Конструирование микросхем и микропроцессоров (CBRR1792)

Посмотреть архив целиком

24


Курсовой проект: “Конструирование МС и МП”

Московский Государственный институт электроники и математики

(Технический университет)






Кафедра: РТУиС

­­





Пояснительная записка

по выполнению курсового проекта на тему:

Конструирование микросхем и микропроцессоров”






Выполнил: студент группы Р-72

Густов А.М.


Руководитель: доцент кафедры РТУиС,

кандидат технических

наук Мишин Г.Т.






Москва, 1994


Задание на курсовое проектирование


В данном курсовом проекте требуется разработать комплект конструкторской документации интегральной микросхемы К 237 ХА2. По функциональному назначению разрабатываемая микросхема представляет собой усилитель промежуточной частоты. Микросхема должна быть изготовлена по тонкопленочной технологии методом свободных масок (МСМ) в виде гибридной интегральной микросхемы (ГИМС).





Рис. 1. Схема электрическая принципиальная




Таблица 1. Номиналы элементов схемы:


Элемент

Номинал

Элемент

Номинал

Элемент

Номинал

Элемент

Номинал

R1

950 Ом

R7

4,25 кОм

R13

1 кОм

R19

1 кОм

R2

14 кОм

R8

12,5 кОм

R14

3,5 кОм

C1

3800 пФ

R3

45 кОм

R9

500 Ом

R15

10 кОм

VT1-VT8

КТ 312

R4

35 кОм

R10

3 кОм

R16

3,5 кОм

E

7,25 В

R5

12,5 кОм

R11

10 кОм

R17

2,5 кОм



R6

950 Ом

R12

500 Ом

R18

1 кОм







Для подачи на схему входного сигнала и снятия выходного к микросхеме требуется подключить некоторое количество навесных элементов. Одна из возможных схем включения приведена на следующем рисунке.



Рис. 2. Возможная схема включения



Таблица 2. Номиналы элементов схемы включения


Элемент

Номинал

Элемент

Номинал

RA

8,2 кОм

CB

1 мкФ

RB

43 Ом

CC

0,033 мкФ

RC

2,2 кОм

CD

0,015 мкФ

RD

1,5 кОм

CE

4700 пФ

CA

3300 пФ

CF

3300 пФ


Технические требования:


Конструкцию микросхемы выполнить в соответствии с электрической принципиальной схемой по тонкопленочной технологии методом свободных масок в корпусе.

Микросхема должна удовлетворять общим техническим условиям и удовлетворять следующим требованиям:

  • предельная рабочая температура - 150° С;

  • расчетное время эксплуатации - 5000 часов;

  • вибрация с частотой - 5-2000 Гц;

  • удары многократные с ускорением 35;

  • удары однократные с ускорением 100;

  • ускорения до 50.


Вид производства - мелкосерийное, объем - 5000 в год.





Аннотация


Целью данного курсового проекта является разработка интегральной микросхемы в соответствии с требованиями, приведенными в техническом задании. Микросхема выполняется методом свободных масок по тонкопленочной технологии.

В процессе выполнения работы мы выполнили следующие действия и получили результаты:


- произвели электрический расчет схемы с помощью программы электрического моделирования “VITUS”, в результате которого мы получили необходимые данные для расчета геометрических размеров элементов;


- произвели расчет геометрических размеров элементов и получили их размеры, необходимые для выбора топологии микросхемы;


- произвели выбор подложки для микросхемы и расположили на ней элементы, а также в соответствии с электрической принципиальной схемой сделали соединения между элементами;


- выбрали корпус для микросхемы с тем расчетом, чтобы стандартная подложка с размещенными элементами помещалась в один из корпусов, рекомендуемых ГОСТом 17467-79.






















Введение


Приведем принципы работы и основные характеристики разрабатываемой микросхемы:

Микросхема К 237 ХА 2 предназначена для усиления и детектирования сигналов ПЧ (промежуточной частоты) радиоприемных устройств не имеющих УКВ диапазона, а также для усиления напряжения АРУ (автоматической регулировки усиления). Широкополосный усилитель ПЧ состоит из регулируемого усилителя на транзисторах Т4, Т5 и Т6. Усиленный сигнал поступает на детектор АМ-сигналов (амплитудно-модулированных сигналов), выполненный на составном транзисторе Т7, Т8. Низкочастотный сигнал с резистора R19, включенного в эмиттерную цепь, подается через внешний фильтр на предварительный усилитель НЧ (низкой частоты), а также через резистор R15 на базу транзистора Т3, входящего в усилитель АРУ. Усиленное напряжение АРУ снимается с эмиттера транзистора Т2. Изменение напряжения на эмиттере транзистора Т2 вызывает изменение напряжения питания транзистора Т1, а следовательно и его усиления.

На частоте 465 кГц коэффициент усиления усилителя ПЧ составляет 1200 - 2500. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 3%. Если входной сигнал меняется от 0,05 до 3 мВ, то изменение выходного напряжения не превышает 6дБ. Напряжение на выходе системы АРУ при отсутствии выходного сигнала составляет 3 - 4,5 В. Напряжение питания составляет 3,6 - 10 В. Потребляемая мощность не более 35 мВт.





Анализ задания на проект


Микросхема усиления промежуточной частоты (ПЧ) К 237ХА2 может быть изготовлена по тонкопленочной технологии с применением навесных элементов. Конструкция микросхемы выполняется методом свободной маски, при этом каждый слой тонкопленочной структуры наносится через специальный трафарет. На поверхности подложки сформированы пленочные резисторы, конденсаторы, а также контактные площадки и межэлементные соединения. Пленочная технология не предусматривает изготовление транзисторов, поэтому транзисторы выполнены в виде навесных элементов, приклеенных на подложку микросхемы. Выводы транзисторов привариваются к соответствующим контактным площадкам.














Электрический расчет принципиальной схемы


Электрический расчет производился с помощью системы “VITUS”.

Система VITUS - это компьютерное инструментальное средство разработчика электронных схем. Система VITUS позволяет рассчитать токи, напряжения, мощности во всех узлах и элементах схемы, частотные и спектральные характеристики схемы. Система VITUS объединяет в себе компьютерный аналог вольтметров, амперметров и ваттметров постоянного и переменного тока, генераторов сигналов произвольной формы, многоканального осциллографа, измерителя частотных характе-ристик.

Система VITUS :

  • позволяет описывать принципиальную схему как в графическом виде, так и на встроенном входном языке;

  • выводит требуемые результаты расчета в графическом виде;

  • снабжена справочником параметров элементов;

  • работает под управлением дружественного интерфейса.


Основной задачей электрического расчета является определение мощностей, рассеиваемых резисторами и рабочих напряжений на обкладках конденсаторов. В результате расчета были получены реальные значения мощностей и напряжений, которые являются исходными данными для расчета геометрических размеров элементов.

Результаты расчета приводятся в расчете геометрических размеров элементов.




























Данные для расчета геометрических размеров тонкопленочных элементов


Таблица 3. Данные для расчета резисторов


Резистор

Рном , Вт

gR

Резистор

Рном , Вт

gR

R1

1,41E-6

0,2

0,1

R11

4,46E-3

0,22

0,1

R2

3,36E-8

0,22

0,1

R12

2,23E-4

0,2

0,1

R3

2,47E-4

0,22

0,1

R13

1,79E-5

0,2

0,1

R4

1,98E-4

0,22

0,1

R14

1,05E-2

0,2

0,1

R5

8,58E-6

0,22

0,1

R15

3,91E-10

0,22

0,1

R6

5,35E-13

0,2

0,1

R16

1,27E-6

0,2

0,1

R7

3,21E-5

0,2

0,1

R17

3,46E-4

0,2

0,1

R8

3,30E-3

0,22

0,1

R18

1,95E-4

0,2

0,1

R9

7,4E-5

0,2

0,1

R19

1,97E-4

0,2

0,1

R10

4,51E-5

0,2

0,1







Таблица 4. Данные для расчета конденсаторов


Конденсатор

Uраб , В

C1

2,348

0,23

0,115



















Расчет геометрических размеров тонкопленочных резисторов, выполненных методом свободной маски (МСМ)


1. Исходные данные:

а). конструкторские: , где

Rн - номинальное сопротивление резистора;

gR - относительная погрешность номинального сопротивления;

Pн - номинальная мощность;

T°max C - максимальная рабочая температура МС;

tэкспл - время эксплуатации МС.

б). технологические: , где

Db(Dl) - абсолютная погрешность изготовления;

Dlустан - абсолютная погрешность совмещения трафарета;

- относительная погрешность удельного сопротивления.

2. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < < Rmin Þ 900 < < 500

Видим, что неравенство не выполняется, значит все эти резисторы изготовить из одного материала невозможно. Чтобы мы все же могли изготовить резисторы, надо разбить их на две группы и для каждой группы выбрать свой материал.


Таблица 5. Разбивка резисторов на группы

Первая группа

R1, R6, R7, R9, R10, R12, R13, R14, R16, R17, R18, R19 (500 - 4250 Ом)

Вторая группа

R2, R3, R4, R5, R8, R11, R15 (10 - 45 кОм)

Расчет резисторов первой группы.


1. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < < Rmin Þ 85 < < 500

Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным сопротивлением (). Остановим свой выбор на материале “МЛТ-3М”. Этот материал обладает следующими характеристиками:


Таблица 6. Материал для первой группы резисторов

Наименование

, Ом/Ђ

a R , 1/°C

P0 , мВт/мм2

S, %/103 час

1

Сплав МЛТ-3М sК0,028,005,ТУ

200 -500

0,0002

10

0,5


Как уже говорилось, лучше взять как можно больше, т.е. в данном случае это =500. Этот материал обладает неплохими характеристиками, присущими резистивным материалам, а именно: низким ТКС (aR), низким коэффициентом нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией и технологичностью.


2. Вычислим относительную температурную погрешность:

=0,0002(150-20)=0,026


3. Вычислим относительную погрешность старения:

, где

tисп - время испытания за которое определен коэффициент старения S;

tисп = 1000 часов.


4. Вычислим относительную погрешность контактирования:

= 0,01 - 0,03 Þ зададимся =0,01


5. Вычислим относительную погрешность формы:

gкф = gR - - - - = 0,2 - 0,1 - 0,026 - 0,025 -0,01=0,039;


6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый):

gкф > Db/ bmax , где bmax = 2 мм Þ gкф > 0,01 Þ резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору.


7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора:

= 950/500 = 1,9;


8. Определение вида резистора (прямой или меандр):

Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше десяти, то резистор изготовляется в форме меандра. Предпочтение отдается прямому резистору. В данном случае резистор изготовляется прямым.


9. Определение ширины резистора по мощности рассеяния:


10. Определение основного размера по заданной точности:

, где Dl=Db=0,02 при условии, что коэффициент формы больше единицы.


11. Выбор основного размера:

Þ b = 0,78 мм


12. Определение длины резистора:


13. Проверка проведенных расчетов:

Ом Þ расчет выполнен правильно !


На этом этапе мы рассчитали первый резистор из первой группы (R1). Расчет остальных резисторов этой группы аналогичен и далее не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу.


Таблица 7. Результаты расчета резисторов первой группы


Резистор

Кф

bmin g , мм

bmin p , мм

b, мм

l, мм

Вид резистора

R1

1,9

0,78

0,0086

0,78

1,48

Прямой, неподстр.

R6

1,9

0,78

0,0000053

0,78

1,48

Прямой, неподстр.

R7

8,5

0,57

0,02

0,57

4,85

Прямой, неподстр.

R9

1

1,03

0,086

1,03

1,03

Прямой, неподстр.

R10

6

0,60

0,03

0,60

3,60

Прямой, неподстр.

R12

1

1,03

0,15

1,03

1,03

Прямой, неподстр.

R13

2

0,77

0,03

0,77

1,54

Прямой, неподстр.

R14

7

0,59

0,39

0,59

4,13

Прямой, неподстр.

R16

7

0,59

0,0043

0,59

4,13

Прямой, неподстр.

R17

5

0,62

0,083

0,62

3,10

Прямой, неподстр.

R18

2

0,77

0,10

0,77

1,54

Прямой, неподстр.

R19

2

0,77

0,10

0,77

1,54

Прямой, неподстр.


На этом расчет резисторов первой группы завершен. Все резисторы получились прямыми и неподстраиваемыми. Благодаря этому размеры резисторов минимальны, что позволит располагать их на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.


Расчет резисторов второй группы.


1. Определяем диапазон , в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < < Rmin Þ 900 < < 10000

Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным сопротивлением (). Остановим свой выбор на материале “КЕРМЕТ”. Этот материал обладает следующими характеристиками:


Таблица 8. Материал для второй группы резисторов

Наименование

, Ом/Ђ

a R , 1/°C

P0 , мВт/мм2

S, %/103 час

2

Кермет К-50С

ЕТО,021,013,ТУ

5000

0,0004

10

0,5


Этот материал обладает хорошими характеристиками, свойственными резистивным материалам, а именно: низким ТКС (aR), низким коэффициентом нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией и технологичностью.


2. Вычислим относительную температурную погрешность:

=0,0004(150-20)=0,052


3. Вычислим относительную погрешность старения:

, где

tисп - время испытания за которое определен коэффициент старения S;

tисп = 1000 часов.



4. Вычислим относительную погрешность контактирования:

= 0,01 - 0,03 Þ зададимся =0,01


5. Вычислим относительную погрешность формы:

gкф = gR - - - - = 0,22 - 0,1 - 0,052 - 0,025 -0,01=0,033;


6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый):

gкф > Db/ bmax , где bmax = 2 мм Þ gкф > 0,01 Þ резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору.


7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора:

= 14000/5000 = 2,8;


8. Определение вида резистора (прямой или меандр):

Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше десяти, то резистор изготовляется в форме меандра. Предпочтение отдается прямому резистору. В данном случае резистор изготовляется прямым.


9. Определение ширины резистора по мощности рассеяния:


10. Определение основного размера по заданной точности:

, где Dl=Db=0,02 при условии, что коэффициент формы больше единицы.


11. Выбор основного размера:

Þ b = 0,82 мм


12. Определение длины резистора:


13. Проверка проведенных расчетов:

Ом Þ расчет выполнен правильно !


На этом этапе мы рассчитали первый резистор из второй группы (R2). Расчет остальных резисторов этой группы аналогичен и далее не приводится. Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу.


Таблица 9. Результаты расчет резисторов второй группы


Резистор

Кф

bmin g , мм

bmin p , мм

b, мм

l, мм

Вид резистора

R2

2,8

0,82

0,0011

0,82

2,30

Прямой, неподстр.

R3

9

0,67

0,052

0,67

6,03

Прямой, неподстр.

R4

7

0,70

0,053

0,70

4,90

Прямой, неподстр.

R5

2,5

0,85

0,0185

0,85

1,03

Прямой, неподстр.

R8

2,5

0,85

0,36

0,85

2,13

Прямой, неподстр.

R11

2

0,91

0,47

0,91

1,82

Прямой, неподстр.

R15

2

0,91

0,00014

0,91

1,82

Прямой, неподстр.


На этом расчет резисторов второй группы завершен. Все резисторы получились прямыми и неподстраиваемыми. Вследствие этого размеры резисторов минимальны, что позволит располагать их на подложке компактно и с наибольшей степенью интеграции.


Расчет резисторов закончен !




















Расчет контактных переходов для резисторов первой группы


1. Исходные данные для низкоомных резисторов: , где

Rн - номинальное сопротивление резистора;

- относительная погрешность контактирования;

- удельное поверхностное сопротивление;

bmin - минимальная ширина резистора;

2. Рассчитаем максимально допустимое значение сопротивления контактного перехода:

Ом;


3. Рассчитаем сопротивление контактного перехода:

Ом;


4. Проверка условия:

Rк доп должно быть больше, чем Rк п. Условие соблюдается.


5. Находим минимальную длину контактного перехода:

мм;


6. Находим реальную длину контактного перехода:


Остальные резисторы данной группы удовлетворяют этому условию.




















Расчет контактных переходов для резисторов второй группы


1. Исходные данные для высокоомных резисторов: , где

Rн - номинальное сопротивление резистора;

- относительная погрешность контактирования;

- удельное поверхностное сопротивление;

bmin - минимальная ширина резистора;

2. Рассчитаем максимально допустимое значение сопротивления контактного перехода:

Ом;


3. Рассчитаем сопротивление контактного перехода:

Ом;


4. Проверка условия:

Rк доп должно быть больше, чем Rк п. Условие соблюдается.


5. Находим минимальную длину контактного перехода:

мм;


6. Находим реальную длину контактного перехода:


Остальные резисторы данной группы удовлетворяют этому условию.









Случайные файлы

Файл
129396.rtf
65388.rtf
130300.rtf
93390.rtf
6109-1.rtf