Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

spice микросхема температура усилитель

Введение

1. Обзор литературы по теме квалификационной работы

1.1 Использование Spice моделей при проектировании электронных схем

1.2 Общие сведения о гибридных микросхемах

1.3 Общие сведения об операционных усилителях

2. Специальная часть

2.1 Техническое задание

2.2 Анализ технического задания

2.3 Влияние температуры на элементы гибридной микросхемы 828КТ6

2.4 Измерение характеристик элементов микросборки 828КТ6

2.5 Стандартные SPICE модели элементов микросборки

2.6 Разработка Spice моделей элементов гибридной микросхемы 828КТ6

2.7 Стандартные SPICE модели операционных усилителей

2.8 Разработка Spice модели ОУ 544УД2А

3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Описание гибридной микросхемы 828КТ6

3.2 Описание операционного усилителя 544УД2А

3.3 Описание измерительного стенда

3.4 Схемы измерения

3.5 Система моделирования схем System vision

4. Экологическая часть

4.1 Эргономические требования к рабочему месту

4.2 Охрана труда

5. Решение задачи на ЭВМ

Выводы по работе

Список используемой литературы



Введение

Обоснование выбора темы квалификационной работы

На ряде отечественных предприятий, занимающихся разработкой стойкой электронной аппаратуры для специальных применений (авиа-космических, оборудования атомных электростанций), используются современные системы автоматизированного проектирования, такие как Mentor Graphics.

Схемотехническое Spice моделирование таких устройств позволяет промоделировать работу устройств и предсказать их поведение при различных температурах. К сожалению, в библиотеках системы проектирования отсутствуют схемотехнические модели отечественных электронных компонентов. Поэтому необходимо создать Spice модели элементов, с помощью которых можно проектировать схемы при различных условиях эксплуатации.

В соответствии с этим, в данной дипломной работе предполагается исследование характеристик отечественных микросхем с учётом влияния температуры и создание их Spice моделей .

Таким образом, тема представляется актуальной, так как полученные результаты предполагается использовать в дальнейших разработках, проводимых на отечественных тредприятиях.



1. Обзор литературы по теме квалификационной работы

1.1 Использование Spice моделей при проектировании электронных схем

SPICE является программой для схемотехнического моделирования с ориентацией на интегральные схемы, впервые выпущенный из университета Калифорнии в Беркли в начале 1970-х годов. До существования SPICE инженеры разработали схемы вручную, возможно, с помощью логарифмической линейки и калькулятора. Прототип был построен с оригинальным дизайном, а его производительность оценивается целей дизайнера.

Разработка многих из схем сегодня было бы невозможно без помощи SPICE. Часто аналоговые схемы содержат сотни или тысячи устройств. Проектирование и анализ включают поиск решений уравнений. Эти уравнения могут быть простые алгебраические форму или привлекать нелинейных дифференциальных уравнений. Прототипы еще построены, чтобы измерить производительность, но, учитывая затраты работает в сотни тысяч долларов, исполнение должно быть во многом предвосхитила через компьютерного моделирования до изготовления прототипа начинается.

SPICE не ограничивается моделированием интегральных схем. Скорее всего, SPICE полезна для анализа любой цепи, которая может быть описана в терминах напряжения источников, источников тока, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторов и некоторых других компонентов [1].

1.2 Общие сведения о гибридных микросхемах

Гибридная микросхема, микросборка - микросхема, в которой часть элементов изготавливается на общей подложке, а другая часть активных элементов создаётся на отдельных кристаллах и припаевается к подложке.

Микросборки изготавливают на диэлектрической подложке, их пассивные элементы резисторы, конденсаторы, индуктивности, межсоединения и контактные площадки создают по пленочной технологии, т. Е методом напыления.

Транзисторы для микросборок изготавливают в бескорпусном варианте, это позволяет уменьшить размеры схем. Характеристики бескорпусных имеют схожие числовые показатели, что и у дискретных аналогов. С целью защиты бескорпусных транзисторов, от влияния факторов внешней среды, их покрывают влагоустойчивым покрытием[2].

Рис. 1 Пример гибридной микросхемы .

На сегодня остались две основные ниши, где применяются микросборки:

1. Там где надо создать функционально законченный узел (почти всегда из бескорпусных элементов) с эффективностью теплоотвода, надежностью, габаритами, стойкостью к вибрациям и прочим специальными факторам гораздо выше, чем у аналогичной схемы собранной на печатной плате. Стоимость заказчика при этом совершенно не интересует, особенно она высока для мелкосерийных изделий.

2. Некие простые кусочки законченных схем, собранных на подходящей подложке.



1.3 Общие сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ) - электронный усилитель, предназначенный для различных операций над аналоговыми величинами в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Чаще под ОУ понимают усилитель постоянного тока с дифференциальным входом , большим коэффициентом усиления, малыми входными токами, большим входным сопротивлением, малым выходным сопротивлением, достаточно большой граничной частотой усиления, малым смещением нуля. Под большими и малыми понимаются такие величины, которые в простых расчётах можно считать соответственно бесконечными или нулевыми (идеальный ОУ)[3].

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Параметры, определяющие качество ОУ, разделяют на три группы: эксплуатационные, точностные и динамические.

К основным эксплуатационным параметрам относят:

Минимальное и максимальное напряжения питания;

Коэффициент усиления

Потребляемый ток;

Размах выходного напряжения от ”-” питания до”+” питания;

Наличие входа Shutdown (отключение от нагрузки).

К основным точностным параметрам относят:

Напряжение смещения нуля VOS;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС);

Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (КППНП) (другое наименование - коэффициент ослабления влияния нестабильности источников питания (КОНИП));

Входной ток IBIAS;

Спектральная плотность шума по напряжению en.

К основным динамическим параметрам относят:

Частоту единичного усиления (GBW);

Скорость нарастания выходного напряжения .

Физический смысл данных параметров достаточно подробно разобран во всех монографиях, посвященных принципам работы операционных усилителей.

В теории ОУ используется термин «идеальный операционный усилитель». В реальности приходится учитывать: высокий, но все-таки конечный коэффициент усиления; ненулевой входной ток; ненулевое выходное сопротивление; ограниченную полосу пропускания и т.д.

Разрабатываемые и создаваемые промышленностью новые операционные усилители выпускаются с улучшенными параметрами, приближаясь к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно (не говоря уже о нецелесообразности подобных мероприятий из-за стоимости полученного решения). Для расширения области применения операционных усилителей, выпускаются разнообразные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются доминирующими, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это необходимая мера, так как в разных областях применения от операционных усилителей требуется высокое значение разных параметров, но не всех сразу[4].



2. Специальная часть

2.1 Техническое задание

Измерение электрических характеристик элементов микросборки 828КТ6 и ОУ544УД2 (возможность выбора метода) с учетом влияния температуры от 25 до +85?С.

Разработка схемотехнических (Spice) моделей элементов миркоросборки, учитывающей температуру, и формирование модели всей гибридной микросхемы 828КТ6 и операционного усилителя 544УД2.

Отладка SPICE модели элементов микросхем с помощью программы Mentor Graphics SysremVision.

2.2 Анализ технического задания

Для измерения электрических характеристик элементов микросхем я могу использовать аппаратуру, имеющуюся на кафедре Электроники и наноэлектроники. В частности, прибор Keithley 2602 (управляемый компьютером двухканальный источник-измеритель), цифровые вольтметры и тепловую камеру (Tabai mini-subzero mc-71).

Для создания модели микросхемы можно использовать программу Mentor Graphics SysremVision Version 5.5, которая установлена на компьюторе в выше упомянутой кафедре.

Таким образом, можно сделать вывод о выполнимости технического задания.

2.3 Влияние температуры на элементы гибридной микросхемы 828КТ6

Влияние температуры на обратный ток стабилитрона.

При увеличении температуры обратный ток стабилитрона сильно возрастает и его обратное сопротивление падает. Сильная температурная зависимость пробивного тока диода объясняется тем, что в полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой.

Рис. 2 Температурная зависимость вольт-амперной характеристика стабилитрона.

Влияние температуры на прямой ток стабилитрона.

С ростом температуры контактная разность потенциалов уменьшается. Это приводит к смещению прямой ВАХ диода к оси токов. Помимо смещения характеристики с увеличением температуры может иметь место изменение ее наклона в области больших токов, что обусловлено изменением с температурой проводимости легированных областей pn перехода. При увеличении температуры диода контактная разность потенциалов уменьшается, что приводит к изменению прямой ветви ВАХ.[9]

Влияние температуры на полевой транзистор с управляющим pn переходом.

Характеристика изменения тока стока от температуры определяется: контактной разностью потенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При увеличении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток возрастает. [11]

Влияние температуры на биполярный транзистор.

Время жизни увеличивается с ростом температуры.

Если рассмотреть зависимость h21 от температуры, то можно заметить, что во все слагаемые рекомбинационных потерь входят параметры материала прибора, которые зависят от температуры. К ним относятся: диффузионная длинна, коэффициент диффузии и время жизни неосновных носителей заряда. Но их вклад довольно слаб. Однако в выражение для рекомбинационных потерь в эмиттере температура входит в показатель экспоненты. Rэ=Сэexp(2?Eg/kT). Этим слагаемым рекомбинационных потерь определяется зависимость h21 от температуры (h21 монотонно растёт с ростом температуры во всём рабочем интервале температур). [10]

2.4 Измерение характеристик элементов микросборки 828КТ6

Диод VD1

Схемы измерений характеристик элементов микросборки 828КТ6 приведены в разделе “ Схемы измерения ”.

Используемые приборы приведены в разделе “ Описание измерительного стенда”.

Рис. 3 Прямая ветвь ВАХ диода vd1, при температурах 25?C, 55?C, 85?C



Рис. 4 Прямая ветвь ВАХ диода vd1, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

Рис. 5 Обратная ветвь ВАХ диода vd1, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

Диод VD2

Рис. 6 Прямая ветвь ВАХ диода vd2, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.



Рис. 7 Прямая ветвь ВАХ диода vd2, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

Транзистор VT1

Рис. 8 Сток-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 25?С/

Рис. 9. Выходная характеристика полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 25?С.



Рис. 10 Сток-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 55?С

Рис. 11 Выходная характеристика полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 55?С.

Рис. 12 Сток-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 85?С



Рис. 13 Выходная характеристика полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 55?С.

Составной биполярный транзистор VT2-VT3

Рис. 14 Прямая характеристика Гуммеля, составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при 3-х температурах Т=25?С, Т=55?С, Т=85?С

Рис. 15 Выходная характеристика , составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при температуре Т=25?С, при токах базы Iб=254е-6, Iб=258е-6, Iб=264е-6.



Рис. 16 Выходная характеристика , составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при температуре Т=55?С, при токах базы Iб=210е-6, Iб=215е-6, Iб=220е-6.

Рис. 17 Выходная характеристика , составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при температуре Т=85?С, при токах базы Iб=175е-6, Iб=180е-6, Iб=185е-6.

2.5 Стандартные spice модели элементов микросборки

Диод.

Параметры стандартной SPICE модели диода [7] приведены в табл. 1.



Таблица 1

Биполярный транзистор.

Параметры стандартной SPICE модели биполярного транзистора [7] приведены в табл. 2.



Таблица 2

Полевой транзистор с управляющим pn переходом.

Параметры стандартной SPICE модели (level 2)полевого транзистора [7] приведены в табл. 3.



Таблица 3

2.6 Разработка Spice моделей элементов гибридной микросхемы 828КТ6

Определение основных параметров модели биполярного транзистора.

Основными параметрами модели Гуммеля-Пуна, определяемыми в работе, являются:

Is - ток насыщения (А);

nf - коэффициент неидеальности в прямом включении;

Bf - коэффициент усиления тока базы в прямом включении;

Vaf - напряжение Эрли в прямом включении (В);

Rb - сопротивление базы транзистора (Ом);

Rс - сопротивление базы транзистора (Ом);

Определение с о п р о т и в л е н и я к о л л е к т о р а "Rc".

Снимаются выходные ВАХ транзистора. Метод основан на том, что в области насыщения наклон ВАХ определяется величиной коллекторного сопротивления (рис. 18 (а)).

Рис. 18. Обработка результатов измерения входных (а) и выходных (б) ВАХ биполярного транзистора.

В области малых токов и напряжений (в области насыщения) берутся приращения напряжения U1 и приращения тока коллектора I1. Сопротивление коллектора рассчитывается :

Определение н а п р я ж е н и я Э р л и "Vaf".

Его величина определяется по наклону зависимости Ik=f(Uкэ) в области больших напряжений (рис. 18 (а) ):

где I1- значение тока коллектора, в котором берется приращение I2.

Коэффициенты Is, nf уравнений находятся следующим способом. Снимаются входные вольт-амперные характеристики Iк=f(Uбэ), Iб=f(Uбэ). Для определения параметров Is, nf выбирается участок Iк=f(Uбэ), на котором зависимость тока от напряжения является экспоненциальной (рис. 18 (б)) (еще нет влияния сопротивлений). На графике, построенном в логарифмическом масштабе, это будет линейный участок с наибольшей крутизной. На этом участке выбираются две точки, максимально отстоящие одна от другой. Для них можно записать:

Iк1= Is (exp (Uбэ1 / nfт)-1)

Iк2= Is (exp (Uбэ2 / nfт)-1)

Чтобы найти Is и nf два выражения логарифмируются и составляется система уравнений для этих двух точек.

Uбэ1 = nf* 0.026 ln(Iк1/Is+1)

Uбэ2 = nf* 0.026 ln(Iк2/Is+1)

Из этой системы находятся Is и nf (Is находится в пределах от 1Е-15 до 1Е-9 Ампер; nf обычно чуть больше единицы). Для достаточно больших значений прямого напряжения между базой и эмиттером зависимость тока от напряжения отклоняется от экпоненциальной вследствие падения напряжения на сопротивлении базы. В этом случае напряжение между базой и эмиттером складывается из напряжения на p-n-переходе и напряжения на сопротивлении rb:

Uбэ3=nf 0.026 ln(Iк3/Is+1)+Iб3 rб

Зная Is и nf из предыдущего этапа, из данного уравнения можно найти rb. Определение к о э ф ф и ц и е н т а усиления по току "Bf". Bf определяется как отношение тока коллектора к току базы в тех точках, где он (Bf) имеет максимум.

Bf=max(Iк/Iб)

SPICE модель составного биолярного транзистора vt2-vt3

* Subcircuit 828_KT6_bip

.SUBCKT 828_KT6_bip cc bb ee

Qsmall cc bb 11 11 Bip area=1

.model Bip npn (

+ IS = 1.115e-14

+ XTI = 23.

+ BF = 96.2

+ TBF1 = 0.017

+ NF = 973.3m

+ TNF1 =0.002

+ VAF = 60.00

+ IKF = 4000.36m

+ ISE = 2.000f

+ NE = 1.252

+ BR = 22.96

+ NR = 992.7m

+ VAR = 17.00

+ IKR = 8.000m

+ ISC = 89.65f

+ NC = 1.273

+ RB = 80

+ TRB1 =0.003

+ IRB = 15m

+ RBM = 0.4

+ RE = 0.1

+ RC = 8.5

+ XTB = 1.43

+ EG = 1.110

+ CJE = 80.4p

+ VJE = 1.100

+ MJE = 272.0m

+ TF = 47.81p

+ XTF = 4.359

+ VTF = 3.237

+ ITF = 17.53m

+ PTF = 176.2

+ CJC = 89.2p

+ VJC = 1.359

+ MJC = 253.0m

+ XCJC = 1.000

+ TR = 5.099n

+ FC = 500.0m )

Qbig cc 11 ee ee Bip area=3.5

.model rmodel res tc1=0.001

R1 bb 11 rmodel 2700

R2 11 ee rmodel 400

.ENDS

SPICE модель стабилитрона vd1

* Subcircuit vd1

.SUBCKT vd1 plus minuse

D1 plus minuse VDD1

.model VDD1 D( level = 2

+ IS = 1.2e-12

+ Rs = 0.0

+ N = 1.2

+ XTI = 0.4

+ ISR = 1e-9

+ NR = 2.2

+ BV = 7.165

+ IBV = 1.e-3

+ NBV = 3.5

+ TBV1 = 0.00035

+ CJO = 683p)

.ENDS

SPICE модель стабилитрона vd2

* Subcircuit vd2

.SUBCKT vd2 plus minuse

D2 plus minuse VDD2

.model VDD2 D( level = 2

+ IS = 2.e-13

+ N = 1.008

+ IKF = 3.5e-4

+ XTI = 8.5

+ BV = 40.

+ IBV = 1.e-3

+ NBV = 3.5

+ TBV1 = 0.00035

+ CJO = 3.4n)

.ENDS

SPICE модель транзистора с управляющим pn переходом vt1

* Subcircuit 828KT6_Jfet DR Gate Source

.SUBCKT 828KT6_Jfet 100 200 300

J1 100 200 300 JFET1

.model JFET1 NJF (level = 2

+ VT0=-3.35

+ BETA = 2.9e-2

+ LAMBDA = 0.1

+ Is = 1e-14

+ N = 1

+ Rd = 0

+ VTOTC = -0.002

+ BETATC = -0.6

+ CGD = 214pF

+ CGS = 64.8pF)

.ENDS

Диод VD1

Рис. 19 Схема подключения диода в программе Sуstem Vision

Рис. 20 Сравнение измеренных и смоделированных ВАХ прямой ветви диода vd1, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.



Рис. 21 Сравнение измеренных и смоделированных ВАХ прямой ветви диода vd1 в полулогарифмическом масштабе, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

Рис. 22 Сравнение измеренных и смоделированных ВАХ обратной ветви диода vd1, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

Диод VD2

Рис. 23 Сравнение э измеренных и смоделированных ВАХ прямой ветви диода vd2, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.



Рис. 24 Сравнение измеренных и смоделированных ВАХ прямой ветви диода vd2 в полулогарифмическом масштабе, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

Рис. 25 Сравнение измеренных и смоделированных ВАХ обратной ветви диода vd2, при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

Полевой транзистор с управляющим pn переходом VT1

Рис. 26 Схема измерения сток-затворной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом в программе Sуstem Vision.



Рис. 27Схема измерения выходной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом в программе Sуstem Vision.

Рис. 28 Сравнение измеренной и смоделированной сток-затворной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 25?С.

Рис. 29 Сравнение измеренной и смоделированной выходной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 25?С.

Рис. 30 Сравнение измеренной и смоделированной сток-затворной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 55?С.

Рис. 31 Сравнение измеренной и смоделированной выходной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 55?С.

Рис. 32 Сравнение измеренной и смоделированной сток-затворной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 85?С.



Рис. 33 Сравнение измеренной и смоделированной выходной характеристики полевого транзистора с управляющим pn переходом VT1 при температуре 55?С.

Рис. 34 Сравнение измеренных и смоделированных сток-затворных характеристик при температурах 25?С, 55?С, 85?С. (при Vсз=2В)

Составной биполярный транзистор VT2-VT3



Рис. 35 Схема подключения составного биполярного транзистора для измерения прямой характеристики Гуммеля в программе Sуstem Vision.

Рис. 36 Сравнение экспериментальной и смоделированной прямой характеристики Гуммеля, составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при 3-х температурах Т=25?С, Т=55?С, Т=85?С

Рис. 37 Схема подключения составного биполярного транзистора для измерения выходной характеристики в программе Sуstem Vision.



Рис. 38 Сравнение измеренной и смоделированной выходной характеристики составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при температуре Т=25?С, при токах базы Iб=254е-6, Iб=258е-6, Iб=264е-6.

Рис. 39 Сравнение измеренной и смоделированной выходной характеристики, составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при температуре Т=55?С, при токах базы Iб=210е-6, Iб=215е-6, Iб=220е-6.



Рис. 40 Сравнение измеренной и смоделированной выходной характеристики составного биполярного транзистора VT 2 - VT 3 при температуре Т=25?С, при токах базы Iб=175е-6, Iб=180е-6, Iб=185е-6.

Погрешность при моделировании составляет 15%

SPICE МОДЕЛИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЕЙ

Рис. 41. Простейшие макромодели операционных усилителей:

а - операционный усилитель, как идеальный источник напряжения, управляемый напряжением; б - однополюсная макромодель операционного усилителя с нелинейной передаточной характеристикой [7].



Рис. 42. Стандартная SPICE макромодель ОУ с входным дифференциальным каскадом на биполярных npn-транзисторах [7]

Модели операционных усилителей (ОУ) в отличие от встроенных моделей диодов и транзисторов представлены в виде макромоделей (подцепей), которые описываются на входном языке программы Pspice с помощью директивы .SUBCKT.

Предельно идеализированный операционный усилитель представляет собой источник напряжения, управляемый напряжением, как показано на рис. 41, а. Например, безынерционный операционный усилитель с коэффициентом передачи напряжения 20 000 описывается предложением

EOP 10 0 1 2 2e4

Немного сложнее схема замещения операционного усилителя, в которой учитываются нелинейность проходной характеристики и наличие одного полюса частотной характеристики, показана на рис. 41, б. Диоды VD1, VD2, на которые подаются запирающие напряжения от источников постоянного напряжения V1, V2, имитируют нелинейность проходной характеристики операционного усилителя. Сопротивления Rвх, Rс равны входным сопротивлениям для дифференциального и синфазного сигналов, конденсаторы Cвх, Сс имитируют частотные зависимости входных сопротивлений. Коэффициент передачи операционного усилителя равен

K(s)=K/(1+ s),

где K=G1R1G2Rвых - коэффициент передачи на постоянном токе, =R1C1=K/(2fт) - постоянная времени первого полюса, fт - частота единичного усиления.

Высшие полюса учитываются в модели введением дополнительных RC-цепей. Ограничение скорости нарастания выходного напряжения имитируется введением в макромодель еще одного управляемого источника тока с ВАХ типа симметричного ограничителя с линейным участком при малых входных напряжениях.

Стандартная модель операционного усилителя с входным каскадом на биполярных транзисторах представлена на рисунке 42 (Операционный усилитель с полевыми транзисторами имеет аналогичную схему). В этой модели из реальной схемы операционного усилителя исключены все транзисторы, кроме двух транзисторов входного дифференциального каскада, что увеличивает быстроту моделирования за счет небольшого понижения точности. Существуют четыре разновидности этой схемы, в которых дифференциальный каскад образован биполярными pnp- и npn-транзисторами и полевыми транзисторами с управляющим pn-переходом и каналами p- и n-типов. Параметры этих моделей рассчитываются с помощью программы Parts по следующим паспортным данным:

напряжение источников питания;

максимальные значения положительного и отрицательного выходного напряжения;

максимальные скорости нарастания положительных и отрицательных выходных напряжений;

мощность потребления в статическом режиме;

емкость коррекции (внутренней или внешней);

входной ток смещения;

коэффициент усиления дифференциального сигнала на низких частотах;

частота единичного усиления;

коэффициент подавления синфазного сигнала;

дополнительный фазовый сдвиг на частоте единичного усиления, определяемый наличием второго полюса;

выходные сопротивления на низких и высоких частотах;

максимальный выходной ток короткого замыкания.

Входной дифференциальный каскад на транзисторах Q1, Q2 моделирует такие эффекты, как наличие токов смещения и зависимость скорости нарастания выходного напряжения от входного дифференциального напряжения. Емкость CE даёт возможность отразить несимметричность выходного импульса операционного усилителя в неинвертирующим включении. Емкость C1 вместе с емкостями переходов транзисторов дают возможность имитировать двухполюсный характер частотной характеристики операционного усилителя. Управляемые источники тока GA, GCH и резисторы R2, R02 моделируют дифференциальное и синфазное усиление напряжения. С помощью емкости C2, включаемой в схему по выбору пользователя (на рисунке 42 изображена пунктиром), можно имитировать внутреннюю или внешнюю коррекцию операционного усилителя.

Нелинейность выходного каскада операционного усилителя моделируется следующим образом: элементы DLN, DLP, R01 ограничивают максимальный выходной ток, а элементы DC, DE, VC, VE размах выходного напряжения.

Более совершенная модель операционного усилителя. С ее помощью удается устранить три основных недостатка:

более точное моделирование ситуации, когда среднее значение напряжения питания не равно нулю (соединения с «землей» у этой модели нет);

правильное воспроизведение полярности выходного тока, что разрешает моделировать операционный усилитель с обратной связью по току;

возможность имитации любого количества полюсов и нулей, необходимого для точного описания частотной характеристики реального операционного усилителя (в модели на рисунке 42 учтено только два полюса, что недостаточно для моделирования быстродействующих операционных усилителей).

Заметим, что стандартная модель операционного усилителя программы Pspice (рисунок 42) и тем более раннее упомянутая прецизионная модель при расчете схем, состоящих даже из малого количества операционных усилителей, требуют больших затрат машинного времени. Поэтому в случаях, когда нет необходимости в высокой точности воспроизведения динамических характеристик операционного усилителя, имеет смысл использовать приведенные ниже упрощенные модели операционных усилителей.

2.8 Разработка Spice модели ОУ 544УД2А

При разработке модели ОУ использовалась программа расчета параметров моделей аналоговых компонентов Model Editor, для первоначальной настройки модели.

В таблице 4 приведены паспортные данные операционного усилителя, которые вводит пользователь, и список параметров его макромодели, которые рассчитываются в программе.



Таблица 4



Рис. 43 Малосигнальная амплитудно-частотная характеристика.

Рис. 44 Параметры модели для малосигнальной амплитудно-частотной характеристики.

Рис. 45 Амплитудная характеристика больших сигналов.



Рис. 46 Параметры модели для амплитудной характеристики больших сигналов.

Рис. 47 Зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки.

Рис. 48 Параметры модели для зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки.



Рисунок 49 Схема макромодели ОУ 544УД2.

Рис. 50 Схема подключения ОУ544УД2 для построения зависимости выходного напряжения от времени в SYSTEM VISION.

Рис.51 Зависимость выходного напряжения от времени при входном сигнале 0.002В.



Рис.52 Зависимость выходного напряжения от времени при входном сигнале 0.0002В.

Коэффициент усиления равен 35600.

Рис. 53 Схема подключения операционного усилителя 544УД2 (без коррекции) для сравнения входного и выходного напряжения в SYSTEM VISION.

Рис. 54 Сравнение входного и выходного напряжения от времени.



3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Описание гибридной микросхемы 828КТ6

Назначение микросхемы - применение в изделиях специального назначения, как электронный ключ (электронный коммутатор напряжения) для управления высоковольтным стабилизатором напряжения [5].

Рис. 55 Общий вид микросхемы 828КТ6М.

Рис. 56 Топология гибридной микросхемы 828КТ6М

Таблица 5 - Элементы гибридной микросхемы 828КТ6М [5].

Поз. Обознач.	Наименование	Кол.
R1	Резистор	1
R2	Резистор	1
VD1	Стабилитрон	1
VD2	Стабилитрон	1
VT1	Транзистор полевой	1
VT2	Транзистор биполярный	1
VT3	Транзистор биполярный	1

Составной биполярный транзистор состоит из VT 2 - VT 3

Таблица 6 - Электрические параметры микросборки 828КТ6М [5].

Наименование параметра	Обозначение	Значение, не более	Режим	Температура, C
			Uп, В	Uвх, В	Iвых, А
1 Остаточное напряжение, В	Uост	2,5	20	10	0,5	-60
		2,0				25
		2,0				85
2 Ток утечки на входе, мкА	Iут.вх	10	30	1	-	-60
		10				25
		10				85
3 Ток потребления, мА	Iпот	5	30	1	-	-60
		3				25
		5				85

Предельно допустимые значения электрических параметров и электрических режимов эксплуатации приведены в таблице 3 [5].

Таблица 7 - Предельно допустимые значения электрических параметров и электрических режимов эксплуатации.

Наименование параметра	Обозначение	Значение	Примечание
		не менее	не более
Максимально допустимое напряжение питания, В	Uп max	20	30	Допускается выброс напряжения между выводами 1 - 6 более 32 В, обусловленный индуктивностью нагрузки. Длительность выброса 0,1 периода переключения и 10 мкс. Амплитуда Iвых при выбросе 1 А.
Максимально допустимое входное напряжение высокого уровня, В	U1вх max	10	15	1 Входной ток Iвх 1 мА. 2 Время переключения управляющего сигнала с низкого уровня на высокий и обратно 0,01 периода переключения и 5 мкс
Максимально допустимое входное напряжение низкого уровня, В	U0вх max	-	1	Время переключения управляющего сигнала с низкого уровня на высокий и обратно 0,01 периода переключения и 5 мкс
Максимально допустимый выходной ток, А	Iвых max	-	0,5

Рис.57 Электрическая схема микросборки 828КТ6М.

3.2 Описание операционного усилителя 544УД2

Рис. 58 Общий вид операционного усилителя 544УД2.

Конструкция и схемное построение (ОСМ)544УД2 направлены на достижение высоких динамических параметров при одновременном получении высокого входного сопротивления и низкого входного тока.

Интегральные микросхемы (ОСМ)544УД2 выполнены по комбинированной биполярно-полевой технологии, формирующей на одном кристалле n-канальные полевые транзисторы с управляющим pn-переходом, npn-транзисторы и вертикальные pnp-транзисторы. При этом за счёт использования полевых транзисторов на входе решаются проблемы входного сопротивления и входного тока, а сочетание этих же транзисторов и вертикальных pnp-транзисторов позволяет оптимально решить вопросы широкополосности и быстродействия при относительно небольшом токе потребления.

ИС (ОСМ)544УД2 имеют полную внутреннюю частотную коррекцию, рассчитанную на все масштабные режимы отрицательной обратной связи, в том числе - повторитель напряжения. С целью оптимизации динамических параметров в каждом конкретном случае применения в (ОСМ)544УД2 предусмотрена возможность управления внутренней коррекцией путем замыкания или размыкания выводов 1 и 8 микросхемы. При замыкании выводов 1 и 8 коррекция включается, при размыкании - отключается. Построение электрической схемы (ОСМ)544УД2 обеспечивает устойчивую работу с отключённой коррекцией при масштабном коэффициенте усиления от 20 и выше. В таких случаях отключение коррекции значительно улучшает динамические параметры (ОСМ)544УД2 по сравнению с традиционно используемым в аналогах её постоянным включением. Так при Ку = +20 достигается произведение усиление на полосу пропускания более 200 МГц и скорость нарастания около 110 В/мкс.

В режимах повторителя напряжения (Ку= +1) и Ку< 20 используется полное включение внутренней частотной коррекции путём замыкания выводов 1 и 8.

Для схем применения с коэффициентом усиления в диапазоне 1 < Ку < 20 с целью улучшения динамических параметров допускается ослабление действия внутренней частотной коррекции за счёт включения между выводами 1 и 8 конденсатора 0,5 ч 50 пФ.

Параметры (ОСМ)544УД2 нормируются в диапазоне температур от

-60°С до +100°С.

При монтаже микросхемы (ОСМ)544УД2 должны соблюдаться правила монтажа и развязки по питанию высокочастотных схем [6].



Рис. 59 Электрическая схема ОУ 544УД2А.

Рис. 60 Схема подключения операционного усилителя К544УД2.

Рис. 61 Зависимость коэффициента усиления ОУ 544УД2 от частоты, при различном включении ( при Ку > 20) (внутренняя частотная коррекция отключена).



Рис. 62 Амплитудная характеристика больших сигналов.

Особенности

- Низкий входной ток 40пА

- Высокое входное сопротивление 10e11 Ом

- Частота единичного усиления 30 МГц

- Полоса пропускания

Ку =+120МГц

Ку =+112МГц

Ку =+112МГц

-Произведение усиления на полосу пропускания

Ку =+20200 МГц

- Скорость нарастания выходного напряжения

Ку =+132 В/мкс

Ку =+580 В/мкс

Ку =+20110 В/мкс

- Ток потребления

- Малое время установления

- Полная внутренняя частотная коррекция

- Возможность управления внутренней частотной коррекцией для оптимизации динамических параметров [6].



Таблица 8

Предельно допустимые режимы эксплуатации:

Напряжение питания (допускается эксплуатация в интервале от ±5 В до ±13,5 В) ±13,5 В и ±16,5 В

Синфазное входное напряжение не более |±10 В|

Диапазон рабочих температур -60?С, +100?С [6]

3.3 Описание измерительного стенда

Перечень измеряемых характеристик элементов микросборки (стабилитронов, составного биполярного транзистора, полевого транзистора с управляющим pn переходом) и соответствующие схемы включения приведён в таблице 9.

Измерение производилось с помощью прибора Keithley 2602.

Рис. 63 Keithley 2602



Особенности:

количество каналов: 2 канала

4-квадрантная рабочая область

возможность последовательного и параллельного подключения до 32 источников-измерителей (64 канала)

2 АЦП на канал (ток и напряжение) с высокой скоростью считывания (до 20000 изм./сек)

цифровой интерфейс ввода/вывода

возможность сохранения данных на USB-носитель

возможность управления через Ethernet (LXI Class 1.2)

встроенная функция проверки контактов

высокоемкостной режим (только для измерений по постоянному току)

встроенное программное обеспечение TSP Express Software для быстрого снятия ВАХ

программное обеспечение LabTracer 2.0 (Freeware) с графическим интерфейсом для снятия основных параметров

программное обеспечение Test Script Builder для создания, изменения и загрузки тестовых сценариев с программным редактором, аналогичным Visual Basic

возможность интегрирования в измерительные системы

Для изменения температуры использовалась тепловая установка Tabai mini-subzero mc-71.

Рис. 64 Тепловая установка Tabai mini-subzero mc-71



Характеристики:

Сеть питания: 3-х фазн. , 4-х проводн. , 380В(+/-10%) перем. тока, 50 Гц

Пределы рабочей темп. окружающей среды: 0 - 40 С

Система регулирования: Уравновешенная система регулирования температуры

Характеристики: Напряжение питания: 380 В перем. тока(при комнатной

темп. 20 С и нагрузке холостого хода)

Диапазон температур: -80С до +100С

Стабильность поддержания температуры: +/- 0, 5С

Равномерность темп. в камере +/- 1, 0 С

Время понижения температуры: от +20С до -70С - около 60 мин

Время разогрева: от +20С до +100С - около 20 мин.

Внутренние размеры, см: 40 х 40 х 40

Наружные размеры, см: 90 х 98 х 61

Емкость, л: 64

Масса, кг: 140

3.4 Схемы измерения

Таблица 9 - СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Название характеристики	Схема измерения
Прямая характеристика Гуммеля - измеряются зависимости тока базы Iб и коллектора Ik в зависимости от напряжения на эмиттере Vэ.
Выходная характеристика - измеряются зависимости тока коллектора Iк в зависимости от напряжения Vкэ при заданном токе базы Iб
ВАХ стабилитрона - измеряется зависимость тока анода Iа в зависимости от напряжения Vа
ВАХ полевого транзистора - измеряются зависимости тока стока Iс в зависимости от напряжений Vси и Vзи

3.5 Система моделирования схем SYSTEM VISION

Mentor Graphics SystemVision является виртуальной лабораторией для проектирования и анализа как электрических, так и электро-механических систем. Система аналогового, цифрового и "смешанного" моделирования.

-Поддерживает стандартные языки VHDL, VHDL-AMS, Spice, C

-Поддерживает моделирование иерархических схемных и языковых проектов

-Поддерживает моделирование на системном уровне (укрупненные функциональные блоки и интерфейсы)



4. Экологическая часть

Так как вреда экологии при выполнении дипломной работы не было, то имеет смысл описать только негативное воздействие на человека.

4.1 Эргономические требования к рабочему месту

Рабочее место с персонального компьютера - это обособленный участок общего рабочего помещения, оборудованный необходимым комплексом технических средств вычислительной техники, в том числе и дисплеями, в пределах которого постоянно или временно пребывает пользователь персонального компьютера в процессе трудовой деятельности.

При организации рабочего места пользователя следует обеспечить соответствие конструкции всех элементов рабочего места и их взаимного расположения эргономическим требованиям с учётом характера выполняемой деятельности, комплектности технических средств, форм организации труда и основного рабочего положения пользователя. Эти вопросы нашли отражение в ГОСТ Р 50923-96 [12].

4.2 Охрана труда

К работе на компьютере(ПК) допускаются люди, которые прошли обучение безопасным методам труда.

На пользователя оказывают негативное влияние следующие факторы:

- высокий показатель электромагнитных излучений;

- высокий показатель статического электричества;

- статические физические перегрузки;```

- низкий уровень ионизации воздуха;

- перенапряжение зрительных анализаторов.

Чтоб снизить вредное влияние, на организм человека, необходимо придерживаться нескольких правил:

-Удалять пыль с места за компьютером.

-Стараться придерживаться режиму труда и отдыха.

-Использовать увлажнители воздуха.

-Нужно постараться расставить мониторы так, чтоб от экрана одного, до тыла другого было не меньше двух метров, а между боковыми поверхностями не менее одной целой двух десятых метра.

-Дневной свет должен падать сбоку.

-На окнах должны быть устройства регулируемые освещённость помещения, такие как жалюзи.

-Нужно использовать устройства автоматического регулирования ионного режима воздушной среды.

Вывод:

-При выполнении дипломной работы вреда экологии нанесено небыло.

-Вред человеку сведён к минимуму, но не удалён полностью.



5. Решение задачи на ЭВМ

Использование приборов: Keithley 2602 (управляемый компьютером двухканальный источник-измеритель), цифровые вольтметры и тепловую камеру (Tabai mini-subzero mc-71), для получения экспериментальных данных.

Использование Microsoft Office Excel для записи экспериментальных данных, построения графиков, сохранения файлов в формате csv для дальнейшего использования в пакете SYSTEM VISION.

Использование программы расчета параметров моделей аналоговых компонентов Model Editor для предварительной настройки модели операционного усилителя 544УД2.

Использование Adobe Photoshop для соединения нескольких фотографий, высокого увеличения, сопротивлений микросборки 828КТ6. Это было необходимо сделать для того, чтобы можно было оценить их соотношение зная общую величину.

Использование пакета SYSTEM VISION для отладки Spice моделей элементов.

Использование графического редактора Inkscape, для редактирования изображений полученных из Microsoft Office Excel и SYSTEM VISION.

Использование Microsoft Office Word для написания дипломной работы.



Выводы по работе

В результате проведенной работы:

-Измерены и исследованы характеристики элементов (составной биполярный транзистор, полевой транзистор с управляющим pn переходом, два стабилитрона) гибридной микросхемы 828КТ6 в диапазоне температур 25?C, 55?C, 85?C.

- С использованием пакета Sуstem Vision системы Mentor Graphics разработаны: Spice модели элементов: составной биполярный транзистор, полевой транзистор с управляющим pn переходом, два стабилитрона из микросборки 828КТ6 с учетом влияния температуры в диапазоне от 25?С до 85?C. Погрешность составляет 15%.

- Разработанные модели компонентов включены в систему моделирования Sуstem Vision системы Mentor Graphics Проведено моделирование элементов гибридной микросхемы при температурах 25?C, 55?C, 85?C.

-Разработана Spice модель микросборки операционного усилителя 544УД2.

-Проведено моделирование работы операционного усилителя 544УД2.

-Рассмотрены опасные и вредные факторы при эксплуатации вычислительной техники, произведен анализ воздействия на организм, и способы защиты от них

Разработанные модели предполагается использовать во ФГУП ВНИИ им. Н. Л. Духова при проектировании электронных блоков автоматики.



Список литературы

1. http://pro-spo.ru/systeml/3077--spice

2. http://radiowiki.ru/wiki/

3. Новосибирский государственный технический университет -“Краткие методические указания по курсу ”Основы электроники и схемотехники.” (http://www.opprib.ru/main/labor/pdf/metodika/oe/060401.pdf)

4. Волович Г.И. “Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств.” - М.: Додека-XXI, 2005.

5. Технические условия ВНИИА им. - Н. Л. Духова ”Микросхемы серии 828. Технические условия. Микросхема 828КТ6М Часть 4”

6. ВГУП “НПП ВОСТОК”-“Операционные усилители. “Широкополосный быстродействующий операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе.”

7. Разевиг В. Д. “Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice).” -- М.: СК Пресс, 1996.

8. http://mvf.klerk.ru/spr/spr89.htm

9. http://edudocs.ru/docs/42/index-26929.html

10. Лысенко А. П. методические указания “Биполярные транзисторы.” 2006.

11. http://www.masters.donntu.edu.ua/2001/fvti/tereschuk/diss/lib/mop.htm

12. ГОСТ Р 5.001-2002

Размещено на Allbest.ru

...