Файл: Методические указания по изучению дисцип лины. Томск Факультет дистанционного обучения, тусур, 2012. 86 с. Представлены рекомендации по самостоятельному изучению теоре тического материала, выполнению контрольных и лабораторных работ.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра промышленной электроники
Н.С. Легостаев, К.В. Четвергов
åàäêéùãÖäíêéçàäÄ
Методические
указания
по
изучению
дисциплины
2012

Корректор: Осипова Е.А.
Легостаев Н.С., Четвергов К.В.
Микроэлектроника: методические указания по изучению дисцип- лины. — Томск: Факультет дистанционного обучения, ТУСУР,
2012. — 86 с.
Представлены рекомендации по самостоятельному изучению теоре- тического материала, выполнению контрольных и лабораторных работ.
Для студентов, обучающихся по направлению бакалаврской подго- товки 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» с профилем «Промыш- ленная электроника».
© Легостаев Н.С., Четвергов К.В., 2012
© Факультет дистанционного обучения,
ТУСУР, 2012

3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................ 4 1 Методические указания к самостоятельной работе по изучению теоретического материала ...................................... 6 1.1 Предмет микроэлектроники .................................................... 6 1.2 Характеристики и параметры цифровых интегральных микросхем................................................................................. 6 1.3 Математический аппарат цифровой микроэлектроники....... 6 1.4 Цифровые микроэлектронные устройства комбинационного типа ............................................................ 6 1.5 Цифровые микроэлектронные устройства последовательностного типа................................................... 7 1.6 Запоминающие устройства...................................................... 7 1.7 Основные схемотехнические структуры цифровой интегральной микроэлектроники............................................ 7 1.8 Основные схемотехнические структуры аналоговой интегральной микроэлектроники............................................ 8 2 Методические указания по подготовке к контрольным работам ........................................................................................... 9 2.1 Общие указания по решению задач ........................................ 9 2.2 Методические указания к самостоятельной работе по подготовке к компьютерной контрольной работе и экзамену............................................................................... 10 2.3 Методические указания к практическим занятиям.............. 41 3 Методические указания по выполнению лабораторных работ ............................................................................................. 54 3.1 Лабораторная работа № 1. Синхронный счетчик с заданной последовательностью смены состояний............ 55 3.2 Лабораторная работа №2. Усилители и преобразователи сигналов на операционных усилителях................................ 64
Литература....................................................................................... 76
Приложение А Варианты заданий для текстовой контрольной работы .................................................................... 77
Приложение Б Варианты лабораторных работ ............................. 83

4
ВВЕДЕНИЕ
Предметом дисциплины «Микроэлектроника» являются ис- следование, конструирование, производство и применение мик- роэлектронных изделий.
Цель преподавания дисциплины — ознакомление с основ- ными направлениями развития современной микроэлектроники; приобретение знаний по принципам построения микроэлектрон- ной аппаратуры различного функционального назначения, вклю- чая устройства и системы промышленной электроники.
Задачидисциплины: обеспечить знания по математическому описанию, функциональному назначению и применению инте- гральных микросхем.
Курс «Микроэлектроника» входит в вариативную часть про- фессионального цикла дисциплин образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» с профилем «Промышленная электроника».
В результате изучения дисциплины студент должен
знать:
–
основные направления в микроэлектронике; классифика- ционные признаки, характеристики и параметры микроэлектрон- ных изделий; конструктивно-технологические особенности раз- личных типов интегральных микросхем;
–
основные разновидности аналоговых и цифровых инте- гральных схем и особенности их использования в устройствах различного функционального назначения;
–
основные особенности и принципы проектирования мик- роэлектронных изделий;
уметь:
–
выполнять математическое моделирование функциональ- ных узлов интегральных микросхем с целью оптимизации их па- раметров;
–
проводить экспериментальные исследования микроэлек- тронных устройств;
владеть:
–
принципами проектирования микроэлектронных уст- ройств различного функционального назначения в соответствии с

5 техническим заданием с использованием средств автоматизиро- ванного проектирования;
–
методиками проведения эксперимента по исследованию характеристик микроэлектронных устройств.
Дисциплина является предшествующейдля следующих дисциплин профессионального цикла: «Аналоговая электрони- ка», «Схемотехника», «Основы преобразовательной техники»,
«Энергетическая электроника», «Электронные промышленные устройства», «Наноэлектроника», «Основы проектирования элек- тронной компонентной базы», «Цифровая и микропроцессорная техника».
Изучению дисциплины предшествуют дисциплины матема- тического, естественнонаучного и профессионального циклов:
«Математика», «Физика», «Материалы электронной техники».

6
1
МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
К
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
РАБОТЕ
ПО
ИЗУЧЕНИЮ
ТЕОРЕТИЧЕСКОГО
МАТЕРИАЛА
1.1
Предмет
микроэлектроники
Необходимо знать основные термины и определения микро- электроники, принцип согласования цепей и принцип схемотех- нической избыточности, этапы проектирования интегральных микросхем, классификацию интегральных микросхем.
1.2
Характеристики
и
параметры
цифровых
интегральных
микросхем
Следует знать физический смысл коэффициента объедине- ния по входу логического элемента и коэффициента разветвления по выходу логического элемента, назначение передаточной, входной и выходной характеристик и способы определения этих характеристик, основные параметры цифровых микросхем при работе в динамическом режиме, а также энергетические характе- ристики и параметры.
1.3
Математический
аппарат
цифровой
микроэлектроники
Необходимо знать функции алгебры логики, основные зако- ны алгебры логики, формы представления функций алгебры ло- гики. Особое внимание следует обратить на минимизацию функ- ций алгебры логики, а правила минимизации булевых функций знать наизусть.
1.4
Цифровые
микроэлектронные
устройства
комбинационного
типа
Изучение необходимо начать с логических элементов И,
ИЛИ, НЕ, которые составляют булевый базис, а также с элемен-

7 тов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, каждый из которых обладает функциональ- ной полнотой. Методику синтеза комбинационных устройств не- обходимо усвоить твердо и только после этого переходить к изу- чению мультиплексоров, шифраторов, дешифраторов, суммато- ров и цифровых компараторов. Обратите внимание на матричную реализацию булевых функций.
1.5
Цифровые
микроэлектронные
устройства
последовательностного
типа
Изучение цифровых микроэлектронных устройств последо- вательностного типа необходимо начать с триггеров, поскольку они находят широкое применение и являются функциональными узлами других последовательностных цифровых устройств
(ПЦУ) — регистров, счетчиков и делителей частоты. При изуче- нии ПЦУ особое внимание обратите на классификацию, функ- циональные схемы и их условное графическое обозначение.
1.6
Запоминающие
устройства
Следует знать основные характеристики, обозначение функ- ций микросхем памяти. Необходимо твердо усвоить принципы построения ЗУ с произвольным доступом и особенности по- строения постоянных ЗУ.
1.7
Основные
схемотехнические
структуры
цифровой
интегральной
микроэлектроники
Необходимо знать электрические схемы, принцип действия и основные статические параметры базовых логических элемен- тов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), логических эле- ментов ТТЛ с диодами и транзисторами Шоттки и логических элементов на комплементарных МДП-транзисторах, поскольку среди современных потенциальных цифровых интегральных микросхем доминируют именно эти три схемно-технологических направления построения интегральных микросхем.

8
1.8
Основные
схемотехнические
структуры
аналоговой
интегральной
микроэлектроники
Необходимо знать схему интегрального источника тока, управляемого током и модификации этой схемы, а также схемы источников постоянного напряжения, схемы дифференциальных усилителей на биполярных и полевых транзисторах. Необходимо изучить принцип действия этих схем и уметь определять элек- трические величины и параметры. Следует твердо уяснить усло- вия реализации отрицательной обратной связи для операционных усилителей (ОУ), знать характеристики и параметры (ОУ), пред- назначенные для использования в качестве исходных данных при проектировании.

9
2
МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
ПО
ПОДГОТОВКЕ
К
КОНТРОЛЬНЫМ
РАБОТАМ
Рабочая программа по дисциплине предполагает выполне- ние одной компьютерной и одной текстовой контрольных работ.
Компьютерная контрольная работа включает 10 задач по всем разделам курса.
Текстовая контрольная работа посвящена проектированию цифровых устройств комбинационного типа либо последователь- ностного типа.
В ходе выполнения контрольной работы необходимо вы- полнить одно задание в соответствии с выбранным вариантом.
Номер варианта выбирается по общим правилам с использо- ванием следующей формулы:
V = (N*k) div 100, где V — искомый номер варианта (при V = 0 выбирается макси- мальный вариант),
N — общее количество вариантов по контрольной работе,
k — значение двух последних цифр пароля (число в диапа- зоне 0…99), div — целочисленное деление (дробная часть отбрасывается).
Перечень вариантов для выполнения контрольной работы представлен в Приложении А.
Отчет по работе должен содержать структурный синтез уст- ройства с применением математического аппарата булевой ал- гебры, выбор элементной базы и схему электрическую принци- пиальную. Примеры оформления отчетов по типовым вариантам контрольной работы приведены в разделе 2.3 «Методические ука- зания к практическим занятиям».
2.1
Общие
указания
по
решению
задач
На первом этапе необходимо установить, какие закономер- ности лежат в основе решаемой задачи. С помощью соотноше- ний, формул, таблиц, выражающих эти закономерности, следует найти решение задачи. Следует стремиться к получению решения в аналитическом виде: сначала необходимо записать исходные формулы, сделать соответствующие преобразования, получить

10 конечные формулы, а затем подставлять в эти формулы числовые значения. Конечные формулы должны выражать искомые величи- ны через величины, заданные в условии задачи. Если решение за- дачи в общем виде связано с громоздкими преобразованиями, то его целесообразно проводить, применяя числовые вычисления на промежуточных этапах. С целью исключения ошибок рекоменду- ется все промежуточные вычисления проводить в системе СИ.
При получении числового ответа следует обращать внима- ние на точность окончательного результата, которая должна со- ответствовать требованиям задания.
Некоторые задачи можно решить несколькими методами.
Очень полезно проверить различные методы решения. Помимо того, что это дает дополнительную тренировку, сопоставив ре- шения, можно сделать вывод о том, какие методы решения явля- ются наиболее рациональными. Всегда следует считать лучшим тот метод решения, который проще, то есть требует меньшего числа действий.
При возникновении затруднений в ходе решения задач сле- дует ознакомиться с примерами выполнения типовых заданий по соответствующему разделу дисциплины.
2.2
Методические
указания
к
самостоятельной
работе
по
подготовке
к
компьютерной
контрольной
работе
и
экзамену
Задание 1. Представить десятичные числа 85 и (–46) в пря- мом, обратном и дополнительном кодах при 8-разрядной сетке.
Решение. В 8-разрядной сетке семь младших разрядов слу- жат для представления модуля числа в виде семиразрядного дво- ичного кода, а старший разряд является знаковым. Значение зна- кового разряда принимается равным «0» для положительных и
«1» для отрицательных чисел.
Прямой, обратный и дополнительный коды положительных чисел совпадают.
Переводим десятичное число 85 в двоичную систему счис- ления: 85 10
=1010101 2
Так как число положительное, знаковый разряд принимает значение 0.

11
В результате, прямой, обратный и дополнительный коды де- сятичного числа 85 имеют вид:
0 1
0 1
0 1
0 1
знак модуль
Представляем модуль десятичного числа (–46) в виде семи- разрядного двоичного кода:
⏐– 46 10
⏐=0101110 2
Так как число отрицательное, знаковый разряд принимает значение 1. В результате прямой код десятичного числа (–46) имеет вид:
1 0
1 0
1 1
1 0
знак модуль
Обратный код отрицательного числа формируется путем инвертирования всех разрядов прямого кода, кроме знакового разряда:
1 1
0 1
0 0
0 1
знак модуль
Для получения дополнительного кода отрицательного числа необходимо к его обратному коду прибавить единицу по прави- лам двоичной арифметики:
1
+
1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0
Задание 2. Перевести числа 4
B
H и 9
D
H из прямого кода в дополнительный код.
Решение. Представим число 4
B
H в двоичном коде: 4
B
H =
= 01001011B.
Так как значение знакового разряда равно 0, число является положительным, а для положительных чисел дополнительный код и прямой код совпадают.
Представим число 9
D
H в двоичном коде: 9
D
H = 10011101B.