Разработка интегрального аналогового устройства. 5

 Министерство РФ  по связи и информатизации.

Сибирский государственный  университет телекоммуникаций и 

информатики.

ФУПС БФ СибГУТИ.

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

  ПО КУРСУ: «Схемотехника»

 

Тема:    «Разработка интегрального аналогового устройства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:	Ухинов П.Л.
Группа:	М-02
Шифр:	211
Вариант:	11
Проверил:	Хаптаев А.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Улан-Удэ 2004г.

 

Содержание

 

Техническое задание	3
Введение	4
1. Разработка структурной схемы	5
2. Разработка принципиальной схемы 2.1Электрический  расчет. 2.2. Расчет элементов определяющих  АЧХ.	6 8 12
3. Разработка интегральной схемы	16
5. Этапы изготовления ГИМС	19
Зеключение Литература	21 22

 

          Цель работы:

 

1. Научится составлять электрические схемы аналоговых устройств на основе биполярных и полевых транзисторов.
2. Осуществлять правильный выбор типов и структур биполярных и полевых транзисторов.
3. Проводить электрический расчёт схем простейших аналоговых устройств.
4. Приобрести навыки в составлении топологии аналоговых интегральных микросхем.

 

 

 

 

 

 

Техническое задание:

 

1. Напряжение источника питания - U_пит = 9 В.
2. Коэффициент усиления по напряжению - К_u = 4.
3. Входное сопротивление - R_вх  = 0,47 МОм.
4. Сопротивление нагрузки - R_н = 2 кОм.
5. Номинальное входное напряжение - U_ном = 1 В.
6. Нижняя рабочая частота (НРЧ) - f_н = 300 Гц.
7. Верхняя рабочая частота (ВРЧ) - f_в = 3,4 кГц.
8. Коэффициент частотных искажений на НРЧ - М_н = 1 дБ.
9. Коэффициент частотных искажений на ВРЧ - М_в  = 2 дБ.
10. Тип входа - Н.
11. Тип выхода - С.

 

Введение.

 

Среди устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения усилители электрических сигналов получили самое широкое распространение. Их роль и значение для радиосвязи, радиовещания и телевидения трудно переоценить. По существу, они являются основой построения всей аппаратуры радиосвязи, радиовещания и телевидения: усиление электрических сигналов является фундаментальным свойством всей аппаратуры обработки сигналов. То же самое можно сказать и о дальней проводной связи, измерительной технике, вычислительной технике и многих других областях современной науки и техники.

Усилитель электрических сигналов - это устройство, увеличивающее (усиливающее) мощность подводимых к нему электрических  сигналов путём управления ими энергией собственного источника питания усилителя при помощи усилительных элементов (УЭ), обладающих управляющими свойствами. Следует отметить, что при усилении возможны искажения формы сигналов, но они не должны превышать допустимых значений.

Разрабатываемое устройство предназначено  для работы в звуковом диапазоне  частот и согласовано относительно высокого входного сопротивления с сопротивлением последующего каскада усилителя, работающего на низкой нагрузке.

Необходимость исполнения в виде гибридной  интегральной микросхемы вытекает из требований малой габаритности, малой энергоёмкости, технологичности изготовления и последующего применения в качестве предварительного усилителя низкой частоты, для портативных радиоприёмников и т.д.

Из-за высокой технологичности  следует низкая себестоимость компонентов, узлов радиоаппаратуры.

 

1. Разработка структурной схемы.

 

Современные усилители являются, как  правило, многокаскадными устройствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На схеме обозначено: ИС- источник сигнала ;Вх.цепь- входная цепь усилительного  устройства (УУ), не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, 1 КАСКАД, 2 КАСКАД - два усилительных каскада УУ (1 каскад - усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению и большое входное сопротивление, 2 каскад- усилитель мощности, усиливающий мощность сигнала и уменьшающий выходное сопротивление схемы), Вых.цепь- выходная цепь УУ, не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, Нагрузка - нагрузка УУ. Пунктиром на схеме выделено само усилительное устройство. 

 

2. Разработка принципиальной схемы.

 

Заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с полевым транзистором на входе и биполярным транзистором на выходе. Полевой транзистор обеспечивает в покое входное сопротивление R_ВХ = 0,47 МОм и усиление в 3…8 раз, биполярный транзистор допускает подключение низкой нагрузки, даёт симметричный выход и обеспечивает оставшееся усиление.

 

 

Предложенная схема работает следующим  образом :

Переменный сигнал поступает на вход схемы с генератора ЭДС равной Uг  и внутренним сопротивлением Rг  . Разделительный конденсатор Ср1 служит для разделения переменной и постоянной  составляющих сигнала так, что на затвор входного транзистора попадает только его переменная составляющая. Через резистор Rз задаётся постоянная составляющая напряжения затвора (в нашем случае Uз0 = 0 ) и режим работы транзистора VT1 по постоянному току. Полевой транзистор VT1 с управляющим p-n переходом (p- канальный транзистор ) работает в качестве усилителя напряжения с большим входным сопротивлением . Питающее напряжение на сток транзистора подаётся через резистор Rс (от источника питания Uп ), на котором и выделяется усиленный сигнал. Резистор Rc совместно конденсатором Ск задают постоянную времени τ= Rc*Ск , определяющую верхнюю рабочую частоту усилителя. Далее сигнал поступает на биполярный транзистор VT2 (p-n-p типа ) , который усиливает сигнал по мощности и уменьшает выходное сопротивление усилителя.

Второй каскад усилителя можно  рассматривать как фазоинверсный.

В схеме нагрузка выходной цепи  разделена на две части (в цепи коллектора и цепи эмиттера ).Через каждый нагрузочный резистор течет один и тот же ток переменного сигнала. Амплитуды напряжения переменного сигнала на этих нагрузочных резисторах одинаковы U_вых1 = U_вых2 ,а так же в каскаде с разделенной нагрузкой выбирают равными сопротивления в цепи коллектора , эмиттера и нагрузки (R_к = R_э = R_н).Следует отметить, что токи в нагрузочных резисторах R_к и R_э текут в противоположных направлениях относительно «земли», поэтому напряжения переменного сигнала относительно «земли» будут обратными по фазе. 

Приведенная схема с разделенной  нагрузкой имеет то преимущество, что в ней получаются хорошие частотная, фазовая и переходная характеристики на верхних частотах. Такая схема не дает усиления напряжения сигнала и имеет вдвое меньшее максимальное выходное напряжение по сравнению  с обычным резисторным каскадом, так как развиваемое усилительным элементом напряжение сигнала здесь делится пополам.  

Фазоинверсный каскад с разделенной  нагрузкой рассчитывают так же, как и обычный резисторный каскад.

 

                           

 

2.1.   Электрический  расчет

 

       Целью расчета   является выбор транзисторов  и определение  R_З , R_С , R_Э2 ,

а также  подбор   С_Р1 ,  С_Р2 , С_К ,  VT1 ,  VT2 ,    структура транзисторов,  которая зависит от полярности    Е_П  =  -9 В, значит VT1 – должен  иметь   p – канал, а VT2 -  ,,p-n-p”.

      Чтобы  определить конкретный  тип, надо вычислить токи  протекания  через эмиттер транзистора.  Расчет  ведется от последнего каскада  к первому.

 

1.Выбор VT2.

Определяем ток нагрузки по формуле:

Транзистор выходного каскада  выбирается по току покоя, который должен в 2¸5 раз превышать ток нагрузки: тогда пусть

 

          Максимальное  смещение Р.Т. в режиме «А»:

                                     I_к = I_р.т. + I_н = 4,2 + 2,1 = 6,3 мА

С помощью справочника [1] выбираем транзистор типа  «p-n-p» 2Т370А-1 с параметрами:                               

                                            I_к    = 15мА;

                                            U_кэ = 15В;

                                            h_21э = 30 – 200 – статистический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ. Выбираем 100                                                   

h_11Э – входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером. Согласно физической модели это R_Б, величиной от 100 до 250 Ом.

Примим 150 Ом.

 

2. Выбираем R_к= R_э= R_н (схема с разделенной нагрузкой).

 

R_к= R_э= R_н= 2000 Ом.

 

3. Определим коэффициент усиления каскада на VT2 по формуле:

 

К_u2= К_эп + К_оэ

Коэффициент передачи эмиттерного  повторителя определяется по формуле:

 

 

 

 

Получив необходимые данные для  дальнейших расчётов, рассчитаем коэффициенты усиления.

 

Коэффициент усиления транзистора  включенного по схеме с общим эмиттером определяется по формуле:

 

 

Общий коэффициент усиления на транзисторе  VT2 :

К_u2= 0,998 + 0,74 ≈ 1,74

 

 

 

 

 

4. Рассчитаем  входное сопротивление каскада  на VT2:

 

При R_С << 134,8 кОм коэффициент усиления:

 

5. Расчёт первого каскада на VT1.

 

Выбираем полевой транзистор малой  мощности с управляющим p-n переходом и каналом p-типа. Учитывая, что по заданию U_пит. = -9В, выбираем транзистор 2П201Д-1.

 

Его данные: P_{C MAX}= 60 мВт, U_{СИ MAX} =10 В; I_с.нач. = 3 – 6,0 мА

 

По семейству выходных ВАХ транзистора  с построением нагрузочных прямых производим расчет коэффициента усиления напряжения и номинальных значений элементов схемы.

Рабочая точка выбирается в пологой  области выходных ВАХ ПТ для обеспечения  лучших усилительных свойств транзистора.

Нагрузочная прямая строится по двум точкам:

 

1-я точка              I_с = 0                       U_с = U_пит = 9В;

 

2-я точка             U_с = 0                       I_{с max} = 4,8А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 Рис.3 Семейство ВАХ транзистора 2П201Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Из  выражения:

                       U_с = U_пит. – R_с*I_с  при U_с = 0 находим R_с

 

                       R_с = U_пит. / I_с = 9/4,0 *10^-3 = 1,875 кОм

 

Крутизна ВАХ определяется по формуле:

 

                       S = , при U_си const

                      

                       S = ((5,9 – 3,7) 10^-3) / (0,4 –0) = 5,5 мА/В

Коэффициент усиления первого каскада  рассчитывается по формуле:

                        К_u1 = S * R_с = 5,5 *10^-3*1,875*10³ = 10,31

 

6. Выбор R_З.

 

Поскольку во входной цепи полевого транзистора ток отсутствует, то

R_З=R_ВХ = 0,47 МОм.

 

2.2Расчёт элементов  определяющие АЧХ

 

Частотная характеристика усилителя  в области нижних частот определяется выбором емкостей разделительных конденсаторов:

 

, где

 

R_Г  = 0, R_З = 0,47МОм, F_Н = 300 Гц.

В расчетные формулы значения М_н1 и М_н2 следует подставлять в разах    М_Н= М_Н1* М_н2

 

 

М_н1=М_н2= = (раз)

                                                                                                                                                                                                                        

 

Частотная характеристика усилителя  в области верхних частот зависит от выбора емкости конденсатора С_К, рассчитываемой по формуле:

,

 

 

 

Расчет АЧХ в области нижних частот.

 

Расчет АЧХ в области нижних частот производим по формуле:

 

 

   

Расчет АЧХ проводим для частот: 0,1f_н; 0,2f_н; 0,5f_н; 0,7f_н; f_н; 1,5f_н;2f_н.

Результаты расчетов заносим в  таблицу 1:

 

 

 

 

 

fн(о.с)	0	0,1	0,2	0,5	0,7	1	1,5	2	0,5	1	2	5	10
fн(Гц)	0	30	60	150	210	300	450	600	1700	3400	6800	17000	34000
lg(fн)	0	1,4771	1,7781	2,1760	2,3222	2,4771	2,6532	2,7781	3,2304	3,5314	3,8325	4,2304	4,5314
Yн	0	0,0372	0,1338	0,4912	0,6543	0,7943	0,8967	0,9392	0,9691	0,8913	0,7008	0,3658	0,1928

         

                                                                    

 

Расчёт АЧХ в области верхних  частот.

Расчет АЧХ в области верхних  частот проводим по формуле:

                      

Рекомендуемые значения частот: : 0,5f_В, f_В, 2f_В, 5f_В, 10f_В.

 

Результаты расчетов заносим в  таблицу 1.По результатам расчета  строим АЧХ , используя логарифмический  масштаб оси частот, рис. 4.

                                                                                                  

Производим проверку соответствия расчетных и заданных значений М_н и М_в:

М_н = 1/Y_н = 1/ 0,89125= 1,122

М_в = 1/Y_в = 1/ 0,89125= 1,122

Расчетные значения М_н и М_в соответствуют заданным.

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                   

 

 

 

Рисунок 4 график АЧХ усилителя.

 

 

 

 

 

3.Разработка  интегральной микросхемы

 

 

В этом разделе необходимо подобрать  номиналы навесных элементов и определить конфигурацию интегральных элементов.

VT1 – навесной элемент (по условию) тип 2П201Д-1

VT2 – навесной элемент КТ207В

ГОСТ сопротивлений    Rэ₂ – 2 кОм, R_с = 2,2КОм, R_з=470КОм

Определяем коэффициент формы  по формуле К_фi = R_i / R_S

               ,где R_i –номинал i^го резистора в Омах,

               R_S –удельное поверхностное сопротивление в Ом / квадрат.

 

                       

 1) Резистор R_з =470КОм материал Кермет, R_S от3000…10000 Ом/кв.

          47

47<50 такой резистор  реализуется как пленочный, 47>10  составленного из нескольких полосок. 

                             L_З=К_ф*b_min=47*0.2=9,4мм

рассчитанная длина L представляет суммарную длину всех полосок (а,b),  где     b=bмин=200мкм (масочный метод изготовления)

                                      

2)  Резистор R_с номинал 1800Ом материал нихром

                                  

          6<10  Форма  полоска (а,b),где b=bмин=200мкм

           L_C=К_ф*b_{min =} 6*200мкм = 1,2 мм 

3)  Резистор R_э =Rк номинал 2000Ом материал Нихром

                     К_ф =   

         6,67<10  Форма полоска (а,b),где b=bмин=200мкм

         L_Э=К_ф*b_{min =} 6,77*200мкм = 1,33мм

Расчет мощностей рассеиваемых на резисторах:

                                               

1) Резистор R_З =470КОм

                  

             

 Резистор R_З состоит из четырех полосок размерами (L=9.4мм; b=0,2мм) с общей площадью S=1,88мм².

 

2.) Резистор R_c =1,8КОм

           

         

Так как рассчитанное значение оказалось  больше Р_МАХ ,  увеличиваем одновременно длину и ширину пленочного резистора в 9 раза. Это позволяет сохранить расчетное значение К_Ф:

(а=10,8мм; b=1,8мм)  S=19.44мм²

            .

Резистор R_Э имеет окончательные размеры (а=10,27мм; b=1.4мм)  S=14.4мм²3)

3) Резистор R_Э =2 КОм

 Р_{Rэ =} (4.2*10^-3)² *2000=36мВт

        

Так как рассчитанное значение оказалось  больше Р_МАХ ,  увеличиваем одновременно длину и ширину пленочного резистора в 7раза. Это позволяет сохранить расчетное значение К_Ф:

            .

Резистор R_Э имеет окончательные размеры (а=9,3мм; b=1,4мм)  S=13мм²

Расчет занимаемых площадей пленочных  конденсаторов:

                    С_р1 =2,2нФ;   С_р3 =156мкФ С_к= 11нФ

 

С_р1=2,2нФ_, по площади сравним с навесным, берем навесной. Тип К10-17 2,2нФ.

          (L=2мм; B=2мм) 

С_р3 =Ср2=156мкФ только навесной выбирается согласно рекомендациям К53-16,

          (L=4мм; B=2мм) 

С_к= 1,5нФ только навесной выбирается согласно рекомендациям   К10-17,

          (L=2мм; B=6мм) 

 

9. Выбор площади подложки

 

Общая площадь занимаемая всеми  элементами схемы:

 

Где Sтр – площадь занимаемая транзисторами;

SR – площадь занимаемая резисторами

Sс – площадь занимаемая конденсаторами

Sтр = S_VT1+S_VT2 = (1+0,175)=1,175мм²

SR = SRc+ SRэ +SRк + SR3 = 19,44+13+13+1,88=47,45мм²

Sc = Sср1 + Scр3 +Scр2 + Scк = 4+8+8+12= 24мм²

S_Σ= 1,175 + 47,45 + 24 = 72,63мм²

Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами и расстояние от края подложки,  увеличиваем суммарную площадь в 3 раза.

S = 3*S_Σ = 3*67,56=217,88мм²

Из рекомендуемых размеров плат выбираем плату длиной 20мм, шириной 16мм.

 

5. Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы.

3.1.Учитывая общие принципы составления  топологического чертежа, в которые  входят:

а) Минимизация межэлементных соединений.

б) Минимизация площади занимаемой элементами.

в) Равномерное расположение элементов по площади

подложки.

И еще ряд ограничений тонкопленочной технологии

- пассивные и активные элементы  располагаются на расстоянии  не менее одного мм. от края

- входные и выходные контакты  располагаются вдоль длинных  сторон подложки на расстоянии не менее одного мм. от края.

- навесные элементы (компоненты) устанавливаются  в специально отведенные места  на расстоянии не менее 0,5 мм. от пленочных элементов и не менее 0,6 мм. от контактных площадок, минимальное расстояние между навесными элементами 0,3 мм.

- длина проволочных выводов  навесных компонентов должна  находиться в пределах от 1 до 5 мм.

- минимально допустимое расстояние  между пленочными элементами (в  том числе контактными площадками) 0,2 мм.

-минимально допустимая ширина  проводников 0,1 мм.

-минимально допустимые размеры контактных площадок для припайки внешних выводов 0,4 х 0,4 мм. , а для приварки навесных элементов  0,25 х 0,25 мм.

Составляем топологический чертеж ГИМС из рассчитанных размеров

Пленочных резисторов и заданных размеров навесных элементов.

              

                                         Рис.5     Эскиз топологии  ГИМС    Масштаб 5:1

Заключение

В данной курсовой работе была составлена электрическая схема аналогового устройства на основе биполярного и полевого транзистора. Были выбраны тип и структура биполярных и полевых транзисторов. Произведен электрический расчет схемы двухкаскадного усилителя. В соответствии с общими принципами составления топологического чертежа, разработана топология.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Литература

1. Конспект лекций

2. а. н. Игнатов Разработка интегрального аналогового устройства. Методическое указания к курсовой работе.

3. В.Н. Павлов, В.Н. Ногин  Схемотехника  аналоговых электронных устройств:  М.: Радио и связь, 1997.

4. А.В. Цыкина.  Усилители: М.: Связь, 1972