4369

3

УДК 621.38 Ф50

Камалова Н.С. Основы цифровой электроники [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 09.03.02 – Информационные системы и технологии / Н.С. Камалова, Н.Ю. Евсикова, В.И. Лисицын, В.В. Саушкин ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 22 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебными планами направлений, образцы оформления индивидуальных заданий и отчета по по результатам экспериментальных исследований.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 09.03.02 – Информационные системы и технологии. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 4. Библиогр.: 6 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензенты: кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры высшей математики и теоретической механики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Гриднева И.В.

Ответственный редактор Камалова Н.С.

Коллектив авторов, 2016

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основы цифровой электроники» изучает фундаментальные физические закономерности, лежащие в основе технологии цифровой обработки сигналов. Например, принципы работы полупроводниковых приборов базируются на зонной теории кристаллов, особенности булевой алгебры основываются на принципах работы транзисторных схем, используемых в цифровых системах контроля во всех областях экономики. Кроме того, оценка надежности современных ИС приобретает все большую значимость в связи с активным внедрением цифровых технологий во все области современной жизни. Поэтому освоение этой дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического, технологического и экономического профиля.

Необходимо заметить, что фундаментальные закономерности, излагаемые в курсе «Основы цифровой электроники» устанавливают иерархическую связь между задачами цифровых систем и особенностями микроструктуры их физических носителей, тем самым помогая студентам вырабатывать навыки оценки и прогнозирования эффективности новейших разработок в области современных цифровых технологий.

Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по результатам экспериментальных исследова-

ний;

3)выполнение индивидуальных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и экзамену.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать, а преподавателю проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 09.03.02 – Информационные системы и технологии. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Основы цифровой электроники» является формирование у студентов знаний и умений по проведению анализа основных характеристик цифровых схем, их основных элементов и свойств материалов, из которых их можно изготовить.

В основу курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, протекающих при цифровой обработке сигналов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

–изучение основных законов квантовой механики и зонной теории кристаллов;

–формирование у бакалавров представления о физических свойствах материалов, используемых для создания цифровых схем;

–овладение фундаментальными теориями физики полупроводников и полупроводниковых приборов;

–формирование навыков проведения вычислительного эксперимента и основ грамотного научного анализа и синтеза современной научной информации;

–освоение основных принципов описательного моделирования надежности технических объектов и сложных систем;

–формирование у студентов основ естественнонаучной картины мира.

Врезультате освоения дисциплины бакалавр должен:

знать:

–физические основы цифровой электроники, основные закономерности зонной модели и теории надежности ИС;·характеристики систем, осуществляющих цифровую обработку сигналов;

уметь:

–осуществлять поиск параметров диодов и транзисторов по аббревиатуре с помощью специальной справочной литературы;

–определять параметры полупроводниковых приборов по экспериментально полученной ВАХ;

–оценивать влияние окружающей среды на надежность и характеристики цифровых ИС;

–использовать методы адекватного физического и математического моделирования для решения задач при внедрении новейших современных технологий;

владеть следующими навыками:

–использования принципов зонной модели кристаллов для оценки эффективности применения новейших материалов при цифровой обработке сигналов;

–применения основных методов физико-математического анализа для оценки влияния внешних воздействий на надежность цифровых схем.

7

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Предмет дисциплины «Основы цифровой электроники». Системный подход в инновационных технологиях. Цифровые и аналоговые сигналы. Принципы дискретного приема. Роль математического моделирования.

Раздел 1. Системы счисления

1.1.Кодирование и история его возникновения. Код Морзе. Двоичная система счисления. Сложение, вычитание, умножение и деление целых чисел в двоичном коде. Обратный код. Дробная часть.

1.2.Основные математические операции с дробной частью. Переход от десятичной системы счисления к двоичному коду и обратно. Другие системы счисления.

1.3.Булева алгебра. Логические операции. Классификация интегральных цифровых схем. Методы оценки качества работы цифровых микросхем.

Раздел 2. Физические основы промышленной электроники

2.1.Основные свойства полупроводников. Кристаллы. Решетка Браве. Ковалентная связь.

2.2.Элементы квантовой механики. Соотношения Гейзенберга. Корпуску- лярно-волновой дуализм. Принципы описания поведения микрочастиц, волновая функция, принцип неопределенностей, волна де Бройля.

2.3.Уравнение Щредингера (временное и стационарное), физический смысл входящих в него членов. Квантовое уравнение движения. Операторы физических величин.

2.4.Решение стационарного уравнения Шредингера для частицы в одномерном потенциальном ящике. Потенциальная яма конечной глубины и влияние ее глубины и ширины на уровни энергии частицы.

2.5.Туннельный эффект.

2.6.Заполнение уровней и принцип Паули, полная энергия совокупности электронов в квантовой системе.

2.7.Уровни энергии в атоме водорода, переходы между уровнями. Нормальная и инверсная заселенность квантовых состояний. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения.

2.8.Основы зонной теории полупроводников. Состояния электронов в кристалле.

2.7.Собственные полупроводники. Понятие об уровне Ферми.

2.8.Примесные полупроводники. Термодинамическое равновесие.

2.9.Неравновесные носители. Время жизни носителя заряда. Неравновесные носители заряда. Инжекция. Экстракция.

8

2.10.Генерация и рекомбинация. Принципы работы полупроводникового лазера. Основы фотоники.

2.11.Полупроводники во внешнем электрическом поле. Дрейфовый и диффузионный токи. Соотношение Эйнштейна. Пространственный заряд.

Раздел 3. Физика элементарных полупроводниковых приборов

3.1.Основные уравнения физики полупроводниковых приборов. P-n-переход.

3.2.Термодинамическое равновесие в p-n-переходе в отсутствии внешних полей. Типы p-n-перехода.

3.3.Гипотеза обеднения. P-n-переход во внешнем электрическом поле. Модель Эмберса-Мола для p-n-перехода. ВАХ p-n-перехода.

3.4.Полупроводниковые диоды и способы их получения. Метод сплавления и диффузии. Эпитаксия и ионное легирование.

3.5.Основные характеристики выпрямительный диодов. Специальные диоды: варикапы, стабилитроны, тоннельные диоды и диоды Гана, свето- и фотодиоды.

3.6.Структура биполярного транзистора. Движение носителей зарядов при работе транзистора. Модель Эмберса-Мола для транзистора.

3.7.Схемы включения. Системы основных характеристик транзисторов.

3.8.Режимы работы. Биполярный транзистор в виде ключа. Температурная нестабильность биполярного транзистора.

3.9.Контакт металл-полупроводник. МОП и МДП структуры. Структура полевых транзисторов.

3.10.Стоковая и истоковая характеристики транзистора. Основные параметры полевых транзисторов. Гетеропереходы.

Раздел 4. Основы цифровой логики

4.1.Триггеры, регистры, сумматоры.

4.2.АЛУ и КС, как основа серверов и браузеров любой цифровой системы.

4.3.Реализация основных логических операций на элементарных полупроводниковых приборах.

4.4.Транзисторно-транзисторная логика. Эмитерно-связная логика. Интегральная инжекционная логика.

4.5.Основные методы оценки качества современных цифровых электронных систем. Физическая модель оценки качества работы цифровых систем.

4.6.Основы теории надежности цифровых схем.

4.7.Направления развития современной цифровой электроники.

9

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по подготовке к практическим занятиям;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по подготовке к лабораторным занятиям;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к экзамену.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

10

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ

Индивидуальное задание представляет собой набор задач, относящихся к определенному разделу дисциплины «Основы цифровой электроники», которые можно решить аналитически или с использованием формализованного моделирования. Цель индивидуального задания – практическое освоение теоретического курса и приобретение навыков решения задач, имеющих как учебный, так и прикладной характер.

Решенные примеры не заменяют учебный и лекционный материал, поэтому перед выполнением задач следует ознакомиться с соответствующими разделами теоретического курса лекций или учебников, которые приведены в рекомендуемом списке литературы.

В процессе расчетов следует обратить внимание на согласованность единиц измерения величин, входящих в формулы. (Не забывайте писать, в каких единицах получен результат). Рекомендуемые единицы измерения приведены в перечне используемых обозначений. Все арифметические вычисления следует выполнять с точностью до трѐх значащих цифр, принятой для инженерных расчѐтов.

После решения задач, входящих в задание, листы с решениями брошюруются и снабжаются титульным листом с обязательным указанием дисциплины, номера варианта задания и данных студента.

При представлении решения аналитических задач обязательными элементами являются:

–текст задачи и числовые исходные данные;

–расчѐтные формулы;

–проверка размерностей.

При представлении результатов формализованного моделирования обязательными элементами являются:

–цель формализованного моделирования;

–описание модели, постановка задачи;

–Print Screen программы Excel;

–выводы о результатах проделанной работы.

Впроцессе защиты индивидуального задания студентам могут быть предложены контрольные вопросы и задачи из соответствующего раздела курса.

Небрежно оформленные и выполненные не по своему варианту индивидуальное задания к защите не принимаются.