Разработка структурной схемы

Содержание

Техническое задание…………………………………………..…………...……..…3

Введение…………………………………………………………...………………....4

1. Разработка структурной схемы……………………………………….…………..7
2. Разработка принципиальной схемы………………………………………..……..9
3. Разработка интегральной микросхемы………………………………………….10
0. 3.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных       элементов……………………………………………………………….…….......10
0. 3.2 Разработка топологии……………………………………………………….15
0. 3.3 Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы………………………………………………………………………21

Заключение……………………………………………………………….…………24

Список литературы…………………………………………………………………25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание

Техническое задание определяется величинами параметров устройства по варианту № 08 исходных данных:

1.Напряжение  источника питания  Uпт = - 13 В

2.Коэффициент  усиления по напряжению   Кu = 6

3. Входное сопротивление  Rвх = 4 Мом

4. Выходное номинальное напряжение  Uном = 1,2 В

5. Сопротивление  нагрузки  Rн = 0,5 кОм 

6. Нижняя  частота полосы пропускания    fн = 20 Гц

7.Верхняя  частота полосы пропускания    fв = 15 кГц

8.Коэффициент  частотных искажений на fн, Мн = 2 дБ

9.Коэффициент  частотных искажений на fв, Мв = 1 дБ

10.Тип  выхода – симметричный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Цель  работы:

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Интегральной микросхемой называется изделие, содержащее в единице объема (1 см3) не менее пяти элементов и выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов. В зависимости от функционального назначения ИМС делят на аналоговые и цифровые. Аналоговые ИМС предназначены для обработки и преобразования сигналов, являющимися непрерывными функциями времени. Цифровые ИМС предназначены для обработки и преобразования сигналов, являющимися дискретными функциями времени.

В зависимости от технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. В полупроводниковой ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки. В пленочной ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов на поверхности диэлектрической подложки. Различают две разновидности пленочных ИМС:

- тонкопленочные, если используются  пленки толщиной менее 1 мкм;

- толстопленочные, если используются  пленки толщиной более 1 мкм.

В гибридных ИМС кроме элементов содержатся простые и сложные бескорпусные компоненты, расположенные на поверхности диэлектрической подложки.     

Разработка интегральных микросхем (ИМС) представляет собой сложный процесс, требующий решения разнообразных научно-технических проблем. Вопросы выбора конкретного технологического ИМС решают с учетом особенностей разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений, а также технико-экономического обоснования целесообразности массового производства. Эти вопросы решают главным образом путем использования двух основных классов микросхем – полупроводниковых и гибридных. Оба эти класса могут иметь различные варианты структур, каждый из которых с точки зрения проектирования и изготовления обладает определенными преимуществами и недостатками.

Процесс изготовления полупроводниковых ИМС представляет собой дальнейшее развитие процессов изготовления дискретных полупроводниковых приборов. Достигнутый уровень производства полупроводниковых ИМС позволяет в свою очередь ограничить пределы миниатюризации, определяемые степенью надежности, допустимой плотностью упаковки и стоимостью изготовления. Полупроводниковая ИМС – это монолитное устройство, в котором все элементы изготовлены на единой полупроводниковой подложке и в едином технологическом цикле. Особенность технологического процесса заключается в том, что одновременно с изготовлением транзисторных структур необходимо получать диоды, резисторы и конденсаторы, параметры которых удовлетворяли бы требованиям, устанавливаемым на этапе схемотехнической отработки.

Гибридные ИМС – пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, контактные площадки внутрисхемные соединения) выполняются по толстопленочной или тонкопленочной технологии, а активные элементы (диоды, транзисторы и др.) являются навесными. Такой метод проектирования ИМС обеспечивает большие производственно-экономические выгоды и расширяет схемотехнические возможности выбора оптимальных режимов работы ИМС. Степень миниатюризации гибридных ИМС определяется количеством используемых навесных элементов.  Гибридные ИМС создаются на подложке с хорошими изоляционными свойствами, поэтому материал подложки практически не оказывает влияние на электрические связи элементов. Для устройств, работающих на частотах до 1 ГГц, с успехом можно применить толстопленочную технологию, поскольку они не требуют жестких допусков и высокой точности  нанесение и обработки пленки. Для устройств, работающих на более высоких частотах, когда необходимо обеспечить прецизионное нанесение пленочных элементов очень малых размеров, предпочтительнее тонкопленочная технология. Гибридные ИМС применяются также в случаях, когда требуется полечить конденсаторы большой емкости или резисторы, предназначенные для работы с большими электрическими мощностями.

Основной задачей при проектировании всех ИМС является разработка топологического чертежа, который дает необходимую информацию непосредственно перед технологическими этапами создания микросхемы. При разработке топологии проектируют схему различного расположения пленочных элементов разрабатываемой ИМС, рассчитывают их геометрические размеры, выбирают форму, компонуют пленочные и навесные компоненты и вычеркивают их размещение на подложке в увеличенном масштабе.

Разрабатываемое изделие относится к области технике, получившей широкое распространение в различных областях человеческой деятельности: в промышленности, индустрии развлечений, в науке, в быту и других применениях.

Микроэлектроника позволяет резко повышать надежность электронной аппаратуры, значительно уменьшить габариты, массу, потребляемую энергию и стоимость. Применение интегральных схем и микропроцессоров позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры на два порядка и более.

Разрабатываемая в данном проекте схема производит усиление сигналов низкочастотного диапазона – от 20 Гц до 20 кГц. Такие схемы чаще всего используются в аппаратуре голосовой связи (телефония, радио и др.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Разработка структурной схемы

Среди аналоговых ИМС наибольшее распространение имеют усилители – устройства для повышения мощности сигнала в нагрузке за счет использования энергии источников питания. Интегральные усилители отличаются высокой надежностью, малыми массой и объемом, высокой экономичностью и другими преимуществами. Основными признаками для классификации усилителей является диапазон рабочих частот  и главный параметр, характеризующий усилительные свойства устройства: ток, напряжение, мощность.

В зависимости от конкретной области применения усилители подразделяются на измерительные, телевизионные, радиоприемные, телефонные, радиовещательные и др.

Рис. 1. Структурная схема усилителя

ИП – источник питания усилителя,

Вх.ц. – входная цепь усилителя, не пропускающая постоянную составляющую сигнала,

Кu1 – первый каскад, каскад на полевом транзисторе,

Кu2 – второй каскад, согласующий каскад,

Вых.ц. – выходная цепь усилителя, не пропускающая постоянную составляющую нагрузку.

 

Устройство содержит входное устройство для передачи сигнала от источника ко входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю или наоборот.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах.

Усилитель мощности предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления.

Выходное устройство используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку. Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно. Роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающий постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе ИМС избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритов и технологических трудностей изготовления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Разработка принципиальной схемы

Рис. 2. Усилитель с симметричным выходом

 

Первый каскад выполнен на полевом транзисторе 2П201А-1, второй каскад выполнен на биполярном транзисторе КТ 370-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Разработка интегральной микросхемы

1. Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

 

1. Выбор VT2

3.2 Определяем ток нагрузки по формуле:

;

 

 мА

 

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

Iк.р.т. = 3,4·3 = 10,2 мА;

С помощью справочника выбираем транзистор КТ370А-1. Выпишем основные данные для этого транзистора:

Iк max = 15 мА;

Uкэmax = 15 В.

 

2. Выбираем Rэ = Rн=Rk (так как схема с разделенной нагрузкой),

 Rэ = Rн =Rk =500 Ом;

 

3. Определение коэффициента усиления каскада на VT2

Коэффициент усиления каскада с разделительной нагрузкой складывается из коэффициента усиления эмиттерного повторителя и коэффициента усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Кu2= Кuoк+ Кuоэ

Коэффициент усиления эмиттерного повторителя определяется по формуле:

,

где 

  Из справочника принимаем h21э=50 Ом;

– входное сопротивление транзистора, принимаем Ом

Коэффициент усиления транзистора включенного по схеме с ОЭ определяется по формуле:

,

где

Ом

Кu2=0,99+0,99=1,98

4. Расчет входного сопротивления  эмиттерного повторителя

Входное сопротивление каскада с разделительной  нагрузкой определяется по формуле:

Rвх = 300+(1+50)·333,3 =17,2983·103 Ом

Коэффициент усиления первого (входного)  каскада рассчитывается по формуле:

Номинальное значение напряжения на выходе и входе первого каскада:

         и     

В

В

Крутизна S определяется по формуле:

Рис. 3 – Семейство ВАХ транзистора 2П201А-1

 

5. Выбор Rз и Rг

Поскольку во входной цепи полевого транзистора ток отсутствует, то Rз = Rг = Rвх = 4 МОм.

 

6. Расчет емкостей Ср1, Ср3, Ск

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