Разработка структурной схемы

;

.

Необходимо перевести из децибел в разы по формуле:

 Ф

    Ф

 

Частотная характеристика усилителя в области верхних частот зависит от выбора емкости конденсатора Ск, рассчитываемый в формуле:

,

где  

дБ=1,12 раз

 Ф

 

7. Расчет амплитудно-частотной  характеристики

Расчет АЧХ в области нижних частот производят по формуле:

 

Подставим значения частот:

0,1ƒн; 0,2ƒн; 0,5ƒн; 0,7ƒн; ƒн; 1,5ƒн; 2ƒн. Полученные данные заносим в таблицу 1 и построим график.

Таблица 1

,Гц	2	4	10	14	20	30	40
	0,3	0,6	1	1,15	1,3	1,5	1,6
,раз	0,07	0,13	0,27	0,34	0,39	0,44	0,46

 

График АЧХ на нижних частотах в приложении 1.

 

Расчет АЧХ в области верхних частот производят по формуле:

Подставим значения частот:

0,5ƒв; ƒв; 2ƒв; 5ƒв; 10ƒв.

Таблица 2

,Гц	3000	7500	15000	30000	75000	150000
	3,5	3,9	4,2	4,5	4,9	5,2
,раз	0,99	0,96	0,75	0,70	0,37	0,19

 

График АЧХ на верхних частотах в приложении 1.

3.2 Разработка топологии

Необходимо определить способ реализации элементов схемы (навесной, интегральный).

На первом этапе заданную электрическую схему необходимо преобразовать таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинных сторон и были исключены все пересечения пленочных проводников. Последнее условие выполняют, заменяя взаимные пересечения пленочных проводников пересечением пленки и выводов, навесных бескорпусных транзисторов.

Вторым этапом является расчет размеров пассивных элементов гибридной ИМС.

1. Расчет резисторов

Расчет пленочных резисторов начинается с выбора материала резистивной пленки и проводящей пленки для выводов. Для этого можно воспользоваться таблицей 3.

Таблица 3 – Характеристика материалов пленочных резисторов

Материал резисторов	Удельное сопротивление, Ом/квадрат	Удельная мощность рассеяния Р0, Вт/ см2	Способ нанесения
Нихром МЛТ-3М РС-3001 Кермет	300 500 1000-2000 3000-10000	2 2 2 2	Термическое напыление
Тантал Нитрид тантала	20-100 1000	3 3	Катодное напыление

 

 Каждый резистор должен выдержать  мощность:

,

где – удельная мощность рассеяния (значение Р0 для различных материалов приведены в упомянутой выше таблице);

 –  площадь резистора, равная  .

 

 

 

1.1 .   Размер и конфигурацию пленочных резисторов находят по рассчитанным номинальным сопротивлениям резисторов Ri и удельному сопротивлению пленки rs. Количество разнородных материалов для выполнения резисторов должно быть минимальным. Желательно использовать один материал.

Находим коэффициент формы резистора по формуле:

,

Выбранный материал должен удовлетворять условию, чтобы величина Кф не превышала 50 для резистора с самым большим сопротивлением. Выбираем материал Нихром: r = 300 Ом/квадрат P0 = 2 Вт/см2.

Rc = 3360 Ом

b min =200 мкм = 0,02 см

l =11,2·0,02= 0,224 см =2,24 мм

Значение b находим по формуле:

,

;

Мощность, которую выдержит резистор равна:

Pmax =0,00896·2 =0,01792 Вт.

Мощность, которая на нем рассеивается:

т.к. , то форма резистора – прямоугольная.

        , следовательно, резистор не перегреется.

1.2  Rз = Rг = Rвх = 4  МОм =4·106 Ом

Резистор займет много места, предпочтительней использовать навесной резистор типа Р1-12 МОм – 6,8 МОм (L = 3,1 мм, B = 1,55 мм).

 

1.3 Rэ = Rн =Rk =500 Ом;

Т.к. , то форма резистора – прямоугольная.

l =1,67·0,02=0,0334·3=0,1002 см = 1,002 мм,

Значение b находим по формуле:

,

;

Мощность, которую выдержит резистор равна:

Мощность, которая на нем рассеивается:

                следовательно, резистор не перегреется

 

2. Расчет конденсаторов 

При расчете пленочных конденсаторов сначала выбирают материал диэлектрика (таблица 4) в соответствии с выбранным методом нанесения пленок.

Таблица 4 – Характеристика материалов для диэлектрика пленочных конденсаторов

Материал диэлектрика	Удельная емкость С0, пФ/ мм2	Способ нанесения пленок
Моноокись кремния Моноокись германия	50-100 50-100	Термическое напыление
Двыокись кремния Окись тантала	200 500	Катодное напыление

 

После выбора материала вычисляют площадь конденсатора:

где - емкость рассчитываемого конденсатора;

 и  - длина и ширина площадки занимаемой перекрывающимися частями нижней и верхней обкладок конденсатора (если конденсатор имеет прямоугольную форму).

 

2.1.   Ср1 = 1,99·10-9 Ф

Реализуем интегрально, выберем материал диэлектрика окись тантала   С0=500 пФ/мм2=500·10-12Ф/мм2

 

2.2.   Ср3 = 31,85 мкФ

Выбираем навесной конденсатор типа К53-26     0,22 – 100 мкФ    

          L = 2 мм; В = 3 мм

 

2.3.      Ск =1,59·10-9 Ф

Реализуем интегрально, выберем материал диэлектрика окись тантала   С0=500 пФ/мм2=500·10-12Ф/мм2

 

3. Расчет транзисторов

 VT1 – бескорпусной полевой транзистор 2П201А-1

VT2 – бескорпусной биполярный транзистор КТ370А-1

Общая площадь, занимаемая всеми элементами схемы:

SΣ = Sтр + SR + Sc,

где Sтр – площадь, занимаемая транзисторами;

SR – площадь, занимаемая резисторами;

Sc – площадь, занимаемая конденсаторами.

Sтр = 1,36 мм2;

SR = 12,19 мм2 ;

Sc = 13,16 мм2;

SΣ = 26,71 мм2.

   Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами  и расстояние от края подложки, следует увеличить суммарную  площадь в 3-4 раза.

Затем выбираем подложку, учитывая размеры плат, приведенные в таблице 5.

Таблица 5 – Рекомендуемые размеры плат для гибридных ИМС

Длина, мм	48	30	24	60	30	20	48	30	16	12
Ширина, мм	30	24	20	16	16	16	12	12	10	10

 

Выбираем подложку с размерами:

Длина – 12 мм, ширина – 10 мм, тогда площадь S = 120 мм2.

Размещаем элементы схемы на подложке  таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинных сторон  и были исключены все пересечения пленочных проводников.

3.3 Этапы изготовления устройства  в виде гибридной интегральной  микросхемы.    

Технологический процесс изготовления гибридных ИМС представляет последовательность из семи этапов.

По аналогии с производством полупроводниковых ИМС производство подложек, деталей и узлов корпуса, а также компонентов гибридных микросхем целесообразно выделять на специализированные предприятия. Процессы формирования пленочных структур характеризуются высокой однородностью и сводятся практически к двум процессам: осаждению пленок в вакууме и фотолитографической обработки.

Структура цеха должна предусматривать принцип предметно-технологической специализации. К производственным участкам цеха по изготовлению гибридных микросхем относятся участки очистки подложек, изготовление фотошаблонов и масок трафаретов; вакуумного напыления; фотолитографии; сборки и монтаж; герметизации; контроля электрических параметров; маркирование, лакирование, упаковки.

I этап - анализ принципиальной электрической схемы и исследование возможностей ее реализации в виде пленочной гибридной микросхемы. На этом этапе определяют типы применяемых элементов, их номинальные параметры, выявляют, какие элементы будут выполнены в пленочном исполнении, а какие в дискретном, а также число и расположение контактных площадок. С этой целью преобразуют принципиальную электрическую схему изделия в коммутационную схему.

II этап – разработка технологической структуры пленочной микросхемы. Топологические чертеж микросхемы - это конструкторский документ, определяющий ориентацию и взаимное расположение всех элементов микросхемы на подложки, а также форму и размеры пассивных элементов. Для составления топологического чертежа необходимо предварительно рассчитать геометрические размеры всех пленочных элементов и на этой основе определить площадь обложки. По вычислительной ориентировочной площади подложки выбирают ее типоразмер из ряда рекомендуемых. Далее решается задача оптимального размещения на подложке всех элементов микросхем.

III этап – изготовление фотошаблонов и масок. На основе топологического чертежа в фотолаборатории изготавливают миниатюрные фотошаблоны, размеры которых соответствуют размеры микросхем. Фотошаблоны выполняют на фотопластинках с размещающей способностью

порядка 400 линий/мм. На их основе изготавливают маски (трафареты), через которые напыляют необходимые материалы. В качестве подложек для масок используют никелированную медную фольгу, фольгу из нержавеющей стали, из бронзы и т.д. Необходимый рисунок маски можно получить прожиганием подложек электронным лучом или травлением. Наибольшее распространение получил второй способ. Чтобы получить рисунки травлением подложки, пользуются способом фотолитографии. В процессе фотолитографии используется светочувствительный полимерный метал - фоторезист. На подложку маски тонким слоем наносится фоторезист. После просушки на него накладывается фотошаблон и ультрафиолетовыми лучами, под действием которых фоторезист полимеризуется, производится экспонирование. После этого подложку протравливают кислотой. Участки, не защищенные полимернзованным фоторезистом, вытравливаются насквозь, образуя необходимый рисунок. Полимеризованный фоторезист смывают органическим растворителем. При изготовлении пленочных микросхем маски могут использоваться многократно.

IV этап -  нанесение пленочных пассивных элементов микросхемы.

Существует несколько способов получения тонкопленочных элементов. Наибольшее распространение получили вакуумное напыление и катодное распыление. При вакуумном напылении для получения требуемого рисунка схемы применяют маски. Испарение осуществляется после откачки до вакуума до 10 Па. В этом случае атомы испаренного вещества распространяются прямолинейно и, оседая на подложке, создают слой пленки требуемой толщины. Для получения пленок из тугоплавких материалов применяют катодное распыление. Распыляемый материал служит катодом. На анод подается высокое напряжение (порядка 20кВ). Подложку и маску располагают на небольшом расстоянии от катода (1÷5 см). Из установки откачивают воздух, после чего в нее подают инертный газ, создавая под колпаком давление порядка 0,1÷1 Па. Под действием высокого напряжения в установке возникает ионизация газа. Тяжелые ионы, попадая на катод, разрушают его. Частицы катода разлетаются в разные стороны и оседают на подложке, образуя на ней пленки необходимой толщины и формы.