JK触发器集成电路设计 Cadence软件模拟仿真

1、专业综合技能训练报告JK触发器的设计学院：机械与电子工程学院专业：电子科学与技术班级：080631姓名：陈振学号：08063104指导老师：蔡志民老师 一、 实验目的：1、熟悉UNIX的概念与基本操作;2、掌握 Cadence软件的基本操作;3、了解Schematic设计环境4、掌握原理图的设计方法5、熟悉前仿真参数设置和仿真步骤6、学会验证仿真结果二、实验原理1、JK触发器的构造及功能：触发器是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。本次是用MOS 器件设计一个JK触发器，通过JK 触发器的功能设计电路图，再转换为MOS 器件的电路。触发器是一个具有记忆功能

2、的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。触发器具有两个稳定状态，即0和1，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。由于采用的电路结构形式不同，触发信号的触发方式也不一样。根据触发方式触发器可分为电平触发、脉冲触发和边沿触发。电平触发方式结构简单、触发速度快。在时钟信号有效电平期间（CLK=1 或CLK=0），触发器总是处于可翻转状态，输入信号的变化都会引起触发器状态的变化。在时钟信号无效电平期间，触发器状态保持不变。因此，在时钟信号有效电平宽度较宽时，触发器会连续不停地翻转。如果要求每来一个CLK 脉冲触发器仅翻转一次的话，则对时钟脉的有效电平的宽度要

3、求极为苛刻，所以实际中应用并不广泛。边沿触发方式的特点是：触发器只在时钟跳转时刻发生翻转，而在C=1 或C=0 期间，输入端的任何变化都不影响输出。主从型JK 触发器:由主从型JK 触发器转换的各种功能的触发器都属于主从触发方式。这种触发方式的工作特点是：克服了在CLK 有效电平期间多次翻转现象，具有一次翻转特性。就是说，在CLK 有效电平期间，主触发器接受了输入信号发生一次翻转后，主触发器状态就一直保持不变，也不再随输入信号J.K的变化而变化。一次翻转特性有利有弊：利在于克服了空翻现象；弊是带来了抗干扰能力差的问题。本次设计研究的是下降沿跳变主从JK 触发器。主从触发器的原理图如图所示：若J

4、 = 1、K = 0 则CLK = 1 时主触发器置1（原来是0 置成1，原来是1 则保持1），待CLK = 0 后从触发器亦随之置1，即Q* = 1。若J = 0 = 则CLK = 1 时主触发器置0 原来是0则置成1，待CLK =0 以后从触发器亦随之置0，即Q*= 0。若= = 0，则由于门 7、 8 被封锁，触发器保持原来状态不变，即Q* = Q。若= = 1，需要分两种情况考虑。第一种情况是Q = 0。这时门 8 被端的低电平封锁，CLK = 1时仅 7 输出低电平信号，故主触发器置1，CLK= 0 后从触发器亦随之置1，即Q* = 1；第二种情况是Q = 1。这时门 7 被端的低电

5、平封锁，CLK = 1 时仅 8输出低电平信号，故主触发器置，CLK = 后从触发器亦随之置，即Q* = 。2、电路设计思路：由原理图可知主从JK 触发器是由八个与非门和一个反相器构成。所以现在设计与非门的原理图。根据MOS管的特点设计的与非门的原理图如图2所示： 反相器的设计和与非门的一样，反相器的原理图如图3 所示： 当输入电压Vi=0 时，Tp 导通，Tn 截止。导通后的PMOS 管的电阻很小，所以输出电压Vo 就近似等于Vdd，也就是输出高电平。当输入电压为高电平时，Tn 导通，Tp 截止。截止时的PMOS 管的电阻非常大。所以输出电压接近于0，也就是输出低电平。三、 原理图绘制：本次

6、设计采用0.18nm工艺库，根据原理图和与非门、反相器的构成调用元件,器件参数：PMOS珊宽800nm，珊长：180nm；NMOS珊宽：400nm，珊长：180nm。最终由原理图调用元件，连线，就根据原理图来画出用MOS 器件组成的JK 触发器了。绘制成功的JK 触发器的原理图如图4所示：图4 绘制成功的JK触发器的原理图图中输入端口由上至下依次为J、K、clk，输出端口为 Q、Q-。由八个与非门和一个反相器构成。四、 前仿真1、 功能仿真结果如图5：图5 JK触发器前仿真结果（七种组合）由图可知：以上仿真图中出现了七种组合情况，其仿真结果与JK触发器真值表功能完全一致，但缺少 000 0 这

7、一种情况,于是对J、K输入信号的脉冲周期进行重新设定，进行仿真，得到另一组仿真图，由图6可知，000 0这一结果也得到验证。附真值表 图6 JK触发器前仿真结果（000 0组合）上图6为J、K、Q、Q*分别为 0 0 0 0这一状态的验证。真值表出现的八种情况均已得到验证，其结果与其完全吻合，波形也非常漂亮。2、最高工作频率 通过逐渐增高时钟和输入信号的频率，当其输出结果波形发生变形，与真值表不符时，就是失真频率，从而来验证电路能正常工作的最高频率。 我们首先设定脉冲周期为400ps，即工作频率f=2.5 GHZ时，仿真截图7如下：图7 工作频率为2.5GHZ时的仿真波形由图可知：输出结果Q的

8、矩形波虽然有些跳动，但还未失真。继续增加频率，当脉冲周期为300Ps，即频率f=3.33 GHZ时，仿真结果如图8所示：图8 工作频率为3.3GHZ时的仿真波形由图看出：输出信号Q已经发生轻微畸变，但其得到的功能与真值表相符，波形还未失真！此时频率为3.3GHZ。在继续将脉冲周期减到250Ps，即工作频率增加到4GHZ，仿真图如图9所示：图9 工作频率为4GHZ时的仿真波形由图看出：输出Q的波形已经不是矩形，而是变成了顶峰尖锐的三角波形状，输出波形严重变形，输出信号已发生失真！结论：此次设计的JK触发器最高工作频率约为3.3GHZ。3、功耗仿真本实验采用添加激励，并对激励进行电流仿真，再对电流

9、值求绝对值，再求平均值，得到的电流值乘以电源电压1.8V，就得到了JK触发器的功耗。首先对电流仿真，得到如图10所示的电流波形：图10 电源电流的仿真波形在计算器中点击 abs 选项，即求电流的绝对值，再点击波形按钮，即得到电流的绝对值，如下图11所示：图11 电源电流求绝对值后的波形再点击Average，得到了电流的平均值，如图12所示：图12 电源电流的平均值计算结果右上图可知，电流平均值为0.269 mA，由公式P=UI，即P=0.269（mA）1.8（v）=0.47 mw。分析结果后发现整个电路的功耗偏大，经过对参数多次修改，得到的结果均在这一结果左右波动，可知其基本接近真实数值。功耗

10、偏大的原因可能与设计的JK触发器所使用的MOS管数目较多有关，电路中共受用了PMOS和NMOS管各19个，共38个。五、 实验心得：1、通过本次实验，Cadence的软件的操作已基本熟悉，但由于设置过程的目录菜单全部为英文,因此还有部分操作功能不太会使用；2、原理图完成后第一次检查时发现有一些PMOS和NMOS管的参数在添加时没有进行参数设置，导致仿真时有警告提示，导致后来仿真时不能出结果。在以后的实验中一定要尽量避免这种低级错误。3、连线过程中由于对规则不熟悉，有三处连线采用十字交叉连线，导致检查时有错误提示；首次检查时还发现由于疏忽有线没有连上；在以后的画图过程中一定会更加认真细致。4、仿

11、真过程中开始时由于电路连接有问题，检查出措，但不能出仿真结果，后回到原理图进行修改，对部分管子参数进行正确修改，最终仿真成功；5、第一次仿真由于J、K和CLK的周期设置不当，导致结果很难验证。解决方法：对clk、J、K的周期进行合理设定，使CLK的下降沿到来时刚好位于J、K脉冲信号的稳定部分，这样结果就很好与JK触发器的真值表进行对比验证。最终得到的仿真波形与真值表吻合很好，波形也非常漂亮。第一个仿真图对JK触发器的真值表中的七种情况得到验证，结果均正确，但未出现0000这一情况，因此又重新设定信号，对0000这一情况进行了验证，其结果与真值表相符。6、最高工作频率验证过程中，通过逐渐增大工作

12、频率来寻找最高的失真频率，这需要很大的耐心和细心，但也从中收获了很多，对软件操作更加娴熟，对各种参数的设置更加熟练。最终得到本次设计的JK触发器最高工作频率约为3.3GHZ。7、功耗仿真：按照实验的步骤将增加对电源电流的仿真，开始时由于方法不当，进行多次尝试都无法在仿真波形中输出显示，这个问题一直没有得到解决。后经过老师的讲解，电路的功耗仿真最终成功，但由于电路所用MOS管数量比较多，因此功耗还是偏大。总的来说，通过本次课程设计，使我增加了对与集成电路设计的兴趣，提高了学习热情，进一步熟悉了Cadence软件的操作，对原理图设计、前仿、版图、后仿整个流程的有了更深刻的整体把握，增强了软件使用过

13、程中分析问题解决问题的能力,收获很多。diagnosis treatment of functions. Medical laboratory specialist stages for a period of 1-3 years. A, training objectives (1) to supervise medical staff with the right choice testing and specimen collection. (2) able to properly interpret results of testing and counselling, partici

14、pation in clinical diagnosis and treatment of disease consultation and discussion and a series of communication and Exchange and clinical tasks. (3) the limited inspection data can be translated into effective diagnosis and treatment of disease information. (4) take on scientific and technical resea

15、rch laboratory diagnosis-related tasks. Second, training requirements (1) the education requirements: Bachelor degree for clinical medicine and received a Bachelor of medicine degree above. (2) training years: Dr: research type 3 years (medical 12 months; test section 24 months) clinical type 2 year

16、s (test section 24 months) master: research type 3 years (medical 12 months; test section 24 months) clinical type 2.5 years (medical 6 months; test section 24 months) undergraduate: 3 years (medical 12 months; test section 24 months) three, and training method (1) First phase of the rotation order: test section 4-month rotations in clinical laboratory, clinical chemistry test inspection, examination in clinical Haematology, Clinical Immunolo