Основи мікросхемотехніки
Спеціальність: Авіоніка
Код дисципліни: 6.173.01.E.048
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Електронні засоби інформаційно-комп'ютерних технологій
Лектор: Голяка Роман Любомирович
Семестр: 7 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування та розвиток у студентів компетентностей:
загальних: знань, вмінь та навичок, вміння вчитися; розвиток здібностей до самооцінювання та здатності до самостійного навчання, що дозволятиме студентам продовжувати подальшу освіту в академічному та професійному середовищі як під час навчання у ВНЗ, так і після отримання диплома про вищу освіту.
фахових: вміти застосовувати одержані теоретичні знання та практичні навички з схемотехніки у своїй професійній діяльності.
Результати навчання: В результаті вивчення дисципліни студент повинен продемонструвати такі результати навчання:
- знати вимоги до параметрів та процесу розроблення мікросхемотехніки авіоніки;
- розуміти основні принципи функціонування компонентів цифрової та аналогової мікросхемотехніки;
- знати побудову та режими функціонування мікроелектронних схемних вузлів авіоніки;
- демонструвати знання та вміння проектувати пристрої мікросхемотехніки;
- демонструвати знання та вміння моделювання параметрів пристроїв мікросхемотехніки, синтезу та використання SPICE моделей;
- здатність провести вибір інтегральних схем авіоніки у відповідності до її параметрів;
- демонструвати вміння програмувати вбудовані системи аввіоніки;
- демонструвати знання сучасних тенденцій розвитку мікросхемотехніки авіоніки.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Компонентна база електроніки
Теорія електронних кіл
Короткий зміст навчальної програми: Програма навчальної дисципліни «Основи мікросхемотехніки» укладена для студентів інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки, які навчаються за спеціальністю «Авіоніка». В результаті успішного навчання за програмою курсу студент засвоїть теоретичні засади з схемотехніки та практичні навички по схемотехнічному проектуванню, модельному та експериментальному дослідженню вузлів авіоніки.
Курс має практичне спрямування, надаючи студентам можливості набуття досвіду в напрямку схемотехнічного проектування та дослідження пристроїв авіоніки. Самоосвіта вважається невід’ємною частиною даного навчального курсу, і особлива увага у програмі приділяється самостійній роботі студентів.
В курсі розглядаються: вимоги до параметрів та процесу розроблення авіоніки; схемотехнічний аналіз та синтез; схемотехнічне моделювання; SPICE моделі; базові вузли схемотехніки та їх режими роботи – операційні підсилювачі, трансімпедансні перетворювачі, джерела опорної напруги, стабілізатори, мультиплексори; генератори імпульсів; аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі; інтерфейси; пристрої пам'яті; програмовані логічні матриці та пристрої; сигнальні перетворювачі авіоніки.
Зміст курсу спрямований на формування у студентів розуміння загальної тенденції розвитку схемотехніки авіоніки, здатності студентів ефективно використовувати набуті знання під час практичних занять в аудиторіях та при виконанні лабораторних та самостійних завдань, вміння знаходити необхідну інформацію в спеціалізованій літературі та Інтернеті.
Вивчення навчальної дисципліни передбачає використання програмного забезпечення для схемо технічного моделювання MicroCap11 (evaluation student version) та інтегрованих програмних середовищ розроблення (Integrated Development Environment, IDE) PSoC Creator, Arduino IDE. Всі вказані програмні продукти не вимагають ліцензійної оплати є у вільному доступі для студентів.
Опис: Тема 1. Сигнали та аналогова схемотехніка
Вступ в мікросхемотехніку авіоінки. Вимоги та тенденції розвитку мікросхемотехніки авіоінки. Типи сигналів: аналогові, дискретні, кодові, цифрові. Основні розділи схемотехніки: аналогові та цифрові схеми, аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі, інтерфейси, системи на кристалі. Елементарні транзисторні схеми: з спільною базою (спільним затвором), з спільним емітером (спільним витоком), спільним колектором (спільним стоком). Струмові «дзеркала». Струмове «дзеркало» Уілстона. Диференціальний каскад. Каскади зсуву потенціалу сигналу, каскади двотактного підсилення на комплементарних та однотипних транзисторах. Операційні підсилювачі (ОП). Типи ОП: загального призначення, rail-to-rail, прецизійні, швидкодіючі, мікропотужні, потужні та високовольтні ОП. Базові типи підсилювачів.
Диференційні підсилювачі. Підсилювачі з цифровим та аналоговим керуванням. Підсилювачі з компенсацією напруги зміщення. Сигнальні перетворювачі імпедансного типу. Формувачі опорної напруги та стабілізатори живлення. Схемотехніка стабілізації напруг та струмів на принципі забороненої зони (band gap reference). Схеми захисту від перенавантажень. Інтегральні схеми джерел опорної напруги та стабілізаторів.
Тема 2. Системи числення та цифрова схемотехніка
Системи числення. Відображення інформації у цифровій техніці. Основи бульової алгебри. Типові коди цифрової техніки. Перетворення числової інформації. Визначення та назви логічних функцій. Форми зображення логічних функцій. Кон’юнктивний та диз’юнктивний терми. Діаграми Венна. Карти (таблиці) Карно. Мінімізація логічних функцій. Метод безпосередніх перетворень. Метод таблиць Карно. Базові логічні елементи. Характеристики та різновиди цифрових мікросхем. Схемний синтез логічної функції. Генератори імпульсних сигналів. Комбінаційні пристрої. Шифратори. Дешифратори. Перетворювачі кодів. Мультиплексори. Демультиплексори. Сигнальні комутатори. Арифметичні пристрої. Комбінаційні суматори. Накопичувальні суматори. Визначення та класифікація арифметично-логічних пристроїв (АЛП). Структура АЛП. Тригер – двостановий запам’ятовувач інформації . Загальна структура та сигнали тригерних схем. Класифікація тригерів. RS тригери. D тригери. MS та JK тригери. Т тригери. Тригери двотактної дії. Регістри. Лічильники. Лічильники з послідовним переносом та паралельним переносом. Реверсивні та кільцеві лічильники.
Тема 3. Пам'ять, інтерфейси та спеціалізовані сигнальні перетворювачі Інтегральні пристрої пам’яті. Класифікація та параметри. Статичні запам’ятовувачі ВІС ОЗП. Динамічні запам’ятовувачі ВІС ОЗП. Структурно-схемні рішення ВІС ОЗП. Постійні запам’ятовувальні пристрої. Класифікація. Структура та принцип побудови ПЗП. Програмовані логічні матриці. Flash пам’ять. Цифрові інтерфейси. Інтерфейси з гальванічним розділенням. Взаємні перетворення цифрового та аналогового сигналів. Принцип ЦА-перетворення. Параметри ЦАП. Принципи АЦ-перетворення. Параметри АЦП. ЦАП на двійково-зважених резисторах. ЦAП на основі матриці резисторів R-2R. Перемножувальний ЦАП. АЦП послідовного наближення. АЦП паралельного кодування. АЦП подвійного інтегрування. Сигма-дельта АЦП. Конвеєрні АЦП. Перетворювачі типу «ємність-цифра». Мікроконвертери. Концепція систем на кристалі (СнК). Методи розроблення та характеристика СнК. Основні підходи проектування СнК. Програмовані логічні інтегральні схеми (ПЛІС). ПЛІС компаній Xilinx, Actel, Altera. Програмовані СнК компанії Cypress. Спеціалізовані сигнальні перетворювачі. Логарифмічні перетворювачі. Аналогові перемножувачі. Детектори та вимірювальні випрямлячі. Аналогові комутатори. Схеми на перемикальних конденсаторах. Частотні перетворювачі. Диференціюючі та інтегруючі перетворювачі. Фільтри. Активні фільтри.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль: лабораторні заняття.
Підсумковий контроль: залік.
Критерії оцінювання результатів навчання: Поточний контроль: письмові звіти з лабораторних робіт, усне опитування, контрольні роботи – 40 балів (40%). Підсумковий контроль: контрольний захід - залік, письмово-усна форма – 60 балів (60%).
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100-88 балів - атестований з оцінкою «відмінно» - Високий рівень: здобувач освіти демонструє поглиблене володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни, системні знання, вміння і навички їх практичного застосування. Освоєні знання, вміння і навички забезпечують можливість самостійного формулювання цілей та організації навчальної діяльності, пошуку та знаходження рішень у нестандартних, нетипових навчальних і професійних ситуаціях. Здобувач освіти демонструє здатність робити узагальнення на основі критичного аналізу фактичного матеріалу, ідей, теорій і концепцій, формулювати на їх основі висновки. Його діяльності ґрунтується на зацікавленості та мотивації до саморозвитку, неперервного професійного розвитку, самостійної науково-дослідної діяльності, що реалізується за підтримки та під керівництвом викладача. 87-71 балів - атестований з оцінкою «добре» - Достатній рівень: передбачає володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни на підвищеному рівні, усвідомлене використання знань, умінь і навичок з метою розкриття суті питання. Володіння частково-структурованим комплексом знань забезпечує можливість їх застосування у знайомих ситуаціях освітнього та професійного характеру. Усвідомлюючи специфіку задач та навчальних ситуацій, здобувач освіти демонструє здатність здійснювати пошук та вибір їх розв’язання за поданим зразком, аргументувати застосування певного способу розв’язання задачі. Його діяльності ґрунтується на зацікавленості та мотивації до саморозвитку, неперервного професійного розвитку. 70-50 балів - атестований з оцінкою «задовільно» - Задовільний рівень: окреслює володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни на середньому рівні, часткове усвідомлення навчальних і професійних задач, завдань і ситуацій, знання про способи розв’язання типових задач і завдань. Здобувач освіти демонструє середній рівень умінь і навичок застосування знань на практиці, а розв’язання задач потребує допомоги, опори на зразок. В основу навчальної діяльності покладено ситуативність та евристичність, домінування мотивів обов’язку, неусвідомлене застосування можливостей для саморозвитку. 49-00 балів - атестований з оцінкою «незадовільно» - Незадовільний рівень: свідчить про елементарне володіння поняттєвим та категорійним апаратом навчальної дисципліни, загальне уявлення про зміст навчального матеріалу, часткове використання знань, умінь і навичок. В основу навчальної діяльності покладено ситуативно-прагматичний інтерес.
Рекомендована література: 1. Електроніка і мікросхемотехніка : у 4 т. За ред. Віталій Іванович Сенько В.І. – Київ : Обереги, 2000.
2. Мікросхемотехніка. Підручник за редакцією З.Ю.Готри / Гельжинський І.І, Голяка Р.Л., Готра З.Ю, Марусенкова Т.А. – Львів: Ліга-Прес. 2015.
3. Распопов В.Я. Микросистемная авионика. Учебное пособие. Тула: Гриф и К, 2010. — 249 с.
4. Advanced Avionics Handbook. U.S. Department of Transportation. Federal Aviation Administration. Flight Standards Service. 2009. 115 P.
5. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: підруч. / За ред. А.Г. Соскова. К.: Каравела. 2009.
6. Схемотехніка електронних систем: підруч. для студ. техн. спец. вищ. навч. загл. / Бойко В. І., Гуржій А. М., Жуйков В. Я..– 2-ге вид., допов. і переробл.– К.: Вища шк., 2004.
7. Капустій Б. О. Схемотехніка аналогових та цифрових мікросхем: навч. посіб. для студ. радіоелектрон. спец. вищ. закл. освіти України / Капустій Б. О., Кіселичник Д. М., Віхоть В. І.; Нац. ун-т "Львів. політехніка".– Л.:Вид-во Нац. ун-ту "Львів. політехніка", 2001.
8. Richard C. Jaeger. Microelectronic circuit design. - University of Virginia. Fifth edition. – 2015. ISBN 978-0-07-352960-8.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).