Đồ án: Mạch tích hợp chuyển mã BCD sang nhị phân công nghệ CMOS

Đồ án mạch tích hợp chuyển mã BCD sang nhị phân. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, thiết kế mạch, ứng dụng thực tế của mạch chuyển đổi BCD sang Binary.

• Tác giả: Phạm Hoàng Phúc
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Cao Quý
• Trường học: Đại học Cần Thơ
• Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông
• Đề tài: Mạch chuyển mã BCD (thập phân sang nhị phân)
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC
• 2.1. Giới thiệu công nghệ CMOS
• 2.2. Lựa chọn thông số cho đề tài
• 2.3. Giới thiệu phần mềm HSPICE
• 2.4. Giới thiệu phần mềm MICROWIND
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 3.1. Giới thiệu mạch chuyển mã BCD
• 3.2. Bảng sự thật và rút gọn các ngõ ra
• 3.3. Sơ đồ nguyên lý kiểu Gate Logic
• 3.4. Sơ đồ nguyên lý theo công nghệ CMOS
• 3.4.1. Giới thiệu cổng Not
• 3.4.2. Bảng sự thật và sơ đồ nguyên lý cổng Not
• 3.4.3. Cổng Not theo công nghệ CMOS
• 3.4.4. Mô phỏng nguyên lý cổng Not trong HSPICE
• 3.4.5. Kết quả mô phỏng HSPICE cổng Not
• 3.4.6. Vẽ layout cổng Not trong MicroWind
• 3.4.7. Kết quả tín hiệu MicroWind cổng Not
• 3.5. OR GATE 2 INPUT
• 3.5.1. Giới thiệu cổng Or hai ngõ vào
• 3.5.2. Bảng sự thật và sơ đồ nguyên lý cổng Or 2
• 3.5.3. Cổng Or 2 theo công nghệ CMOS
• 3.5.4. Mô phỏng nguyên lý cổng Or 2 trong HSPICE
• 3.5.5. Kết quả mô phỏng HSPICE cổng Or 2
• 3.5.6. Vẽ layout cổng Or 2 trong MicroWind
• 3.5.7. Kết quả tín hiệu MicroWind cổng Or 2
• 3.6. OR GATE 4 INPUT
• 3.6.1. Giới thiệu cổng Or bốn ngõ vào
• 3.6.2. Bảng sự thật và sơ đồ nguyên lý cổng Or 4
• 3.6.3. Cổng Or 4 theo công nghệ CMOS
• 3.6.4. Mô phỏng nguyên lý cổng Or 4 trong HSPICE
• 3.6.5. Kết quả mô phỏng HSPICE cổng Or 4
• 3.6.6. Vẽ layout cổng Or 4 trong MicroWind
• 3.6.7. Kết quả tín hiệu MicroWind cổng Or 4
• 3.7. OR GATE 5 INPUT
• 3.7.1. Giới thiệu cổng Or năm ngõ vào
• 3.7.2. Bảng sự thật và sơ đồ nguyên lý cổng Or 5
• 3.7.3. Cổng Or 5 theo công nghệ CMOS
• 3.7.4. Mô phỏng nguyên lý cổng Or 5 trong HSPICE
• 3.7.5. Kết quả mô phỏng HSPICE cổng Or 5
• 3.7.6. Vẽ layout cổng Or 5 trong MicroWind
• 3.7.7. Kết quả tín hiệu MicroWind cổng Or 5
• 3.8. Mô phỏng nguyên lý toàn mạch trong HSPICE
• 3.9. Kết quả mô phỏng HSPICE toàn mạch
• 3.10. Vẽ layout toàn mạch trong MicroWind
• 3.11. Kết quả tín hiệu MicroWind toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ THAM KHẢO
• 4.1. Ưu điểm và nhược điểm
• 4.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tìm hiểu tổng quan về mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS

Mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS là một thành phần quan trọng trong các hệ thống số, cho phép chuyển đổi số liệu từ dạng mã thập phân nhị phân (BCD) sang dạng số nhị phân thuần túy. Mã BCD sử dụng 4 bit để biểu diễn mỗi chữ số thập phân (0-9), trong khi số nhị phân là hệ thống số cơ sở 2. Việc chuyển đổi giữa hai định dạng này cần thiết trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là khi giao tiếp giữa các thiết bị sử dụng hệ thập phân và các bộ xử lý sử dụng hệ nhị phân. Công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch tích hợp do ưu điểm về tiêu thụ năng lượng thấp, độ ổn định cao và khả năng tích hợp mật độ lớn. Mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân sử dụng CMOS thường được thiết kế bằng cách kết hợp các cổng logic CMOS như AND, OR, NOT, XOR để thực hiện các phép toán cần thiết cho quá trình chuyển đổi. Thiết kế hiệu quả của mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về tốc độ, kích thước mạch và mức tiêu thụ điện năng. Các phương pháp tối ưu hóa như sử dụng cấu trúc logic tối thiểu, giảm thiểu điện dung ký sinh và lựa chọn kích thước transistor CMOS phù hợp đều đóng vai trò quan trọng. Trong các hệ thống nhúng và các ứng dụng điện tử tiêu dùng, mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và hiển thị dữ liệu số. Ví dụ, trong một đồng hồ số, bộ chuyển đổi này có thể được sử dụng để chuyển đổi thời gian được lưu trữ ở định dạng BCD sang dạng nhị phân để hiển thị trên màn hình. Tương tự, trong các thiết bị đo lường, mạch chuyển đổi này có thể được sử dụng để chuyển đổi kết quả đo từ dạng BCD sang dạng nhị phân để xử lý thêm hoặc lưu trữ dữ liệu. Theo tài liệu gốc, mạch được thiết kế dùng công nghệ CMOS 90nm.

1.1. Tầm quan trọng của BCD to Binary Conversion CMOS trong thiết kế mạch

Trong thiết kế mạch số, BCD to Binary Conversion CMOS đóng vai trò then chốt trong việc kết nối các hệ thống sử dụng mã BCD và các bộ xử lý số sử dụng hệ nhị phân. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như hệ thống hiển thị số, giao tiếp giữa các thiết bị ngoại vi và bộ vi xử lý, và xử lý dữ liệu trong các ứng dụng đo lường và điều khiển. Việc lựa chọn công nghệ CMOS cho phép thiết kế mạch chuyển đổi với hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp và kích thước nhỏ gọn, phù hợp với các yêu cầu khắt khe của các hệ thống điện tử hiện đại. Hiệu quả của BCD Binary Conversion CMOS ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và độ chính xác của hệ thống tổng thể.

1.2. Ứng dụng thực tế của mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS

Mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong các hệ thống hiển thị số, nó được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu từ dạng BCD sang dạng nhị phân để hiển thị trên các màn hình LED hoặc LCD. Trong các thiết bị đo lường, nó được sử dụng để chuyển đổi kết quả đo từ dạng BCD sang dạng nhị phân để xử lý hoặc lưu trữ dữ liệu. Ngoài ra, mạch chuyển đổi này cũng được sử dụng trong các hệ thống điều khiển, máy tính và các ứng dụng xử lý số học khác. Một ví dụ điển hình là trong các máy tính bỏ túi, nơi dữ liệu nhập vào ở dạng thập phân được chuyển đổi sang nhị phân để thực hiện các phép tính toán. Theo như tài liệu gốc, một số ứng dụng trong lĩnh vực điện tử là hiển thị số trên LED 7 đoạn và chuyển đổi giữa thập phân và BCD.

II. Thách thức trong thiết kế BCD Binary Conversion CMOS hiệu quả

Thiết kế mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS hiệu quả đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Một trong những thách thức chính là tối ưu hóa tốc độ chuyển đổi trong khi vẫn duy trì mức tiêu thụ điện năng thấp. Việc tăng tốc độ chuyển đổi thường dẫn đến tăng tiêu thụ điện năng, và ngược lại. Một thách thức khác là giảm thiểu kích thước mạch để tích hợp nhiều chức năng hơn trên cùng một chip. Kích thước mạch lớn có thể làm tăng chi phí sản xuất và giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống. Ngoài ra, việc đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của mạch chuyển đổi trong các điều kiện hoạt động khác nhau cũng là một thách thức quan trọng. Các yếu tố như biến đổi quy trình sản xuất, nhiệt độ và điện áp nguồn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch chuyển đổi. Do đó, các kỹ thuật thiết kế mạnh mẽ và các biện pháp kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS.

2.1. Ảnh hưởng của công nghệ CMOS Digital Logic BCD to Binary đến hiệu suất

Việc lựa chọn công nghệ CMOS và cấu trúc logic cụ thể có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân. Các công nghệ CMOS tiên tiến với kích thước transistor nhỏ hơn có thể cung cấp tốc độ cao hơn và tiêu thụ năng lượng thấp hơn, nhưng cũng đòi hỏi các kỹ thuật thiết kế và bố trí mạch phức tạp hơn. Cấu trúc logic tối ưu có thể giảm thiểu số lượng cổng logic và độ trễ tín hiệu, từ đó cải thiện tốc độ chuyển đổi và giảm tiêu thụ điện năng. Việc sử dụng các kỹ thuật thiết kế tiên tiến như logic động và logic truyền tải cũng có thể giúp cải thiện hiệu suất của mạch chuyển đổi. Bảng sự thật và rút gọn các ngõ ra cũng rất quan trọng trong thiết kế.

2.2. Yếu tố môi trường và ảnh hưởng đến BCD to Binary Circuit CMOS

Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, điện áp nguồn và nhiễu điện có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS. Nhiệt độ cao có thể làm giảm tốc độ transistor và tăng dòng rò, trong khi điện áp nguồn không ổn định có thể gây ra lỗi trong quá trình chuyển đổi. Nhiễu điện có thể gây ra các xung đột tín hiệu và làm giảm độ chính xác của mạch chuyển đổi. Do đó, các biện pháp bảo vệ như sử dụng bộ lọc nhiễu, ổn định điện áp nguồn và thiết kế mạch chịu nhiệt là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của mạch chuyển đổi trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

III. Phương pháp thiết kế CMOS BCD to Binary Encoder hiệu quả

Có nhiều phương pháp thiết kế CMOS BCD to Binary Encoder hiệu quả, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Một phương pháp phổ biến là sử dụng bảng tra cứu (lookup table) để ánh xạ trực tiếp các giá trị BCD sang giá trị nhị phân tương ứng. Phương pháp này đơn giản và nhanh chóng, nhưng đòi hỏi bộ nhớ lớn để lưu trữ bảng tra cứu. Một phương pháp khác là sử dụng các cổng logic cơ bản như AND, OR, XOR để thực hiện các phép toán cần thiết cho quá trình chuyển đổi. Phương pháp này tiết kiệm bộ nhớ hơn, nhưng đòi hỏi thiết kế mạch phức tạp hơn. Ngoài ra, các phương pháp thiết kế tiên tiến như sử dụng logic động, logic truyền tải và các kỹ thuật tối ưu hóa logic cũng có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của mạch chuyển đổi. Việc lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm tốc độ, kích thước mạch, mức tiêu thụ điện năng và độ phức tạp của thiết kế.

3.1. Sử dụng Logic Gate CMOS để xây dựng BCD Encoder

Sử dụng Logic Gate CMOS là một phương pháp phổ biến để xây dựng BCD Encoder. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng các cổng logic cơ bản như AND, OR, XOR và NOT để thực hiện các phép toán cần thiết để chuyển đổi mã BCD sang nhị phân. Ưu điểm của phương pháp này là tính linh hoạt cao và khả năng tối ưu hóa mạch để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Tuy nhiên, thiết kế mạch bằng Logic Gate CMOS có thể trở nên phức tạp đối với các BCD Encoder lớn, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về logic số và kỹ thuật thiết kế mạch CMOS. Tài liệu gốc đã trình bày rõ cách cổng NOT, OR được xây dựng từ các transistor CMOS.

3.2. Tối ưu hóa Digital Logic trong thiết kế BCD to Binary Circuit CMOS

Tối ưu hóa Digital Logic là một bước quan trọng trong thiết kế BCD to Binary Circuit CMOS hiệu quả. Việc tối ưu hóa logic có thể giúp giảm thiểu số lượng cổng logic, độ trễ tín hiệu và mức tiêu thụ điện năng của mạch chuyển đổi. Các kỹ thuật tối ưu hóa logic bao gồm sử dụng các phương pháp rút gọn biểu thức Boolean, áp dụng các định luật De Morgan và sử dụng các kỹ thuật tái cấu trúc logic. Ngoài ra, việc sử dụng các công cụ phần mềm thiết kế mạch số có thể giúp tự động hóa quá trình tối ưu hóa logic và tìm ra các giải pháp thiết kế tốt nhất. Mạch được thiết kế trong tài liệu gốc sử dụng phương pháp đại số để rút gọn các ngõ ra A3, A2, A1, A0. Dựa vào tính toán và rút gọn ngõ ra, mạch được tạo thành từ cổng Logic OR.

IV. Phân tích hiệu năng và BCD to Binary Design CMOS bằng HSPICE

Phân tích hiệu năng là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS. Phân tích hiệu năng giúp đánh giá các thông số quan trọng như tốc độ chuyển đổi, mức tiêu thụ điện năng, độ trễ tín hiệu và độ ổn định của mạch chuyển đổi. HSPICE là một công cụ mô phỏng mạch điện tử mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi để phân tích hiệu năng của các mạch CMOS. Với HSPICE, các nhà thiết kế có thể mô phỏng hoạt động của mạch chuyển đổi trong các điều kiện hoạt động khác nhau và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, điện áp nguồn và biến đổi quy trình sản xuất đến hiệu suất của mạch chuyển đổi. Kết quả phân tích hiệu năng có thể được sử dụng để tinh chỉnh thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của mạch chuyển đổi.

4.1. Sử dụng HSPICE để mô phỏng và đánh giá CMOS Logic BCD to Binary

HSPICE là một công cụ mô phỏng mạch điện tử mạnh mẽ, cung cấp khả năng mô phỏng chính xác và chi tiết các mạch CMOS. Để mô phỏng CMOS Logic BCD to Binary trong HSPICE, cần xây dựng mô hình mạch chi tiết, bao gồm các thông số của transistor CMOS, điện trở, tụ điện và các thành phần khác. Sau đó, có thể sử dụng HSPICE để mô phỏng hoạt động của mạch trong các điều kiện hoạt động khác nhau, chẳng hạn như thay đổi nhiệt độ, điện áp nguồn và tần số tín hiệu đầu vào. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để đánh giá các thông số hiệu năng quan trọng như tốc độ chuyển đổi, mức tiêu thụ điện năng và độ trễ tín hiệu. Theo tài liệu gốc, tín hiệu đầu vào cho mạch được chọn là các thông số xung đơn và điện áp nguồn VDD là 1V, VSS là 0V. Kết quả mô phỏng sẽ đối chiếu với Truth Table BCD Binary.

4.2. Đánh giá BCD to Binary Implementation CMOS với MicroWind

MicroWind là một công cụ thiết kế và mô phỏng mạch tích hợp, cung cấp khả năng thiết kế bố trí mạch (layout) và mô phỏng hoạt động của mạch ở mức vật lý. Để đánh giá BCD to Binary Implementation CMOS với MicroWind, cần thiết kế bố trí mạch chi tiết, bao gồm vị trí và kích thước của các transistor CMOS, các lớp kim loại và các thành phần khác. Sau đó, có thể sử dụng MicroWind để mô phỏng hoạt động của mạch và đánh giá các thông số hiệu năng quan trọng như diện tích mạch, độ trễ tín hiệu và độ tin cậy. MicroWind cũng cung cấp các công cụ để kiểm tra các quy tắc thiết kế và đảm bảo rằng bố trí mạch đáp ứng các yêu cầu của quy trình sản xuất. Tài liệu gốc đã hướng dẫn chi tiết cách lựa chọn tiến trình công nghệ, chọn thông số cho PMOS và NMOS, vẽ layout các cổng logic và toàn mạch.

V. VHDL Code BCD to Binary CMOS và Verilog Code ứng dụng

VHDL và Verilog là hai ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) phổ biến, được sử dụng để mô tả và mô phỏng các mạch số. Để thiết kế mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS, có thể sử dụng VHDL Code BCD to Binary CMOS hoặc Verilog Code để mô tả hoạt động của mạch ở mức trừu tượng cao. Sau đó, có thể sử dụng các công cụ tổng hợp logic để chuyển đổi mã HDL thành thiết kế mạch cụ thể, bao gồm các cổng logic và các kết nối giữa chúng. Việc sử dụng VHDL hoặc Verilog cho phép các nhà thiết kế dễ dàng thay đổi và tối ưu hóa thiết kế mạch, cũng như kiểm tra và xác minh hoạt động của mạch trước khi triển khai thực tế.

5.1. Lợi ích của việc sử dụng VHDL trong thiết kế BCD to Binary Converter

Sử dụng VHDL trong thiết kế BCD to Binary Converter mang lại nhiều lợi ích. VHDL cho phép mô tả mạch ở mức trừu tượng cao, giúp các nhà thiết kế tập trung vào chức năng của mạch thay vì các chi tiết triển khai cụ thể. VHDL cũng cung cấp các công cụ để mô phỏng và kiểm tra hoạt động của mạch trước khi triển khai thực tế, giúp phát hiện và sửa lỗi sớm trong quá trình thiết kế. Ngoài ra, VHDL cho phép dễ dàng thay đổi và tối ưu hóa thiết kế mạch để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

5.2. Ứng dụng Verilog trong thiết kế và mô phỏng BCD to Binary Circuit

Verilog là một ngôn ngữ mô tả phần cứng phổ biến khác, có thể được sử dụng để thiết kế và mô phỏng BCD to Binary Circuit. Tương tự như VHDL, Verilog cho phép mô tả mạch ở mức trừu tượng cao và cung cấp các công cụ để mô phỏng và kiểm tra hoạt động của mạch. Verilog cũng có cú pháp đơn giản và dễ học, giúp các nhà thiết kế nhanh chóng làm quen và sử dụng ngôn ngữ này. Việc lựa chọn giữa VHDL và Verilog phụ thuộc vào sở thích cá nhân và các yêu cầu cụ thể của dự án.

VI. Kết luận và xu hướng phát triển của mạch chuyển đổi BCD CMOS

Mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS là một thành phần quan trọng trong các hệ thống số, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi dữ liệu giữa các định dạng khác nhau. Việc thiết kế mạch chuyển đổi hiệu quả đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về tốc độ, kích thước mạch, mức tiêu thụ điện năng và độ tin cậy. Các phương pháp thiết kế tiên tiến, các công cụ mô phỏng mạnh mẽ và các ngôn ngữ mô tả phần cứng hiệu quả đều đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS hiệu suất cao. Trong tương lai, xu hướng phát triển của mạch chuyển đổi này sẽ tập trung vào việc giảm thiểu kích thước, tăng tốc độ, giảm tiêu thụ điện năng và cải thiện độ tin cậy, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng điện tử hiện đại.

6.1. Các hướng nghiên cứu tiếp theo cho BCD to Binary Converter CMOS

Các hướng nghiên cứu tiếp theo cho BCD to Binary Converter CMOS bao gồm phát triển các kiến trúc mạch mới, sử dụng các công nghệ CMOS tiên tiến và áp dụng các kỹ thuật tối ưu hóa thiết kế. Một hướng nghiên cứu tiềm năng là sử dụng các cấu trúc logic mới như logic lượng tử hoặc logic nano để cải thiện hiệu suất của mạch chuyển đổi. Ngoài ra, việc tích hợp mạch chuyển đổi với các chức năng khác trên cùng một chip cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng, giúp giảm kích thước và chi phí của hệ thống tổng thể. Mở rộng mạch theo cấp độ lớn hơn, tạo thêm nhiều trạng thái để đáp ứng nhiều yêu cầu trong ứng dụng thực tế là những hướng phát triển được đề xuất trong tài liệu gốc.

6.2. Ứng dụng tiềm năng của BCD to Binary Table CMOS trong tương lai

BCD to Binary Table CMOS có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong tương lai. Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, nó có thể được sử dụng trong các thiết bị di động, máy tính bảng và các thiết bị gia dụng thông minh để xử lý và hiển thị dữ liệu số. Trong lĩnh vực công nghiệp, nó có thể được sử dụng trong các hệ thống điều khiển, robot và các thiết bị đo lường. Trong lĩnh vực y tế, nó có thể được sử dụng trong các thiết bị chẩn đoán và điều trị. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, mạch chuyển đổi BCD sang nhị phân CMOS sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Thiết kế và sản xuất mạch điện là một quá trình phức tạp tốn nhiều thời gian, công sức, cần phải sử dụng một khoản chi phí cao. Vì vậy trong quá trình thiết kế người thiết kế cần những công cụ hỗ trợ để tối ưu được mạch điện trước khi đưa ra sản xuất làm giảm chi phí đến mức thấp nhất, không cần phải thiết kế - sản xuất lại nhiều lần, đồng thời tăng hiệu quả của độ chính xác giúp người thiết kế đạt lợi nhuận cao.2 Mục tiêu của đề tài Giới thiệu mạch chuyển mã BCD (thập phân sang nhị phân) đồng thời vẽ mạch nguyên lý dùng công nghệ CMOS 90nm kết hợp với phần mềm HSPICE, thu được kết quả phù hợp. Vẽ layout cho mạch dùng phần mềm vẽ MicroWind , thu được kết quả thích hợp. CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC 2.1 Giới thiệu công nghệ CMOS Công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) la một phương pháp chế tạo mạch tích hợp.

Nó được sử dụng để sản suất vi xử lý, vi điều khiển, RAM tĩnh và các cổng logic khác 1. Công nghệ CMOS sử dụng cả hai loại transistor là NMOS và PMOS. Ở mỗi thời điểm, chỉ có một loại transistor nằm ở trạng thái đóng (ON). Hai đặc tính cơ bản của các linh kiện CMOS là có độ nhiễu cao và tiêu thụ năng lượng ở trạng thái tĩnh rất thấp.

Các vi mạch CMOS chỉ tiêu thụ năng lượng đáng kể khi các transistor bên trong chuyển đổi giữa các trạng thái đóng và mở.2 Lựa chọn thông số cho đề tài - Để thuận tiện cho việc thiết kế mạch và mô phỏng mạch, có thể lựa chọn một số tiến trình công nghệ có độ lớn cao, như 350 nm, 180 nm, 90 nm. Trong đề tài nghiên cứu này công nghệ chế tạo được chọn là 90 nm. - Bên cạnh đó điện áp nguồn VDD được lựa chọn là 1V. - Còn điện áp nguồn âm VSS được lựa chọn là 0V.

- Kích thước của CMOS được lựa chọn trong đề tài này lần lượt sẽ là : + Chọn Width và Length của PMOS là: W= 400n , L= 100n. + Chọn Width và Length của NMOS là: W= 200n , L= 100n. 4 ==> Do NMOS thường có tốc độ truyền lớn hơn PMOS từ 2-3 lần nên độ rộng của PMOS sẽ lớn hơn NMOS từ 2-3 lần - Tín hiệu đầu vào cho mạch chọn các thông số lần lượt như sau: + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D0 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 2ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns. + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D1 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 4ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống =0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns.

+ Tín hiệu ngõ vào xung đơn D2 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 6ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống =0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns. + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D3 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 8ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns. + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D4 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 10ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns. + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D5 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 12ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns.

+ Tín hiệu ngõ vào xung đơn D6 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 14ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns. + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D7 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 16ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns. + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D8 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 18ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns. + Tín hiệu ngõ vào xung đơn D9 : V1- điện áp mức thấp = 0V, V2-điện áp mức cao = 1V, td-thời gian xuất hiện = 20ns, tr-thời gian cạnh lên = 0.1ns, tf-thời gian cạnh xuống = 0.1ns, pw-độ rộng xung = 1.8ns, per-thời gian lặp lại = 100ns.3 Giới thiệu phần mềm HSPICE - Từ các thông số quan trọng bên trên có thể mô phỏng lại trên HSPICE với các bước như sau: + Đầu tiên tạo ra một file có kiểu định dạng là file.sp + Mở giao diện phần mềm Hspice: 5 + Sau đó mở file .sp vừa lưu + Tiếp theo chọn Edit NL để tiến hành viết chương trình mô phỏng + Cuối cùng nhấn Simulate để cho chương trình thực thi: 6 +Sau khi Simulate vào Edit LL để kiểm tra chương trình đã mô phỏng thành công hay chưa.

+Cuối cùng vào Avanwaves để xem tín hiệu mô phỏng: 7 2.4 Giới thiệu phần mềm MICROWIND - Công việc cuối cùng là vẽ layout và xem tín hiệu được mô phỏng trên MicroWind: - Lựa chọn tiến trình công nghệ cho mạch mô phỏng: - Chọn Select foundry -> Export Microwind -> cmos90n. 8 - Trong cửa sổ Palette chọn biểu tượng CMOS. - Chọn thông số cho PMOS trong công nghệ 90nm. 9 - Chọn thông số cho NMOS trong công nghệ 90nm 10 CHƯƠNG 3 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3.1 Giới thiệu mạch chuyển mã BCD - Mã BCD (Binary Coded Decimal) là một mã số thập phân được mã hóa theo nhị phân.

Với mã BCD, mỗi chữ số thập phân từ 0 đến 9 được biễu diễn bằng một số nhị phân 4 bit. Đây là cách để biễu diễn các số thập phân trong các hệ thống số. Nó giúp chuyển đổi giữa thập phân và nhị phân một cách dễ dàng, đặc biệt trong mạch số. - Một số ứng dụng trong lĩnh vực điện tử : + Hiển thị số trên LED 7 đoạn ==> Khi bạn cần hiển thị các giá trị số trên các hệ thống quang báo, giúp biễu diễn dễ dàng.

+ Chuyển đổi giữa thập phân và BCD ==> Mã BCD cho phép chuyển đổi giữa hệ số thập phân và hệ thống nhị phân một cách hiệu quả. + Các ứng dụng khác ==> sử dụng trong hệ thống điều khiển , máy tính, xử lý số học và hiển thị số liệu.2 Bảng sự thật và rút gọn các ngõ ra - Trong đề tài này chúng ta sẽ sử dụng chức năng chuyển mã BCD, từ thập phân sang nhị phân. - Mạch sẽ có 10 ngõ vào và 4 ngõ ra. - Các ngõ vào và ra đều tác động ở mức cao.

- Do đây là mạch mã hóa không ưu tiên nên kết quả ngõ ra sẽ dựa vào mức cao của ngõ vào. - Với D0 là LSB và D9 là MSB.  Bảng sự thật của mạch : 11  Rút gọn các ngõ ra : - Với các ngõ ra A3, A2, A1 và A0 ta dùng phương pháp đại số để thu được kết quả như sau : + A0 = ∑( 1, 3, 5, 7, 9 ) + A1 = ∑( 2, 3, 6, 7 ) + A2 = ∑( 4, 5, 6, 7 ) + A3 = ∑( 8, 9 ) => Dựa vào tính toán ta nhận thấy : + Ngõ ra A0 của mạch được tạo thành từ cổng logic OR 5 ngõ vào. + Ngõ ra A1 của mạch được tạo thành từ cổng logic OR 4 ngõ vào.

+ Ngõ ra A2 của mạch được tạo thành từ cổng logic OR 4 ngõ vào. + Ngõ ra A3 của mạch được tạo thành từ cổng logic OR 2 ngõ vào.3 Sơ đồ nguyên lý kiểu Gate Logic - Sau khi đã có kết quả tính toán trên, mạch chuyển mã BCD sẽ có sơ đồ nguyên lý như sau : - Với D0 đến D9 là các ngõ vào, D0 là MSB và D9 là MSB. - Với A0 đến A3 là các ngõ ra, xuất ra các số nhị phân 4 bit.4 Sơ đồ nguyên lý theo công nghệ CMOS - Từ sơ đồ nguyên lý trên ta sẽ dùng công nghệ CMOS để tạo sơ đồ mạch nguyên lý.1 Giới thiệu cổng Not - Dựa trên sơ đồ nguyên lý trên ta sẽ lần lượt sử dụng các cổng logic cần thiết cho việc thiết kế mạch. - Bắt đầu bằng cổng NOT, hay được gọi là NOT GATE.

- Cổng Not là một trong những cổng logic cơ bản trong điện tử số. - Khi bạn đưa một tín hiệu vào cổng Not, nó thực hiện chức năng đảo tín hiệu, nghĩa là khi bạn đưa đầu vào =0 , thì đầu ra sẽ =1 và ngược lại. - Một số ứng dụng của cổng Not : + Chuyển đổi tín hiệu + Mạch đồng hồ, đếm + Mạch logic tổ hợp + Mạch mã hóa giải mã 3.2 Bảng sự thật và sơ đồ nguyên lý cổng Not  Sơ đồ nguyên lý của cổng Not  Bảng sự thật cổng Not 16 ==> Bảng sự thật là một biểu đồ mô tả chức năng của cổng dựa trên các gá trị đầu vào và đầu ra.3 Cổng Not theo công nghệ CMOS  Sơ đồ nguyên lí theo CMOS gồm: - Transistor PMOS (p- channel MOSFET) + Chân S được nối với nguồn VDD 1V. + Chân B được nối với nguồn VDD 1V.

+ Chân D được nối với chân D của NMOS và làm ngõ ra OUT của mạch. + Chân G được nối với chân G của NMOS và làm ngõ vào IN của mạch. - Transistor NMOS (n- channel MOSFET) + Chân S được nối với nguồn VSS 0V. + Chân B được nối với nguồn VSS 0V.

+ Chân D được nối với chân D của PMOS và làm ngõ ra OUT của mạch. + Chân G được nối với chân G của PMOS và làm ngõ vào IN của mạch.4 Mô phỏng nguyên lý cổng Not trong HSPICE - Ta sẽ tạo đoạn code trong HSPICE ứng với sơ đồ nguyên lý CMOS - Ta tạo ra xung đơn là P1 với giá trị mức cao là 1V. - Ta sẽ tạo hàm con tên là notgate2input.