Электроника интегральных схем. Лабораторные работы и упражнения

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ» 
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОНИКА 
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ 
 
Лабораторные работы и упражнения 
 
 
Под редакцией доктора технических наук 
К. О. Петросянца 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  
СОЛОН-Пресс 
2020 

ББК 31.27-02 
УДК 621.382 
     П 29 
 
Авторы:  
К. О. Петросянц,  
П. А. Козынко, Н. И. Рябов,  
Л. М. Самбурский, И. А. Харитонов 
 
Под редакцией д-ра техн. наук, проф. К. О. Петросянца 
 
Рецензенты: 
М. А. Королёв – д-р техн. наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники»; 
В.С. Першенков – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой микроэлектроники Национального исследовательского ядерного универстита 
«Московский инженерно-физический институт». 
 
 
П29  
Электроника интегральных схем. Лабораторные работы 
и упражнения. Учебное пособие под редакцией д-ра техн. наук 
К. О. Петросянца. ௅ М: СОЛОН-Пресс, 2020. ௅ 556 с. 
 
Рассмотрены принципы работы и электрические характеристики биполярных и МОП-транзисторов интегральных схем, базовых элементов цифровой и аналоговой схемотехники, БМК и ПЛМ, микроконтроллеров и микропроцессоров. Описаны методики выполнения лабораторных, расчетных на 
ЭВМ, курсовых, самостоятельных и др. работ. Пособие предназначено для 
бакалавров и магистров различных специальностей, изучающих электронику, 
микроэлектронику и схемотехнику; отдельные разделы могут быть полезными для аспирантов и инженеров-практиков. 
 
 
УДК 621.382 
 
 
 
 
ISBN 978-5-91359-213-2 
© СОЛОН-Пресс, 2020 
 
© Петросянц К. О., 2020 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие 
5
Глава I. Полупроводниковые приборы 
9
1.1. Изучение статических характеристик биполярного транзистора и 
определение основных параметров его модели для расчёта  
схем ......................................................................................................... 9
1.2. Определение параметров моделей биполярных транзисторов ............ 34
1.3. Изучение статических характеристик МОП-транзистора и 
определение основных параметров его модели для расчёта  
схем ....................................................................................................... 59
1.4. Определение параметров моделей  МОП транзисторов 
....................... 81
Глава II. Аналоговые  электронные схемы 
101
2.1. Усилитель с общим эмиттером ............................................................. 101
2.2. Электронные устройства на операционных усилителях .................... 119
2.3. Изучение диодного и транзисторного стабилизаторов напряжения 
. 158
2.4. Изучение схемы генератора линейно изменяющегося напряжения 
(ГЛИН) ................................................................................................ 166
2.5. Проектирование аналоговой схемы  на основе  
БМК «ФАРХАД-2» 
............................................................................ 174
Глава III. Цифровые электронные схемы 
190
3.1. Изучение схемы ключа  на биполярном транзисторе ......................... 190
3.2. Изучение статических и динамических характеристик 
транзисторно-транзисторных логических интегральных  
схем (ТТЛ) .......................................................................................... 206
3.3. Изучение статических и динамических характеристик логических 
интегральных схем на комплементарных  
МОП-транзисторах (КМОП) ............................................................ 226

Оглавление 
3.4. Моделирование логических вентилей .................................................. 244
3.5. Моделирование работы триггеров ........................................................ 270
3.6. Моделирование работы  регистров и счётчиков ................................. 287
3.7. Моделирование работы ОЗУ ................................................................. 305
3.8. Моделирование работы АЛУ ................................................................ 338
3.9. Проектирование логической схемы на основе БМК «МЕЛИССА» 
.. 359
Глава IV. Микроконтроллеры 
396
4.1. Краткие теоретические сведения .......................................................... 396
4.2. Изучение архитектуры микроконтроллера MC68HC908QT4 
............ 419
4.3. Блок АЦП микроконтроллера MC68HC908QT4 ................................. 425
4.4. Модуль времени и порты ввода/вывода микроконтроллера 
MC68HC908QT4 ................................................................................ 429
Глава V. Тестирование цифровых устройств. Язык описания 
аппаратуры VHDL 
435
5.1. Логическое моделирование и разработка тестов для цифровых 
устройств ............................................................................................ 435
5.2. Язык описания аппаратуры VHDL ....................................................... 466
5.3. Разработка модели калькулятора на ПЛМ Xilinx 
................................ 532
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
За прошедшее десятилетие опубликовано достаточное количество отечественной и переведенной на русский язык зарубежной учебной литературы, посвящённой микроэлектронным полупроводниковым приборам и схемам. Описаны их типовые конструкции, принцип работы, характеристики и 
области применения. Однако, практические вопросы измерения и исследования характеристик полупроводниковых приборов и схем, определения параметров их моделей для схемотехнического проектирования, верификации и 
тестирования, являющиеся ключевыми для разработчиков электронной аппаратуры, рассмотрены недостаточно.  
Этот пробел в значительной степени устранён в настоящем учебнометодическом пособии௅практикуме «Электроника интегральных схем. 
Лабораторные работы и упражнения». 
Достоинством практикума является то, что он ориентирован на все 
уровни обучающихся: бакалавров, специалистов, магистрантов, аспирантов, 
а также может быть полезен практическим инженерам, повышающим свою 
квалификацию. 
Практикум состоит из пяти глав.  
Первая глава посвящена основным приборам современных полупроводниковых интегральных схем: биполярным и МОП-транзисторам. Кратко 
объясняется принцип их работы, описываются базовые физические структуры и конструкции, электрические характеристики и параметры. Основное 
внимание уделено вопросам выполнения лабораторных и др. практических 
работ по измерению и исследованию характеристик и параметров транзисторов с помощью современного измерительного оборудования. Впервые 
для отечественных вузов, ведущих подготовку инженеров௅электронщиков, 
по настоятельному требованию предприятий௅работодателей в практикум 
были добавлены два чрезвычайно важных нововведения: 1. Определение 
(экстракция) SPICE-параметров моделей транзисторов из результатов измерения их характеристик; 2. Приобретение практических навыков работы 
не только с традиционными кремниевыми биполярными и МОП-транзисто

Предисловие 
рами, но и с их наиболее перспективными разновидностями на основе кремний௅германия и структур «кремний на изоляторе». В результате, за прошедшее десятилетие удалось подготовить поколение инженеров с резко возросшим уровнем теоретической и практической подготовки в области разработки и проектирования интегральных схем. Разработанная методика подготовки даёт хорошие результаты и весьма востребована по настоящее время. 
Вторая и третья главы посвящены практическому исследованию режимов работы и основных характеристик и параметров типовых аналоговых 
и цифровых фрагментов современных биполярных и КМОП-интегральных 
схем. Преимуществом данных глав, по сравнению с материалами, изложенными в методических пособиях других вузов, является наличие разделов, посвящённых практическим аспектам проектирования аналоговых (Глава 2) 
и цифровых (Глава 3) устройств на основе отечественных базовых матричных кристаллов (БМК). В начале 2000-х годов и по настоящее время этот 
подход был и остаётся перспективным направлением разработки электронной аппаратуры и, как следствие, широко используется предприятиями. Следует отметить, что сегодня создание электронной аппаратуры на основе отечественных БМК является одним из элементов стратегии импортозамещения 
в российской электронике. Настоящий практикум призван явиться важной 
вехой в системе подготовки инженерных кадров для решения этой задачи. 
В четвёртой главе представлен комплекс лабораторных работ по изучению характеристик и приобретению практических навыков работы с БИС 
микроконтроллеров, которые получили очень широкое распространение 
в современной аппаратуре, предназначенной для измерения, контроля, 
управления объектами различного назначения. 
Пятая глава посвящена чрезвычайно важному вопросу ௅ тестированию 
цифровых микросхем. Именно результаты верификации и тестирования в конечном итоге определяют работоспособность микросхем и их пригодность 
для практического использования в аппаратуре. В отечественных вузовских 
практикумах по приборам и интегральным схемам этот вопрос ранее не рассматривался. Включение его в практикум было продиктовано настоятельными требованиями промышленности. В процессе выполнения лабораторных 
и курсовых работ студенты изучают модели логических элементов и цифровых устройств, виды неисправностей, алгоритмы тестирования, а также при

Предисловие 
 
7 
обретают практические навыки построения тестов, оценки их полноты, поиска неисправностей с помощью логического моделирования и средств САПР. 
В этой же главе приведён комплекс лабораторных работ по изучению и освоению языка описания аппаратуры VHDL. Приведены методические указания 
по разработке моделей цифровых устройств на программируемых логических матрицах (ПЛМ) фирмы Xilinx ௅ мирового лидера в этом виде электронных компонентов. Как финишный этап приведена лабораторная работа 
«Построение модели калькулятора на языке VHDL на элементной базе ПЛМ 
Xilinx». Таким образом, студенты и практические инженеры приобретают 
навыки построения сложной аппаратуры на основе цифровых микросхем 
различных видов и конструктивного воплощения. 
Материал, представленный в практикуме, был использован авторами 
в МИЭМ с 2005 по 2012 г.г. и в МИЭМ НИУ ВШЭ с 2012  по 2016 г.г. 
в процессе преподавания следующих дисциплин: электроника (на русском 
и английском языках), микросхемотехника, проектирование цифровых 
устройств, элементная база персональных ЭВМ и компьютерное моделирование устройств микроэлектроники и ряда других электронных дисциплин 
для обучения студентов по направлениям подготовки 210100 «Электроника 
и наноэлектроника», 210000 «Электроника, радиоэлектроника и связь», 
230100 «Информатика и вычислительная техника», а также ряда смежных 
направлений: 100501 «Компьютерная безопасность», 200501 «Метрология и 
метрологическое обеспечение», 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 220100 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», 220300 «САПР», 220201 «Управление и информатика в технических системах», 220501 «Управление качеством». 
Отдельные разделы и методики практикума использовались также для 
подготовки инженеров-электронщиков в ряде других российских технических университетов. 
Опираясь на десятилетний опыт использования учебно-методических 
наработок, изложенных в  настоящем практикуме, для подготовки инженеров௅электронщиков различного профиля, авторы могут заключить, что он 
оказался безусловно полезным по следующим причинам: во-первых, он удовлетворяет требованиям работодателей в части усиления практической подготовки выпускников с целью резкого сокращения сроков их адаптации на 

Предисловие 
будущем месте работы; во-вторых, соответствует тенденции российского и 
мирового технического образования в части увеличения доли практических и 
самостоятельных занятий; в-третьих, широко использует методы математического моделирования и САПР в сочетании с методами измерения 
и исследования характеристик полупроводниковых приборов и схем с помощью современных измерительных устройств и  систем, что отвечает передовому мировому уровню подготовки специалистов в области электроники, 
микро- и наноэлектроники, а также связанных с ними смежных областей. 
Распределение авторского участия при написании пособия сложилось 
следующим образом. Главы 1 ௅ 3 написаны совместно Петросянцем К. О., 
Рябовым Н. И., Самбурским Л. М., Харитоновым И. А.; глава 4 написана Рябовым Н. И.; глава 5 написана Козынко П. А. Общее редактирование пособия 
выполнено д. т. н., проф. Петросянцем К. О. 
Авторы признательны сотрудникам кафедры «Электроники и наноэлектроники» МИЭМ, принимавшим участие в подготовке и написании материалов для пособия: Гоманиловой Н. Б. (§5.1), Торговникову Р. А. (§§1.2, 
2.5), Стародубову А. Ю (§§3.4௅3.7),  Ушакову В. Н.  (§2.2). 
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам учебного пособия: проф., д.т.н. Королеву М. А. (НИУ МИЭТ) и проф., д. т. н. Першенкову В.С. (НИЯУ МИФИ) за высказанные замечания, которые были учтены 
в окончательной редакции книги и способствовали улучшению её содержания. 
 

 
 
ГЛАВА I.  
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 
 
1.1. Изучение статических характеристик 
биполярного транзистора и определение 
основных параметров его модели 
для расчёта схем 
 
 
Лабораторная работа 
 
1.1.1. Цели работы 
x Экспериментальное исследование входных и выходных вольт-амперных 
характеристик (ВАХ) биполярного транзистора; 
x Приобретение навыков измерения характеристик биполярных транзисторов и определения основных параметров схемотехнической модели Гуммеля௅Пуна транзистора по результатам измерения его ВАХ; 
x Приобретение навыков расчёта схем и моделирования характеристик 
транзисторов с помощью программы схемотехнического анализа SPICE. 
1.1.2. Краткие теоретические сведения. 
Структура транзистора и принцип его работы 
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор 
с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. 
Полупроводниковый кристалл такого транзистора состоит из трех различных 
областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми 
находятся два p-n перехода, расположенные в непосредственной близости 
один от другого. В зависимости от порядка расположения трёх областей 
в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. 
Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис. 1,а,б. 

Глава I. Полупроводниковые приборы 
Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области ௅ 
соответственно, эмиттером (Э) и коллектором (К). P-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором 
и базой ௅ коллекторным. Часть поверхностей эмиттера, базы и коллектора 
покрывают металлическими пленками. К этим пленкам приваривают или 
припаивают выводы, с помощью которых на переходы транзистора подается 
внешнее напряжение. 
На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так 
и обратное напряжение. Прямым считается такое напряжение на переходе, 
при котором происходит инжекция носителей в переходе («+» на р-области, 
«–» на n-области). Соответственно различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки ࣓ на оба перехода поданы обратные 
напряжения; режим двойной инжекции ࣓ на оба перехода поданы прямые 
напряжения; нормальный активный режим – на эмиттерный переход подано 
прямое напряжение, а на коллекторный обратное; инверсный активный режим – на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный прямое. 
 
Рис. 1. Структуры и схемное обозначение npn (а) и pnp (б) транзисторов 
В режиме отсечки через оба перехода протекают незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет 
в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю. 
В режиме двойной инжекции (иногда называемого режимом насыщения) через оба перехода одновременно инжектируются носители в базу и со