Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
исциплина: «Конструирование, производство и эксплуатация средств вычислительной техники»
Лабораторная работа № 7, 8
Тема: «Исследования влияния технологического разброса параметров электронных компонентов на выходные характеристики электрических схем»
Цель: Практически исследовать влияния технологического разброса параметров электронных компонентов на выходные характеристики электрических схем.
Время: 4 часа
Оборудование: ПК, ПО P-CAD.
Методические материалы и литература:
Методические указания по выполнению лабораторной работы:
Последовательность выполнения работы:
1. Основные теоретические положения
КМОП
Технология производства комплементарных полупроводниковых структур металл-оксид-полупроводник и логические схемы, выполненные по данной технологии. Логические уровни (UВЫХ0 – 0,4В, UВЫХ1 – 4В) являются промышленным стандартом для организации взаимодействия между отдельными интегральными схемами и блоками электронных устройств.
С ростом уровня интеграции ИС, а проектировании на их основе все больше усиливается аспект, который можно назвать интерфейсным проектированием. 3адачей разработки становится составление блоков из субблоков-стандатрного вида путем правильного соединения.
Успешное проектирование требует хорошего знания:
• Номенклатуры и параметров элементов, узлов и устройств цифровой аппаратуры;
• привлечения систем автоматизированного проектирования (САПР) для создания сложных систем.
ИС широкого применения изготавливаются по схемотехнологиям:
• КМОП;
• ТТЛШ и др.
Элементы КМОП обладают рядом уникальных параметров:
• Малая потребляемая мощность при невысоких частотах переключения,
• Высокая помехоустойчивость,
• Широкие допуски на величину питающих напряжений,
• Высокое быстродействие при небольших емкостных нагрузках.
Эти элементы доминируют в схемах внутренних областей БИС/СБИС.
За ТТЛШ оставалась в основном область периферийных схем, где требуются передача сигналов по внешним цепям, испытывающим значительную емкостную нагрузку.
Элементы ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика) обеспечивают:
• Максимальное быстродействие, но ценой повышения потребляемой мощности, что снижает достижимый уровень интеграции.
В развитых сетях стандартных ИС наряду с базовыми логическими элементами обычно имеется и ряд других, выполняющих другие логические операции.
Быстродействие или даже работоспособность ЦУ зависит от задержек сигналов в логических элементах и линиях связей между ними. Реальные переходные процессы в логических элементах достаточно сложны и в моделях они отображаются с той или иной степенью упрощения.
В простейшей модели динамические свойства элемента отражаются введением в его выходную цепь элемента задержки сигнала на фиксированное время Т3 (рис. 1).
Рис. 1. Временные диаграммы процессов переключения логического элемента
В силу простоты такая модель находит применение на практике, несмотря на то, что она является грубой и не учитывает ряд существенных факторов:
• Технологического разброса задержек элементов,
• Зависимости их от направления переключения элемента (из 0 в 1 или из 1 в 0),
• Зависимости их от емкости нагрузки, которая может быть резко выраженной и т.д.
Например, для элементов КМОП задержка пропорциональна емкости нагрузки. Простейшая модель не учитывает так же фильтрующих свойств реальных элементов, благодаря которым короткие входные импульсы, обладающие малой энергией, не способны вызвать переключение элемента.
На быстродействие ЦУ влияют также емкости, на перезаряд которых требуются затраты времени.
В справочных данных приводится входные и выходные емкости логических элементов, знание которых позволяет подсчитать емкости нагрузки в узлах схемы.
Для подключения к выходу элемента емкости приводятся две цифры:
1. Номинальная емкость СL (L от Load)
2. Предельно допустимая емкость Cmax.
Первая емкость соответствует условиям изменения задержек сигналов, так что именно для нее справедливы значения задержек сигналов, приведенных в справочных данных.
Если реальная нагрузочная емкость отличается от номинальной, то изменяется и соотношения: , где – номинальное значение;
, где С – фактическое значение нагрузочной емкости; К - коэффициент, величина которого задается для каждой серии элементов индивидуально.
Предельно допустимая емкость Cmax указывает границу, которую нельзя нарушать, постольку при этом работоспособность элемента не гарантируется.
Разумеется, при подсчете емкостей в узлах ЦУ учитываются и емкости межсоединений.
Мощности потребления логических элементов
При разработке ЦУ требуется оценивать мощности их потребления, сформулировать требования к:
• Источникам питания;
• И конструкции теплоотвода.
При этом суммируются мощности, рассеиваемые логическими и другими элементами схемы, а так же межсоединениями.
Мощности, потребляемые элементами, делят на:
• Статические
• Динамические
Статическая мощность, потребляемая элементом, который не переключается. При переключении потребляемая дополнительно динамическая мощность, которая пропорциональна частоте переключения элемента.
Таким образом, полная мощность зависит от частоты переключения элемента, что и следует учитывать при ее подсчете. Обычно не возникает трудностей при подсчете мощностей, потребляемых биполярными схемами.
При подсчете мощностей, потребляемых элементами типа КМОП, положение намного сложнее и данных, приведенных в справочниках, может не хватить.
Типы выходных классов цифровых элементов
Цифровые элементы (логические, запоминающие, буферные) могут иметь выходы следующих типов:
• Логические
• С открытым коллектором (стоком),
• С третьим состоянием,
• С открытым эмиттером (истоком).
Наличие четырех выводов объясняется различными условиями работы элементов в логических цепях, в магистрально-модульных микропроцессорных системах и т.д.
2. Практическая часть
Основные модули графического пакета P-CAD
Система P-Cad 2001-2006 представляет собой версию популярного программного пакета для сквозного проектирования аналоговых, цифро-аналоговых и аналогово-цифровых устройств. В частности, она позволяет выполнять следующие операции:
• Подбирать элементную базу в соответствии в техническим заданием;
• Версии библиотеки символов, топологических посадочных мест и моделей компонентов;
• Осуществлять графических ввод схемы и ее упаковку на печатную плату;
• Выполнять трассировку в ручном, интерактивном и автоматическом режимах;
• Проводить смешанное аналого-цифровое моделирование на основе ядра SPICE3
• Выявлять ошибки в схеме и на печатной плате, вплоть до анализа целостности сигналов и перекрестных искажений;
• Выпускать полный комплект конструкторско-технологической документации для передачи на предприятие – изготовитель печатных плат.
В состав данного программного комплекса входит несколько тесно интегрированных между собой модулей:
• Library Executive – диспетчер библиотек, значительно упрощающий процесс подбора элементной базы для конкретного проекта.
Библиотеки P-Cad отличаются удобным интерфейсом и позволяют эффективно структурировать в табличной форме упаковочную информацию о нумерации и именовании выводов компонентов, логической эквивалентности выводов и прочих параметрах. Кроме того, они содержат обширную базу данных о продукции ведущих мировых производителей микроэлектроники (Motorola,Analog Devices, AMD, Texas Instr. и тд)
• Symbol Editor – графический редактор для формирования условно-графического обозначения (УГО) библиотечных компонентов. Оснащен средствами автоматизации разработки логических компонентов и для проверки правильности полученных символов.
• Pattern Editor – графический редактор для формирования посадочных мест компонентов. В его состав входит программа мастер Pattern Wizard, облегчающий процесс создания корпусов для типовых компонентов (например, интегральных микросхем).
• Schematic – графический редактор для ввода принципиальных схем изделия. К числу его сильных сторон стоит отнести возможность получения многолистовых схем (в том числе с иерархической структурой), наличие средств проверки, проекта и для редактирования библиотек символов компонентов.
Применения специально созданных шрифтов, удовлетворяющих требованиям российских ГОСТов и внедренных в систему проектирования, позволяет использовать на схеме и ПП надписи на русском языке.
Осуществляет контроль над соблюдением технологических норм и правил и дает возможность создавать на плате особые участки («комнаты»), в которых не действуют назначенные для всего проекта ограничения.
• Document – включение в приложение PCB и SCHEMATIC улита, значительно облегчающая подготовку конструкторской документации. В частности, она предназначена для нанесения на чертежи вспомогательной информации: динамически обновляемых списков и отчетов, диаграмм и таблиц, технологических и учетных сведений, списков соединений, выводов подключения питания т.д.
• Автотрассировщики – особые модули для автоматической прокладки проводников на печатной плате. Входящее в состав базового пакета приложение Quick Route позволяет вести трассировку на простых двусторонних печатных платах по фиксированным сеткам.
• Interroute Gold и Advanced Route – дополнительные наборы команд для PCB, позволяющие в интерактивном режиме прокладывать проводники, автоматически раздвигая помехи/ существенно облегчают и ускоряют ручную и интерактивную тассировку.
• InterPlace/PCS – многофункциональная DBX – утилита, облегчающая размещение компонентов. Входящих в ее состав инструмент PCS (Parametric Constraint Solver) позваляет на начальной стадии проектирования, которыми в последствии станут руководствоваться прочие модули системы
• Protel Advanced Sim – система цифрового, аналогового и цифро-аналогового моделирования. Обеспечивает возможность выполнять анализ по самым различным параметрам (постоянному току, частоте, спектральным характеристикам, шуму, температуре, переходным процессам),расчет передаточной функции нулей и плюсов.
Запуск редактора схем P-Cad schematic
Чтобы запустить P-Cad Schematic, выберите:
Пуск->программы P-Cad=> Schematic
Кроме того, можно воспользоваться соответствующим ярлыком на Рабочем столе (Если вы его там себе создали).
Главное окно программы состоит из следующих элементов:
• Строка меню, из которой выбором соответствующего пункта можно выполнить практически все действия, предусмотренные Schematic.
• Две верхние (одна под другой – Command toolbar и DocToolbar) и левая (Placement Toolbar) панели инструментов, содержащие кнопки наиболее часто используемых команд.
• Рабочее поле – область, непосредственно служащая для выполнения всех работ по проектированию. Именно в рабочей области отображается создаваемая/редактируемая схема.
• Строка состояния – отображается внизу окна программы и предназначена для вывода всевозможных подсказок и пояснений по ходу работы.
В частности, на ней нужно увидеть:
1. Текущие координаты курсора;
2. Тип сетки и ее шаг;
3. Текущую толщину линий;
4. Название текущей страницы;
5. Кнопку записи микрокоманд;
6. Окно выбора рабочей страницы;
Кроме того, при выполнении некоторых команд появляются дополнительные подсказки.
Настройка P-CAD Schematic
Рис. 2. Окно настройки вида и шага сетки рабочей области
На рис. 2 показано диалоговое окно для настройки сетки экрана, которое вызывается командой Options/Grids.
Размер шага сетки записывается в окне Grid Spacing и добавляется в список сеток Grids при нажатии кнопки Add. В области окна Visible Grid Style устанавливается вид сетки Dotted (точечная) или Hatched (линейная) и разрешение отображения (активный флажок Visible) сетки на экране.
В области окна Mode устанавливается начало отсчета координат: Absolute (абсолютная - в левом нижнем углу) или Relative (относительная — активизируется флажок Prompt for Origin), и после закрытия диалогового окна курсором указывается новая точка отсчета относительных координат.
3. Ответить на контрольные вопросы
Разброс параметров электронных компонентов наблюдается введением в его выходную цепь элемента задержки сигнала на фиксированное время Т3.
Выпускать полный комплект конструкторско-технологической документации для передачи на предприятие – изготовитель печатных плат.
Система P-Cad 2001-2006 представляет собой версию популярного программного пакета для сквозного проектирования аналоговых, цифро-аналоговых и аналогово-цифровых устройств.
Shematic, Wizard, Pattern Editor, Symbol Editor, Library Executive.
Необходимо выбрать один из стандартных листов, на который будут выводиться сформированные данные: элементы библиотек, создаваемые электрические схемы и т. д. Габариты выбранного формата листа подсвечиваются в строках окна Width (ширина) и Height (высота). После нажатия в области окна Title Sheets на кнопку Edit Title Sheets в появляющейся вкладке Titles можно: включить/выключить разрешение вывода чертежа форматки на экран (при включенном флажке Display Border рисунок формата листа становится видимым на экране монитора); определить, цифровыми (Numeric) или буквенным (Alpha) будут обозначения горизонтальной и вертикальной зон форматки, а после нажатия на кнопку Fields заполнить текстом разделы форматки.
4. Сделать выводы
В данной практической работе мной были изучены и описаны основные теоретические понятия: КМОП - технологий, мощности потребления логических элементов.
Также была выполнена практическая часть работы, в которой было выполнено: запуск и настройка редактора P-CAD Schematic.
После выполнения теоретической и практической части работы мной был сделан вывод по проделанной работе, в который входили ответы на контрольные вопросы по данной практической работе. Подготовлен отчёт по установленной форме и представлен для защиты преподавателю.