Учебная программа для высших учебных заведений по специальностей

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

Утверждена

УМО вузов Республики Беларусь

по образованию в области информатики

и радиоэлектроники

« 03 » июня 2003 г.

Регистрационный № ТД-41-018/тип.

ЦИФРОВАЯ МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

Учебная программа для высших учебных заведений

по специальностей І-41 01 02 Микро- и наноэлектронные

технологии и системы, 1-41 01 03 Квантовые информационные системы

Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР

« 28 » мая 2003 г.

Минск 2005

УДК

ББК

Составитель:

Е.М. Косаревич, старший преподаватель кафедры микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук

Рецензенты:

Н.А. Цырельчук, ректор Учреждения образования «Минский государственный высший радиотехнический колледж», профессор, кандидат технических наук;

Кафедра интеллектуальных систем Учреждения образования «Белорусский национальный технический университет» (протокол № 8 от 24.02.2003 г.)

Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусскийгосударственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол№ 8 от 24.03.2003 г.);

Научно-методическим советом по направлениям І-36 Оборудование и І-41 Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 28.03.2003 г.)

Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.030-98.

Цифровая микросхемотехника. Учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные системы. Специальные дисциплины. Мн.: БГУИР, 2005.-9 с.

ISBN © БГУИР, 2005

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа «Цифровая микросхемотехника» разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.030-98 по специальностей І-41 01 02 Микро- и наноэлектронные технологии и системы, 1-41 01 03 Квантовые информационные системы для высших учебных заведений.

Она предусматривает изучение схемотехники цифровых интегральных микросхем, включая большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), методов их анализа и проектирования, их применения в микроэлектронной аппаратуре.

В результате освоения курса «Цифровая микросхемотехника» студент должен:

знать:

основные типы цифровых интегральных микросхем на биполярных и униполярных структурах;

принципы их построения и функционирования;

параметры и эксплуатационные характеристики;

области применения микросхем;

освоить:

закономерности работы базовых логических элементов;

основы проектирования цифровых интегральных микросхем;

анализ функционирования цифровых интегральных микросхем и микроэлектронной аппаратуры на их основе;

приобрести практические навыки:

выбора компонентов современной микроэлектроники;

анализа работы цифровых интегральных схем в зависимости от формы представления информации и функционального назначения в устройствах микроэлектронной техники.

Освоение данной дисциплины базируется на предварительном изучении курсов:

теоретические основы электротехники;

основы радиоэлектроники;

вычислительная техника и программирование;

физика активных элементов интегральных микросхем;

микроэлектроника.

Курс читается в двух семестрах. Программа рассчитана на объем 150 аудиторных учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 82 часа; практических занятий – 34 часа; лабораторных работ – 34 часа.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

ВВЕДЕНИЕ

Цифровая микросхемотехника как раздел микроэлектроники. Этапы ее развития. Задачи, решаемые при схемотехническом проектировании цифровых интегральных микросхем. Роль и место схемотехнического проектирования в процессе разработки микросхем различной степени интеграции. Взаимосвязь дисциплины «Цифровая микросхемотехника» с другими дисциплинами учебного плана специальности.

Раздел 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

Способы представления информации. Представление чисел и выполнение арифметических операций. Двоичные и двоично-десятичные коды.

Основы булевой алгебры. Логические переменные. Логические операции. Операции НЕ, И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, «исключающее ИЛИ» ‑ определение, таблицы истинности.

Основные аксиомы и теоремы булевой алгебры. Способы доказательства теорем булевой алгебры.

Преобразование логических функций. Минимизация логических функций, методы минимизации логических функций. Алгебраический метод минимизации логических функций. Минимизация логических функций с использованием карт Карно. Минимизация инверсий функций.

Частично определенные функции. Минимизация частично определенных функций.

Минимизация системы функций. Совместная минимизация нескольких функций.

Минимизация функций большого числа переменных. Метод факторизации. Декомпозиция логических функций.

Функционально полные наборы логических операций (элементов).

Логические (цифровые) сигналы. Положительная и отрицательная логика.

Раздел 2. БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Характеристики и параметры логических элементов. Статические характеристики и параметры, динамические характеристики и параметры. Основные параметры базовых логических элементов.

Методы анализа логических элементов. Метод кусочно-линейной аппроксимации характеристик. Кусочно-линейная аппроксимация характеристик биполярного интегрального транзистора. Анализ работы биполярного транзистора в ключевом режиме.

Этапы эволюции схемотехники базовых логических элементов – схемы НСТЛ, РТЛ, РЕТЛ; ЭСЛ, ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, И2Л, ШТЛ, ТЛШ; p-МОП логика, n-МОП логика, КМОП логика; БиКМОП логика.

Особенности структуры и элементной базы цифровых БИС и СБИС. Элементы внутренней структуры, входные и выходные трансляторы.

Базовые элементы ТТЛ. Элемент ТТЛ с простым инвертором. Физика работы, характеристики, параметры. Элемент ТТЛ со сложным инвертором. Элемент ТТЛ с повышенной нагрузочной способностью, схемотехника, физика работы, характеристики, параметры.

Базовые элементы ТТЛШ. Элемент ТТЛШ с простым инвертором. Физика работы, характеристики, параметры. Элементы ТТЛШ со сложным инвертором. Схемотехника, физика работы, характеристики и параметры.

Маломощные элементы ТТЛШ. Схемотехника, характеристики, параметры.

Улучшенные маломощные элементы ТТЛШ. Схемотехника, физика работы, характеристики, параметры.

Модификации элементов ТТЛШ. Элементы И-ИЛИ-НЕ. Элементы с открытым коллектором. Входные трансляторы ТТЛШ БИС. Выходные трансляторы ТТЛШ БИС. Схемы с тремя состояниями выхода. Выходные элементы ТТЛШ БИС с тремя состояниями выхода и подавлением тока Миллера.

Элементы ШТЛ, ТЛШ. Схемотехника, физика работы, характеристики и параметры.

Элементы ЭСЛ. Схемотехника, физика работы, характеристики и параметры. Модификации элементов ЭСЛ. Элементы внутренней структуры БИС ЭСЛ. Двухуровневые элементы ЭСЛ.

Схемотехника цифровых КМОП БИС. Инвертор КМОП. Схемотехника, физика работы, характеристики, параметры. Защита входных элементов КМОП БИС от статэлектричества. Элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ КМОП логики. Сложно-функциональные элементы КМОП логики. Схемы с тремя состояниями выхода КМОП логики. Двунаправленные ключи КМОП.

Схемотехника цифровых БиКМОП элементов БИС. Варианты базовых схем БиКМОП логических элементов, схемотехника, физика работы, характеристики и параметры.

Сравнительный анализ базовых логических элементов различных типов.

Раздел 3. ЦИФРОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ И БЛОКИ КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

Основные элементы схемотехнического проектирования цифровых БИС.

Общая методика синтеза комбинационных узлов. Структурный синтез в различных логических базисах. Структурный синтез в логических базисах И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, ИЛИ-НЕ — монтажное ИЛИ.

Структурный анализ. Опасные состояния в комбинационных схемах.

Разработка электрических схем, элементное и компонентное проектирование.

Основные типы комбинационных узлов и их структурный синтез. Преобразователи кодов. Преобразователи двоично-десятичных кодов. Преобразователи двоичного кода в обратный и дополнительный коды, их применение.

Шифраторы. Дешифраторы, схемы, принцип построения.

Мультиплексоры, демультиплексоры. Применение мультиплексоров. Использование мультиплексоров в качестве универсальных логических элементов для реализации произвольных логических функций.

Комбинационные сумматоры и их структурный синтез. Сумматор на элементах «исключающее ИЛИ». Сумматор «минимальной сложности». Многоразрядные комбинационные сумматоры.

Раздел 4. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ТРИГГЕРЫ

Структура и классификация триггеров. Основные параметры триггеров.

Бистабильные ячейки, анализ их работы.

Основные типы триггеров, анализ их функционирования. RS-триггеры, синхронизируемые уровнем. RS-триггеры, синхронизируемые фронтом.

JK-триггеры. Двухступенчатые JK-триггеры на элементах И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. Асинхронные входы триггеров. JK -триггер, использующий задержку.

D-триггеры. D-триггер типа «защелка». D-триггеры на трех бистабильных ячейках.

Реализация Т-триггеров. Словари переходов триггеров. Основные типы динамических элементов. Выбор тактовой частоты и длительности синхроимпульсов. Реализация логических и триггерных функций на динамических элементах.

Раздел 5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ И БЛОКИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНОГО ТИПА

Общее понятие о последовательностных логических схемах. Структура и способы описания последовательностных узлов.

Методика проектирования последовательностных узлов на основе триггеров: составление таблиц внутренних состояний, получение и минимизация функций входов, составление структурной схемы. Анализ структурных схем.

Основные типы последовательностных функциональных узлов, их схемотехническое проектирование, примеры реализации этих последовательностных узлов.

Регистры. Классификация регистров. Регистры памяти, их реализация на D- или RS-триггерах. Регистры сдвига. Регистры сдвига на D-, RS-триггерах. Регистры сдвига с параллельным вводом информации, проектирование таких регистров. Реверсивные регистры сдвига. Применение регистров.

Счетчики. Классификация, основные параметры счетчиков.

Асинхронные и синхронные двоичные счетчики, их построение, функционирование, сравнительный анализ параметров.

Счетчики с произвольным коэффициентом счета, их структурный синтез. Двоично-десятичные счетчики. Структурный синтез двоично-десятичных счетчиков. Реверсивные счетчики.

Кольцевые счетчики на базе сдвиговых регистров.

Генераторы кодов. Методы построения генераторов кодов, их структурный синтез. Применение генераторов кодов.

Раздел 6. МИКРОСХЕМЫ ПАМЯТИ

Классификация микросхем памяти. Основные параметры микросхем памяти. Структура микросхем памяти.

Микросхемы ОЗУ. Статические микросхемы ОЗУ. Общая структура микросхем оперативной памяти, их основные параметры. Типовые схемы запоминающих элементов на основе ТТЛШ, nМОП, КМОП схем. Реализация схем обслуживания.

Динамические микросхемы ОЗУ, особенности их функционирования. Элементы памяти динамических ОЗУ. Схемотехника усилителей записи/считывания динамических ОЗУ.

Микросхемы ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ.

Программируемые логические матрицы. Использование ПЛМ для реализации произвольных логических функций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные тенденции и перспективы развития цифровой микросхемотехники.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Составление логических функций.

Алгебраический способ минимизации логических функций.

Минимизация логических функций с помощью карт Карно.

Минимизация частично определенных логических функций.

Совместная минимизация системы логических функций.

Совместная минимизация системы частично определенных логических функций.

Минимизация логических функций пяти, шести переменных.

Анализ ключевого режима работы биполярного транзистора.

Анализ работы ТТЛШ/ТТЛШ элементов с простым инвертором.

Анализ работы ТТЛ/ТТЛШ элементов со сложным инвертором.

Анализ работы модификаций ТТЛШ элементов со сложным инвертором.

Анализ работы ТТЛШ входных трансляторов.

Анализ работы ТТЛШ выходных трансляторов.

Анализ ключевого режима работы МОП транзисторов.

Анализ работы КМОП инвертора.

Анализ работы КМОП логических элементов.

Анализ работы БиКМОП логических элементов.

Структурный синтез комбинационных устройств в различных логических базисах.

Структурный синтез комбинационных преобразователей кодов.

Анализ работы RS-триггеров.

Анализ работы тактируемых RS-триггеров.

Анализ работы JK-триггеров.

Анализ работы D-триггеров.

Структурный синтез счетчиков с произвольным коэффициентом счета.

Структурный синтез двоично-десятичных счетчиков.

Структурный синтез реверсивных счетчиков.

Структурный синтез комбинированных регистров.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Логические операции.

ТТЛ/ТТЛШ элементы с простым инвертором.

ТТЛ/ТТЛШ элементы со сложным инвертором.

ТТЛШ элементы ALS типа.

Специальные элементы ТТЛШ.

КМОП логические элементы.

Комбинационные устройства.

Интегральные триггеры.

Устройства последовательностного типа. Счетчики.

Устройства последовательностного типа. Регистры.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КУРСОВЫХ РАБОТ

Двоично-десятичный счетчик с преобразователем кодов на выходе.

Двоично-десятичный счетчик с дешифратором для вывода информации на 7-сегментный индикатор.

Двоично-десятичный счетчик с предварительной установкой.

Программируемый делитель частоты.

Генератор кодов последовательностей чисел.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ

1) Pspice.

2) Design Center 6.2.

3) DesignLab 8.0.

4) Electronics Workbench (EWB) 5.0.

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ

Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд. – М.: Радио и связь, 1990.

Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб.: BHV – Санкт-Петер-бург, 2001.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

Уэйкерли Дж.Ф. Проектирование цифровых устройств: В 2 т./ Пер.с англ. – М.: Постмаркет, 2002.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: Мир, 1982.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989.

Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике: Справочник / Под ред. Б.И. Файзулаева. – М.: Радио и связь, 1987.

Преснухин Л.Н. и др. Расчет элементов цифровых устройств: Учеб. пособие. 2-е изд. – М.: Высш. шк.,1991.

Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

Белоус А.И., Яржембицкий В.Б. Схемотехника цифровых микросхем для систем обработки и передачи информации: Учеб. пособие. – Мн.: УП «Технопринт», 2001.

Учебное издание

ЦИФРОВАЯ МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

ТИПОВАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ



Страницы: 1 | 2 | Весь текст