Розробка стабілізатора напруги на базі інформаційних технологій схемотехнічного проектування
Зміст
Вступ
1
Аналіз функціонування ЗЕМ на базі інформаційних технологій схемотехнічного
проектування.
1.1
Характеристики і умови експлуатації ЗЕМ та його функціональні властивості у
статичному режимі
1.2
Аналіз функціональних властивостей ЗЕМ у часовій та частотній областях
2
Проектування конструкторської реалізації ЗЕМ у формі ГІС.
2.1
Проектування плівкових пасивних елементів і конструкції ГІС…
2.2
Визначення параметрів паразитних елементів ГІС…
3
Аналіз впливу паразитних елементів і забезпечення функціональних властивостей
ЗЕМ на базі СхСАПР
4
Висновки…
Вступ
У
даній курсовій роботі проводиться функціональне моделювання і аналіз
властивостей ЕЗ, моделювання його надійності у температурному діапазоні
експлуатації, а також аналіз і реалізацію функціональних властивостей заданого
електронного модуля (ЗЕМ), аналізу стану ЕЗ у статичному та динамічному
режимах. При цьому потрібно розв’язати задачі з розробки конструкторської
реалізації цифрового електронного модуля з урахуванням впливу
конструктивно-технологічних і експлуатаційних чинників, зокрема паразитних
зв’язків на підложці ГІС та параметрів умов експлуатації (температури, вологи,
тиску), для чого потрібно знати:
-
методику математичного моделювання сигналів та
впливів у середовищі САПР;
-
методику математичного моделювання надійності ЕКЗ з раптових
відмов у заданому температурному діапазоні;
-
методику реалізації ЗЕМ у формі тонко/товстоплівкової ГІС з
урахуванням її конструктивних і схемотехнічних особливостей та умов
експлуатації;
-
методику математичного моделювання і аналізу функціональних
властивостей ЗЕМ у статичному режимі, у часовій області у середовищі СхСАПР. При
цьому треба уміти:
- проводити математичне
моделювання надійності ЕКЗ з раптових відмов у заданому температурному
діапазоні;
-
розробляти технічну реалізацію ЗЕМ у формі тонкоплівкової ГІС з
урахуванням її конструктивних і схемотехнічних особливостей та умов
експлуатації;
-
формувати математичні моделі і проводити аналіз функціональних
властивостей ЗЕМ у статичному режимі, у часовій та частотній областях на базі
СхСАПР;
-
виконувати текстову та графічну документацію для ЗЕМ у формі ГІС.
1 Аналіз функціонування ЗЕМ на базі
інформаційних технологій схемотехнічного проектування
1.1 Характеристики і умови
експлуатації ЗЕМ та його функціональні властивості у статичному режимі
У якості ЗЕМ розглядається мікросхема – стабілізатор напруги
К2ПП241. Схема електрична принципова та схема включення наведені на рисунках
1.1 та 1.2 відповідно.
Рисунок 1.1
Рисунок 1.2
Технічні
дані:
Ток,
що споживається Iпот=2,5 мА;
Вхідна напруга Uвх=5,4÷12 В;
Стабілізована
напруга Uстаб=2,9÷3,9 В
(визначається стабісторами);
Коефіцієнт
стабілізації Кстаб=5.
Умови
експлуатації:
1.
Вібрації 5 – 3000 Гц з прискоренням до 15g;
2.
Багаторазові удари з прискоренням до 35g ;
3.
Поодинокі удари з прискоренням до 150g на протязі 0,2 – 1,0 мс;
4.
Лінійні навантаження: прискорення до 50g;
5.
Температура навколишнього середовища від -60 до +70۫ С;
6.
Відносна вологість при температурі +40۫ С до 98%;
7.
Атмосферний тиск 6,7*102÷3*105.
Аналіз
в статичному режимі проводився для трьох температур:
1.
-60 ۫ С;
2.
27 ۫ С;
3.
+70 ۫ С.
Мікросхема
містить чотири резистори. Для здійснення нормального функціонування виробу було
обрано номінальні опори резисторів:
Позначення
на схемі
|
Опір,
Ом
|
R1
|
1500
|
R2
|
1000
|
R3
|
1000
|
Базові
дані зі статичного режиму.
Для
режиму роботи при температурі -60°:
Таблиця1.1
Напруги
і струми для стабілітронів:
Таблиця
1.2
Напруги
і струми для транзисторів:
Таблиця
1.3
Для
режиму роботи при температурі 27°
(нормальні умови):
Таблиця
1.4
Напруги
і струми для стабілітронів:
Таблиця
1.5
Таблиця
1.6
Для
режиму роботи при температурі +70°:
Таблиця
1.7
Напруги
і струми для стабілітронів:
Таблиця
1.8
Напруги
і струми для транзисторів:
Таблиця
1.9
Схеми
принципові з показниками напруг та струмів, промодельовані для трьох температур
знаходяться у Додатку 1.
1.2 Аналіз функціональних
властивостей ЗЕМ у часовій області
Робота
ЗЕМ у значній мірі характеризується динамікою, тобто функціональними
властивостями у часовій області.
Моделювання
проводиться в системі OrCad
9.2, в програмі Pspice Schematics.
Для
моделювання задаємо наступні параметри:
1.
У вікні Analisis Setup вибираємо пункти Temperature і Transient.
2.
Натискуємо кнопку Temperature
і зписуємо через кому три значення температури: -60, +25, +60.
3.
Натискаємо кнопку Transient
і вводимо наступні дані Print Step(Крок
друку) задаємо 10нс, Final Time(Кінцевий
час відліку) - 1 с, Step Ceiling – 10ms.
4.
Як джерела сигналів обираємо джерело постійної напруги (VDC). Встановлюємо рівень сигналу DC=12V.
5.
Запускаємо моделювання натиснувши Simulate.
Роздруковані
часові діаграми приведені в додатку 2.
2 Проектування конструкторської
реалізації МС К2ПП241 у формі ГІС
2.1 Проектування плівкових пасивних
елементів і конструкції ГІС
Основна задача даного розділу - розрахунок і розробка
топології і конструкції функціональних вузлів радіоелектронної апаратури у
вигляді ГІС, в даному випадку – мікросхеми К2ПП241.
Вибір технології виготовлення ГІС базується на аналізі
виробу:
- функція виготовляємої ГІС;
- масштаб виробництва;
- умови експлуатації;
- та ін.
і здійснюється відповідно до принципової схеми з
урахуванням конструктивно-технологічних обмежень.
У
залежності від способу формування плівкових елементів, ГІС підрозділяють на:
- тонкоплівкові;
- товстоплівкові.
Різноманітні методи формування конфігурації елементів
у тонкоплівковій технології забезпечують формування плівкових елементів у
широкому діапазоні значень їх параметрів із достатньо високою точністю і відтворенням.
Для даної мікросхеми було обрано саме тонкоплівковий
метод.
Вихідні дані для розрахунку наведені у таблиці 2.1.
Так як номінал усіх
резисторів лежить в межах 1 – 10 кОм, обираємо один резистивний матеріал для
забезпечення необхідного опору.
Визначаємо оптимальне значення питомого опору резистивного
матеріалу по формулі 2.1:
(2.1)
де –
номінал і-го резистора,
n – число резисторів.
Отримуємо оптимальне значення питомого упору 1145,644 Ом/кв.
Обираємо резистивну пасту із питомим опором, найближчим
до розрахованого: сплав РС-3001 з питомим опором 1 кОм/кв та питомою потужністю
розсіювання Р0=20 мВт/мм2
Таблиця 2.1
Позначення
на схемі
|
Номінальний
опір, Ом
|
Потужність,
Вт
|
R1
|
1500
|
0,059
|
R2
|
1000
|
0,007
|
R3
|
1000
|
0,0007
|
Конструктивний розрахунок
тонкоплівкових резисторів полягає у визначенні форми, геометричних розмірів і
мінімальної площі, що займають резистори на підкладці. При цьому необхідно, щоб
резистори забезпечували розсіювання заданої потужності при дотримуванні
необхідної точності в
умовах існуючих технологічних можливостей.
Необхідно перевірити
правильність вибору матеріалу з точки зору точності виготовлення резисторів.
Повна відносна похибка
виготовлення плівкового резистора
складається із суми похибок:
, (2.2)
де - похибка коефіцієнта форми і відтворення розміру
резистивної плівки
відповідно; - температурна
похибка; - похибка,
обумовлена старінням плівки; -
похибка перехідних опорів контактів.
Похибка коефіцієнта форми
залежить від похибок геометричних
розмірів (довжини і ширини ) резистора:
(2.3)
Похибка відтворення питомого
поверхневого опору залежить
від умов напилювання і матеріалу резистивної плівки. В умовах серійного
виробництва її значення не перевищує 5%.
Температурна похибка залежить від ТКО
матеріалу плівки:
, (2.4)
Похибка
обумовлена старінням плівки
за рахунок повільної зміни структури плівки з часом і її окислювання. Вона
залежить від матеріалу плівки та ефективності захисту, а також від умов
зберігання і експлуатації.
, (2.5)
де
– час; - коефіцієнт старіння плівкового
резистора, що визначає тимчасову нестабільність його опору.
Похибка
сплаву РС-3001 становить ±0,5%
Похибка
перехідних опорів контактів визначається
технологічними умовами напилювання плівок, питомим опором резистивної плівки і
геометричними розмірами контактного переходу: довжиною перекриття і шириною
резистора. Її значення Якщо
матеріал контактних площадок обраний відповідно до табличних даних, то цією
похибкою можна знехтувати.
Значення
похибок для даного випадку знаходяться у таблиці 2.2
Допустима похибка коефіцієнта форми:
(2.6)
Таблиця
2.2
|
|
|
|
|
0,15
|
-2,60E-03
|
0,005
|
0,02
|
0,005
|
Оскільки отримане значення не є
від’ємним, то можемо продовжувати розрахунки.
Визначаємо коефіцієнт форми:
(2.7)
При
рекомендується
конструювати резистор прямокутної форми типу “смужка”, у якого довжина більше ширини .
Спочатку
визначаємо мінімальну ширину резистора, використовуючи умову:
, (2.8)
де
- мінімальне значення
ширини резистора, обумовлене технологічними можливостями виготовлення;
- мінімальне значення ширини
резистора, що забезпечує задану точність виготовлення; - мінімальне значення ширини резистора, що
забезпечує задану потужність розсіювання.
Мінімальне
значення ширини резистора знаходимо
за формулою:
(2.9)
де , - похибки ширини і довжини, що залежать від методу
виготовлення.
Мінімальне
значення ширини резистора розраховуємо
за формулою:
(2.10)
За
ширину резистора приймаємо
найближче до значення,
кратне кроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології з
урахуванням масштабу. Для тонкоплівкової технології крок координатної сітки
звичайно становить 1 або 0,5 мм (у даному випадку, якщо крок 1 мм, масштаб 20:1, то округлення роблимо до розміру, кратного 0,05 мм).
Розрахункову
довжину резистора визначаємо за формулою:
(2.11)
За
довжину резистора приймаємо
найближче до більше ціле
значення, кратне кроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології з
урахуванням масштабу.
Визначаємо
повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних площадок. Для
резистора, виготовленого масковим методом, вона буде дорівнювати:
, (2.12)
де
- розмір перекриття
резистивної плівки контактною площадкою.
Потім визначаємо площу, яку займає
резистор на підкладці.
(2.13)
Результати
розрахунків:
Таблиця
2.8
|
, м
|
|
|
|
|
|
, м2
|
, мм2
|
R1
|
0,0001
|
0,000135501
|
0,001402
|
0,00145
|
0,002175
|
0,002375
|
3,4438E-06
|
3,44375
|
R2
|
0,0001
|
0,000592
|
0,0006
|
0,0006
|
0,0008
|
0,00000048
|
0,48
|
R3
|
0,0001
|
0,000162602
|
0,000187
|
0,0002
|
0,0002
|
0,0004
|
0,00000008
|
0,08
|
Для перевірки знаходимо
дійсну питому потужність і похибку резистора. Резистор спроектований
задовільно, якщо:
-
питома потужність розсіювання не
перевищує припустиме значення :
; (2.14)
-
похибка коефіцієнта форми не перевищує припустиме значення:
; (2.15)
-
сумарна похибка не перевищує допуск:
(2.16)
Розрахунки на основі вищевказаних формул проведені в
електронній таблиці Excel та перевірені за допомогою програми, написаної на
мові Borland C++ 5.02, роздруківка якої наведена у додатку 3.
Площу плати, необхідну для розміщення усіх елементів IС визначають, виходячи з того, що
корисна площа плати, що займається елементами, компонентами і контактними
площадками, дещо менша її загальної площі, що обумовлено технологічними вимогами
й обмеженнями. З цією метою приймають коефіцієнт використання плата Кs, значення якого в залежності від
складності схеми і засобу її виготовлення складає 2...3.
Загальна площа плати:
(2.17)
де - кількість
плівкових резисторів;
, -
площа i-го резистора;
- кількість навісних
транзисторів;
- площа i-го транзистора;
- кількість контактних площадок під виводи корпусу;
- площа контактної площадки;
- кількість контактних площадок під
виводи навісних елементів;
- площа контактної площадки.
Отримали
Sпідк=26,5 мм2
Розраховану площу плати заокруглюють до площі, найближчої з
рекомендованого ряду, що дозволяє орієнтовно визначити конструктивні ознаки
корпуса ІС, за якими вибирають типорозмір придатного корпуса з числа
нормалізованих.
Довжина l=6мм, ширина b=5 мм, типорозмір підложки – 11.
Обираємо корпус «Тропа».
Топологічне та збиральне креслення наведені у додатку
4.
2.2 Визначення параметрів паразитних
елементів ГІС
У
розробленій топології є місця, котрі представляють собою паразитні елементи.
Ескіз топології наведений на рисунку 1.
Для
розрахунку паразитних ємностей використовуємо формулу:
(2.11)
Де
b - довжина провідників, w – відстань між провідниками, h – товщина підложки, t – товщина провідників (мм), .
Згідно
топології паразитні ємності будуть між виводами 1 і 2, 2 і 3 та 3 і 4, а також
між виводами 7 і 8 та 8 і 9.
Розрахунок
паразитних ємностей проводимо в програмі Microsoft Excel, записавши необхідні розрахунки.
Виводи
1 і 2 та 6 мають значну відстань паралельного проходження всередині мікросхеми.
Для
паразитних індуктивностей використовуємо формулу
(2.12)
Початкові
дані для розрахунку та результати зведені до таблиць 2.9 та 2.10.
Таблиця
2.9
|
Довжина
провідників, мм
|
Відстань
між провідниками, мм
|
Ємність,
пФ
|
Виводи 1 2
|
3,175
|
0,2
|
0,780344
|
Виводи 2 3
|
0,2
|
0,75
|
8,738025
|
Виводи 3 4
|
1,4
|
0,575
|
7,54662
|
Виводи 7 8
|
0,2
|
0,75
|
Виводи 8 9
|
0,2
|
0,75
|
8,738025
|
Таблиця
2.10
|
Довжина провідників,
мм
|
Індуктивність, нГ
|
L1
|
3,8675
|
0,693372
|
L2
|
3,1755
|
0,711979
|
L3
|
3,2675
|
0,708133
|
Програма
розрахунку паразитних параметрів знаходиться у додатку 4.
Товщина
підкладки h=0,5мм, товщина доріжок t=0.01мм.
3 Аналіз впливу паразитних елементів
і забезпечення функціональних властивостей ЗЕМ на базі СхСАПР
Визначені
паразитні ємності вводимо до схеми ЗЕМ. Проводимо аналіз схеми у статичному
режимі. Для його проведення необхідно провести моделювання схеми при трьох
температурах: -60 ۫ , 25 ۫ , 60 ۫.
Також
проводимо аналіз ЗЕМ з паразитними елементами у часовій області.
Схема
з паразитними елементами, показники напруги та струму в схемах, а також аналіз
схеми у часовій області зображені у додатку 5.
В
цьому підрозділі проводимо порівняльний аналіз функціональних властивостей ЗЕМ
з паразитними параметрами та без них у статичному режимі та у часовій області.
Таким чином можемо зробити висновок про вплив паразитних елементів на роботу
ЗЕМ і ефективність його конструкторської реалізації у формі ГІС.
Як
ми виявили, паразитні параметри майже не впливають на роботу ЗЕМ. Це видно з
статичних та часових характеристик які знаходяться а додатках 1, 2, 5.
Висновки
Виконавши
курсову роботу розробили принципову схему ЗЕМ, промоделювали її в системі OrCad 9.2. Визначили параметри схеми у
статичному режимі та у часовій області. Розробили топологію гібридної
інтегральної схеми. Виконали розрахунки паразитних елементів ГІС, визначили їх
вплив на робрту схеми у статичному та динамічному режимі.