В. Стешенко

Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств: чему, как и зачем учить будущих разработчиков устройств обработки сигналов

Данная статья планировалась автором довольно давно. Как ни странно, в наш бурный век "пара и электричества" преподавание основ проектирования микроэлектронных устройств оста╦тся неизменным в течении последних 20 лет.

Последнее десятилетие можно назвать десятилетием коренных изменений в элементной базе устройств обработки сигналов. Действительно, в 1990√1991 годах реально существовали 2√5 наименований цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), простейшие ПЛИС типа PAL и GAL, небольшая номенклатура АЦП, классические операционные усилители (ОУ). Сегодня по каждой из упомянутых позиций существуют десятки предложений, стоимость компонентов упала на порядок (а то и два), появились многие принципиально новые классы устройств. За последние годы произошли действительно революционные изменения, такие как:

• появление высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров, как с фиксированной, так и с плавающей точкой;
• появление ПЛИС ╦мкостью до 106 и более вентилей;
• появление современных ОУ с широкой полосой пропускания в сотни МГц; rail-to-rail, напряжением питания до 1,8 В и т.п.;
• появление АЦП с быстродействием более 100 МГц и разрядностью 10√12 бит;
• появление принципиально новых компонентов - цифровых квадратурных преобразователей с понижением частоты, чипсетов для цифровых радиопри╦мных устройств, БИС интерфейсов, программируемых аналоговых интегральных схем и т.п.;
• появление недорогих массовых микроконтроллеров, позволяющих легко реализовать функции управления и интерфейса системы;
• широкое распространение поверхностного монтажа и технологий межсоединений с высокой плотностью;
• широкое применение средств САПР электронной аппаратуры (EDA - Electronic Design Automotion), включающих в себя как средства проектирования печатных плат, так и средства моделирования и проектирования аналоговых и цифровых устройств, средства разработки микропроцессоров и так далее;
• появление идеологии разработки "система-на-кристалле" (System on chip - SOC).

Этот список можно продолжить, но тем более будет заметна одна из примет десятилетия - отставание в области подготовки специалистов от потребностей реального (действительно существующего и небезуспешно функционирующего) сектора нашей многострадальной экономики. Как показывает практика, курсы схемотехнического проектирования и конструирования аппаратуры обработки сигналов, читаемые в ВУЗах, практически не изменнились с середины 80-х годов. Та же картина наблюдается и в издании литературы. Если в области программирования можно считать информационный голод практически утол╦нным, то современной литературы по схемотехническому проектированию попросту НЕТ. Практически трудно назвать хотя бы один курс, изданный после 1993 года. Жалкие попытки переиздания Хоровица-Хилла [1] и издания "Практической электроники" П.Х. Джонса не спасают положения, - они являются переводами изданий конца 80-х годов, и в них отсутствуют материалы по применению новейших классов компонентов.

Книги российских авторов, вышедшие за последние 2√3 года, увы, похоже, просто провалялись на полках издательств несколько лет и теперь смотрятся явно опоздавшими с выходом в свет. Рука не поднимется винить авторов - отсутствие достойного финансирования издания учебной и научно-технической литературы приносит свои плоды - книги теряют актуальность, попросту отстают от реального положения дел.

Являясь преподавателем ВУЗа и действующим разработчиком аппаратуры на современной элементной базе, автор понимает, что спасение утопающих - дело рук самих утопающих, и соломинкой в данной ситуации может оказаться публикация в журналах схемотехнического профиля циклов статей, посвящ╦нных актуальным вопросам современной схемотехники. Примером такого цикла могут служить публикации журналом "Chip News" и другими периодическими изданиями нескольких циклов статей, посвящ╦нных вопросам освоения перспективного программного обеспечения и элементной базы. Однако вопросам обучения студентов и повышения квалификации специалистов до сих пор уделяется недостаточно внимания. Данная статья в определ╦нной мере является скромной попыткой восполнить методический голод, и автор надеется, что возможная дискуссия позволит выработать приемлемую для многих ВУЗов методику преподавания дисциплин схемотехнического профиля.

Выношу на обсуждение примерную учебную программу курса "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств", который уже более 15 лет в различных вариациях читается на кафедре СМ5 "Автономные информационные и управляющие системы МГТУ им. Н.Э.Баумана". В таблице привед╦н объ╦м учебной работы в часах.

Основной целью дисциплины является приобретение студентами знаний и навыков их использования в вопросах схемотехнического проектирования микроэлектронных устройств (СПМУ). Основная задача дисциплины - выработка у студентов системного подхода к решению задач схемотехнического проектирования микроэлектронных устройств, способности ориентироваться во вс╦м многообразии методов решения задачи проектирования, а также самостоятельно классифицировать устройства с целью выбора наименее трудо╦мкой и вместе с тем адекватной схемной реализации. Задачи дисциплины - формирование у студентов знаний и навыков по следующим направлениям деятельности:

• системный подход к СПМУ, формирование знаний и навыков разработки структурных, функциональных и принципиальных схем, расч╦та и оптимизации их параметров;
• обоснование технических требований к системам обработки информации и управления;
• расч╦т основных рабочих характеристик элементов и узлов микроэлектронных устройств;
• организация научного эксперимента по отработке и измерению основных параметров микроэлектронных устройств.

После изучения курса студент должен уметь:

• применять системный подход к схемотехническому проектированию АМТУУ, проводить разработку структурных, функциональных и принципиальных схем, расч╦т и оптимизацию их параметров;
• разрабатывать математические модели микроэлектронных устройств;
• выбирать элементную базу, пригодную для реализации заданных рабочих характеристик;
• обосновывать технические требования к разрабатываемому устройству;
• проводить научный эксперимент и обработку результатов экспериментов с целью исследования рабочих характеристик схем;
• использовать перспективную элементную базу для реализации устройств;
• применять системы автоматизированного проектирования в процессе разработки аппаратуры.

Студент должен знать:

• методы схемотехнического проектирования цифровых и аналоговых микроэлектронных устройств;
• методы конструирования модулей;
• методы разработки, программирования и отладки микропроцессорных устройств;
• методы выбора элементной базы;
• методы анализа и синтеза электронных систем;
• основы системного проектирования микроэлектронных устройств на базе принципа модульности как системы взаимосвязанных элементов с цифровым микропроцессорным (компьютерным) управлением;
• при╦мы компьютерного анализа и моделирования микроэлектронных устройств.

Для усвоения студентами материалов дисциплины "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" необходимо предварительное изучение следующих дисциплин:

• "Высшая математика";
• "Физика";
• "Основы конструирования приборов";
• "Управление в технических системах";
• "Теоретические основы электротехники";
• "Основы информационных технологий";
• "Радиотехнические цепи и сигналы";
• "Микроэлектроника".

Параллельно с изучением дисциплины "Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств" рекомендуется изучать также дисциплины:

• "Микросенсорные устройства информационных и управляющих систем";
• "Моделирование систем";
• "Оптимальная фильтрация и прогнозирование случайных процессов";
• "Основы конструирования";
• "Статистическая радиотехника".

После изучения дисциплины в дисциплинах по выбору целесообразно изучить вопросы, связанные с синтезом конкретных перспективных устройств, анализом и экспериментальным исследованием их рабочих характеристик, специальной технологией и испытаниями.

Содержание лекционного курса

• Введение - цель, проблематика и содержание курса.
• Технология производства интегральных схем.
• Характеристики компонентов аналоговых интегральных схем.
• Конфигурации аналоговых интегральных схем.
• Компараторы напряжения.
• Операционные усилители.
• Усовершенствованные усилители.
• Аналоговые мультиплексоры.
• Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.
• Схемы фазовой автоподстройки частоты.
• Аналоговые перемножители сигнала.
• Широкополосные усилители мощности аналогового сигнала.
• Аналоговые схемы на переключаемых конденсаторах.
• Программируемые аналоговые интегральные схемы и аналоговые БМК.
• Схемотехнические проблемы построения цифровых устройств.
• Элементы алгебры логики.
• Функциональные узлы комбинационного типа.
• Функциональные узлы последовательного типа (автоматы с памятью).
• Синхронизация в цифровых устройствах.
• Запоминающие устройства.
• Арифметические устройства.
• Микропроцессоры.
• Технические средства интерфейса.
• Цифровые сигнальные процессоры.
• Программируемые логические интегральные схемы и базовые матричные кристаллы.
• Методика и средства проектирования цифровых устройств.
• САПР в схемотехническом проектировании.
• Функциональная электроника.

В ходе практических занятий (упражнений) студенты должны овладеть методами решения конкретных задач схемотехнического проектирования. Практические занятия проводятся после изучения соответствующего раздела лекционного материала. Во время проведения практических занятий целесообразен текущий контроль степени усвоения студентами материалов курса.

Лабораторный практикум предназначен для закрепления приобрет╦нных знаний на практической реализации микроэлектронных устройств. Часть лабораторных работ выполняется на специализированных стендах, имеющихся на кафедре, часть - с применением ЭВМ и специализированных пакетов программ, в том числе, средств САПР.

Оборудование, необходимое для лабораторного практикума:

• рабочие места проектирования ПЛИС (ALTERA, XILINX, ACTEL) с использованием САПР;
• пакеты тестовых программ;
• отладочные средства;
• измерительные приборы (широкополосные осциллографы, генераторы сигналов сложной формы и т.п.);
• компиляторы с языков описания аппаратуры и симуляторы для ПЛИС (Synopsys, Aldec, VeryBest);
• рабочие места, оснащ╦нные АЦП, ЦАП;
• отладочные платы (Evaluation Kit) для микропроцессоров;
• ПО для компиляции и отладки;
• специализированные стенды;
• макеты микроэлектронных устройств.

Курсовая работа по дисциплине способствует выработке навыков самостоятельного анализа литературы, освоения современных методов исследования и проектирования устройств аналоговой обработки сигналов с использованием современных средств САПР. Работа выполняется в 6-ом семестре. В зависимости от выполняемой студентом НИРС, возможна корректировка тематики курсовой работы.

Домашние задания

В 7-ом семестре предусмотрено выполнение домашнего задания по теме "Проектирование вычислительного устройства на ПЛИС".

Срок выдачи домашнего задания - 9-я неделя.

Срок сдачи домашнего задания - 15-я неделя.

В 8-ом семестре предусмотрено выполнение домашнего задания по теме "Расч╦т устройства функциональной электроники".

Срок выдачи домашнего задания - 9-я неделя.

Срок сдачи домашнего задания - 15-я неделя.

Темы для самостоятельного изучения

На самостоятельное изучение выносятся разделы курса, требующие проработки большого объ╦ма литературы, в том числе, периодической. Самостоятельное изучение материалов по курсу способствует выработке у студента навыков анализа литературных источников, развивает технический кругозор, позволяет отслеживать современное состояние развития техники. Часть вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение, выносятся на зач╦ты и экзамены. Текущий контроль за самостоятельной работой студентов осуществляется на консультациях. Ниже привед╦н перечень тем для самостоятельного изучения:

• Основные этапы производства ИС. Оксидирование. Фотолитография. Диффузия. Эпитаксиальное выращивание. Осаждение тонкой пл╦нки.
• Стандартные методы изоляции. Изоляция p-n-переходом. Изоляция диэлектриком. Образование монолитных компонентов схемы. Боковые p-n-p-транзисторы. Подложечные p-n-p-транзисторы. МОП-конденсаторы. Конденсаторы на основе p-n-перехода.
• Методы производства специальных приборов. Транзисторы со сверхвысоким значением b. Полевые транзисторы с p-n-переходом.
• Полевые транзисторы со структурой металл√окисел√полупроводник (МОП-транзисторы). Высокочастотные транзисторы.
• Процессы производства резисторов специального типа.
• Радиационно- и теплостойкие приборы.
• Микропроцессорные системы обработки информации и управления: основные функции и классификация микропроцессорных систем управления. Структура и уровни управления.
• Методы формирования управляющих программ. Цикловые, позиционные и контурные системы управления: архитектура, принципы работы, методы программирования, основные характеристики, аппаратные и программные средства.
• Применение языков описания аппаратуры для создания моделей цифровых систем обработки информации и управления. Проектирование цифровых систем обработки информации и управления на основе технологии ПЛИС.
• Функциональное моделирование систем и устройств. Применение пакетов Matlab и Simulink для моделирования электронных устройств. Пакет системного моделирования Elanix. Пакет LabView. Возможности проведения моделирования на стадии проработки ТЗ и создания полноценной функциональной модели системы.
• Автоматизация схемотехнического проектирования микроэлектронных СВЧ-устройств. Пакеты Microwawe Office, Serenade. Представление о методах анализа и моделирования входных трактов устройств.
• Автоматизация проектирования аналоговых электронных устройств. Макромодели. Pspice и его развитие. Моделирования индуктивных элементов РЭА. Особенности применения пакетов Spice в моделировании аналоговых устройств.
• Автоматизация разработки цифровых устройств. Система проектирования MAX PLUS II. Языки описания аппаратуры AHDL VHDL Verilog HDL. Пакеты Foundation, Synopsys, Orcad Express. Применение современных средств САПР для ПЛИС, базовых кристаллов и заказных ИС. Проектирование микропроцессорных систем. Средства разработки, эмуляторы, симуляторы. Автоматизация расч╦тов электромагнитной совместимости, тепловые и прочностные расч╦ты в радиоэлектронике.
• Стандартные протоколы обмена данных. Параллельный интерфейс Centronics. Последовательные интерфейсы RS-232, RS-422 и другие. Шинные интерфейсы (PCI, ISA и другие).
• Стандартные микроконтроллеры. Интерфейсы распредел╦нных систем и сетей.
• Особенности проектирования схем сопряжения сенсоров и систем обработки информации. Особенности проектирования схем сопряжения исполнительных механизмов и систем обработки информации.
• Обзор типовых схемных решений средств сопряжения.
• Аналоговые схемы на переключаемых конденсаторах.
• Программируемые аналоговые интегральные схемы и аналоговые БМК.

Рекомендуемая литература

1. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ- Санкт-Петербург, 2000.
2. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: учебное пособие для втузов. СПб.: Политехника, 1996. 885 с., ил.
3. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988