Усилитель-ограничитель

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО  «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ –

УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

УЧЕБНО-НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ  ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 

Кафедра    «Электроника, вычислительная техника 

      и информационная безопасность» 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по дисциплине «Проектирование интегральных микросхем  и микропроцессоров» 

Тема: «Усилитель-ограничитель» 
 
 
 

     Выполнил  студент группы 41- В                                        Тишкин И. И.

     «__»______________ 2011 г.

     Руководитель                     Тугарев А. С.

                            «__»______________ 2011 г. 
 
 
 
 

Орёл, 2011 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО  «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ – 

УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

УЧЕБНО-НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ИНСТИТУТ  ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 

Кафедра    «Электроника, вычислительная техника 

      и информационная безопасность» 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ  

по курсу  «Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров»

студент Тишкин И. И., шифр 080422, группа 41-В.  

Вариант №18

      Наименование  изделия: Усилитель-ограничитель.

      Схема электрическая принципиальная:

      Сопротивления резисторов (кОм):

      Типы  транзисторов:

      Руководитель  проекта: Тугарев А. С.

      Задание принял к исполнению «__» ________ 20___ г.

      Подпись студента: Тишкин И. И. 

Содержание

     Введение 

     Электронные приборы и устройства используются в аппаратуре связи, автоматики, вычислительной и измерительной техники, приборостроении. Электронная промышленность, научной  основой развития которой являются достижения электроники, серийно производит вакуумные, газоразрядные, полупроводниковые, фотоэлектронные, пьезоэлектрические приборы, начиная с 60-х годов особое место в номенклатуре изделий электронной промышленности занимают интегральные микросхемы (ИМС), микропроцессоры и микросборки.

    Создание  микроэлектронной аппаратуры явилось результатом процесса комплексной микроминитюаризации электронно-вычислительных средств (ЭВС), аппаратуры связи, устройств автоматики. Этот процесс возник в связи с потребностями развития промышленного выпуска изделий электронной техники на основе необходимости резкого увеличения масштабов их производства, уменьшения их массы, занимаемых ими объемов, повышения их эксплуатационной надежности.

    Полупроводниковая ИМС – это монолитное устройство, в котором все элементы изготовлены  на единой полупроводниковой подложке и в едином технологическом цикле. Сегодняшний уровень развития производства полупроводниковых ИМС позволяет в свою очередь ограничить пределы миниатюризации, определяемые степенью надежности, допустимой плотностью упаковки и стоимостью изготовления.

    Технология  производства полупроводниковых ИМС  практически исключает возможность получения широкой шкалы номинальных значений сопротивления диффузионных резисторов и емкостей конденсаторов. Принципиальный недостаток полупроводниковых ИМС – невозможность практической реализации на основе эффектов в полупроводниках индуктивных элементов, которые можно было бы использовать для выполнения определенных схемотехнических функций.

     Многих  недостатков, присущих полупроводниковым  ИМС, лишены гибридные интегральные микросхемы, в которых пассивные  элементы выполняются по тонко- или толстопленочной технологии, а активные элементы являются навесными (компонентами). Такой метод проектирования ИМС обеспечивает большие производственно-экономические выгоды и расширяет схемотехнические возможности выбора оптимальных режимов работы ИМС, а степень миниатюризации гибридных ИМС определяется количеством используемых навесных компонентов, для реализации которых необходима определенная площадь, с геометрическими размерами пленочных элементов. Гибридные ИМС создаются на подложке с хорошими изоляционными свойствами, поэтому материал подложки фактически не влияет на электрические связи элементов, что в свою очередь присутствует в полупроводниковых ИМС.

     Гибридные ИМС заняли доминирующее положение  в устройствах СВЧ, причем для  устройств, работающих на частотах до 1 ГГц, можно применять толстопленочную технологию, потому, что она не требует жестких допусков, высокой точности нанесения, а также обработки пленок. Но для устройств, работающих на более высоких частотах, когда нужно обеспечить нанесение пленочных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология.

     Сочетание полупроводниковых ИМС и многослойных гибридных создает широкие схемотехнические и конструктивные возможности проектирования больших интегральных схем.

1. Анализ технического задания

1.1 Описание назначения ГИС и работы схемы 

    В курсовом проекте разрабатывается усилителя-ограничителя.

    Схема электрическая принципиальная схема  приведена на рисунке 1. 

  Рисунок 1 − Схема электрическая принципиальная 

     Технические условия (ТУ) на ИМС представляют собой  комплекс основных требований к ней и определяют ее выходные параметры, условия эксплуатации и хранения.

     ОТУ на ИМС широкого применения. Согласно ГОСТ 18725 - 73, ОТУ содержат требования к электрическим параметрам, конструкции, устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, надежности, долговечности и сохраняемости.

     Требования  к электрическим  параметрам и режимам. Электрические параметры ИМС при изготовлении, хранении и эксплуатации в режимах и условиях, допускаемых в технической документации на ИМС конкретных типов, должны соответствовать определенным нормам.

     Требования  к конструкции. Габаритные и присоединительные размеры, внешний вид и масса ИМС должны соответствовать требованиям, установленным в технической документации на ИМС конкретных типов. Выводы ИМС должны выдерживать растягивающие усилия, и изгибы, легко паяться и свариваться.

     Требования  к устойчивости при  механических повреждениях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных технической документацией в соответствии с группой жесткости согласно ГОСТ 16962 - 71 в процессе и после воздействия  механических нагрузок: вибрационных с частотой 1 - 2000 Гц и максимальным ускорением 10 - 20 g, многократных ударов длительностью 2 - 6 мс с ускорением 75 -150 g, линейных нагрузок с максимальным ускорением 25- 2000 g.

     Требования  к устойчивости при  климатических воздействиях. ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных технической документацией, в процессе и после воздействия на них следующих климатических факторов: температуры воздуха с верхними значениями + 55, +70, +85, + 100, +125, + 155 и нижними значениями: – 10, – 25, – 40, – 45, – 55,  – 60 , изменения температур от верхнего до нижнего предела; относительной влажности 98% при температуре + 35 . ИМС должны допускать эксплуатацию после их транспортировки при температуре – 50 . ИМС в корпусном исполнении, предназначенные для эксплуатации в условиях тропического климата, должны быть устойчивыми к длительному воздействию влаги, соляного тумана, и среды, зараженной плесневыми грибами. Разрабатываемая микросхема усилителя-ограничителя предназначена для использования в бытовой аппаратуре. Принимаем верхнее значение температуры окружающей среды + 55 , а нижнее − 25 .

     Требования  к надежности. Минимальная наработка ИМС в указанных режимах и условиях должна быть не менее 10 000 ч. Интенсивность отказов ИМС в режимах и условиях работы, соответствующих ТУ, не должна превышать 3,7∙10^-5 (ч^-1) для микросхем первой и второй степени интеграции и 5∙10^-5 (ч^-1) для ИМС третьей – шестой степени интеграции.

     Срок  хранения ИМС. Для ИМС в корпусном исполнении, размещенных в упаковке предприятия изготовителя, срок хранения в отапливаемых помещениях не менее 6 лет. Срок хранения ИМС исчисляется с момента изготовления.

     Маркировка. На каждом корпусе ИМС должны быть отчетливо нанесены: товарный знак предприятия-изготовителя, условное обозначение типа ИМС, месяц и две последние цифры года изготовления, обозначение первого вывода, если он не указан другими способами. Маркировка должна оставаться прочной и разборчивой при эксплуатации ИМС в режимах и условиях, оговоренными в ТУ.

     Упаковка. Все ИМС должны быть упакованы в потребительскую тару, исключающую возможность их повреждения и деформацию выводов, и уложенных в картонные коробки, куда вкладывают паспорт. 

     1.2 Расчет электрических  параметров элементов  ГИС

     Токи, протекающие через резисторы

     , (1)

     , (2)

  где U_тр – входное напряжение U_тр  = 12±1,2  В, 

   ,      (3)

   ,       (4)

  где U_n – напряжение питания U_n = 12±1,2 В.

     Мощность, рассеиваемая на резисторах

   _{.       (5)}

     _{Полученные значения сведены в таблицу 1. При расчете в Таблице 1 был скорректирован номинал резисторов по методу наихудшего случая (}R^'₎ 
 
 
 
 
 

  _{Таблица 1 – Электрические параметры для R1 – R10}

     2. Разработка конструкции  ГИС

     2.1 Расчет толстопленочных резисторов 

     Учитывая  особенности толстопленочной технологии, все толстопленочные резисторы, изготовляют с подгонкой, в связи, с чем расчет резисторов на прочность не производят.

     Резисторы можно располагать на обеих сторонах платы, но не более трех резистивных  слоев на одной стороне. Все резисторы  должны иметь прямоугольную форму. Не рекомендуется использовать с коэффициентом формы более 5 – 6 и не менее 0,2.

     Минимальный размер резистора, определяемый возможностями  толстопленочной технологии:

• толщина пленки 20 мкм;
• минимальный размер резистора l ˣ b (0,8 ˣ 0,8мм);
• диапазон номиналов 25 Ом – 1 МОм;
• TKR при Т= - 60 – 125° С ± 8· 10^-4 1/^°С;
• максимально допустимая удельная мощность рассеяния мВт/мм².

     Оптимальное сопротивление квадрата резистивной пасты

         (6)

  где n – количество резисторов в группе;

     R_i – номинал i – резистора. 

     _{Для резисторов R1 – R6, по формуле (6) = 2400 Ом / □ пастой с ближайшим удельным поверхностным сопротивлением к данному значению является ПР – 3К.}

     _{Коэффициент формы резистора}

          (7)

     Для резисторов R1, R2, R5, R8, R9, R10 К_ф ≥ 1, следовательно, расчет надо начинать с ширины резистора, как с наименьшего размера.

     Расчетная ширина резистора

       (8)

  где b_техн – минимальная ширина резистора, обусловленная возможностями толстопленочной технологии; b _техн = 0,8 мм;

     b_p – минимальная ширина резистора, определяемая возможностью рассеивания выделяемой мощности.

     Ширина  резистора из условия выделения заданной мощности

        (9)

  где – допустимая удельная мощность рассеяния материала (80 мВт);

       − коэффициент формы резистора;

     К_р – коэффициент запаса мощности, учитывающий подгонку резистора

         (10)

     При К_р = 2, = 50% по формуле (4)

     _{Расчетная длина резистора}

          (11)

     Длина резистора с учетом перекрытия с контактными площадками, график зависимости корректировки приведен в Приложении Б

          (12)

  где е  – минимальный размер перекрытия.

     Площадь, занимаемая резистором на подложке

         (13)

     По формуле (13) для резистора R1

  Таблица 2 — Параметры резисторов R1,R2,R5, R8,R9, R10

     Для резисторов, имеющих К_ф < 1 (R3, R4, R6, R7), вначале рассчитывают длину, а затем ширину:

     Расчетное значение длины резистора l_расч выбирают из условия

       ₍₁₄₎

  где – минимальная длина резистора, определяемая возможностями технологического процесса,(0,8 мм);

       — минимальная длина резистора, определяемая возможностью рассеивания выделяемой мощности, мм.

           ₍₁₅₎

     _{За  длину резистора принимают ближайшее к lрасч значение, кратное нормировочному множителю}

  _{N = 0,1.}

     Расчетная ширина резистора

         (16)

     За  ширину b резистора принимают ближайшее к b_расч значение, кратное нормировочному множителю. Исправленное значение ширины резистора с учетом растекания паст [Приложение Б] b_испр. 

     Полная  длина резистора

         (17) 

     Площадь, занимаемая резистором на подложке

          ₍₁₈₎

  Таблица 3 — Параметры резистора R3

     2.2 Расчет тонкопленочных  конденсаторов 

     Расчет  толстопленочных конденсаторов  начинается с выбора материала диэлектрика  по рабочему напряжению. Чтобы конденсатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выбирать материал с возможно более высокими диэлектрической проницаемостью, электрической прочностью, а также малыми значениями ТКС и tgd.

     В зависимости от диапазона номинальных  значений, выбирают диэлектрическую пасту, ПК 12, имеющих следующие параметры:

• толщина пленки – 40 – 60 мкм
• удельная емкость C₀ = 10 000 пФ/см²
• тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1,5 МГц – 3,5 tgφ·10^-3

     Для нижней и верхней обкладок ПП – 3:

• толщина слоя – 15 – 25 мкм
• удельное поверхностное сопротивление , 0,05 Ом / □

     Площадь верхней обкладки конденсатора

          (19)

     Геометрические размеры верхних обкладок конденсатора. Для обкладок квадратной формы

         (20)

     Для конденсаторов, учитывая, что нормировочный  множитель равен 0,1, удобнее сделать верхнюю обкладку неквадратной формы. Надо учесть площадь вывода и компенсатора верхней обкладки (S_выв= S_комп), а также сделать вырез для получения необходимой емкости

         (21)

     Геометрические размеры нижних обкладок конденсатора

           (22)

          (23)

  где р – перекрытие между верхней и нижней обкладками Р = 0,3

     Геометрические размеры диэлектрика [см. Приложение Б]

         (24)

          (25)

  где f – перекрытие между нижней обкладкой и диэлектриком.

    Площадь, занимаемая конденсатором на плате

          (26)

  Таблица 4 — Параметры конденсаторов С1- С3