دانشگاه اصفهان

دانشکده مهندسی کامپیوتر

گروه معماری سیستم های کامپیوتری

 

 

دستور کار آزمایشگاه الکترونیک دیجیتال

 

 

تهیه وتالیف :دکتر محمدرضا رشادی نژاد

مهندس حمیدرضاخیرمند

مهندس آرزو دباغی زرندی

 

 

 

 

شهریور 1398

بسم الله الرحمن الرحیم

 

 

 

فهرست مطالب

عنوان صفحه

آزمایش اول: آشنایی با نرم افزار HSPICE 5

1-1 پیش آگاهی 5

1-2 دستور کار 5

1-3 سوالات 5

آزمایش دوم: پیاده سازی وارون کننده افزایشی با قطعه CD4007 6

2-1 پیش آگاهی 6

2-2 دستور کار 6

2-3 سوالات 7

آزمایش سوم: رفتار تکنولوژی های مختلف در حالت بی بار 8

3-1 پیش آگاهی 8

2-3 دستور کار 8

3-3 سوالات 8

آزمایش چهارم: رفتار تکنولوژی های مختلف در حالت با بار 9

4-1 پیش آگاهی 9

4-2 دستور کار 9

4-3 سوالات 10

آزمایش پنجم: محاسبه تاخیر در تکنولوژی های مختلف 11

5-1 پیش آگاهی 11

5-2 دستور کار 11

5-3 سوالات 12

آزمایش ششم: مشخصات و رفتار پویای وارون کننده CMOS 13

6-1 پیش آگاهی 13

6-2 دستور کار 13

6-3 سوالات 13

آزمایش هفتم: بررسی رفتار وارون کننده CMOS با خروجی Tri-State 14

7-1 پیش آگاهی 14

7-2 دستور کار 14

7-3 سوالات 14

آزمایش هشتم: پیاده سازی مدارهای مختلف 15

8-1 پیش آگاهی 15

8-2 دستورکار 15

8-3 سوالات 15

آزمایش نهم : پیاده سازی یک شمارنده 8 بیتی در HSPICE 16

9-1 پیش آگاهی 16

9-2 دستور کار 16

9-3 سوالات 16

آزمایش دهم : پیاده سازی یک ضرب کننده 4×4 در HSPICE 18

10-1 پیش آگاهی 18

10-2 دستور کار 18

10-3 سوالات 18

 

 

 

 

1-1       پیش آگاهی

در این آزمایش ابتدا با نرم افزار HSPICE و دو تکنولوژی معروف و مورد استفاده CMOS و CNTFET آشنا خواهید شد.

 

1-2       دستور کار

بخش الف:

یک گیت XOR دو ورودی، AND دو ورودی، OR سه ورودی Pull up-Pull down با استفاده از کتابخانه 180 CMOS در نرم افزار HSPICE شبیه سازی کنید.

بخش ب:

یک گیت XOR دو ورودی، XOR سه ورودی، AND دو ورودی، AND سه ورودی، OR سه ورودی Pull up-Pull down با استفاده از کتابخانه CNTFET در نرم افزار HSPICE شبیه سازی کنید.

بخش ج:

یک Full adder با استفاده از گیت های طراحی شده در قسمت الف و کتابخانه 180 CMOS در نرم افزار HSPICE شبیه سازی کنید.

بخش د:

یک Full adder با استفاده از گیت های طراحی شده در قسمت ب و کتابخانه CNTFET در نرم افزار HSPICE شبیه سازی کنید.

 

1-3       سوالات

1.      تاخیر، توان مصرفی و حاصل ضرب توان در تاخیر (PDP) دو قسمت ج و د را محاسبه کنید.

2.      دو تکنولوژی CNTFET و CMOS را با یکدیگر مقایسه کنید.

3.       

 

2-1       پیش آگاهی

هدف از این آزمایش آشنایی با قطعه CD4007 و به دست آوردن دو پارمتر ولتاژ آستانه و ضریب عبور ترانزیستور به صورت عملی است.

2-1-1   قطعه CD4007

قطعه CD4007 دارای سه وارون کننده CMOS است که می توان از PMOS و NMOS های هر وارون کننده به صورت جداگانه نیز استفاده نمود. قابل ذکر است که این تراشه همانند تراشه های دیگر حساس بوده و توصیه می شود از جابه جایی و اتصالات اضافی به آن خودداری کنید.

 

2-2       دستور کار

بخش الف: تعیین ولتاژ آستانه ترانزیستور NMOS

ابتدا یک مدار که دارای یک ترانزیستور NMOS و یک مقاومت (به اندازه دلخواه) به همراه منبع تغذیه همانند شکل (1) ببندید. عملکرد این مدار را قبل از تحلیل نتایج بررسی کنید. سپس منبع تغذیه را به فاصله 0.2 از 0 تا 5 ولت افزایش دهید، زمانی که یک جریان I_d در مقاومت دیده شود، منبع تغذیه نشان دهنده ولتاژ آستانه (V_t) است.

بخش ب: تعیین ولتاژ آستانه ترانزیستور PMOS

بخش الف را برای مداری همانند شکل (1) که به جای ترانزیستور NMOS آن از یک ترانزیستور PMOS استفاده شده است، تکرار تمائید. و V_t آن را محاسبه کنید.

بخش ج: تعیین ضریب عبور ترانزیستور NMOS

برای تعیین ضریب عبور ترانزیستور (K) از مقدار جریان I_d و فرمول آن (I_d = K(V_ds - V_t )) استفاده می شود. در واقع با استفاده از مقدار مقاومت و قانون اهم که برای محاسبه میزان افت ولتاژ دو سر مقاومت استفاده می شود و فرمول I_d = K(V_ds - V_t) مقدار K محاسبه می شود. (ضریب K را برای مقدار مقاومت های مختلف به دست آورید و نتیجه را تحلیل کنید)

بخش د: تعیین ضریب عبور ترانزیستور PMOS

بخش ج را برای مداری همانند شکل (1) که به جای ترانزیستور NMOS آن از یک ترانزیستور PMOS استفاده شده است، تکرار نمائید. و K آن را محاسبه کنید.

 

2-3       سوالات

1- نتایجی که در بخش های الف تا د به دست آورده اید با مقادیری که در datasheet این قطعه ذکر شده است، مقایسه کنید.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3-1       پیش آگاهی

هدف از این آزمایش آشنایی با ویژگی های تکنولوژی های مختلف (وارون کننده NMOS، وارون کننده افزایشی (NMOS)، وارون کننده افزایشی (PMOS) و وارون کننده CMOS (Pull up-Pull down)) در حالت بدون بار است. در نهایت، رفتار عملی را با آن چه در تئوری آموخته اید، مقایسه خواهید کرد.

 

3-2       دستور کار

بخش الف:

با استفاده از قطعه CD4007، منبع تغذیه 5 ولت و یک مقاومت 10 کیلو اهم یک مدار وارون کننده NMOS طراحی و پیاده سازی کنید. سپس مقادیر V_OH، V_OL، V_IH و V­_IL را برای آن به دست آورید. (این آزمایش را برای دو مقدار مقاومت 1 و 100 کیلو اهم نیز تکرار کنید و نتایج را مقایسه کنید)

بخش ب:

بخش الف را برای مدار وارون کننده افزایشی (NMOS) تکرار نمائید.

بخش ج:

بخش الف را برای مدار وارون کننده افزایشی (PMOS) تکرار نمائید.

بخش د:

بخش الف را برای مدار وارون کننده CMOS (Pull up-Pull down) تکرار نمائید.

 

3-3       سوالات

1.      مقادیر V_OH، V_OL، V_IH و V­_IL چهار بخش الف تا د را با یکدیگر مقایسه کنید.

 

 

4-1       پیش آگاهی

هدف از این آزمایش آشنایی با ویژگی های تکنولوژی های مختلف (وارون کننده NMOS، وارون کننده افزایشی (NMOS)، وارون کننده افزایشی (PMOS) و وارون کننده CMOS (Pull up-Pull down)) در حالت با بار است. در نهایت، رفتار عملی را با آن چه در تئوری آموخته اید، مقایسه خواهید کرد.

 

 

4-2       دستور کار

بخش الف:

دو مدار مشابه بخش الف آزمایش 3 را به صورت cascading طراحی و شبیه سازی کنید. سپس مقادیر V_OH، V_OL، V_IH و V­_IL را برای وارون کننده اول به دست آورید. (این آزمایش را برای دو مقدار مقاومت 1 و 100 کیلو اهم نیز تکرار کنید و نتایج را مقایسه کنید)

بخش ب:

دو مدار مشابه بخش ب آزمایش 3 را به صورت cascading طراحی و شبیه سازی کنید. سپس مقادیر V_OH، V_OL، V_IH و V­_IL را برای وارون کننده اول به دست آورید. (این آزمایش را برای دو مقدار مقاومت 1 و 100 کیلو اهم نیز تکرار کنید و نتایج را مقایسه کنید)

بخش ج:

دو مدار مشابه بخش ج آزمایش 3 را به صورت cascading طراحی و شبیه سازی کنید. سپس مقادیر V_OH، V_OL، V_IH و V­_IL را برای وارون کننده اول به دست آورید. (این آزمایش را برای دو مقدار مقاومت 1 و 100 کیلو اهم نیز تکرار کنید و نتایج را مقایسه کنید)

بخش د:

دو مدار مشابه بخش د آزمایش 3 را به صورت cascading طراحی و شبیه سازی کنید. سپس مقادیر V_OH، V_OL، V_IH و V­_IL را برای وارون کننده اول به دست آورید. (این آزمایش را برای دو مقدار مقاومت 1 و 100 کیلو اهم نیز تکرار کنید و نتایج را مقایسه کنید)

 

 

4-3       سوالات

1. نتایج بخش الف تا د آزمایش 3 و 4 را با یکدیگر مقایسه و نتایج حاصل را تحلیل کنید.

 

 

5-1       پیش آگاهی

هدف از این آزمایش به دست آوردن دو تاخیر T_PLH و T_PHL و مقایسه نتایج در حالت تئوری و عملی است. جهت بررسی مشخصات پویای این وارون کننده از همان مدار cascade موجود در آزمایش 4 استفاده کنید. برای اندازه گیری تاخیر این وارون کننده با استفاده از oscilloscope باید تغییرات ورودی و خروجی را به صورت متناوب تکرار کنید. در ابتدا باید یک شکل موج مربعی با فرکانس مناسب با استفاده از function generator تولید کرد و به ورودی مدار cascade شده اعمال کرد. بر اساس شکل موج خروجی وارون کننده اول که بر روی oscilloscope مشاهده می کنید، مقادیر T_PLH و T_PHL را به دست آورید.

 

5-2       دستور کار

بخش الف:

T_PLH و T_PHL را برای خروجی وارون کننده اول بخش الف آزمایش 4 به دست آورید. آیا این دو مقدار یکسان هستند یا خیر؟ شرح دهید. فرکانس مورد استفاده را ذکر نمایید. با استفاده از datasheet مربوطه مقدار C­_in را برداربد و به صورت تئوری مقادیر T_PLH و T_PHL محاسبه کنید. نتایج حاصل از تئوری و عملی را با هم مقایسه کنید.

بخش ب:

T_PLH و T_PHL را برای خروجی وارون کننده اول بخش ب آزمایش 4 به دست آورید. آیا این دو مقدار یکسان هستند یا خیر؟ شرح دهید. فرکانس مورد استفاده را ذکر نمایید. به صورت تئوری مقادیر T_PLH و T_PHL محاسبه کنید. نتایج حاصل از تئوری و عملی را با هم مقایسه کنید.

بخش ج:

T_PLH و T_PHL را برای خروجی وارون کننده اول بخش ج آزمایش 4 به دست آورید. آیا این دو مقدار یکسان هستند یا خیر؟ شرح دهید. فرکانس مورد استفاده را ذکر نمایید. به صورت تئوری مقادیر T_PLH و T_PHL محاسبه کنید. نتایج حاصل از تئوری و عملی را با هم مقایسه کنید.

بخش د:

 

T_PLH و T_PHL را برای خروجی وارون کننده اول بخش د آزمایش 4 به دست آورید. آیا این دو مقدار یکسان هستند یا خیر؟ شرح دهید. فرکانس مورد استفاده را ذکر نمایید. مقادیر T_PLH و T_PHL به صورت تئوری محاسبه کنید. نتایج حاصل از تئوری و عملی را با هم مقایسه کنید.

 

5-3       سوالات

1.      نتایج عملی بخش الف تا د را با یکدیگر مقایسه کنید. کدام تکنولوژی از نظر تاخیر بهتر عمل می کند.

 

 

6-1       پیش آگاهی

هدف از این آزمایش بررسی تاثیر پارامترهای ولتاژ تغذیه و خازن بار بر روی رفتار زمانی یک وارون کننده CMOS است.

 

6-2       دستور کار

بخش الف: بررسی تاثیر V_dd بر روی تاخیر

مدار بخش د آزمایش شماره 5 را ببندید و دو مقدار T_PLH و T_PHL را به ازای مقادیر منبع تغذیه از 4 تا 10 ولت و به فاصله 1 ولت محاسبه کنید. از نظر تئوری افزایش V_dd بر روی تاخیر چه تاثیری دارد؟ آیا این تاثیر در نتایج عملی نیز دیده می شود.

بخش ب: بررسی تاثیر خازن بار بر روی تاخیر

به جای مدار وارون کننده دوم در بخش الف، خازن های 50 پیکوفاراد در خروجی وارون کننده اول قرار دهید و به ازای V_dd = 5v مقادیر T_PLH و T_PHL را به دست آورید. آزمایش را برای خازن بار با مقادیر 100 پیکو و 200 پیکو فاراد تکرار کنید. نتایج حاصل را با یکدیگر مقایسه کنید و اثر افزایش خازن بار بر روی تاخیر را شرح دهید.

 

6-3       سوالات

1-    برای کاهش تاخیر چه راه حل هایی پیشنهاد می کنید.

 

 

 

7-1       پیش آگاهی

در این آزمایش رفتار و مشخصات یک وارون کننده CMOS با خروجی Tri-State مورد بررسی قرار می گیرد.

 

7-2       دستور کار

بخش الف:

با استفاده از ترانزیستورهای PMOS و NMOS موجود در قطعه CD4007 و منبع تغذیه 5 ولت (V_dd) یک وارون کننده CMOS با خروجی Tri-State بسازید. (ترانزیستورهای وارون کننده نزدیک خروجی و ترانزیستورهای جدا کننده را در بالا و پایین قرار دهید).

همانند آزمایش 3 مقادیر V_OH، V_OL، V_IH و V­_IL را برای مدار محاسبه کنید. سپس یک خازن 100 پیکو فاراد در خروجی مدار قرار دهید و دو مقدار T_PLH و T_PHL را به دست آورید.

بخش ب:

بخش الف را برای حالتی که جای ترانزیستورهای وارون کننده و جدا کننده با یکدیگر عوض شده اند (برای این کار می توانید جای ورودی ها را فقط عوض کنید)، تکرار کنید.

 

7-3       سوالات

1-    نتایج دو قسمت الف و ب را با یکدیگر مقایسه کنید.

2-    نتایج بخش الف را با نتایج یک وارون کننده CMOS معمولی (بخش د آزمایش 4 و 5) مقایسه کنید.

 

 

8-1       پیش آگاهی

آشنایی با نحوه پیاده سازی مدارهای مختلف

 

8-2       دستورکار

بخش الف:

در ابتدا عملکرد مدار شکل (2) را شرح دهید. سپس مدار را پیاده سازی کنید و مقادیر V_OH، V_OL را برای خروجی محاسبه کنید. در نهایت، یک خازن به اندازه 100 پیکو فاراد در خروجی آن قرار دهید تا دو مقادیر T_PLH و T_PHL را به دست آورید.

 

بخش ب:

مدار معادل شکل (2) را با استفاده از روش CMOS (Pull up-Pull down) رسم و پیاده سازی نمائید. سپس مقادیر V_OH، V_OL را برای خروجی محاسبه کنید. در نهایت، یک خازن به اندازه 100 پیکو فاراد در خروجی آن قرار دهید تا دو مقادیر T_PLH و T_PHL را به دست آورید.

 

8-3       سوالات

1.      نتایج دو بخش الف و ب را با یکدیگر مقایسه کنید.

 

 

 

9-1       پیش آگاهی

هدف از این آزمایش پیاده سازی یک مدار بزرگ بر اساس ماژول ها در نرم افزار HSPICE است. شبیه سازی تمام مدارها با تکنولوژی 180 نانومتر و ولتاژ تغذیه 1.8 ولت انجام شود.

 

9-2       دستور کار

بخش الف:

ابتدا مدار شکل (3) که نشان دهنده مدار DFF[2] است را در HSPICE طراحی و شبیه سازی کنید.

بخش ب:

با استفاده از مدار شکل (3) یک رجیستر 8 بیتی طراحی و شبیه سازی کنید.

بخش ج:

با استفاده از ماژول Full adder طراحی شده در آزمایش 1، یک incrementor (جمع کننده آبشاری) 8 بیتی طراحی کنید.

بخش د:

با استفاده از رجیستر 8 بیتی طراحی شده در بخش ب و مدار incrementor طراحی شده در بخش ج یک شمارنده افزایشی 8 بیتی طراحی کنید.

 

9-3       سوالات

1.      تاخیر، میانگین توان مصرفی، و حاصل ضرب توان در تاخیر (PDP) شمارنده افزایشی 8 بیتی طراحی شده در بخش د را محاسبه کنید.

 

 

10-1   پیش آگاهی

هدف از این آزمایش پیاده سازی یک مدار بزرگ بر اساس ماژول ها در نرم افزار HSPICE است. شبیه سازی تمام مدارها با تکنولوژی 180 نانومتر و ولتاژ تغذیه 1.8 ولت انجام شود.

10-2   دستور کار

ابتدا یک مدار برای ضرب کننده 4×4 طراحی کنید. (انتخاب نوع ضرب کننده به اختیار دانشجو است). سپس این مدار را در HSPICE شبیه سازی کنید. می توانید از Full adder و جمع کننده آبشاری طراحی شده در بخش ج آزمایش 9 استفاده کنید.

 

10-3   سوالات

1.      تاخیر، میانگین توان مصرفی، و حاصل ضرب توان در تاخیر (PDP) ضرب کننده 4×4 طراحی شده محاسبه کنید.

 

 

 

به یاد داشته باشید "یک مهندس راهی خواهد یافت یا راهی خواهد ساخت"

موفق باشید.