Podstawy mikroelektroniki

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

PMK

4

Zapoznanie się z podstawami projektowania i realizacji układów i systemów elektronicznych w postaci układów scalonych. Wprowadzenie pojęcia specjalizowanych układów scalonych (Application Specific Integrated Circuits - ASIC), zapoznanie studentów z aspektami praktycznymi i ekonomicznymi projektowania i zamawiania produkcji tych układów. Przygotowanie do specjalistycznych przedmiotów obieralnych z projektowania zintegrowanych systemów cyfrowych, analogowych i mieszanych.

WYKŁADY:

1. Wiadomości wstępne. Cele integracji mikroelektronicznej układów elektronicznych (złożoność funkcjonalna, pobór mocy, koszt, niezawodność, IP). Układy standardowe (katalogowe) a układy ASIC i programowalne. Płytki wieloprojektowe. Etapy tworzenia nowego układu/systemu. Systemy CAD.
2. Technologiczne uwarunkowania projektowania układów scalonych. Konstrukcje CMOS i BiCMOS. Operacje wytwarzania, dostęp do produkcji. Projektowanie topografii, maski produkcyjne. Możliwości i ograniczenia.
3. Problemy, metody i style projektowania. Etapy od opisu funkcjonalnego do projektu fizycznego. Automatyzacja projektowania. Od full custom do układów programowalnych, kryteria wyboru stylu projektowania. Uproszczenia procesu projektowania, maski abstrakcyjne, schemat kreskowy, standaryzacja. Bloki IP, SoC, NoC, PSoC.
4. Ekonomiczne aspekty mikroelektroniki, design for manufacturability. Rozrzuty produkcyjne, rodzaje i źródła. Zaburzenia parametryczne i katastroficzne. Reguły projektowania. Metody weryfikacyjne. TCAD, symulacja statystyczna.
5. Elementy czynne i bierne w układach scalonych. Podstawowe konstrukcje i charakterystyki tranzystorów MOS i bipolarnych, uwarunkowania topograficzne. Tranzystor bipolarny w układach CMOS i BiCMOS. Elementy pasożytnicze. Właściwości i ograniczenia realizacji elementów biernych.
6. Proste scalone bramki logiczne: podstawowe pojęcia i wymagania. Regeneracja poziomów logicznych, źródła i tłumienie zakłóceń, kierunkowość. Statyczny inwerter CMOS, bramki NAND i NOR: kształtowanie charakterystyk przełączania, czasów włączania, wyłączania i propagacji sygnału, poboru mocy. Ograniczenia liczby wejść.
7. Bramki kombinacyjne CMOS. Statyczne: składniki pojemności obciążającej, czasy przełączania, pobór mocy; kryteria wymiarowania tranzystorów w bramkach złożonych, bramki transmisyjne i trójstanowe. Dynamiczne: bramki typu DOMINO; wymagania i ograniczenia. Porównanie bramek statycznych i dynamicznych.
8. Testowanie i testowalność układów cyfrowych. Defekty, uszkodzenia, ich modele. Wektory testowe, poziom wykrywalności uszkodzeń, wykrywalność i obserwowalność węzłów. Testowanie funkcjonalne i strukturalne. Testowanie prądowe. Układy łatwo testowalne, układ sekwencyjny z łańcuchem skanującym, krawędziowa ścieżka skanująca. Układy samotestujące się. Niezawodność układów do zastosowań krytycznych.
9. Przerzutniki, rejestry, komórki pamięci półprzewodnikowych. Przerzutnik Schmitta, wymiarowanie. Statyczny przerzutnik bistabilny: wymagania konstrukcyjne, realizacje z taktowaniem zegarem. Przerzutniki typu D. Generacja sygnałów zegarowych. Komórki pamięci półprzewodnikowych: statycznych i dynamicznych RAM, ROM o stałej zawartości i programowalne. Komórki SONOS.
10. Pamięci półprzewodnikowe. Ogólna struktura układów pamięci. Sterowanie działaniem pamięci, podstawowe zależności czasowe. Realizacje układów zapisu i odczytu. Realizacja pamięci nieulotnej „flash” typu NOR i NAND. Zastosowania pamięci ROM, układy kombinacyjne, programowalne układy cyfrowe.
11. Scalone układy analogowe: podstawowe problemy, bloki analogowe w układach cyfrowych. Porównanie układów analogowych i cyfrowych z punktu widzenia projektanta. Tranzystor MOS a bipolarny w zastosowaniach analogowych. Problemy specyficzne dla układów analogowych: zależności temperaturowe, rozrzuty produkcyjne tranzystorów MOS i bipolarnych oraz elementów biernych. Efekty pasożytnicze i przeciwdziałanie.
12. Realizacja układów źródeł prądowych i napięciowych. Minimalizacja wpływu zmian temperatury i rozrzutów produkcyjnych. Zespoły źródeł prądowych. Wymagania dla rodzajów źródeł napięciowych. Pierwotne źródła napięć odniesienia. Mnożnik UBE w technologii CMOS. Układ PTAT. Regulacja układów przesuwania napięcia.
13. Wzmacniacze różnicowe i wybrane zagadnienia ich projektowania. Porównanie właściwości wzmacniaczy różnicowych bipolarnego i MOS. Reguły projektowania topografii dla minimalizacji systematycznego napięcia niezrównoważenia w układach CMOS. Wzmacniacz operacyjny a komparator. Komparator z pamięcią. Wzmacniacze w pamięciach dynamicznych RAM. Kompensacja niezrównoważenia losowego. Realizacja wzmacniaczy szerokopasmowych, układów o regulowanym wzmocnieniu.
14. Pobór mocy układów scalonych. Mechanizmy poboru mocy w układach cyfrowych i analogowych. Składniki mocy a wzrost skali integracji. Wpływ temperatury na niezawodność układów scalonych, mechanizmy uszkodzeń. Składniki rezystancji termicznej. Chłodzenie układów scalonych. Uwarunkowania projektowania, stabilność elektryczno-cieplna.
15. Przyszłość mikroelektroniki.

LABORATORIA:

Tematyka laboratorium stanowi wprowadzenie do projektowania, realizacji i testowania specjalizowanych układów scalonych, prezentuje wybrane aspekty praktyczne tych zagadnień:

1. Projektowanie i symulacja układu elektrycznego bramki cyfrowej
2. Projektowanie i weryfikacja topografii układu scalonego w stylu full-custom.
3. Projektowanie z wykorzystaniem komórek standardowych; wstęp do automatyzacji projektowania.
4. Zagadnienia projektowania analogowych układów CMOS z uwzględnieniem rozrzutów produkcyjnych.
5. Testowanie cyfrowych układów scalonych.
6. Pomiary ostrzowe prototypów.

1. W. Kuźmicz, A. Pfitzner, Podręcznik elektroniczny do przedmiotu dostępny z witryny www przedmiotu (w trakcie modyfikacji)
2. A.Gołda, A.Kos, "Projektowanie układów scalonych CMOS", WKŁ, W-wa 2010
3. M. J. Patyra, "Projektowanie układów MOS w technice VLSI", WNT, W-wa 1993
4. W.Kuźmicz, "Projektowanie analogowych układów scalonych". wyd. 2, WNT, W-wa 1985
5. T. Łuba, B. Zbierzchowski, "Komputerowe projektowanie układów cyfrowych ", WKiŁ, W-wa 2000
6. W. Mały, "Atlas of IC Technologies", Benjamin/Cummings, Menlo Park 1987.

Witryna www przedmiotu:

http://vlsi.imio.pw.edu.pl/pmk/

zawiera podręcznik, materiały do ćwiczeń laboratoryjnych, instrukcje obsługi narzędzi CAD

Oprogramowanie:

Narzędzia komputerowego wspomagania projektowania (jak edytor masek, symulatory, programy weryfikacyjne) wchodzące w skład oprogramowania własnego IMiOCAD Zakładu Metod Projektowania w Mikroelektronice oraz innych programów CAD (np. Mentor) w powiązaniu ze wzbogaceniem platformy komputerowej laboratorium.

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki