АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра Электроники и компьютерных технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

Программа, методические указания и контрольные задания

(для студентов заочной формы обучения специальности

350100 – Электронные системы и технологии)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2004

 

 

 

СОСТАВИТЕЛЬ: У.Т.Шанаев. Микросхемотехника. Программа, методические указания и контрольные задания (для студентов заочной формы обучения специальности 350100 – Электронные системы и технологии). – Алматы: АИЭС, 2004. – 15 с.

 

 

 

 

 

В методических указаниях к изучению разделов курса обращается внимание на наиболее важные вопросы отдельных тем, даны примеры ре­шения задач, варианты контрольных заданий.

Методические указания предназначены для студентов специальности 350100 заочной формы обучения.

 

Табл. 1, библиогр. 11 назв.

 

 

 

 

 

Рецензент: канд.техн. наук, доц. З. А. Жунусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2002  г.

 

 

 

 

 

© Алматинский институт энергетики и связи, 2004

Введение

При создании современных промышленных электронных устройств широко используется новая элементная база – интегральные микросхемы (ИМС), большие интегральные микросхемы (БИС) и микропроцессоры. Схемотехни-ческие решения, используемые в электронной аппаратуре и при создании новых типов интегральных схем имеют ряд особенностей, связанных с интегральной технологией изготовления.

Задачей изучения дисциплины "Микросхемотехника" является ознакомление будущих специалистов с типовыми схемотехническими решениями и особенностями разработки схемотехники электронной аппаратуры на основе аналоговых и цифровых ИС, их характеристиками и параметрами. В результате изучения дисциплины студенты должны знать особенности разработки устройств промышленной электроники в интегральном исполнении, приобрести теоретические знания и практические навыки по разработке схемотехники и анализу параметров узлов микроэлектронной аппаратуры на базе ИМС, уметь грамотно использовать типовые схемотехнические решения в интегральном исполнении, умело осуществлять выбор элементной базы при проектировании электронной аппаратуры.

Дисциплина "Микросхемотехника" базируется на соответствующих разделах курсов математики, физики, теории электрических цепей и схемотехники аналоговых устройств и создает основу для изучения последующих дисциплин схемотехнического цикла, а также для выполнения студентами реальных дипломных проектов.

Данная дисциплина изучается в десятом семестре, согласно учебному плану. В этом же семестре по результатам выполнения контрольных заданий и курсовой работы принимается зачет, а затем проводится экзамен с целью контроля приобретенных студентами знаний по данной дисциплине.

Основным и рекомендуемым методом приобретения знаний при заочной форме обучения является самостоятельная работа по выполнению контрольных заданий и курсовой работы, с использованием рекомендованной литературы. Исходя из содержания и объема учебного материала предполагается, что для самостоятельной работы необходимо затратить 100 часов.

В институте организовываются аудиторные занятия в объеме 28 часов, которые являются дополнительной формой занятий в помощь самостоятельной работе студентов по изучению курса. Они распределены следующим образом:

Лекции

14 часов

Лабораторные занятия

8 часов.

Общее количество времени, запланированное и необходимое для изучения и усвоения курса – 128 часов.

 

 

1 Программа курса

1.1 Предмет микросхемотехники и его специфика

Аналоговые и цифровые структуры электронных цепей. Методы и средства обработки аналоговых и цифровых сигналов. Особенности разработки изделий микроэлектроники.

Этапы инженерного проектирования и разработки топологии микросхем.

1.2 Конструктивно-технологические типы интегральных микросхем.

Конструктивно-технологическая классификация микросхем. Показатели качества технологии и конструкции. Основные элементы полупроводниковых и гибридных микросхем.

1.3 Микроэлектронные усилители

Микросхемотехника операционных усилителей (ОУ). Схемотехнические способы   улучшения   параметров   ОУ.   Особенности   применения   ОУ   в электронной аппаратуре. Методы защиты цепей ОУ. Разновидности усилителей.

1.4 Микроэлектронные преобразователи сигналов

Классификация преобразователей. Перемножители и делители на ОУ. Базовая структура полупроводниковых переможителей и их параметры. Применение полупроводниковых перемножителей.

Микросхемотехника компараторов напряжения и их проектирование. Специализированные компараторы на ОУ.

1.5 Микроэлектронные ключи и коммутаторы

Классификация ключей и коммутаторов. Электронные ключи аналоговых и цифровых сигналов.

Электронные коммутаторы. Многоканальные коммутаторы с цифровыми схемами управления. Устройства дискретизации аналоговых сигналов.

1.6 Аналоговые таймеры

Принципы построения и особенности применения таймеров. Одновибраторы и мультивибраторы на таймерах. Специализированные генераторы на таймерах. Интегральные таймеры в схемах ограничения и пороговых схемах.

1.7 Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Принципы преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Преобразователи частоты в напряжение. Микросхемы цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Параметры ЦАП.

Аналого-цифровые  преобразователи  (АЦП).  АЦП  последовательного приближения. Параллельные АЦП. Параметры АЦП.

Особенности применения БИС ЦАП и АЦП.

2 Содержание лекций

2.1 Цель и задачи курса "Микросхемотехника". Аналоговые и цифровые структуры электронных цепей. Методы и средства обработки аналоговых и цифровых сигналов.

2.2 Микросхемотехника операционных усилителей (ОУ). Методы защиты цепей ОУ. Схемотехнические способы   улучшения   параметров   ОУ.

2.3  Микроэлектронные преобразователи сигналов. Классификация преобразователей. Перемножители и делители на ОУ. Базовая структура полупроводниковых переможителей и их параметры. Применение полупроводниковых перемножителей.

2.4 Микросхемотехника компараторов напряжения и их параметры. Компараторы на ОУ.

2.5 Микроэлектронные ключи и коммутаторы. Электронные ключи аналоговых и цифровых сигналов. Электронные коммутаторы.

2.6 Аналоговые таймеры и принципы их построения. Одновибраторы и мультивибраторы на таймерах. Специализированные генераторы на таймерах.

2.7 Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Преобразователи  частоты в напряжение. Микросхемы аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

2.8 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП последовательного приближения. Параллельные АЦП.

3 Перечень лабораторных работ

3.1 Исследование импульсных схем на интегральном компараторе.

3.2 Исследование импульсных устройств на цифровых схемах.

3.3 Исследование устройств на аналоговых таймерах.

4 Методические указания к изучению курса  

В cоответствии с учебным планом курса "Микросхемотехника" студент обязан выполнить контрольную работу, ответить на контрольные вопросы, выполнить лабораторный практикум и сдать экзамен. К сдаче экзамена студент допускается при предъявлении эк­заменатору выполненных и зачтенных контрольных работ.

Основной формой изучения курса является самостоятельное изучение рекомендованной литературы. Очные виды занятий являются дополнитель­ной формой в помощь самостоятельной работе студентов по изучению курса.

Студенту рекомендуется вести краткий конспект изучаемого учебного материала. После изучения каждого раздела необходимо ответить на вопросы для самоконтроля.

В приведенных ниже методических указаниях даются ссылки на основ­ную литературу [1-4]. Для более углубленного изучения курса следует поль­зоваться дополнительной литературой.

4.1 Предмет микросхемотехники и его специфика

[1, с. 6-9; 2, с. 5-31]

Материал этого раздела носит описательный характер и не вызывает трудностей.

Рассматривая основные структуры микроэлектронных устройств электроники, необходимо обратить внимание на тенденцию увеличения степени интеграции схемных компонентов и функций в конструктивной единице – микросхеме – за счет размещения на одном кристалле аналоговых и цифровых микросхем. Примерами этого являются однокристальные цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи, подсистемы обработки данных и процессоры для обработки аналоговых сигналов – сигнальные процессоры.

Также следует обратить внимание на особенности синтеза электрических схем, выполняемых в виде ИМС, по сравнению с синтезом с помощью дискретных элементов, что влияет на характер используемых для их проектирования и расчета методов.

Вопросы для самоконтроля

4.1.1 Какой из методов обработки информации (аналоговый или цифровой) является более точным?

4.1.2  Какой из методов обработки информации (аналоговый или цифровой) является более быстродействующим?

4.1.3 Чем объясняются особенности синтеза электрических схем, выполняемых в виде ИМС, по сравнению с синтезом с помощью дискретных элементов?

4.1.4 Какие этапы включает в себя инженерное проектирование ИМС?

4.2 Конструктивно-технологические типы интегральных микросхем.

[1, с. 9-16; 4, с. 5-16]

При изучении конструктивно-технологических особенностей различных типов интегральных микросхем следует особое внимание обратить на влияние технологии изготовления как на параметры элементов ИМС, так и на ее качественные и эксплуатационные параметры.

Сведения о классификации микросхем по конструктивно-технологическим и функциональным признакам, а также об элементах и принципах их проектирования приводятся во множестве учебных пособий по электронике. Достаточно краткую, но исчерпывающую информацию на эту тему можно получить в [4]. Представление об обобщенных критериях качества микроэлектронных средств желательно получить в [1]. Наиболее подробная информация по всем вопросам этого раздела приводится в [2].

Вопросы для самоконтроля

4.2.1 Как реализуются диоды, резисторы и конденсаторы в полупроводниковых ИМС?

4.2.2 Какие способы изоляции элементов используются в  полупроводниковых ИМС и как они влияют на параметры и характеристики ИМС?

4.2.3 Какие достоинства и недостатки имеются у гибридных ИМС по сравнению с полупроводниковыми ИМС?

4.3 Микроэлектронные усилители

[1, с. 16-59; 2, с. 303-327; 4, с. 5-52]

ОУ является базовым узлом изучаемых далее ИМС различного назначения и поэтому необходимо разобраться в назначениях его структурных узлов (ДУ, генераторы тока, схемы сдвига уровня, схемы защиты входных и выходных цепей). Особое внимание следует обратить на внешние схемотехнические способы улучшения параметров ОУ.

Вопросы этого раздела достаточно подробно изложены в [1]. Информацию о схемотехнике конкретных усилительных микросхем и их параметрах можно получить в [2,4].

Вопросы для самоконтроля

4.3.1 Почему в ОУ резисторная нагрузка заменяется транзисторной?

4.3.2 Для чего используются в ОУ генераторы тока и почему?

4.3.3 Как осуществляется согласование уровней выходных сигналов ДУ с напряжениями смещения на входах промежуточного каскада ОУ?

4.3.4 Как осуществляется защита входных цепей ОУ?

4.3.5 Как осуществляется защита выходных цепей ОУ?

4.3.6 Как схемотехнически осуществляется уменьшение напряжения смещения нуля ОУ?

4.3.7 Как схемотехнически осуществляется уменьшение входных токов ОУ?

4.3.8 Как схемотехнически осуществляется увеличение скорости нарастания выходного напряжения ОУ?

4.3.9 Как схемотехнически осуществляется увеличение частоты среза ОУ?

 

 

 

4.4 Микроэлектронные преобразователи сигналов

[1, с. 59-144, 161-181; 2, с. 327-333; 3, с. 90-117,126-133, 221-223, 4, 18-19]

Информацию о разновидностях преобразователей сигналов можно получить в [4]. Принципы построения операционных преобразователей с примерами конкретных реализаций излагаются в [3].

Перемножители являются вторым по массовости применения после ОУ универсальным функциональным элементом, используемым для обработки аналоговых сигналов. К операции умножения сводятся различные нелинейные и параметрические преобразования аналоговых сигналов, такие как модуляция, демодуляция, управление параметрами усилителей, генераторов, активных фильтров, вычисление и многие другие.

Компараторы, занимая промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми микросхемами, по массовости применения также уступают среди аналоговых микросхем только ОУ.

Подробная информация о структурах перемножителей и компараторов и их параметрах приводится в [1]. Дополнительную информацию о перемножителях и компараторах напряжений можно получить в [2,3].

Вопросы для самоконтроля

4.4.1 Какой элемент можно использовать для реализации перемножителя на основе управляемого сопротивления?

4.4.2 Какой алгоритм используется для реализации перемножителя на логарифмических усилителях?

4.4.3 Как можно построить делитель с помощью перемножителя?

4.4.4 Какими достоинствами и недостатками обладают перемножители на ОУ, построенные с помощью методов: на основе управляемого сопротивления, на логарифмических усилителях, на основе переменной крутизны, импульсный.

4.4.5 В чем состоит преимущество метода, используемого в базовой структуре полупроводникового перемножителя в сравнении с перемножителями на ОУ?

4.4.6 Какими параметрами характеризуются компараторы?

4.4.7 Какими недостатками обладает компаратор, построенный на ОУ без ОС?

4.4.8 В  чем состоит недостаток компараторов общего применения?

4.4.9 Как можно улучшить переходные характеристики прецизионных компараторов?

4.4.10 В каких случаях использование ОУ является предпочтительнее применения полупроводниковых компараторов?

4.4.11 С какими однопороговыми компараторами на ОУ вы ознакомились и как у них вычисляется напряжение порога переключения?

4.4.12 С какими регенераторными компараторами на ОУ вы ознакомились и как у них вычисляется напряжения порогов переключения?

4.4.13 С какими двухпороговыми компараторами на ОУ вы ознакомились и как у них вычисляется напряжение порогов переключения?

4.5 Микроэлектронные ключи и коммутаторы

[1, с. 239-241; 2, с. 336-338; 3, с. 223-226; 4, с. 66-69]

Сравнительная характеристика различных типов аналоговых ключей приводится в [1,3]. Информацию о параметрах конкретных ключей и коммутаторов можно получить в [2,4].

Вопросы для самоконтроля

4.5.1 Какие недостатки транзисторных ключей можно устранить совместным использованием ОУ?

4.5.2 В чем заключаются преимущества и недостатки ключей на биполярных транзисторах и ОУ в сравнении с ключами на полевых транзисторах и ОУ?

4.5.3 На базе каких транзисторов разрабатываются аналоговые коммутаторы и почему?

4.5.4 Где в основном используются  аналоговые коммутаторы?

4.6 Аналоговые таймеры

[1, с. 181-221]

Обладая, как и ОУ, компараторы, перемножители, высокой надежностью, простотой применения в аппаратуре, аналоговые таймеры предоставляют широкие возможности для построения микроэлектронных преобразователей точных интервалов времени длительностью от микросекунды до месяцев.

Наиболее исчерпывающее изложение принципов построения различных типов таймеров и особенности их применения приводятся в [1].

Вопросы для самоконтроля

4.6.1 К аналоговым или цифровым микросхемам можно отнести таймеры?

4.6.2 Чем определяется длительность формируемого интервала времени в однотактном таймере?

4.6.3 Из каких функциональных узлов состоит и как работает однотактный таймер?

4.6.4 Чем отличаются структуры типового и прецизионного однотактных таймеров?

4.6.5 Какова структура и как работает программируемый таймер?

4.6.6 Какова структура и как работает многотактный программируемый таймер?

4.6.7 Как ограничить влияние параметров времязадающей цепи таймера на точность формирования временных интервалов?

4.6.8 Какими параметрами характеризуется одновибратор на однотактном таймере и от чего они зависят?

4.6.9 Как улучшить помехозащищенность одновибратора?

4.6.10 Как ограничить потребление энергии одновибратором?

4.6.11 С какими мультивибраторами на однотактном таймере вы ознакомились и как определяются их временные параметры?

4.6.12 Как можно осуществлять регулировку частоты и скважности выходных импульсов мультивибратора на однотактном таймере?

4.6.13 Как увеличить генерируемые мультивибратором на однотактном таймере временные интервалы до нескольких часов?

4.6.14 Какова структура генератора периодических пачек импульсов и как он работает?

4.6.14 Какова структура генератора треугольных сигналов и как он работает?

4.7 Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи

[1, с. 246-267, 291-317; 3, с. 223-226; 4, с. 66-69]

О принципах взаимного преобразования аналоговых и цифровых сигналов и о типовых структурах ЦАП и АЦП можно прочитать в [1,3,4]. Вопросы, связанные с особенностями современного этапа развития ЦАП и АЦП, освещены в [5].

Вопросы для самоконтроля

4.7.1 Из каких структурных элементов состоит  микросхема ЦАП?

4.7.2 На каких принципах могут быть построены АЦП?

4.7.3 Какова структура как работает АЦП последовательного приближения?

4.7.4 Какова структура и как работают параллельные АЦП?

5 Задание на контрольную работу

Правила выполнения и оформления контрольной работы

5.1 Контрольная работа включает в себя письменные ответы на три вопроса, перечисленные в разделе 6. Выбор вариантов вопросов осуществляется по первой букве фамилии студента и последней цифре зачетной книжки по таблице 1.

5.2 Ответы на контрольные вопросы должны быть оформлены в соответствии со стандартом на учебные работы [11]. Текст работы следует излагать кратко, литературным языком, без сокращений, упрощений, жаргонных выражений и т.п.

5.3 Все схемы, характеристики и графики необходимо выполнить на миллиметровой бумаге с соблюдением требований ЕСКД.

5.4 Необходимо указывать в тексте литературный источники (со ссылками на их номер), которые были использованы при подготовке ответов на контрольные вопросы.

 

Таблица 1

Первая буква    фамилии студента

Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

А, Г, Ж, К, Н, Р, У, Ш, Ю

6.1 6.106.25

6.4 6.136.28

6.7 6.166.31

6.106.196.34

6.2 6.176.22

6.8 6.146.29

6.5 6.196.31

6.7 6.226.34

6.1 6.136.25

6.4  6.166.28

Б, Д, З, Л, О, С, Ф, Щ, Я

6.2 6.116.26

6.5 6.146.29

6.8 6.176.32

6.116.206.35

6.1 6.166.23

6.7 6.136.30

6.4 6.206.32

6.6 6.236.35

6.2 6.146.26

6.5 6.176.29

В, Е, И, М,П, Т, Х, Э

6.3 6.126.27

6.6 6.156.30

6.9 6.186.33

6.126.216.36

6.3 6.156.24

6.9 6.186.28

6.8 6.216.33

6.9 6.246.36

6.3 6.156.27

6.6 6.186.30

 

6 Контрольные вопросы

6.1 Проведите сравнительный анализ характеристик аналоговой и цифровой структур электронных цепей и соответствующих методов обработки сигналов.

6.2 Поясните особенности синтеза электрических схем, выполняемых в виде ИМС.

6.3 Опишите этапы инженерного проектирования ИМС.

6.4 Приведите конструктивно-технологические особенности полупроводниковых и гибридных ИМС.

6.5 Опишите методы практической реализации пассивных элементов в полупроводниковых ИМС.

6.6 Опишите принципы практического проектирования и компоновки топологической структуры гибридных ИМС.

6.7 Поясните микросхемотехнические особенности структурных элементов ОУ.

6.8 Приведите схемы генераторов тока, используемых в микросхемотехнике ОУ, и опишите принцип их работы.

6.9 Опишите схемы межкаскадного согласования уровней напряжений в микросхемотехнике ОУ. 

6.10 Опишите методы защиты входных и выходных цепей, применяемые в микросхемотехнике ОУ.

6.11 Опишите схемотехнические способы уменьшения напряжения смещения нуля ОУ.

6.12 Опишите схемотехнические способы уменьшения входных токов ОУ.

6.13 Опишите схемотехнические способы увеличения скорости нарастания выходного напряжения ОУ.

6.14 Опишите схемотехнические способы увеличения частоты среза ОУ.

6.15 Поясните принцип работы перемножителей на основе управляемого сопротивления.

6.16 Поясните принцип работы перемножителей на логарифмических усилителях.

6.17 Поясните принципы построения и работы делителей аналоговых сигналов.

6.18 Поясните базовую структуру полупроводниковых перемножителей.

6.19 Поясните микросхемотехнику полупроводниковых компараторов.

6.20 Проведите сравнительный анализ характеристик различных групп полупроводниковых компараторов.

6.21 Поясните принцип работы однопороговых компараторов на ОУ и их характеристики.

6.22 Поясните принцип работы двухпороговых компараторов на ОУ и их характеристики.

6.23 Поясните принцип работы регенераторных компараторов на ОУ и их характеристики.

6.24 Проведите сравнительный анализ аналоговых ключей на ОУ с биполярными и полевыми транзисторами.

6.25 Проведите сравнительный анализ характеристик микросхем аналоговых ключей и коммутаторов.

6.26 Поясните функциональную структуру и принцип работы однотактного таймера.

6.27 Поясните функциональную структуру и принцип работы однотактного программируемого таймера.

6.28 Поясните функциональную структуру и принцип работы многотактного программируемого таймера.

6.29 Поясните принципы построения одновибраторов на таймерах.

6.30 Поясните принципы построения мультивибраторов на таймерах.

6.31 Поясните принципы построения специализированных генераторов на таймерах.

6.32 Поясните принципы построения ЦАП на двоично-взвешенных резисторах и на многозвенной цепочке R-2R.

6.33 Поясните типовые структуры микросхем ЦАП.

6.34 Поясните принцип построения и работу АЦП последовательного приближения.

6.35 Поясните принцип построения и работу параллельного АЦП.

6.36 Поясните принципы преобразования частоты в напряжение и напряжения в частоту.

 

 

 

 

Список литературы

1. Коломбет Е. А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991.

2. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1987. – 416 с.

3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоматиздат, 1988. – 304 с.

4. Вениаминов В. Н., Лебедев О. Н., Мирошниченко А. И. Микросемы и их применение: Справ. пособие. – М.: Радио и связь, 1989, 240 с.

5. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.

6. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов – М.: Радио и связь, 1990. – 496 с.

7. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы:  Учеб. пособие для вузов – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 464 с.

8. Коломбет Е.А. Таймеры. – М.: Радио и связь, 1983.

9. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов/ Под ред О. П. Глудкина. – М.: Радио и связь, 1996. – 768 с.

10. Бураханова З.М. и др. Микросхемотехника: Метод. указания к вы-полнению лабораторных работ. – Алматы, АИЭС, 1997. – 41 с.

11 Фирменный стандарт. Работы учебные. ФС РК 10352-1910-У-е-001-2002. – Алматы. АИЭС, 2003. – 20 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Стр.

Введение

3

1 Программа курса

4

2 Содержание лекций

5

3 Перечень лабораторных работ

5

4 Методические указания к изучению курса  

5

5 Задание на контрольную работу

10

6 Контрольные вопросы

11

Список литературы

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сводный план 2002 г., поз 114

 

 

 

Урынгали Тулегенович Шанаев

 

 

 

МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

Программа, методические указания и контрольные задания

(для студентов специальности 350100 – Электронные системы и технологии

заочной формы обучения)

 

 

 

 

 

 

 

Редактор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подписано в печать___”___”__

Формат 60х84    1/16

Тираж 50 экз

Бумага типографическая №1

Объем 0,9 уч.-изд. л.

Заказ__  Цена 30 тг.

 

 

 

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

 Алматинского института энергетики и связи

480013 Алматы, Байтурсынова 126