Разработка интегрального цифрового устройства

Выясним, какую функцию выполняет схема:

VT1 – выполняет функцию «3 - И»,

VT2 – выполняет функцию «И»,

точка С – монтажное «ИЛИ»,

VT3 и VT4 – выполняют функцию «НЕ».

По схеме составим функцию:

По таблице составим СДНФ:

Полученные двумя способами функции совпадают, т.е. данное устройство выполняет функцию:  

 

Данная функция может быть реализована  в виде логического элемента:

 

 

 

 

2.3. Расчет токов и  напряжений в схеме:

Произведем расчет для следующих  входных сигналов:

Х₁ Х₂ Х₃ Х₄

0 0 0 0

0 0 1 0

1 1 1 1

 Для выполнения расчетов  полагаем, что:

• U^о_вх = +0,1 В
• U^о_вых > +3 В
• Обратный ток диодов – не более 1 мкА
• Ток БТ, находящегося в режиме отсечки , I_кэо  не более 1 мкА
• Напряжения между коллектором и эмиттером БТ, находящегося в режиме насыщения U_кэ.нас @ 0,1 В
• Падения напряжения на диоде при прямом включении 0,7 В
• Напряжение на переходе эмиттер-база БТ при прямом включении 0,7 В
• Напряжение на переходе коллектор-база БТ при прямом             включении 0,6 В
• Коэффициент передачи тока БТ в активном режиме b = 50
• Коэффициент передачи тока БТ в инверсном режиме b_и = 0,05

 

2.3.1. Расчет токов и  напряжений при комбинации на  входе: 0000

Х1 = Х2 = Х3 = Х4 = 0  

При U^о_вх = +0,1 В

 

Расчет в точке А:

Потенциал в точке: U_А = U^o_вх + U_бэ(VT1) = 0,1 + 0,7 = 0,8 В

VT1 – в режиме насыщения с разорванным коллектором.

I_R1 = I_б(VT1) =  =0,525 мА

I_k(VT1) @ 0 A

I_э1(VT1) = I_э2(VT1) = I_э3(VT1) = 1/3 × I·R1 = 1/3 × 0.525 = 0.175 мА

 

Расчет в точке В:

Потенциал в точке: U_В = U^o_вх + U_бэ(VT2)= 0,1 + 0,7 = 0,8В

VT2 – в режиме насыщения с разорванным коллектором

I_R2 = I_б(VT2) =  =0,525 мА

I_k(VT2) @ 0 мA

I_э(VT2) = I_R2 =  0.525 мА

 

Расчет в точке С:

Потенциал в точке: U_С @ 0   

VD1 – закрыт

VD2 – закрыт

VT3 – в закрыт

I_k(VT1) = I(VD1) @0                 

I_k(VT2) = I(VD2) @0                 

I_б(VT3) = I(VD1) + I(VD2) @ 0       

I_k(VT3) < 1 мкА.

   

Расчет в  точке D:

Допустим, что VT4 в режиме насыщения.

Потенциал в точке: U_D = U_бэ(VT4) = 0,7 В

I_R3 = =0.9 мА

I_R3 =I_k(VT3) + I_б(VT4), I_k(VT3) @1мкА

I_б(VT4) = I_R3 = 0,9  мА

Если I_б(VT4)*β> I_k(VT4), то VT4 в режиме насыщения, проверим это.

I_k(VT4)= I_R4+I⁰_вых, I⁰_вых = I⁰_вх= I_э1(VT1)=0,175 мА.

I_R4= =4,9 мА

I_б(VT4)*β=0,9*50=45 мА> I_k(VT4)=5,075 мА, т.е VT4 - в режиме насыщения ( U_{kэ нас} @ 0,1 В)

 

Расчет в точке Е:

Потенциал в точке: U_Е=U_{кэ нас}(VT4) = 0.1 B

I_k(VT4)= I_R4+I⁰_вых, I⁰_вых = I⁰_вх =I_эVT1=0,175 мА

I_R4= =4,9 мА

I_k(VT4)=5,075 мА

 

Результат расчета:

U^o_вых = 0.1 B 

I^о_вых = 0,175 мА

 

2.3.2. Расчет токов и  напряжений при комбинации на  входе: 1111

 

 

Х1 = Х2 = Х3 = Х4 = 1:   

При U¹_вх > +3 В

 

Расчет в точке А:

Потенциал в точке U_А = U_бэ(VT3)+U_кэ(VT1)+U(VD1) = 0.7+0.6+0,7 = 2 В

VT1 – в режиме инверсии

I_R1 = I_б(VT1) = = 0,375 мА

I_э1(VT1) = I_э2(VT1) = I_э3(VT1) = β_и I_R1 = 0,05·0,375 = 0,01875 мА

I_k(VT1) = I_б(VT1) + I_э1(VT1) + I_э2(VT1) + I_э3(VT1) = 0,375 + 0,01875

+ 0,01875  + 0,01875= 0,43125 мА

 

Расчет в точке В:

Потенциал в точке: U_В = U_бэ(VT3)+U_кэ(VT2)+U(VD2) = 0.7+0.6+0,7 = 2 В

VT2 – в режиме инверсии                 

I_R2 = I_б(VT2)= = 0,375 мА

I_э(VT2) = 0,05·I·R₂ = 0,05·0,4 = 0,01875 мА

I_k(VT2) = I_б(VT2) + I_э(VT2) = 0,375 + 0,01875 = 0,39375 мА

 

Расчет в  точке С:

Потенциал в точке: U_С @ U_бэ(VT3) @ 0.7 B

VD1 – открыт

VD2 – открыт

VT3 – в режиме насыщения ( U_{kэ нас} @ 0,1 В)

I_k(VT1) = I(VD1) @ 0,0,43125мА                     

I_k(VT2) = I(VD2) @ 0,39375 мА                    

I_б(VT3) = I(VD1) + I(VD2) @  0,43125 + 0,39375 = 0,825 мА

 

 

Расчет в  точке D:

Потенциал в точке: U_D @  0 B 

I_R3 = I_к(VT3) = = 1,225 мА.

I_б(VT4) @ 0

VT4 – закрыт 

I_k(VT4) < 1 мкА

 

Расчет в  точке Е:

Потенциал в точке: U_E = Е_пит – I_R4 × R₄ =E_пит – β_и I_R1 R₄, т.к. (I¹_вых=I¹_вх).

I_R4 = β_и I_R1+ I_{кэ0 VT4} = 0,01875 мА.         

(I¹ _вых = I¹_вх = I_э(VT1))

 

Результат расчета:

U¹_вых = 4,98 B 

I¹_вых = 18,75 мkА

 

 

 

 

2.3.3. Расчет токов и  напряжений при комбинации на  входе: 0010

 

 Х1 = Х2 = Х4 =0; Х3= 1:   

 

Расчет в  точке А:

Потенциал в точке: U_А = U^o_вх + U_бэ(VT1) = 0,1 + 0,7 = 0,8 В

VT1 – в режиме насыщения с разорванным коллектором

I_R1 = I_б(VT1) =  =0,525 мА

I_k(VT1) @ 0 A

I_э1(VT1) = I_э2(VT1) =1/2 × I_R1 = 1/2 × 0.525 = 0.2625 мА

I_э3(VT1) < 1 мкА

 

Расчет в  точке В:

Потенциал в точке: U_В = U^o_вх + U_бэ(VT2)= 0,1 + 0,7 = 0,8В

VT2 – в режиме насыщения с разорванным коллектором

I_R2 = I_б(VT2) =  =0,525 мА

I_k(VT2) @ 0 мA

I_э(VT2) = I_R2 =  0.525 мА

 

Расчет в  точке С:

Потенциал в точке: U_С @ 0

VD1 – закрыт

VD2 – закрыт

VT3 – закрыт

I _k(VT1) = I(VD1) @0

I_k(VT2) = I(VD2) @0

I_б(VT3) = I(VD1) + I(VD2) @ 0

I_k(VT3) < 1 мкА

 

Расчет в  точке D:

Допустим, что VT4 в режиме насыщения.

Потенциал в точке: U_D = U_бэ(VT4) = 0,7 В

I_R3 = =0.9 мА

I_R3 =I_k(VT3) + I_б(VT4), I_k(VT3) @1мкА

I_б(VT4) = I_R3 = 0,9  мА

Если I_б(VT4)*β> I_k(VT4), то VT4 в режиме насыщения, проверим это.

I_k(VT4)= I_R4+I⁰_вых, I⁰_вых = I⁰_вх= I_э1(VT1)=0,175 мА.

I_R4= =4,9 мА

I_б(VT4)*β=0,9*50=45> I_k(VT4)=5,075 мА, т.е VT4 - в режиме насыщения ( U_{kэ нас} @ 0,1 В)

 

Расчет в  точке Е:

Потенциал в точке: U_Е=U_{кэ нас}(VT4) = 0.1 B

I_k(VT4)= I_R4+I⁰_вых, I⁰_вых = I⁰_вх =I_эVT1=0,175 мА

I_R4= =4,9 мА

I_k(VT4)=5,075 мА

 

Результат расчета:

U^o_вых = 0.1 B 

I^о_вых = 0,175 мА

 

2.4. Расчет рассеиваемых мощностей:

 

Рассеиваемые  мощности на резисторах:

Р_R1 = =0,525²·8000=2,205 мВт

Р_R2 = =0,525²·8000=2,205 мВт

Р_R3 = =1,225²·4000=6,0025 мВт

Р_R4 = =4,9² ·1000=24,01 мВт

 

Потребляемый  ток при различных комбинациях  на входе устройства:

I_потр(0000) = I_R1+I_R2+I_R3+I_R4 = 0,525+0,525+0,9+4,9 = 6,85 мА

I_потр(0010) = I_R1+I_R2+I_R3+I_R4= 0,525+0,525+0,9+4,9 = 6,85 мА

I_потр(1111) = I_R1+I_R2+I_R3+I_R4 = 0,375+0.375+1,225+0,01875 = 1,99375  мА

 

2.5. Результаты расчета:

Входные сигналы	UA	UB	UC	UD	UE	IR1	IR2	IR3	IR4
	B	B	B	B	B	мА	мА	мА	мА
0000	0.8	0.8	0	0,7	0,1	0,525	0,525	0,9	4,9
0010	0.8	0.8	0	0,7	0,1	0,525	0,525	0,9	4,9
1111	2	2	0,7	0	4,9	0,375	0,375	1,225	0,01875

 

Вывод:

Результатом выполнения электрического расчета базового элемента стало  определения потенциалов  в расчетных  точках, определение режимов работы транзисторов и диодов, протекающих  токов при различных входных сигналов. Мы составили  таблицу истинности, а также определили функцию, которую выполняем данной устройство, Рассчитали потребляемые мощности устройства и токи потребления схемы при различных входных сигналах.

    

 

3. Разработка топологии  ИМС

 

На основе полученных расчетов разработаем  топологию устройства.

 

 

3.1. Выбор активных  элементов:

 

Выбор транзисторов и диодов:

Для микросхемы требуются бескорпусные транзисторы, которые должны обладать минимальными масса – габаритными  показателями с предельными параметрами исходя из схемы не менее:

U_кэ.мах = 10 В

U_эб.мах = 5 В

I_к.мах = 10 мА

 

Вместо транзистора VT1 используем три кремневых эпитаксиально-планарных транзистора КТ307А-1 n-p-n типа, причём их базы соединяем. 

Предельные  эксплутационные данные:

Максимальное напряжение коллектор-база – 10 В

Максимальное напряжение эмиттер-база –5В

Максимальный ток коллектора для  каждого транзистора – 10 мА

Максимальный ток эмиттера  - 10 мА

Постоянная рассеиваемая мощность каждого транзистора – 15мВт

 

 

Выбираем для VT2,VT3,VT4 транзистор типа КТ307А-1

Предельные  эксплутационные данные:

Максимальное напряжение коллектор-база – 10 В

Максимальное напряжение эмиттер-база –5В

Максимальный ток коллектора для  каждого транзистора – 20 мА

Постоянная рассеиваемая мощность двух транзисторов – 15 мВт

 

Выбираем диоды типа  КД904А-1 с параметрами

Прямой ток диода  - 5 мА

Обратное напряжения – 10 В

Обратный ток диода – 0,2 мкА

Прямое напряжения диода –не более 0,8 В

 

 

 

 

3.2. Выбор материала  для пленочных элементов:

В гибридных ИМС широко используют тонкоплёночные резисторы, которые наносятся на подложку в виде узких полосок, заканчивающихся контактными площадками.

Материал, используемый для изготовления резистивных плёнок должен обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени сопротивлений, обладать низким температурным коэффициентом сопротивления и высокой коррозионной стойкостью. При напылении он должен образовывать тонкие, чёткие линии с хорошей повторяемостью их от образца к образцу.

Оценим R_{s min} и R_{s max}.

R_max = 8 кОм, R_min= 1 кОм, .

,

.

В качестве материала выбираем сплав РС-3001 с характеристиками:

- материал контактных площадок – медь с подслоем нихрома

- удельное поверхностное сопротивления материала – 1 кОм/квадр.

- удельная мощность рассеяния Р₀ – 20 мВт/мм²

Размер и конфигурация плёночных  резисторов находится по заданным номиналам резисторов R_i, удельному поверхностному сопротивлению плёнки R_s и мощности, рассеиваемой на резисторе.

Для определения размеров резисторов находим их коэффициент формы.

  .

Расчёт длины резистора проводим по формуле

Ширина резистора определяется как

 

Рассчитаем  размеры резисторов  R1 = R2 = 8 кОм:

К_ф(R₁) = К_ф(R2) =  R₁/ Rs =8000 / 1000 = 8

Выбирая  значения ширины резистора  из минимально рекомендуемых значений  b = 0,2 мм,  рассчитаем длину резистора

l = К_ф(R₁)·b = 8·0.2 = 1.6 мм

Максимальная  рассеиваемая мощность резисторами R₁ и R₂

P_{R1рассеив}= P_{R2 рассеив} = P_o·S = P_o·l·b = 0.2·1,6·20 = 6.4 мВт

P_{R1 рассеив} = P_{R2 рассеив} = 6.4 мВт > Р_R1max = Р_R2max = 2,205 мВт (см. Пункт 2.4)

 

 

Рассчитаем  размеры резистора  R3 = 4 кОм:

К_ф(R₃) = R₃/ R_s = 4000 / 1000 = 4

Выбирая  значения ширины резистора  в = 0.3 мм,  рассчитаем длину резистора  l = К_ф(R₃)·b = 4·0.3 = 1.2 мм

Максимальная  рассеиваемая мощность резистором R₃

P_{R3 рассеив} = P_o·S = P_o·l·b = 20·0,3·1,2 = 7.2  мВт

P_{R3 рассеив} = 7.2  мВт > P_R3max = 6,0025 мВт

 

Рассчитаем  размеры резистора  R4 = 1 кОм:

К_ф(R₄) = R₄/ R_s = 1000 / 1000 = 1

Выбирая  значения ширины резистора b = 1.2 мм,  рассчитаем длину резистора l = К_ф(R4)·b = 1·1.2 = 1.2 мм

Максимальная  рассеиваемая мощность резистором R₄

P_{R4 рассеив} = P_o·S = P_o·l·b = 20·1.2·1.2 = 28.8 мВт

P_{R4 рассеив} = 28.8 мВт > Р_R4max = 24,01 мВт

R1=R2			R3			R4
Kф1	l1, мм	b1, мм	Kф2	l2, мм	b2, мм	Kф3	l3, мм	b3, мм
8	1,6	0,2	4	1,2	0,3	1	1,2	1,2

В результате расчётов мы посчитали размеры резисторов. Площади резисторов таковы, что резисторы рассеивают мощности большее, чем выделяют при работе (см. пункт 2.4).