Разработка интегрального цифрового устройства

Федеральное агентство по связи и информатике Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики Курсовая работа Разработка интегрального цифрового устройства Выполнил: Симон А.С.

студент гр. В-67

Проверил: Савиных В.Л.

г. Новосибирск — 2008 г.

1. Разработка электрической схемы цифрового устройства

1.1 Задание к первой части

1.2 Упрощение и преобразование

1.3 Выбор типа логики и конкретных серий

1.4 Электрическая схема цифрового устройства

1.5 Проверка условий Вывод

2. Электрический расчет цифровой схемы

2.1 Задание ко второй части

2.2 Электрический расчет схемы

2.3 Таблицы

2.4 Расчет мощностей

2.5 Таблица истинности Вывод

3. Разработка топологии в гибридном варианте

3.1 Пленочные проводники

3.2 Навесные элементы

3.3 Топологический чертеж ИМС Вывод Заключение Список используемой литературы

1. Разработка электрической схемы цифрового устройства.

1.1 Задание к первой части

Даны четыре уравнения:

Дополнительные требования:

· Выходной ток Iвых?30мА

· Общая потребляемая мощность устройства Pпотр?100мВт

· Время задержки распространения сигнала tзд.р.ср?70нсек

1.2 Упрощение и преобразование

Y2 оставим без изменения

1.3 Выбор типа логики и конкретных серий

При реализации данного цифрового устройства будем использовать 6 ЦИМС с логикой КМДП (DD1, DD2, DD3, DD4, DD5 и DD7) 1 ЦИМС с логикой ТТЛ (DD6), чтобы была необходимая мощность. Чтобы обеспечить большой выходной ток, будем использовать параллельное включение Eпит=5 В.

1.4 Электрическая схема цифрового устройства

1.5 Проверка условий

Время задержки распространения

Для Y1 t_зд.р.ср=t1+t4+t5=19.5+7.25+13.5=40.25нс<70нс Для Y2 t_зд.р.ср= t1++t3+t4=19.5+17+7.25=43.75нс<70нс Для Y3 t_зд.р.ср= t2+t5+t7=17+13.5+7.25=37.75нс<70нс Для Y4 t_зд.р.ср= t1+t5+t6=19.5+13.5+6.3=39.3нс<70нс

Потребляемая мощность.

Pпотр = Eпит * ?Iпотр = 5*(4*5*10^-3+4*5*10^-3+2*4*10^-3+4*4*10^-

³+4*8*10^-3 + 1*10,65 + 3*4*10^-3) = 53,79мВт < 100мВт

Выходной ток

Для Y1 Iвых=2*24мА=48мА>30мА Для Y2 Iвых=2*24мА=48мА>30мА Для Y3 Iвых=2*24мА=48мА>30мА Для Y4 Iвых=60мА>30мА

Вывод

Получили электрическую схему цифрового устройства, которая реализует данные 4 уравнения и соответствует дополнительным условиям

2.Электрический расчет цифровой схемы

2.1 Задание ко второй части

Рассчитать данную схему

2.2 Электрический расчет схемы

а) х1=0×2=0×3=0×4=0

U_А=U⁰вх +Uэб=0,1+0,7=0,8В

U_В=U⁰вх +Uэб=0,1+0,7=0,8В

0,8 В не хватит, чтобы открыть три p-n перехода.

VD1, VD2, VT3, VT4 — закрыты.

U_C=U_E=0

I_КVT1 = I_КVT2=I_R3=I_R4 = I_БVT3=I_БVT4=0

I_R1 = (EпU_А)/R1 = (6−0,8)/12=0,433мА

I⁰вх₁ = I⁰вх₂=I⁰вх₃= I_R1/3=0,144мА

I_R2 = (EпU_В)/R2 = (6−0,8)/15 = 0,347мА

I⁰вх₄ = I_R2=0,347мА

U_D = Uэб=0,7В

I_БVT5 = I_R5 = (EпU_D)/R5 = (6−0,7) / 9,1 = 0,582мА

I⁰вых= I⁰вх=0,433мА (берем самый худший случай) Предположим. Что VT5 находится в режиме насыщения.

I_БVT5>I_Б.НАС > VT5

действительно находится в режиме насыщение

I_R6 = (EпU_КЭ.НАС)/R6=(6−0,1)/0,82=7,2мА

U_F= U_КЭ.НАС =0.1В

I_КVT5= I⁰вых+ I_R6=0.433+7.2=7.633мА

Y=0

б) х1=1×2=1×3=1×4=1

U_А= 0,6+0,7+0,7=2В

U_B=0,6+0,7+0,7=2В

VT1 и VT2 — в инверсном режиме.

I_R1=(EпU_А)/R1=(6−2)/12=0,333мА

I¹вх₁=I¹вх₂=I¹вх₃= I_R1В_И=0,333*0,05=0,0166мА

I_КVT1= I_R1+ I¹вх₁+ I¹вх₂+ I¹вх₃=0,383мА

U_C = Uэб = 0,7В

I_R3 = U_C/R3 = 0,7/10 = 0,07мА

I_БVT3 = I_КVT1— I_R3 = 0,383−0,07 = 0,313мА

I_R2 = (EпU_В)/R2 = (6−2)/15 = 0,266мА

I¹вх₄ = I_R2В_И = 0,266*0,05 = 0,0133мА

I_КVT2 = I_R2+ I¹вх₄ = 0,28мА

U_Е = Uэб = 0,7В

I_R4 = U_Е/R4 = 0,7/10 = 0,07мА

I_БVT4 = I_КVT2— I_R4 = 0,28−0,07 = 0,21мА Предположим, что VT3 и VT4 находятся в режиме насыщения.

I_БVT3>I_{Б.НАС.VT3}, I_БVT4>I_{Б.НАС.VT4} > VT3 и VT4 действительно находятся в режиме насыщения.

U_D= U_КЭ.НАС =0.1 В > VT5 — закрыт.

I_БVT5=0, I_КVT5=0

I_R5= (EпU_D)/R5=(6−0,1)/9,1=0,648мА

I¹вых = I¹вх=0,0166мА (берем самый худший случай)

I_R6= I¹вых =0,0166мА

U_F=EпI_R6*R₆=6−0,0166*0,82=5.986В

Y=1

в) х1=0×2=0×3=0×4=1 (аналогично а) и б)

U_А=U⁰вх +Uэб=0,1+0,7=0,8В

0,8 В не хватит, чтобы открыть три p-n перехода.

VD1, VT3 — закрыты.

U_C=0

I_КVT1=I_R3= I_БVT3=0

I_R1=(EпU_А)/R1=(6−0,8)/12=0,433мА

I⁰вх₁=I⁰вх₂=I⁰вх₃= I_R1/3=0,144мА

U_B=0,6+0,7+0,7=2 В цифровой интегральный микросхема топология

VT2 — в инверсном режиме.

I_R2=(EпU_В)/R2=(6−2)/15=0,266мА

I¹вх₄= I_R2В_И=0,266*0,05=0,0133мА

I_КVT2= I_R2+ I¹вх₄=0,28мА

U_Е=Uэб=0,7В

I_R4= U_Е/R4=0,7/10=0,07мА

I_БVT4= I_КVT2— I_R4=0,28−0,07=0,21мА Предположим, что VT4 находится в режиме насыщения.

I_БVT4>I_{Б.НАС.VT4} > VT4 действительно находятся в режиме насыщения.

U_D= U_КЭ.НАС =0.1 В > VT5 — закрыт.

I_БVT5=0, I_КVT5=0

I_R5= (EпU_D)/R5=(6−0,1)/9,1=0,648мА

I_R6= I¹вых =0,0166мА

U_F=EпI_R6*R₆=6−0,0166*0,82=5.986В

Y=1

2.3 Таблицы

2.4 Расчет мощностей

P=Eп*(I_R1+ I_R2+ I_R5+ I_R6)

Для первой комбинации P=6*(0,433+0,347+0,582+7,2)=51,37мВт Для второй комбинации P=6*(0,333+0,266+0,648+0,016)=7,58мВт Для третьей комбинации P=6*(0,433+0,266+0,648+0,016)=8,18мВт Максимальные мощности резисторов

P_Ri=I_i²*Ri

P_R1=(0.433)²*12=2.25мВт

P_R2=(0.347)²*15=1,8мВт

P_R3=(0.07)²*10=0,049мВт

P_R4=(0.07)²*10=0,049мВт

P_R5=(0,648)²*9,1=3,82мВт

P_R6=(7,2)²*0,82=42,45мВт

2.5 Таблица истинности

Если х4 равен 0 и х1 или х2, х3 равен 0, то VT3 и VT4 будут закрыты, а VT5 будет открыт > Y=0, в остальных случаях Y=1…

Данная схема реализует функцию Y=x1*x2*x3+x4…

Вывод

Рассчитали электрическую схему, определили таблицу истинности и по ней определили какую функцию реализует заданная схема

3. Разработка топологии в гибридном варианте

3.1 Пленочные проводники

Возьмем сплав PC-3001

R_S=1000 Ом/кв. P₀=20мВт/мм²

Найдем К_Ф = R_I/ R_S

К_Ф1 = R₁/ R_S=12

К_Ф2 = R₂/ R_S=15

К_Ф3 = R₃/ R_S=10

К_Ф4 = R₄/ R_S=10

К_Ф5 = R₅/ R_S=9,1

К_Ф6 = R₆/ R_S=0,82

Найдем

Найдем b_I=l_I/K_ФI

b₁=l₁/K_Ф1=1,16/12=0,0966

b₂=l₂/K_Ф2=1,16/15=0,0773

b₃=l₃/K_Ф3=0,16/10=0,016

b₄=l₄/K_Ф4=0,16/10=0,016

b₅=l₅/K_Ф5=1,32/9,1=0,145

b₆=l₆/K_Ф6=1,32/0,82=1,61

Так как у пленочных резисторов есть ограничения, то l и b примут следующие значения, приведенные в таблице

3.2 Навесные элементы

Выбираем активные элементы — диоды и транзисторы, руководствуясь следующими принципами:

· Диоды и транзисторы должны быть бескорпусными;

· Должны быть предназначены для работы в импульсном режиме;

· Структура транзистора n-p-n;

· Коэффициент передачи тока БТ >50;

· Для диодов:

;

· Для транзисторов:

,

1. В качестве диодов VD1, VD2 возьмем КД904А

Uобр.max=10В

Iпр.max=5мА, габариты 1Ч1Ч1

2. В качестве транзисторов VT2, VT3, VT4, VT5 используем КТ331А

Iк.max = 20мА

Uкэmax = 10В

Pкmax = 15мВт габариты 1Ч1Ч0,8

3. В качестве транзистора VT1 берем многоэмитерный транзистор

3.3 Топологический чертеж ИМС

Площадь, занимаемая резисторами:

S_R=S_R1+S_R2+S_R3+S_R4+S_R5+S_R6=2.4*0.2+3*0.2+2*0.2+2*0.2+1.8*0.2+1.6*1.

3=4.32мм²

Площадь, занимаемая навесными элементами схемы:

S=S_VD1+S_VD2+S_VT1+S_VT2+S_VT3+S_VT4+S_VT5+S_VT6=1+1+4+1+1+1+1+1=11мм²

Площадь подложки должна быть не менее 5*(4,32+11)=76,6 мм²

В качестве подложки выбираем ситалл размерами 12Ч10…

Масштаб 10:1

Вывод

В третье части я разработал топологический чертеж в гибридном варианте, учитывая основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией.

Заключение

В данной курсовой работе мы составили электрическую схему на основе базовых цифровых интегральных микросхем (ЦИМС), для этой электрической схемы и учитывая дополнительные требования к этой схеме мы выбрали для 6 ЦИМС логику КМДП и для 1 ЦИМС логику ТТЛ; произвели электрический расчет цифрового устройства и построил топологию этого устройства.

В результате проделанной работы мы освоили основные положения Т.Э. и их практическое применение, а именно:

— Закрепили основные положения алгебры логики, при помощи чего, можно минимизировать функции и реализовывать их в различных логических базисах и на практических элементах;

— Освоили принципы выбора логики ИМС и расчета их параметров; -Научились рассчитывать простейшие цифровые интегральные микросхемы;

— Так же освоили принцип подбора материалов и активных элементов для микросхемы, и последующей разработки топологии этой схемы.

Список используемой литературы

1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учеб. пособие для вузов / Ю. Л. Бобровский, С. А. Корнилов, И. А. Кратиров и др.; Под ред. проф. Н. Д. Федорова.- М.: Радио и связь, 1998. — 580 с.

2. Ефимов, Козырь. Основы микроэлектроники.- М.: Сов. Радио, 1980 г.

3. В. Л. Савиных. Микроэлектроника. 1999

4. А. Н. Удальцов. Разработка интегрального цифрового устройства. 2008