Электроника интегральных схем. Лабораторные работы и упражнения


ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ» МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ







ЭЛЕКТРОНИКА
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ



Лабораторные работы и упражнения




Под редакцией доктора технических наук К. О. Петросянца










Москва

СОЛОН-Пресс
2020

ББК 31.27-02
УДК 621.382
   П 29


Авторы:
К. О. Петросянц, П. А. Козынко, Н. И. Рябов, Л. М. Самбурский, И. А. Харитонов

Под редакцией д-ра техн. наук, проф. К. О. Петросянца

Рецензенты:
М. А. Королёв - д-р техн. наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники»;
В.С. Першенков - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой микроэлектроники Национального исследовательского ядерного универстита «Московский инженерно-физический институт».



П29       Электроника интегральных схем. Лабораторные работы
     и упражнения. Учебное пособие под редакцией д-ра техн. наук
     К. О. Петросянца. - М: СОЛОН-Пресс, 2020. - 556 с.

     Рассмотрены принципы работы и электрические характеристики биполярных и МОП-транзисторов интегральных схем, базовых элементов цифровой и аналоговой схемотехники, БМК и ПЛМ, микроконтроллеров и микропроцессоров. Описаны методики выполнения лабораторных, расчетных на ЭВМ, курсовых, самостоятельных и др. работ. Пособие предназначено для бакалавров и магистров различных специальностей, изучающих электронику, микроэлектронику и схемотехнику; отдельные разделы могут быть полезными для аспирантов и инженеров-практиков.
УДК 621.382



ISBN 978-5-91359-213-2


© СОЛОН-Пресс, 2020
© Петросянц К. О., 2020

                ОГЛАВЛЕНИЕ





Предисловие                                                    5
Глава I. Полупроводниковые приборы                             9
  1.1. Изучение статических характеристик биполярного транзистора и определение основных параметров его модели для расчёта схем.........................................................9
  1.2. Определение параметров моделей биполярных транзисторов..34
  1.3. Изучение статических характеристик МОП-транзистора и определение основных параметров его модели для расчёта схем........................................................59
  1.4. Определение параметров моделей МОП транзисторов........81
Глава II. Аналоговые электронные схемы                       101
  2.1. Усилитель с общим эмиттером...........................101
  2.2. Электронные устройства на операционных усилителях.....119
  2.3. Изучение диодного и транзисторного стабилизаторов напряжения . 158
  2.4. Изучение схемы генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).....................................................166
  2.5. Проектирование аналоговой схемы на основе БМК «ФАРХАД-2».............................................174
Глава III. Цифровые электронные схемы                        190
  3.1. Изучение схемы ключа на биполярном транзисторе........190
  3.2. Изучение статических и динамических характеристик транзисторно-транзисторных логических интегральных схем (ТТЛ).................................................206
  3.3. Изучение статических и динамических характеристик логических интегральных схем на комплементарных
        МОП-транзисторах (КМОП)................................226

Оглавление
  3.4. Моделирование логических вентилей.....................244
  3.5. Моделирование работы триггеров........................270
  3.6. Моделирование работы регистров и счётчиков............287
  3.7. Моделирование работы ОЗУ..............................305
  3.8. Моделирование работы АЛУ..............................338
  3.9. Проектирование логической схемы на основе БМК «МЕЛИССА».. 359
Глава IV. Микроконтроллеры                                    396
  4.1. Краткие теоретические сведения........................396
  4.2. Изучение архитектуры микроконтроллера MC68HC908QT4.....419
  4.3. Блок АЦП микроконтроллера MC68HC908QT4................425
4.4. Модуль времени и порты ввода/вывода микроконтроллера MC68HC908QT4................................................429
Глава V. Тестирование цифровых устройств. Язык описания аппаратуры VHDL                                              435
  5.1. Логическое моделирование и разработка тестов для цифровых устройств..................................................435
  5.2. Язык описания аппаратуры VHDL.........................466
  5.3. Разработка модели калькулятора на ПЛМ Xilinx..........532

ПРЕДИСЛОВИЕ



     За прошедшее десятилетие опубликовано достаточное количество отечественной и переведенной на русский язык зарубежной учебной литературы, посвящённой микроэлектронным полупроводниковым приборам и схемам. Описаны их типовые конструкции, принцип работы, характеристики и области применения. Однако, практические вопросы измерения и исследования характеристик полупроводниковых приборов и схем, определения параметров их моделей для схемотехнического проектирования, верификации и тестирования, являющиеся ключевыми для разработчиков электронной аппаратуры, рассмотрены недостаточно.
     Этот пробел в значительной степени устранён в настоящем учебнометодическом пособии-практикуме «Электроника интегральных схем. Лабораторные работы и упражнения».
     Достоинством практикума является то, что он ориентирован на все уровни обучающихся: бакалавров, специалистов, магистрантов, аспирантов, а также может быть полезен практическим инженерам, повышающим свою квалификацию.
     Практикум состоит из пяти глав.
     Первая глава посвящена основным приборам современных полупроводниковых интегральных схем: биполярным и МОП-транзисторам. Кратко объясняется принцип их работы, описываются базовые физические структуры и конструкции, электрические характеристики и параметры. Основное внимание уделено вопросам выполнения лабораторных и др. практических работ по измерению и исследованию характеристик и параметров транзисторов с помощью современного измерительного оборудования. Впервые для отечественных вузов, ведущих подготовку инженеров-электронщиков, по настоятельному требованию предприятий-работодателей в практикум были добавлены два чрезвычайно важных нововведения: 1. Определение (экстракция) SPICE-параметров моделей транзисторов из результатов измерения их характеристик; 2. Приобретение практических навыков работы не только с традиционными кремниевыми биполярными и МОП-транзисто

Предисловие

рами, но и с их наиболее перспективными разновидностями на основе кремний-германия и структур «кремний на изоляторе». В результате, за прошедшее десятилетие удалось подготовить поколение инженеров с резко возросшим уровнем теоретической и практической подготовки в области разработки и проектирования интегральных схем. Разработанная методика подготовки даёт хорошие результаты и весьма востребована по настоящее время.
      Вторая и третья главы посвящены практическому исследованию режимов работы и основных характеристик и параметров типовых аналоговых и цифровых фрагментов современных биполярных и КМОП-интегральных схем. Преимуществом данных глав, по сравнению с материалами, изложенными в методических пособиях других вузов, является наличие разделов, посвящённых практическим аспектам проектирования аналоговых (Глава 2) и цифровых (Глава 3) устройств на основе отечественных базовых матричных кристаллов (БМК). В начале 2000-х годов и по настоящее время этот подход был и остаётся перспективным направлением разработки электронной аппаратуры и, как следствие, широко используется предприятиями. Следует отметить, что сегодня создание электронной аппаратуры на основе отечественных БМК является одним из элементов стратегии импортозамещения в российской электронике. Настоящий практикум призван явиться важной вехой в системе подготовки инженерных кадров для решения этой задачи.
      В четвёртой главе представлен комплекс лабораторных работ по изучению характеристик и приобретению практических навыков работы с БИС микроконтроллеров, которые получили очень широкое распространение в современной аппаратуре, предназначенной для измерения, контроля, управления объектами различного назначения.
      Пятая глава посвящена чрезвычайно важному вопросу - тестированию цифровых микросхем. Именно результаты верификации и тестирования в конечном итоге определяют работоспособность микросхем и их пригодность для практического использования в аппаратуре. В отечественных вузовских практикумах по приборам и интегральным схемам этот вопрос ранее не рассматривался. Включение его в практикум было продиктовано настоятельными требованиями промышленности. В процессе выполнения лабораторных и курсовых работ студенты изучают модели логических элементов и цифровых устройств, виды неисправностей, алгоритмы тестирования, а также при

Предисловие                                                       7

обретают практические навыки построения тестов, оценки их полноты, поиска неисправностей с помощью логического моделирования и средств САПР. В этой же главе приведён комплекс лабораторных работ по изучению и освоению языка описания аппаратуры VHDL. Приведены методические указания по разработке моделей цифровых устройств на программируемых логических матрицах (ПЛМ) фирмы Xilinx - мирового лидера в этом виде электронных компонентов. Как финишный этап приведена лабораторная работа «Построение модели калькулятора на языке VHDL на элементной базе ПЛМ Xilinx». Таким образом, студенты и практические инженеры приобретают навыки построения сложной аппаратуры на основе цифровых микросхем различных видов и конструктивного воплощения.
     Материал, представленный в практикуме, был использован авторами в МИЭМ с 2005 по 2012 г.г. и в МИЭМ НИУ ВШЭ с 2012 по 2016 г.г. в процессе преподавания следующих дисциплин: электроника (на русском и английском языках), микросхемотехника, проектирование цифровых устройств, элементная база персональных ЭВМ и компьютерное моделирование устройств микроэлектроники и ряда других электронных дисциплин для обучения студентов по направлениям подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника», 210000 «Электроника, радиоэлектроника и связь», 230100 «Информатика и вычислительная техника», а также ряда смежных направлений: 100501 «Компьютерная безопасность», 200501 «Метрология и метрологическое обеспечение», 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 220300 «САПР», 220201 «Управление и информатика в технических системах», 220501 «Управление качеством».
     Отдельные разделы и методики практикума использовались также для подготовки инженеров-электронщиков в ряде других российских технических университетов.
     Опираясь на десятилетний опыт использования учебно-методических наработок, изложенных в настоящем практикуме, для подготовки инженеров-электронщиков различного профиля, авторы могут заключить, что он оказался безусловно полезным по следующим причинам: во-первых, он удовлетворяет требованиям работодателей в части усиления практической подготовки выпускников с целью резкого сокращения сроков их адаптации на

Предисловие

будущем месте работы; во-вторых, соответствует тенденции российского и мирового технического образования в части увеличения доли практических и самостоятельных занятий; в-третьих, широко использует методы математического моделирования и САПР в сочетании с методами измерения и исследования характеристик полупроводниковых приборов и схем с помощью современных измерительных устройств и систем, что отвечает передовому мировому уровню подготовки специалистов в области электроники, микро- и наноэлектроники, а также связанных с ними смежных областей.
     Распределение авторского участия при написании пособия сложилось следующим образом. Главы 1 - 3 написаны совместно Петросянцем К. О., Рябовым Н. И., Самбурским Л. М., Харитоновым И. А.; глава 4 написана Рябовым Н. И.; глава 5 написана Козынко П. А. Общее редактирование пособия выполнено д. т. н., проф. Петросянцем К. О.
     Авторы признательны сотрудникам кафедры «Электроники и наноэлектроники» МИЭМ, принимавшим участие в подготовке и написании материалов для пособия: Гоманиловой Н. Б. (§5.1), Торговникову Р. А. (§§1.2, 2.5), Стародубову А. Ю (§§3.4-3.7), | Ушакову В. Н. | (§2.2).
     Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам учебного пособия: проф., д.т.н. Королеву М. А. (НИУ МИЭТ) и проф., д. т. н. Першенко-ву В.С. (НИЯУ МИФИ) за высказанные замечания, которые были учтены в окончательной редакции книги и способствовали улучшению её содержа

ния.

                ГЛАВА I.
                ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ




1.1. Изучение статических характеристик биполярного транзистора и определение основных параметров его модели для расчёта схем

Лабораторная работа


        1.1.1. Цели работы

• Экспериментальное исследование входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора;
• Приобретение навыков измерения характеристик биполярных транзисторов и определения основных параметров схемотехнической модели Гуммеля-Пуна транзистора по результатам измерения его ВАХ;
• Приобретение навыков расчёта схем и моделирования характеристик транзисторов с помощью программы схемотехнического анализа SPICE.

        1.1.2. Краткие теоретические сведения.
        Структура транзистора и принцип его работы

    Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. Полупроводниковый кристалл такого транзистора состоит из трех различных областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два p-n перехода, расположенные в непосредственной близости один от другого. В зависимости от порядка расположения трёх областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис. 1, а, б.

Глава I. Полупроводниковые приборы

Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области -соответственно, эмиттером (Э) и коллектором (К). P-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором и базой - коллекторным. Часть поверхностей эмиттера, базы и коллектора покрывают металлическими пленками. К этим пленкам приваривают или припаивают выводы, с помощью которых на переходы транзистора подается внешнее напряжение.
      На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Прямым считается такое напряжение на переходе, при котором происходит инжекция носителей в переходе («+» на р-области, «-» на n-области). Соответственно различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки - на оба перехода поданы обратные напряжения; режим двойной инжекции - на оба перехода поданы прямые напряжения; нормальный активный режим - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный обратное; инверсный активный режим - на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный прямое.


Рис. 1. Структуры и схемное обозначение npn (а) и pnp (б) транзисторов

     В режиме отсечки через оба перехода протекают незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю.
     В режиме двойной инжекции (иногда называемого режимом насыщения) через оба перехода одновременно инжектируются носители в базу и со-

Глава I. Полупроводниковые приборы                                   11
бираются носители, дошедшие с противоположной стороны. В этом режиме между коллектором и эмиттером сохраняется лишь остаточное напряжение порядка 0,1—0,3 В, а токи выводов определяются только внешними цепями.
      В активном режиме работы транзистора наблюдается более сложная картина. В этом случае источник питания Ебэ подключен к эмиттерному переходу в прямом направлении («минус» на эмиттере), и через эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток (рис. 2).


Рис. 2. Процессы в биполярном транзисторе в нормальном активном режиме работы

     При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны, а из базы в эмиттер — дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов намного больше потока дырок, и именно он определяет основные процессы, происходящие в транзисторе. Из-за разности концентраций (в бездрейфовых транзисторах) и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся к коллектору, стремясь равномерно распределиться по всему объёму базы. Так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратносмещённого перехода (источник питания Ебк подключён минусом к базе). А так как они являются в базе неосновными носителями, то происходит переброс электронов через коллекторный переход в область коллектора (их экстракция). В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Дрейф электронов через коллек-

Глава I. Полупроводниковые приборы

торный переход снижает их концентрацию в той части области базы, которая расположена непосредственно около коллекторного перехода, что создает направленную диффузию инжектируемого эмиттером потока электронов. Всё это приводит к тому, что большинство электронов, инжектированных эмиттером в базу, попадает в область коллектора, но всё-таки небольшая часть их успевает рекомбинировать в области базы. Поэтому коллекторный ток Ik всегда оказывается меньше эмиттерного Iэ, а рекомбинация электронов вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы Iб.
      При количественном анализе процессов, происходящих в биполярном транзисторе, работающем в активном режиме, прежде всего вводят коэффициент передачи эмиттерного тока аn, под которым понимают отношение коллекторного тока к эмиттерному
аn = Iк / Iэ.                         (1)
      Выражение для полного тока коллектора, который является суммой тока, переданного из эмиттера, и обратного тока коллектора, имеет вид
Iк = аnIэ - Iкбо [ exp (Uк /фт) - 1].            (2)
      На практике вместо (2) часто пользуются более простым, приближенным выражением. Учитывая, что для биполярных транзисторов рабочим является участок, где (Uк / фт) « 1, обратный ток коллекторного перехода практически постоянен и равен Iко, а (2) записывают так
Iк = аn Iэ + Iкбо.                       (3)
      Между всеми токами биполярного транзистора существует очевидное соотношение (в соответствии с законом Кирхгофа)
Iэ = Iк + Iб.                         (4)
      Выражая ток коллектора через ток базы, из (3) и (4) нетрудно получить полный ток коллектора:
Iк = [аn / (1 - аn)] Iб + [1 / (1 - аn)] Iкбо =

= Р NIБ + (РN + 1) IКБО = Р NIБ + IКэ0,

(5)