Электрические схемы аналоговых устройств на основе биполярных и полевых транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Техническое задание

Цель работы

Введение

1. Разработка структурной схемы

2. Разработка и расчет принципиальной схемы усилителя

3. Расчет и построение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ усилителя)

3.1 Расчет АЧХ на нижних частотах

3.2 Расчет АЧХ на верхних частотах

4. Разработка топологии интегральной микросхемы

4.1 Расчет резисторов

4.2 Расчет конденсаторов

4.3 Расчет транзисторов

5. Этапы изготовления устройства в виде гибридной ИМС

Заключение

Список литературы



Техническое задание

Техническое задание определяется величинами параметров устройства по варианту № 08 исходных данных:

1. Напряжение источника питания U_пт = +15 В;

2. Коэффициент усиления по напряжению К_u = 8;

3. Входное сопротивление R_вх = 0,6 МОм = 0,6*10⁶ Ом;

4. Выходное номинальное напряжение U_ном = 2 В;

5. Сопротивление нагрузки R_н = 2 кОм = 2*10³ Ом;

6. Нижняя частота полосы пропускания f_н = 100 Гц;

7. Верхняя частота полосы пропускания f_в = 9 кГц = 9*10³ Гц;

8. Коэффициент частотных искажений на f_н = 3 дБ, М_н = 1,41 раз;

9. Коэффициент частотных искажений на f_в = 2 дБ, М_в = 1,26 раз;

10. Тип выхода - несимметричный.



Цель работы

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

2) Осуществлять правильный выбор типов и структур биполярных и полевых транзисторов;

3) Производить электрический расчет схем простейших аналоговых устройств;

4) Приобрести навыки в составлении топологии аналоговых интегральных микросхем.



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).

ИМС - 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 схемы

Среди аналоговых ИМС наибольшее распространение имеют усилители - устройства для повышения мощности сигнала в нагрузке за счет использования энергии источников питания. Интегральные усилители отличаются высокой надежностью, малыми массой и объемом, высокой экономичностью и другими преимуществами. Основными признаками для классификации усилителей является диапазон рабочих частот и главный параметр, характеризующий усилительные свойства устройства: ток, напряжение, мощность.

В зависимости от конкретной области применения усилители подразделяются на измерительные, телевизионные, радиоприемные, телефонные, радиовещательные и др.

Рис. 1 Структурная схема усилителя

ИП - источник питания усилителя,

Вх.ц. - входная цепь усилителя, не пропускающая постоянную составляющую сигнала,

К_u1 - первый каскад, каскад на полевом транзисторе,

К_u2 - второй каскад, согласующий каскад,

Вых.ц. - выходная цепь усилителя, не пропускающая постоянную составляющую нагрузку.

Устройство содержит входное устройство для передачи сигнала от источника ко входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю или наоборот.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах.

Усилитель мощности предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления.

Выходное устройство используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку. Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно. Роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающий постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования выходного сопротивления усилителя с сопротивлением нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе ИМС избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритов и технологических трудностей изготовления.



2. Разработка и расчет принципиальной схемы усилителя

Рис. 2 Усилитель с несимметричным выходом на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ

Первый каскад выполнен на полевом транзисторе с n - каналом 2П202Д-1, второй каскад выполнен на биполярном транзисторе n-p-n - типа КТ 331-1.

Определяем ток нагрузки по формуле:

Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя, который должен в 2ч5 раз превышать ток нагрузки:

I_К.Р.Т. = 1,41·4 = 5,64 мА;

С помощью справочника выбираем биполярный транзистор КТ331-1

h21э	fгр, мГц	Ukэmax, В	Ikэmax,mA	Pkдоп, мВт
40ч120	250	15	20	15

Выбираем R_Э = R_Н = R_К, (так как схема с разделенной нагрузкой),

R_Э = R_Н = R_К = 2 кОм;

Определение коэффициента усиления каскада на VT₂

При K_u > 7 выгоднее в качестве типовой схемы усиления взять схему второго каскада в виде каскада с общим эимттером.

Коэффициент усиления по напряжению для каскада с общим эмиттером:

0,440,5

Расчет входного сопротивления эмиттерного повторителя

Входное сопротивление эммитерного повторителя определяется по формуле:

Коэффициент усиления каскада с раздельной нагрузкой складывается из коэффициента усиления эмиттерного повторителя и коэффициента усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

K_u2 = K_uок+K_uоэ

В этом случае коэффициент усиления эмиттерного повторителя определяется по формуле:



Коэффициент усиления транзистора включенного по схеме с ОЭ определяется по формуле:

, где ;

K_u2 = 0,98+0,76 = 1,74;

Коэффициент усиления первого (входного) каскада рассчитывается по формуле:

Номинальные значения напряжений на выходе и входе первого каскада:

В



0,25 В;

Крутизна S определяется по формуле:

Рис. 3 Семейство ВАХ транзистора 2П202Д

Выбор R_З и R_Г

Поскольку во входной цепи полевого транзистора ток отсутствует, то R_з = R_г = R_вх = 0,6 МОм.

Расчет емкостей С_Р1, С_Р3, С_К

Частотная характеристика усилителя в области нижних частот определяется выбором емкостей разделительных конденсаторов:



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

М_В = 2Дб =1,26 раз



3. Расчет и построение амплитудно - частотной характеристики (АЧХ усилителя)

3.1 Расчет АЧХ в области нижних частот производят по формулам

При f =10 Гц

Результаты расчета сводим в таблицу 1.



Таблица 1

f	0,1fн	0,2fн	0,5fн	0,7fн	fн	1,5fн	2fн
f , Гц	10	20	50	70	100	150	200
lg f	1	1,3	1,69	1,84	2	2,17	2,3
Yн, раз	0,09	0,25	0,69	0,71	0,84	0,93	0,96

3.2 Расчет АЧХ в области верхних частот производят по формуле

При f=1800 Гц

Результаты расчета сводим в таблицу 2.

Таблица 2

f	0,2fв	0,5fв	fв	2fв	5fв	10fв
f,Гц	1800	4500	9000	18000	45000	90000
lg f	3,25	3,65	3,95	4,25	4,65	4,95
Yв, раз	0,99	0,96	0,88	0,69	0,35	0,18

Строим в программе Microsoft Excel общий график АЧХ усилителя



Рис. 4. АЧХ усилителя

усилитель микросхема конденсатор транзистор



4. Разработка топологии интегральной микросхемы

Необходимо определить способ реализации элементов схемы (навесной, интегральный).

На первом этапе заданную электрическую схему необходимо преобразовать таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинных сторон и были исключены все пересечения пленочных проводников. Последнее условие выполняют, заменяя взаимные пересечения пленочных проводников пересечением пленки и выводов, навесных бескорпусных транзисторов.

Вторым этапом является расчет размеров пассивных элементов гибридной ИМС.

4.1 Расчет резисторов

Расчет пленочных резисторов начинается с выбора материала резистивной пленки и проводящей пленки для выводов. Для этого можно воспользоваться таблицей 3.

Таблица 3 - Характеристика материалов пленочных резисторов

Материал резисторов	Удельное сопротивление, Ом/квадрат	Удельная мощность рассеяния Р0, Вт/ см2	Способ нанесения
Нихром МЛТ-3М РС-3001 Кермет	300 500 1000-2000 3000-10000	2 2 2 2	Термическое напыление
Тантал Нитрид тантала	20-100 1000	3 3	Катодное напыление

Каждый резистор должен выдержать мощность:

,

где Р₀- удельная мощность рассеяния (значение Р₀ для различных материалов приведены в упомянутой выше таблице);

- площадь резистора, равная .

R_с = 3060 Ом.

Размер и конфигурацию пленочных резисторов находят по рассчитанным номинальным сопротивлениям резисторов R_i и удельному сопротивлению пленки _s. Количество разнородных материалов для выполнения резисторов должно быть минимальным. Желательно использовать один материал.

Находим коэффициент формы резистора по формуле:

К_ф = R_i / _s.

Выбранный материал должен удовлетворять условию, чтобы величина К_ф не превышала 50 для резистора с самым большим сопротивлением. Выбираем материал РС-3001, _s = 1000 - 2000 Ом/квадрат.

К_ф = R_с / _s = 3060 / 2000 2

Так как К_ф <10, то, следовательно, форма резистора - прямоугольная.

Выберем b_min = 0,1 см, тогда

l = К_фb_min = 20,1 = 0,2 см,

Значение b находим по формуле:

b = l / К_ф = 0,2 / 2 = 0,1 см.

Тогда S = lb = 0,20,1= 0,02 см² = 2 мм².



R_C

Мощность, которая на нем рассеивается:

P_R = U² / R = I²R.

P_R = (0,610^-3)²3060 = 0,001 Вт.

Мощность, которую выдержит резистор равна:

P_max = P₀S = 20,02= 0,04 Вт.

P_R < P_макс, следовательно, резистор не перегреется.

R_Э= R_Н =2000 Ом;

Находим коэффициент формы резистора по формуле:

К_ф = R_i / _s.

Выбираем материал МЛТ-3М, _s = 500, Ом/квадрат.

К_ф = R_э,к / _s = 2000 / 500 = 4 <10, то форма резистора - прямоугольная.

Выберем b_min = 0,1 см, тогда

l = К_ф b_min = 40,1 = 0,4 см,

Значение b находим по формуле:

b = l / К_ф = 0,4 / 4 = 0,1 см.



Тогда S = lb = 0,10,4= 0,04 см²= 4 мм².

R_Э

Мощность, которая на нем рассеивается:

P_R = U² / R = I²R.

P_R = (0,610^-3)²2000= 0,00072 Вт.

Мощность, которую выдержит резистор:

P_max = P₀S = 20,04= 0,08 Вт.

P_R < P_max, следовательно, резистор не перегреется.

R₃ = 0,610⁶ Ом

Используем резистор типа МЛТ 8,2 Ом - 3 МОм Е24 (L=6 мм, B=2,2 мм)

S = lb = 0,60,22 = 0,132 см² = 13,2 мм².

R_З

4.2 Расчет конденсаторов

При расчете пленочных конденсаторов сначала выбирают материал диэлектрика (таблица 4) в соответствии с выбранным методом нанесения пленок.



Таблица 4 - Характеристика материалов для диэлектрика пленочных конденсаторов

Материал диэлектрика	Удельная емкость Со, пФ/мм	Способ нанесения пленок
Моноокись кремния Моноокись германия	50-100 50-100	Термическое напыление
Двуокись кремния Окись тантала	200 500	Катодное напыление

Выбираем материал диэлектрика окись тантала С_о = 500 пФ/мм² = 50010^-12 Ф/мм².

После выбора материала вычисляем площадь конденсатора:

S = C_i / C_o = АВ,

где - емкость рассчитываемого конденсатора;

и - длина и ширина площадки занимаемой перекрывающимися частями нижней и верхней обкладок конденсатора (если конденсатор имеет прямоугольную форму).

С_Р1 = 0,0210^-6 Ф

Вычисляем площадь конденсатора:

S = C_Р1 / C_o = 0,0210^-6/50010^-12 = 40 мм²

С_P1 А=8 мм

В=5 мм

С_Р3 = 0,001210^-3Ф

Вычисляем площадь конденсатора К53 - 26 (0,22 - 100 мкФ):

S = 23 = 6 мм²

А=2 мм

C_P3 В=3 мм

С_К= 0,00310^-6Ф.

Вычисляем площадь конденсатора:

S = C_К / C_o = 0,00310^-6Ф / 50010^-12 =6 мм²

А=3 мм

C_K В=2 мм

4.3 Расчет транзисторов

VT1 - бескорпусный полевой транзистор n-типа 2П202Д-1

VT1

С З И

Площадь полевого транзистора 2П202Д - 1 равна:

S = 0,80,8= 0,64 см²= 64 мм²

VT2 - бескорпусный биполярный транзистор КТ 331-1



VT2

Э Б К

Площадь биполярного транзистора КТ 360-1 равна:

S = 1,21,2 = 1,44 см² = 144 мм²

Общая площадь, занимаемая всеми элементами схемы:

S_У = S_ТР + S_R + S_С,

где S_ТР - площадь, занимаемая транзисторами;

S_R - площадь, занимаемая резисторами;

S_С- площадь, занимаемая конденсаторами.

S_ТР = 64 + 144 = 208 мм²;

S_R = 2+4+ 13,2 = 19,2 мм² ;

S_С = 40 + 6 + 6 = 52 мм²;

S_У = 208 + 19,2 + 52 =279,2 мм².

Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами и расстояние от края подложки, следует увеличить суммарную площадь в 3-4 раза.

S_подл = 279,23 =837,6 мм².

Затем выбираем подложку, учитывая размеры плат, приведенные в таблице 5. В качестве изолирующей подложки берут боросиликатные и алюмосиликатные стекла, керамику (оксид алюминия Al₂O₃) или ситалл, фотоситалл.

Таблица 5 - Рекомендуемые размеры плат для гибридных ИМС

Длина, мм	48	30	24	60	30	20	48	30	16	12
Ширина, мм	30	24	20	16	16	16	12	12	10	10

Выбираем подложку с размерами:

Длина - 60 мм, ширина - 16 мм, тогда площадь S = 960 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 6 - Топология рассчитанной микросхемы. Масштаб 5:1.



5. Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы

Технологический процесс изготовления гибридных ИМС представляет последовательность из семи этапов.

По аналогии с производством полупроводниковых ИМС производство подложек, деталей и узлов корпуса, а также компонентов гибридных микросхем целесообразно выделять на специализированные предприятия. Процессы формирования пленочных структур характеризуются высокой однородностью и сводятся практически к двум процессам: осаждению пленок в вакууме и фотолитографической обработки.

Структура цеха должна предусматривать принцип предметно-технологической специализации. К производственным участкам цеха по изготовлению гибридных микросхем относятся участки очистки подложек, изготовление фотошаблонов и масок трафаретов; вакуумного напыления; фотолитографии; сборки и монтаж; герметизации; контроля электрических параметров; маркирование, лакирование, упаковки.

I этап - анализ принципиальной электрической схемы и исследование возможностей ее реализации в виде пленочной гибридной микросхемы. На этом этапе определяют типы применяемых элементов, их номинальные параметры, выявляют, какие элементы будут выполнены в пленочном исполнении, а какие в дискретном, а также число и расположение контактных площадок. С этой целью преобразуют принципиальную электрическую схему изделия в коммутационную схему.

II этап - разработка технологической структуры пленочной микросхемы. Топологические чертеж микросхемы - это конструкторский документ, определяющий ориентацию и взаимное расположение всех элементов микросхемы на подложки, а также форму и размеры пассивных элементов. Для составления топологического чертежа необходимо предварительно рассчитать геометрические размеры всех пленочных элементов и на этой основе определить площадь обложки. По вычислительной ориентировочной площади подложки выбирают ее типоразмер из ряда рекомендуемых. Далее решается задача оптимального размещения на подложке всех элементов микросхем.

III этап - изготовление фотошаблонов и масок. На основе топологического чертежа в фотолаборатории изготавливают миниатюрные фотошаблоны, размеры которых соответствуют размеры микросхем. Фотошаблоны выполняют на фотопластинках с размещающей способностью порядка 400 линий/мм. На их основе изготавливают маски (трафареты), через которые напыляют необходимые материалы. В качестве подложек для масок используют никелированную медную фольгу, фольгу из нержавеющей стали, из бронзы и т.д. Необходимый рисунок маски можно получить прожиганием подложек электронным лучом или травлением. Наибольшее распространение получил второй способ. Чтобы получить рисунки травлением подложки, пользуются способом фотолитографии. В процессе фотолитографии используется светочувствительный полимерный метал - фоторезист. На подложку маски тонким слоем наносится фоторезист. После просушки на него накладывается фотошаблон и ультрафиолетовыми лучами, под действием которых фоторезист полимеризуется, производится экспонирование. После этого подложку протравливают кислотой. Участки, не защищенные полимернзованным фоторезистом, вытравливаются насквозь, образуя необходимый рисунок. Полимеризованный фоторезист смывают органическим растворителем. При изготовлении пленочных микросхем маски могут использоваться многократно.

IV этап - нанесение пленочных пассивных элементов микросхемы.

Существует несколько способов получения тонкопленочных элементов. Наибольшее распространение получили вакуумное напыление и катодное распыление. При вакуумном напылении для получения требуемого рисунка схемы применяют маски. Испарение осуществляется после откачки до вакуума до 10 Па. В этом случае атомы испаренного вещества распространяются прямолинейно и, оседая на подложке, создают слой пленки требуемой толщины. Для получения пленок из тугоплавких материалов применяют катодное распыление. Распыляемый материал служит катодом. На анод подается высокое напряжение (порядка 20кВ). Подложку и маску располагают на небольшом расстоянии от катода (1ч5 см). Из установки откачивают воздух, после чего в нее подают инертный газ, создавая под колпаком давление порядка 0,1ч1 Па. Под действием высокого напряжения в установке возникает ионизация газа. Тяжелые ионы, попадая на катод, разрушают его. Частицы катода разлетаются в разные стороны и оседают на подложке, образуя на ней пленки необходимой толщины и формы.

V этап - установка дискретных элементов. Для соединения навесных активных элементов с пленочным монтажом применяется пайка низкотемпературными припоями, что исключает повреждение приборов и нарушение адгезии металлизированных участков подложки из-за перегрева. Пайка производится миниатюрными механизированными паяльниками с автоматической дозировкой припоя и авторегулированием температуры нагрева зоны соединения. Для соединения выводов бескорпусных полупроводниковых приборов с контактными площадками микросхем разработано большое количество способов сварки и пайки (термокомпрессия, сварка давлением с косвенным импульсным нагревом, ультразвуковая сварка, пайка волной припоя, оптический способ пайки, способ электронно-лучевой сварки и сварки лучом лазера и т.д.). Для крепления к подложке приборов с гибкими и жесткими выводами используются специальные термостойкие клеи на основе компаундов.

VI этап - конструктивное оформление микросхем. Применяются два способа защиты пленочных гибридных микросхем от повреждений: бескорпусная защита (герметизация компаундами) и корпусная защита (герметизация с помощью прочных корпусов различного типа). Корпусную защиту рекомендуется применять при длительной (более десяти суток) эксплуатации микросхем в условиях повышенной влажности. Корпус должен обладать достаточной механической прочностью, малой массой и габаритами, хорошей электрической изоляцией. Кроме того, внутри него следует поддерживать достаточно стабильные температурные условия.



Заключение

Широкое применение гибридно-пленочной технологии, а также гибкость схемотехнической и конструктивной реализации различных электронных устройств обеспечиваются тонкопленочной и толстопленочной разновидностями этого направления.

С помощью гибридно-пленочной технологии удается найти компромиссное решение вопроса об основном противоречии, содержащемся в требованиях к монолитным ИМС - противоречия между степенью интеграции и выходом годных ИМС. Реализуя сложное устройство в виде нескольких кристаллов с экономически целесообразной степенью интеграции, их объединяют в общем корпусе на общей изолирующей подложке, несущей систему пленочных межсоединений. Таким образом, создаются многокристальные гибридные микросхемы или микросборки.

Относительно большие размеры пассивных элементов и наличие пассивной подложки позволяют (в отличие от диффузионных резисторов полупроводниковых ИМС) осуществить их подгонку, например, с помощью лазера. При лазерной подгонке точность сопротивления резисторов может составлять сотые доли процента, что необходимо в ряде устройств ИТ.

К недостаткам гибридно-пленочной ИМС по сравнению с монолитными полупроводниковыми ИМС относятся увеличенные габариты, меньшая плотность упаковки, меньшая технологичность производства и более низкая надежность.

В проекте разработана гибридная ИМС размером 60х16 мм², представляющая собой двухкаскадный усилитель звуковой частоты с заданными в техническом задании характеристиками. Построены ВАХ и АЧХ усилителя. Большое входное сопротивление удалось обеспечить применением на первом каскаде полевого транзистора с n - каналом 2П202Д -1, второй каскад - эмиттерный повторитель собран на биполярном транзисторе n - p - n типа КТ331-1. Таким образом, удалось достичь заданного усиления по напряжению K_U =8 при напряжении источника питания U_П = +15 В.



Список литературы

1. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник- М.: Издательство стандартов, 2015.

2. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. Учеб. пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1989.

3. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов/ Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев и др.- М.: Высш. шк., 1987.

4. Игнатов А.Н. Методическое указание «Разработка интегрального аналогового устройства», Новосибирск, 1999;

5. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов- М.: Радио и связь, 1990.

6. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под редакцией Б.Л. Перельмана - Москва: Радио и связь, 1981;

7. Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей - Москва: Связь, 1976.

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности. Справочник (под ред. Голомезова А.В.- М.: Радио и связь, 1994).

9. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Под редакцией Н.Н. Горюнова - Москва: Энергия, 1976;

10. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники - Москва: Радио и связь, 1983;

Размещено на Allbest.ru

...