Файл: Проектирование цифрового арифметикологического устройства на интегральных микросхемах.doc

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тверской государственный технический университет»

(ТвГТУ)

Кафедра ЭВМ
УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой ЭВМ

_А.Р. Хабаров
"___"___________2021 г.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту (работе) по схемотехника _

наименование учебной дисциплины

__________________________________________________________________

на тему: проектирование цифрового арифметико-логического устройства на интегральных микросхемах
Автор проекта (работы)

подпись, дата, инициалы, фамилия

Направление Информатика и Вычислительная Техника

номер, наименование

Обозначение курсового проекта (работы) _______ Группа _

Руководитель проекта _________________ Филиппов Р.Н. _

подпись, дата инициалы, фамилия
Проект (работа) защищен (а) ___________ Оценка________________
Члены комиссии:

______________________ _________________

подпись, дата инициалы, фамилия
______________________ _________________

подпись, дата инициалы, фамилия
______________________ _________________

подпись, дата инициалы, фамилия

Тверь, 2021
МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тверской государственный технический университет»

(ТвГТУ)
Кафедра ЭВМ
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТУ)
Студент

фамилия, инициалы

1.Тема: проектирование цифрового арифметико-логического устройства на интегральных микросхемах

Срок представления проекта (работы) к защите "10" февраля 2021 г.

Исходные данные для проектирования (научного исследования)

Содержание пояснительной записки курсового проекта (работы)

4.1. Введение

4.2. Теоретическая часть

4.3. Практическая часть

4.4. Заключение

4.5. Приложения

Перечень графического материала: принципиальная схема, функциональная схема, структурная схема

Руководитель проекта (работы) ________________ Р. Н. Филиппов_

подпись, дата инициалы, фамилия

Задание принял к исполнению ____________

подпись

Введение 7

Теоретическая часть 9

1.2 Технологии построения электронных схем 9

1.2.1Микросхема КМОП 9

1.2.2Микросхема ТТЛ 11

1.3 Серии микросхем 14

1.3.1КМОП 14

1.3.2.ТТЛ 16

1.4.Особенности программного и микропрограммного управления 18

Специальная часть 22

2.1 Задание 22

2.2 Обоснование выбора технологии 22

2.3 Описание разработанного устройства 23

2.4 Разработка схем арифметико-логических операций и блоков преобразования кодов. 24

2.5 Разработка схемы логической операции “” 25

2.6 Разработка схемы арифметической операции “Умножение” 26

2.7 Расчет количества микросхем 32

2.8 Сводная таблица по микросхемам 34

2.9 Характеристики микросхем 35

2.9.1Восьмиразрядный регистр на D триггерах с общим сбросом (КР 1564 ИР23) 35

2.10 Два четырёхразрядных шинных формирователя с инверсией и тремя состояниями на выходе (КР 1564 АП3). 37

2.11 Шифратор приоритетов 8-3 (КР 1564 ИВ1) 39

2.12 Четыре RS триггера (КР 1564 ТР2) 40

2.13 Шесть логических элементов НЕ (1564ЛН1) 40

2.13.1 Четыре логических элемента 2ИЛИ (КР1564ЛЛ1) 41

2.14 Четыре логических элемента 2И (КР 1564 ЛИ1) 43

2.15 Четыре двухвходовых элемента «исключающее ИЛИ» (КР 1564 ЛП5) 44

2.16 Расчет мощности потребления и быстродействия микросхем. 46

2.17Расчет задержки прохождения сигнала 48

2.18Структурная схема 49

2.19Функциональная схема 49

Принципиальная схема 50

2.20Заключение 51

2.21Список использованной литературы 53

Приложение 1. Блок «Вычитание» 54

Приложение 2. Блок «» 55

Введение

Широкое внедрение цифровой техники во всех областях повседневной жизни связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имели значительные габариты и массу, ненадежно работали из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие в своем составе десятки, сотни, тысячи, а в последнее время многие десятки и сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по-новому подойти к проектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный компонент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции. В результате на интегральных микросхемах стало возможным собирать сложнейшие устройства, изготовить которые без применения микросхем было бы совершенно невозможно. Целью данного курсового проекта является закрепление знаний по синтезу дискретных устройств (узлов) ЭВМ, оценке характеристик проектируемого устройства, применение современных систем элементов. Необходимо не только разработать устройство и привести его структурную и принципиальную электрическую схемы, но также определить номенклатуру микросхем, на базе которых планируется функционирование данного устройства. Кроме того, в конце проектирования предполагается произвести расчет фактической мощности потребления данного устройства, а также его быстродействия.

Цель данной курсовой работы — научить самостоятельно решать конкретную техническую задачу по созданию устройств, выполняющих заданные функции и имеющих заданные технические характеристики. В работе предлагается провести функциональный и структурный синтез цифрового устройства с заданными техническими характеристиками. Необходимо не только разработать устройство и привести его структурную и принципиальную электрическую схемы, но также определить номенклатуру микросхем, на базе которых планируется функционирование данного устройства. Кроме того, в конце проектирования предполагается произвести расчет фактической мощности потребления данного устройства, а также его

быстродействия.

Следует уделить внимание грамотному выбору технологической базы микросхем, семейства и конкретных типов схем для реализации устройства.

Теоретическая часть

Технологии построения электронных схем
1. Микросхема КМОП

Транзисторы на основе МОП структуры (Металл - Оксид - Полупроводник) - наиболее широко используемый тип транзисторов. Структура состоит из трех металлических контактов и полупроводника, один из контактов разделѐн слоем оксида SiO2от полупроводника. В общем случае структуру называют МДП (металл - диэлектрик - полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для его работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа.

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл– диэлектрик – полупроводник является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется проводимость в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено напряжением, приложенным на металлический электрод - затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения присутствуют четыре состояния области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводника - обогащение, обеднение, слабая и сильная инверсия. Полевые транзисторы в активном режиме могут работать только в области слабой или сильной инверсии, т.е. в том случае, когда образуется инверсионный канал истоком и стоком. На рисунке 1.1 приведена топология МДП-транзистора, где этот факт наглядно виден.

Рисунок 1.1. Полевой транзистор со структурой металл – диэлектрик – полупроводник

Изменяя величину напряжения на затворе, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и тем самым модулировать сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи вызовет изменяющийся в соответствии с изменением сопротивления канала ток стока и тем самым будет реализован эффект усиления.

Базовый логический элемент на КМОП-транзисторах. Устройство и принцип действия Цифровые интегральные микросхемы на КМОП (комплементарная пара МОП-транизисторов)

транзисторах считаются наиболее перспективными, поскольку мощность, потребляемая в статическом, режиме у них составляет десятки нановатт при высоком быстродействии. Среди цифровых ИМС на МОП транзисторах интегральные микросхемы на КМОП транзисторах обладают наибольшей помехоустойчивостью и высокой эффективностью использования источника питания. Основными логическими элементами серий на КМОП транзисторах являются элементы И-НЕ; ИЛИ-НЕ (рисунок1.2. а, б), а базовым логическим элементом, на основе которого реализованы указанные элементы, является инвертор (элемент НЕ) на КМОП транзисторах.

Рисунок 1.2. Логические элементы на КМОП транзисторах. Элемент И-НЕ (а), элемент ИЛИ-НЕ (б)

Инвертор реализует операцию логического отрицания, т.е. инверсию и представляет собой двоичный логический элемент, на выходе которого логическая единица имеет место в том случае, если на входе имеется логический ноль. На рисунке 1.3 приведена принципиальная электрическая схема инвертора на КМОП транзисторах со схемой защиты.

Рисунок 1.3. Схема электрическая принципиальная инвертора на КМОП-транзисторах

Микросхема ТТЛ

Биполярный транзистор, многоэмиттерный транзистор. Структура. Принцип действия.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами. Электроды подключены к трѐм последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы.

Рисунок 1.4. Схематическое изображение транзистора типа p-n-p. Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор, W – толщина базы, ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход