施密特触发器.docx
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施密特触发器
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
信息工程学院
题目:
CMOS施密特触发器设计
初始条件:
计算机、ORCAD软件、L-EDIT软件
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明
书撰写等具体要求)
1、课程设计工作量:
2周
2、技术要求:
(1)学习ORCAD软件,L-EDIT软件。
(2)设计一个基于CMOS结构的施密特触发电路电路。
(3)利用ORCAD软件L-EDIT对该电路进行系统设计、电路设计和
版图设计,并进行相应的设计、模拟和仿真工作。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要
求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印,图纸应符合绘图规范。
时间安排:
1.2014.12.29布置课程设计任务、选题;讲解课程设计具体实施计划
与课程设计报告格式的要求;课程设计答疑事项;
2.2014.12.29-12.31学习ORCAD软件,L-EDIT软件,查阅相关资料,
复习所设计内容的基本理论知识;
3.2015.1.1-1.8对施密特触发器电路进行设计仿真工作,完成课设报告撰写;
4.2015.1.9提交课程设计报告,进行答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
2软件介绍2
2.1ORCAD2
2.2L-EDIT3
2.2.1设计规则(DesignRule)3
3电路原理及设计6
3.1施密特触发器原理6
3.2电路的设计10
3.3版图制作10
4电路仿真12
5心得体会13
参考文献14
摘要
集成电路,是通过一系列特定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件,按照一定的电路互联,“集成”在一块半导体晶片上,封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能的一种器件。
本次课设中选择做CMOS施密特触发器,施密特触发器是一种用途十分广泛的脉冲单元电路。
利用它所具有的电位触发特性,可以进行脉冲整形,把边沿不够规则的脉冲整形为边沿陡峭的矩形脉冲;通过它可以进行波形变换,把正弦波变换成矩形波;另一个重要用途就是进行信号幅度鉴别,只要信号幅度达到某一设定值,触发器就翻转,所以常称它为鉴幅器。
本文主要介绍了触发器的发展历程,基本原理及其构成。
并且在介绍了CAD软件及L-IDET的相关信息后对施密特触发器进行了电路设计、仿真及版图设计,并对实验结果进行一系列的分析。
关键词:
施密特触发器CMOS仿真
1绪论
如果电路在某一时刻的输出状态不仅取决于电路在这一时刻的输入状态,而且与电路过去的状态有关,也就是说电路具有了记忆功能,这种电路我们称之为时序逻辑电路。
时序逻辑电路中能够完成记忆功能的电路叫做触发器,它是最重要、最基本的时序逻辑电路。
触发器和组合电路可以组成多种时序逻辑单元电路,比如计数器、移位寄存器、随即存储器等。
施密特触发器也是触发器的一种。
施密特触发器是由美国科学家奥托·赫伯特·施密特(Otto Herbert Schmitt)于1934年发明,当时他只是一个研究生,后于1937年他在其博士论文中将这一发明描述为“热电子触发器”。
这一发明是施密特对鱿鱼神经中的神经脉冲传播进行研究的直接成果。
在电子学中,施密特触发器是包含正反馈的比较器电路。
对于标准施密特触发器,当输入电压高于正向阈值电压,输出为高;当输入电压低于负向阈值电压,输出为低;当输入在正负向阈值电压之间,输出不改变,也就是说输出由高电平翻转为低电平,或是由低电平翻转为高电平对应的阈值电压是不同的。
只有当输入电压发生足够的变化时,输出才会变化,因此将这种元件命名为触发器。
这种双阈值动作被称为迟滞现象,表明施密特触发器有记忆性。
从本质上来说,施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。
本次课程设计中,将使用ORCAD软件及L-DIT软件制作CMOS结构施密特触发器,并对其进行原理图设计仿真以及版图设计。
2软件介绍
2.1ORCAD
ORCAD是由ORCAD公司于八十年代末推出的EDA软件,它是世界上使用最广的EDA软件,每天都有上百万的电子工程师在使用它,相对于其它EDA软件而言,它的功能也是最强大的,由于ORCAD软件使用了软件狗防盗版,因此在国内它并不普及,知名度也比不上PROTEL,只有少数的电子设计者使用它,它进入国内是在电脑刚开始普及的94年。
早在工作于DOS环境的ORCAD4.0,它就集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字电路仿真、可编程逻辑器件设计等功能,而且它的界面友好且直观,它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的,在世界上它一直是EDA软件中的首选。
ORCAD公司在2000年七月与CADENCE公司合并后,更成为世界上最强大的开发EDA软件的公司,它的产品ORCAD世纪集成版工作于WINDOWS95与WINDOWSNT环境下,集成了电原理图绘制,印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能,它的电路仿真的元器件库更达到了8500个,收入了几乎所有的通用型电子元器件模块,它的强大功能导致了它的售价不菲,在北美地区它的世纪加强版就卖到了$7995
CadenceOrCADCapture是一款多功能的PCB原理图输入工具。
OrCADCapture作为行业标准的PCB原理图输入方式,是当今世界最流行的原理图输入工具之一,具有简单直观的用户设计界面。
OrCADCaptureCIS具有功能强大的元件信息系统,可以在线和集中管理元件数据库,从而大幅提升电路设计的效率。
OrCADCapture提供了完整的、可调整的原理图设计方法,能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。
将原理图设计技术和PCB布局布线技术相结合,OrCAD能够帮助设计师从一开始就抓住设计意图。
不管是用于设计模拟电路、复杂的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理图修改,还是用于设计层次模块,OrCADCapture都能为设计师提供快速的设计输入工具。
此外,OrCADCapture原理图输入技术让设计师可以随时输入、修改和检验PCB设计。
拥有以下几个特点优点
1、图形化、平面化和层次化设计能力提高了原理图设计效率;
2、与强大的元件信息系统(CIS)高度集成,促进优选器件和已有器件库的重用,可以加快原理图设计进程,降低项目成本;
3、便于查找元件,并与MRP、ERP、PDM数据库实现高度集成;
4、为用户提供超过200万的免费元件库,便于灵活选择设计元件;
5、集中管理物料编号和器件信息;
6、可进行数据流程、封装以及互联的在线设计规则检查;
7、用户可以对元件、连线、网络、引脚和标题框进行灵活的编辑和定义;
8、可以导入和导出所有常用的设计文件格式;
9、宏记录器可用于复杂的原理图编辑和定制过程的录制。
2.2L-EDIT
L-Edit是TannerToolsPro工具软件中的一个软件包,可以在同一窗口中进行版图设计、设计规则检查、网表提取、标准单元自动布局与连线等工作。
配合在S-Edit中建立的相应电路,可以在TannerToolsPro提供的另一个工具LVS完成布局与电路的比对。
2.2.1设计规则(DesignRule)
设计规则是设计人员与工艺人员之间的接口与“协议”,版图设计必须无条件的服从的准则,可以极大地避免由于短路、断路造成的电路失效和容差以及寄生效应引起的性能劣化。
设计规则主要包括几何规则、电学规则以及走线规则。
其中几何设计规则通常有两类:
①微米准则:
用微米表示版图规则中诸如最小特征尺寸和最小允许间隔的绝对尺寸。
②λ准则:
用单一参数λ表示版图规则,所有的几何尺寸都与λ成线性比例。
设计规则分类如下:
图2-1最大最小宽度
1.拓扑设计规则(绝对值):
最小宽度、最小间距、最短露头、离周边最短距离。
2.λ设计规则(相对值):
最小宽度w=mλ、最小间距s=nλ、最短露头t=lλ、离周边最短距离d=hλ(λ由IC制造厂提供,与具体的工艺类型有关,m、n、l、h为比例因子,与图形类形有关)。
①宽度规则(widthrule):
宽度指封闭几何图形的内边之间的距离。
②间距规则(Separationrule):
间距指各几何图形外边界之间的距离。
图2-2同一工艺层的间距图2-3不同工艺层的间距
③交叠规则(Overlaprule)
交叠有两种形式:
(1)一几何图形内边界到另一图形的内边界长度(intersect)
(2)一几何图形外边界到另一图形的内边界长度(enclosure)
④因为物理结构直接决定晶体管的跨导、寄生电容和电阻,以及用于特定功能的硅区,所以说物理版图的设计与整个电路的性能(面积、速度、功耗)关系密切。
另一方面,逻辑门精密的版图设计需要花费很多的时间与精力。
这在按照严格的限制对电路的面积和性能进行优化时是非常需要的。
但是,对大多数数字VLSI电路的设计来说,自动版图生成是更好的选择(如用标准单元库,计算机辅助布局布线)。
为判断物理规范和限制,VLSI设计人员对物理掩膜版图工艺必须有很好的了解。
因为物理结构直接决定晶体管的跨导、寄生电容和电阻,以及用于特定功能的硅区,所以说物理版图的设计与整个电路的性能(面积、速度、功耗)关系密切。
CMOS逻辑门掩膜版图的设计是一个不断反复的过程。
首先是电路布局(实现预期的逻辑功能)和晶体管尺寸初始化(实现期望的性能规范)。
绘制出一个简单的电路版图,在图上显示出晶体管位置、管间的局部互连和接触孔的位置。
有了合适的版图结构后,就可以根据版图设计规则利用版图编辑工具绘出掩膜层。
这个过程可能需要多次反复以符合全部的设计规则,但基本布局不应有太大的改变。
进行DRC(设计规则检查)之后,就在完成的版图上进行电路参数提取来决定实际的晶体管尺寸,更重要的是确定每个节点的寄生电容。
提取步骤完成后,提取工具会自动生成一个详细的SPICE输入文件。
在就可以使用提取的网表通过SPICE仿真确定电路的实际性能,如果仿真出的电路性能(如瞬态响应时间或功耗)与期望值不相符,就必须对版图进行修改并重复上面的过程。
版图修改主要是对晶体管尺寸中的宽长比进行修改。
这是因为管子的宽长比决定器件的跨导和寄生源极和漏极电容。
为了减小寄生效应,设计者也必须考虑对电路结构进行局部甚至全部的修改。
掩膜版图设计流程图:
图2-3设计流程
3电路原理及设计
3.1施密特触发器原理
施密特触发器不同于前述的各类触发器,它具有下述特点:
(1)属于电平触发,对于缓慢变化的信号仍然适用,当输入信号达到某一定电压值时,输出电压会发生突变。
(2)输入信号增加和减少时,电路有不同的阈值电压,它具有如图3-1所示的传输特性。
图3-1施密特电路的传输特性
在模拟电路中,曾经讨论过由集成运放构成的施密特触发器(带正反馈的迟滞比较器),下面介绍本次课设中需要制作的施密特触发器。
一、门电路组成的施密特触发器
由CMOS门组成的施密特触发器如图3-2所示。
(a)电路 (b)图形符号
图3-2CMOS反相器组成的施密特触发器
电路中两个CMOS反相器串接,分压电阻R1 、R2 将输出端的电压反馈到输入端对电路产生影响。
假定电路中CMOS反相器的阈值电压 , 且输入信号 为三角波,其电路的工作过程如下。
门的输入电平 决定着电路的状态,根据叠加原理有
=
当 =0V时, 门截止, 门导通,输出端 V。
此时 »0V。
输入从0V电压逐渐增加,只要 ,则电路保持 V不变。
当 上升使得 ,时,使电路产生如下正反馈过程:
这样,电路状态很快转换为 ,此时 的值即为施密特触发器在输入信号正向增加时的阈值电压,称为正向阈值电压,用 表示。
此时
»
所以 =(1+
当 时,电路状态维持 不变。
继续上升至最大值后开始下降,当 时,电路产生如下正反馈过程:
这样电路又迅速转换为 V的状态,此时的输入电平为 减小时的阈值电压,称为负向阈值电压,用 表示。
此有
=
将 =2 代入可得
»
只要满足 < ,施密特电路就稳定在 V的状态。
定义回差电压为
上式表明,电路回差电压与 / 成正比,改变R1 ,R2 的比值即可调节回差电压的大小。
电路的工作波形及传输特性如图3-3所示。
(a)工作波形 (b)传输特性曲线
图3-3施密特触发器工作波形及传输特性曲线
二、集成施密特触发器
集成施密特触发器性能稳定,应用广泛,下面以CMOS集成施密特触发器CC40106(见图3-4)为例介绍其工作原理。
(a)电路图
(b)传输特性曲线 (c)逻辑符号
图3-4CMOS集成施密特触发器电路
由图可见,电路由施密特电路、整形及和缓冲输出级组成,其核心部分为施密特电路。
施密特电路由P沟道MOS管 ~ 、N沟道MOS管 ~ 组成,设P沟道MOS管的开启电压为 ,N沟道MOS管开启电压为 ,输入信号 为三角波。
1施密特触发器
当 =0时, 、 导通, 、 截止,电路中 为高电平( ), 。
的高电平同时使 截止, 导通且工作于源极输出状态。
的源极电位, ,该电位较高。
电位逐渐升高,当 > 时 先导通,而 源极电压 较大,即使 > /2, 仍不能导通,直至继续升高至 、 趋于截止时,随着其内阻增大, 和 才开始相应减少。
当 - ³ 时, 导通,并引起如下正反馈过程:
于是 、 迅速截止, 为低电平,电路输出状态转换为 。
的低电平使 截止、 导通且工作于源极输出器状态, 的源极电压 。
同理可分析,当 逐渐下降时,电路工作过程与 上升过程类似,只有当∣ - ∣>∣ ∣时,电路又转换为 为高电平, 的状态。
在 » 的条件下,电路的正向阈值电压 且随着 增加而增加。
在
下降过程中的负向阈值电压 。
由上述分析可知,电路在
上升和下降过程分别有不同的两个阈值电压,具有施密特电压传输特性。
其传输特性如图3-4所示。
2 整形级
整形级由 、 、 、 组成,电路为两个首尾相连的反相器。
在 上升和下降过程中,利用两级反相器的正反馈作用可使输出波形有陡直的上升沿和下降沿。
3 输出级
输出极为 和 组成的反相器,它不仅能起到与负载隔离的作用,而且提高了电路带负载能力。
3.2电路的设计
图3-4施密特触发器电路图
3.3版图制作
1.首先按照规则画出NMOS管和PMOS管,如图:
图3-5NMOS管图3-6PMOS管
2.将PMOS管和NMOS管按规则排好,将元器件间的线连好后加入电源和地线。
图3-7整体版图
3点击DRC运行检查错误,有错误则按提示修改,直至完全没错是版图完成。
图3-8错误检测结果
4电路仿真
图4-1电路仿真结果
至此本次施密特触发器电路图制作,制版以及仿真过程全部完成。
图4-1中v3为输入端波形,m9为输出端波形。
由仿真结果可以看出此次电路成功实现了施密特触发器的功能,在输入正弦波信号后,有规律性的输出方波,符合施密特触发器该有的现象。
5心得体会
在这次课程设计中,首先我搜集并阅读了不少关于施密特触发器的资料和文献;然后又复习了以前学的一些专业课知识,尤其是数电模电的应用,设计并对电路进行仿真.由于是很久没使用ORCAD这个软件,在开始的时候困难重重,如编译出错、模块整合后的一些层次化不对等问题。
尤其是数电书上及一些查阅的资料上的电路经过实验后存在些许问题,花费了近两天才在和同学的商讨中解决这个问题.当然设计过程中问题不仅这些,不过最后都或通过与同学讨论、查资料使得问题得以解决.当然也遗留了一些问题,希望在以后的学习中能知道答案。
从以上的设计、仿真和分析过程以及许多文献中都可以看出施密特触发器的相关知识和运用远远不止这些,但是由于诸多条件以及自身原因,目前只能做到此等程度。
但是在以后的学习中一定会好好学习,加以改正和提高。
除此之外,再次巩固了ORCAD的用法,学习了版图的画法也让我感到收益良多。
通过这次课程设计,我发现了自身存在的不足之处,虽然感觉理论上已经掌握,但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑,经过一番努力才得以解决。
本次课程设计是从理论到实践的一种升华,使我认识到只有通过仿真验证,证实了某种设计的正确性,才可以进入实物的制作阶段,在各部分设计和仿真的过程中,一定要有认真扎实的态度,千万不能盲目,不能投机取巧。
还有,在以后的学习和工作中,一定要抓住学习和实践相结合,要多学多用。
参考文献
[1]阎石. 数字电子技术基础(第五版)[M].北京:
高等教育出版社,2008
[2]童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版).北京:
高等教育出版社,2003.
[3]吴友宇.模拟电子技术基础.北京:
清华大学出版社,2009
[4]吴友宇.数字电子技术基础.北京:
清华大学出版社,2009
[5]康华光.电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2005
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