Основы микроэлектроники: Учебно-методический комплекс дисциплины

Департамент образования города Москвы Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОРОДСКОЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Математический факультет Кафедра информатизации образования Учебно – методический комплекс учебной дисциплины

ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ГСЭ Цикл общих гуманитарных и социально-экономических дисциплин ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ (2005 год)

Специальность 030100 – «Информатика» ДПП.Ф.12 – ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Москва – 2008

Программа,

методические

рекомендации

и

план

освоения

дисциплины

обсуждены и утверждены на заседании кафедры информатизации образования [протокол заседания кафедры № ____ от ____ июня 2008 г.], утверждены на заседании ученого совета математического факультета [протокола заседания совета № ____ от ____ октября 2008 г.]. УМКД рекомендован к печати Научно-методическим советом ГОУ ВПО МГПУ.

Составитель Доцент кафедры информатизация образования, к.п.н. Заславская О.Ю. Заведующий кафедрой Зав. кафедрой информатизации образования, д.п.н., профессор Гриншкун В.В. Рецензент: ____________________________________________________________________

Пояснительная записка Настоящая программа составлена на основе Государственного образовательного стандарта ДПП.Ф.12 Основы микроэлектроники Физические

основы

полупроводниковой

микроэлектроники.

Понятие

об

интегральных схемах. ЧИПы. Принципы построения микроэлектронных приборов и устройств. Основы реализации оперативных и долговременных запоминающих устройств. Микропроцессоры как микроэлектронная основа современных ЭВМ, принципы их работы и функционирования. Рассматриваются основные аспекты микроэлектроники: физические, технические и схемотехнические. Дается представление об уровне современной микроэлектроники, ее методах, средствах, проблемах и перспективах развития. Изучение данного курса посвящёно теоретическим и экспериментальным основам современной микроэлектроники. 1. На базе теоретических основ микроэлектроники необходимо рассмотреть принципы функционирования основных полупроводниковых приборов – дискретных и в интегральном исполнении (диодов, биполярных и полевых транзисторов). 2. Описание интегральных схем и устройств на базе логических элементов, так как сам принцип интеграции осуществляется через единые технологические методы и приёмы. 3. Задачи микроэлектроники, новейшие направления современной микроэлектроники

и тенденции развития

Курс „Основы микроэлектроники“ входит в блок дисциплин предметной подготовки и предназначен для подготовки учителей информатики, владеющих необходимыми знаниями в области основ электроники, микроэлектроники и современных методик обучения. Цель

данного

курса

-

изучить

физические

основы

полупроводниковой

микроэлектроники, принципы построения микроэлектронных приборов и устройств, сформировать понятие об интегральных микросхемах. На базе этих знаний рассмотреть и изучить микропроцессоры как микроэлектронную основу современных компьютеров, а так же основы реализации оперативных и долговременных запоминающих устройств. Курс „Основы микроэлектроники“ изучается после получения глубоких знаний и сформировавшихся понятий по курсу физики в разделе “Электричество”, а также по курсу «Архитектура ПК» в разделе «Микропроцессорная техника». Обоснование структуры учебной дисциплины. Учебный курс рассчитан для изучения в течение одного учебного семестра, состоит из лекционных и лабораторных занятий. Лекционный материал содержит основные сведения о физических основах полупроводниковой электроники, элементной базе

микроэлектроники в т. ч.

Логических интегральных микросхем. На лекциях рассматриваются принципы построения микроэлектронных приборов и устройств, запоминающие устройства компьютеров, микропроцессоры как основа компьютерной техники и перспективы её развития. Лабораторные занятия проводятся фронтально и позволяют практически закрепить лекционный материал. На них так же выносится материал, дополняющий и углубляющий лекционный, а так же материал, не вошедший в лекционный курс. Такая структура построения курса позволяет дать студентам необходимые знания в области микроэлектроники и привить им необходимые навыки в проведении лабораторного эксперимента. Цели и задачи дисциплины Основной целью изучения данного курса является:

обучение

будущего

учителя

информатики

продуктивному

восприятию

технических аспектов информатики настолько, чтобы он представлял суть современных электронных систем и творчески применял полученные знания на практике. Для реализации программы предлагается использовать все многообразие форм и методов

учебной

работы:

лекции,

семинары,

практические,

в

том

числе

индивидуальные, занятия, ознакомление с современным педагогическим опытом, обсуждение и анализ ситуаций, работу в малых группах, консультации. Основные задачи изучения курса: формирование знаний в области теоретических принципов микроэлектроники, составляющих

основу

системотехнических

и

схемотехнических

решений

при

построении средств вычислительной техники; овладение умениями и навыками оценки функциональных, количественных и качественных

характеристик

микроэлектронных

компонентов

компьютеров

и

периферийных устройств. Требования к уровню освоения содержания дисциплины После изучения дисциплины студент должен: Знать принцип действия, конструкцию и технологические особенности ИС на основе полупроводниковых транзисторов, принципы конструирования элементной базы цифровой вычислительной техники и средств коммуникации принцип действия, конструкцию и технологические особенности цифровых устройств и пути их практического использования и совершенствования. Иметь представление разделы микроэлектроники и её базовые термины; основные полупроводниковые материалы и их свойства; методы формирования и классификацию р- n переходов; разновидности и классификацию полупроводниковых диодов; назначение и условные обозначения полевых транзисторов; назначение и состав пассивных элементов ИМС;

классификацию ИМС по технологии их изготовления; классификацию ИМС по способу преобразования и обработки сигналов; технологию изготовления ЧИПов; основы проектирования микроэлектронных приборов и устройств; основные технологические процессы фотолитографии; классификацию запоминающих устройств; основные сведения о микропроцессоре и его характеристиках; о принципах построения электронных приборов и устройств средствами микроэлектроники; о технологических и технических аспектах средств информатики о путях повышения степени интеграции и об использовании новых физических принципов в микроэлектронике. Уметь: сформулировать причины возникновения микроэлектроники; объяснить процессы формирования электронно-дырочного перехода; изобразить и пояснить вольтамперную характеристику полупроводникового диода; объяснить работу биполярного транзистора как четырёхполюсника; дать характеристику основным направлениям функциональной микроэлектроники; сформулировать основные этапы планарной технологии; дать характеристику запоминающим устройствам персонального компьютера; дать характеристику специализированного и однокристального микропроцессора. Программа ориентирована на дальнейшую научную и педагогическую деятельность студентов. УМКД включает в себя также тематику лекций, практических занятий, списки возможных тем курсовых и дипломных работ, перечень вопросов к экзамену, список обязательной и дополнительной литературы. Материал курса, рассчитанного на 1 семестр, распределяются следующим образом:

бакалавры (ОД) (8 семестр)

лекционных часов

48

практических занятий 16 специалисты (Инф-ОД) (6 семестр)

лекционных часов

28

практические занятия 24 специалисты (Инф-КВ) (6 семестр)

лекционных часов

27

практические занятия 12 специалисты (Мат-ОД) (8 семестр)

лекционных часов

16

практические занятия 9 Формы итогового контроля Студенты дневного отделений, специальность «Информатика», «Математика, с дополнительной специальностью «Информатика», в конце семестра сдают экзамен. Для студентов, обучающиеся по системе «бакалавриат», в конце семестра проводится итоговый зачет для контроля уровня освоения курса. Зачет проходит в форме устного ответа на 2 вопроса билета (один – общетеоретический, второй – практический). Ответы на каждый из вопросов оценивается максимум в 10 баллов, максимальное количество баллов за ответ на экзамене – 20.

ЧАСТЬ I. ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Содержание курса Модуль 1. Физические основы полупроводниковой микроэлектроники, физические явления и процессы в полупроводниковых структурах Предмет

микроэлектроники:

Роль

микроэлектроники.

Информационные

технологии и электроника. История микроэлектроники. Диоды: физические принципы, пробои, виды.

Транзисторы: физические принципы работы транзистора: принцип

действия, статические характеристики Модуль

2.

Основы

реализации

оперативных

и

долговременных

запоминающих устройств. Схемотехника элементов И-НЕ; ИЛИ-НЕ, И/ИЛИ-НЕ. Параметры логических элементов, интегральные триггеры, запоминающие устройства. Логические элементы. Исключающее ИЛИ. Триггерные схемы: RS, T, RST, JK, D Модуль 3. Принципы построения микроэлектронных приборов и устройств, цифровая и аналоговая микроэлектроника: узлы, блоки, устройства. Типовые

функциональные

узлы

цифровой

электроники.

Одноразрядный

двоичный сумматор. Принцип построения многоразрядных сумматоров.. Арифметикологические устройства. Дешифраторы, шифраторы. Модуль 4. Микропроцессоры Микропроцессоры – основа ПК. История развития. Тактовая частота и принцип потактовой реализации команд, микрокоманды. Реализация функции МП. Основные тенденции развития универсальных микропроцессоров. Модуль 5. Понятие об интегральных схемах, элементы полупроводниковой микроэлектроники Перспективы развития интегральных микросхем. Классификация ИС, Структуры ИС: Микросхемы, элементы, компоненты. Элементы конструкции микросхем. Простые

и сложные микросхемы. Классификация микросхем. Система условных обозначений микросхем. Перспективы развития микроэлектроники.

ЧАСТЬ II. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЛАН ОСОВЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ ЛЕКЦИИ. При изучении лекционного курса следует вести подробный конспект лекций, позволяющий самостоятельно проследить логику изложения учебного материала. Следует аккуратно вычерчивать графики, рисунки, схемы и таблицы, что способствует зрительному

восприятию

и

более

полному

запоминанию

материала.

При

недопонимании учебного материала нужно пытаться правильно сформулировать вопросы к лектору и не стесняться задавать их. Наиболее глубокие знания будут получены студентом только тогда, когда им усвоена структура учебной дисциплины, своевременно и полно понята суть проблемы и пути её решения. Модуль 1. Физические основы полупроводниковой микроэлектроники, физические явления и процессы в полупроводниковых структурах (4 часа) Лекция 1. 2 часа Предмет

микроэлектроники:

Роль

микроэлектроники.

Информационные

технологии и электроника. История микроэлектроники Лекция 2. 2 часа Диоды: физические принципы, пробои, виды. Транзисторы: физические принципы работы транзистора: принцип действия, статические характеристики Модуль

2.

Основы

реализации

оперативных

и

долговременных

запоминающих устройств. (6 часов) Лекция 3. 2 часа Схемотехника элементов И-НЕ; ИЛИ-НЕ, И/ИЛИ-НЕ Лекция 4. 2 часа Параметры логических элементов, интегральные триггеры, запоминающие устройства

Лекция 5. 2 часа Логические элементы. Исключающее ИЛИ. Триггерные схемы: RS, T, RST, JK, D Модуль 3. Принципы построения микроэлектронных приборов и устройств, цифровая и аналоговая микроэлектроника: узлы, блоки, устройства. (6 часов) Лекция 6. 2 часа Типовые

функциональные

узлы

цифровой

электроники.

Одноразрядный

двоичный сумматор. Лекция 7. 2 часа Принцип построения многоразрядных сумматоров.. Арифметико-логические устройства. Лекция 8. 2 часа Дешифраторы, шифраторы Модуль 4. Микропроцессоры (6 часов) Лекция 9. 2 часа Микропроцессоры – основа ПК. История развития. Тактовая частота и принцип потактовой реализации команд, микрокоманды. Лекция 10. 2 часа Реализация функции МП. Лекция 11. 2 часа Основные тенденции развития универсальных микропроцессоров. Модуль 5. Понятие об интегральных схемах, элементы полупроводниковой микроэлектроники (6 часов) Лекция 12. 2 часа Перспективы развития интегральных микросхем. Классификация ИС, Структуры ИС: Лекция 13. 2 часа Микросхемы, элементы, компоненты. Элементы конструкции микросхем. Простые и сложные микросхемы.

Лекция 14. 2 часа Классификация микросхем. Система условных обозначений микросхем. Перспективы развития микроэлектроники. ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ На лабораторных занятиях нужно внимательно ознакомиться с теоретической частью работы, изучить ход проведения работы, порядок обработки полученных результатов. Особое внимание следует уделить систематизации материала для формулировки

вывода

по

результатам

лабораторного

эксперимента,

который

способствует формированию базовых понятий изучаемой дисциплины. Лабораторная

работа

№

1.

Ознакомление

со

структурой

учебной

электронной лаборатории на ПК системой моделирования EWB. Ознакомление с работой приборов и устройств в пакете EWB. Ознакомление с назначением компонентов программы EWB. Изучение компонентов программы EWB, их условных обозначений и кратких характеристик. 6 ч. Цель работы: ознакомление со структурой учебной электронной лаборатории на ПК системой моделирования EWB, органами управления и режимами работы, Ознакомление c

возможностями

пользователя. Ознакомление

программы EWB.

с терминами и понятиями.

Изучение

интерфейса

Построение простейших

электронных и логических схем Технология создания схем. Для создания схем, рассматриваемых в рамках лабораторных работ по курсу "Основы микроэлектроники"

достаточно воспользоваться имеющимися типовыми

компонентами. Для открытия нужной библиотеки компонентов нужно подвести курсор мыши к соответствующей иконке и нажать один раз её левую кнопку. В выпадающем множестве выбирается необходимый значок, и передвигается при удержании левой клавишей мыши на рабочее поле программы. Для установки параметров необходимо

двойным

нажатием левой кнопкой мыши

раскрыть меню настройки параметров

компонента. Выбор подтверждается нажатием кнопкой Accept и клавишей Enter. После

размещения

компонентов

производится

соединение

их

выводов

проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения курсор мыши подводится к выводу компонента и после появления прямоугольной площадки синего цвета, нажимается левая кнопка и появляющийся при этом проводник протягивается к выводу другого компонента до появления на нём такой же прямоугольной площадки, после чего кнопка мыши отпускается и соединение готово. При необходимости подключения к этим выводам других проводников в библиотеке Passive выбирается точка (символ соединения) и переносится на ранее установленный проводник. После удачной постановки точки к проводнику подсоединяется ещё два проводника. Точка соединения может быть использована не только для подключения проводников, но и для введения надписей. Если необходимо переместить отдельный сегмент проводника, к нему подводится курсор,

нажимается

левая кнопка и после появления в вертикальной или

горизонтальной плоскости двойного курсора производятся нужные перемещения. Подключение к схеме контрольно-измерительных приборов производится аналогично. Причём для таких приборов, как осциллограф или логический анализатор, соединения целесообразно проводить цветными проводниками, поскольку их цвет определяет соответствующую осциллограмму. 2. Задание для выполнения лабораторной работы 1.

ознакомиться с описанием системы моделирования EWB:

http://www.intsyseurope.fr/ElectronicsWorkbench/ facts.html Файл справка Electronics workbench 5.0 www.peweek.ru/N37/cp1251/sapr/chapt 2.1. В.И.Карлащук Программа EWB и ее применение •

назначение

•

структура

•

система меню

•

правила работы

2.

исследовать порядок создания схем в системе моделирования EWB

3. изучение компонентов программы EWB, их условных обозначений и кратких характеристик Группа делится на 8 равных по численности подгрупп Задание для каждой подгруппы: 1.

составить таблицу соответствия условного обозначения, назначения

компонентов и установки соответствующих параметров (по необходимости) программы EWB I. II. III.

пассивные компоненты; активные компоненты полевые

транзисторы;

коммутационные

устройства

и

управляемые

источники; гибридные компоненты; IV.

индикаторные приборы; логические элементы; комбинированные цифровые

компоненты; триггеры V.

библиотека

компонентов

EWB

(перечислить,

описать

назначение

и

представить внешний вид каждого раздела библиотеки) VI.

контрольно-измерительные приборы (состав, название, назначение, внешний

вид, приведение прибора в рабочее состояние) – мультиметр; функциональный генератор; осциллограф; измеритель АЧХ и ФЧХ VII. VIII.

источники тока; коммутационные устройства индикаторные приборы

Обязательно для всех: контрольно-измерительные приборы (состав, название, назначение, внешний вид, приведение прибора в рабочее состояние) – генератор слова; логический анализатор; логический преобразователь 2.

Постройте

сконструируйте

и

проанализируйте

данное

описание

схемы.

Для

этого:

схему, опишите технологию ее построения, алгоритм выполнения

задания; все требуемые (исходные, промежуточные и конечные) таблицы значений. I.

Составьте схему цепи, состоящей из последовательно включенных батареи

напряжением 5 В и переменного резистора сопротивлением 10 кОм, включенного потенциометром. Между подвижным контактом потенциометра и одним из зажимов батареи включите вольтметр. Изменяя положение подвижного контакта нажатием

назначенной Вами клавишей клавиатуры, по показаниям вольтметра определите направление его перемещения. Составьте таблицу значений. II.

Подготовьте

схему

цепи,

состоящей

из

источника

переменного

синусоидального напряжения и вольтметра. Установите напряжение источника 10 В. Полагая, что вольметр измеряет эффективное значение напряжения, выясните, какому значению соответствует установленное напряжение источника. III.

Составьте схему цепи, состоящей из последовательно включенных источника

постоянного тока, амперметра и потенциометра 10 кОм, включенного в режиме переменного сопротивления (к схеме подключается вывод подвижного контакта и одного из неподвижных). Изменяя сопротивление резистора назначенной клавишей, убедитесь, что ток в цепи не меняется. Составьте таблицу, объясните почему. IV.

Соберите цепь, состоящую из источника постоянного тока и предохранителя,

установите ток срабатывания 10мА. Изменяя ток источника, установите факт срабатывания предохранителя при указанном значении тока. Составьте таблицу. V.

Составьте схему из четырех программируемых переключателей (реле времени)

и четырех зуммеров. Подберите параметры этих компонентов таким образом, чтобы проигрывался фрагмент позывных радиостанции «Маяк» VI.

Соберите схему, а) состоящую из последовательно включенных источника

постоянного тока и реле. Изменяя ток источника, убедитесь в правильности функционирования реле.б) состоящую из батареи и лампы накаливания. Определите напряжения, при которых лампа зажигается и перегорает. Составьте таблицу. VII.

Составьте схему из источника постоянного напряжения и логического

пробника. Изменяя напряжение источника, установите напряжение срабатывания пробника с точностью до десятых долей вольта. Составьте таблицу значений. VIII.

Составьте схему, состоящую из звукового сигнализатора (зуммера), источника

постоянного

напряжения,

резистора,

амперметра

и

вольтметра.

Убедитесь

в

правильности срабатывания звуковой сигнализации при установленных в диалоговом окне значениях тока и напряжения срабатывания. Составьте таблицу значений. 4. Содержание отчета.

Перечень основных

элементов из библиотеки

EWB,

необходимый для

моделирования логических схем и цифровых устройств ЭВМ. Краткие теоретические сведения, необходимые для выполнения задания; ⎯

Примеры, выполненные по заданию преподавателя. Последовательность

составления моделируемой схемы. ⎯

Все схемы и таблицы

⎯

Выводы по работе

⎯

Знать ответы на контрольные вопросы (устно);

Лабораторная работа № 2. Ознакомление с моделированием цифровых устройств: триггеры 6 ч. Цель работы:

Ознакомление с системами логических элементов современных

ЦВМ (цифровых вычислительных машин). Исследование возможностей реализации сложных

логических

функций

с

помощью

основных

логических

элементов,

выполненных на интегральных схемах с потенциальным представлением информации. научиться строить схемы логических элементов и проводить их исследование Ход выполнения. Часть 1 1.

Преобразуйте

последовательно

логическую

функцию

см.

таблицу,

воспользовавшись логическим преобразователем. o

в таблицу истинности

o

в минимизированную логическую функцию

o

в логическую схему

2.

Подключите индикатор с выходом логической схемы.

3.

Подключите входы логической схемы к выходам генератора чисел

следующим образом: см. таблицу. 4.

Введите в генератор чисел 4-х символьное 16-тиричное число таким

образом, чтобы выход логической схемы принимал значение "1" каждую (см. таблицу) секунду.

Порядок выполнения •

Перенесите на рабочую область логический преобразователь из библиотеки

контрольно-измерительных приборов. Откройте окно логического преобразователя двойным щелчком левой клавиши мыши на компоненте, или выполнив команду "open", вызвав всплывающее меню. •

Введите логическую функцию и произведите необходимые преобразования

с помощью логического преобразователя. •

Перенесите на рабочую область индикатор из библиотеки индикаторных

устройств и произведите необходимые соединения. •

Перенесите на рабочую область генератор чисел и подключите входы

логической схемы к выходам генератора чисел необходимым образом. •

Откройте генератор чисел и введите 4-х символьное 16-тиричное число

соответствующее условию. •

Укажите конечный адрес генерации значений в генераторе чисел

соответствующий последнему значению "1" на выходе логической схемы. •

Выберите циклический метод генерации значений в окне генератора чисел.

•

Нажмите кнопку включения питания и заполните отчет.

Часть 2 Провести исследование логических элементов 2.

Изучить алгоритм работы логического преобразователя и логического

анализатора программы EWB и возможные режимы их работы 3.

Исследовать возможность синтезирования схемы с помощью Логического

преобразователя. Порядок выполнения задания: Ввести свой варианта таблицы истинности (переключательной функции (табл1)), где вместо а1; а2; а3; а4; а5; а6 подставить свои значения двоичного кода числа, определяемого 2-мя последними цифрами зачетки. Например 97-856, последние цифры 56 (10) = 111000 (2) следовательно: а1=0; а2=0; а3=0; а4=1; а5=1; а5=1 Табл.1 Х4

Х3

Х2

Х1

Y

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

0

а1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

а2

0

1

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

а3

1

0

0

1

а4

1

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

0

1

1

1

1

1

0

а5

1

1

1

1

а6

3. Содержание отчета Отчет выполняется в текстовом редакторе Word. 1.

Логическая функция.

2.

Значение таблицы истинности на выходе логического преобразователя.

3.

Минимизированная логическая функция.

4.

Логическая схема.

5.

Число, при котором выход лочической схемы принимает значение "1".

Лабораторная работа № 3. Ознакомление с моделированием цифровых устройств: регистры. 6 ч. Цель работы: Ознакомление c возможностями моделирования работы триггеров. Исследование работы схем триггеров различных типов, временных диаграмм работы триггеров Задание на выполнение лабораторной работы.

схем

исследование

2.1. Исследование асинхронных и синхронных R-S триггеров. 2.1.1 Простейшие схемы асинхронных R-S триггеров составить с использованием логических элементов "И-НЕ", "ИЛИ-НЕ". 2.1.2 Для построения синхронного R-S триггера необходимо добавить логические схемы

"И-НЕ" для анализа синхросигнала и добавить источник синхросигнала. В

качестве синхросигнала можно взять 5-вольтовый источник и переключатель. 2.1.3.Составить модель двухступенчатого синхронного R-S (M-S типа) триггера с задержками. 2.2 Исследование работы D-триггера. 2.2.1. Собрать схему, моделирующую работу D-триггера из библиотечного набора EWB 2.3 Исследование работы универсального J-K триггера. 2.3.1 Использовать два вида библиотечных J-K триггеров. Составить временную диаграмму работы J-K триггера. 2.3.2. Собрать схему J-K триггера с задержкой (типа M-S) на элементах "И-НЕ". Синхросигнал реализовать от 5-вольтового источника и управлять с назначенной клавиши. Составить таблицу переходов, временную диаграмму и особенности работы данной схемы триггера Исследование работы асинхронного R-S триггера. С помощью логических элементов "И-НЕ" собрать триггер Определить соответствие прямого выхода Q и входов R и S на собранной схеме. 3. Исследование работы синхронного R-S триггера Для подачи сигналов синхроимпульсов необходимо собрать специальную схему. В качестве источника синхроимпульсов использовать сигнал (обозначение С2) с прямого выхода J-K триггера. 4. Исследование работы универсального J-K-триггера -

в режиме асинхронного R-S-триггера с инверсными входами;

-

в режиме синхронного R-S-триггера с задержкой. На вход триггера "С"

подавать сигнал С2;

-

в режиме синхронного D-триггера с задержкой. На вход "С" подавать

сигнал С2, на вход D - с тумблера; -

в режиме асинхронного Т-триггера с задержкой. На вход подавать сигнал

С2; 5. Исследование синхронного D-триггера без задержки. -

в режиме асинхронного R-S-триггера с инверсными входами;

-

в режиме синхронного D-триггера без задержки. На вход С подавать сигнал

С2, на вход D – с тумблера. Содержание отчёта. 1. Схемы, моделирующие работу триггеров по всем пунктам задания и обозначения триггеров 2. Временные диаграммы, поясняющие работу триггеров. 3. Таблицы переходов для каждой моделируемой схемы триггера. Лабораторная работа № 4. Ознакомление с моделированием цифровых устройств: полусумматор, сумматор. 6 ч. Цель работы: Ознакомление c возможностями моделирования работы схем сумматоров. Исследование сумматоров, универсального сумматора - вычитателя, инкременторов и декременторов. 2. Задание на выполнение лабораторной работы. 2.1. Исследовать работу одноразрядного полусумматора по таблице истинности: a

b

p

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Собрать одноразрядный полусумматор на элементах "ИЛИ-исключающее" и "И". Повторить исследование, используя библиотечный полусумматор: 2.2 Исследовать работу полного одноразрядного сумматора по таблице истинности:

a

b

p

P

S

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

Собрать схему полного сумматора из двух полусумматоров, собранных в п. 2.1. Повторить исследование с библиотечным полным сумматором. 2.3. Собрать четырёхразрядный параллельный сумматор и исследовать его работу. 2.4. Собрать четырёхразрядный параллельный сумматор и исследовать его работу для вычитания чисел. Для этого организовать подачу разрядов слагаемого в обратном коде. И организовать цепь кругового переноса с выхода сумматора старшего разряда на вход младшего разряда. 2.5. Проанализировать работу универсального сумматора-вычитателя. Объяснить назначение логических элементов "исключающее ИЛИ". 3. Порядок выполнения . 3.2.1. Проверить работу сумматора при сложении и вычитании нескольких пар четырёхразрядных чисел. 3.2.2.

Собрать

трёхразрядную

схему

инкрементора

и

декрементора.

Продемонстрировать работу собранных схем. На выходе инкрементора подаваемое число должно увеличиться на единицу. 4. Содержание отчета. 4.1. Схемы сумматоров, собранные на лабораторной работе. 4.2. Пояснения к работе универсального сумматор-вычитателя.

КОНТРОЛЬНО-САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ (ТЕМЫ И ФОРМЫ) Самостоятельная работа студента должна начинаться с изучения конспекта, соответствующих разделов рекомендуемой литературы и теоретической части лабораторных работ. Затем следует ответить на контрольные вопросы, предлагаемые для лучшего усвоения учебного материала. Программа по курсу „Основы микроэлектроники“ предусматривает различные виды самостоятельной работы студентов: -по образцу; -реконструктивно-вариативные; -частично-поисковые; -творческие. Первые два вида самостоятельной работы применяются на лабораторных занятиях, а так же предназначены для подготовки студентов к более высокому уровню учебной подготовки. Следующие два вида самостоятельной работы – это индивидуальные задания, курсовые работы, дипломное проектированное, а так же НИРС (подготовка докладов, статей, выступления на научно–практических конференциях). В процессе изучения курса предусмотрены следующие виды самостоятельной работы студентов над изучаемым материалом: - проработка и осмысление лекционного материала: изучить основные термины и понятия по конспекту лекций, - работа с учебниками и учебными пособиями, - подготовка к лабораторным занятиям по рекомендуемой литературе, - самостоятельная проработка тем и вопросов курса не полностью раскрытых в лекциях: изучить теоретическую часть к лабораторным работам 1, 2, 3.

Самостоятельная работа студентов может осуществляться в двух направлениях: это изучение теоретического материала по конспекту лекций и рекомендованным учебникам и учебным пособиям и изучение теоретической части лабораторных работ. Кроме рекомендованных учебников и учебных пособий можно использовать для подготовки к занятиям и другую дополнительную литературу: справочники, словари, брошюры для радиолюбителей, специальные научно-популярные периодические журналы и т. д. Кроме того, при всех формах самостоятельной работы студент может получить конкретную помощь при изучении тех или иных вопросов у преподавателя на консультации. При этом помощь, полученная на консультации, будет тем значительнее, чем лучше студент определил для себя объём необходимой конкретной помощи. Таким образом, самостоятельная работа студента наряду с лекционным материалом и лабораторными занятиями позволяет более глубоко усвоить и закрепить изучаемый материал курса. Лабораторные

работы

после

их

выполнения

необходимо

защитить

преподавателю. Защита осуществляется в виде собеседования. Вопросы к защите лабораторных работ: к лабораторной работе №1 1) какой командой можно восстановить схему в ее первоначальном виде после внесения изменений? 2) каким образом можно получить твердую копию (на принтере) схемы и список ее составляющих компонентов? 3) какой командой можно скопировать изображение схемы в отчет по лабораторной работе (в текстовый редактор Word)? 4) какими командами можно заменить графическое изображение компонентов (например, конденсатора переменной емкости)? 5) что из себя представляет подсхема и как ее создать? 6) какими командами можно изменить цвет проводника и для чего это нужно? 7) Какой командой можно удалить из схемы обозначения номинальных значений компонентов или их тип?

8) каким образом можно масштабировать размеры изображения схемы? 9) как на схеме отображаются контрольные точки, для чего они нужны и в каких случаях из нужно знать? 10)

какая команда используется для установки параметров моделирования

общего характера? 11)

какая команда используется для задания параметров расчета частотных

характеристик? 12)

какая команда задает параметры контрольно-измерительным приборам?

13)

что означает моделирование схемы по постоянному току?

14)

какой командой можно провести анализ модели в частотной области, и

какие характеристики при этом можно получить? 15)

каким образом можно получить краткие сведения о модели конкретного

компонента? 16)

Какие логические элементы имеются в библиотеке EWB?

17)

Какие параметры являются настраиваемыми

генераторе прямоугольных

импульсов. 18)

Как производится соединение более двух входов или выходов между

собой? 19)

Какой командой можно скопировать изображение

схемы в отчёт по

лабораторной работе, подготавливаемой в текстовом редакторе WORD. 20)

С помощью каких элементов можно смоделировать подачу логической 1 и

логического 0? 21)

Каким образом подключаются в цепь амперметр и вольтметр?

22)

какому

значению

соответствует

задаваемое

на

лицевой

панели

функционального генератора выходное напряжение – амплитуде сигнала или его эффективному значению? Ответ проверьте измерением выходного напряжения осциллографом. 23)

каким образом можно получить разноцветные осциллограммы сигналов на

экране осциллографа и как их разнести по вертикали для удобства наблюдения? 24)

каким образом в генераторе слов задаются двоичные комбинации сигналов

и где находится младший и старший разряды?

25)

Для каких целей в логическом анализаторе используется режим запуска по

заданной двоичной комбинации контролируемых с его помощью сигналов? 26)

какое количество амперметров и вольтметров можно использовать в

моделируемой схеме. 27)

какие коммутационные устройства Вы знаете, где они применяются?

28)

перечислите основные характеристики коммутационных устройств

К лабораторной работе №2 Выполняется домашнее задание по вариантам К лабораторной работе №3 Назначения входа и выхода переноса в полных сумматорах. Как выполняется операция вычитания с использованием сумматоров? Поясните на примерах принцип работы сумматора дополнительного кода и обратного кода. Какие

технические решения

позволяют

ускорить работу комбинационных

сумматоров? Текущая тематическая проверка знаний и умений студентов Выполнение самостоятельных заданий по темам: Письменные работы студента должны быть сданы преподавателю для контроля не позднее апреля – в весеннем семестре. Используя различные источники информации, классифицировать и представить информацию в виде документа Word, содержащего рисунки, схемы, таблицы, приложение-презентацию в программе Power Point по одной из перечисленных тем. Содержание работы должно раскрывать актуальность темы исследования и ее практическую значимость. Важную роль в оценке работы играет ее методическая композиционность,

взаимосочетание

и

взаимосвязь

целей,

приложений. Работа должна быть информационно насыщенной.

задач,

содержания,

ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №2 Математическая логика, СДНФ, СКНФ, упрощение, схемы. 1. Постройте таблицы истинности для логических формул и упростите формулы, используя законы алгебры логики: 1.

4.

2.

5.

3.

6.

7. 8. 9. 2. Найдите функции, упростите их и постройте таблицу истинности следующих переключательных схем:

1)

2)

3)

4)

5)

6)

8)

9) 7)

3. Упростите функции проводимости и постройте логические схемы и таблицы истинности, соответствующие упрощенным функциям: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

7. 8.

4. Построить СДНФ, СКНФ, упростить, построить логическую и переключательную схему (на транзисторах)

x

y

z

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Ответы 1.

а) a v c; б)

; в)

; г) a v c; д) a•(c v b•d); е)

; ж)

; з) ; и) a•(b v c•d); к)

2. 3.

Упрощенные функции:

Текущий контроль. Сдача выполненных лабораторных работ на ПЭВМ (6 семестр). Проверка домашних заданий.

КОНТРОЛЬ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Модуль

1.

Физические

основы

полупроводниковой

микроэлектроники, физические явления и процессы в полупроводниковых структурах 1. роль микроэлектроники в современном обществе (основные понятия) 2. технологии изготовления транзисторных элементов 3. интегральные схемы: исторический обзор 4. перечислите три главных аспекта развития микроэлектроники и покажите связь между ними 5. основные понятия зонной теории полупроводников 6. эмиссия электронов 7. свойства полупроводников 8. примесные полупроводники 9. диод: структура, принцип работы 10. электронно-дырочные переходы; пробои 11. разновидности диодов: виды, назначение, применение 12. светодиод: принцип работы, сферы применения Модуль 3. Принципы построения микроэлектронных приборов и устройств, цифровая и аналоговая микроэлектроника: узлы, блоки, устройства. 1. Транзистор определение, дата изобретения 2. Какой кристалл используется при конструировании транзистора 3. Эмиттер – определение 4. Коллектор – определение 5. База – определение 6. Обозначения биполярного транзистора 7. Принцип действия биполярного транзистора 8. Схемы включения транзистора: ОЭ (схемы, пояснения) 2

9. Схемы включения транзистора: ОК (схемы, пояснения) 10. Схемы включения транзистора: ОБ (схемы, пояснения) 11. Принцип действия полевого транзистора 12. Обозначения полевого транзистора 13. Определение регистра 14. Применение регистров 15. Последовательный регистр – схема обозначения входов и выходов 16. Регистр сдвига – определение, назначение, использование 17. Схема регистра сдвига, пояснение 18. Параллельный регистр – назначение, 19. Схема параллельного регистра, пояснение 20. Кольцевые счетчики – схема, пояснения 21. Виды регистров 22. Классификация

сумматоров

по

количеству

одновременно

обрабатываемых разрядов складываемых чисел 23. Классификация

сумматоров

по

числу

входов

и

выходов

одноразрядных двоичных сумматоров 24. Классификация

сумматоров

по

количеству

одновременно

обрабатываемых разрядов складываемых чисел 25. Классификация сумматоров по способу организации межразрядных переносов параллельных сумматоров 26. Классификация сумматоров по способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядных сумматоров 27. Классификация

сумматоров

по

способу

выполнения

операции

сложения и возможности сохранения результата сложения 28. параметры сумматоров - перечислить 29. Четверть сумматор таблица истинности, обозначение, логическое выражение 30. Базис И-НЕ, ИЛИ-НЕ, выражения и схемы 3

31. Полусумматор

таблица

истинности,

обозначение,

логическое

выражение 32. Полный одноразрядный двоичный сумматор таблица истинности, обозначение, логическое выражение 33. Базис И, ИЛИ схемы 34. Параллельный сумматор обозначение, пояснения 35. Последовательный сумматор обозначение, пояснение Семестровый контроль (6 семестр – экзамен) ТЕМАТИКА И ПРОБЛЕМАТИКА КОНТРОЛЬНОСАМОСТОЯТЕЛЬНЫХ РАБОТ И РЕФЕРАТОВ 1.

Технологические основы полупроводниковой микроэлектроники.

2.

Испытания интегральных микросхем.

3.

Качество интегральных микросхем.

4.

Сравнительные характеристики микропроцессоров современных

компьютеров. 5.

Основы реализации оперативных запоминающих устройств

6.

Основы реализации долговременных запоминающих устройств.

7.

Проектирование

систем

логического

управления

микропроцессорных средствах

ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ РАБОТ Выполнение курсовых работ программой не предусмотрено

4

на

ТРЕБОВАНИЯ К ИТОГОВОМУ КОНТРОЛЮ Студенты обучающихся

дневного по

системе

и

вечернего

«бакалавриат»)

отделений обязаны

(кроме до

студентов,

конца

ноября

предоставить преподавателю реферат или эссе по выбранной теме. В конце семестра проводится итоговый экзамен для контроля уровня освоения курса. Зачет проходит в форме устного ответа на 2 вопроса билета (один – общетеоретический, второй – практический). Рекомендации по использованию информационных технологий. Осуществление компьютерного обучения на базе новых информационных технологий является одним из важных направлений совершенствования профессиональной подготовки будущих педагогов. Информационные технологии, которые используются при изучении курса „Основы микроэлектроники“, включают программированное обучение и тестирование. Обучающая программа по курсу представляет собой электронную версию лекций, читаемых при изучении предмета. Проведение практических занятий в компьютерных классах позволяет оптимально сочетать такие формы контроля знаний, как общие, групповые и индивидуальные. Изучение разделов курса с помощью компьютерной техники позволяет строить учебный процесс в соответствии с такими современными тенденциями развития образования, как усиление роли самостоятельной работы студентов, смещение акцента с преподавания на обучение (преподаватель приобретает статус консультанта), чем обеспечивается направленность на развитие самообразовательной деятельности будущих специалистов. Тестовый контроль, предусмотренный в каждой обучающей программе, обеспечивает систематическую обратную связь, а так же позволяет 5

преподавателю своевременно проводить учебные мероприятия по коррекции усвоения знаний. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ Учебной программой предусмотрена оценка знаний студента в форме проведения экзамена. Для получения оценки «удовлетворительно» студент должен: • знать основные термины и уметь оперировать ими при ответе на вопросы экзаменационного билета; • уметь изложить основной учебный материал экзаменационного билета в форме структурной схемы. Для получения оценки «хорошо» студент должен: • знать материал экзаменационного билета на оценку «удовлетворительно», а так же: • продемонстрировать глубокое знание материала экзаменационного билета на понятийном уровне; • уметь истолковать формулы и численные соотношения, встречающиеся в вопросах экзаменационного билета. Для получения оценки «отлично» студент должен: • знать материал экзаменационного билета на оценку «хорошо», а так же: • уметь правильно ответить на дополнительные вопросы, касающиеся учебного материала всего изучаемого курса; • использовать при ответе научную терминологию. Если при ответе на вопросы экзаменационного билета студент не знает основных терминов микроэлектроники и не владеет её базовыми понятиями, то ему не может быть выставлена положительная оценка и экзамен подлежит пересдаче в установленном порядке.

6

СПИСОК ВОПРОСОВ К ЭКЗАМЕНУ Первые вопросы 1. Роль микроэлектроники в современном обществе (основные понятия) 2. Интегральные схемы: исторический обзор, технологии изготовления транзисторных элементов 3. Основные аспекты развития микроэлектроники и покажите связь между ними 4. Основные

понятия

зонной

теории

полупроводников:

эмиссия

электронов, свойства полупроводников, примесные полупроводники 5. Диод: структура, принцип работы, электронно-дырочные переходы; пробои 6. Разновидности диодов: виды, назначение, применение 7. Светодиод: принцип работы, сферы применения 8. Транзистор: определение, виды (биполярные, полевые, способы включения транзисторов 9. Преобразования

логических

формул:

упрощение,

приоритет

логических операций. 10. Логические операции: название, обозначение, таблица истинности, обозначения логических элементов, арифметическая модель. Умножение, следование. 11. Логические операции: название, обозначение, таблица истинности, обозначения

логических

элементов,

арифметическая

модель.

Сложение

(строгое и нестрогое), равенство 12. Логические операции: название, обозначение, таблица истинности, обозначения логических элементов, арифметическая модель. Отрицание, следование. 13. Дизъюнктивная нормальная форма: определение, алгоритм 14. Конъюнктивно нормальная форма: определение, алгоритм 15. Законы логики, доказательство. Переместительный, де Моргана 7

16. Законы логики, доказательство. Сочетательный, идемпотенции 17. Законы логики, доказательство. Распределительный, поглощения 18. Законы логики, доказательство. Склеивания, операции с константами 19. Законы логики, доказательство. Переменной с ее инверсией, двойного отрицания 20. Математическая логика: определения: алгебра логики, высказывания, .логическая функция, таблица истинности, область определения логической функции Вторые вопросы 21. Интегральные микросхемы: определение – интегральная схема, элемент интегральной схемы, компонент интегральной схемы 22. Интегральные микросхемы: цифровая и аналоговая интегральная микросхема 23. Интегральные

микросхемы:

элементы

конструкции

микросхем:

микросхемы:

элементы

конструкции

микросхем:

корпус, подложка, плата. 24. Интегральные

полупроводниковая пластина, кристалл, базовый матричный кристалл 25. Интегральные

микросхемы:

элементы

конструкции

микросхем:

контактная площадка, бескорпусная интегральная микросхема, вывод 26. Интегральные микросхемы: конструктивно-технологические группы интегральных микросхем: полупроводниковые, пленочные, гибридные 27. Интегральные микросхемы: основные характеристики интегральных микросхем: степень интеграции, 28. Интегральные микросхемы: основные характеристики интегральных микросхем: число логических элементов 29. Интегральные

микросхемы:

система

условных

обозначений

микросхем 30. Триггеры: определение, принципиальная схема, принцип работы 8

31. RS-триггер: схема, принцип работы, сфера применения 32. Т-триггер: обозначение, принцип работы, сфера применения 33. JK-триггер: схема, отличия от RS-триггера, сфера применения. 34. Регистры: определение, применение, состав, виды. 35. Сумматор:

определение.

Одноразрядный

двоичный

сумматор:

обозначение, схема, таблица истинности, получение логического выражения 36. Полный сумматор: условное обозначение, таблица истинности, алгоритм получения логического выражения, логическая схема СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ I. Основная литература Основные учебники 1.

Гапонов В.И. "Электроника" Часть 1 Физматгиз М. 1960

2.

Гапонов В.И. "Электроника" Часть 2 Физматгиз М. 1960

3.

Степаненко И.П. "Основы микроэлектроники" Сов. радио М. 1980

4.

Степаненко И.П. "Основы теории транзисторов и транзисторных

схем" Энергия. М. 1977 5.

Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Коледов Л.А. "Физические

основы функционирования изделий микроэлектроники" Микроэлектроника. Высшая школа, М., 1987 6.

Пасынков В.В.,Чиркин Л.К.,Шинков А.П., "Полупроводниковые

приборы" Высшая школа, М., 1981 7.

Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. "Полупроводниковые

приборы" Энергоатомиздат, М., 1990 Учебные пособия 1.

Гапонов В.И., Ашбель И.Я. "Электроника полупроводниковых

приборов" Учебное пособие. ГГУ, Горький, 1983 2.

Гапонов В.И. "Конспект лекций по электронике", Учебное пособие,

Выпуск первый, ГГУ, Горький, 1973. Лабораторные работы 9

II. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА Популярная литература 1.

Левинштейн М.Е., Симин Г.С. "Знакомство с полупроводником"

Библиотека. Квант. Выпуск 33. Наука М. 1984 2.

Левинштейн М.Е. Симин Г.С. "Барьеры" Библиотека. Квант.

Выпуск 65. Наука М. 1987 3.

Солимар Л., Уолш Д. "Лекции по электрическим свойствам

материалов" М. Мир, 1991 Вспомогательные учебники 1.

Маллер Р., Крейминс Т. "Элементы интегральных схем"

2.

Ржевкин

К.С.

"Физические

принципы

действия

полупроводниковых приборов" МГУ, М., 1986 3.

Ефимов Е.И., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. "Микроэлектроника.

Физические и технологические основы. Надежность." Высшая школа, М., 1986 4.

Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. "Микроэлектроника.

Проектирование,

виды

микросхем,

функциональная

микроэлектроника.

Высшая школа, М., 1987 5.

Росадо Л. "Физическая электроника и микроэлектроника" М.

Высшая школа, 1991

10