3

3
1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1
Цель преподавания дисциплины:
«CАПР и конструирование электронных систем, приборов» - является базовым курсом
при подготовке специалистов. В процессе обучения студенты должны получить: знания
архитектур, конструктивных элементов, областей применения, технологий изготовления и
методов проектирования интегральных микросхем (ИМС) и микропроцессоров; умение
выполнять проектно-конструкторские и расчетные работы по созданию и внедрению в
эксплуатацию новых типов БИС и СБИС с использованием современных методов
проектирования и САПР, рациональное использование существующих интегральных
устройств; навыки автоматизированного проектирования специализированных БИС и
микропроцессоров.
Целью преподавания дисциплины является приобретение студентами знаний в области
проектирования современных интегральных схем и систем, обучение студентов основам
знаний по постановке и решению типовых задач автоматизированного проектирования
высокоэффективных
интегральных
систем,
разработке
и
проектированию
специализированных БИС и СБИС.
1.2
Задачи изучения дисциплины:
Основная задача курса – подготовить будущих специалистов к технически
грамотному их применению, к дальнейшему изучению специальной литературы по
отдельным вопросам данной области и стимулировать их на совершенствование
существующих разработки новых методов технологии производства интегральных схем,
приборов и устройств микроэлектроники и интегральных микросхем.
В результате изучения дисциплины «CАПР и конструирование электронных систем,
приборов» студенты должны:
- знать принцип действия, особенности конструкций, технические характеристики
приборов и устройств микроэлектроники и ИМС;
- иметь представление о путях развития и технологии производств интегральных схем;
- уметь, проводить исследования физических процессов в приборах микроэлектроники;
- уметь работать с технической литературой, справочниками и технической документацией.
1.3
Пререквизиты дисциплины:
Материалы дисциплины базируется на следующие дисциплины:
- Высшая математика;
- Физика;
- Электроника;
- Микроэлектроника.
1.4
Постреквизиты дисциплины:
Спецкурсы по специальности 050716 – Приборостроение.
4
2
СИСТЕМА ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ
2.1. Распределение рейтинговых процентов по видам контроля
Таблица 1
Вид итогового контроля
Курсовой проект
Виды контроля
Проценты
Итоговый контроль
Рубежный контроль
Текущий контроль
100
100
100
Календарный график сдачи всех видов контроля
по дисциплине «CАПР и конструирование электронных систем, приборов»
Таблица 2
Недели 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Виды
Л1 П1 Л2 П2 Л3 П3 Р1, П4 Л5 П5 Л6 П6
контро
Л4
ля
Нед.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
кол-во
контро
ля
Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 3).
13
Л7
14
П7
15
Р2
1
1
1
2.3. Оценка знаний студентов
Таблица 3
Оценка
Отлично
Хорошо
Удовлетворительно
Неудовлетворительно
Буквенный
эквивалент
А
АВ+
В
ВС+
С
СD+
D
F
5
В процентах %
В баллах
95-100
90-94
85-89
80-84
75-79
70-74
65-69
60-64
55-59
50-54
0-49
4
3,67
3,33
3,0
2,67
2,33
2,0
1,67
1,33
1,0
0
3 СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
3.3 Распределение часов по видам занятий
Количество академических часов
Наименование темы
лекции
1
2
1. Введение в проектирование и
конструирование
электронных
систем и приборов.
Методология
проектирования
интегральных схем
2.
Принципы
и
методы
проектирования.
3.
Этапы
проектирования.
Логическое
проектирование.
Разработка спецификации.
4.
Этапы
проектирования.
Схемотехническое проектирование.
5. Топологическое проектирование.
Правила
проектирования
топологии.
6. Компонентное проектирование.
Проектные процедуры процесса
проектирования.
7.
Архитектура САПР БИС.
Маршруты
проектирования.
Классификация САПР.
8.
Архитектура
САПР.
Программные
средства
проектирования.
Принципы
построения баз данных. Основные
принципы САПР.
9.
Принципы построения баз
данных. Маршруты проектирования
БИС. Реляционная модель данных.
10. Автоматизация проектирования
полузаказных БИС. Маршруты
проектирования матричной БИС.
Средства проектирования компании
CADENCE.
11. Проектные процедуры. Методы
решения
задач
структурного
синтеза.
12. Модели представления проекта
СБИС. Уровни проекта.
13. Проектирование интегральных
систем.
Высокоуровневое
проектирование.
2
Лаб.
занятия
Практ.
занятия
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
6
3
3
СРС
СРСП
4
5
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
14.Высокоуровневое
проектирование.
Архитектура
систем на кристалле.
15. Автоматическое проектирование
и искусственный интеллект.
Всего
2
4
4
2
4
4
60
60
30
15
15
3.2.Наименование тем лекционных занятий и их содержание
Таблица 5
№
пп
1.
2
3
4
5
6
7
8
Наименование тем
Введение в проектирование и конструирование электронных систем и приборов.
Методология проектирования интегральных схем. Классификация интегральных схем.
Стандартные МИС, стандартные СИС, полузаказные БИС, заказные БИС, СБИС и
УБИС. Программируемые логические матрицы.
Классификация параметров интегральных схем. Принципы и методы
проектирования. Принцип декомпозиции. Унификация задач. Контролируемость
каждого этапа проектирования. Методы проектирования. Расчет по аналитическим
выражениям.
Этапы проектирования. Логическое проектирование. Разработка спецификации.
Основное достоинство блочно-иерархического подхода. Проектирование современных
СТС. Технологические возможности изготовления БИС. Процесс проектирования БИС.
Этапы проектирования.
Схемотехническое проектирование. Классификация
методов структурного синтеза. Типы логических схем. Статистической оптимизация
ИС.
Топологическое проектирование. Правила проектирования топологии. Разработка
топологии ИС. Правила проектирования топологии Мида-Конвей. Правила
расположения проводников и формирования транзисторов. Проверка соответствия
топологии электрической схеме.
Компонентное проектирование. Проектные процедуры процесса проектирования.
Выбор оптимальной геометрии компонентов ИС. Проектные процедуры процесса
проектирования. Последовательность выполнения проектных процедур. Полный цикл
проектирования БИС.
Архитектура САПР БИС. Маршруты проектирования. Классификация САПР.
Назначение систем. Способы организации информационных потоков. Специализация
программных средств. Способы организации внутренней структуры САПР.
Методология построения САПР.
Архитектура САПР. Программные средства проектирования. Принципы
построения баз данных. Основные принципы САПР. Среда проектирования.
Программные средства проектирования. Общесистемные программные средства.
Прикладное программное обеспечение (ППО). Принципы построения баз данных.
Принципы построения баз данных. Маршруты проектирования БИС.
Реляционная модель данных. Сетевая модель базы данных. Терминология
информационного обеспечения. Лингвистическое обеспечение.
10 Автоматизация проектирования полузаказных БИС. Маршруты проектирования
матричной БИС. Средства проектирования компании CADENCE. Проектирование
полузаказных БИС. Маршрут проектирования БИС на БМК. Средства проектирования
компании CADENCE. Этапы проектирования СБИС в среде Cadence.
9
7
11 Проектные процедуры. Методы решения задач структурного синтеза.
Структурный синтез. Методы решения задач структурного синтеза. Структурный
синтез СБИС. Линейное представление проекта СБИС. Y-представление проекта
СБИС. Уровни абстракции и области описания.
12 Модели представления проекта СБИС. Уровни проекта. Архитектурный уровень.
Компоненты
структурной
области.
Алгоритмический
уровень.
Уровень
функционального блока. Логический уровень. Схемотехнический уровень. Задачи
синтеза. Математические модели.
13 Проектирование интегральных систем. Высокоуровневое проектирование.
Классификация уровней проектирования. Уровни представления проекта интегральных
систем. Структурные компоненты уровней представления проекта. Модель уровня ИС.
Представление СБИС на уровне ИС.
14 Высокоуровневое проектирование. Архитектура систем на кристалле. Основные
аспекты цифровых устройств, отражаемых языком HDL. Общеалгоритмический
компонент VERILOG. Структура языка HDL. Проектирование систем на кристалле.
Архитектура систем на кристалле.
15 Автоматическое проектирование и искусственный интеллект. Системы
автоматического проектирования. Появление термина «КРЕМКОМ». Язык описания
поведения (ЯОП) объектов проектирования, транслятор с ЯОП, блок моделирования
системы на разных уровнях представления схемы. Искусственный интеллект в
проектировании.
Наименование тем лабораторных занятий, их содержание и объем в часах.
Таблица 6
№
Коли
Наименование лабораторных работ
чест.
часов
1 Изучение интерфейса программы Capture САПР OrCAD и настройка
2
нового проекта в программе Capture САПР OrCAD. Познакомиться с
составом пакета OrCAD.Создать проект типа PC Board с возможностью
моделирования электронных схем. Познакомиться с возможностями
конфигурирования редактора Capture, изменить настройки по умолчанию для
вновь создаваемых проектов.
2 Создание принципиальной электрической схемы. Создать проект типа
2
Schematic. Создать библиотеку с именем russian.olb. Создать угловой штамп в
соответствии с ГОСТ 2.104-68. Создать указанные преподавателем
компоненты: одноблочный и многоблочный.
3 Подготовка файлов проекта для передачи в другие программы. Научиться
2
создавать и редактировать принципиальные схемы в редакторе Capture.
Создание списка соединений, создание отчетов, импорт и экспорт
принципиальных схем, использование OrCAD Capture совместно с OrCAD
Layout, использование команды Annotate, просмотр и редактирование VHDL
файла, текстового файла.
4 Загрузка файла списка соединений в программу LayoutPlus САПР OrCAD.
2
Создать проект типа Analog or Mixed A/D. Рассчитать схему фильтра в
соответствии с вариантом. Создать в Capture схему фильтра. Провести
моделирование схемы.
3.3.
8
5
Изучение интерфейса программы LayoutPlus САПР OrCAD и
автоматическая трассировка проводников. Познакомиться с разводчиком
Layout.
Сконфигурировать Layout по индивидуальному заданию
преподавателя. Создать корпус по заданию преподавателя. Создать новую
библиотеку корпусов.
2
6
Трассировка печатной платы в ручную. Создать проект типа PCB. Создать в
Capture предложенную преподавателем схему. Создать список соединений для
Layout. Загрузить в Layout технологический шаблон и список соединений.
Расставить компоненты схемы и развести печатную плату.
Подготовка печатной платы к производству. Создать новый документ в
VisualCADD. Настроить параметры редактора VisualCADD по заданию
преподавателя. Создать чертеж заданной печатной платы. Конвертировать
полученный чертеж в редактор Layout.
Всего
2
7
3
15
Наименование тем практических занятий, их содержание и объем в часах.
Таблица 6
№
Коли
Наименование практических занятий
чест.
часов
1 Расчет профилей распределения примесей при высокотемпературной
2
+
диффузии. Определить режимы интегрального транзистора со структурой n -pn на кремнии, для которой заданы параметры.
2 Расчет профилей распределения примесей при высокотемпературной
2
диффузии. Определить режимы имплантации: энергии ионов Е, дозы
имплантации Ф и длительности процессов при формировании интегрального
транзистора со структурой n+-p-n на кремнии, для которой заданы параметры .
3 Расчет топлогии ИМС. Для расчета надо использовать матрицы соединений.
2
Задан граф G, имеющий семь вершин. Необходимо разбить его на два куска. В
данном случае, очевидно, что граф разбивается на два куска G1 и G2 в которых,
соответственно, три и четыре вершины. Однако при решении реальных
топологических задач, это редко бывает очевидным.
4
Параллельный алгоритм одновременного размещения. Суть задачи состоит в
2
размещении вершин графа на заданных позициях коммутационного поля, т.е.
надо указать какая вершина на какой позиции должна быть установлена.
5 Расчет первичных и вторичных параметров печатного монтажа. Расчет
2
первичных и вторичных параметров печатного монтажа может быть проведен
на основе справочных формул, полученных методом конформных
преобразований.
6 Математическая формулировка задачи параметрической оптимизации
2
электрических схем. Решения задачи параметрической оптимизации
начинается с выбора критерия оптимизации и формулировки системы
ограничений, в пределах которой ищется оптимальное решение.
7 Выход годных кристаллов. Количество криисталлов на пластине можно
3
оценить с помощью выражения, учитывающую потерю кристаллов по
периметру пластины.
Всего
15
3.4.
9
3.5 Наименование тем самостоятельной работы студентов (СРС), их содержание и
объем в часах
Таблица 7
№
КолиНаименование тем
чество
часов
1
Электромагнитная совместимость (ЭМС) электронных средств, ЭМС, ЭМС
4
как один из важнейших показателей электронных средств.
Домашнее задание 1: реферат.
2
Быстродействие как фактор развития электронных средств; влияние
4
быстродействия на конструкцию изделия; физический и виртуальный
прототип в процессе создания электронных средств; роль виртуального
прототипа в повышении эффективности проектирования; верификация
проектных решений; разновидности процедур верификации; модели,
используемые на этапе верификации.
Домашнее задание 2: реферат.
3
Способы задания графов. Элементы графа.
4
Домашнее задание 3: реферат.
Задачи топологического проектирования.
4
4
Модель топологии для автоматического проектирования.
Домашнее задание 4: реферат.
5
Основные параметры цифровых ИМС. Конструкции печатных плат.
4
Домашнее задание 5: реферат.
6
Параметры линий передач и методы их расчета. Идеальные компоненты
4
общей модели линии передачи; их физическая суть. Эффективная
диэлектрическая проницаемость и ее определение.
Домашнее задание 6: реферат.
7
Влияние емкости короткой линии на быстродействие, искажения сигнала в
4
длинной линии и влияние на них параметров линии и нагрузок, коэффициент
отражения и возможность управлять его значением, способы согласование
длинных линий, их сравнительные преимущества и недостатки.
Домашнее задание 7: реферат.
Причины возникновения помех в системе питания цифровых устройств,
8
4
основные методы подавления помех в шинах питания, роль развязывающих
конденсаторов, способы снижения индуктивности в системе питания.
Домашнее задание 8: реферат.
9
Базовые матричные кристаллы БМК и библиотеки функциональных блоков,
4
БМК на основе ЭСЛ вентилей, БМК на основе КМОП вентилей, БМК на
арсениде галлия.
Домашнее задание 9: реферат.
10
Направленность (тенденции) современного конструирования электронной
4
аппаратуры.
Домашнее задание 10: реферат.
Конструкции технических систем по классам.
11
4
Домашнее задание 11: реферат.
12
Факторы, воздействующие на систему на стадии эксплуатации.
4
10
13
14
15
№
1
Домашнее задание 12: реферат.
Формы проявления воздействия на организм человека отдельных факторов.
Домашнее задание13: реферат.
Фактор воздействия на электронную аппаратуру и человека.
Домашнее задание 14: реферат.
Основные характеристики стойкости аппаратуры к ионизирующим
излучениям (И.И.).
Домашнее задание 15: реферат.
Всего (часов)
4
4
4
60
3.6 Наименование тем самостоятельной работы студентов под руководством
руководителя (СРСП), их содержание и объем в часах
Таблица 8
КолиНайменований тем
чест.
часов
4
Верификация в проектировании модулей. Верификация проектных решений;
разновидности процедур верификации; модели, используемые на этапе верификации
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Топологическое проектирование. Основные понятия теории графов.
Классификация графов. Содержание задач топологического проектирования.
Алгоритмы решения топологических задач. Топологическое
проектирование. Основные правила топологического проектирования.
Элементная база ЭС и конструкции плат. Основные параметры цифровых
ИМС. Динамическая помехоустойчивость. Конструкции печатных плат.
Линии передачи в монтажных соединениях и методы их расчета.
Параметры линий передач и методы их расчета. Методы расчета параметров
линий передачи. Микрополосковая и полосковая линия передачи.
Помехи в одиночных линиях. Помехи в короткой линии. Помехи в длинных
линиях передачи. Эквивалентная схема драйвера, работающего на длинную
линию.
Перекрестные помехи в связанных линиях передачи. Перекрестная
помеха в короткой линии. Форма перекрестной помехи в короткой линии.
Перекрестная помеха в длинной линии.
Помехи в шинах питания. Механизме возникновение помех. Изменение
напряжения питания микросхемы. Установка развязывающих конденсаторов
Устранение помех по шинам питания.
Структурный
метод
проектирования МПП.
Основные
этапы
проектирования. Базовые звенья МПП на основе микрополосковой линии.
Конструкция базовых звеньев. Требования к стеку МПП. Цель расчета
базовых звеньев.
Базовые матричные кристаллы БМК и библиотеки функциональных
блоков. Особенности БИС на основе БМК. Элементная база БМК. Структура
БМК. БМК на основе ЭСЛ вентилей.
Конструкторская иерархия элементов, узлов и устройств электронной
аппаратуры.
Конструктивно-технологические
требования.
Эксплуатационные требования. Требования по надежности.
Классификация конструкций аппаратуры по конструкторскому
исполнению. Стандартизация конструкций ЭВА. Единая система
конструкторской документации (ЕСКД). Общие термины в ЕСКД. Виды
11
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
13
14
15
конструкторских документов.
Защита конструкторской аппаратуры от воздействия влаги. Величины,
характеризующие массу водяного пара, находящегося в воздухе. Способы
влагозащиты аппаратуры.
Помехозащищенность электронной аппаратуры. Виды помех. Виды
паразитных связей. Источники и приемники помех. Основные задачи по
борьбе с помехами.
Способы защиты от ионизирующего излучения. Ионизационный эффект.
Радиационный эффект. Основные характеристики стойкости аппаратуры к
ионизирующим излучениям.
Всего (часов)
3.5.
№
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Дата
2
Время
3
4
4
4
60
График проведения занятий
Таблица 9
Наименование тем
4
Лекции
Введение
в
проектирование
и
конструирование
электронных систем и приборов.
Классификация параметров интегральных схем. Принципы
и методы проектирования.
Этапы проектирования.
Логическое проектирование.
Разработка спецификации.
Этапы
проектирования.
Схемотехническое
проектирование.
Топологическое проектирование. Правила проектирования
топологии. Разработка топологии ИС.
Компонентное проектирование. Проектные процедуры
процесса проектирования.
Архитектура САПР БИС. Маршруты проектирования.
Классификация САПР.
Архитектура
САПР.
Программные
средства
проектирования. Принципы построения баз данных.
Принципы
построения
баз
данных.
Маршруты
проектирования БИС.
Автоматизация проектирования полузаказных БИС.
Маршруты проектирования матричной БИС. Средства
проектирования компании CADENCE.
Проектные
процедуры.
Методы
решения
задач
структурного синтеза. Структурный синтез.
Модели представления проекта СБИС. Уровни проекта.
Архитектурный уровень.
Проектирование интегральных систем. Высокоуровневое
проектирование.
Высокоуровневое проектирование. Архитектура систем на
кристалле. Основные аспекты цифровых устройств,
отражаемых языком HDL.
Автоматическое
проектирование
и
искусственный
12
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
интеллект. Системы автоматического проектирования.
Лабораторные занятия
Изучение интерфейса программы Capture САПР OrCAD и
настройка нового проекта в программе Capture САПР
OrCAD.
Создание принципиальной электрической схемы. Создать
проект типа Schematic.
Подготовка файлов проекта для передачи в другие
программы. Научиться создавать и редактировать
принципиальные схемы в редакторе Capture.
Загрузка файла списка соединений в программу LayoutPlus
САПР OrCAD.
Изучение интерфейса программы LayoutPlus САПР
OrCAD и автоматическая трассировка проводников.
Трассировка печатной платы в ручную. Создать проект
типа PCB.
Подготовка печатной платы к производству. Создать
новый документ в VisualCADD.
Практические занятия
Расчет
профилей
распределения
примесей
при
высокотемпературной диффузии.
Расчет
профилей
распределения
примесей
при
высокотемпературной диффузии.
Расчет топлогии ИМС.
Параллельный алгоритм одновременного размещения.
Расчет первичных и вторичных параметров печатного
монтажа.
Математическая
формулировка
задачи
параметрической оптимизации электрических схем.
Математическая формулировка задачи параметрической
оптимизации электрических схем.
Выход годных кристаллов.
4.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Основная литература
Казённов Г. Г., Соколов А. Г. Основы построения САПР и АСТПП. - М.: Высшая школа,
1989 (учебник).
Казённов Г. Г. Основы проектирования интегральных схем и систем. – М: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2005.
Жан М. Рабай, Ананта Чандраксан, Борибож Николич. Цифровые интегральные схемы.
Методология проектирования. –Москва, С-Пб, Киев, 2007.
Казённов Г. Г., Кремлёв В. Я. Полупроводниковые интегральные схемы. - М.: Высшая
школа, 1987.
Щемелинин В. М.. Автоматизация топологического проектирования БИС. - М.:
МИЭТ, 2001.
Дж.Кеоун. Or CAD P-SPISE. Анализ электрических цепей. – ДМК ПРЕСС, 2008.
13
1.
2.
3.
4.
Дополнительная литература:
Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей
аппаратуры.  М.: ООО "группа ИДТ", 2007.  616 с.
Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. – М.: Издательский дом "Технологии",
2003.  540 с.
Лаборатория САПР. http://www.csa.ru/CSA/CADS/enter.htm.
Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического
электричества.  М.: Издательский дом "Технологии", 2005.  352 с.
14
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2
2.1
3
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
4
Цели дисциплины ………………………………………………………………………3
Система оценки знаний студентов ………………………………………………………4
Распределение рейтинговых баллов по видам контроля ………………………………4
Содержание дисциплины ………………………………………………………………...5
Наименование тем лекционных занятий и их содержание …………………….............6
Наименование тем лабораторных занятий ………………………………………………7
Наименование тем практических занятий ………………………………………………8
Наименование тем самостоятельной работы студентов (СРС), их содержание
и объем в часах ……………………………………………………………………............9
Наименование тем самостоятельной работы студентов под руководством
руководителя (СРСП), их содержание и объем в часах ………………………………..10
График проведения………………………………………………………………………..11
Учебно-методические материалы по дисциплине ……………………………………...12
15