Разработка интегрального цифрового устройства

Данное устройство выполняет функцию И-ИЛИ-НЕ: ,

Данная функция может быть реализована  в виде логического элемента:

 

 

3.  Расчёт токов и напряжений в схеме:

 

Произведём расчёт для следующих  входных сигналов:

                 x1 x2 x3 x4

                  0  0   0   0

                  1  1   1   1

                  0  1   1   1

  Для выполнения расчётов, полагаем  что:

• ,
• Обратный ток диода - не больше 1мкА;
• Ток БТ находящегося в режиме отсечки - не больше 1мкА
• Напряжение между коллектором и эмиттером БТ, находящегося в режиме отсечки =0,1В
• Падение 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 =50;
• Коэффициент передачи тока БТ в инверсном режиме =0,05;

 

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

 

x1=x2=x3=x4=0

При и .

 

Расчёт в точке А:

Потенциал в точке:

Диоды VD1 и VD2 открыты, тогда потенциал в точке

состоит из входного напряжения и  падения напряжения на диоде, которое  примерно равно 0.7:

Ток в точке:

Расчёт в точке В:

Потенциал в точке:

Диоды VD6 и VD7 открыты, тогда потенциал в точке

состоит из входного напряжения и  падения напряжения на диоде, которое  примерно равно 0.7:

Ток в точке:

Расчёт в точке С:

Потенциал в точке:

Транзисторы VD3, VD4 закрыты, тогда полагая, что все три p-n-перехода VD3, VD4 и эмиттерный переход VT1 одинаковы, получаем напряжение на базе транзистора:

Ток в точке: так как для открытия транзистора нужно напряжение примерно 0.7 В, то

 

Расчёт в точке D:

Потенциал в точке:

Транзисторы VD5, VD8 закрыты, тогда полагая, что все три p-n-перехода VD5, VD6 и эмиттерный переход VT2 одинаковы, получаем напряжение на базе транзистора:

Ток в точке: так как для открытия транзистора нужно напряжение примерно 0.7 В, то

 

 

Расчёт в точке E:

Потенциал в точке будет равен разности напряжения на базе-эмитторе VT2 и напряжения питания:

 

Ток в точке:

ток в точке находится по формуле, током транзистора в режиме отсечки  мы пренебрегаем, так как оно на несколько порядков меньше (1мкА),

  .

Результат расчёта:

 

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

 

x1=x2=x3=x4=0

При .

 

Расчёт в точке А:

Потенциал в точке:

 При подаче на входы «логической  1», диоды VD1 и VD2  будут включены в обратном направлении (закрыты), через них будет протекать обратный ток, который не больше 1мкА (так как он на несколько порядков ниже токов в схеме мы им пренебрегаем). Основной же ток будет протекать через диоды VD3 и VD4 и эмиттерный переход транзистора, на каждом из p-n-переходов падает напряжение 0.7В, поэтому:

Ток в точке:

 

Расчёт в точке В:

Потенциал в точке:

 При подаче на входы «логической  1», диоды VD6 и VD7  будут включены в обратном направлении (закрыты), через них будет протекать обратный ток который не больше 1мкА (так как он на несколько порядков ниже токов в схеме мы им пренебрегаем). Основной же ток будет протекать через диоды VD5 и VD8 и эмиттерный переход транзистора, на каждом из p-n-переходов падает напряжение 0.7В, поэтому:

Ток в точке:

 

Расчёт в точке С:

Потенциал в точке:

Потенциал в точке будет равняться  падению напряжения на диоде, т.к. VD3, VD4 открыты:

, следовательно, на базу будет  подаваться напряжение достаточное  для открытия транзистора и  перехода его в режим насыщения

Ток на резисторе R3:

 

Расчёт в точке D:

Потенциал в точке:

Потенциал в точке будет равняться падению напряжения на диоде, т.к. VD5, VD8 (открыты):

, следовательно, на базу будет  подаваться напряжение достаточное  для открытия транзистора и  перехода его в режим насыщения

Ток на резисторе R5:

Расчёт в точке Е:

Потенциал в точке:

Транзисторы VT1 и VT2 находятся в режиме насыщения, тогда напряжение на их коллекторах будет примерно равно:

  , что соответствует «логическому 0» на выходе.

Ток в точке:

Результаты расчёта:

 

2.3.3. Расчёт токов и напряжений  при комбинации на входе: 0111

 

 

x1=0, x2=x3=x4=1,

При и .

 

Расчёт в точке А:

При подаче на вход x1 «Логического 0» VD1 открыт,  а VD2 будет закрыт и ток от источника питания будет проходить через диод VD1, и напряжение в точке А тогда:

Ток в точке:

 

Расчёт в точке В:

Потенциал в точке:

 При подаче на входы диодов VD6 и VD7 «логической 1»,  они будут включены в обратном направлении, через них будет протекать обратный ток. Основной же ток будет протекать через диоды VD5 и VD8 и эмиттерный переход транзистора, на каждом из p-n-переходов падает напряжение 0.7В, поэтому:

Ток в точке:

 

Расчёт в точке С:

Потенциал в точке:

Полагая, что все три p-n-перехода VD3, VD4 и эмиттерный переход VT1 одинаковы, получаем напряжение на базе транзистора:

Ток в точке: так как для открытия транзистора нужно напряжение примерно 0.7 В, то

 

Расчёт в точке D:

Потенциал в точке:

Потенциал в точке будет равняться  падению напряжения на диоде:

, следовательно, на базу будет  подаваться напряжение достаточное  для открытия транзистора и  перехода его в режим насыщения

Ток на резисторе R5:

 

Расчёт в точке Е:

Потенциал в точке:

Транзистор VT1 находится в режиме отсечки, а VT2 находится в режиме насыщения, тогда напряжение на их коллекторах будет примерно равно:

  , что соответствует «логическому 0» на выходе.

Ток в точке:

 

Результаты расчёта:

 

4. Расчёт потребляемых мощностей:

 

Рассеиваемые мощности на резисторах:

 

Потребляемый ток при различных  комбинациях на входе устройства:

 

 

 

 

 

 

5. Результаты расчёта:

 

Входные сигналы	U(A)	U(B)	U(C)	U(D)	U(E)	I(R1)	I(R2)	I(R3)	I(R4)	I(R5)	Iпотр.
	В	В	В	В	В	мА	мА	мкА	мА	мкА	мА
0000	0,8	0,8	0,27	0,27	3,9	0,8	0,8	0	0,1	0	1,7
1111	2,1	2,1	0,7	0,7	0,1	0,475	0,475	66,6	3,9	66,6	4,983
0111	0,8	2,1	0,27	0,7	0,1	0,8	0,475	0	3,9	66,6	5,2416

 

Входные сигналы	VD1	VD2	VD3	VD4	VD5	VD6	VD7	VD8	VT1	VT2	Y
0000	Открыт	Открыт	Закрыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Открыт	Закрыт	Отсеч.	Отсеч.	Логич 1
1111	Закрыт	Закрыт	Открыт	Открыт	Открыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Насыщ.	Насыщ.	Логич 0
0111	Открыт	Закрыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Закрыт	Закрыт	Открыт	Отсеч.	Насыщ.	Логич 0

 

Обозначение режимов работы транзисторов и диодов:

• Отсеч.- (режим отсечки)
• Насыщ.- (режим насыщения)
• Открыт- (диод открыт)
• Закрыт- (диод закрыт)

 

Вывод:

 Результатом выполнения электрического расчёта базового элемента стало определение потенциалов в расчётных точках, определение режимов работы транзисторов и диодов, протекающих токов при различных входных сигналах. Мы составили таблицу истинности, а так же определили функцию, которую выполняет данное устройство. Рассчитали потребляемые мощности устройства и токи потребления схемы при различных входных сигналах.

 

3. Разработка топологии ИМС.

 

3.1. выбор активных элементов.

 

При разработке топологии, пользуясь  справочниками Гололидова и Горюнова, выбираем активные элементы – диоды и транзисторы, руководствуясь следующими принципами:

• Диоды и транзисторы должны быть бескорпусными;
• Должны быть предназначены для работы в импульсном режиме;
• Структура транзистора n-p-n;
• Коэффициент передачи тока БТ >50;
• Для диодов:

, ;

• Для транзисторов:

, ,

     

 

В качестве диодовVD1-VD8 выберем

2D910Б-1:

,

,

Диодная матрица из двух кремниевых планарных диодов с общим анодом; бескорпусная, с гибкими входами, без кристаллодержателя.

 

В качестве транзисторов VT1 и VT2 –КТ206Б:

,

,

,

Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные  n-p-n маломощные , универсальные; бескорпусные, без кристалодержателя, с защищенные покрытием, с гибкими выводами.

 

3.2. Выбор материала для пленочных элементов:

 

В гибридных ИМС широко используют тонкоплёночные резисторы, которые  наносят, но 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.