядность.

При записи информации в параллельный регистр все биты (двоичные разряды) должны быть записаны одновременно. Поэтому все тактовые входы триггеров, входящих в состав регистра, объединяются параллельно. Для уменьшения входного тока вывода синхронизации C на этом входе в качестве усилителя часто ставится инвертор.

Следует помнить, что назначение разрядов является условным. Если по каким либо причинам (например, с точки зрения разводки печатной платы) удобно изменить нумерацию разрядов, то это можно свободно сделать. При перенумерации входов регистров нужно не забывать, точно таким же образом, изменить номера выходов параллельного регистра.

Для реализации параллельного регистра можно использовать как триггеры с статическим, так и с динамическим входом синхронизации. В переводной литературе при использовании для построения параллельного регистра триггеров-защелок этот регистр, в свою очередь, называют регистром-защелкой.

При использовании регистров со статическим входом тактирования следует соблюдать осторожность, так как при единичном потенциале на входе синхронизации C. сигналы с входов регистра будут свободно проходить на его выходы.

Составим таблицу истинности для параллельного регистра:

На основе полученной таблицы истинности построим схемупараллельного регистра на триггере CLD — типа:

2. Выбор элементной базы и её обоснование

Выбор базы необходимо осуществлять, исходя из заданных требований, предъявляемых к цифровому устройству, основными из которых являются потребляемая мощность, объемно-весовые показатели, стоимость, при условии выполнения устройством заданных функциональных требований. Можно считать, что схема устройства оптимально спроектирована на выбранной базе логических ИС, если при выполнении заданных функциональных требований она будет реализована с минимальными аппаратурно-мощностными затратами и стоимостью.

Основные параметры при выборе элементной базы:

— быстродействие;

— потребляемая мощность;

— помехоустойчивость;

— функциональный ряд;

— стоимость.

Я выбрал данную элементную базу, потому что посчитал, что они лучше всего подойду к разработанной мной ИМС.

3. Расчет тепловых процессов устройства

В основном радиотехнических устройств, потребляющие от источников питания мощность, измеряемую десятками, а иногда и сотнями ватт, отдают полезной нагрузке от десятых долей до единиц ватт. Остальная электрическая энергия, превращаясь в тепловую, выделяется внутри аппарата. Температура нагрева аппарата оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи теплоты в окружающее пространство. Этот процесс идет тем интенсивнее, чем больше разность температур аппарата и окружающей среды.

При некотором значении температуры поверхности оказываются равными количество теплоты, отдаваемой в окружающее пространство, и количество теплоты, выделяемое внутри аппарата; наступает состояние теплового равновесия — температура нагрева в каждой точке аппарата стабилизируется. Установившееся значение температуры определяется количеством теплоты, выделяемой внутри аппарата, и интенсивностью процесса отдачи теплоты в окружающее пространство, а также температурой окружающей среды.

Как было показано, надежность элементов радиоэлектронной аппаратуры сильно зависит от температуры окружающей среды. Для каждого типа элемента в технических условиях указывается предельная температура, при превышении которой элемент нельзя эксплуатировать. Поэтому одна из важнейших задач конструктора радиоэлектронной аппаратуры состоит в том, чтобы обеспечить правильные тепловые режимы для каждого элемента.

Рассчитываем объем элемента ИМСпо формуле:

V=L₁L₂h

V=0,0073м*0,0185м*0,009м=0,121 545 м³=1215,45 мм³

Вычислим коэффициент заполнения аппарата:

k_з=V_д/V

k_з=700мм³/1215,45 мм³=0,575

Приведенный размер основания нагретой зоны:

l_пр=

l_пр==0,011 м

Приведенная высота нагретой зоны:

h₃=hk_з

h₃=0,009м*0,575=0,0051 м

Поверхность корпуса устройства:

S_к=2(L₁L₂+L₁h+L₂h)

S_к=2(0,0073м*0,0185м+0,0073м*0,009м+0,0185м*0,009м)=

=2(0,13 505 м²+0,657 м²+0,1 665 м²)=0,7 345 м²

Приведенная поверхность нагретой зоны:

S_з=2l_пр(l_пр+2h_з)

S_з=2*0,011 м (0,011м+2*0,0051м)=0,4 664 м²

Удельная поверхностная мощность корпуса:

P_уд.к=P/S_к

P_уд.к=0,0586Вт/0,7 345 м²=79Вт

Удельная мощность нагретой зоны:

P_уд.з=P/S_з

P_уд.з=0,0586Вт/0,4 664 м²=125Вт

Средний перегрев поверхности корпуса по сравнению с температурой окружающей среды:

?t_к=P/(9S_к)

?t_к=0,0586Вт/(9*0,7 345 м²)=8^оC

Средняя поверхностная температура корпуса устройства:

t_к=t_окр+?t_к

t_к=25?С+8^оC=33^оС

Я провел расчет тепловых процессов устройства. В моем случае — это 33^оС.

4. Расчет помехоустойчивости

Помехоустойчивость определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы иконечно же связана с ее передаточной характеристикой. В зависимости от продолжительности помехи ее связывают с помехами, длительность которых больше длительности переходных процессов. Для помехоустойчивости может учитываться воздействие напряжения высокого и низкого уровня.

РассчитываюU_{1 min} и U_{1 max}:

U₁=2В

U_{1 min}=U₁-5%

U_{1 min}=2В-0,1В=1,9В

U_{1 max}=U₁+5%

U_{1 max}=2В+0,1В=2,1В

РассчитываюU_{0 min} и U_{0 max}

U₀=0,8В

U_{0 min}= U₀-5%

U_{0 min}=0,8В-0,04В=0,76В

U_{0 max}=U₀+5%

U_{0 max}=0,8В+0,04В=0,84В

РассчитываюU_пор.maxи U_{пор. min}:

U_пор.max= 0,7*U_ип= 0,7*5В=3,5В

U_пор.min=0,3* U_ип= 0,3*5В=1,5В

Рассчитаем U_пом.^отпи U_пом.^зап:

U_пом.^отп.=U_пор.min— U_0max=1,5В-0,84В=1,66В

U_пом.^зап.=U_1min— U_пор.max=0,76В-3,5В=-2,74В

РассчитываюU_пом.^отп и U_пом.^запс учетом значения коэффициентов статической помехоустойчивости.

K_u=0,5

?U= K_u* U_ип=2,5В

U_пом.^отп.=K⁺*?U=0,36*2,5В=0,9В

U_пом.^зап.=K^-*?U=0,6*2,5В=1,5В

Я провел расчет помехоустойчивости.

5. Расчет надежности устройства

Расчёт надёжности — это процедура определения значений показателей надежности объекта с использованием методов, основанных на их вычислении по справочным данным о надежности элементов объекта, по данным о надежности объектов-аналогов, данным о свойствах материалов и другой информации, имеющейся к моменту расчета. В результате расчета определяются количественные значения показателей надёжности.

Цели расчета надёжности. Решение вопросов надежности и безопасности современных структурно-сложных технических систем и объектов осуществляется на всех стадиях жизненного цикла, от проектирования и создания, производства, до эксплуатации, использования и утилизации. При этом могут преследоваться следующие цели:

— обоснование количественных требований к надежности объекта или его составным частям;

— сравнительный анализ надежности вариантов схемно-конструктивного построения объекта и обоснование выбора рационального варианта, в том числе по стоимостному критерию;

— определение достигнутого (ожидаемого) уровня надежности объекта и/или его составных частей, в том числе расчетное определение показателей надежности или параметров распределения характеристик надежности составных частей объекта в качестве исходных данных для расчета надежности объекта в целом;

— обоснование и проверку эффективности предлагаемых (реализованных) мер по доработкам конструкции, технологии изготовления, системы технического обслуживания и ремонта объекта, направленных на повышение его надежности;

— решение различных оптимизационных задач, в которых показатели надежности выступают в роли целевых функций, управляемых параметров или граничных условий, в том числе таких, как оптимизация структуры объекта, распределение требований по надежности между показателями отдельных составляющих надежности (например, безотказности и ремонтопригодности), расчет комплектов ЗИП, оптимизация систем технического обслуживания и ремонта, обоснование гарантийных сроков и назначенных сроков службы (ресурса) объекта и др.;

— проверку соответствия ожидаемого (достигнутого) уровня надежности объекта установленным требованиям (контроль надежности), если прямое экспериментальное подтверждение их уровня надежности невозможно технически или нецелесообразно экономически.

На этапе проектирования расчёт надёжности проводится с целью прогнозирования надёжности работы проектируемой системы.

На этапе испытаний и эксплуатации расчёт надёжности проводится для оценки количественных показателей надёжности спроектированной системы.

Провожу расчет надежности для схемы К555ТМ10:

Найдем в справочнике коэффициент нагрузки K_н для ИМС: К_н=0,65.

По справочнику определим интенсивность отказов л_о:

л_о*10⁶, 1/ч =0,21

Определим эксплуатационный коэффициент отказов б₁:б₁=0,1

Определим значение коэффициента, учитывающего критичность к механическим воздействиям:

б₅=0,2

л_э=л_о*б₁*б₅*10^-6=0,16*0,1*0,2=0,0042 1/ч л_У=л_э*n

л_У=0,0042 (1/ч) * 3=0,0126 (1/ч) Определим среднее время наработки до первого отказа:

Т_ср=1/Ул_У

Т_ср=1/0,0126 (1/ч)=79,3 ч

6. Разработка компоновки печатной платы

Компоновка печатной платы — это процесс, при котором находят оптимальное размещение навесных элементов и ИМС на печатной плате. Требования компоновки: обеспечить оптимальную плотность расположения компонентов; -исключить заметные паразитные электрические взаимосвязи, влияющие на технические характеристики изделия. Компоновку можно выполнять вручную или с использованием САПР. Ручную компоновку обычно выполняют с помощью шаблонов элементов, устанавливаемых на плате, изготовленных из бумаги или из другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформлялся чертёж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесённой координатной сеткой и ищут такое расположение элементов, при котором длина соединяющих их проводников минимальна. В результате компоновки находят положение контактных площадок для подключения всех элементов. Автоматическая компоновка выполняется с помощью программы Р-САD и графического редактора. Требования к габаритным размерам плат определяются технологией их изготовления. Размеры ПП должны быть экономически целесообразны (существенно ограничение на типоразмеры с целью стандартизации инструментов и приспособлений). Отклонение от прямоугольной формы и создание пазов во внешнем контуре приводит к повышенным производственным расходам и неполному использованию исходных материалов. Размеры ПП должны соответствовать ГОСТ 10 317–72, в котором рекомендовано 74 типа плат с соотношением сторон от 1 к 1 до 2 к 1. Максимальная ширина не должна превышать 500 мм. Рекомендуемая толщина в мм: 0,8;1;1,5;2;2,5;3.

Печатную плату с установленными на ней электрорадиоэлементами называют печатным узлом.

Если ЭРЭ имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим контактным площадкам внахлест. ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны (для плат с односторонней фольгой — на стороне где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например пайку «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так как на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов. При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:

1) Полупроводниковые приборы и микросхемы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а также к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.);

2) Должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты;

3) Должна быть предусмотрена возможность лёгкого доступа к элементам, которые подбирают при регулировании схемы.

Если элемент имеет электропроводной корпус и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса (эпоксидная маска), наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок. От правильного расположения корпусов микросхем на печатной плате зависят такие параметры ЭВМ как габариты, масса, надежность, помехоустойчивость.

Шаг установки интегральных микросхем определяется требуемой плотностью компоновки, температурными режимами работы компонентов на плате, методом разработки топологии ПП (ручная, машинная), типом корпуса и сложностью электрической схемы. Рекомендуемый шаг установки ИМС -2,5 мм. Зазоры между корпусами должны быть не менее 1,5 мм. ИМС со штырьковыми выводами располагаются с одной стороны печатной платы, так как монтаж штырьковых выводов производится в сквозные отверстия, причем концы выводов выступают на обратную сторону платы. Корпуса ИМС прочно удерживаются на плате запаянными выводами и выдерживают практически любые механические воздействия.

7. Разработка трассировки печатной платы устройства

Трассировка печатной платы — это проведение проводников, соединяющих площадки, так, чтобы они имели минимальную длину, и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений.

Чертежи печатных плат выполняют на бумаге имеющей координатную сетку, нанесённую с определённым шагом. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника. При этом по сетке можно воспроизвести рисунок печатной платы при изготовлении фото оригиналов, с которых будут изготовлять шаблоны для нанесения рисунка платы на заготовку. Координатную сетку наносят на чертёж с шагом 2,5 или 1,25 мм. Шаг 1,25 мм. применяют в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм. Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах (точках пересечений линий) координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два и более вывода, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Диаметр отверстий в печатной плате должен быть большего диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечит возможность свободной установки электрорадиоэлемента. При диаметре вывода до 0,8 мм диаметр неметаллизированного отверстия делают на 0,2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0,8 мм — на 0,3 мм больше.

Диаметр металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого в него вывода и от толщины платы. Связанно это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получится неравномерной, а при большом отношении длины к диаметру некоторые места могут остаться непокрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее половины толщины платы. Отверстия на плате нужно располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы. В противном случае перемычка между отверстиями не будет иметь достаточной механической прочности.

Чтобы обеспечить надёжное соединение металлизированного отверстия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий рекомендуется делать в форме кольца.

Печатные проводники рекомендуется выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки.

Проводники на всём их протяжении должны иметь одинаковую ширину. Если один или несколько проводников проходят через узкое место, ширина проводников может быть уменьшена. При этом длина участка, на котором уменьшена ширина, должна быть минимальной.

Следует иметь в виду, что узкие проводники (шириной 0,3 — 0,4 мм) могут отслаиваться от изоляционного основания при незначительных нагрузках. Если такие проводники имеют большую длину, то следует увеличивать прочность сцепления проводника с основанием, располагая через каждые 25 — 30 мм по длине проводника металлизированные отверстия или местные расширения типа контактной площадки с размером 1×1мм или более. Если проводник проходит в узком месте между двумя отверстиями, то нужно прокладывать его так, чтобы он был перпендикулярен линии, соединяющей центры отверстий. При этом можно обеспечить максимальную ширину проводников и максимальное расстояние между ними. Экраны и проводники шириной более 5 мм следует выполнять с вырезами Связанно это с тем, что при нагревании плат в процессе из изоляционного основания могут выделяться газы. Если проводник или экран имеет большую ширину, то газы не находят выхода и могут вспучить фольгу Участки платы, по которым не должны проходить печатные проводники, обводят штрихпунктирной линией и соответствующие указание делают в технических требованиях. Зенковку на отверстиях графически не показывают. Кроме перечисленных данных в технических требованиях чертежа должно быть указано:

А) Номер ГОСТа или ТУ, которым должна соответствовать плата;

Б) Шаг координатной сетки;

В) Указания о гальваническом покрытии проводников печатной платы, например: «Печатный монтаж серебрить Ср 9».

Г) Способ изготовления печатной платы.

Для поверхностей печатной платы, которые в процессе изготовления подвергаются механической обработке (контур платы, отверстия, пазы, и т. п.), устанавливают норму на шероховатость.

Размеры на чертеже печатной платы указывают одним из следующих способов: с помощью размерных и выносных линий; нанесением координатной сетки в прямоугольной или в полярной системе координат; комбинированным способом.

При задании размеров координатной сетки её линии нумеруют. Проводники шириной более 2,5 мм можно изображать двумя линиями, при этом, если они совпадают с линиями координатной сетки, числовое значение ширины на чертеже не указывают. Отдельные элементы рисунка печатной платы можно выделять штриховкой, чернением. Круглые отверстия, имеющие зенковку, и круглые контактные площадки с круглыми отверстиями изображают одной окружностью.

Заключение

При выполнении данной курсовой работы были проведены расчет и построениесхемы параллельного регистра на триггере C_LD — типа.

Учитывались основные параметры влияющие на работу цифрового устройства. Была произведена разработка компоновки и трассировки печатной платы устройства, выбраны и обоснованы критерии подбора интегральных микросхем, проведена их сравнительная оценка.

1. Б. В. Табарин интегральные микросхемы — Радио и связь, 1983.

2. И. Букреев, В. Горячев, Б. Мансуров Микроэлектронные схемы цифровых устройств. — Техносфера, 2009.

3. Г. Д. Фрумкин Расчет и конструирование радиоаппаратуры — Высшая школа, 1989.

4. А. В. Нефедов Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. — КУБК-а, 1997.

http://www.studfiles.ru

http://ru.wikipedia.org

http://digteh.ru

http://www.chipinfo.ru