7161

Разработка цифровой интегральной микросхемы по заданным параметрам

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Разработка цифровой интегральной микросхемы, 10-й вариант. Рисунок 1 Раздел 1. Электрический расчет цифровой схемы. При выполнении расчетов принимаем:  U0 = 0,1 B, U1 > 3 В, падение напряжения на д...

Русский

2013-01-17

476.5 KB

6 чел.

Разработка цифровой интегральной микросхемы,  10-й вариант.

       

Рисунок 1

Раздел 1. Электрический расчет цифровой схемы.

При выполнении расчетов принимаем:

 U0 = 0,1 BU1 > 3 В,

падение напряжения на диоде и эмиттерном переходе при прямом включении равно 0,7 В, коэффициент передачи тока базы В = 50, инверсный коэффициент передачи тока базы ВI = 0,05.

R1 = 10 кОМ; R2 = 8 кОМ; R3 = 10 кОМ; R4 = 1 кОМ.

Значения входных сигналов:

1) Вх1 – 0, Вх2 – 1, Вх3 – 1, Вх4 – 1

2) Вх1 – 0, Вх2 – 0, Вх3 – 1, Вх4 – 0

3) Вх1 – 1, Вх2 – 1, Вх3 – 0, Вх4 – 0

Проведем расчет для комбинации входных сигналов «0111»

Рисунок 2.

Согласно принятым значениям: 

UВХ1 = U0 = 0,1 В; 

UВХ2 = UВХ3 = UВХ4 = U1 > 3 В.

Ток протекает через переход Б-Э тр-ра VT1 и напряжение перехода равно 0,7 В, следовательно потенциал базы тр-ра VT1 (точка А) равен: 

UА = U0 + UБЭ = 0,1 + 0,7 = 0,8 В.

Ток перехода Б-К при этом будет отсутствовать, так как для того чтобы он протекал в точке А требуется потенциал равный:  

UБК1 + UБЭ2 = 0,6 + 0,7 = 1,3 В,

следовательно, тр-р   VT2 будет закрыт. Находим ток I1:

I1 = ( E - UA ) / R1 = ( 5 - 0,8 ) / 10 * 103 = 0,42 мА.

Рассчитаем величины токов I2 , I3 и I4, протекающих через резисторы R2, R3 и R4. Через резистор R2 протекает ток базы тр-ра VT3, транзистор открыт и напряжение на базе этого транзистора будет равно UБ3=0,7 В. Находим ток I2.

I2 = IБ3 = ( E - UБ3 ) / R2 = ( 5 - 0,7 ) / 8*103 = 0,5375 мА.

Потенциал в точке В на базе тр-ра VT4 будет равен:

UВ = UБК4 + UБЭ5 = 0,6 + 0,7 = 1,3 B 

Тогда ток  I3 равен:

I3 = ( E - UВ ) / R3 = ( 5 – 1,3 ) / 10*103 = 0,37 мА.

Переходы база-эмиттер Б-Э1, Б-Э2 и Б-Э3 тр-ра VT4 находятся под обратным напряжением, так как потенциал базы ниже, чем потенциал эмиттеров на величину 1,3 - 3 = -1,7 В. Поэтому через эти переходы протекает только обратный ток. Вычислим эти токи, умножая ток базы VT5 на инверсный коэффициент передачи тока В1:

IЭ1 = IЭ2 = IЭ3 = I3·BI = 0,37·0,05 = 0,0185 мА.

В транзистор VT4 втекают четыре тока IЭ1,IЭ2,IЭ3  и I3 , а вытекает через коллекторный переход и попадает в базу тр-ра  VT5 только один ток IБ5. Вычисляем ток базы VT5:

IБ5 = IЭ1+ IЭ2 + IЭ3 + I3 = 0,0185·3 + 0,37 = 0,4255 мA

По условию напряжение открытого транзистора

UКЭ3 = UКЭ5 = 0,1 В, тогда

I4 = IК3 + IК5 = ( E - UКЭ5 ) / R4 = ( 5 - 0,1) / 1·103 = 4,9 мА.

Через коллекторы тр-ров VT3 и VT5 протекают токи IК3 < 4,9 мА и IК5 < 4,9 мА. Сравним токи IБ3·B, IБ5·B и I4

IБ3·В = 0,5375·50 = 26,875 мА.

IБ5·В = 0,4255·50 = 21,275 мА.

Так как IБ3·B > I4 и IБ5·B > I4 ,  то тр-ры VT3 и VT5 находятся в режиме насыщения. Низкое напряжение на коллекторах тр-ров VT3 и VT5 соответствует логическому «0» на выходе схемы.

    

      Проведем расчет для комбинации входных сигналов «0010»

Рисунок 3.

Согласно принятым значениям: 

UВХ3 U1 > 3 В;

UВХ1 = UВХ2 = UВХ4 = U0 = 0,1 В.

Исходя из рассмотренного раннее, можно записать:

потенциал базы тр-ра VT1 (точка А)  

UА = U0 + UБЭ = 0,1 + 0,7 = 0,8 В.

Ток перехода Б-К VT1 при этом отсутствует, тр-р   VT2 будет закрыт. Находим ток I1:

I1 = ( E - UA ) / R1 = ( 5 - 0,8 ) / 10 * 103 = 0,42 мА.

Через резистор R2 протекает ток базы тр-ра VT3, транзистор открыт. Находим ток I2.

I2 = IБ3 = ( E - UБ3 ) / R2 = ( 5 - 0,7 ) / 8*103 = 0,5375 мА.

Ток протекает через переходы Б-Э1 и Б-Э3 тр-ра VT4, напряжения на этих переходах одинаковы и равны 0,7 В. Следовательно потенциал базы тр-ра VT4 (точка В) равен: 

UВ = U0 + UБЭ = 0,1+ 0,7 = 0,8 В.

Переход Б-Э2 тр-ра VT4 находится под обратным напряжением, так как потенциал базы ниже, чем потенциал эмиттера на величину 0,8 – 3 = -2,2 В. Поэтому через этот переход протекает только обратный ток. Ток через переход Б-К тр-ра VT4 при этом будет отсутствовать, так как для того чтобы он протекал в точке В требуется потенциал равный 

UБК4 + UБЭ5 = 0,6 +0,7 = 1,3 В. 

Следовательно тр-р   VT5  будет закрыт. Находим ток I3.

I3 = (EUВ ) / R3 = ( 5 - 0,8 ) / 10·103 = 0,42 мА.

По условию напряжение открытого транзистора VT3 UКЭ3 = 0,1 В, тогда

I4 = IК3 = ( E - UКЭ3 ) / R4 = ( 5 - 0,1) / 1·103 = 4,9 мА.

Сравним токи IБ3·B и IК3.

IБ3·В = 0,5375·50 = 26,875 мА.

Так как IБ3·B > IК3 ,  то тр-р VT3 находится в режиме насыщения. Низкое напряжение на коллекторе тр-ра VT3 соответствует логическому «0» на выходе схемы.

    Проведем расчет для комбинации входных сигналов «1100»

Согласно принятым значениям: 

UВХ1 = UВХ2 = U1 > 3 В;

UВХ3 = UВХ4 U0 = 0,1 В.

Рисунок 4.

Потенциал в точке А на базе тр-ра VT1 будет равен

UA = UБК1 + UБЭ2 = 0,6 + 0,7 = 1,3 B

Тр-р VT2 будет открыт и напряжение на базе этого тр-ра будет равно UБ2 = 0,7 В. Тогда ток  I1 равен

I1 = ( EUБ2 ) / R1 = ( 5 – 0,7 ) / 10·103 = 0,43 мА.

Так как эмиттер  тр-ра VT1 находится под более высоким потенциалом, чем база, то эмиттерный переход закрыт. Поэтому через этот переход протекает только обратный ток. Вычислим этот ток, умножая ток базы VT1 на инверсный коэффициент передачи тока:

IЭ1 = I1·BI = 0,43·0,05 = 0,0215 мА.

В транзистор VT1 втекают два тока IЭ1 и I1 , а вытекает через коллекторный переход и попадает в базу тр-ра  VT2 только один ток IБ2. Вычисляем ток базы VT2:

IБ2 = IЭ1 + I1 = 0,0215 + 0,43 = 0,4515 мA

По условию напряжение открытого транзистора UКЭ2 = 0,1 В, тогда

I2 = IК2 = ( E - UКЭ2 ) / R4 = ( 5 - 0,1) / 8·103 = 0,6125 мА.

Сравним токи IБ2·B и IК2.

IБ2·В = 0,43·50 = 21,5 мА.

Так как IБ2·B > IК2 ,  то тр-р VT2 находится в режиме насыщения.

Тогда тр-р VT3 закрыт.

Ток протекает через переходы Б-Э2 и Б-Э3 тр-ра VT4, напряжения на этих переходах одинаковы и равны 0,7 В. Следовательно потенциал базы тр-ра VT4 (точка В) равен: 

UВ = U0 + UБЭ = 0,1+ 0,7 = 0,8 В.

Переход Б-Э1 тр-ра VT4 находится под обратным напряжением, так как потенциал базы ниже, чем потенциал эмиттера на величину 0,8 – 3 = -2,2 В. Поэтому через этот переход протекает только обратный ток. Ток через переход Б-К тр-ра VT4 при этом будет отсутствовать, так как для того чтобы он протекал в точке В требуется потенциал равный 

UБК4 + UБЭ5 = 0,6 +0,7 = 1,3 В. 

Следовательно тр-р   VT5  будет закрыт. Находим ток I3.

I3 = (EUВ ) / R3 = ( 5 - 0,8 ) / 10·103 = 0,42 мА.

Так как тр-ры VT3 и VT5 закрыты, то ток I4 = 0

Тогда напряжение на выходе E = UКЭ = 5 будет соответствовать уровню логической единицы.

 Расчет мощности, потребляемый микросхемой для каждой   комбинации.

                                      Для комбинации «1100»

              Р = 5·( 0,43 + 0,6125 + 0,42 + 0 )·10-3 = 7,3125 мВт.

                                      Для комбинации «0111» 

            Р = 5·( 0,42 + 0,5375 + 0,37 + 4,9 )·10-3 = 31,1375 мВт.

                                     Для комбинации «0010»

            Р = 5·( 0,42 + 0,5375 + 0,42 + 4,9 )·10-3 = 31,3875 мВт.

Таблица 1

Вход

I1, мА

I2, мА

I3, мА

I4, мА

P, мВт

0111

0,42

0,5375

0,37

4,9

31,1375

0010

0,42

0,5375

0,42

4,9

31,3875

1100

0,43

0,6125

0,42

0

7,3125

Для расчета размеров резисторов, которые будем определять ниже,      выделим каждый из токов, имеющих максимальное значение, и запишем в таблицу 2. Затем вычислим мощности, рассеиваемые на резисторах, по формуле

 PRi=I2i*Ri

                           Результаты занесем в таблицу 2.

                     PR1 = (0,43·10-3)2·10·103 = 1,85·10-3 = 1,85 мВт

                     PR2 = (0,6125·10-3)2·8·103 = 3,0·10-3 = 3,0 мВт

                     PR3 = (0,42·10-3)2·10·103 = 1,764·10-3 = 1,764 мВт

                     PR4 = (4,9·10-3)2·1·103 = 24,01·10-3 = 24,01 мВт

Таблица 2

Максимальный ток, мА

Мощность резистора, мВт

I1

I2

I3

I4

PR1

PR2

PR3

PR4

0,43

0,6125

0,42

4,9

1,85

3,0

1,764

24,01

                       Составим таблицу истинности.

Так как в схеме четыре входа, то всего возможно   24 = 16 комбинаций входных сигналов.

Напряжение на выходе будет иметь низкий уровень (логический нуль), когда транзисторы VT3 или VT5 открыты и находятся в режиме насыщения. Если хотя бы один из транзисторов VT2 или VT4 закрыт, а это, произойдет, когда ток I3 не протекает ни через один из эмиттеров транзистора VT4 или ток I1 протекает через эмиттер тр-ра VT1. Следовательно всем входным комбинациям, имеющим Вх2, Вх3, Вх4 – «1» или Вх1 – «0», выходной сигнал соответствует логическому нулю.

Таблица 3

Входная комбинация

Вых

Входная комбинация

Вых

Вх1

Вх2

Вх3

Вх4

Вх1

Вх2

Вх3

Вх4

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

1

0

      Раздел 2. Разработка топологии ИМС для  приведенной

                                                   схемы.

Размер и конфигурация пленочных резисторов находится по заданным номиналам резисторов Ri, удельному поверхностному сопротивлению пленки Rs, выбранному из таблицы 4, и мощности, рассеиваемой на резисторе (таблица 2).

Таблица 4

Предпоследняя

цифра номера

студенческого

билета

Материал

RS,

Ом/квадр.

Р0,

мВт/мм2

1

Сплав МЛТ-3

500

20

Кфi = Ri / Rs.- коэффициент формы для определения размеров резисторов.

                           КФ1 = R1 / RS = 10·103 / 500 = 20

                           КФ2 = R2 / RS = 8·103 / 500 = 16

                           КФ3 = R3 / RS = 10·103 / 500 = 20

                           КФ4 = R4 / RS = 1·103 / 500 = 2

              

                    Длину резисторов находим по формуле

                                                         

                                    

                                    

                                    

                                    

                       bi = li / KФi – расчет ширины резистора

                  

                               

                               

                               

                               

Результаты расчетов занесем в первую строку таблицы 5.

Так как ширина резисторов  b1, b2 и b3  получилась менее 0,2 мм, то принимаем их ширину равной 0,2 мм и пересчитываем их длину.

                                           

                                          

                                          

Ширину резистора b4  округляем до 0,8 мм и пересчитываем его длину.

                                          

   Полученные результаты заносим во вторую строку таблицы 5.

Таблица 5 - Размеры пленочных резисторов.

R1

R2

R3

R4

KФ1

l1, мм

b1,

мм

KФ2

l2,

мм

b2,

мм

KФ3

l3,

мм

b3, мм

KФ4

l4, мм

b4,

мм

Рассчетн.

20

1,36

0,07

16

1,55

0,09

20

1,33

0,07

2

1,55

0,77

конечное

значение

20

4,0

0,2

16

3,2

0,2

20

4

0,2

2

1,6

0,8

  

                     Площадь занимаемая резисторами,

 SR = SR1 + SR2 + SR3 + SR4 = 4·0,2 + 3,2·0,2 + 4·0,2+1,6·0,8 = 3,52 мм2.

     Площадь, занимаемая навесными элементами схемы равна

S = SVT1 + SVT2 +SVT3 + SVT3 + SVT3 = 1 + 1 + 1 + 4 + 1 = 8 мм2.

 Общая площадь, занимаемая пленочными резисторами и навесными элементами, равна        11,52 мм2.

  Если учитывать площадь соединений и промежутки между элементами ИМС, расстояние от края подложки, следует увеличить суммарную площадь подложки в 4-5 раз,  т. е. её площадь должна составить не менее 60 мм2.  Выбираем  подложку  с  размерами 10х10 мм.     

Составляем топологический чертеж ИМС, размещая рассчитанные элементы на поле подложки (рисунок 5 ).

Рисунок 5.

                                                

Вывод:

Нами спроектирована интегральная схема ТТЛ- транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL), элементная база которой состоит из транзисторов и резисторов. Материалами для изготовления элементной базы были использованы кремний и сплав МЛТ-3. Основой при проектировании  цифровых систем, является алгебра логики, переменные значения которой имеют только два состояния,  логическая 1 и 0. В данных цифровых схемах значению сигнала на входе устройства может соответствовать только определенное значение сигнала на выходе устройства. В схеме транзисторы работают в ключевом режиме и не обладают памятью, это позволяет использовать упрощенные модели для расчетов токов, напряжений и вольт-амперных характеристик транзисторов. Максимальное напряжение в схемах с ТТЛ может достигать 24В, однако это приводит к большому уровню паразитного сигнала. Достаточно малый уровень паразитного сигнала при сохранении достаточной эффективности достигается при напряжении 5В, поэтому данная цифра и вошла в технический регламент ТТЛ.


ЛИТЕРАТУРА

 

1. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1990.
2. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. –М.: Высшая школа, 1987.

3. http://solidstate.karelia.ru/~ivashen/ims/t8/TEMA2.HTM#BAZTTL


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27457. Государственная власть и способы ее осуществления 27 KB
  Государственная власть представляет собой особую разновидность социальной власти. Согласно одной точке зрения государственная власть – более узкая категория чем политическая власть ибо последняя осуществляется не только государством но и другими звеньями политической системы общества: партиями общественными организациями и т. В соответствии с другой точкой зрения понятие политическая власть тождественно понятию государственная власть так как первая исходит от государства и реализуется не иначе как при его прямом или косвенном...
27458. Государство и партия в политической системе России 28 KB
  Элементами политической системы в широком смысле выступают политические институты материальные и идеологические а также социальные нормы регулирующие деятельность этих институтов политические моральные корпоративные юридические. Политическая система в узком смысле – это система субъектов политических отношений иначе еще ее называют политической организацией общества. Элементами политической организации общества являются государство общественные объединения отдельные граждане.
27459. Государство как субъект правоотношений 30 KB
  Государство как субъект правоотношений. Государство: обладает как субъект правоотношений особым свойством суверенитетом ; общая правосубъектность государства определяется Конституцией данного государства нормами международного права; является субъектом внутригосударственных международных правоотношений; относится к т. Государство во всех правоотношениях выступает как политический субъект проявляющий властные полномочия как носитель суверенитета. Государство регламентирует статус участников правоотношений является субъектом...
27460. Государство: понятие, назначение и признаки 28 KB
  Государство – это политикотерриториальная суверенная организация публичной власти общества взимающая с населения налоги издающая законы и обеспечивающая их реализацию. Марксистсколенинское понимание признаков государства: 1 разделение населения по территориальному признаку; 2 наличие публичной власти которая стоит над обществом; 3 наличие налоговой системы. принадлежность людей к данному обществу гражданству; порядок и понятия формы предоставления гражданства именно через понятия гражданство население происходит объединение...
27461. Гражданское общество: понятие, структура, характер и формы его взаимодействия с государственно-правовыми институтами 29.5 KB
  Госво управляет обществом служит формой его организации. общество – способное противостоять госву контролировать его и заставить служить обществу. Это общество которое может сформировать правовое госво.
27462. Дайте классификацию юридических (фактических) составов 24 KB
  Такая совокупность юрих фактов в юриспруденции именуется фактическим юрим составом. Юридический фактический состав это система юридических фактов предусмотренных нормами права в качестве основания для наступления правовых последствий возникновение изменение прекращение правоотношения. 2 По процессу накопления фактов: Завершённые процесс накопления фактов завершен; Незавершённые процесс накопления не закончен. 3 По способу накопления фактов: Простые юридические составы с независимым накоплением элементов.
27463. Дайте отличия нормативного акта от правоприменительного (на конкретном примере) 25.5 KB
  Нормативные правовые акты следует отличать от индивидуальных и интерпретационных актов. Индивидуальные правовые акты – это акты государственных органов негосударственных организаций должностных лиц выражающие решение по конкретному юридическому делу приговор или решение суда приказ руководителя предприятия или учреждения и др. Индивидуальные акты – это акты применения права поэтому их называют еще правоприменительными. В отличие от индивидуальных нормативные правовые акты носят общеобязательный характер и отличаются неконкретностью...
27464. Действие нормативно-правовых актов во времени, в пространстве и по кругу лиц 27.5 KB
  Действие нормативноправового акта порождение тех юридических последствий которые в нем предусмотрены. Действие т. во времени Действие нормативноправовых актов во времени определяется двумя моментами: моментом вступления нормативноправового акта в силу и моментом утраты им юридической силы. Существуют такие понятия как футуроспективное действие закона обращен в будущее рассчитан на facta futura ретроактивное распространение на отношения возникшие до вступления данного акта в силу и ультраактивное действие акт утрачивает силу а...
27465. Действие права 28.5 KB
  Действие права это действие составляющих его разнообразных норм которые в официальной форме выражены в различных нормативноправовых и иных правоустановительных актах. Эти характеристики пределов действия норм права официально закрепляются в соответствующих нормативноправовых актах. Действие во времени определяется периодом времени от момента вступления нормативноправового акта и содержащихся в нем норм в силу до момента ее утраты. Время вступления в законную силу разных нормативноправовых актов определяется различными способами: 1...