1、集成電路課程設(shè)計(jì)標(biāo)題模塊3計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)姓氏學(xué)號(hào)專業(yè)課引言計(jì)數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中主要為測量、計(jì)數(shù)和控制計(jì)算脈沖數(shù)，同時(shí)還兼具分頻功能。計(jì)數(shù)器由基本計(jì)數(shù)單元和一些控制閘門組成，計(jì)數(shù)單元由具有RS觸發(fā)器、t觸發(fā)器、d觸發(fā)器、JK觸發(fā)器等信息存儲(chǔ)功能的一系列觸發(fā)器組成。計(jì)數(shù)器廣泛用于數(shù)字系統(tǒng)中，包括從電子計(jì)算機(jī)的控制器中計(jì)數(shù)命令地址，依次刪除以下命令，在計(jì)算操作中進(jìn)行乘法、除法、減法計(jì)數(shù)、數(shù)字設(shè)備中記錄脈沖計(jì)數(shù)等。計(jì)數(shù)器可用于顯示產(chǎn)品的操作狀態(tài)，通常用于指示產(chǎn)品完成時(shí)的折疊操作數(shù)。以電子計(jì)數(shù)器為代表的計(jì)數(shù)器在20世紀(jì)50年代初出現(xiàn)，經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，現(xiàn)在面貌發(fā)生了新的變化，性能不斷改善，功能不斷擴(kuò)展，

2、自動(dòng)化程度不斷提高，早就打破了只能用于頻率或數(shù)量測量的概念，滲透到各個(gè)測量技術(shù)領(lǐng)域，成為尖端科學(xué)研究、通信、導(dǎo)航和精密測量不可缺少的設(shè)備。數(shù)字電子技術(shù)中最常用的順序邏輯電路。計(jì)數(shù)器不僅可以用于時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、位脈沖和脈沖序列生成以及數(shù)字運(yùn)算。但是，計(jì)算結(jié)果不會(huì)顯示，通常只能通過外部液晶屏或指示燈屏幕顯示。電子計(jì)數(shù)器等大多數(shù)計(jì)數(shù)器經(jīng)歷了管、晶體管、集成電路三個(gè)發(fā)展階段。集成電路的開發(fā)和應(yīng)用使得計(jì)數(shù)器很可能采用最新的電路組件和技術(shù)，從而進(jìn)一步提高電子計(jì)數(shù)器的性能。隨著計(jì)數(shù)器技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)數(shù)器的種類越來越多，復(fù)蓋范圍越來越廣，隨之而來的競爭也越來越激烈。繁重的技術(shù)也成為

3、眾多生產(chǎn)企業(yè)競爭的主要重點(diǎn)之一。制造商為了在競爭中處于不敗之地，不斷提高技術(shù)，增加產(chǎn)品種類。電磁計(jì)數(shù)器、電子計(jì)數(shù)器、機(jī)器計(jì)數(shù)器(機(jī)器計(jì)數(shù)器拉動(dòng)、機(jī)器計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器計(jì)數(shù)器按壓、長度測量機(jī)器計(jì)數(shù)器)、LCD計(jì)數(shù)器等，計(jì)數(shù)器的適用范圍隨著行業(yè)而大大增加。本課程在小紅帽系統(tǒng)中使用cadence軟件，設(shè)計(jì)用于三循環(huán)脈沖輸出和驗(yàn)證的時(shí)鐘3計(jì)數(shù)器。主機(jī)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)要求：1、使用cadence軟件創(chuàng)建時(shí)鐘模式3計(jì)數(shù)器，輸出延遲在時(shí)鐘周期10ns、1 ns以下：2、自制單元庫和每個(gè)單元輸出都有模擬波形。第二，分析設(shè)計(jì)理念：模數(shù)3計(jì)數(shù)器輸出兩個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)，00，01，10循環(huán)計(jì)數(shù)，在不同計(jì)數(shù)狀態(tài)下各輸出一個(gè)周期

4、的脈沖信號(hào)。時(shí)鐘3計(jì)數(shù)器具有用于輸入CP信號(hào)的信號(hào)輸入端，三個(gè)信號(hào)輸出端口分別為x、y和z。因?yàn)槿齻€(gè)輸出信號(hào)由二進(jìn)制數(shù)控制。二進(jìn)制計(jì)數(shù)對應(yīng)于00、01、10周期中的三個(gè)計(jì)數(shù)狀態(tài)分別由x、y、z輸出的三個(gè)周期脈沖信號(hào)，因此，需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘控制二進(jìn)制周期計(jì)數(shù)器，其中CP信號(hào)上升沿時(shí)間狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表如下：000101101000輸出狀態(tài)對應(yīng)的三種狀態(tài)真值表如下：xyz001000101010001這樣，邏輯表達(dá)式如下所示：三、電路設(shè)計(jì)：根據(jù)狀態(tài)分析和邏輯表達(dá)式，可以配置門、非門觸發(fā)器、d觸發(fā)器以及符合要求的計(jì)數(shù)器；門、非門觸發(fā)器和d觸發(fā)器都可以配置為cadence中的CMOS設(shè)備。1、逆變器

5、(非門)設(shè)計(jì)首先進(jìn)入Cadence，創(chuàng)建專用工作目錄。登錄到工作站后，在桌面空白處，右鍵單擊tools - Terminal以打開終端。在終端中輸入mkdir mydir，然后輸入您自己的工作目錄CD mydir。啟動(dòng)Cadence，在終端上輸入命令icfb以顯示Cadence初始界面，打開Cadence的主控制窗口Command Interpreter Window(CIW)，然后設(shè)置個(gè)人作業(yè)庫。單擊菜單欄Tools - Library Maneger打開lm窗口，單擊file File - New - Library打開New Library窗口，然后在Name列中輸入要?jiǎng)?chuàng)建的新庫的名稱z

6、hengzhongfeng，再單擊OK確認(rèn)。出現(xiàn)“Technology File設(shè)置”窗口，選擇第一個(gè)Compile a new techfile，然后單擊“確定”。將出現(xiàn)“加載技術(shù)文件”(Load Technology File)窗口，并創(chuàng)建名為zhengzhongfeng的新存儲(chǔ)庫。使用CIW建立新線路圖、CIW視窗File - New - CellView、快顯新建對話方塊、Library Name欄中選取唯一工作資源庫(例如mylib)，在Cell Name欄中輸入線路圖名稱(例如invert)，然后在Tool欄中輸入Composer-ScheerView Name列將自動(dòng)更改為sch

7、ematic，然后單擊OK。此操作將彈出Composer主界面，新結(jié)構(gòu)圖成功。單擊菜單欄- Add - Instance添加設(shè)備，然后繪制CMOS逆變器以創(chuàng)建非澆口設(shè)備。依次單擊Analog lib-activates-pm-symbol，然后單擊close。“添加設(shè)備”窗口剛剛更改。您可以看到Library、Cell、View等已自動(dòng)填充了相應(yīng)的信息。同時(shí)有多個(gè)參數(shù)的列表(拖動(dòng)滾動(dòng)條可查看更多信息)。單擊Hide隱藏當(dāng)前窗口。此時(shí)鼠標(biāo)相當(dāng)于PMOS中的symbol，移動(dòng)PMOS，然后左鍵單擊釋放鼠標(biāo)。繼續(xù)布置NMOS晶體管、電源和地面。設(shè)備名稱為nmos4、vdd和gnd。釋放所有設(shè)備后，連

8、接設(shè)備，輸入熱鍵w，轉(zhuǎn)到連接命令，在起點(diǎn)單擊鼠標(biāo)左鍵，然后在終點(diǎn)單擊鼠標(biāo)左鍵。繪制直線段而不退出“直線”命令后，可以繼續(xù)繪制直線，直到按ESC鍵結(jié)束“直線”命令?，F(xiàn)在設(shè)定元件參數(shù)，然后按一下PMOS加以選取。PMOS被白色框包圍，然后輸入快捷鍵q，將出現(xiàn)“編輯屬性”(edit properties)對話框。輸入Model name和PMOS的柵格長度和柵格寬度。網(wǎng)格長度為常數(shù)550n，網(wǎng)格寬度為功能PPAR(“WP”)，此處使用的Spice型號(hào)是SMIC提供的，因此有兩種型號(hào)：p18和p33，18表示1.8V的電源電壓。繼續(xù)使用相同的方法設(shè)置NMOS參數(shù)，不同之處在于將模型名稱設(shè)置為n18，將

9、柵格長度設(shè)置為550n，將柵格寬度設(shè)置為PPAR(“wn”)。完成上述操作后，還必須放置I/O端口以標(biāo)識(shí)回路中的I/O。輸入快捷鍵p并運(yùn)行“放置端口”命令后，將彈出對話框。在Pin Names列中輸入端口名稱Vin，在Direction列中選擇input，單擊Hide，然后將端口放在逆變器左側(cè)輸入線上。使用相同的方法重新放置輸出端口。將端口方向更改為output，并將名稱更改為Vout，將其放置在逆變器右側(cè)的輸入線上。最終完成圖如下圖所示。設(shè)計(jì)完成后，必須檢查回路圖以進(jìn)行仿真，然后單擊菜單欄-“確定并保存”，或輸入快捷鍵大寫x檢查并保存回路。為逆變器創(chuàng)建Symbol，在CIW窗口菜單欄-Ope

10、n、“打開彈出窗口”對話框、選擇自己的庫、設(shè)備inverter、viewname列中選擇schematic，然后單擊OK打開繪制的逆變器原理圖。單擊Composer窗口菜單欄-design-create cell view-from cell view，彈出Cellview from Cellview窗口，然后單擊OK。顯示“編輯Symbol”窗口，選擇綠色矩形框，然后選擇“添加- ShapePolygon”，以便僅在矩形框位置繪制三角形。鼠標(biāo)在三個(gè)端點(diǎn)處單擊三次即可。請將繪制圓的位置放在三角形的右側(cè)。再次添加Add-Shape-Circle，在中心位置之前單擊鼠標(biāo)左鍵，移動(dòng)鼠標(biāo)以獲取適當(dāng)圓的

11、半徑，然后單擊左鍵進(jìn)行確認(rèn)。將圖中的I/o端口以及partname和instanceName移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?。最后，適當(dāng)修改紅色長方體的大小(鎖定三角形和端口)。單擊“Design-check and save”保存繪制的Symbol。最后，模擬器為仿真測試編寫了仿真電路。繪制測試回路，如下圖所示。獲取波形圖：放大波形。如上圖所示，輸出延遲不超過1ns，滿足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)，逆向裝置完成了非門單元設(shè)計(jì)。2、和門設(shè)計(jì)語句的邏輯關(guān)系表達(dá)式為Y=AB，它由集成電路中基本CMOS單位的語句和組合和語句組成，而不是由語句組成。其中和碑文由兩個(gè)PMOS管道和兩個(gè)NMOS管道組成。Candence軟件的結(jié)構(gòu)圖

12、如下在a、b輸入部，頻率不同的方波作為時(shí)鐘脈沖輸入和信號(hào)輸入，輸出側(cè)電容作為負(fù)載，和門的模擬電路結(jié)構(gòu)圖如下。和門模擬測試模擬波形：放大波形：結(jié)果表明，輸出延遲不超過1ns，滿足設(shè)計(jì)要求。3，d觸發(fā)電路設(shè)計(jì)觸發(fā)器包括級(jí)別觸發(fā)器和邊緣觸發(fā)器。如果在較低級(jí)別觸發(fā)的主從觸發(fā)器工作，則必須在跟隨上升之前添加輸入信號(hào)。在CP高水位期間，如果輸入部發(fā)出干擾信號(hào)，則觸發(fā)器的狀態(tài)可能不正確。邊緣觸發(fā)器可以在CP觸發(fā)器發(fā)生前的瞬間添加輸入信號(hào)。這大大減少了輸入端受到干涉的時(shí)間，并降低了干涉的可能性。因此，邊緣d觸發(fā)器也稱為阻塞邊緣保持d觸發(fā)器。d觸發(fā)器的設(shè)計(jì)電路圖如下：d觸發(fā)器的仿真回路如下圖所示。模擬波形圖：放大波形。在波形放大圖中，可以看到輸出延遲不超過1ns，滿足設(shè)計(jì)要求。4、使用下面的非語句、和d觸發(fā)器根據(jù)真值表創(chuàng)建時(shí)鐘模式3計(jì)數(shù)器實(shí)施電路包括：計(jì)數(shù)器模擬：模擬波形：放大波形：在波形放大圖中，可以看到輸出延遲不超過1ns，滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)論：通過查看非門、門、d觸發(fā)器以及構(gòu)成它們的計(jì)數(shù)器的模擬和波形，可以看到使用cadence創(chuàng)建的時(shí)鐘控制模塊3計(jì)數(shù)器分別工作，具有滿足要求的模擬波形輸出，并且整個(gè)模式3計(jì)數(shù)器滿足設(shè)計(jì)要求。從打開小紅帽系統(tǒng)開始，個(gè)人工作室，