Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

Межрегиональный центр переподготовки специалистов

Курсовая работа по дисциплине: «Электроника»

Новосибирск 2016



Оглавление

Задание

Введение

1. Разработка структурной схемы

1.1 Описание структурной схемы

2. Разработка принципиальной схемы

2.1 Описание принципиальной схемы

3. Разработка интегральной микросхемы

3.1 Выбор электронных элементов схемы

3.2 Расчет амплитудно-частотной характеристики

3.3 Разработка топологии ГИМС

3.4 Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы

Заключение

Литература



Задание

Цель работы:

1. Научиться составлять электрические схемы аналоговых устройств на основе биполярных и полевых транзисторов.

2. Осуществить правильный выбор типов и структур биполярных и полевых транзисторов.

3. Произвести электрический расчет схемы простейшего аналогового устройства.

4. Приобрести навыки в составлении топологии аналоговых гибридных интегральных схем.

Данные по варианту

Напряжение питания
Коэффициент усиления по напряжению
Входное сопротивление
Сопротивление нагрузки
Номинальное выходное напряжение
Нижняя частота
Верхняя частота
Коэффициент искажений на нижней рабочей частоте
Коэффициент искажений на верхней рабочей частоте
Тип входа	Несимметричный
Тип выхода	Несимметричный



Введение

В курсовой работе будет производится разработка двухкаскадного усилителя, который используется для усиления гармонических сигналов в диапазоне звуковых частот, выполняемый в виде гибридной интегральной микросхемы (ГИМС).

Гибридные интегральные микросхемы представляют собой микросхемы, которые содержат кроме элементов, неразрывно связанных с подложкой, компоненты, которые могут быть выделены как самостоятельное изделие (выносные элементы).

Основные достоинства ГИМС состоят в том, что они имеют незначительные размеры и массу, по сравнению с дискретными элементами потребляют малую мощность от источника питания, обладают достаточно высокой надежностью и высоким быстродействием. Применение ГИМС вместо дискретных элементов в качестве элементной базы электронных устройств дает во многом, значительные преимущества по надежности, габаритам, стоимости и другим показателям. Это в основном связано с тем, что при использовании ИС отпадает необходимость в многочисленных паяных соединениях - главном факторе снижения надежности, при этом сокращаются габариты и масса электронных устройств, существенно снижается их стоимость за счет исключения множества сборочных и монтажных операций.

Гибридные микросхемы занимают главенствующее положение в схемах с большими электрическими мощностями, в устройствах СВЧ, в которых можно применять как толстопленочную технологию, не требующую жестких допусков и высокой точности нанесения и обработки пленок, так и тонкопленочную технологию для обеспечения нанесения пленочных элементов очень малых размеров.

Разнообразие ГИМС, различающихся по назначению, параметрам, конструктивному оформлению, ставит перед разработчиками непростую задачу их оптимального выбора.

В основном нашли свое применение в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, телевидении, проводной связи, а также в телефонии.



1. Разработка структурной схемы

В нашем случае техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с использованием полевого и биполярного транзистора.

Напряжения питания устройства , то в первом каскаде будем применять канальный полевой транзистор, во втором каскаде будем использовать биполярный транзистор (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема двухкаскадного усилителя.

1.1 Описание структурной схемы

Входное устройство (ВхУ) дает обеспечение передачи сигнала от источника сигнала к входу первого усилительного каскада. Его используют, если невозможно непосредственное подключение выхода источника сигнала, к входу каскада усилителя. Функции устройства могут выполнять разделительные конденсаторы.

Предварительный усилитель (УК 1) состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для работы усилителя мощности. В нашем усилителе будет собран на одном полевом транзисторе, что в полной мере дает обеспечение высокого входного сопротивления и необходимого коэффициента усиления.

Выходное устройство (ВыхУ) служит для сопряжения выходного каскада усилителя с нагрузкой, следовательно, чтобы в нагрузку передавалась необходимая мощность. Он используется в тех случаях, когда невозможно или нецелесообразно подключение нагрузки непосредственно к оконечному каскадному усилителю.

Непосредственно питание активных элементов схемы обеспечивает источник питания (ИП).

Распределение коэффициентов усиления и частотных искажений на элементах схемы:

· Входное устройство - ;

,

· Первый усилительный каскад - ;

· Второй усилительный каскад - ;

· Выходное устройство - ;

.



2. Разработка принципиальной схемы

Схемы включения биполярного транзистора определяются по электроду, общему как для входной, так и выходной цепи биполярного транзистора. Схемы включения различаются по следующим включениям:

- с общей базой,

- с общим эмиттером,

- с общим коллектором.

Для схем включения с общим эмиттером и общим коллектором управляющим является ток базы , а для схемы включения с общей базой - ток эмиттера . Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, применяется в качестве усилителя тока, напряжения или мощности; используются в основном, применительно для всех частотных диапазонов. Биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой - в качестве усилителя напряжения или мощности с малым входным сопротивлением; используется, в основном, в приборах СВЧ диапазона. Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим коллектором - в качестве усилителя тока или мощности с достаточно большим входным сопротивлением. биполярный транзистор усилитель

Т.к. коэффициент усиления второго каскада по исходным данным равен 3, будем использовать схему с разделенной нагрузкой. При этом будем учитывать, что заданы несимметричный вход и несимметричный выход, выбираем принципиальную схему, изображенную на рисунке в методических указаниях по выполнению курсовой работы.

2.1 Описание принципиальной схемы

На рисунке представлена принципиальная схема устройства, расшифровка обозначений:

- напряжение генератора;

- сопротивление генератора;

- разделительные конденсаторы;

- входное сопротивление усилителя;

- сопротивление стока полевого транзистора;

- емкость коррекции, формирующая АЧХ в области верхних частот;

- сопротивление в цепи эмиттера биполярного транзистора;

- сопротивление в цепи коллектора биполярного транзистора;

- сопротивление нагрузки.

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



3. Разработка интегральной микросхемы

3.1 Выбор электронных элементов схемы

Для первого усилительного каскада выбираем канальный полевой транзистор 2П202Д и строим для него выходную динамическую характеристику.

Через точки с координатами проводим линию нагрузки.

Далее рассчитываем значение по формуле:

(1)

где крутизна ПТ в рабочей точке и рассчитывается по формуле:

(2)

.

Сопротивление резистора в цепи стока определяется по формуле:

(3)

,

Внутреннее сопротивление полевого транзистора рассчитывается по формуле:

(4)

Рисунок 3. Семейство ВАХ транзистора 2П202E

Тогда

(5)

,

При этом .

Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя , который должен в 23 раза превышать ток нагрузки:

(6)

,

.

После предварительного расчета выбираем биполярный транзистор 2Т366Б-1. Краткие сведения:

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

· снимается с графика ВАХ;

· - падение напряжения на переходе база - эмиттер.

Рассчитаем

(7)

Коэффициент усиления выходного каскада

(8)

Общий коэффициент усиления рассчитывается по формуле

(9)

.

Избыток усиления гасится во входном устройстве с . Для того чтобы, добиться такого усиления требуется подобрать резистор . При условии, что из формулы

(10)

рассчитаем

,

3.2 Расчет амплитудно-частотной характеристики

Сравнительный анализ усилительных устройств приводится, используя понятие относительного усиления , представляющего собой отношение коэффициента усиления схемы на данной частоте к ее коэффициенту усиления в области средних частот :

,

Для оценки частотных искажений используют обратное отношение, обозначаемое через и называемое коэффициентом частотных искажений:

,

Относительное усиление и коэффициент частотных искажений выражают как в относительных, так и в логарифмических единицах.

Для перевода и из относительных значений в децибелы и обратно используют следующие формулы:

,

.

При этом:

,

,

.

Частотная характеристика усилителя в области нижних частот рассчитывается выбором емкостей разделительных конденсаторов.

Производится расчет по формулам:

,

,

,

,

Частотная характеристика усилителя в области верхних частот зависит от выбора емкости конденсатора , рассчитываемой по формуле:

,

,

Расчет АЧХ в области нижних частот производится по формуле:

,

Возьмем для расчета частоты: Рассчитаем частоту

,

По примеру, подставляя остальные частоты, получаем данные и сведем их в таблицу 1.

Таблица 1

График АЧХ в области нижних частот представлен на рис. 4.

Рисунок 4. АЧХ усилителя в области нижних частот.

Расчет АЧХ в области верхних частот будем определять по формуле:

,

Рассчитаем для частот: Рассчитаем частоту

,

По примеру, подставляя остальные частоты, получаем данные и сведем их в таблицу 2.

Таблица 2

График АЧХ в области верхних частот представлен на рис. 5.

Рисунок 5. АЧХ усилителя в области верхних частот.

Проведём проверку соответствия расчётных и заданных значении коэффициентов частотных искажении

,

,

,

.

3.3 Разработка топологии ГИМС

С выбора материала резистивной пленки и проводящей пленки для выводов начинается расчет пленочных резисторов. В изготовлении резисторов будем использовать нитрид тантала (удельное сопротивление - 1000 Ом/кВ), а для нанесения - метод катодного напыления.

Следовательно, для резисторов:

,

При использовании термического напыления сплава коэффициенты формы рассчитываются по формуле:

,

,

,

.

Для , , выбранный материал удовлетворяет условию, так что величина не превышает 50 для резистора с самым большим сопротивлением.

При этом если форму резисторов выбираем прямоугольной, состоящий из одной полоски.

Рисунок 6. Пленочный резистор прямоугольной формы.

В нашем случае, при использовании нитрида тантала, на один квадратный миллиметр приходится 1 кОм. Из этого следует

,

,

При этом, , то будем использовать навесной резистор МЛТ , при основных размерах и площадью равной

Следовательно, общая площадь, которую, будут занимать резисторы равна:

При изготовлении пленочных конденсаторов будем использовать окись тантала, удельная емкость которого составляет . При выборе способа нанесения воспользуемся приемом катодного напыления.

Производим расчет площади конденсаторов по формуле:

где емкость рассчитываемого конденсатора;

длина и ширина площадки, занимаемой перекрывающимися частями нижней и верхней обкладок конденсатора, при этом, если конденсатор имеет прямоугольную форму.

Тогда

Следовательно,

Т.к. емкость конденсаторов и велики и площади в виде пленочных элементов невозможны будем применять навесные конденсаторы. Будем использовать емкость типа К53 - 16 с номиналом при размерах и площади(рисунок 7).

Для емкостей и будем использовать навесные конденсаторы типа К10 - 17 с номиналом и соответственно при размерах и площади .

Рисунок 7. Навесной конденсатор типа К53 - 16 и К10 - 17.

В итоге, общая площадь, которую занимают конденсаторы, равна:

Так как электронные элементы схемы уже были выбраны, произведем расчет площади, занимаемые ими.

Транзистор 2П202Д имеет размеры , соответственно площадь равную .

Транзистор типа 2Т307 - 1 имеет размеры и площадь .

В итоге площадь электронных компонентов схемы равна:

.

Произведем расчет общей площади, занимаемой всеми элементами схемы. Рассчитывается по формуле:

где площадь, которую занимают транзисторы;

площадь, которую занимают резисторы;

площадь, которую занимают конденсаторы.

Учитывая необходимость дополнительной площади на выводы ИМС, межэлементные соединения и расстояние между элементами, необходимо увеличить расчетную площадь, примерно в 3 - 5 раз:

Размещаем элементы схемы на подложке таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинных сторон и были исключены все пересечения пленочных проводников. Предлагаемая схема размещения приведена на рис. 8.

Рисунок 8. Топология рассчитанной ГИМС.

3.4 Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы

Изготовление ГИМС это определенный комплекс мероприятий, направленный на создание комплекта конструкторской документации, предназначенного для изготовления, контроля и хранения микросхем.

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

1. На подложку наносится сплошные пленки требуемых материалов (хрома, нихрома и других материалов для изготовления резисторов и поверх него - проводящий слой; для обкладок конденсаторов используют в основном алюминий). Для диэлектрических слоев пленочных конденсаторов в основном применяется моноокись кремния и моноокись германия. Особое место среди диэлектриков занимают Ta₂O₅ и Al₂O₃, которые изготавливают методом анодирования нижних металлических обкладок.

2. Затем поверхность покрывают фоторезистором и с помощью определенного фотошаблона создают в нем требуемый рисунок для проводящего слоя.

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

4. Снова наносят фоторезистор и при помощи 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.

7. Каждая из подложек снабжается навесными компонентами (конденсаторы, резисторы и др.). 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, для отведения тепловой энергии от компонентов и пленок в ИМС;

· достаточная механическая прочность, толщина подложки достигает 0,4 мм;

· температурный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок;

· химическая стойкость.



Заключение

В ходе курсовой работы был спроектирован и реализован усилитель аналогового сигнала в виде ГИМС.

Оптимальность конструкции разработанного устройства в большей степени зависит от выполнения всех исходных схемотехнических (электрических), технологических, конструктивных и эксплуатационных требований и ограничений.

Теперь требуется провести определенные испытания, которые должны не только подтвердить безупречность электрических характеристик ИС, но и удостоверить стабильность её температурных и механических свойств. ИС считается готовой к продаже только после успешного завершения электрических, тепловых и механических испытаний.



Литература

1. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. - М.: Радио и связь, 1990.

2. Бакалов В.П., Игнатов А.Н., Крук Б.И. Основы теории цепей и электроники - М.: Радио и связь, 1989.

3. Бобровский Ю.Л. и др. Под редакцией Федорова Н.Д. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. -М.: Радио и связь, 1998.

4. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. -М.: Высшая школа, 1987.

5. Игнатов А.Н. Микроэлектронные устройства связи и радиовещания. -Томск: Радио и связь. Томское отделение, 1990.

6. Игнатов А.Н., Фадеева Н.Е. Методические указания к курсовой работе. Н.: 2006.

7. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника - Ростов-на-Дону «Феникс, 2000.

8. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003.

9. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. - СПб: Корона-принт, 1998.

10. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. -М.: Сов. Радио, 1980.

11. Цыкин Г.С. Усилительные устройства - М.: Связь, 1971.

Размещено на Allbest.ru

...