МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

Федеральное агентство связи

Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики

Савиных В.Л.

Методические указания к выполнению

контрольной работы

по электронике

Новосибирск 2010

УДК 621.395

К.т.н., доцент Савиных Валерий Леонидович. Приводятся методические

указания по дисциплине ²Электроника ², задания для контрольной работы и указания по её выполнению.

Каф. ТЭ.

Ил. 8, табл. 8, список лит. -5 назв.

Рецензент д. т. н., проф. Сединин В.И.

Для студентов очного и заочного обучения специальностей 200900, 201000,201100.

Утверждено РИС СибГУТИ в качестве методических указаний

Ó Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики, 2010 г.

Введение

Узловыми вопросами изучаемыми в 5 семестре 3 курса по второй части дисциплины ²электронные твердотельные приборы и микроэлектроника² , являются вопросы схемотехники элементной базы цифровых и аналоговых устройств, т.е. цифровых и аналоговых микросхем. Немаловажное значение имеют также сведения о структуре конструкции интегральных микросхем, а также технологических процессах, применяемых в микроэлектроники.

Изучение предмета базируется на знаниях, полученных в предыдущем семестре по данной дисциплине, а также на содержании дисциплин ²физика², ²высшая математика² и ²теория электрических цепей².

В процессе обучения предусмотрено выполнение курсовой работы, лабораторного практикума и сдаётся итоговый экзамен.

Таблица 1 - Бюджет времени

	Аудиторная работа			Самостоятельная работа
Итого	Лекции	Лаборат. занятия	Итого	Изучение курса	Выполн. курсовой работы	Итого
109	16	12	28	61	20	81

ЛИТЕРАТУРА.

1 Игнатов А.Н., Фадеева Н.Е., Савиных В.Л. Классическая электроника и наноэлектроника,М: Флинта», 2009. – 726с.

2 Игнатов А.Н. и др. Основы электроники / А.Н. Игнатов, С.В. Калинин и др.;

СибГУТИ – Новосибирск,. 2005.–323с.

3 Бобровский Ю. Л. И др. Под редакцией Федорова Н. Д. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. -М.: Радио и связь, 1998.-560стр.

4 Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1990. -496с.

5 Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. -М.: Высшая школа, 1987.-416с.

6 Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М.: Сов. Радио, 1980.-424с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Электроника

1. ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСВ

Вопросы, подлежащие изучению

1. Определение понятий ² цифровые устройства ², ²цифровые интегральные микросхемы ². Система параметров цифровых интегральных микросхем (ИМС).

2. Транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Статический и динамический режимы работы. Ключ с диодом Шоттки. Ключи на полевых транзисторах.

3. Логические элементы на биполярных транзисторах: ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И²Л.

4. Логические элементы на МДП- транзисторах : nМДП, pМДП, КМДП.

5. Интегральные триггеры и запоминающие устройства.

6. Большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИС и СБИС).

Пояснение к изучаемым вопросам

1. Содержание понятий цифровые устройства , цифровые ИМС и определения основных параметров цифровых ИМС можно изучать по [ 1, 2, 3, 4,].

2. Теоретический материал по схемам ключей на биполярных транзисторах достаточно подробно изложен в [ 4, с.246-262, 275-278]. Очень кратко в[ 1, с.256-257].

При изучении этого материала следует прежде всего научиться на примере простейшего ключа различать управляющую цепь и управляемую (коммутируемую) цепь; научиться определять с помощью статических характеристик транзистора [4, рис. 8.3],в каком состоянии находится ключевой транзистор при различных значениях управляющего напряжения.

При рассмотрении динамического режима работы ключа, т.е. переходных процессов переключения ключа, нужно разобраться в том, как влияют на быстродействие ключа (времена задержки) такие факторы, как входные и выходные емкости ключа, степень насыщения транзистора.

3. Необходимый минимум сведений по схемотехнике логических элементов на биполярных транзисторах содержится в [ 1, с. 260-273] [4, с. 348-363]. Более подробно те же вопросы изложены в [2, с. 74-106]. В [ 3, с.264-268, 284-286] вопросы схемотехники логических элементов рассмотрены слишком сжато, почти без объяснений физических принципов работы.

Изучая схемотехнику логических элементов, нужно стараться понять

назначение каждого транзистора, каждого диода и резистора в схеме, достичь умения проследить по схеме, какие транзисторы открываются и какие закрываются, по каким цепям протекают токи при подаче на входы тех или иных логических сигналов.

4. Логические элементы на МДП-транзисторах лучше всего изучать по [4, с.266-275, 364-369]. Для более подробного изучения можно использовать [2, с.106-116]. В учебных пособиях [ 1,с. 273-276] и [3, c. 278-284] материал изложен слишком кратко.

5. На основе простейших логических элементов реализуются интегральные триггеры. Функциональное отличие триггера от логического элемента состоит в том, что триггер обладает двумя устойчивыми состояниями по каждому из выходов. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое возможен при определенной логической комбинации входных сигналов. По логической структуре переключения различают типы триггеров. Необходимо знать принципы их построения и типы [4, с. 378-385]. Подробно схемотехническое построение отдельных типов триггеров изложено в [2, с. 156- 203]. Кратко в [ 1, с. 278-280].

Триггер является элементарной ячейкой запоминающих устройств. Следует различать типы запоминающих устройств и их основные параметры [4, с. 378-385]. Подробно [2, с. 239-271].

Разнообразие видов триггеров объясняется их применением для построения различных логических и арифметических устройств.

6. Понятие о БИС и СБИС, сведения о проблемах их создания и

перспективах развития имеются в [1, 281-287], [3, с. 210-241] и [4, с. 385-392]. Важно обратить внимание на то, что отличие БИС от интегральных микросхем малой степени интеграции не только количественное, но и качественное. Чем сложнее БИС и чем больше элементов она содержит, тем труднее обеспечить ее универсальность, чтобы получить экономически оправданный объем выпуска БИС. Примерами удачного сочетания высокой сложности с универсальностью применения могут служить микропроцессорные БИС и БИС запоминающих устройств.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит различие аналоговых и цифровых электронных

устройств?

2. Почему в ключевой схеме на кремниевом npn-транзисторе можно не

использовать специального источника запирающего напряжения на входе?

3. От чего зависит остаточное напряжение на открытом ключевом транзисторе (биполярном или МДП)? Дайте его оценку.

4. Какие параметры определяют быстродействие (время задержки) ключа на биполярном транзисторе и ключа на МДП-транзисторе?

5. Почему ключ на биполярном транзисторе с диодом Шоттки имеет более высокое быстродействие по сравнению с ключом без диода Шоттки?

6. Начертите принципиальные схемы и поясните принцип действия базовых логических элементов ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И²Л, pМДП, nМДП, КМДП.

7. Поясните функциональное различие триггера и простейшего логического элемента.

8. Назовите типы интегральных триггеров и поясните их работу.

9.Назовите типы запоминающих устройств и их основные параметры.

10.Поясните назначение и принцип построения интегральных ОЗУ.

11. Поясните назначение и принцип построения интегральных ПЗУ

12.Какими причинами вызван переход от ИМС малой и средней степени интеграции к БИС и СБИС?

13. Какие ограничения существуют для повышения степени интеграции БИС?

2. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Вопросы, подлежащие изучению

1. Понятие об интегральных операционных усилителях (ОУ), их

характеристиках и параметрах. Основные типы ОУ.

2. Структура ОУ, назначение основных узлов ОУ.

3. Основные функциональные устройства на основе ОУ.

4. Аналоговые перемножители сигналов.

5. Аналоговые электронные ключи.

Пояснения к изучаемым вопросам

1. Понятие об интегральных операционных усилителях (ОУ), их основные характеристики и параметры изложены в [1, с. ], [2, с. ], [3,с. 313-324] и [5, с. 90-98].

2. Современные интегральные ОУ содержат три каскада: входной,

промежуточный и выходной. Входной каскад всегда является дифференциальным каскадом, промежуточный - каскадом сдвига уровня и выходной - эмиттерный повторитель [1, с. 224-239], [2, с. 375-381], [3, с. 308-313], [4, с. 306-322] и [5, с. 99-102].

3. Обратите внимание на основной принцип применения ОУ - включение глубокой отрицательной обратной связи (ООС), позволяющей за счет избыточного коэффициента усиления обеспечить независимость параметров функционального устройства от параметров ОУ. Основные сведения о принципах применения ОУ содержится в [2, с. 385-398, 408-412] и [5, с. 102-106]. Очень коротко [1, с. 242-246] и [3, с. 325-327].

Одним из признаков классификации аналоговых устройств является полоса (диапазон ) рабочих частот. Особую группу аналоговых ИМС составляют схемы для частотной селекции [2, с. 398-408] и [5, с. 306-213].

4. Понятие об аналоговых перемножителях сигналов (АПС), примеры

построения устройств преобразования сигналов на основе АПС приводятся в [2, с. 462-470] и в [5, с. 265-273]. Следует отметить, что функции, реализуемые АПС, могут быть получены и без их использования, например, с помощью стандартных ОУ. Однако , применение специализированных АПС позволяет существенно повысить точность преобразования и расширить частотный диапазон.

5. Аналоговые электронные ключи и многоканальные электронные коммутаторы используются в тех случаях, когда коммутируемая цепь должна быть изолирована от управляющей цепи, а коммутируемый аналоговый сигнал должен испытывать минимальные искажения при прохождении через коммутируемую цепь. Электронные ключи, используемые в логических ИМС, для этой цели, как правило, не пригодны, так как в них управляющая (входная) и коммутируемая ( выходная) цепи имеют общую точку. Поэтому были разработаны специальные ИМС аналоговых коммутаторов на основе МДП- транзисторов. Описание таких ИМС можно найти в [5, с. 148-160, 164-198].

Другим примером интегрального коммутатора аналоговых сигналов могут быть оптоэлектронные коммутаторы [5, c. 160-164].

Контрольные вопросы

1.Приведите характеристики и перечислите параметры ОУ.

2. Из каких основных каскадов состоят интегральные ОУ? Приведите схемы

этих каскадов и поясните принцип их работы.

3.Начертите схему дифференциального усилительного каскада и поясните, какие точки являются входом схемы, а какие выходом; как влияет на величину выходного сигнала синфазный входной сигнал и дифференциальный входной сигнал; от каких факторов зависит коэффициент усиления?

4.Какие устройства обработки сигналов можно построить на основе ОУ?

5. Какие устройства преобразования сигналов можно построить на основе АПС?

6. В чем отличие аналоговых электронных ключей от ключей, применяемых в составе логических элементов?

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Вопросы, подлежащие изучению

1. Комплексная микроминиатюризация и её влияние на надёжность.

2. Устройство и порядок изготовления гибридных ИМС.

3. Базовые физико-химические процессы создания полупроводниковых микроэлектронных структур.

4. Формирование структур полупроводниковых ИМС.

5. Сборка и защита ИМС.

Пояснения к изучаемым вопросам

1. Средством решения проблемы увеличения надежности, снижения стоимости, массо-габаритов и энергопотребления РЭА является комплексная миниатюризация, в широком смысле означающая системный подход к применению в аппаратуре средств микроэлектроники, а в прикладном смысле - метод создания аппаратуры, при котором все её узлы, блоки и устройства выполнены на базе изделий микроэлектроники. Классификация изделий микроэлектроники приведена в [1, с. 187-189], [3, с. 11-20] и [4, с. 6-9] .

Основным видом изделий микроэлектроники являются ИМС, которые могут быть квалифицированы по технологии изготовления, степени интеграции, функциональному назначению и по применяемости в аппаратуре.

2. Гибридные ИМС (микросборки) представляют собой комбинацию плёночных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. В настоящее время в качестве дискретных активных элементов, кроме бескорпусных транзисторов и диодов, широко используются полупроводниковые ИМС, в частности, ОУ, триггеры, регистры и т.д. Таким образом, гибридные ИМС представляют собой не только функциональные узлы (усилители, звенья фильтров и т.д.), но и целые блоки и устройства РЭА. Аналогом гибридной ИМС (микросборки) в МЭА третьего поколения является печатная плата, Заполненная компонентами в виде корпусированных ИМС.

Использование гибридных ИМС в РЭА четвертого поколения позволяет резко уменьшить массогабаритные параметры и повысить надёжность.

При изучении гибридных ИМС обратите внимание на особенности толстопленочных и тонкопленочных ИМС, а также параметры и характеристики их пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей). Этот материал достаточно подробно изложен в [4, c. 239-244]. Методы получения толстых и тонких плёнок приведены в [1, с. 195-196] и [4, c. 176-181, 186-193].

Особое внимание уделите изучению вопросов расчета и проектирования гибридных ИМС, необходимых для успешного выполнения курсовой работы [3, c. 148-204].

3. Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых ИМС (эпитаксия, термическое окисление, диффузия, ионное легирование, фотолитография, металлизация) достаточно полно и компактно описаны в [1, с. 189-195] и [4, c. 155-183]. Следует усвоить назначение каждого из базовых процессов, а также уметь без излишней детализации объяснить их сущность.

4. Основу биполярных полупроводниковых ИМС составляют n⁺-p-n

транзисторы. Отличия параметров и характеристик интегрального транзистора от дискретного определяется расположением всех трех выводов на одной поверхности, а также влиянием подложки. Обратите внимание на способы улучшения параметров интегрального транзистора, в частности, введением скрытого n⁺- слоя.

Диоды полупроводниковых ИМС реализуются на основе биполярных транзисторов, причем их параметры зависят от схемы включения транзистора в качестве диода.

Весьма важно для понимания принципов построения современных полупро- водниковых цифровых ИМС разобраться с устройством и особенностями активных структур, не имеющих дискретных аналогов: многоэмиттерных и многоколлекторных транзисторов, транзисторов с барьером Шоттки.

Обратите внимание на проблему реализации p-n-p транзисторов на одной подложке с основными n⁺-p-n транзисторами , особенности горизонтального и вертикального p-n-p транзисторов. Все перечисленные элементы ИМС подробно описаны в [1, с. 201-209], [3, с. 65-71], а также в [4, с. 193-220].

5. В МДП ИМС используются структуры с одним типом каналов (n-МДП или p-МДП) или с двумя типами каналов (комплементарные, КМДП). Необходимо ясно понимать, что важным преимуществом МДП ИМС по сравнению с биполярными ИМС является упрощение технологии изготовления и соответственно больший процент выхода годных изделий и меньшая стоимость. МДП активные элементы занимают значительно меньшую площадь на подложке и позволяют реализовать ИМС с очень высокой степенью интеграции при малой потребляемой мощности.

Обратите внимание на устройство и особенности КМДП ИМС, являющихся в настоящее время одним из наиболее перспективных типов ИМС. Данные вопросы достаточно кратко и понятно рассмотрены в [1, с.209-211] и [4, с. 220-229], а также подробно в [3, с. 107-141].

6. Параметры и характеристики пассивных элементов полупроводниковых ИМС существенно отличаются от соответствующих параметров и характеристик дискретных резисторов и конденсаторов. Необходимо знать основные отличия от дискретных пассивных компонентов и уметь изображать простейшие модели (эквивалентные схемы), учитывающие паразитные эффекты. Пассивные компоненты полупроводниковых ИМС описаны в [1, с. 21-214], [3, с. 81-107] и [4, с. 229-239].

При изучении элементов полупроводниковых ИМС усвойте способы изоляции между ними и их особенности. Подробное описание ИМС с различными типами изоляции, а также их недостатки и преимущества описаны в [1, с. 197-200 ] и [4, с. 194-202].

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия комплексная миниатюризация , поясните цель комплексной миниатюризации РЭА.

2. Как классифицируются все изделия микроэлектроники?

3. Поясните отличие функциональных компонентов (приборов) от ИМС.

4. Поясните устройство гибридной ИМС.

5. Перечислите преимущества и недостатки толстоплёночных и тонкоплёночных гибридных ИМС.

6. Изобразите и поясните возможные варианты конструкции плёночных резисторов, конденсаторов и индуктивностей.

7. Какими причинами ограничено применение тонкоплёночных индуктивных элементов?

8. Перечислите основные методы нанесения тонких плёнок, поясните основные преимущества и недостатки каждого из методов.

9. Перечислите основные методы получения заданной конфигурации пассивных элементов и назовите их недостатки и преимущества.

10. Перечислите и поясните базовые физико-химические процессы создания полупроводниковых микроэлектронных структур.

11. Приведите последовательность технологических операций по изготовлению полупроводниковых биполярных ИМС.

12. Приведите последовательность технологических операций по изготовлению МДП ИМС.

13. Каким образом осуществляется сборка и герметизация полупроводниковых ИМС, какие типы корпусов Вы знаете?

14. Какие виды изоляции между элементами полупроводниковой ИМС Вы знаете? Объясните преимущества и недостатки каждого из них.

15. Изобразите устройство интегрального n-p-n транзистора, поясните основные отличия от аналогичного дискретного транзистора.

16. Изобразите устройство многоэмиттерного и многоколлекторного транзисторов, поясните их основные особенности.

17. Изобразите устройство горизонтального и вертикального `p-n-p транзисторов, поясните их основные особенности.

18. Изобразите схемы включения транзисторов в качестве диода, приведите основные параметры для каждой из схем включения.

19. Изобразите устройство МДП полупроводниковой ИМС.

20. Изобразите устройство КМДП структуры, поясните основные особенности и преимущества .

21. Перечислите и объясните основные преимущества и недостатки МДП ИМС по сравнению с биполярными ИМС.

22. Изобразите устройство диффузионного резистора, приведите его основные параметры.

23. Изобразите модель (эквивалентную схему) диффузионного резистора, учитывающую паразитные эффекты.

24. Изобразите устройство диффузионного конденсатора на основе обратно смещенного p-n перехода и МДП конденсатора. Назовите их параметры .

25. Приведите модели (эквивалентные схемы) конденсаторов полупроводниковых ИМС. Дайте их сравнительную оценку.

4. БОЛЬШИЕ И СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

(БИС и СБИС)

Вопросы, подлежащие изучению

1. Общая характеристика БИС и СБИС.

2. Особенности схемотехники БИС И СБИС.

3. Основные типы БИС и СБИС.

Пояснения к изучаемым вопросам

1. Повышение степени интеграции является основной тенденцией развития микроэлектроники, так как использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей аппаратуры. Пути повышения степени интеграции и проблемы, связанные с созданием БИС и СБИС, подробно описаны в [3, с. 210-257]. Кратко в [1, с, 281 284].

2. В цифровых БИС находят применение базовые ячейки, занимающие

малую площадь на подложке и обладающие минимальной потребляемой мощностью ( n-МДП, КМДП, И²Л).

В настоящее время для создания БИС и СБИС начали использоваться функционально- интегрированные структуры, в частности приборы с зарядовой связью (ПЗС), которые рассмотренные ниже.

3. Увеличение степени интеграции приводит к резкому сужению сферы

применения БИС и СБИС, что делает их производство нецелесообразным. Исключение составляют БИС и СБИС для средств вычислительной техники. Использование базовых матричных кристаллов при создании БИС и СБИС частного применения снимают экономические ограничения. Эти вопросы рассмотрены в [ 1, с. 284-287].

Широкое применение средств вычислительной техники и цифровой обработки сигналов стимулируется созданием цифровых БИС микропроцессоров, однокристальных микро-ЭВМ, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). Начальные сведения о таких БИС содержатся в [2, с. 307-349].

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию большая интегральная схема (БИС).

2. В чем заключаются принципиальные преимущества БИС?

3. Перечислите основные проблемы, возникающие при повышении степени интеграции БИС.

4. Какие базовые интегральные элементы используются в БИС и почему?

5. Перечислите основные виды универсальных БИС.

6. Дайте определение понятия микропроцессор , поясните, из каких основных узлов он состоит?

7. Поясните назначение БИС АЦП и ЦАП.

5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Вопросы, подлежащие изучению

1. Приборы с зарядовой связью (ПЗС).

2. Магнетоэлектронные приборы.

3. Акустоэлектронные приборы.

Пояснения к изучаемым вопросам

1-3. Общая характеристика различных направлений функциональной электроники рассмотрена в [1, с. 287-288].

Приборы с зарядовой связью лучше изучать по [1, с. 294-301] и [4, с. 392-399].

Магнетоэлектронные приборы и, в частности запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), кратко описаны [1, с. 291-294] и [3, с. 387-390].

Акустоэлектронные устройства можно изучать по [1, с. 288-291] и [ 4, с. 383-387].

Контрольные вопросы

1. В чём состоит основное отличие приборов функциональной электроники от обычных интегральных микросхем?

2. Каким образом происходит формирование, хранение и перенос зарядовых пакетов в приборах с зарядовой связью?

3. Назовите область применения приборов с зарядовой связью.

4. На каких принципах основана запись и хранение информации в магнетоэлектронных приборах?

5. Какие функции преобразования и обработки сигналов можно реализовать с помощью акустоэлекронных приборов?

Cодержание лекций

1. Транзисторный ключ - основа построения цифровых ИМС ( 2 ч.).

2. Логические элементы на биполярных транзисторах ( 3 ч.).

3. Логические элементы на МДП-транзисторах (2 ч.).

4. Операционные усилители. Параметры, характеристики и устройства на их основе ( 3 ч.).

5. Гибридные ИМС ( 2 ч.).

6. Полупроводниковые ИМС ( 2 ч.).

7. Приборы функциональной микроэлектроники (2 ч.).

Перечень лабораторных работ

1. Исследование электронного ключа на БТ.

2. Исследование ЦИМС ТТЛ.

3. Исследование ЦИМС КМДП.

4. Исследование характеристик и параметров ОУ.

5. Исследование функциональных устройств на основе ОУ.

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Целью курсовой работы является закрепление теоретического материала по второму разделу курса ЭТП и МЭ и приобретению навыков анализа ЦИМС и составления топологии гибридных ИМС.

Выбор варианта

Номер варианта принципиальной схемы для её анализа и электрического расчета определяется последней цифрой номера студенческого билета. А номер варианта технологической части предпоследней цифрой .

Требования по оформлению контрольной работы

1. Курсовая работа выполняется на листах писчей бумаги формата А4. Она должна быть аккуратно оформлена, разборчиво написана на одной стороне каждого листа. Цвет написанного текста должен быть синий, фиолетовый или черный. Страницы нумеруются. Оставляются поля шириной 2,5 см.

2. На обложке должен быть наклеен адресный бланк с указанием варианта.

3. Графики и чертежи выполняются на миллиметровой бумаге с соблюдением правил черчения и ГОСТ. Графики, чертежи и рисунки могут быть выполнены карандашом. Все графики, чертежи, рисунки и таблицы должны быть пронумерованы.

4. Расчетные формулы должны приводиться в тексте работы в общем виде с объяснением буквенных обозначений. Все числовые значения необходимо подставлять в формулы в основных единицах (вольт, ампер, ом, секунда и т. д.), либо указывать единицы измерения . Результаты расчета должны приводиться с указанием единицы измерения полученной величины.

5. Пояснения должны быть достаточно полными для описания выполняемых действий.

6. В конце работы должна быть перечислена литература, использованная при проектировании.

7. Работа должна быть подписана с указанием даты.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Содержание курсовой работы

Курсовая работа состоит из введения, двух основных разделов и заключения.

Во введении необходимо кратко описать преимущества РЭА с использованием в качестве элементной базы интегральных микросхем.

Первый раздел - электрический расчет цифровой схемы. Для трех комбинаций входных сигналов составить таблицу состояний всех активных элементов и провести электрический расчет, а именно:

- оценить потенциалы в точках, указанных на схеме ( А, В, С и т. д.);

- рассчитать все токи схемы и указать их направления;

- рассчитать мощности, которые рассеиваются на резисторах, и мощности потребляемой всей схемой.

Результаты расчетов свести в таблицы. Примеры расчетов и таблиц будут даны ниже.

Второй раздел - разработка топологии ИМС для выше приведенной схемы.

Разработка топологии включает в себя следующие операции:

-выбор материала для пленочных резисторов согласно варианта;

-расчет размеров всех резисторов;

-выбор материала для проводников и контактных площадок;

-расчет площади, занимаемой активными и пассивными элементами схемы;

-определение и выбор размеров подложки;

-составление топологического чертежа .

Топологический чертеж должен быть выполнен в масштабе 10:1 или 20:1.

В заключении привести краткие выводы о проделанной работе.

Указания к выполнению первого раздела

Варианты принципиальных схем приведены на рисунке 1, а комбинации входных сигналов, для которых необходимо провести анализ, даны в таблице 2.

Таблица 2 - Комбинации входных сигналов.

Последняя цифра номера студенческого	Значения входных сигналов				Последняя цифра номера студенческого	Значения входных сигналов
билета	Входы				билета	Входы
	1	2	3	4		1	2	3	4
	0	1	1	1		1	1	1	0
0	0	0	1	0	5	1	0	1	0
	1	1	0	0		0	1	1	1
	0	1	1	1		1	1	0	1
1	1	1	0	1	6	0	1	0	1
	0	1	1	0		0	1	1	1
	1	1	1	0		1	1	0	1
2	0	1	0	0	7	0	0	0	1
	1	0	0	1		0	1	1	1
	1	0	1	0		1	1	1	0
3	0	1	1	1	8	1	0	0	1
	0	1	0	1		1	0	1	1
	1	1	0	1		1	0	1	0
4	1	0	0	1	9	0	0	1	1
	0	0	1	1		1	1	1	0

Для успешного решения задачи необходимо сначала изучить принципы работы транзисторных ключей [4, с. 244-262] и логических элементов на биполярных транзисторах [1, с. 260-273], [2, с. 74-106], и [3, с. 264-268, 284-286] и [4, с. 348-363] . При решении задачи нужно учесть, что интегральные схемы ТТЛ изготавливаются из кремния . Транзисторы работают в режиме ключа. Эти обстоятельства позволяют использовать упрощенные модели вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов и

транзисторов для расчетов токов и напряжений.

Рисунок 1- Варианты схем к курсовому проектированию. Цифра в кружочке означает последнюю цифру номера студенческого билета.

Приведем словесные формулировки этих моделей.

Упрощенная модель ВАХ кремниевого p-n перехода (диода):

если напряжение на p-n обратное или прямое, но не превышает значения U*, то ток через p-n переход считается равным нулю;

если через p-n переход протекает прямой ток, то напряжение на диоде принимаем равным U*=0,7 В.

Упрощенная модель кремниевого биполярного транзистора:

если на каждом из двух p-n переходов транзистора действуют прямые напряжения, не превышающие значения U*, либо обратные напряжения, то транзистор закрыт и все токи считаются равными нулю;

если через эмиттерный переход протекает прямой ток, то напряжение база-эмиттер равно U*=0,7 B, транзистор открыт и может находиться в одном из двух режимов: активном или насыщения; для уточнения режима вычисляют ток базы I_{Б ,} произведение В*I_Б и максимально возможное значение тока коллектора насыщенного транзистора I_КН, затем проводят сравнение:

если В*I_Б<I_KH , то режим активный ,

если В*I_Б>I_КН, то режим насыщения;

ток коллектора в активном режиме не зависит от напряжения на переходе коллектор-база и равен I_К =B*I_Б;

напряжение на переходе коллектор-база в режиме насыщения равно 0,6 В, тогда напряжение коллектор-эмиттер равно 0,1 В.

Следовательно, при выполнении расчетов принимаем:

U⁰=0,1 B, U¹>3 В, падение напряжения на диоде и эмиттерном переходе при прямом включении равно 0,7 В, коэффициент передачи тока базы В=50, инверсный коэффициент передачи тока базы В_I=0,05.

Пример анализа схемы логического элемента

Задана схема логического элемента, показанного на рисунке 2.

Значения сопротивлений и напряжение питания указаны на схеме. В виде прямоугольника показан следующий логический элемент, вход которого является нагрузкой для нашего логического элемента. Требуется провести расчет токов через резисторы и выходного напряжения для двух комбинаций входных сигналов ²1100² и ²1111²,а также описать принцип действия и составить таблицу истинности.

Проведем расчет для комбинации входных сигналов ²1100², т.е. согласно принятым значениям U_ВХ1=U_ВХ2=U¹>3 В, а U_ВХ3=U_ВХ4=U⁰=0,1 В.

Рисунок 2 - Принципиальная схема логического элемента.

Определим величину тока через резистор R1. Рассмотрим все возможные пути, по которым может протекать этот ток. В схеме только один источник напряжения - источник питания +5 В. Поэтому все постоянные токи в схеме могут протекать только в одном направлении от шины +5 В к общей шине.

На рисунке 3 выделена часть схемы, по которой может протекать ток, идущий через R1 (ток I₁). Ток I₁ протекает от шины +5 В через R1 и далее может течь от базы транзистора VT1 налево через эмиттерные переходы, источники сигнала на общую шину или направо через коллекторный переход, диод и эмиттерный переход транзистора VT2 к общей шине.

Рисунок 3 - Частичная схема для расчета тока I₁при комбинации входных сигналов ²1100².

Предположим, что ток протекает через переходы Б-Э3 и Б-Э4 транзистора VT1, то напряжения на этих переходах одинаковы и, согласно предложенной выше модели равны 0,7 В. Следовательно потенциал базы транзистора VT1 (точка А) равен U_А=U⁰+U_БЭ=0,1+0,7=0,8 В. Заметим, что переходы база-эмиттер Б-Э1 и Б-Э2 находятся под обратным напряжением, так как потенциал базы

(р-область) ниже, чем потенциал эмиттеров (n-области) на величину

0,8-3=-2,2 В. Поэтому через эти переходы протекает только обратный ток.

Ток правой ветви при этом будет отсутствовать, так как для того чтобы он протекал в точке А требуется потенциал равный

U_БК1+U_VD₁+U_БЭ2=0,6+0,7+0,7 =2 В.

Следовательно транзистор VT2 будет закрыт. Находим ток I₁.

I₁=(E-U_A)/R1=(5-0,8)/8_*10³=0,525 мА.

Рассчитаем величины токов I₂и I₃, протекающих через резисторы R2 и R3.Выделим отдельно ту часть схемы по которой протекают указанные токи (рисунок 4). Закрытый транзистор VT2 показан пунктиром. Тогда через резистор R2 протекает ток базы транзистора VT3, транзистор открыт и напряжение на базе этого транзистора будет равно U_Б3=0,7 В. Находим ток I₂ =I_Б3.

I₂=(E-U_Б3)/R2=(5-0,7)/4_*10³=1,075 мА.

Предположим, что транзистор VT3 находится в режиме насыщения.

По условию напряжение открытого транзистора U_КЭ3=U_ВЫХ=0,1 В, тогда

I₃=(E-U_КЭ3)/R3=(5-0,1)/1_*10³=4,9 мА.

Рисунок 4 - Частичная схема для определения токов токов I₂ и I₃ при комбинации входных сигналов ²1100².

Низкое напряжение на коллекторе транзистора VT3 соответствует логическому ²0² на выходе схемы. Через коллектор транзистора VT3 протекает ток

I_К3=I₃+I_ВЫХ=4,9+1=5,9 мА.

Сравним токи I_Б3*B и I_К3.

I_Б3*В=1,075_*50=53,75 мА.

Так как I_Б3*B>I_К3, то действительно транзистор находится в режиме насыщения.

Проведем теперь расчет для комбинации входных сигналов ²1111², т. е. для случая, когда на все четыре входа подано высокое напряжение соответствующие логической единице.

U_ВХ1=U_ВХ2=U_ВХ3=U_ВХ4>3 B.

Покажем на схеме рис. 5 как будут при этом распределятся токи и потенциалы.

Прежде всего отметим, что потенциал в точке А на базе транзистора VT1 будет равен

U_A=U_БК1+U_VD₁+U_БЭ2=0,6+0,7+0,7=2 B

так как между данной точкой и общей шиной включено последовательно три p-n перехода: база-коллектор VT1, диод VD1 и база-эмиттер VT2. Так как все четыре эмиттера транзистора VT1 находятся под более высоким потенциалом, чем база, то все четыре эмиттерных перехода закрыты

и ток от точки А потечет по правой ветви. Тогда ток I₁ равен

I₁=(E-U_А)/ R1=(5-2)/8_*103=0,375 мА.

Прежде всего отметим, что потенциал в точке А на базе транзистора VT1 будет равен

U_A=U_БК1+U_VD₁+U_БЭ2=0,6+0,7+0,7=2 B,

Рисунок 5 - Схема для расчета токов I₁, I₂ и I₃при комбинации входных сигналов ²1111².

так как между данной точкой и общей шиной включено последовательно три

p-n перехода: база-коллектор VT1, диод VD1 и база-эмиттер VT2. Все четыре эмиттера транзистора VT1 находятся под более высоким потенциалом, чем база, поэтому все четыре эмиттерных перехода закрыты и ток от точки А потечет по правой ветви. Тогда ток I₁ равен

I₁=(E-U_А)/ R1=(5-2)/8_*103=0,375 мА.

Через входные эмиттерные переходы протекают обратные токи . Вычислим эти токи, умножая ток базы VT1 ( I₁) на инверсный коэффициент передачи тока В₁:

I_Э₁=I_Э₂=I_Э₃=I_Э₄=I_1*B_I=0,375_*0,05=0,01775 мА.

В транзистор VT1 втекают пять токов I_Э1,I_Э2,I_Э3,I_Э4 и I₁ , а вытекает через коллекторный переход и попадает в базу транзистора VT2 только один ток I_Б2.

Исходя из этих соображений вычисляем ток базы VT2:

I_Б₂=I_Э₁+I_Э₂+I_Э₃+I_Э₄+I₁=0,446 мA.

Предполагая, что транзистор VT2 находится в режиме насыщения и проделав выше приведенные выкладки, получаем, что это действительно так. Тогда напряжение U_КЭ2=U_БЭ3=0,1 В. Следовательно, транзистор VT3 закрыт и ток его коллектора равен нулю.

При этом через резистор R3 протекает только входной ток логического элемента нагрузки, равный по условию I₃=0,04 мА. Тогда напряжение на выходе будет равно

U_ВЫХ=E - I_3*R3=5 - 0,04_*10^-3_*10³=4,96 B.

Полученное напряжение U_ВЫХ близко к напряжению питания и соответствует уровню логической единицы.

Рассчитаем мощности, потребляемые микросхемой для каждой

комбинации. Расчет произведем по формуле

P=E_*(I₁+I₂+I₃).

Для первой комбинации Р=5_*(0,525+1,075+4,9)10^-3=32,5 мВт.

Для второй комбинации Р=5_*(0,375+1,225+0,04)10^-3=8,2 мВт.

Результаты расчетов занесем в таблицу 3.

Таблица 3-Значения токов и мощностей, полученных в результате расчетов.

Входная комбинация				Токи, мА			Потребляемая
Вх 1	Вх 2	Вх 3	Вх 4	I₁	I₂	I₃	мощность, мВт
1	1	0	0	0,525	1,075	4,9	32,5
1	1	1	1	0,375	1,225	0,04	8,2

Для расчета размеров резисторов, которые будем определять ниже, выделим каждый из токов, имеющих максимальное значение, и запишем в таблицу 4. Затем вычислим мощности, рассеиваемые на резисторах, по формуле

P_Ri=I²_i*R_i

и результаты также занесем в таблицу 4.

Таблица 4 - Максимальные мощности резисторов.

Максимальный ток, мА			Мощность резистора, мВт
I₁	I₂	I₃	P_R1	P_R2	P_R3
0,525	1,225	4,9	2,2	6	24

Составим таблицу истинности. В схеме 4 входа, поэтому возможны всего 2⁴=16 комбинаций входных сигналов. Пронумеруем эти комбинации числами от 0 до15 и запишем в таблицу 5.

Помня о том, что логической единице на входе соответствует уровень не менее 3 В, а логическому нулю 0,1 В, проанализируем работу схемы. С разу же поставим символ ² 0 ² в строке для комбинации ²1100² и ²1² для комбинации ²1111², так как анализ для этих случаев уже проведен.

Заметим, что выходное напряжение будет иметь низкий уровень (логический нуль) во всех случаях, когда транзистор VT3 открыт, т. е. находится в режиме насыщения. Это имеет место, если транзистор VT2 закрыт, а это, в свою очередь, произойдет только тогда, когда ток I₁ будет протекать влево через один или несколько эмиттеров транзистора VT1. Таким образом, всем входным комбинациям, имеющим хотя бы один нуль, выходной сигнал соответствует логическому нулю.

Таблица 5 - Таблица истинности для схемы, изображенной на рисунке 2.

Номер	Входн. комбин.					Номер	Входн. комбин.
комбинац	Входы				Вых	комбинац	Входы				Вых.
	1	2	3	4			1	2	3	4
0	0	0	0	0	0	8	1	0	0	0	0
1	0	0	0	1	0	9	1	0	0	1	0
2	0	0	1	0	0	10	1	0	1	0	0
3	0	0	1	1	0	11	1	0	1	1	0
4	0	1	0	0	0	12	1	1	0	0	0
5	0	1	0	1	0	13	1	1	0	1	0
6	0	1	1	0	0	14	1	1	1	0	0
7	0	1	1	1	0	15	1	1	1	1	1

Таким образом, всем входным комбинациям, имеющим хотя бы один нуль, выходной сигнал соответствует логическому нулю.

Указания к выполнению второго раздела

Для выполнения этого раздела следует изучить материал по гибридным ИМС [ 2, стр.148-204 ] и [ 3,стр. 186-191 и 239-244].

Первым этапом является расчет размеров пассивных элементов т. е. резисторов.

Второй этап - расчет площади, занимаемой пассивными и активными элементами, и выбор подложки.

На третьем этапе решения задачи заданную электрическую схему необходимо преобразовать таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинной стороны подложки и были исключены все пересечения пленочных проводников. Последнее условие выполняют, заменяя взаимные пересечения пленочных проводников пересечением пленки и выводов навесных бескорпусных диодов и транзисторов.

Общими принципами составления топологического чертежа являются минимизация длины межэлементных соединений; минимизация площади, занимаемой элементами; равномерное расположение элементов по площади подложки.

Эскиз топологии должен быть выполнен на миллиметровой бумаге в масштабе 10:1 или 20:1.

При составлении топологического чертежа необходимо учитывать следующие основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией:

- пассивные и активные элементы располагаются на расстоянии не менее

1 мм от края подложки;

- входные и выходные контакты располагаются вдоль длинных сторон подложки на расстоянии не менее 1 мм от края;

- навесные элементы (компоненты) устанавливаются в специально отведенные места на расстоянии не менее 0,5 мм от пленочных элементов и не менее 0,6 мм от контактных площадок; минимальное расстояние между навесными компонентами 0,3 мм;

- длина проволочных выводов навесных компонентов должна находиться в пределах от 1 до 5 мм;

минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (в том числе и контактными площадками ) 0,2 мм;

- размеры пленочных резисторов должны быть кратными 0,05 мм;

- минимальная длина резистора l_min не менее 0,5 мм;

- минимальная ширина резистора b_min не менее 0,2 мм;

- минимально допустимая ширина проводников 0,1 мм

- минимально допустимые размеры контактных площадок для припайки внешних выводов 0,4х0,4 мм, а для приварки навесных элементов 0,2х0,25 мм.

Пример выполнения топологии ГИМС

Размер и конфигурация пленочных резисторов находится по заданным номиналам резисторов R_i, удельному поверхностному сопротивлению пленки R_s, выбранному из таблицы 6, и мощности, рассеиваемой на резисторе (таблица 4).

Для определения размеров резисторов находим их коэффициент формы

К_ф_i= R_i/R_s

Для примера возьмем материал нихром с удельным поверхостным сопротивлением R_S=400 Ом/квадрат.

Результаты заносим в таблицу 7.

Расчет длины резистора проводим по формуле

Таблица 6 - Характеристика материалов пленочных резисторов.

Предпоследняя цифра номера студенческого билета	Материал	R_S, Ом/квадр.	Р₀, мВт/мм²
0	Нихром	400	20
1	Сплав МЛТ-3	500	20
2	Нитрид тантала	400	30
3	Сплав РС-3001	800	20
4	Сплав РС-3710	2000	20
5	Нихром	500	20
6	Сплав МЛТ-3	500	20
7	Нитрид тантала	500	30
8	Сплав РС-3001	1000	20
9	Сплав РС-3710	2500	20

Ширина резистора определяется как

b_i=l_i/K_Ф_i

Результаты расчетов заносим в первую строку таблицы 7.

Таблица 7 - Размеры пленочных резисторов.

	R1			R2			R3
	K_Ф1	l₁, мм	b₁, мм	K_Ф2	l₂, мм	b₂, мм	K_Ф3	l₃, мм	b₃, мм
Рассчетн.	20	1,48	0,07	10	1,73	0,17	2,5	1,73	0,692
Оконча-тельное значение	20	4,0	0,2	10	2,0	0,2	2,5	1,75	0,7

Так как ширина резисторов b₁ иb₂ получилась менее 0,2 мм, то принимаем их ширину равной 0,2 мм и пересчитываем их длину. Длину резистора l₃ округляем до 1,75 мм и пересчитываем его ширину. Новые результаты заносим во вторую строку таблицы 7.

Конфигурация всех типов пленочных резисторов в зависимости от их коэффициента формы приведены на рисунке 6.

Определим площадь, занимаемую резисторами,

S_R=S_R₁+S_R₂+S_R₃=0,8+0,4+1,225=2,425 мм².

Навесные элементы с указанием их размеров приведены на рисунке 7.

Площадь, занимаемая навесными элементами схемы равна

S=S_VT1+S_VT2+S_VT3+S_VD1=4+1+1+1=7 мм².

Общая площадь, занимаемая пленочными резисторами и навесными элементами, равна 9,425 мм².

Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами ИМС и расстояние от края подложки, следует увеличить суммарную площадь подложки в 4-5 раз, т. е. её площадь должна составить не менее 50 мм². Из таблицы 8 выбираем подложку с размерами 10х10 мм.

Таблица 8 - Рекомендуемые размеры подложек для гибридных ИМС.

Длина, мм	30	30	30	24	20	16	12	10
Ширина, мм	24	16	12	20	16	10	10	10

Составляем топологический чертеж ИМС, размещая рассчитанные элементы на поле подложки (рисунок 8 ).

Рисунок 6 - Конфигурации пленочных резисторов.

Рисунок 7 - Конструкции навесных элементов: а) трехэмиттерный, б) двух-

эмиттерный, в) одноэмиттерный: биполярные транзисторы; г) диод.

Рисунок 8 - Чертеж топологии ГИМС.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение........................................................................................... 3

Методические указания по дисциплине электронные

твердотельные приборы и микроэлектроника, ч. 2......................... 4

Основы схемотехники цифровых устройств.................................... 4

Аналоговые электронные устройства............................................... 6

Технологические основы микроэлектроники................................... 8

Большие и сверхбольшие интегральные схемы............................. 11

Функциональная электроника......................................................... 12

Содержание лекций......................................................................... 13

Перечень лабораторных работ........................................................ 13

Общие замечания к выполнению курсовой работы....................... 14

Методические указания к выполнению курсовой работы............. 15

Св. План 1999, поз.

Валерий Леонидович Савиных

Курсовое проектирование

по дисциплине ЭТП и МЭ

ч. 2

(методические указания).

Редактор доцент Удальцов А.Н.

Корректор

Лицензия №020475, январь 1998 г. Подписано в печать

Формат бумаги 62 84 1/16

Бумага писчая № 1. Уч. изд. л. Тираж 400 экз.

Заказ №

Типография СибГУТИ, 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 560; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!