Определим максимальное количество логических вентилей, через которые пройдет сигнал от входа к выходу:
Nmax = 10.
Определим период входного сигнала для заданной частоты:
Т =
Максимальное время задержки схемы не должно превышать половины периода входного сигнала:
tсх = 0,5 · 10-8 с.
Максимальное время задержки элемента
tэл = tсх/10 = 0,5 · 10-9 с.
Определим параметры для транзисторов:
L n = 0,27Wn.
L n = 2λ.
Инвертор:
Wn = 7,38λ ≈ 8λ = 3,2 мкм.
Wp = 23,52λ ≈ 24λ = 9,6 мкм.
2и-не:
Wn = 16λ = 6,4 мкм.
Wp = 24 λ = 9,6 мкм.
3и-не
Wn = 24λ = 9,6 мкм.
Результаты схемотехнического моделирования в Orcad:
Рисунок 5.2.1. Электрическая схема инвертора
Рисунок 5.2.2. Диаграмма переключения инвертора (частота 100МГц).
Рисунок 5.2.3. Электрическая схема элемента «2и-не».
Рисунок 5.2.4. Диаграмма переключения элемента «2и-не» (частота 100МГц).
Рисунок 5.2.5. Электрическая схема элемента «3и-не».
Рисунок 5.2.6. Диаграмма переключения элемента «3и-не» (частота 100МГЦ).
Таблица 5.2.1. Результаты схемотехнического моделирования вентилей
t10зд, нс
t01зд, нс
tсрзд, нс
tср, нс
tфр, нс
НЕ
1,000
0,480
0,740
2,050
0,850
2И-НЕ
2,100
0,900
3И-НЕ
0,490
0,745
0,870
Результаты топологического проектирования вентилей в Microwind:
Рисунок 5.3.1 Топология инвертора
Рисунок 5.3.2. Диаграмма переключения инвертора (частота 100МГц).
Рисунок 5.3.3. Топология элемента «2и-не».
Рисунок 5.3.4. Диаграмма переключения элемента «2и-не» (частота 100МГц).
Рисунок 5.3.5. Топология элемента «3и-не»
Рисунок 5.3.6. Диаграмма переключения элемента «3и-не» (частота 100МГц).
Таблица 5.2.1. Результаты топологического моделирования вентилей
0,300
0,270
0,285
0,460
0,260
0,180
0,220
0,520
0,470
0,310
0,130
Результаты схемотехнического моделирования TV-триггера в Orcad:
Рисунок 6.1.1. Электрическая схема TV-триггера.
Рисунок 6.1.2. Диаграмма переключения TV-триггера (частота 100МГц).
Результаты топологического проектирования в Microwind:
Рисунок 6.2.1. Топология TV-триггера
Рисунок 6.2.2. Диаграмма переключения TV-триггера (частота 100 МГц).
Таблица 6.2.1. Результаты топологического моделирования TV-триггера.
0,910
1,090
0,540
0,510
Результаты проектирования счетчика в Orcad:
Рисунок 7.1.1. Электрическая схема суммирующего счетчика.
Рисунок 7.1.2. Диаграмма переключения счетчика (частота 100 МГц)
Рисунок 7.2.1. Топология суммирующего счетчика
Рисунок 7.2.2. Диаграмма переключения суммирующего счетчика (частота 100МГц).
Таблица 7.2.1. Результаты топологического моделирования суммирующего счетчика.
9,280
9,620
9,450
1,210
1,120
При анализе рабочих частот схема была промоделирована на частотах 100 и 1000 МГц. На частоте 100 МГц схема полностью сохраняет свою функциональность. Частоту 1000 МГц можно считать максимальной рабочей частотой для данного устройства, выше которой функциональность не обеспечивается, так как у устройства в «нуле» уже нет «планки» постоянного сигнала, что при дальнейшем повышении частоты приведет к невозможности срабатывания на переключение.
Рисунок 7.3.1. Диаграмма переключения устройства на частоте 100 МГц.
Рисунок 7.3.2. Диаграмма переключения устройства на частоте 1000 МГц.
При анализе быстродействия схемы в диапазоне допустимого изменения напряжения питания, было проведено моделирование схемы при напряжении питания в 5 В и 3,6 В. Исходя из результатов моделирования, можно сделать вывод, что снижение напряжения питания приводит снижению быстродействия счетчика, и наоборот.
Рисунок 7.3.3. Диаграмма переключения счетчика при напряжении питания в 3,6 В.
При анализе быстродействия схемы при изменении величины нагрузочной емкости, было проведено моделирование схемы при значениях нагрузочной емкости в 0,3 пФ и 3 пФ. Исходя из результатов моделирования, можно сделать вывод, что увеличение величины нагрузочной емкости ведет к снижению быстродействия схемы, а уменьшение – к увеличению быстродействия. То есть, изменение выходной емкости дает результат, аналогичный варьированию напряжения питания.
Рисунок 7.3.4. Диаграмма переключения счетчика при значении нагрузочной емкости в 3 пФ.
Таблица 7.3.1. Результаты варьирования значений напряжения питания и нагрузочной емкости (для первого выхода).
5 В; 0,3 пФ
3,6В; 0,3 пФ
5В; 3пФ
1,190 нс
1,210 нс
1,940 нс
0,970 нс
1,180 нс
1,540 нс
1,080 нс
1,195 нс
1,740 нс
0,610 нс
0,650 нс
1,370 нс
0,540 нс
0,630 нс
0,810 нс
Расчет произведения RC выполняется для одного из главных сигналов – тактирующего импульса входной частоты. Для расчета паразитных емкостей и сопротивлений используем следующие значения:
-сопротивление 1-го слоя металлизации Rm2 = 0,07 Ом/□
-толщина окисла dок = 0.5мкм
-диэлектрическая проницаемость окисла xxо = 1×10-12 Ф/см
Рассмотрим случай с самой длинной рабочей шиной. Таковой будет являться линия передачи сигнала от четвертого по счету триггера к пятому. Ее длина не превышает 150λ или 60 мкм, ширина – 1,6 мкм.
Расчет:
Паразитное сопротивление:
Паразитная емкость:
Постоянная времени задержки на межсоединениях:
tзад является абсолютно незначительной величиной, поэтому временем задержки на межсоединениях можно пренебречь.
Так как основные потребление энергии происходит при переключении нагрузочных емкостей, потребляемую мощность одного триггера можно рассчитать по формуле:
,
где Сн – емкость нагрузки,
f – частота переключения,
Uип – напряжение питания.
Суммарная потребляемая мощность счетчика:
Разработанная схема обладает следующим быстродействием:
Топологические размеры устройства составляют 1870λ ´ 480λ (748 мкм ´ 192 мкм).
Потребляемая устройством мощность на частоте 100 МГц составляет 0,15 мВт. Устройство способно работать на частотах до 1000 МГц, что в 10 раз больше номинальной. Для повышения быстродействия счетчика при работе на высоких частотах, рекомендуется увеличить напряжение питания схемы.
Список использованной литературы
1. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. «Цифровые устройства»: учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2004. – 229 с.: ил.
2. Конспект лекций.
.
Страницы: 1, 2, 3
