Circuite integrate digitale (proiectarea circuitului digital pe baza CMOS)

Introducere:

Producția de componente electronice discrete a fost revoluționată în momentul apariției primelor circuite integrate. Aceste noi componente au revoluționat atât producția de bunuri de larg consum de lunga durata, precum si cea industriala, strecurându-se astăzi în cele mai neînchipuite domenii ale vieții noastre cotidiene.

Sa ne aducem aminte de primele aparate de radio, care au fost echipate cu circuite integrate în etajul audio, apariția primelor receptoare TV echipate cu circuite integrate, radiocasetofoane si multe altele, pătrunderea automatizării în procesele de producție, apariția roboților industriali.

După etapa mecanizării, omul îndeplinește în principal funcția de conducere a proceselor tehnologice de producție. Operațiile de conducere necesita un efort fizic neglijabil, în schimb necesita un efort intelectual important. Pe de alta parte unele procese tehnice se desfășoară rapid, încât viteza de reacție a unui operator uman este insuficientă pentru a transmite o comanda necesara în timp util.

Se constata astfel ca la un anumit stadiu de dezvoltare a proceselor de producție devine necesar ca o parte din funcțiile de conducere sa fie transferate unor echipamente si aparate destinate special acestui scop, reprezentând echipamente si aparate de automatizare. Omul rămâne însă cu supravegherea generala a funcționarii instalațiilor automatizate si cu adoptarea deciziilor si soluțiilor de perfecționare si optimizare.

Prin automatizarea proceselor de producție se urmărește asigurarea tuturor condițiilor de desfășurare a acestora fără intervenția operatorului uman. Aceasta etapa presupune crearea acelor mijloace tehnice capabile sa asigure evoluția proceselor într-un sens prestabilit, asigurându-se producția de bunuri materiale la parametri doriți.

Etapa automatizării presupune existenta proceselor de producție astfel concepute încât sa permită implementarea mijloacelor de automatizare, capabile sa intervină într-un sens dorit asupra proceselor asigurând condițiile de evoluție a acestora în deplina concordanta cu cerințele optime.

Totul a fost motivat și demonstrat prin creșterea performantelor tehnici, a fiabilității produselor si în scăderea prețului de cost.

Ce este de fapt un circuit integrat? Un ansamblu de componente discrete ( diode, tranzistoare, rezistente, condensatoare si chiar bobine ) montate pe un suport de siliciu miniatural numit “cip”. Acest ansamblu a fost standardizat si a căpătat forme de capsule cu diferite dimensiuni si număr de terminale. Numărul componentelor a crescut de la câteva sute, la câteva mii sau chiar zeci de mii în cazul microprocesoarelor.

Circuitele integrate TTL s-au culminat în cele mai simple microprocesoare de fabricație româneasca ca: procesorul de 1 bit PC 14500, numărătorul de program de 4 biți PC 14104 sau demultiplexor 1:8 cu memorie.

Circuitele integrate logice, care au fost folosite cu zecile de mii în primele calculatoare, dar și în alte aplicații industriale, de automatizare si robotizare, au netezit calea spre realizarea circuitelor integrate liniare, care puneau probleme noi, generate de complexitatea structurii, de particularitățile procesului tehnologic, de varietatea metodelor si a aparaturii de testare.

Circuitele integrate au fost proiectate si perfectionate pe diferite domenii de utilizare: așa s-au născut cele logice, cele analogice, ori lineare etc. În funcție de caracteristicile funcționale si de domeniul de aplicații cele analogice au fost grupate pe familii: amplificatoare operaționale (AO), circuite de uz industrial, circuite de audio, radio si TV, arii de diode si tranzistoare. Si totuși, ele nu pot fi clasificate foarte exact după niște criterii prestabilite deoarece, au domenii de aplicare foarte largi.

1.Sarcina lucrării:

De proiectat circuitul digital pe baza CMOS conform funcției

si sarcinii inițiale conform variantei I- a:

Tensiunea alimentare U,V 9

Factorul de asociere a porții SI-NU 2

Factorul de asociere a porții SAU-NU 3

Coeficientul de sortanță N 20

Capacitatea sarcinii Cs, pF 5

Frecvența iterative a semnalului fint, MHz 2

U_int^1-U_out^1-U^1, V 8.2

U_int^0-U_out^0-U^0, V 0.3

Tensiunea de prag (n-canal) Upr.n ,V 1.5

Tensiunea de prag (p-canal) Upr.p ,V -1

Panta specifica (n-canal) Sn, mA/V2 0.25

Panta specifica (p-canal) Sp, mA/V2 0.1

Setul logicii SI-NU

2.Considerente teoretice:

Informația din mediul înconjurător se prezintă sub formă analogică. Pentru a fi prelucrată și transmisă informația naturală este convertită în semnale electrice cu ajutorul unor dispozitive speciale (senzori, traductoare etc.). În cazul semnalelor analogice, informația este conținută în parametrii semnalelor (amplitudine, frecvență, fază etc.). Aceste semnale pot fi prelucrate direct cu ajutorul unor sisteme (circuite) analogice, dintre care multe pot fi realizate în tehnologia MOS. Cu toate acestea, în general se preferă prelucrarea și transmisia informației sub forma digitală (numerică), semnale electrice codificate având un număr limitat de stări logice, în caz cel mai răspândit, logica binară, aceste stări sunt în număr de două "0" și "l", "fals" și "adevărat", sau starea "joasă" și stare "înaltă".

În acest mod, un semnal analogic poate reprezenta mult mai multă informaţie, de exemplu 16 biţi. Motivul acestui aparent sacrificiul este acela că la trecerea unui semnal analogic printr-un lanţ de elemente de prelucrare (sau printr-o linie de comunicaţie), fiecare element introduce în mod inevitabil zgomot şi distorsiuni. Aceste abateri de la cazul ideal se acumulează direct sub formă de erori în semnalul de ieşire. Prelucrarea informaţiei necesită uneori milioane sau chiar miliarde de etape consecutive. Semnalele analogice nu pot suporta un număr atît de mare de transformări fără că erorile acumulate să distrugă informaţia. În schimb, un semnal digital poate parcurge un lanţ nelimitat de etape de prelucrare logică, fără ca informaţia să fie alterată. Prin urmare, sistemele electronice digitale sînt teoretic extensibile nelimitat.

Inversorul MOS este cel mai simplu circuit logic binar. El trebuie să poată comanda intrarea etajului următor cu mai multă energie decît a primit la intrarea proprie. Urmează că energia necesară comutaţiei nu poate fi obţinută din semnalul de intrare, fiind necesară o sursă separată de alimentare cu energie.