Проектирование аналоговых и цифровых устройств

Магистратура 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Инжиниринг в электронике)

Направление: 11.04.04. Электроника и наноэлектроника

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 1-й курс, 1-4 модуль

Формат изучения: с онлайн-курсом

Преподаватели: Кожухов Максим Владимирович, Харитонов Игорь Анатольевич

Прогр. обучения: Инжиниринг в электронике

Язык: русский

Кредиты: 9

Контактные часы: 104

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Дисциплина Проектирование аналоговых и цифровых устройств относится к вариативной части Профессионального цикла. Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения дисциплин бакалавриата «Физика», «Материалы электронной техники», «Теоретические основы электротехники», «Физические основы электроники», «Основы технологии электронной компонентной базы». В 2 модуле 2020/21 уч. года обучение проводится дистанционно с помощью https://classroom.google.com

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины "Проектирование аналоговых и цифровых устройств" является формирования у студентов знаний о методах проектирования аналоговых узлов интегральных схем, аналоговых схем современных и перспективных изделий электроники, радиоэлектроники, микро- и наноэлектроники, назначении, принципах работы, методов и средств проектирования сложных аналоговых электронных компонентов и схем для приборов и систем электронной техники с учетом заданных требований; умений разработки методик и проведения исследований и измерений параметров и характеристик изделий электронной техники, анализ их результатов.
Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями: – Способность владеть культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения; - Способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности; – Способность представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики; – Способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии; – Способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники и наноэлектроники; – Готовность анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций.

Планируемые результаты обучения

Знать: Основные параметры и характеристики аналоговых устройств.
Уметь: Рассчитывать характеристики и определять параметры аналоговых схем, используя пакет SPICE моделирования.
Владеть: методами схемотехнического моделирования аналоговых схем и устройств
Знать: особенности и параметры каскадов аналоговых устройств. Методы их согласования друг с другом.
Уметь: Выбирать параметры и виды каскадов для реализации аналоговых устройств. Рассчитывать характеристики и определять параметры каскадов.
Владеть: методами схемотехнического моделирования для анализа характеристик аналоговых схем
Знать: классификацию, особенности, параметры и характеристики фильтров.
Уметь: Выбирать тип и параметры фильтров для реализации своих задач. Рассчитывать характеристики и определять параметры фильтров по номиналам элементов фильтра.
Владеть: методами схемотехнического моделирования для анализа АЧХ и ФЧХ фильтров
Знать: виды обратных связей и ее влияние на характеристики схем.
Владеть: методами схемотехнического моделирования для анализа характеристик схем с обратными связями.
Знать: условия возникновения колебаний в генераторных схемах.
Уметь: рассчитывать параметры генераторной схемы по формулам
Знать: схемотехнику операционных усилителей и компараторов, их основные параметры.
Уметь: выбирать операционные усилители и компараторы в соответствии с поставленными требованиями.
Знать: Схемные применения ОУ в аналоговых устройствах. Знать особенности проектирования узлов на ОУ.
Уметь: Рассчитывать параметры и характеристики схем на ОУ (по формулам и используя пакет SPICE моделирования).
Владеть: методами схемотехнического (SPICE) моделирования для анализа характеристик схем c использованием ОУ.
Знать: параметры и характеристики цифровых схем, особенности синхронизации частей цифровых схем.
Уметь: Рассчитывать характеристик цифровых устройств с помощью пакетов SPICE моделирования.
Владеть пакетами SPICE моделирования для расчета характеристик цифровых устройств
Знать: Функциональные узлы комбинационного типа, их логику работы и параметры. Знать особенности проектирования узлов комбинационного типа
Уметь: Рассчитывать параметры и характеристики цифровых логических схем (используя пакет SPICE моделирования)
Владеть методами проектирования узлов комбинационного типа с использованием средств САПР.
Знать: Функциональные узлы последовательного типа, их логику работы и параметры. Знать особенности проектирования узлов последовательного типа
Уметь: Рассчитывать параметры и характеристики триггеров, счетчиков, регистров (используя пакет SPICE моделирования)
Владеть методами проектирования узлов последовательного типа с использованием средств САПР.
Знать: Схемотехнику и параметры статической и динамической памяти. Знать особенности проектирования узлов памяти.
Уметь: выбирать необходимые типы схем памяти в соответствии с параметрами.
Знать: Особенности влияния проводников интегральных схем и печатных плат на динамические характеристики систем. Знать особенности проектирования высокоскоростных систем с учетом паразитных эффектов.
Уметь: Рассчитывать паразитные параметры печатных плат, оценивать их влияние на работу схем.
Владеть: методами оценки влияния проводников интегральных схем и печатных плат на динамические характеристики систем.
Знать: Схемотехнику и параметры БИС/СБИС с программируемой структурой. Знать методы проектирования цифровых систем с помощью ПЛМ и БМК
Уметь: Применять ПЛМ и БМК в своих проектах.
Знать: Схемотехнику и параметры Цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
Уметь: Выбирать и применять схемы ЦАП и АЦП в своих проектах.
Знать: Типы и параметры процессоров для цифровой обработки сигналов.
Уметь: Выбирать и применять процессоры для цифровой обработки аудио и видео сигналов.
Знать: типы, схемы, параметры, характеристики источников электропитания аналоговых и цифровых устройств.
Уметь: выбирать и применять электропитания аналоговых и цифровых устройств.
Знать Влияние параметров печатных плат, условий охлаждения, корпусов компонентов на их тепловые режимы. Влияние температуры на характеристик электронных компонентов.
Уметь: Рассчитывать тепловые режимы компонентов на печатной плате.
Владеть: методами оценки тепловых режимов электронных изделий с использованием выражений и программных продуктов
Уметь: Разрабатывать печатную плату для электронного устройства

Содержание учебной дисциплины

Основные параметры аналоговых устройств. Расчет характеристик аналоговых схем и аналоговых устройств с помощью пакетов схемотехнического (SPICE) моделирования
Основные параметры аналоговых устройств: входные, выходные, усилительные, частотные, динамические, шумовые. Методы расчета амплитудно-частотных, фазо-частотных и др. характеристик аналоговых каскадов и аналоговых устройств с помощью пакетов SPICE моделирования.
Каскады аналоговых схем, их характеристики и параметры. Согласование каскадов между собой.
Входные, выходные каскады, усилительные, согласующие. Требования к каскадам. Параметры каскадов. Проектирование аналоговых каскадов на биполярных транзисторах. Проектирование аналоговых каскадов на МОП транзисторах.
Фильтры. Резонансные усилители
Назначение. Схемы, Характеристики. Формирование требуемых АЧХ.
Обратная связь в аналоговых схемах и системах.
Виды обратной связи. Влияние обратной связи на характеристики схемы. Формирование требуемых характеристик аналоговых устройств с помощью обратной связи.
Генераторные схемы
Условия возникновения колебаний в схеме. Обеспечение стабильности работы генераторов.
Схемотехника операционных усилителей и компараторов.
Классы операционных усилителей. Параметры операционных усилителей. Зависимость параметров ОУ от схемы. Характеристики компараторов.
Схемные применения ОУ в аналоговых устройствах.
Построение усилительных схем и фильтров на ОУ.
Синхронизация в цифровых устройствах. Совместная работа цифровых устройств. Расчет характеристик цифровых устройств с помощью пакетов SPICE моделирования.
Основные параметры и характеристики цифровых устройств. Методы расчета характеристик и параметров. Типы выходных каскадов логических схем, цепи питания, формирователи импульсов, оптоэлектронные устройства развязки. Синхронизация в цифровых устройствах, риски сбоя.
Функциональные узлы комбинационного типа. Особенности их проектирования
Шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, сумматоры, АЛУ. Особенности их проектирования.
Функциональные узлы последовательного типа. Особенности их проектирования
Регистры, счетчики, распределители импульсов. Их схемотехника и особенности проектирования.
Схемотехника запоминающих устройств. Статическая и динамическая память
Статические и динамические ЗУ, постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Масочные, прожигаемые ЗУ. Проектирование блоков памяти в цифровых системах.
Влияние проводников интегральных схем и печатных плат на динамические характеристики систем. Особенности проектирования высокоскоростных систем
Использование БИС/СБИС с программируемой структурой. Проектирование цифровых систем с помощью ПЛМ и БМК.
Типы базовых матричных кристаллов. Типы и классы ПЛМ. Архитектура ПЛМ. Средства программирования ПЛМ.
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. Характеристики, параметры, схемы ЦАП и АЦП.
Цифровая обработка сигналов в аналоговых системах. Цифровая обработка аудиосигнала. Цифровая обработка видеосигнала.
Проектирование источников электропитания аналоговых и цифровых устройств. Параметры и характеристики источников питания.
Обеспечение тепловых режимов устройств. Влияние параметров печатных плат, условий охлаждения, корпусов компонентов на их тепловые режимы.
САПР для проектирования печатных плат

Элементы контроля

Практические задания
Дистанционный формат со 2-го модуля. Элемент контроля не подлежит пересдаче, не является блокирующим, вес элемента - менее 30%. Пропущенные по уважительной причине практические занятия студент может выполнить в часы консультаций, по согласованию с преподавателем.
Домашнее задание
Дистанционный формат со 2-го модуля.
Экзамен
Экзамен проводится в письменной форме (утест) с использованием асинхронного прокторинга. Экзамен проводится на платформе Moodle (https://et.hse.ru/), прокторинг на платформе Экзамус (https://hse.student.examus.net). К экзамену необходимо подключиться за 15 минут. На платформе Экзамус доступно тестирование системы. Компьютер студента должен удовлетворять следующим требованиям: https://elearning.hse.ru/data/2020/05/07/1544135594/Технические%20требования%20к%20ПК%20студента.pdf) Для участия в экзамене студент обязан: заранее за 24 часа зайти на платформу прокторинга, провести тест системы, включить камеру и микрофон, подтвердить личность. Во время экзамена студентам запрещено: общаться (в социальных сетях, с людьми в комнате), списывать. Во время экзамена студентам разрешено: пользоваться собственными письменными конспектами (в тетради или на распечатанных листах) и презентациями. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается прерывание связи до 10 минут. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается прерывание связи 10 минут и более. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи аналогична процедуре сдачи.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.2 * Домашнее задание + 0.2 * Практические задания + 0.6 * Экзамен
Промежуточная аттестация (4 модуль)
0.062 * Домашнее задание + 0.063 * Практические задания + 0.5 * Промежуточная аттестация (3 модуль) + 0.375 * Экзамен

Программа дисциплины