С О Д Е Р Ж А Н И Е
Ч а с т ь 1
1.1. Упрощение логических
выражений.
1.2. Формальная схема
устройства.
1.3. Обоснование выбора
серии ИМС.
1.4. Выбор микросхем.
1.4.1.
Логический элемент ²ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ
ИЛИ².
1.4.2.
Логический элемент ²2ИЛИ ² с
мощным открытым коллекторным выходом.
1.4.3. Логический
элемент ²2И²
с открытым коллектором.
1.4.4. Логический элемент ²2И² с повышенной нагрузочной способностью.
1.4.5. Логический элемент ²НЕ²
1.5. Электрическая
принципиальная схема ЦУ.
1.6. Расчет потребляемой
мощности и времени задержки.
1.6.1.
Потребляемая мощность.
1.6.2. Время
задержки распространения.
Ч а с т ь 2
2.1. Расчет базового
элемента цифровой схемы.
2.1.1.
Комбинация: Х1 = Х2 =Х3 = Х4 = ²1².
2.1.2.
Комбинация: Х1 = Х2 =Х3 = Х4 = ²0².
2.1.3.
Любая иная комбинация.
2.2. Таблица состояний
логических элементов схемы.
2.3. Таблица истинности.
2.4. Расчет потенциалов в
точках.
2.4.1.
Комбинация 0000.
2.4.2.
Комбинация 1111.
2.4.3.
Любая иная комбинация.
2.5. Расчет токов.
2.5.1
Комбинация 0000.
2.5.2
Комбинация 1111.
2.6. Расчет мощности
рассеиваемой на резисторах.
2.6.1.
Комбинация 0000.
2.6.2.
Комбинация 1111.
Ч а с т ь 3
3.1. Разработка топологии
ГИМС.
3.2. Расчет пассивных
элементов ГИМС.
3.3. Подбор навесных
элементов ГИМС.
3.4. Топологический чертеж
ГИМС (масштаб 10:1).
В А Р И А Н Т № 2
В ы х о д: ОК; ОС; или ОЭ.
Рпот < 120 мBт
tз.р. £ 60 нс
Ч а с т ь 1
1.1. Упрощение логических
выражений.
1.2. Формальная схема устройства.
1.3. Обоснование выбора
серии ИМС.
Учитывая, что проектируемое цифровое устройство должно
потреблять мощность не превышающую 100мВт и время задержки не
должно превышать 100 нс для построения ЦУ можно использовать микросхемы
серии КР1533 (ТТЛШ) имеющие следующие технические характеристики:
Напряжение
питания:
5В10%.
Мощность
потребления на вентиль:
1мВт.
Задержка
на вентиль:
4 нс.
1.4. Выбор микросхем.
1.4.1. Логический элемент ²ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ².
D1 - KP1533ЛП 5
Параметры:
|
Рпот = Епит
|
Епит = 5 В
Iпот = 5,9
мА
|
|
1.4.2. Логический элемент ² 2ИЛИ ² с мощным открытым
коллекторным выходом.
D2 - КР1533ЛЛ4
Параметры:
|
|
Епит = 5 В
I1пот = 5 мА
I0пот = 10,6
мА
|
|
1.4.3. Логический элемент ²2И² с
открытым коллектором.
D3 - KP1533ЛИ2
Параметры:
|
|
Епит = 5 В
I1пот = 2,4 мА
I0пот = 4,0
мА
|
|
1.4.3. Логический элемент ²2И² с повышенной
нагрузочной способностью.
D4 - KP1533ЛИ1
Параметры:
|
|
Епит = 5 В
I1пот = 2,4
мА
I0пот = 4 мА
|
|
1.4.5.
Логический элемент ²НЕ².
D5 - KP1533ЛН1
Параметры:
|
|
Епит = 5,5 В
I1пот = 1,1 мА
I0пот = 4,2
мА
|
|
|
|
|
|
1.5. Электрическая принципиальная
схема ЦУ.
|
С учетом выбранных микросхем внесем в формальную
схему некоторые изменения (с целью минимизировать количество микросхем).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.6. Расчет потребляемой мощности и
времени задержки.
1.6.1. Потребляемая мощность.
Pпот = Pпот D1 + Pпот D2 + Pпот D3 + Pпот D4 + Pпот D5 = 29.5 + 39 + 16 + 16 + 13.25 = 113.75 мВт
113.75 < 120 -
Условие задания выполняется.
1.6.2. Время задержки
распространения.
Для расчета времени задержки возьмем самый длинный
путь от входа к выходу. Например от входов х2х3 до
выхода y2. Тогда:
tз.р. = tз.р.
D5.2 + tз.р. D2.1 + tз.р. D3.2 = 9.5 + 10.5 + 34.5 =
54,5 мВт
54,5
< 60 - Условие задания выполняется.
Ч а с т ь 2
2.1. Расчет базового
элемента цифровой схемы.
Для трех комбинаций входных сигналов
составим таблицу состояний всех активных элементов схемы.
2.1.1. Комбинация: Х1
= Х2 =Х3 = Х4 = ²1².
Если на все входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы напряжения логической ²1², то эмиттеры VT1 не получают открывающегося тока смещения (нет разности
потенциалов). При этом ток, задаваемый в базу VT1
через резистор R1 ,
проходит от источника Eпит в цепь
коллектора VT1,
смещенного в прямом направлении, через диод VD1 и
далее в базу VT2. Транзистор VT2 при этом находится
в режиме насыщения (VT2 - открыт) в точке ²B² Uб=0,2 В (уровень логического нуля). Далее ток попадает
на базу VT4 и
открывает VT4 на
выходе схемы ²0².
2.1.2. Комбинация: Х1
= Х2 =Х3 = Х4 = ²0².
Когда
на входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы уровни логического нуля переходы база -
эмиттер смещаются в прямом направлении. Ток, задаваемый в его базу через
резистор R1 проходит в цепь эмиттера. При этом коллекторный ток VT1 уменьшается, поэтому транзистор VT2 закрывается. Транзистор VT4 также закрывается (т.к. VT2 перекрыл доступ тока к базе VT4). На выход, через открытый эмиттерный переход VT3 попадает уровень логической единицы - на выходе ²1².
2.1.3. Любая иная
комбинация.
Например: Х1 =
1; Х2 = 0; Х3
= 1; Х4 = 1
Когда хотя бы на один любой вход многоэмиттерного транзистора
VT1 подан
уровень логического нуля соответствующий (тот на который подан ²0²) ²В² переход
база-эмиттер смещается в прямом направлении (открывается) и отбирает базовый
ток транзистора VT2.
Получается ситуация как в пункте 2.1.1.
2.2. Таблица состояний
логических элементов схемы.
Х1
Х2
Х3
Х4
Uвх1
Uвх2
Uвх3
Uвх4
VT1
VT2
VT3
VT4
Uвых
Y
2.3. Таблица истинности.
На выходе схемы появится уровень логической единицы
при условии, что хотя бы на одном, но не на всех входах ²1². Если на всех входах ²1², то на выходе ²0².
Х1
Х2
Х3
Х4
Y
|
|
| - Схема выполняет
логическую функцию²И-НЕ². |
2.4. Расчет потенциалов в
точках.
2.4.1. Комбинация 0000.
При
подаче на вход комбинации 0000 потенциал в точке ²A²
складывается из уровня нуля равно 0,2 В и падения напряжения на открытом p-n
переходе равном 0,7 В. Значит потенциал в точке ²A² Uа
= 0,2 + 0,7 = 0,9 В.
Транзистор VT2 закрыт (см. п. 2.1.2.) ток от источника питания через
него не проходит поэтому потенциал в точке ²B²
Uб = Eпит = 5 В. Транзистор VT2 и VT4 закрыт,
поэтому потенциал в точке ²C² Uс =0 В.
Потенциал в точке ²D²
складывается из Епит = 5 В за вычетом падения напряжения на открытом
транзис-торе VT3 равным
0,2 В и падения напряжения на диоде VD2 = 0,7 В. Напряжение Ud = 5 - ( 0,2 + 0,7 ) = 4,1 В.
2.4.2. Комбинация 1111.
При
подачи на вход комбинации 1111 эмиттерный переход VT1 запирается, через коллекторный переход протекает ток.
На коллекторный переход VT1 подают
напряжение равным 0,7 В. Далее 0,7 В подают на диоде КD1 и открытом эмитторном переходе транзистора VT2
, а также на открытом эмиттерном
переходе транзистора VT4. Таким
образом потенциал в точке ²a² Ua
= 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,7
=2,8 В. Потенциал в точке ²C² Uс
= 0,7 В. (Падение
напряжения на эмиттерном переходе VT4 ).
Потенциал в точке ²B² напряжение
базы складывается из потенциала на коллекторе открытого транзистора VT2 = 0,2 В и падения напряжения на коллекторном
переходе транзистора VT3 = 0,7 В.
Напряжение Uб
= 0,2 + 0,7 =
0,9 В. Потенциал в точке ²D² напряжение
Ud = 0,2 В. (Напряжения на коллекторном переходе открытого
эмиттерного перехода VT4 ).
2.4.3. Любая иная
комбинация.
При подачи на вход любой другой комбинации содержащей
любое количество
нулей и единицу (исключая комбинацию 1111) приведет к ситуации аналогичной
п.3.2.1.
2.5. Расчет токов.
2.5.1 Комбинация 0000.
2.5.2
Комбинация 1111.
2.6. Расчет мощности
рассеиваемой на резисторах.
2.6.1 Комбинация 0000.
PR1 = IR1 × U
R1 = 1,025 × (5-0,9)=4,2 мВт
PR2 = IR2 × U R2 = 0 мВт
PR3 = IR3 × U R3 = 0 мВт
2.6.2 Комбинация 1111.
PR1 = IR1 × U
R1 = 0,55 × (5-2,8) = 1,21 мВт
PR2 = IR2 × U R2 = 2,05 × (5-0,9) =
8,405 мВт
PR3 = IR3 × U R3 = 0,38 × 0,7 = 0,266 мВт
Сведем расчеты в таблицу.
Х1
Х2
Х3
Х4
Ua
Uб
Uc
Ud
IR1
IR2
IR3
PR1
PR2
PR3
Ч а с т ь
3
3. Разработка топологии
ГИМС.
В
конструктивном отношении гибридная ИМС представляет собой заключенную в корпус
плату (диэлектрическую или металлическую с изоляционным покрытием), на
поверхности которой сформированы пленочные элементы и смонтированы компоненты.
В
качестве подложки ГИМС используем подложку из ситала, 9-го типоразмера имеющего
геометрические размеры: 10х12 мм (см[2] стр.171;
табл. 4.6). Топологический чертеж ГИМС выполним в масштабе 10:1.
3.1. Расчет пассивных
элементов ГИМС.
Для заданной
схемы требуется 3 резистора следующих номинальных значений:
R1 =
4 кОм R2 = 2
кОм R3 = 1,8 кОм
Сопротивление резистора
определяется по формуле:
,
где:
RS - удельное
поверхностное сопротивление материала.
- длина резистора.
b - ширина
резистора.
Для изготовления резисторов
возьмем пасту ПР - ЛС имеющую RS =1 кОм.
Тогда:
=2
мм b = 0,5 мм
R1 = 1000 × ( 2 / 0,5
) = 4 кОм
=1 мм b
= 0,5 мм
R2 = 1000 × ( 1 / 0,5
) = 2 кОм
=2,25
мм b = 1,25 мм
R3 = 1000 × ( 2,25 /
1,25 ) = 1,8 кОм
Сведем результаты в таблицу.
Номиналы резисторов кОм.
Материал резистора.
Материал контакта площадок.
Удельное сопротивление поверхности RS, (Ом/ )
Удельная мощность рассеивания (P0, Вт/см2).
Способ напыления пленок.
- длина резистора.
(мм).
B - ширина
резистора.
(мм).
3.2. Подбор навесных
элементов ГИМС.
Для
данной схемы требуется:
1)
один 4-х эмиттерный транзистор.
2) три транзистора n-p-n.
3) два
диода.
Геометрические
размеры навесных элементов должны быть соизмеримы с размерами пассивных
элементов:
1) В качестве 4-х
эмиттерного транзистора использован транзистор с геометрическими размерами 1х4
мм и расположением выводов как на рис.1.
|
|
|
|
2)
В качестве транзистора n-p-n используем транзистор КТ331.
Эксплутационные
данные:
Umax кэ =
15 В
Umax бэ = 3 В
I к max = 20 мА
3)
В качестве диодов использован диод 2Д910А-1
|
|
Эксплутационные
данные:
Uоб р = 5 В
Iпр = 10 мА
Проверим
удовлетворяет ли мощность рассеивания на резисторах максимальной мощности
рассеивания для материала из которого изготовлены резисторы, а именно для пасты
ПР-1К у которой P0 =
3 Вт/см2.
Для R1
P1 max = 4,2 мВт
SR1 =× b = 2 × b = 2
× 0,5 = 1
мм2
Необходимо
чтобы P0 ³ P1
max , т.е. условие выполняется.
Для R2
P2 max = 8,4 мВт
SR2 =× b = 2 × b = 1 × 0,5 =
0,5 мм2
Необходимо
чтобы P0 ³ P2
max , т.е. условие выполняется.
Для R3
P3 max = 0,26 мВт
SR2 =× b = 2 × b = 2,25 × 1,25 =
2,82 мм2
Необходимо чтобы P0 ³ P3 max , т.е. условие выполняется.
3.3. Топологический чертеж
ГИМС (масштаб 10:1).