Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

1. Напряжение источника питания Uп = +15 В.

2. Коэффициент усиления по напряжению Кu = 10.

3. Входное сопротивление Rвх = 10 Мом.

4. Сопротивление нагрузки Rн = 2 кОм.

5. Номинальное выходное напряжение Uном = 3 В.

6. Нижняя рабочая частота fн = 15 Гц.

7. Верхняя рабочая частота fв = 20 кГц.

8. Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте Мн = 1дБ.

9. Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте Мн = 1дБ.

10. Тип входа - несимметричный, тип выхода - симметричный

Введение

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.

Основой современных аппаратов являются интегральные микросхемы (ИМС). усилитель микросхема интегральный частотный

ИС - изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов.

Разрабатываемая в данном проекте схема производит усиление сигналов низкочастотного диапазона - от 50 Гц до 10 кГц.

Такие схемы чаще всего используются в аппаратуре голосовой связи (телефония, радио).

1. Разработка структурной и принципиальной схем устройства

Составим структурную схему ИМС (рис.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Структурная схема ИМС

Г - генератор входного сигнала;

1 - входной узел (предназначен для того, чтобы переменная составляющая тока полезного сигнала попала в нагрузку, а постоянный ток, появляющийся вследствие влияния помехи - нет, чтобы не нарушался режим работы первого каскада);

2 - первый каскад (должен обеспечивать высокое входное сопротивление, следовательно, выполняется на полевом транзисторе);

3 - второй каскад (обеспечивает малое выходное сопротивление, что достигается применением в нем БП. Т. к. выход симметричный, то каскад обеспечит К_u2 ? 2);

4 - выходной узел (предназначен для передачи в нагрузку полезного сигнала и непропускания постоянной составляющей)

5 - нагрузка;

6 - источник питания.

Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте Мв=1дБ=1,2589 раза.

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

Первый каскад выполняем на полевом транзисторе 2П202Д (с каналом n-типа т. к. Uпит положительное), что позволяет добиться высокого входного сопротивления и, следовательно, осуществить работу с высокоомными источниками входного сигнала. Для второго каскада, учитывая, что питание положительное, выбираем биполярный транзистор 2Т703-1 со структурой n-p-n

Рис. 2 принципиальная схема усилителя с несимметричным входом и симметричным выходом

2. Расчет элементов принципиальной схемы

Производим расчет необходимого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений элементов. Выбираем рабочую точку при Uзи=0. В пологой части графика выбираем рабочую точку, что примерно соответствует Uси = 4,3 В (напряжение, поступающее на базу выходного каскада) и Iс = 1,5 мА.

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



Рис. 3 Семейство ВАХ транзистора 2П202Д с каналом n-типа

Далее рассчитываем коэффициент усиления по напряжению К_u1 по формуле:

где - крутизна в рабочей точке.

Сопротивление в цепи стока Rс рассчитываем по формуле:

Тогда

Так как Кu получился больше, чем задан (Кu = 10), попробуем уменьшить Rc в полтора раза: Rc = 6,66, тогда

Отсюда

Тогда нагрузочная прямая на рис. 3 будет проходить выше.

Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя I_ко, который должен в 2-3 раза превышать ток нагрузки

Что бы транзистор был открыт U_БЭ = 0,7. Напряжение на базе биполярного транзистора VT2 равно напряжению на стоке полевого транзистора VT1.

где Ucи = 4,3 В - снимается с графика ВАХ, Uбэ = 0,7В - падение напряжения на переходе база - эмиттер.

Выбираем I_К0 = ( 2 ч 5)I_Н ? 4,5 мА

Найдем сопротивление цепи эмиттера:

Коэффициент усиления выходного каскада

Коэффициент усиления общий

Так как питание положительное, выбираем биполярный 2Т703 со структурой n-p-n; его характеристики представлены на рис. 4.

3. Расчет амплитудно-частотной характеристики усилителя

Ддя оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений М:

Где Y - относительное усиление, представляющее собой отношение коэффициента усиления схемы К на данной частоте f к ее коэффициенту усиления в области средних частот Кср:

Для перевода Y и M из относительных значений в децибелы и обратно используют:

Пусть М_Н1 = 0,1 дБ = 1,01 и М_Н2 = 0,9 дБ = 1,109

Частотная характеристика усилителя в области нижних частот определяется выбором емкости разделительных конденсаторов.

Емкость корректирующего конденсатора рассчитываем по формуле:

Расчет АЧХ в области нижних частот производится по формуле:

Подставим значение частоты 0,1ѓн ; 0,3ѓн; 0,6ѓн; ѓн; 1,2ѓн; 2,0ѓн. Данные заносим в таблицу.

ѓ,Гц	0,1ѓн	0,3ѓн	0,6ѓн	ѓн	1,2ѓн	2,0ѓн
	2	5	10	15	17,5	30
YН	0,26	0,66	0,87	0,95	0,95	0,96

Рис. 4 АЧХ усилителя в области нижних частот

Расчет АЧХ в области верхних частот производится по формуле:

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

ѓ,кГц	0,5ѓв		ѓв	2,5ѓв	5ѓв
	10	15	20	50	100
YВ	0,99	0,99	0,97	0,87	0,80

Рис. 5 АЧХ усилителя в области верхних частот

Проводим проверку соответствия расчетных и заданных значений Мн и Мв:

4. Разработка интегральной микросхемы

4.1 Выбор навесных элементов и расчет пленочных элементов

Выбираем конденсаторы:

С_р1 К10-17 2,2-2200000пФ - 800 пФ

С_к К10-17 2,2-2200000пФ - 6 пФ

С_р2 = С_р3 К53-14 0,1-220мкФ - 16 мкФ

Размеры конденсаторов:

С_р1: L = 4 мм, В = 1,5 мм.

С_к: L = 2 мм, В = 1,2 мм.

С_р2 = С_р3: L = 2 мм, В = 1,2 мм.

Резисторы - R_э=0,8 кОм, R_к=0,8 кОм R_с=6,66 кОм - изготавливаются напылением.

Резистор R_з=10 МОм выбираем стандартный МЛТ

с размерами L=3,2 мм, В=1,55 мм.

При использовании термического напыления сплава РС - 3001 коэффициенты формы:

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

для R_c :

для R_э = R_к:

Получилось, что длина L<L_min = 500 мкм, что недопустимо. Тогда задаемся значением L=L_min и находим В:

Получаем: для R_c B=75 мкм = 0,75 мм L=1332 мкм =1,34 мм

Для R_э = R_к В=192,3 мкм = 0,19 мм L =520 мкм =0,52 мм

Размеры транзисторов 2П202Е-1 0,8 х 0,8мм, и 2Т3703-1 0,7 х 0,7мм.

4.2 Разработка топологии

Суммарная площадь, занимаемая конденсаторами составляет:

Sc = 4 • 1,5 + 2 • 1,2 +2 •2 • 1,2 = 13,2 мм².

Суммарная площадь, занимаемая резисторами составляет:

S_R = 3,2 • 1,55 + 0,75 • 1,34 +2• 0,19 • 0,52 = 6,16 мм²

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

Площадь транзистора VT2 типа 2Т366Б-1 S_VT2=0.7•0.7 = 0,49мм².

Суммарная площадь транзисторов Sтр = 0,64 + 0,49 = 1,13 мм².

Суммарная площадь элементов усилителя

S = Sc + S_R + Sтр = 13,2+6,16+1,13 = 20,49 мм².

Учитывая необходимость дополнительной площади на выводы ИМС, межэлементные соединения и расстояние между элементами, необходимо увеличить расчетную площадь. Выбираем подложку размерами 10х12 мм (площадь 120 мм²).



Рис. 6 Топология рассчитанной микросхемы

4.3 Этапы изготовления усилителя в виде гибридной интегральной микросхемы

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

ИМС 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 (хрома, нихрома или керметиз смеси хрома и моноокиси кремния для изготовления резисторов и поверх него - проводящий слой; для обкладок конденсаторов используют алюминий). Для диэлектрических слоев пленочных конденсаторов используют моноокись кремния и моноокись германия. Особое место среди диэлектриков занимают Ta₂O₅ и Al₂O₃, которые получают методом анодирования нижних металлических обкладок.

2. Затем поверхность покрывают фоторезистором и с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для проводящего слоя, например для контактных площадок будущего резистора.

3. Через окна в фоторезисторной маске проводят травление проводящего слоя, после чего фоторезистор удаляют. В результате получают готовые контактные площадки.

4. Снова наносят фоторезистор и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора.

5. Проводят травление, удаляют фоторезистор и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадками.

6. По завершении пленочных 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 проекте разработана ГИС размером 10х12мм., представляет собой двухкаскадный усилитель с заданными в техническом задании характеристиками. Большое входное сопротивление удалось обеспечить применением полевого транзистора 2П202Д с каналом n-типа включенного по схеме с ОИ, второй каскад - эмиттерный повторитель собран на биполярном транзисторе 2Т3703-1 (со структурой n-p-n), который позволяет получить большой коэффициент по току, а коэффициент по напряжению меньше единицы, таким образом, удалось достичь заданного усиления по напряжению при питании +15В.

Список литературы

1. Игнатов А. Н., Фадеева Н. Е. Разработка интегрального устройства: методические указания к курсовой работе / СибГУТИ. - Новосибирск, 2006 г. - 36 с.

Размещено на Allbest.ru

...