تدفق تصميم VLSI للدوائر المنطقية و 5 حقائق مهمة


مقدمة إلى تدفق تصميم VLSI

في المقالة السابقة ، حصلنا على نظرة عامة على تدفق تصميم VLSI. في هذه المقالة ، سوف نتعرف على كيفية تنفيذ الدوائر المنطقية المختلفة باستخدام تصميم VLSI. تعد VLSI إحدى التقنيات الرئيسية في عصر الرقمنة هذا. تستخدم الترانزستورات لتنفيذ الدوائر المنطقية في تصميم VLSI.

المنطق الرقمي ثلاثة أنواع - العاكس للبوابة NOT والبوابة AND والبوابة OR. يمكن أيضًا إنشاء بوابات أكثر تعقيدًا مثل -NAND و NOR و XNOR و XOR باستخدام البوابات الأساسية. دعونا نناقش بعض طرق تنفيذ الدوائر المنطقية.

تصميم منطق CMOS

الرقمية هي كل شيء عن الصفر وواحد أو مرتفع أو منخفض. سيكون مدخلات الدائرة المنطقية الرقمية إما 0 أو 1 ، وذلك كقيمة الإخراج. الآن ، إذا كانت الدائرة تأخذ المدخلات على أنها 0 و 1 ، فيمكن فهم المنطق من خلال وظيفة التبديل كما هو موضح أدناه.

تدفق تصميم VLSI
عملية التبديل لتدفق تصميم VLSI

يمكننا أن نرى في الصورة أنه عند فتح مفتاح s1 وإغلاق مفتاح s2 ، فإن الناتج سيكون 0 ؛ على العكس ، سيكون الناتج 1.

هيكل دفع وسحب تكميلي ، تدفق تصميم VLSI
تطبيق منطق CMOS ؛ PUN - سحب الشبكة ؛ PDN - الشبكة المنسدلة ، تدفق تصميم VLSI
للحصول على البرنامج التعليمي الكامل VHDL! انقر هنا!

منهجية تصميم CMOS

هناك ثلاث خطوات لتصميم منطق CMOS كجزء من تدفق تصميم VLSI.

  1. اكتشف تكملة Boolean Expression التي تحتاج إلى تنفيذها.
  2. وصف PUN
  3. وصف PDN

سحب تصميم الشبكة:

ضرب المصطلحات: NMOSFETs في اتصال متوازي

الشروط المضافة: NMOSFETs في سلسلة اتصالات

تصميم الشبكة المنسدلة:

ضرب المصطلحات: NMOSFETs في سلسلة اتصالات

الشروط المضافة: NMOSFETs في اتصالات متوازية

صمم أول نموذج VHDL باستخدام Xilinx. انقر هنا للحصول على دليل خطوة بخطوة!

CMOS Inverter / CMOS NOT تصميم البوابة

العاكس الرقمي هو بوابة NOT تعطي الإخراج المقلوب لمدخل. بالنسبة للإدخال أو الإدخال العالي هو رقمي ONE ، يكون الناتج منخفضًا أو يكون رقميًا صفريًا. بالنسبة للإدخال أو الإدخال المنخفض هو رقمي صفر ، يكون الناتج مرتفعًا أو رقميًا واحدًا.

INPUTOUTPUT
عاليLOW
LOWعالي
لا جدول الحقيقة البوابة / جدول الحقيقة العاكس ، تدفق تصميم VLSI

يتكون عاكس CMOS من ترانزستورات في وضع التحسين - أحدهما NMOS والآخر هو PMOS. يعمل NMOS كشبكة منسدلة ، ويعمل PMOS كشبكة سحب. يتحكم جهد الدخل في كل من الترانزستورات.

عندما يكون ترانزستور PMOS في حالة التشغيل ، ينتقل ترانزستور NMOS إلى حالة إيقاف التشغيل. أيضًا ، عندما يظل ترانزستور NMOS مغلقًا ، سيكون PMOS في حالة التشغيل. هذه هي الطريقة التي يستخدمها كل من تعمل الترانزستورات في الوضع التكميلي.

يوفر الترانزستور، والتي تظل في حالة إيقاف التشغيل ، توفر قيمة مقاومة عالية ، وتتغير قيمة الإخراج. تحت نفس السكة ، تحتوي الدائرة المنطقية CMOS على ضوضاء أقل من دائرة منطق NMOS.  

ويرد أدناه الرسم البياني لخصائص نقل الجهد من CMOS متماثل.

خصائص نقل الجهد لنظام CMOS المتماثل ، تدفق تصميم VLSI

عملية

تصنع الترانزستورات بطريقة تجعل الفولتية العتبة لها متساوية في الحجم وقطبية معاكسة. أي أن جهد عتبة NMOS سيكون مساويًا لحجم عتبة جهد PMOS ، المعطى بالتعبير أدناه.

VTN = - V.TP

عندما يكون جهد الإدخال (Vin) أصغر من جهد عتبة ترانزستور NMOS ، ثم يكون ترانزستور NMOS في حالة إيقاف التشغيل. ثم ، PMOS الدائرة سوف تتحكم في جهد الخرج (Vout) مع الجهد المزود (VDD). تمثل منطقة AB في الرسم البياني هذه العملية.

الآن ، عندما يكون جهد الدخل أكبر من فرق VDD والجهد العتبة ، ثم تدخل دائرة منطق PMOS في حالة OFF ، ويتم تنشيط NMOS. بعد ذلك ، يتحكم NMOS في جهد الخرج (V.خارج) بجهد أرضي يساوي 0 فولت.

تمثل منطقة BC في الرسم البياني NMOS المشبع ، ويمثل جزء القرص المضغوط كلاً من الترانزستورات في وضع التشبع. الخامسINV هي قيمة جهد الدخل الذي يساوي جهد الدخل جهد الخرج.

من خلال الملاحظة الدقيقة ، يمكننا القول أن التغيير ذو نغمة عالية جدًا لتمرير الجهد من 0 إلى V.DD. هذا هو السبب في أن العاكس CMOS هو العاكس المثالي للتصميم المنطقي.

الآن ، عندما يكون جهد الدخل مساويًا لـ VINV، كلا الترانزستورات في حالة تشبع. سيكون لشبكة السحب (PUN) V.GS القيمة =

VGS = الخامسin - فDD

أو V.GS = الخامسINV - فDD 

يتم إعطاء المعادلة الحالية لمنطقة التشبع على النحو التالي -

ID = μεW * (V.GS - فTH )2 / 2 دينار

يمكن إعادة كتابة هذه المعادلة لسحب الشبكة-

 Iموانئ دبي = μpε دبليوpu * (الخامسINV - فDD   - فTHP)2 / 2 دلpu

ستكون معادلة الشبكة المنسدلة -

IDpd = μnε دبليوpd * (الخامسINV - فTHN )2 / 2 دلpd

معادلة تيار التصريف حسب الخصائص -

μnε دبليوpd * (الخامسINV - فTHN )2 / 2 دلpd = μpε دبليوpu * (الخامسINV - فDD   - فTHP)2 / 2 دلpu

أو V.INV - فDD   - فTHP = - β (V.INV - فTHN) ؛ [β = (μn * ضpu / ميكرومترp * ضpd) ½]

أو V.INV = (الخامسDD + الخامسTHP + β * V.THN) / (1 + β)

إذا كانت VTHN = - VTHP ، فإن β تأتي على هيئة 1.

علاوة على ذلك ، يأتي VINV كـ VDD / 2 و

Zpd : Zpu = μn : μp = ~ 2.5: 1

تبديد الطاقة

الدوائر المنطقية CMOS تبدد طاقة أقل من تلك الموجودة في الدائرة المنطقية NMOS للتردد المنخفض. يتأرجح انحطاط طاقة CMOS حسب تردد التبديل للدائرة.

هوامش الضوضاء

هامش الضوضاء هو أقصى انحراف مسموح به يمكن أن يحدث دون تغيير السمة الرئيسية في ظل ظروف صاخبة. يُعطى NML على أنه الفرق بين جهد العتبة المنطقي والجهد المكافئ المنطقي الصفري لعاكس CMOS ذي المستوى المنخفض. يتم وصف هامش الضوضاء على أنه الفرق بين الجهد المنطقي العالي أو الجهد المكافئ واحد والجهد المنطقي العتبة للمستوى العالي.

CMOS اثنين من بوابات الإدخال NAND و NOR

تُعرف بوابات NOR و NAND بالبوابات المنطقية العالمية ، والتي يمكن استخدامها لتنفيذ أي معادلة منطقية أو أي نوع من البوابات المنطقية الأخرى. هذان هما أكثر البوابات المصنعة باستخدام منطق CMOS لتقنية VLSI. دعونا نناقش تنفيذ وتصميم كلتا البوابتين باستخدام منطق CMOS.

بوابة CMOS NOR

يمكن وصف بوابة NOR بأنها بوابة OR مقلوبة. جدول الحقيقة لبوابة NOR معطى أدناه ، حيث A و B هما المدخلات.

جدول حقيقة البوابة NOR ، تدفق تصميم VLSI

يمكن أيضًا تنفيذ بوابة NOR باستخدام تقنية CMOS. تدخل دائرة العاكس CMOS في العمل في هذا التصميم. تمت إضافة شبكة منسدلة (ترانزستور) مع بوابة CMOS NOT الأساسية في اتصال متوازي لتنفيذ عملية NOR. بالنسبة لبوابتين NOR للإدخال ، تتم إضافة شبكة منسدلة واحدة فقط. لدمج عدد أكبر من المدخلات ، تمت إضافة المزيد من الترانزستورات.

عملية

يظهر تطبيق المنطق باستخدام CMOS في الصورة أدناه. عندما يكون أي من المدخلات منطقيًا عاليًا أو منطقيًا واحدًا ، فسيتم قفل طريقة المنسدلة إلى الأرض. سيكون الناتج صفر المنطق.

عندما يحصل كلا المدخلين على جهد عالي أو منطق - قيمة واحدة ، فإن قيمة الخرج ستكون عالية أو واحدة. سيكون جهد العتبة المنطقي مساويًا لعتبة الجهد للعاكس. هذه هي الطريقة التي يمكن بها تحقيق منطق NOR باستخدام CMOS.

بوابة PMOS NOR ، A & B هي المدخلات ، Y هي الإخراج ؛ تدفق تصميم VLSI ، صورة الائتمان - كين شريفبوابة PMOS-NORCC BY-SA 4.0

بوابة CMOS NAND

يمكن وصف بوابة NAND بأنها بوابة AND مقلوبة. جدول الحقيقة لبوابة NAND موضح أدناه ، حيث A و B هما المدخلات.

جدول حقيقة بوابة NAND ، تدفق تصميم VLSI

يمكن أيضًا تنفيذ بوابة NAND باستخدام تقنية CMOS. تدخل دائرة العاكس CMOS أيضًا في العمل في هذا التصميم. تتم إضافة شبكة منسدلة (ترانزستور) في سلسلة وترانزستور وضع النضوب مع بوابة CMOS NOT الأساسية لتنفيذ عملية NAND. بالنسبة لبوابتين NAND للإدخال ، تتم إضافة ترانزستور واحد فقط. لدمج عدد أكبر من المدخلات ، تمت إضافة المزيد من الترانزستورات إلى اتصال السلسلة.

عملية

بوابة CMOS NAND ، تدفق تصميم VLSI ؛ حقوق الصورة - جاستن فورسCMOS NANDCC BY-SA 3.0

يظهر تطبيق المنطق باستخدام CMOS في الصورة أعلاه. عندما يكون كل من المدخلات منطقيًا ZERO ، يكون كلا الترانزستورات NMOS في حالة إيقاف التشغيل ، بينما يكون كلا ترانزستورات PMOS في حالة التشغيل. يتم توصيل الإخراج بـ VDD ، وهذه هي الطريقة التي يوفر بها الإخراج المنطق واحد أو قيمة عالية.

عندما يحصل الإدخال A على قيمة عالية كمدخل ، ويحصل الإدخال B على قيمة منخفضة ، ينتقل NMOS الصاعد إلى حالة ON ، وينتقل NMOS المنخفض إلى حالة OFF. لا يمكن إنشاء الاتصال الأرضي بقيمة الإخراج. في هذه الحالة ، يتم تشغيل PMOS الأيسر ، بينما يظل PMOS الأيمن في حالة OFF. يجد VDD مسارًا من خلال الإخراج ويوفر قيمة إخراج عالية أو منطق 1.

عندما يحصل الإدخال B على قيمة عالية كمدخل ، ويحصل الإدخال A على قيمة منخفضة ، ينتقل NMOS الصاعد إلى حالة OFF ، وينتقل NMOS المنخفض إلى حالة التشغيل. لا يمكن إنشاء الاتصال الأرضي بقيمة الإخراج. أيضًا ، في هذه الحالة ، يتم إيقاف تشغيل PMOS الأيسر ، بينما ينتقل PMOS الأيمن إلى حالة التشغيل. يجد VDD مسارًا من خلال الإخراج ويوفر قيمة إخراج عالية أو منطق 1.

بالنسبة للمنطق النهائي ، عندما يحصل كل من المدخلات على جهد دخل عالٍ أو قيمة منطقية واحدة ، يكون كلا الترانزستورات NMOS في حالة التشغيل. كل من ترانزستورات PMOS في حالة إيقاف التشغيل ، مما يوفر مسارًا للجهد الأرضي للتواصل مع الإخراج. وبالتالي يوفر الناتج صفرًا منطقيًا أو قيمة منخفضة كإخراج.

لمزيد من المقالات المتعلقة بالإلكترونيات وتدفق تصميم VLSI اضغط هنا

سوديبتا روي

أنا متحمس للإلكترونيات ومكرس حاليًا في مجال الإلكترونيات والاتصالات. لدي اهتمام كبير باستكشاف التقنيات الحديثة مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي. كتاباتي مكرسة لتوفير بيانات دقيقة ومحدثة لجميع المتعلمين. مساعدة شخص ما في اكتساب المعرفة تمنحني متعة كبيرة. دعنا نتواصل من خلال LinkedIn - https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

آخر المقالات