วิธีการออกแบบวงจรแบบซิงโครนัส?

การออกแบบวงจรแบบซิงโครนัสเป็นกระบวนการที่พิถีพิถันซึ่งต้องมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิตอลข้อ จำกัด ด้านเวลาและข้อกำหนดของระบบ ในฐานะซัพพลายเออร์ออกแบบแบบซิงโครนัสเรามีประสบการณ์อย่างกว้างขวางในการสร้างวงจรซิงโครนัสที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ในโพสต์บล็อกนี้เราจะนำคุณผ่านขั้นตอนสำคัญที่เกี่ยวข้องในการออกแบบวงจรแบบซิงโครนัสตั้งแต่แนวคิดไปจนถึงการใช้งาน

ขั้นตอนที่ 1: กำหนดข้อกำหนด

ขั้นตอนแรกในกระบวนการออกแบบวงจรใด ๆ คือการกำหนดข้อกำหนดอย่างชัดเจน ซึ่งรวมถึงการทำความเข้าใจฟังก์ชั่นการทำงานที่วงจรจำเป็นต้องดำเนินการสัญญาณอินพุตและเอาต์พุตความถี่ในการทำงานข้อ จำกัด การใช้พลังงานและข้อกำหนดเฉพาะอื่น ๆ ตัวอย่างเช่นหากคุณกำลังออกแบบวงจรแบบซิงโครนัสสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์คุณต้องทราบความถี่นาฬิกาจำนวนอินพุตและเอาต์พุตหมุดและประเภทของการดำเนินการที่จำเป็นสำหรับการสนับสนุนเช่นการดำเนินการทางคณิตศาสตร์การจัดเก็บข้อมูลหรือการสื่อสารกับอุปกรณ์อื่น ๆ

นอกจากนี้ยังเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาแอปพลิเคชันเป้าหมายและสภาพแวดล้อมที่วงจรจะทำงาน ปัจจัยต่าง ๆ เช่นอุณหภูมิความชื้นและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของวงจร ดังนั้นการออกแบบควรมีความแข็งแกร่งพอที่จะทนต่อเงื่อนไขเหล่านี้

ขั้นตอนที่ 2: เลือกตระกูลลอจิกที่เหมาะสม

เมื่อกำหนดข้อกำหนดแล้วขั้นตอนต่อไปคือการเลือกตระกูลตรรกะที่เหมาะสม ตระกูลลอจิกที่แตกต่างกันมีลักษณะที่แตกต่างกันเช่นความเร็วการใช้พลังงานภูมิคุ้มกันและค่าใช้จ่าย ตระกูลลอจิกทั่วไปบางครอบครัว ได้แก่ ทรานซิสเตอร์ - ตรรกะทรานซิสเตอร์ (TTL), โลหะเสริม - ออกไซด์ - เซมิคอนดักเตอร์ (CMOS) และ Emitter - Logic คู่ (ECL)

CMOS ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในวงจรซิงโครนัสที่ทันสมัยเนื่องจากการใช้พลังงานต่ำภูมิคุ้มกันเสียงรบกวนสูงและวงจรรวมที่มีอยู่หลากหลาย ในทางกลับกัน TTL เป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องความเร็วในการสลับอย่างรวดเร็วและถูกนำมาใช้ในระบบดิจิตอลแบบดั้งเดิมมากมาย ECL ใช้ในแอปพลิเคชันความเร็วสูงซึ่งต้องใช้เวลาในการสลับอย่างรวดเร็ว แต่ใช้พลังงานมากขึ้นเมื่อเทียบกับ CMOs

ขั้นตอนที่ 3: ออกแบบตรรกะแบบผสมผสาน

Combinational Logic เป็นส่วนหนึ่งของวงจรซิงโครนัสที่ดำเนินการเชิงตรรกะบนสัญญาณอินพุตเพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุต มันไม่มีองค์ประกอบหน่วยความจำและเอาต์พุตขึ้นอยู่กับค่าอินพุตปัจจุบันเท่านั้น วงจรลอจิกแบบ Common Combinational รวมถึง Adders, Multiplexers, Decoders และ Encoders

เมื่อออกแบบตรรกะแบบผสมผสานเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเพิ่มประสิทธิภาพวงจรสำหรับความเร็วและพื้นที่ สิ่งนี้สามารถทำได้โดยใช้แผนที่ Karnaugh หรือพีชคณิตบูลีนเพื่อลดความซับซ้อนของการแสดงออกของตรรกะ ตัวอย่างเช่นหากคุณกำลังออกแบบวงจร adder คุณสามารถใช้วงจร adder เต็มรูปแบบในน้ำตกเพื่อทำการเพิ่มหลายบิต

ขั้นตอนที่ 4: ออกแบบตรรกะตามลำดับ

Sequential Logic เป็นส่วนหนึ่งของวงจรซิงโครนัสที่มีองค์ประกอบหน่วยความจำเช่น flip - flops หรือ latches เอาต์พุตของวงจรต่อเนื่องไม่เพียง แต่ขึ้นอยู่กับค่าอินพุตปัจจุบัน แต่ยังอยู่ในสถานะก่อนหน้าของวงจร Flip - Flops เป็นองค์ประกอบหน่วยความจำที่ใช้กันมากที่สุดในวงจรซิงโครนัส พวกเขาจะถูกกระตุ้นโดยสัญญาณนาฬิกาซึ่งซิงโครไนซ์การทำงานของวงจร

มีรองเท้าแตะประเภทต่าง ๆ เช่น D Flip - Flops, JK Flip - Flops และ T Flip - Flops D Flip - Flops เป็นสิ่งที่ง่ายที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลาย พวกเขาเก็บค่าของสัญญาณอินพุตที่ขอบที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงของสัญญาณนาฬิกา เมื่อออกแบบตรรกะตามลำดับคุณต้องพิจารณาข้อกำหนดด้านเวลาอย่างระมัดระวังเช่นเวลาการตั้งค่าและเวลาพัก เวลาในการตั้งค่าคือเวลาต่ำสุดที่สัญญาณอินพุตจะต้องมีความเสถียรก่อนขอบนาฬิกาและเวลาค้างไว้คือเวลาต่ำสุดที่สัญญาณอินพุตจะต้องเสถียรหลังจากขอบนาฬิกา

ขั้นตอนที่ 5: สร้างเครือข่ายการกระจายนาฬิกา

เครือข่ายการกระจายนาฬิกาเป็นส่วนสำคัญของวงจรซิงโครนัส มันมีหน้าที่รับผิดชอบในการกระจายสัญญาณนาฬิกาไปยัง flip - flops ทั้งหมดและนาฬิกาอื่น ๆ - องค์ประกอบที่ขึ้นกับในวงจร เครือข่ายการกระจายนาฬิกาที่ออกแบบมาอย่างดีทำให้มั่นใจได้ว่า Flip - Flops ทั้งหมดจะได้รับสัญญาณนาฬิกาในเวลาเดียวกันโดยมีความเบ้และกระวนกระวายใจน้อยที่สุด

ความเบ้คือความแตกต่างในเวลาที่มาถึงของสัญญาณนาฬิกาที่รองเท้าแตะที่แตกต่างกันและกระวนกระวายใจคือการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาของสัญญาณนาฬิกา เพื่อลดความเบ้และกระวนกระวายใจเทคนิคต่าง ๆ เช่นการแทรกบัฟเฟอร์การสังเคราะห์ต้นไม้นาฬิกาและการ gating นาฬิกาสามารถใช้ได้ นาฬิกา Gating เป็นเทคนิคที่ใช้ในการลดการใช้พลังงานโดยปิดการใช้งานสัญญาณนาฬิกาไปยังส่วนต่าง ๆ ของวงจรที่ไม่ได้ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน

ขั้นตอนที่ 6: ดำเนินการวิเคราะห์เวลา

การวิเคราะห์เวลาเป็นขั้นตอนสำคัญในการออกแบบวงจรแบบซิงโครนัส มันเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบว่าวงจรตรงตามข้อกำหนดด้านเวลาเช่นเวลาตั้งค่าและเวลาพัก การวิเคราะห์เวลาแบบคงที่ (STA) เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการวิเคราะห์เวลา มันวิเคราะห์วงจรโดยไม่จำลองพฤติกรรมเมื่อเวลาผ่านไป

STA คำนวณเวลามาถึงที่เลวร้ายที่สุดของสัญญาณอินพุตที่ flip - flops และเปรียบเทียบกับข้อกำหนดการตั้งค่าและเวลาค้างไว้ หากวงจรไม่เป็นไปตามข้อกำหนดด้านเวลาการปรับเปลี่ยนการออกแบบเช่นการเพิ่มบัฟเฟอร์หรือการปรับประตูลอจิกอาจจำเป็น

ขั้นตอนที่ 7: จำลองและตรวจสอบการออกแบบ

หลังจากการออกแบบเสร็จสมบูรณ์เป็นสิ่งสำคัญในการจำลองและตรวจสอบวงจรเพื่อให้แน่ใจว่ามันทำงานได้อย่างถูกต้อง การจำลองสามารถทำได้ในระดับที่แตกต่างกันเช่นการจำลองระดับประตูการจำลองระดับการลงทะเบียน - การถ่ายโอน (RTL) และการจำลองเชิงพฤติกรรม

การจำลอง RTL มักใช้ในระยะแรกของกระบวนการออกแบบเพื่อตรวจสอบการทำงานของวงจรในระดับสูง การจำลองระดับประตู - ระดับใช้เพื่อตรวจสอบวงจรหลังจากกระบวนการสังเคราะห์โดยคำนึงถึงประตูตรรกะจริงและความล่าช้าของพวกเขา การจำลองพฤติกรรมใช้เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมโดยรวมของวงจรตามคำอธิบายการทำงาน

ขั้นตอนที่ 8: การออกแบบทางกายภาพและเค้าโครง

เมื่อการออกแบบได้รับการตรวจสอบผ่านการจำลองขั้นตอนต่อไปคือการออกแบบทางกายภาพและเค้าโครง สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการวางประตูตรรกะ flip - flops และส่วนประกอบอื่น ๆ บนชิปซิลิคอนและกำหนดเส้นทางสายเชื่อมต่อระหว่างกัน การออกแบบทางกายภาพควรได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับพื้นที่การใช้พลังงานและความสมบูรณ์ของสัญญาณ

เทคนิคต่าง ๆ เช่นการวางแผนการจัดวางตำแหน่งและการกำหนดเส้นทางถูกนำมาใช้ในกระบวนการออกแบบทางกายภาพ การวางแผนพื้นเกี่ยวข้องกับการแบ่งชิปออกเป็นภูมิภาคต่าง ๆ สำหรับบล็อกการทำงานที่แตกต่างกัน ตำแหน่งเป็นกระบวนการของการวางตำแหน่งส่วนประกอบบนชิปและการกำหนดเส้นทางเป็นกระบวนการเชื่อมต่อส่วนประกอบกับสายไฟ

ขั้นตอนที่ 9: การประดิษฐ์และการทดสอบ

หลังจากการออกแบบทางกายภาพเสร็จสิ้นวงจรจะถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อชิปประดิษฐ์พร้อมใช้งานพวกเขาจะต้องได้รับการทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขาตรงตามข้อกำหนดการออกแบบ การทดสอบอาจรวมถึงการทดสอบการทำงานการทดสอบพารามิเตอร์และการทดสอบความน่าเชื่อถือ

การทดสอบการทำงานตรวจสอบว่าวงจรทำหน้าที่ตามที่ต้องการอย่างถูกต้องหรือไม่ การทดสอบพารามิเตอร์วัดพารามิเตอร์ไฟฟ้าของวงจรเช่นการใช้พลังงานความถี่ในการทำงานและระดับสัญญาณ การทดสอบความน่าเชื่อถือใช้เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

ในฐานะซัพพลายเออร์ออกแบบแบบซิงโครนัสเรานำเสนอผลิตภัณฑ์และบริการที่หลากหลายเพื่อตอบสนองความต้องการการออกแบบวงจรแบบซิงโครนัสของคุณ ผลิตภัณฑ์ของเรารวมถึงกระดาษตกแต่งแบบซิงโครนัสและกระดาษตกแต่งแบบซิงโครนัสซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับปรุงการทำงานและความสวยงามของวงจรของคุณ

หากคุณมีความสนใจในผลิตภัณฑ์หรือบริการของเราหรือหากคุณมีคำถามใด ๆ เกี่ยวกับการออกแบบวงจรแบบซิงโครนัสเราขอแนะนำให้คุณติดต่อเราสำหรับการอภิปรายการจัดซื้อจัดจ้าง เรามีทีมวิศวกรที่มีประสบการณ์ซึ่งสามารถให้คำแนะนำและการสนับสนุนอย่างมืออาชีพแก่คุณ

การอ้างอิง

• Mano, M. Morris และ Michael D. Ciletti การออกแบบดิจิทัล เพียร์สัน, 2013
• Wakerly, John F. Digital Design: หลักการและการปฏิบัติ Prentice Hall, 2006
• Kang, Leblebici และ AP Chandrakasan CMOS Digital Integrated Circuits: การวิเคราะห์และการออกแบบ McGraw - Hill, 2003