Курсовая работа по дисциплине Электроника. Курсовая работа По дисциплине Электроника Разработка интегрального аналогового устройства

• Название: Курсовая работа По дисциплине Электроника Разработка интегрального аналогового устройства
• Дата: 16.03.2022
• Размер: 188.92 Kb.
• Имя файла: Курсовая работа по дисциплине Электроника.docx
• Тип: Курсовая; #399437

Федеральное агентство связи

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

Межрегиональный центр переподготовки специалистов

Курсовая работа

По дисциплине: Электроника

« Разработка интегрального аналогового устройства »

Выполнил:

Группа:

Вариант: № 02

Проверил: Игнатов А. Н.

Новосибирск 2016г.

Содержание

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

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

1. 
   Разработка структурной схемы……………..……………………………..4
   
2. 
   Разработка принципиальной схемы…………..……………………………6
   
3. 
   Разработка интегральной микросхемы…………………………………14
   

3.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов…………………………………………………………………………….................14

3.2 Разработка топологии…………….………………………………………………….16

3.3 Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы…………………………………………………………………..……………………..18

Заключение………………………………………………………………..……………….………..20

Список используемой литературы……………….…………………………………..21

Техническое задание

1. 
   Напряжение источника питания Е = +12В.
   
2. 
   Коэффициент усиления по напряжению Кu = 6.
   
3. 
   Входное сопротивление Rвх = 1,8 МОм.
   
4. 
   Сопротивление нагрузки Rн = 1 кОм.
   
5. 
   Номинальное выходное напряжение Uном = 2В.
   
6. 
   Нижняя рабочая частота fн = 300 Гц
   
7. 
   Верхняя рабочая частота fв = 3,4 кГц.
   
8. 
   Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте Мв = 2дБ.
   
9. 
   Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте Мн = 1дБ.
   
10. 
    Тип входа – несимметричный, тип выхода – несимметричный.
    

Введение

Разрабатываемое устройство представляет собой двухкаскадный усилитель звуковой частоты с несимметричным входом и выходом. Усилитель может получить широкое распространение в аппаратуре связи как предварительный усилитель НЧ сигналов, в каналообразующей аппаратуре в индивидуальных преобразователях.

1. Разработка структурной схемы

В нашем случае техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с использованием полевого и биполярного транзистора. Чтобы обеспечить проектный коэффициент усиления по напряжению (6) при источнике питания +12В в первом каскаде усилителя можно использовать полевой транзистор 2П202Е-1, который при включении по схеме с ОИ должен обеспечить усиление по напряжению в 8,75 раз (Кu1=8,75). Во втором каскаде использовать эмиттерный повторитель на биполярном транзисторе 2Т366Б-1 с коэффициентом усиления по напряжению меньше 1. Избыток усиления убрать на входном устройстве. Выходное устройство должно обеспечить Квых = 1.



Рисунок 1 – Структурная схема усилителя

Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте Мв=2дБ=1,58 раза.

Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте Мн=1дБ=1,2589 раза.

2. Разработка принципиальной схемы

Первый каскад выполнить на полевом транзисторе 2П202Е по схеме с ОИ, что позволяет добиться высокого входного сопротивления и, следовательно, осуществлять работу с высокоомными источниками входного сигнала.

Схема с ОИ является инвертирующим усилителем, способным усиливать сигналы по напряжению и току и обладает сравнительно небольшими междуэлектродными емкостями. Выходное сопротивление сравнительно велико и обычно многократно превышает сопротивление нагрузки, поэтому коэффициент усиление каскада К»SRн и достигает десятков единиц.



Расчет первого каскада

Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме и используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных прямых, производим расчет необходимого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений элементов. Выбираем рабочую точку при Uзи=0 – при этом не нужно применять цепь автоматического смещения с резистором и конденсатором в цепи истока. В пологой части графика выбираем рабочую точку, что примерно соответствует Uси = 4 В и Iс=2,55 мА.

На рисунке приведены семейство выходных характеристик ПТ 2П202Е с р-n переходом и каналом р типа, а также три нагрузочных прямых.



Рабочую точку А удобно выбрать при нулевом смещении входной цепи U_ЗИ=0. Выбор рабочей точки при U_ЗИ=0 гарантирует упрощение принципиальной схемы и топологии, так как отпадает необходимость в использовании сопротивления в цепи тока R_u, и конденсатора большей емкости С_u, устраняющего отрицательную связь во всей полосе рабочих частот.

1) При выборе высокоомной нагрузки каскада, линия нагрузки соответствует прямой I, рабочая точка располагается в крутой области характеристик ПТ. В этом случае невозможно реализовать высокие значения К_u, т.к. транзистор имеет низкие значения крутизны, а нагрузка шунтируется малым динамическим сопротивлением R_i ( , ). Кроме того, рабочей точке соответствует малое напряжение U_СИ, недостаточное для обеспечения нормальной работы выходного каскада и требуемого напряжения на выходе усилителя U_ном.

2) При выборе низкоомной нагрузки каскада, линия нагрузки соответствует прямой III, рабочая точка располагается в пологой области выходных характеристик. В этом случае напряжение U_СИ в рабочей точке ПТ приближается к напряжению питания, это приведет к тому, что не будет обеспечиваться нормальный режим работы транзистора выходного каскада. Напряжение коллектор-эмиттер будет недопустимо малым (режим работы БТ близок к насыщению), а, следовательно, выходной каскад не обеспечит необходимого по заданию напряжения Uном.

3) При выборе рабочей точки (линия нагрузки II) в пологой области характеристик ПТ, транзистор будет обладать высоким динамическим выходным сопротивлением ( , ). Так как выполняется неравенство R_i >> R_C, то влиянием R_i на коэффициент усиления каскада можно пренебречь, поэтому для расчета коэффициента усиления по напряжению первого каскада можно использовать формулу:



где - крутизна в рабочей точке.

Тогда

Расчет второго каскада

Ток покоя выходного транзистора должен быть в 2 – 5 раз более тока нагрузки и в соответствии с полярностью источника выбираем транзистор 2Т366Б-1. Ток в нагрузке найдем по формуле:



Напряжение на базе биполярного транзистора VT2 равно напряжению на стоке полевого транзистора VT1.



где Uc = 4 В – снимается с графика ВАХ, Uбэ = 0,7В – падение напряжения на переходе база – эмиттер

Найдем



Коэффициент усиления выходного каскада



Коэффициент усиления общий



Избыток усиления гасится во входном устройстве с Чтобы добиться такого усиления нужно подобрать резистор Rг. При условии, что из формулы найдем Rг:



Расчет амплитудно–частотной характеристики усилителя

Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте определяется разделительными конденсаторами между затвором полевого транзистора и между оконечным каскадом и нагрузкой. Распределим поровну искажения между ними:

Мн1 = Мн2 = 1 ∕ 1 = 1 дБ = 1,12 раза





Определим емкости конденсаторов исходя из допустимых величин частотных искажений. Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте определяется цепью Rc и Cк.

Емкость конденсатора рассчитываем по формуле:



Расчет АЧХ в области нижних частот производится по формуле:

=



=

Подставим значение частоты 0,1ƒн ; 0,2ƒн; 0,5ƒн; 0,7ƒн; ƒн; 1,5ƒн; 2,0ƒн. Данные заносим в таблицу.

ƒ,Гц	0,1ƒн	0,2ƒн	0,5ƒн	0,7ƒн	ƒн	1,5ƒн	2,0ƒн
	30	60	150	210	300	450	600
YН	0.166	0.343	0.682	0.795	0.882	0.942	0.966

Y(н)



f(Гц)


Рисунок 3 – АЧХ усилителя в области нижних частот

Расчет АЧХ в области верхних частот производится по формуле:



Подставим значения частоты: 0,5ƒв; ƒв; 2ƒв; 5ƒв; 10ƒв. Результаты заносим в таблицу.

ƒ,кГц	0,5ƒв	ƒв	2ƒв	5ƒв	10ƒв
	1,7	3,4	6,8	17	34
YВ	0,999	0,997	0,988	0,936	0,799

Y(н)



f(кГц)


Рисунок 4 – АЧХ усилителя в области верхних частот

Проводим проверку соответствия расчетных и заданных значений Мн и Мв:

3. 
   Разработка интегральной микросхемы
   

3.1 Выбор навесных элементов и расчет пленочных элементов

Выбираем керамические чип конденсаторы:

С_р1 AVX 08055A471JAT - 470 пФ

С_к 06035G103ZAT2A - 10000 пФ

С_р3 GRM21BR71E105K – 1 мкФ

Размеры конденсаторов:

С_р1: L = 2,1 мм, В = 1,3 мм.

С_к: L = 1,6 мм, В = 0,85 мм.

С_р3: L = 2,1 мм, В = 1,3 мм.

Резисторы – R_э=1 кОм, R_с=3,6 кОм – изготавливаются напылением.

Резистор R_з=1 МОм выбираем стандартный Р1-12 с размерами L=3.1мм, В=1,55мм.

Размеры транзисторов 2П202Е-1 0,8 х 0,8мм, и 2Т366Б-1 0,65 х 0,65мм.

При использовании термического напыления сплава МЛТ-3М коэффициенты формы:





Зададим ширину резисторов b=0.2 мм. Длина пленочного резистора вычисляется по формуле:



для R_c :

для R_э :

Проверим резисторы по рассеиваемой мощности.







Допустимые мощности рассчитываем по формуле ,

где – площадь резистора,

Р_о =0,02 Вт/мм – удельная мощность рассеяния





Так как рассеиваемые мощности больше чем допустимые, увеличим размеры пленочных резисторов:

для R_c : l_c = 4мм, b_c = l_c ∕ К_ф = 4 ∕ 7,2 = 0,56 мм.

для R_э : l_э = 1,2 мм, b_э = l ∕ К_ф = 1,2 ∕ 2,4 = 0,5 мм.

При этих размерах получим: Р_{Rc доп} = 45 мВт; Р_{Rэ доп} = 12 мВт, что удовлетворяет требованиям.

1. 
   3.2 Разработка топологии
   

Суммарная площадь, занимаемая конденсаторами составляет:

Sc = 2,1 ∙ 1,3 + 1,6 ∙ 0,85 + 2,1 ∙ 1,3 = 6,82 мм².

Суммарная площадь, занимаемая резисторами составляет:

S_R = 4 ∙ 0,56 + 1,2 ∙ 0,5 + 3,1 ∙ 1,55 = 7,65 мм²

Площадь транзистора VT1 типа 2П202Е S_VT1 = 0.8 ∙ 0.8 = 0,64 мм²

Площадь транзистора VT2 типа 2Т366Б-1 S_VT2=0.65∙0.65 = 0,43мм²

Суммарная площадь транзисторов Sтр = 0,64 + 0,43 = 1,07 мм²

Суммарная площадь элементов усилителя

S = Sc + S_R + Sтр = 6,82+7,65+1,07 = 15,6 мм².

Учитывая необходимость дополнительной площади на выводы ИМС, межэлементные соединения и расстояние между элементами, необходимо увеличить расчетную площадь. Выбираем подложку размерами 9х10 мм (площадь 90 мм²).

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



Рисунок 5 – Топология рассчитанной микросхемы

3. 
   Этапы изготовления усилителя в виде гибридной интегральной микросхемы
   

ИС представляет собой совокупность пленочных пассивных элементов и навесных активных компонентов.

ИС изготовим по технологии термического напыления какого-либо материала на диэлектрическую подложку. В настоящее время для получения необходимого рисунка используют фотолитографию, которую осуществляют следующим образом:

1. На подложку наносят сплошные пленки необходимых материалов (нихрома для изготовления резисторов и поверх него – проводящий слой).

2. 
   Затем поверхность покрывают фоторезистом и с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для поводящего слоя, например для контактных площадок будущего резистора.
   
3. 
   Через окна в фоторезисторной маске проводят травление проводящего слоя, после чего фоторезист удаляют. В результате получают готовые контактные площадки.
   
4. 
   Снова наносят фоторезист и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора.
   
5. 
   Проводят травление, удаляют фоторезист и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадками.
   
6. 
   По завершении пленочных пассивных пассивных элементов пластины большой площади, на которых групповым методом на пластинах большой площади, разделяются на отдельные подложки ( обычно методом скрайбирования ).
   
7. 
   Каждая из подложек снабжается навесными компонентами и заключается в корпус.
   

Для проводниковых пленок и омических контактов используют либо золото с подслоем CrTi, либо медь с подслоем ванадия. Толщина проводящих пленок и контактных площадок обычно составляет 0,5-1 мкм.

Подложки тонкопленочных ГИС должны обладать следующими свойствами:

• 
  хорошие изолирующие свойства;
  
• 
  малая диэлектрическая проницаемость;
  
• 
  высокая теплопроводность;
  
• 
  достаточная механическая прочность;
  
• 
  температурный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок.
  

Заключение

В данной работе разработана ГИС размером 10х16мм., представляет собой двухкаскадный усилитель звуковой частоты с заданными в техническом задании характеристиками. Большое входное сопротивление удалось обеспечить применением полевого транзистора включенного по схеме с ОИ, второй каскад – эмиттерный повторитель собран на биполярном транзисторе 2Т366Е-1, который позволяет получить большой коэффициент по току, а коэффициент по напряжению меньше единицы, таким образом, удалось достичь заданного усиления по напряжению при питании +12В.(Uпит=12В)

Список литературы:

1. 
   Степаненко И.П. Основы микроэлектроники – М.: Сов. радио, 1980
   
2. 
   Цыкин Г.С. Усилительные устройства – М. : Связь, 1971
   
3. 
   Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем – М. : Радио и связь, 1991
   
4. 
   Справочная книга радиолюбителя – конструктора – М. : Радио и связь,1990
   
5. 
   Транзисторы (справочник) – М. : Радио и связь, 1990