Разработка цифровой ИС, выполняющей функцию демультиплексора

• Введение
• 1. Краткий анализ технического задания
• 2. Разработка функциональной схемы
• 3. Разработка принципиальной схемы
• 4. Моделирование ИС с применением САПР
• Заключение
• Список используемой литературы

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.

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.

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 ?С;

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.

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 «O».

Таблица 1. Таблица истинности демультиплексора 1?8.

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 («O») работу схемы. Таким образом, если СS = «O», 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 1×8 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 «O» представляются в виде напряжений. Для положительной логики U^O = -1,45 — -1,9 В, U¹ = - 0,7 — - 0,9 В.

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:

напряжение питания U_ип = 5 B;

коэффициент усиления транзисторов в = 50;

коэффициент разветвления К_раз = 4;

емкость нагрузки С_н = 20 пФ;

уровень напряжения U^O = -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.

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.

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

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