Разработка интегрального цифрового устройства

Министерство Российской Федерации  по Связи и

Информатизации

Сибирский Государственный Университет  Телекоммуникаций и

Информатики,

кафедра Технической Электроники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа:

Разработка интегрального цифрового  устройства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                   Выполнил:

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

Стр.

Введение                                                                                                                                  3

1. Разработка структурной схемы                                                                                         4

1. Исходные данные                                                                                                            4
2. Минимизация функций                                                                                                   4
3. Общая функциональная схема устройства                                                                    4
4. Выбор типа логики и ИМС                                                                                             4
5. Принципиальная схема на основе выбранных элементов                                           6
6. Расчёт параметров цифрового устройства                                                                    7
2. Электрический расчёт ЦИМС                                                                                        8
1. исходные данные                                                                                                             8
2. Анализ работы логического элемента                                                                           8
3. Расчёт токов и напряжений                                                                                            9
1. При комбинации на входе: 0000                                                                               10
2. При комбинации на входе: 1111                                                                              11
3. При комбинации на входе: 0111                                                                              12
4. расчёт потребляемых мощностей                                                                                 13
5. Результаты расчёта ЦИМС                                                                                            14
3. Разработка топологии ИМС                                                                                          14
1. Выбор активных элементов                                                                                           14
2. выбор материала для плёночных элементов                                                                15
3. Выбор типа подложки и её нанесение                                                                          16
1. Выбор метода заданной конфигурации плёночных элементов                            16
2. Выбор метода нанесения тонких плёнок                                                                16
3. Выбор подложки                                                                                                       16
4. Составление топологического чертежа                                                                       17

Заключение                                                                                                                            19

Список используемой литературы                                                                                      20

 

 Введение:

 

 Основной задачей современной  микроэлектроники является создание  высоконадёжной малогабаритной радиоэлектронной аппаратуры на базе интегральных микросхем.

  Применение интегральных микросхем  позволяет уменьшить габариты  и массу аппаратуры в десятки  раз, а микропроцессоров в сотни,  тысячи раз. Это объясняется  тем, что размеры элементов интегральных микросхем составляют единицы и десятки доли микрометра.

  Малые габариты интегральных  микросхем и малое потребление  электроэнергии  позволяет осуществить  комплексную микроминиатюрную реализацию  всех компонентов электронной  аппаратуры. Также повышает надёжность аппаратуры.

  Целью данной курсовой работы  является разработка цифрового  интегрального устройства, и закрепления  основных положений курса технической  электроники.

 

1. Расчёт структурной схемы:

Разработка цифрового устройства на простых логических элементах, которые реализуют заданные функции. Принципиальную схему составить по минимальным функциям, с использованием одного элемента для частичного выполнения нескольких функций одновременно.

 

Исходные данные:

 

 

1.2. Минимизация функций:

Для преобразования выражений будем  использовать: законы дуальности, неравнозначность. При упрощении будем стремиться к большему использованию элементов  «И-НЕ» так как для данных выражений  это будет более рационально.

Дело в том, что одновременная  инверсия сигналов на выходе элемента «исключающее ИЛИ» не изменяет сигнал на выходе. Согласно таблице истинности:

 

Поэтому одно отрицание мы убираем.

В последнем выражении оставляем  как исходное так как это будет  более рационально.

 

3. Общая функциональная схема:

 

 

4. Выбор серии микросхем для устройства.

 

Выбор микросхем для устройства, достаточно ограничить логикой ТТЛ, ТТЛШ и КМДП широкого применения. По заданию ограничение по мощности равное 5 мВт. Значит можно сразу исключить микросхемы логики ТТЛ и ТТЛШ, так как у этих ЦИМС потребляемая мощность минимум 10-20 мВт на один логический элемент. Значит, остаются микросхемы КМДП логики.

  При выборе конкретны микросхем на устройство необходимо использовать минимальное количество микросхем. Поэтому с учётом конкретных уже микросхем схема может немного изменится.

Необходимо:

• Два логических элемента «3И»;
• 10 логических элементов «ИЛИ-НЕ»;
• 1 логический элемент «исключающее ИЛИ»;
• 2 логических элемента «2И»
• 1 логический элемент «2И-НЕ»

 

                          Три логических элемента «3И»:

КР1564ЛИ3

 

  Шесть логических элементов «НЕ»:

КР1564ЛН2

 

 

Четыре логических элемента «2И»:

КР1554ЛИ1

 

 

 

 

 

 

 

Четыре логических элемента «исключающее ИЛИ»:

КР1554ЛП5

 

Из выбранных микросхем составим обую функциональную схему устройства с учётом микросхем.

 

5. Принципиальная схема на основе выбранных элементов

 

 

6. Расчёт параметров цифрового устройства:

Расчёт максимального времени  задержки сигнала:

Максимальная задержка сигнала будет при прохождении сигналом пути с наибольшим количеством логических элементов.

Суммарная мощность равна:

Наша ИМС выдерживает выходной ток до 20мА, так как:

в данном случае этот выбор микросхем является оптимальным для более точного приближения к заданным параметрам:

• выбор другого типа логики, например ТТЛ или ТТЛШ увеличил бы в несколько порядков потребляемую мощность, в нашем случае это не приемлемо, так как потребляемая мощность должна быть менее 5мВт. Поэтому весь выбор проходит на КМДП логике, у которой маленькая потребляемая мощность.
• В данном случае базисным напряжением является 5В так как выбор другого напряжения привёл бы к выбору других микросхем, например десяти вольтовых у которых очень большое время задержки, а в нашем случае оно должно быть менее 200нс, поэтому выбор микросхем проходит на микросхемах имеющих напряжение питания 5В. А как известно, что использовать микросхемы с разным напряжением питания нельзя, то есть должен быть единый источник питания, например 5В, как в нашем случае.
• В ходе подбора были выбраны две дорогие микросхемы КМДП логики, это КР1554ЛИ1 и КР1554ЛП5, так как только они обеспечивают выходной ток более 20мА, это значит, что ИМС должна выдерживать выходной ток порядка 20-24мА. Поэтому данный выбор я считаю самым оптимальным к более точному приближению к заданным параметрам.

 

 

2. Электрический расчёт ЦИМС.

 

Исходные данные:

 Принципиальная схема:

Наборы:  x1 x2 x3 x4

                 0  0   0   0

                  1  1   1   1

                  0  1   1   1

 

2.2. Анализы работы логического элемента:

  Анализ принципиальной  схемы логического элемента сводится  к определению таблиц истинности  устройства. Составление таблицы  истинности производится исходя из особенностей работы транзисторов при подаче соответствующих уровней на входе устройства, а также проведении анализа протекающих токов в схеме, при заданных входных сигналах.

 

Входные сигналы	VD1	VD2	VD3	VD4	VD5	VD6	VD7	VD8	VT1	VT2	Y
0000	Открыт	Открыт	Закрыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Открыт	Закрыт	Отсеч.	Отсеч.	Логич 1
1111	Закрыт	Закрыт	Открыт	Открыт	Открыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Насыщ.	Насыщ.	Логич 0
0111	Открыт	Закрыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Отсеч.	Насыщ.	Логич 0

 

Обозначение режимов работы транзисторов и диодов:

• Отсеч.-  (режим отсечки)
• Насыщ.- (режим насыщения)
• Открыт- (диод открыт)
• Закрыт- (диод закрыт)

По результатам анализа определим  основные направления токов через  элементы в схеме, составим таблицу  истинности базового элемента.

 

Таблица истинности:

 

 

 

x1	x2	x3	x4	y
0	0	0	0	1
0	0	0	1	1
0	0	1	0	1
0	0	1	1	0
0	1	0	0	1
0	1	0	1	1
0	1	1	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	0	1	1
1	0	1	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	0	0
1	1	0	1	0
1	1	1	0	0
1	1	1	1	0