6_ФОЭ. Техническое задание. 3 Введение 4 Разработка структурной схемы. 5 Разработка принципиальной схемы. 6

Название	Техническое задание. 3 Введение 4 Разработка структурной схемы. 5 Разработка принципиальной схемы. 6
Дата	17.05.2021
Размер	1.9 Mb.
Формат файла
Имя файла	6_ФОЭ.doc
Тип	Техническое задание #206130

Точнее СОДЕРЖАНИЕ
Техническое задание. 3

Введение 4

Разработка структурной схемы. 5
Разработка принципиальной схемы. 6
Разработка интегральной микросхемы. 12

Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных

элементов. 12

Разработка топологии. 14
Этапы изготовления устройства в виде гибридной 16

интегральной микросхемы.

Заключение. 18

Список литературы. 19

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Разработать принципиальную схему и выполнить расчет двухкаскадной схемы усилителя с использованием полевого и биполярного транзисторов.

Напряжение источника питания .
Коэффициент усиления по напряжению .
Входное сопротивление .
Сопротивление нагрузки .
Номинальное выходное напряжение .
Нижняя рабочая частота .
Верхняя рабочая частота .
Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте .
Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте .
Тип входа – несимметричный.
Тип выхода – несимметричный.

Исходные данные для заданного варианта сведены в таблицу 1.
Таблица 1

№ вар.	, В		, МОм	, кОм	, В	, Гц	, кГц	, дБ	, дБ	Тип входа	Тип выхода
70	-15	8	5,1	10	3	100	6,3	3	3	Н	Н

ВВЕДЕНИЕ
Роль электроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научного прогресса. Без электроники немыслимы ни успехи в освоении космоса и океанских глубин, ни развитие атомной энергетики и вычислительной техники, ни автоматизация производства, ни радиовещание и телевидение. Микроэлектроника, как очередной исторически обусловленный этап развития электроники и одно из её основных направлений, обеспечивает принципиально новые пути решения назревших задач во всех перечисленных областях.

Гибридная интегральная схема (ГИС) – это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и дискретных элементов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные элементы, входящие в состав ГИС, называют навесными, подчеркивая их особенность от основного технологического цикла получения пленочной схемы. Помимо диодов и транзисторов, навесными элементами могут быть и полупроводниковые ИС, т. е. компоненты повышенной функциональной сложности.

Разрабатываемая в данном проекте схема производит усиление сигналов низкочастотного диапазона – от 100 Гц до 6,3 кГц и может применяться как предварительный усилитель с высоким входным сопротивлением.

При реализации усилителя в виде гибридной интегральной микросхемы (ГИМС) часть или все пассивные элементы выполняются напылением на общей подложке. Так как в ГИМС соединения элементов осуществляются путем металлизации без пайки и сварки, то они обладают более высокой надежностью по сравнению с дискретными схемами, выполняющими ту же функцию.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Рис.1. Структурная схема разрабатываемого устройства
В общем случае техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с использованием полевого и биполярного транзисторов.

Обобщенная структурная схема разрабатываемого устройства состоит из следующих блоков:

- Входной узел. Служит для согласования между источником сигнала и первым каскадом усилителя.

- Первый каскад. Служит для основного усиления и должен обладать большим входным сопротивлением. Напряжение источника питания, в соответствии с заданием

. Следовательно, выбираем транзистор с каналом

типа. Коэффициент передачи рассчитывается исходя из коэффициентов передачи всех остальных каскадов.

- Второй каскад. Должен обеспечить малое выходное сопротивление разрабатываемого устройства и достаточную амплитуду выходного сигнала. Исходя из напряжения питания, биполярный транзистор должен быть структуры

.

- Выходной узел. Служит для согласования второго каскада с нагрузкой. В разрабатываемом устройстве для этого служат разделительные конденсаторы, которые не дают пройти постоянной составляющей в нагрузку. Т.к. это разделительные конденсаторы, то они определяют АЧХ в области нижних частот.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

(1)

Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах

(2)

Согласно заданию коэффициент частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах усилителя

и в данном случае определяется выражением

. Распределим искажения поровну между ними:

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема усилителя с несимметричным входом и несимметричным выходом

Первый каскад выполнен на полевом транзисторе 2П201А по схеме с общим истоком (ОИ), что позволяет добиться высокого входного сопротивления.

Второй каскад выполнен на биполярном транзисторе по схеме с общим коллектором (ОК).

Для многокаскадных усилителей (содержащих n каскадов) общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

(3)

Согласно заданию результирующий коэффициент усиления равен

, поэтому распределим его между каскадами следующим образом: прохождение сигнала в рабочем диапазоне частот через входной и выходной узел должно проходить без потерь, поэтому

;

, т.к. второй каскад выполнен на БТ по схеме с общим коллектором. Отсюда следует, что первый каскад должен обеспечить коэффициент усиления

(4)

Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме и используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных прямых, произведем расчет необходимого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений элементов.

Расчет первого каскада графоаналитическим методом:

На рис. 3 приведены семейство выходных характеристик ПТ 2П201А с

переходом и каналом

типа.

Рис. 3. Семейство выходных характеристик ПТ 2П201А
Типовая схема усилителя с несимметричным выходом на БТ с ОК представ- лена на рисунке 2

Через точки с координатами (UСИ А, UЗИ = 0), (IC = 0, UП) проводится линия нагрузки (рисунок 3).

Рабочую точку удобно выбрать в пологой области характеристик ПТ, для получения необходимого усиления, а значит транзистор будет обладать высоким динамическим выходным сопротивлением:

(5)

Определяем сопротивление в стоковой цепи R_c:

, (6)

где

ток выходной цепи при

Если

, то влиянием

на коэффициент усиления каскада можно пренебречь, поэтому для расчета коэффициента усиления по напряжению первого каскада можно использовать формулу:

_{, (7)}

где - крутизна в рабочей точке.

₍₈₎

_{Тогда коэффициент усиления по напряжению первого каскада:}

Расчет второго каскада:

Основная задача биполярного транзистора – обеспечить необходимую мощность в нагрузке, поэтому транзистор выходного каскада выбирается по току покоя I_к.о., который должен в

раз превышать ток нагрузки:

(9)

_{Выбираем ток покоя равный:}

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

₍₁₀₎

где – снимается с графика ВАХ, – падение напряжения на переходе база – эмиттер.

В соответствии с полярностью источника выбираем транзистор

, учитывая требования по напряжению питания и току нагрузки, выберем транзистор 2Т3704-1 с параметрами:

Напряжение коллектор-эмиттер будет равно:

. (11)

На выходных статических характеристиках транзистора (рис. 4) выбираем рабочую точку при

и значении тока коллектора превышающего ток в нагрузке

. При этом базовый ток равен:

Рис. 4. Семейство входных и выходных характеристик транзистора 2Т3704-1
Найдем сопротивления резистора в цепи эмиттера:

(12)
Коэффициент передачи эмиттерного повторителя определяется по формуле:

(13)

где

(14)

Значение параметра h_21Э определяется с использованием семейства выходных характеристик в районе точки покоя:

(15)

Значение параметра h_11Э определяют по входной характеристике БТ. Входной ток должен соответствовать выбранной точке покоя БТ, указанной на выходной характеристике БТ:

(16)

Отсюда коэффициент передачи второго каскада:

Коэффициент усиления напряжения усилителя будет равен:

_{Рассчитаем погрешность:}

₍₁₇₎

Таким образом, коэффициент усиления напряжения усилителя соответствует техническому заданию

Расчет амплитудно-частотной характеристики
Определим значения емкостей разделительных конденсаторов, учитывая, что в приведенных ниже формулах коэффициент частотных искажений выбирается в разах.

Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте определяется разделительными конденсаторами: и . Распределим поровну искажения между ними:

(18)

(20)

Рассчитаем емкость корректирующего конденсатора:

₍₂₁₎
АЧХ в области нижних частот:

Рассчитаем относительный коэффициент усиления в области нижних частот, используя значения частот:

(22)

Пример расчета на частоте

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2


	0,0013	33,028
	0,0052	21,55
	0,027	8,794
	0,674	5,548
	0,708	3
	0,905	1,545
	0,944	0,903

АЧХ в области верхних частот:

Рассчитаем относительный коэффициент усиления в области верхних частот, используя значения частот:

(22)

Пример расчета на частоте

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3.


	0,895	0,966
	0,708	3
	0,448	6,977
	0,197	14,134
	0,1	20,027

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика в области нижних и верхних частот

Проверка соответствия расчетных и заданных значений

(23)

3. РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ
3.1. Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов.

Выбор навесных элементов:

В разрабатываемой интегральной микросхеме навесными элементами являются транзисторы VТ1 и VT2 с размерами:

2П201А:

2Т3704-1:

Резистор Rз=2,7 МОм выбираем стандартный МЛТ (ряд Е24) с размерами: L=6мм, В=2,2 мм

Навесные элементы устанавливаются на расстоянии не менее 500мкм от пленочных элементов и не менее 600мм от контактных площадок; минимальное расстояние между навесными компонентами 300 мкм. Длина проволочных выходов навесных компонентов должна быть от 600 мкм до 5 мм.
Расчет пленочных резисторов:

Рассчитаем максимальную рассеиваемую мощность на каждом резисторе и выберем их размер и конфигурацию.

, (24)

где I_i – ток, протекающий через резистор.

Для определения размеров резисторов определим коэффициент формы:

,

где

номинал резистора,

- удельное поверхностное сопротивление пленки

Для изготовления резисторов целесообразно выбрать материал с высоким удельным поверхностным сопротивлением. Выберем сплав РС3001 с удельным сопротивлением

и удельной мощностью рассеяния

.

Подставив числовые значения, найдём коэффициент формы:

- прямоугольная форма, длина больше ширины

.
Расчёт длины резистора произведём по формуле:

, (25)

где

так как мы используем метот фотолитографии для изготовления плёночных элементов.

Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rэ:

Следовательно необходимо увеличить площадь резистора Rэ.

Возьмем

, тогда:

Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rc:

Следовательно необходимо увеличить площадь резистора Rc.

Возьмем

, тогда:

Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rэ:

Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rс:

Расчёт плёночных конденсаторов:

Для плёночных конденсаторов выберем материал моноокись кремния, имеющий наибольшую удельную ёмкость

.

Определим площади конденсаторов:

(27)

Разделительный конденсатор

целесообразно выполнить в виде навесных элементов, чтобы сэкономить место на плате:

: К53-26, с параметрами

: К10 – 17, с параметрами

.
3.2. Разработка топологии.
Расчёт площади занимаемой всеми элементами схемы:

, (28)

где

- площадь, занимаемая транзисторами;

- площадь, занимаемая резисторами;

- площадь, занимаемая конденсаторами.

;

.

Суммарная площадь будет равна:

.

Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами и расстояния от края подложки, следует увеличить площадь в 3-4 раза, т.е. суммарная площадь подложки должна быть

.

Выберем подложку размером (10х12)мм², материал – ситалл.
Необходимо учитывать следующие ограничения (для тонкопленочной технологии):

пассивные и активные элементы располагаются на расстоянии 1000мкм от края подложки;
навесные элементы (компоненты) устанавливаются в специально отведённые места на расстоянии не менее 500 мкм от пленочных элементов и не менее 600 мкм от контактных площадок; минимальное расстояние между навесными компонентами 300 мкм;

длина проволочных выводов навесных компонентов должна находиться от 600 мкм до 5мм;
нижняя обкладка пленочных конденсаторов должна выступать за край верхней обкладки не менее чем на 20 мкм; диэлектрик должен выступать за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм;
минимально допустимая ширина пленочных проводников 100 мкм при масочном методе, 50 мкм при фотолитографии;
минимально допустимое расстояние между пленочными элементами составляет 200 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии;
минимально допустимые размеры площадок для припайки 400х400 мкм, для приварки – 200х250 мкм;
входные и выходные контакты располагаются вдоль длинных сторон подложки на расстоянии не менее 1000 мкм от края;

Чертеж топологии представлен на рис. 6.

Рис.6. Чертеж топологии ГИМС в масштабе 10:1

3.3. Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы.

Гибридные интегральные микросхемы представляют собой совокупность пассивных пленочных элементов и активных навесных компонентов. Поэтому технологию тонкопленочных ГИС можно разбить на технологию пассивных пленочных элементов и технологию монтажа активных элементов.

Изготовление пассивных элементов.

Тонкопленочные элементы ГИС реализуются путем локального (через маски) термического, катодного или ионо-плазменного напыления того или иного материала на диэлектрическую подложку.

В качестве масок длительное время использовались катодные металлические трафареты, которые обладали рядом недостатков, поэтому в последние годы для получения необходимого рисунка используют фотолитографию – метод заимствованный из технологии полупроводниковых ИС.

Рис. 7. Получение тонкопленочных резисторов методом фотолитографии:

а) фоторезистная маска(3)под рисунок проводящего слоя,

б) готовый рисунок проводящего слоя(2),

в) фоторезистная маска (3) под рисунок резистивного слоя (1),

г) готовый резистор с проводящими выводами
Фотолитографию осуществляют следующим образом. На подложку наносят сплошные пленки, необходимых материалов, например, резистивный слой и поверх него – проводящий слой. Затем поверхность покрывают фоторезистом и с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для контактных площадок будущего резистора (рис. 7а). Через окна в фоторезистной маске проводят травление проводящего слоя, после чего фоторезист удаляют. В результате на пока еще сплошной поверхности резистного слоя получаются готовые контактные площадки (рис. 7б.) Снова наносят фоторезист и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора (рис. 7в). Затем производят травление, удаляют фоторезист и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадками (рис. 7г).

Для резистивных пленок чаще всего используют хром нихром и пермет из смеси хрома и моноокиси кремния. Метод напыления этих материалов – термический вакуумный. Для обкладок конденсаторов используют алюминий. Для диэлектрических слоев наибольшее распространение имеют моноокись кремния. SiO и моноокись германия GeO. Для проводниковых пленок и омических контактов используют, как правило, либо золото с подслоем CrTi, либо медь с подслоем ванадия (назначение подслоев – улучшить адгезию с подложкой). Толщина проводящих пленок и контактных площадок обычно составляет 0,5 – 1 мкм. Размеры контактных площадок 200х250 мкм и более.

Подложки тонкопленочных ГИС должны прежде всего обладать хорошими изолирующими свойствами. Кроме того, желательны малая диэлектрическая проницаемость, высокая теплопроводность, достаточная механическая прочность. Температурный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок.

В настоящее время наибольшее распространение в качестве подложек используют ситалл и керамика. Ситалл представляет собой кристальную разновидность стекла, а керамика – смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах. Толщина подложек составляет 0,5 – 1 мм. Обычно ГИС изготавливаются групповым методом на ситалловых или иных пластинах большой площади. По завершению основных технологических операций, связанных с получением пленочных пассивных элементов металлической разводки, пластина разделяется на отдельные подложки. Это обычно осуществляется методом скрайбирования. После разделения подложек каждая из них снабжается навесными компонентами и заключается в корпус.

Монтаж навесных компонентов.

В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и транзисторы. Простейшим вариантом бескорпусного транзистора является кристалл, полученный после скрайбирования, к трем контактным площадкам которого присоединены тонкие проволочные выводы и который защищен от внешней среды каплей эпоксидной смолы, обволакивающий кристалл со всех сторон. Такой транзистор приклеивается к подложке вблизи тех пленочных элементов, с которыми он должен быть соединен, после чего проволочные выводы транзистора методом термокомпрессии присоединяются к соответствующим контактным площадкам на подложке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная ГИС размером 10х12мм 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 2Т3704-1, который позволяет получить большой коэффициент по току, а коэффициент по напряжению меньше единицы, таким образом, удалось достичь заданного усиления по напряжению

.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Методические указания. Конспект лекций. Новосибирск. 2011
Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, новые направления. –М.: Высшая школа, 1978, -312с.
Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: учебное пособие для вузов. – М.: сов. Радио, 1980., 424с.
Справочник под редакцией Перельмана Б. Л. «Транзисторы для аппаратуры широкого применения» - М: «Радио и связь» 1981г.
http://thebard.narod.ru/Elektronika/Lect2/overall.htm