Fizika 3. félév, Digitális technika 1. félév

A három féléves tárgy feladata az elektronikai alkatrészekre, a mikroelektronikára és az elektronikus áramkörökre vonatkozó azon alapismeretek elsajátíttatása, amelyek minden villamosmérnök számára nélkülözhetetlenek.

A tárgy első része az alkatrészek, aktív eszközök felépítését, működését, elektromos paramétereit ismerteti és a mikroelektronika alapfogalmait mutatja be. A továbbiakban erre a bázisra támaszkodva tárgyalja az egyenirányítók, lineáris erősítők, nemlineáris áramkörök, oszcillátorok, keverők, digitális alapáramkörök, analóg+digitális áramkörök, nagyfrekvenciás áramkörök működését, tervezési módszereit.

A tantárgy jártasságot ad az elektronikai alkatrészek paramétereinek kezelésében, az ezen alkatrészekből felépített alapáramkörök valamint összetettebb egységek elektromos tulajdonságainak számítási módszereiben (erősítés, frekvenciamenet, illesztési impedanciák, tranziensek, zaj, stb.) és tervezésük alapvető kérdéseiben. Súlyt helyez a számítógépes tervezési eljárásokra.

A tárgy megfelelő bázist nyújt az adott területen ahhoz, hogy a későbbi, szakirányú képzés tantárgyai az elektronikai alapfogalmak biztos ismeretére támaszkodhassanak. A tárgy harmadik féléve a szakirányok speciális igényeit kiszolgálandó három (leginkább a témák súlyozásában eltérő) párhuzamos kurzusban kerül előadásra.

A tárgy első féléve az aktív elemek (tranzisztorok) felépítésével, működésével, elektromos jellemzőivel, valamint a félvezetős mikroelektronika jellegzetes alkatrészeivel, alapáramköreivel, tervezési módszereivel foglalkozik.

Félvezető anyagok: többségi és kisebbségi hordozók, diffúziós és sodródási áram, folytonossági egyenlet. (Erősen támaszkodva a Fizika 3. félévére.)

A félvezető pn átmenet. Kivitel. Potenciálgát, kiürített réteg. Az ideális dióda egyenlet. A valóságos karakterisztika. A differenciális ellenállás, a tértöltési és a diffúziós kapacitás. Kapcsoló működés. A gyakorlati kivitel. Zener, Schottky és varicap dióda.

A MOSFET felépítése, kivitelezése. Működési elv, karakterisztikák. Növekményes és kiürítéses működés. Az egyszerű négyzetes karakterisztika egyenlet. Csatornarövidülés, szubsztrát hatás. Szubmikronos MOS tranzisztorok. Kapacitások, dinamikus tulajdonságok. A JFET felépítése, működési elve, karakterisztikái.

A bipoláris tranzisztorok. A planáris tranzisztor felépítése. A tranzisztorhatás és a működési tartományok. Az Ebers-Moll helyettesítőkép. A gyakorlati karakterisztikák. Nagyfrekvenciás tulajdonságok, határfrekvenciák. Kisjelű helyettesítő képek. A kapcsoló üzemű működés. A tirisztorok.

Az IC technológia fő vonásai. Szelet, chip, maszkok, csíkszélesség, illesztés. Szerelés, tokozás. A mélységi struktúra kialakítása. Oxidálás, epitaxia, diffúzió, ion-implantáció. A felületi struktúra kialakítása: litográfia, maszkolás.Vákuumpárologtatás, fémösszeköttetések létrehozása.

Passzív és aktív alkatrészek megvalósítása IC-kben. Ellenállások és kondenzátorok megvalósítása. Nemlinearitás, frekvenciafüggés, parazita hatások. Összekötő vezetékek az IC-ben: az ellenállás és a szórt kapacitás nagyságrendje, impulzusátvitel, késleltetés. A MOS és a bipoláris tranzisztorok jellegzetes kivitele. A szigetelés problémái.

Analóg alapkapcsolások alapfogalmai. Közös (földelt) emitteres, közös bázisú, közös kollektoros, közös source, közös drain kapcsolás. Munkapontbeállítás, munkapont stabilitás. A kisjelű működés. Erősítés, bemeneti és kimeneti ellenállás. Két-tranzisztoros kapcsolások (Darlington, kaszkód kapcsolás, bipoláris és MOS differenciálerősítő, áramtükör). Egyszerű OTA áramkör. (Ezen alapkapcsolások tárgyalása bevezető jellegű. Célja annnyi, hogy bázisán az eszköz helyettesítőképek szükségessége és használata, valamint az IC megvalósítás speciális vonásai taníthatók legyenek. A kimerítő tárgyalás a következő félév feladata.)

Digitális alapáramkörök. Jellemző paraméterek: szintek, zavarvédettség, terjedési idő, stb. A transzfer karakterisztika és a komparálási feszültség fogalma. A fontosabb logikai áramkörcsaládok (CMOS, nMOS, TTL) bevezetése. Az alapkapuk felépítése, tulajdonságai. Az áramkörcsaládok összehasonlítása.

A passzív terhelésű nMOS inverterek. A W/L arányok jelentősége. A transzfer karakterisztika. Layout-rajz. A CMOS inverter áramkör kapcsolása, felépítése. Transzfer karakterisztika, egymásba-vezetés. A dinamikus fogyasztás okai, számítása. A TTL kapu felépítése, működése.

Logikai kapuk kialakítása passzív terheléssel (nMOS). Logikai kapuk CMOS kivitelben. Méretezési szabályok. A komplex kapuk és előnyeik. Inverter kapcsolási időinek számítása kapacitív terhelésnél. Terjedési idő nagyságrendek. Az inverter fajták összehasonlítása. A ring oszcillátor mint mérőáramkör. A power-delay szorzat.

Vonal- és busz-meghajtó áramkörök n-MOS és CMOS kivitelben. Megoldások a háromállapotú kimenet biztosítására. A transzfer gate működése, alkalmazása nMOS és CMOS áramkörben.

Órajellel vezérelt CMOS, pszeudo nMOS. Dinamikus CMOS áramkörök, az előtöltési elv. Tárolók megvalósítása sztatikus, transzfer gate-es és dinamikus kivitelben. Áramköri példák: Összeadó áramkör MOS kivitelben. Csoportátvitel-képzés. Kombinációs szorzó megvalósítása.

Memóriák: a memória-chip tipikus felépítése. ROM memóriák. Maszkkal programozott, MOS tranzisztoros ROM felépítése, működése, layout-ja. Bipoláris beégetett PROM. EPROM és EEPROM memóriák. Sztatikus MOS RAM memória cellája, író-olvasó áramköre. Dinamikus MOS RAM memóriák: az egytranzisztoros cella felépítése, működése. A töltésmegosztás problémája a cella és a bitvonal között. A frissítés szükséges gyakorisága.

Az IC-k számítógépes tervezése. Tervezési módszerek, hierarchikus tervezés. Viselkedési, logikai és áramköri szimuláció. Layout tervezés. Automatizált tervezés: silicon compiler. Maszk ellenőrzés (szabály ellenőrzés, visszafejtés).

A berendezés-orientált (ASIC) áramkörök. Az irányzat kialakulásának okai, feltételei. A jellegzetes típusok. Elem-mátrix és kapu-mátrix áramkörök felépítése. A standard cellás felépítés. Követelmények a cellakönyvtárral szemben. A programozható logikai eszközök (PLA, PLD, stb.) felépítése. Összehasonlítás.

Az integrált áramkörök tesztelési kérdései. Sztatikus, funkcionális és dinamikus mérés. A teszt szekvencia generálás problémája. Tesztelhetőre tervezés, scan design, beépített önteszt.

Elektronikus áramkörök termikus problémái. Az IC alkatrészek terhelhetősége. Disszipáció, hőelvezetés, hűtés. Termikus csatolások az IC-kben.

Kitekintés: GaAs MeSFET áramkörök, optikai-elektromos IC-k, mikromechanika, integrált mikrorendszerek.

Tantermi előadások, számítógépes illusztrációval (ppt prezentációk, illetőleg on-line szimulációs bemutatók), kisebb részben tantermi példa-megoldási gyakorlatok.

1. A szorgalmi időszakban:

2. 1 db. házi feladat kidolgozása, eredményes teljesítés a szorgalmi időszak végéig, 1 nagy zárthelyi dolgozat legalább elégséges szintű teljesítése. A fentiek teljesítése képezi az aláírás és a vizsgára bocsátás feltételét.

   b. A vizsgaidőszakban:

   Az írásbeli vizsga két részből áll: 1. Belépő kérdések (30 perc, 15 kérdés, követelmény 67% eredményesség), 2.Tételek és számpéldák kidolgozása (60 perc, 2 tétel, 2 példa)

3. A tárgyból nem tartunk elővizsgát.

Sikertelen nagy zh pótlására a szorgalmi időszakban egyszeri pótlási lehetőséget biztosítunk. A vizsgaidőszakban az aláírás pótlólagos megszerzésére lehetőséget adunk. a TVSz adta keretek között.

Zh írás előtti napon, a vizsganapok előtti napon konzultációt tartunk. Ezen túlmenően a feladatbeadás megelőző időszakban az előadó által kijelölt oktatóval személyesen egyeztetett időpontban lehet konzultálni.

Dr. Székely Vladimir: Elektronika I. (félvezető eszközök), Műegyetemi kiadó, 55054

Dr. Székely Vladimir, dr. Nagy András: Elektronika I. (alapáramkörök, mikroelektronika) sokszorosított kézirat, BME-EET

További ajánlott irodalom:

Elektronikus áramkörök, dr. Hainzmann J., dr. Varga S., dr. Zoltai J., Tankönyvkiadó, 1992