Министерство образования Российской Федерации
УТВЕРЖДАЮ
Начальник Управления образовательных
программ и стандартов высшего и среднего
___________________
«____» _____________ 2000 г.
Примерная программа дисциплины
«МИКРОСХЕМОТЕХНИКА»
Рекомендуется Минобразованием России для специальности
201900 – «микросистемная техника»
направления подготовки дипломированного специалиста
654100 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
1. Цели и задачи дисциплины.
Целью преподавания дисциплины является формирование знаний в области цифровых и аналоговых интегральных микросхем, принципов их функционирования, проектирования и применения.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
2.1. Знать:
- современную элементную базу цифровых и аналоговых интегральных микросхем;
- принципы построения и функционирования устройств на основе традиционной и нетрадиционной элементной базы микроэлектроники;
- основные технические параметры, эксплуатационные характеристики и области применения элементной базы микроэлектроники.
2.2. Иметь навыки:
- оптимального выбора элементной базы, анализа и синтеза интегральных схем на основе данных об их функциональном назначении, электрических параметрах и условиях эксплуатации;
- работы на оборудовании, используемом при проектировании интегральных микросхем;
- оформления конструкторской документации на проектируемое изделие.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |||
Общая трудоемкость дисциплины | 150 | 8 | |||
Аудиторные занятия | 85 | 8 | |||
Лекции | 51 | 8 | |||
Практические занятия (ПЗ) | 17 | 8 | |||
Лабораторные работы (ЛР) | 17 | 8 | |||
Самостоятельная работа | 65 | 8 | |||
Курсовой проект (работа) | 25 | 8 | |||
другие виды самостоятельной работы | 40 | 8 | |||
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | Зачет, экзамен |
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции | ПЗ | ЛР |
Введение. | * | — | — | |
1. | Интегральные микросхемы. Элементная база. | * | * | — |
2. | Схемотехника цифровых интегральных микросхем | * | * | * |
3. | Схемотехника аналоговых интегральных микросхем | * | * | * |
4. | Схемотехника ИМС на основе программируемых логических матрицах и базовых матричных кристаллах. | * | * | * |
5. | Проектирование интегральных микросхем | * | * | * |
6. | Перспективные направления традиционной и нетрадиционной микросхемотехники. | * | * | * |
Заключение | * | — | — |
4.2. Содержание разделов дисциплины
§ Введение.
Предмет дисциплины и ее задачи. Краткие сведения о развитии микросхемотехники. Особенности микросхемотехники как схемотехники ИМС. Понятия миниатюризация и интеграция; динамика, уровни, цели и задачи. Единство физических, конструктивно-технологических, схемотехнических, функционально-логических, топологических аспектов при проектировании и создании ИМС. Развитие элементной базы несхемотехнической электроники; основные тенденции. Структура, содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана и место в подготовке инженеров по специальности 201900.
§ 1. Интегральные микросхемы. Элементная база.
Классификация и стандартизация интегральных микросхем. Понятия: микроэлектронное изделие, интегральная микросхема (ИМС), элемент и компонент ИМС. Классификация ИМС по конструктивно-технологическому признаку: полупроводниковые, гибридные, пленочные; типу преобразований и обработки сигналов: цифровые, аналоговые; характеру выполняемых функций. Условные обозначения микросхем. Определения и буквенные обозначения основных микросхем. Разработка и оформление документации при проектировании ИМС. Единая система конструкторской документации.
Элементная база интегральных микросхем. Основные схемотехнические элементы ИМС: биполярные и МДП-транзисторы, комплиментарные транзисторные структуры, диоды, резисторы, конденсаторы; выбор физической структуры и топологии. Изоляция и коммутация элементов. Влияние конструктивно-технологических решений на энергетические частотные параметры и условия эксплуатации элементной базы. Законы масштабирования, модели и библиотеки элементов для схемотехнического и топологического синтеза ИМС.
§ 2. Схемотехника цифровых интегральных микросхем.
Основы функционирования и конструирования цифровых интегральных микросхем. Структура и принципы работы цифровых систем. Основные логические операции и функции; таблица истинности. Понятие логический элемент. Основные логические элементы и их условные обозначения. Логические операции, выполняемые логическими элементами «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ». Электронный ключ; статические и динамические характеристики. Ключевые схемы на биполярных и униполярных транзисторных структурах. Динамические инверторы на МДП транзисторах.
Схемотехническая реализация логических функций. Общая классификация логических ИМС. Эволюция логических ИМС по типу связи между элементами. Базовые логические элементы на основе транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), интегральной инжекционной логики (И2Л), однотипных и комплиментарных МДП-транзисторов, совмещенных биполярных и униполярных транзисторных структур. Типовые функциональные узлы ИМС на основе логических элементов. Логический элемент как базовая ячейка функционального узла ИМС. Структурные варианты и методы их схемотехнического проектирования; составление таблиц переходов, кодировки внутренних состояний и минимизация функций входов. Асинхронные и синхронные триггеры. Проектирование функциональных узлов последовательного типа на основе триггеров: регистры, счетчики, генераторы чисел. Функциональные узлы комбинационного типа: преобразователи кодов, шифраторы и дешифраторы, сумматоры и полусумматоры, мультиплексоры, программируемые логические матрицы. Методы синтеза структурных схем; минимизация логических функций. Проектирование интегральных микросхем на основе динамических элементов. Динамические логические элементы на МДП-транзисторах. Сочетание логических функций с динамическим. Обеспечение функции хранения информации МДП-структурой. Синхронизация динамических элементов. Двухфазные и четырехфазные динамические элементы и триггеры.
Схемотехнические основы цифровых ИМС на динамических элементах; выбор тактовой частоты и длительности синхроимпульса. Быстродействие и экономичность динамических узлов. Организация полупроводниковых запоминающих устройств. Классификация и основные параметры запоминающих устройств (ЗУ). Схемная и технологическая реализация постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Программируемое и перепрограммируемое ПЗУ. Структура статических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ). Реализация статических ОЗУ на биполярных и МДП-транзисторах. Динамическое ОЗУ для ИМС со сверхбольшой емкостью памяти.
§ 3. Схемотехника аналоговых интегральных микросхем.
Основы схемотехники аналоговых интегральных микросхем. Аналоговые сигналы и функции. Основные и специальные аналоговые функции. Номенклатура аналоговых интегральных микросхем (АИМС). Два принципа схемотехники АИМС (взаимного согласования цепей, избыточности). Элементы аналоговой линейной схемотехники. Дифференциальные каскады и эталоны тока. Входные каскады и выходные цепи АИМС.
Аналоговые, аналого-цифровые и цифро-аналоговые интегральные микросхемы для радиотехнических и вычислительных устройств. Схемотехника операционных усилителей (ОУ); структурные и принципиальные схемы. Схемы включения. Амплитудные и частотные параметры и характеристики. Синтез ОУ. Многофункциональность ОУ. Радиотехнические преобразования на основе аналоговых перемножителей. Амплитудные, частотные и фазовые модуляторы. Схемотехника аналоговых интегральных микросхем для устройств селекции сигналов. АИМС в вычислительных устройствах. Параметры и моделирование интегральных компараторов и перемножителей аналоговых сигналов. Интегральные таймеры.
Методы аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразований. Структурные схемы аналогово-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Элементная база АЦП и ЦАП. Особенности технологической реализации. Схема выборки и хранения аналоговых сигналов. Резистивные матрицы суммирования напряжений и токов. Цифровые фильтры. Управление цифровой логикой от компараторов и операционных усилителей.
§ 4. Схемотехника ИМС на основе программируемых логических матриц (ПЛМ) и базовых матричных кристаллов (МБК).
Понятия ПЛМ и БМК. Особенности конструирования и функционирования. Конструкторско-технологические решения ПЛМ; ПЛМ с масочным программированием, электрически программируемые и репрограммируемые ПЛМ. Классификация БМК. Схемотехника и конструкция БМК на биполярных и униполярных транзисторных структурах. Реализация полузаказных ИМС на БМК; интеграция, функциональные возможности, быстродействие, энергетические параметры.
§ 5. Проектирование интегральных микросхем.
Основы логического и схемного проектирования ИМС. Основные этапы разработки и создания ИМС. Уровни представления и этапы проектирования ИМС. Связь логического, схемного и топологического уровней проектирования ИМС.
Логическое проектирование. Варификация, методы оптимизации.
Схемное проектирование. Методы анализа синтеза схем на бипоярных и униполярных транзисторных структурах. Методы проектирования с учетом тестируемости и самотестируемости ИМС. Автоматизация процедур логического и схемного проектирования.
Топологическое проектирование ИМС. Основные этапы проектирования топологии ИМС. Методы и алгоритмы компоновки, размещения элементов и трассировки соединений. Правила топологического проектирования межэлементной изоляции. Построение топологии основных логических элементов на основе биполярных и униполярных транзисторных структур. Особенности проектирования топологии ИМС на основе ПЛМ БМК. Организация САПР топологии ИМС. Метод кремниевой компиляции.
§ 6. Перспективные направления традиционной и нетрадиционной микросхемотехники.
Элементная база для сверхскоростной обработки информации. Конструктивно-технологические особенности элементной базы для сверхскоростных ИМС; физические ограничения на быстродействие и энергопотребление. Элементная база ИМС на основе арсенида галлия; полевые транзисторы с барьером Шоттки, гетеропереходом, двумерным электронным газом. Логические элементы на сверхпроводниках. ИМС на элементах Джозефсона.
Радиокомпоненты с аппликативной топологией. Приборы на поверхностных акустических и магнитостатических волнах (ПАВ и МСВ). Связь конструктивных, электрофизических функциональных параметров. Конструирование многофункциональных устройств на ПАВ, МСВ.
Современное состояние работ в области приборов с зарядовой связью и цилиндрических магнитных доменах (ПЭС и ЦМД).
Современная архитектура и организация процессорных сред. Общие принципы организации микропроцессоров; основные элементы архитектуры. Ассоциативные процессоры; структура памяти, реализация ассоциативных ЗУ с параллельными и последовательным доступом. Однородные вычислительные среды. Принципы организации и функционирования однородной вычислительной среды; перестраиваемость структуры, параллелизм процессов; ассоциативная обработка информации. Реализация вычислительных сред с нейроподобной структурой.
§ Заключение
Методы обратного топологического проектирования. Перспективы развития схемотехнической и несхемотехнической интеграции. Функциональные биомодули и самоорганизующиеся среды для физической имитации интеллектуальных функций.
5. Лабораторные и практические занятия.
5.1. Лабораторный практикум.
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ |
1. | 1 | - |
2. | 2 | - Исследование электронного ключа на биполярных транзисторных структурах - Исследование электронного ключа на униполярных транзисторных структурах - Исследование статических характеристик логической ИМС - Исследование динамических характеристик логической ИМС |
3. | 3 | - Исследование интегрального операционного усилителя - Исследование аналого-цифрового преобразователя - Исследование цифро-аналогового преобразователя |
4. | 4 | - Изучение топологии БИС на основе ПЛМ - Изучение топологии БИС на основе БМК |
5. | 5 | - Логическое проектирование функционального узла ИМС - Схемотехническое проектирование логического узла ИМС |
6. | - Изучение работы запоминающего устройства на цилиндрических магнитных доменах - Изучение топологии и характеристик полосового фильтра на ПАВ - Изучение топологии и характеристик микропроцессора |
5.2. Рекомендуемый перечень практических занятий.
№ п/п | № раздела дисциплины | Темы практических занятий |
1 | 1 | - Стандартизация микросхем. Маркировка. Определения и буквенные обозначения - Выбор физической структуры и топологии биполярного транзистора в ИМС - Выбор физической структуры и топологии МДП транзистора в ИМС |
2. | 2 | - Расчет базового логического элемента на основе биполярных транзисторных структур - Расчет базового логического элемента на основе МДП транзисторных структур |
3. | 3 | - Расчет операционного усилителя - Расчет узла интегрального компаратора |
4. | 4 | - Оценка временных задержек в узлах ИМС на ПЛМ - Оценка временных задержек в узлах ИМС на БМК |
5. | 5 | - Схемотехнический синтез логического узла ИМС на биполярных транзисторных структурах - Схемотехнический синтез логического узла ИМС на МДП транзисторных структурах - Построение топологии логического узла ИМС на биполярных транзисторных структурах - Построение топологии логического узла ИМС на МДП транзисторных структурах |
6. | 6 | - Расчет фильтра на поверхностных акустических волнах - Расчет фильтра на магнитостатических волнах |
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
6.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
1. , Шагурин .: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1988.
2. , Савёлов : Учеб. пособие. –Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000.
3. Схемотехника ЭВМ/под ред. : Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1985.
4. , , Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров. - М.: Радио и связь, 1986.
5. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование /под ред. : Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1984.
6. , Кремлев интегральные микросхемы.: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1987.
7. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. -М.:Мир, 1988.
8. Г, Соколов и методология построения САПР БИС. - М.:Высшая школа, 1990.
9. , Коняхин - логическое проектирование БИС. - М: Высшая школа, 1990.
10. Кремлев -топологическое моделирование структур элементов БИС. - М.: Высшая школа, 1990.
11. , Щемелин проектирование нерегулярных БИС. - М.: Высшая школа,1990.
б) дополнительная литература:
1. , ЭВМ и ее элементы. - М.: Радио и связь, 1988.
2. Введение в микроэлектронику. - М.: Мир, 1988.
3. Язык программирования и схемотехника СБИС. - М.: Мир, 1988.
4. Проектирование СБИС / под ред. . - М.: Мир, 1988.
5. Логическое проектирование СБИС. - М.: Мир, 1988.
6. , Наумов сверхбольших интегральных схем. - М: Радио и связь, 1986.
7. , базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы. - М.: Высшая школа, 1987.
8. Быстродействующие матричные БИС и СБИС. Теория и проектирование. - М.: Радио и связь, 1989.
9. Электроника СБИС. Проектирование микроструктур./ Под ред. Н. Айнспрука. - М.: Мир, 1989.
10. Системное проектирование сверхбольших интегральных схем. - М.: Мир, 1985.
11. Электроника. Справочная книга. под ред. – Санкт-Петербург. Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1996.
12. Абрайтис проектирования топологии цифровых интегральных схем. - М.: Радио и связь, 1985.
13. Автоматизированное проектирование СБИС на базовых кристаллах / и др. - М.: Радио и связь, 1988.
14. Проектирование СБИС. Метод кремниевой компиляции. - М.: Наука, 1988.
15. Шевкопляс структуры. Инженерные решения. - М: Радио и связь, 1986.
16. Речицкий на поверхностных акустических волнах. - М: Радио и связь, 1984.
17. , Шилин БИС на приборах с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1988.
18. , , Лучинин по твердотельной электронике и микросхемотехнике. СПбГЭТУ, 1995.
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.
- Компьютерная программа для моделирования работы электронного ключа на биполярных транзисторных структурах.
- Компьютерная программа для моделирования работы электронного ключа на униполярных транзисторных структурах
- Компьютерная программа для расчета базового логического элемента на основе биполярных транзисторных структур.
- Компьютерная программа для расчета базового логического элемента на основе МДП транзисторных структур.
- Компьютерная программа для расчета операционного усилителя.
- Компьютерная программа для расчета полосового фильтра на поверхностных акустических волнах.
- Компьютерная программа для логического проектирования функциональных узлов ИМС.
- Компьютерная программа для схемотехнического проектирования логического узла ИМС на МДП транзисторных структурах
- Компьютерная программа для топологического проектирования функциональных узлов БИС на основе ПЛМ.
- Компьютерная программа для топологического проектирования функциональных узлов БИС на основе БМК.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
- Стенды для измерения статических параметров ИМС
- Стенды для измерения динамических параметров ИМС
- Стенд для измерения СВЧ-параметров приборов
- Оптические микроскопы
- Растровый электронный микроскоп
- Персональные ЭВМ
- Графопостроитель-плоттер
- Комплекс программных средств для логического, схемотехнического и топологического проектирования.
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
Для реализации целей и задач курса предлагается предусмотреть в программе дисциплины курсовые работы. Требования к содержанию курсовой работы определяются характером задачи по исследованию конкретного типа функционального узла ИМС. В курсовой работе должны быть отражены следующие вопросы:
- структурная и функциональная схемы проектируемого узла;
- расчет параметров базовых элементов;
- топология проектируемого узла;
- оценка параметров проектируемого узла.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654.100 – «Электроника и микроэлектроника», специальность 201900 «Микросистемная техника»
Программу составили:
. | - профессор С.-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» |
- профессор Московского института радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет) «МИРЭА» | |
- доцент С.-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» |
Программа одобрена на заседании Учебно-методического Совета по направлению подготовки дипломированных специалистов 654.100 – «Электроника и микроэлектроника»,
__15 ноября 2000 г.__ протокол №__4___________
Председатель Совета УМО по образованию в области автоматики, электроники, микроэлектроники и радиотехники, профессор
_______________________
