Курсовая работа По дисциплине: Электроника






Скачать 166.89 Kb.
НазваниеКурсовая работа По дисциплине: Электроника
Дата публикации25.01.2015
Размер166.89 Kb.
ТипКурсовая
top-bal.ru > Физика > Курсовая
Федеральное агентство связи
Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики
Межрегиональный центр переподготовки специалистов


Курсовая работа

По дисциплине: «Электроника»



Выполнил:

Группа:

Вариант:

Проверил:


Новосибирск, 2013 г.
Содержание:
Техническое задание.

Введение.

1. Разработка структурной схемы.

2. Разработка принципиальной схемы.

3. Разработка интегральной микросхемы.

3.1. Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов.

3.2. Разработка топологии.

3.3. Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы.

Заключение.

Список использованной литературы.


Техническое задание:
Uпит = - 12 В;

Кu = 7;

Rвх = 4,7 МОм;

Rн = 2 кОм;

Uном = 2 В;

Fн = 300 Гц;

Fв = 3,4 кГц;

Мн = 2 дБ;

Мв = 2 дБ;

Тип входа – несимметричный;

Тип выхода – несимметричный.
Введение:

В процессе развития микроэлектроники (МЭ), начиная с 1960г., номенклатура интегральных схем (ИС) непрерывно изменялась. При этом отдельные типы ИС нередко рассматривались как альтернативные, т.е. исключающие все другие. В настоящее время каждый из основных типов ИС занял свое, относительное стабильное место в микроэлектронике.

По способу изготовления и получаемой при этом структуре различают два принципиально разных типа интегральных схем: полупроводниковые и пленочные. Полупроводниковая ИС – это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники. Пленочная ИС – это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИС (толщина пленок до 1–2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10–20 мкм и выше).

Поскольку ИС, подобно электронной лампе или транзистору, представляет собой конструктивно единое целое, выполняет определенную функцию должна удовлетворять определенным требованиям при испытаниях, поставках и эксплуатации, она относится к разряду электронных приборов. Однако по сравнению с диодом, транзистором и т. п. ИС является качественно новым типом прибора.

Первая главная особенность ИС как электронного прибора состоит в том, что она самостоятельно выполняет законченную, часто весьма сложную функцию, тогда как элементарные электронные приборы выполняют аналогичную функцию только в ансамбле с другими компонентами.

Второй важной особенностью ИС является то, что повышение функциональной сложности этого прибора по сравнению с элементарными не сопровождается ухудшением какого-либо из основных показателей (надежность, стоимость и т. п.). Более того, все эти показатели улучшаются.

Третья особенность ИС состоит в предпочтительности активных элементов перед пассивными – принцип, диаметрально противоположный тому, который свойствен дискретной транзисторной технике. В последней активные компоненты, особенно транзисторы, наиболее дорогие, и потому оптимизация схемы при прочих равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС дело обстоит иначе: у них задана стоимость не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно размещать на кристалле как можно больше элементов с минимальной площадью. Минимальную площадь имеют активные элементы – транзисторы и диоды, а максимальную – пассивные. Следовательно, оптимальная ИС – это ИС, у которой сведены к минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно, конденсаторов.

Четвертая особенность ИС связана с тем, что смежные элементы расположены друг от друга на расстоянии всего 50–100 мкм. На таких малых расстояниях различие электрофизических свойств материала маловероятно, а, следовательно, маловероятен и значительный разброс параметров у смежных элементов. Иначе говоря, параметры смежных элементов взаимосвязаны – коррелированны. Эта корреляция сохраняется и при изменении температуры: у смежных элементов температурные коэффициенты параметров практически одинаковы. Корреляция между параметрами смежных элементов используется при проектировании некоторых ИС с целью снизить влияние разброса параметров и изменений температуры.


  1. ^ Разработка структурной схемы.


Для упрощенного изображения схем электронных устройств, в том числе и усилительных схем, нередко используют блок-схему, называемую также функциональной или структурной схемой, на которой прямоугольниками с надписями показывают основные части (узлы) устройства. Рассмотрим назначение и структуру основных узлов усилительного устройства, изображенных на рис. 1.


Рис. 1. Структурная схема усилительного устройства.

Входное устройство служит для передачи сигнала от источника во входную цепь первого усилительного элемента. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала к входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Оно обеспечивает заданное входное сопротивление усилителя. Коэффициент передачи (КВХ) принимается равным 1, ввиду того, что входное сопротивление (RВХ) много больше сопротивления источника сигнала (RГ). В общем виде коэффициент передачи определяется формулой: , однако, с учётом выше сказанного, так как RВХ >> RГ, получаем . Значением RГ мы пренебрегаем.

^ Назначение усилительного каскада 1 (УК1) - усилить напряжение, ток и мощность сигнала до величины, необходимой для подачи на вход усилительного каскада 2 (УК2).

^ Усилительный каскад 2 (УК2) - предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала.

Выходное устройство служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи последнего усилительного элемента в нагрузку и применяется тогда, когда непосредственное подключение нагруз­ки к выходной цепи невозможно или нецелесообразно. Коэффициент передачи так же выбирается равным 1, т.к. выходное сопротивление (RВЫХ) много больше сопротивления нагрузки (RН).

КВЫХ = 1, т.к. RН >> RВЫХ,

RН = 2 кОм,

RВЫХ = RЭ,

,

.

,

.

,

.

Фильтр нижних частот (ФНЧ). Для ФНЧ характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются (режутся).
Распределение частотных искажений.
В соответствии с техническим заданием значение коэффициента частотных искажений (МН), определяется величиной, численно равной 2 дБ:

МН = 2 дБ,

МН1 = 1,7 дБ,

МН2 = 0,3 дБ.

Для перевода величин из дБ в разы, используется формула:

МН1 = 1,2 раз,

МН2 = 1,03 раз,

МВ = 2 дБ,

МВ = 1,3 раз.

,




2. Разработка принципиальной схемы.
Исходя из технического задания, выбираем усилитель с несимметричным входом и несимметричным выходом и БТ включённым по схеме с ОК.



Рис. 2. Усилитель с несимметричным входом и несимметричным выходом.
На рис. 2 изображена схема двухкаскадного усилителя. Первый каскад выполнен на полевом транзисторе, что позволяет добиться высокого входного сопротивления и, следовательно, осуществлять работу с высокоомными источниками входного сигнала. Второй каскад выполнен на биполярном транзисторе и работает автономно от первого.
Динамические выходные характеристики.
Динамическими характеристиками усилительного каскада назы­вают графики зависимостей между мгновенными значениями нап­ряжений и токов в цепях усилительного элемента при наличии внешних сопротивлений в этих цепях, т. е. линии, по которым пе­ремещается рабочая точка усилительного элемента в рабочих ус­ловиях.

Выходными динамическими характеристиками называют графики зависимости выходною тока усилительного элемента от напряже­ния между его выходными электродами при наличии нагрузки в выходной цепи.

Для обеспечения необходимого коэффициента усиления по напряжению (), необходимо правильно выбрать рабочую точку (А), а перед этим необходимо правильно выбрать транзистор. Для обеспечения заданного коэффициента усиления подходит ПТ 2П201Д-1.

Выбор БТ и ПТ основывается на данных технического задания, т.е. учитывая, что напряжение питания имеет отрицательный знак (UПИТ = - 12 В) необходимо, что бы БТ имел структуру p-n-p, а ПТ канал р типа.

Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя, который должен в 2-5 раз превышать ток нагрузки.

,

.



Рис. 3. Семейство ВАХ ПТ.

,

;

,

= 0,4 В;

- крутизна рабочей точки;

;

;

,

.

Расчёт амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

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

,

СР1 = 118 пФ;

,

СР2 = 2,2 мкФ.

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

,

СК = 3,2 нФ.

Расчет АЧХ в области нижних частот производят по формуле:



Расчет АЧХ в области верхних частот проводят по формуле:

.

Результаты расчётов относительного коэффициента передачи YН и YВ сведены в таблицу 1 и таблицу 2 соответственно.

Таблица 1.

0,1 fH

0,2 fH

0,5 fH

0,7 fH

fH

1,5 fH

2 fH

0,057

0,2

0,5

0,7

0,8

0,9

0,93

Таблица 2.

0,5 fB

fB

2 fB

5 fB

10 fB

0,84

0,79

0,36

0,15

0,078



Рис. 4. АЧХ.

Проведём проверку соответствия расчётных и заданных значении коэффициентов частотных искажении , .

Для перевода величин из разов в дБ используется формула:

Мн = 20lgМн ,

Мн = 20lg1,25 = 1,9дБ.

,

= 1,26.

Мв = 20lg1,26 = 2,04 дБ.

^ 3. Разработка интегральной микросхемы.

3.1. Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов.

При выборе элемента необходимо выяснить, каким он будет – плёночным или навесным.

  1. Так как RВЫХ > 50, то выбираем входной резистор навесным.

Р1-12. 4,7 Мом

L = 3,1 мм,

B = 1,55 мм,

= 4,805 мм2.

Структура и конфигурации пленочного ре­зистора показаны на рис. 5. Как видим, в общем случае конфи­гурация пленочного резистора зигзагообразная. В частности, она может быть полосковой. Удельное сопротивление слоя зависит от толщины слоя и материала. При катодном напылении катод (т.е. напыляемый материал) будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. При заданных условиях необходимо выбрать тантал, удельное сопротивление которого равно 100 Ом/квадрат.

  • диапазон сопротивлений пленочных резисторов несравненно шире, чем полупроводниковых (диффузионных и ионно-легированных);



Рис. 5. Плёночные резисторы (а) полосковой, (б) зигзагообразной конфигурации.

  • тонкопленочная технология обеспечивает более высокую стабильность резисторов;

  • подгонка обеспечивает существенное уменьшение разброса (допусков) сопротивлений; следовательно, возможность такой под­гонки является важным преимуществом пленочных резисторов;

Подгонку резисторов можно осуществлять разными способами. Простейший, исторически первый способ состоит в частичном меха­ническом соскабливании резистивного слоя до того, как поверхность ИС защищается тем или иным покрытием. Более совершенными яв­ляются методы частичного удаления слоя с помощью электрической искры, электронного или лазерного луча. Разумеется, все эти спо­собы позволяют только увеличивать сопротивление резис­тора. Наиболее совершенный и гибкий метод состоит в пропуска­нии через резистор достаточно большого тока. При токовой подгон­ке одновременно идут два процесса: окисление поверхности резис­тивного слоя и упорядочение его мелкозернистой структуры. Первый процесс способствует увеличению, а второй – уменьшению сопро­тивления. Подбирая силу тока и атмосферу, в которой ведется под­гонка, можно обеспечить изменение сопротивления и в ту, и в другую сторону на ± 30%, с погрешностью (по отношению к желатель­ному номиналу) до долей процента.

Резисторы RC и RЭ выбираем плёночные.

КФ – коэффициент формы

,

;

RC = 12 кОм;

L = 12 мм;

B = 0,5 мм;

S = 6 мм2;

,

КФ = 1.

RЭ = 1 кОм;

Вmin = 100 мкм;

,

L = 0,1 мм;

S = 0,01 мм2.

Конденсаторы выбираем навесные, т.к. плёночные займут много места.

СР1 = 120 пФ; КЛС 120 пФ;

L = 8 мм;

B = 4 мм;

S = 32 мм2;

СР2 = 2,2 мкФ; К53-16 120 пФ;

L = 3,4 мм;

B = 1,9 мм;

S = 6,46 мм2.

СК = 3 нФ; К10-17 3 нФ;

L = 1,3 мм;

B = 1,5 мм;

S = 1,95 мм2.

S = 0,36 мм2.

S = 1 мм2.

^ 3.3. Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной микросхемы.

Согласно определению, гибридные ИС пред­ставляют собой совокупность пленочных пассивных элементов и на­весных активных компонентов. Поэтому технологию тонкопленоч­ных ГИС можно разбить на технологию тонкопленочных пассив­ных элементов и технологию монтажа активных компонентов.

Тонкопленочные элементы ГИС осуществляются с помощью технологических методов, путем локального (через маски), термиче­ского, катодного или ионно-плазменного напыления того или иного материала на диэлектрическую подложку. В качестве масок длительное время использовались накладные металлические трафареты.

Серьезные недостатки металлических накладных трафаретов заключа­ются в том, что, во-первых, в процессе напыления пленок происходит напы­ление на сами трафареты, что меняет их толщину и постепенно приводит их в негодность. Во-вторых, металлические трафареты малопригодны при ка­тодном и ионно-плазменном напылении, так как металл искажает электри­ческое поле и, следовательно, влияет на скорость напыления. Поэтому в по­следние годы от металлических накладных трафаретов практически отказа­лись и используют для получения необходимого рисунка фотолитографию — метод заимствованный из технологии полупроводниковых ИС,

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 проводящего слоя (например, для контактных площадок будущего резистора, (рис. 6, а). Через окна в фоторезистной маске проводят травление проводящего слоя, после чего фоторезист удаляют. В результате на пока еще сплошной поверхности резистивного слоя получаются готовые контактные площадки (рис. 6, б). Снова наносят фото­резист и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора (рис. 6, в). Затем проводят травление, удаляют фото­резист и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадкам (рис. 6, г).

Конечно, важно, чтобы травитель, действующий на проводящий слой, не действовал на резистивный и наоборот. Имеется и еще ряд ограничений, которых мы не будем касаться. Заметим лишь, что с по­мощью фотолитографии не удается получать многослойные структуры типа конденсаторов. Однако это ограничение не очень суще­ственно, так как в последнее время предпочитают использовать в ГИС навесные конденсаторы (ради экономии площади).

Для резистивных пленок чаще всего используют хром, нихром (Ni – 80%, Сr – 20%) и кермет из смеси хрома и моноокиси кремния & (1 : 1). Метод напыления для этих ма­териалов – термический (вакуумный). Омические контакты к резистивным пленкам (полоскам) осуществляются так, как показано на рис. 6.

Для обкладок конденсаторов ис­пользуют алюминий, причем до напы­ления нижней обкладки (прилегаю­щей к подложке) приходится предварительно напылять тонкий подслой из сплава CrTi, так как адгезия алюминия непосредственно с подлож­кой оказывается недостаточной.

Для диэлектрических слоев пле­ночных конденсаторов по совокупно­сти требований (большая диэлектри­ческая проницаемость е, малый тан­генс угла потерь tgδ, большая пробивная напряженность и др.) наи­большее распространение имеют мо­ноокись кремния SiO и моноокись германия GeO. Особое место среди диэлектриков занимают окислы Та2О5 Р и А12О3, которые получают не методом напыления, а методом анодиро­вания нижних металлических обкладок (Та или А1).

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 от 200×250 мкм и более.





Рис. 6. Получение тонкоплёночных резисторов методом фотолитографии.

^ 3.4. Разработка топологии.

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 имеют ситалл и керамика; стекло утратило свое первоначаль­ное значение. Ситалл представляет собой кристаллическую разно­видность стекла (обычное стекло аморфно), а керамика – смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах (главные состав­ляющие А12О3 и SiO2).

Толщина подложек составляет 0,5–1 мм в зависимости от пло­щади. Площадь подложек у ГИС значительно больше площади кри­сталлов у полупроводниковых ИС. Стандартные размеры подложек лежат в пределах от 12×10 до 48×30 мм. Требования к гладкости поверхности примерно такие же, как и в случае кремния: допусти­мая шероховатость не превышает 25×50 нм (класс шероховатости 12–14).

Эскиз топологии должен быть выполнен на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе. Пассивные элементы располагают на расстоянии не менее 1 мм от края подложки. Выходные и входные контактные площадки располагают вдоль длинных сторон подложки на расстоянии не менее 1 мм от края.

При составлении эскиза топологии необходимо учитывать следующие основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией:

  • навесные элементы (компоненты) устанавливаются в специально отведенные места на расстоянии не менее 500 мкм (0,5 мм) от пленочных элементов и не менее 600 мкм от контактной площадки; минимальное расстояние между навесными компонентами 300 мкм;

  • длина проволочных выводов навесных компонентов должна находится от 600 мкм до 5 мм;

  • минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (и в том числе и контактными площадками) 200 мкм;

  • минимальная длина резистора Lтin не менее 500 мкм;

  • минимальная ширина резистора Bmin не менее 200 мкм при масочном методе, не менее 100 мкм при фотолитографии;

  • нижняя обкладка пленочных конденсаторов должна выступать за край верхней обкладки не менее, чем на 200 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, расположенными в разных слоях, составляет 200 мкм при масочном методе и 100 мкм – при фотолитографии;

  • минимально допустимые размеры контактных площадок при припайке 400×400 мкм, при приварке 200×250 мкм;

  • пассивные и активные элементы располагаются на расстоянии не менее 1 мм от края подложки;

  • входные и выходные контакты располагаются вдоль длинных сторон подложки на расстоянии не менее 1 мм от края;

  • размеры пленочных элементов должны быть кратными 0,05 мм;

Общая площадь, занимаемая всеми элементами схемы:

S = STp + SR + Sc,

где STp – площадь занимаемая транзисторами;

SR – площадь занимаемая резисторами;

Sc – площадь занимаемая конденсаторами.

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

S = 20,585·3 = 61,755 мм2.

Заключение:

В проделанной мной работе я закрепил полученные знания в разработке ГИМ, более подробно усвоил работу активных элементов и расчёт коэффициента усиления (V), а также значения элементов (R и C).

Кроме того, научился по справочнику определять их номинальные значения. Подробнее познакомился, как рассчитать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и как построить её. Научился выбирать навесные элементы и производить расчёт конфигурации плёночных элементов. Усвоил разработку топологического чертежа и выбора подложки, которая в свою очередь должна обладать некоторыми свойствами, а именно: высоким удельным сопротивлением, механической прочностью, гладкой поверхностью, теплопроводностью, химической стойкостью, одинаковой температурной зависимостью с плёнкой и низкой стоимостью.

^ Рецензия преподавателя:

Оценка: Неудовлетворительно, Вы не привели расчет второго каскада и топологию.

Список использованной литературы:



  1. Конспект лекций.

  2. Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей - М.: Связь, 1976.

  3. Степаненко И.О. Основы микроэлектроники - М.: Радио и связь, 1980.

  4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники - М.: Радио и связь,1983.

  5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения Под ред. Перельмана Б.Л. - М.: Радио и связь, 1981.

  6. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника - М.: Высшая школа, 1986.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по дисциплине «Микроэкономика»
Целью написания курсовой работы является детальное усвоение содержания основных вопросов темы, углубление и закрепление знаний, полученных...

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа
Курсовая работа состоит из одного задания. Вид графического объекта, движение которого надо будет реализовать в работе, выбирается...

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по дисциплине: «Организация коммерческой деятельности предприятий»

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа является обязательным видом итогового контроля по...
Курсовая работа – это первый этап в самостоятельном теоретическом осмыслении материала, накопленного в ходе обучения в университете,...

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по учебной дисциплине «История и теория Социально-Культурной Деятельности»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по дисциплине: «Институциональная экономика»
...

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по дисциплине Стратегический менеджмент на тему:...
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по дисциплине: Экономическая теория
Она обесценивает результаты труда, уничтожает сбережения юридических и физических лиц, препятствует долгосрочным инвестициям и экономическому...

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по дисциплине «Маркетинг» тема «swot-анализ»
Теоретические аспекты сущности маркетинговой деятельности предприятия. Понятие swot-анализа 4

Курсовая работа По дисциплине: Электроника iconКурсовая работа по дисциплине «Теория вычислительных процессов»
Среди столбцов целочисленной матрицы, содержащих только элементы по модулю не большие 10, найти столбец с минимальным произведением...



Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2018
контакты
top-bal.ru

Поиск