Разработка гибридной интегральной схемы усилителя электрических сигналов низкой частоты

Разработка гибридной интегральной схемы усилителя электрических сигналов низкой частоты

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание

Введение

.        Разработка структурной схемы

.        Разработка принципиальной схемы

.        Разработка интегральной микросхемы

3.1    Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

.2      Расчет амплитудно-частотной характеристики

Список литературы

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать принципиальную схему и выполнить расчет двухкаскадной схемы усилителя низкой частоты с использованием полевого и биполярного транзисторов.

1.      Напряжение источника питания .

.        Коэффициент усиления по напряжению .

.        Входное сопротивление .

.        Сопротивление нагрузки .

.        Номинальное выходное напряжение .

.        Нижняя рабочая частота .

.        Верхняя рабочая частота .

.        Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте .

.        Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте .

.        Тип входа - несимметричный.

.        Тип выхода - несимметричный.

Исходные данные для варианта 10 сведены в таблицу 1.

Таблица 1

ВВЕДЕНИЕ

усилитель частота транзистор пленочный

Курсовое проектирование является важным этапом в освоении изучаемого предмета, позволяющим применить на практике знания, полученные в процессе проработки лекционного курса.

Проектирование заключается в разработке и полном расчете электрической схемы гибридной интегральной схемы (ГИС) - усилителя электрических сигналов низкой частоты (УНЧ).

Особенностью проектирования ГИС-УНЧ является то, что невозможно получить единственное однозначное решение, необходимо достичь определенного компромисса между выдвигаемыми требованиями, зачастую достаточно противоречивыми.

Сферы использования ГИС очень разнообразны, широко применяются подобные микросхемы в системах автоматического управления, в вычислительной технике, измерительных приборах, устройствах голосовой связи. Применение ГИС позволяет снизить массо-габаритные показатели аппаратуры, повысить энергоэффективность, надежность, снизить эксплуатационные расходы.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Рис.1. Структурная схема разрабатываемого устройства

В общем случае техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с использованием полевого и биполярного транзисторов.

Обобщенная структурная схема разрабатываемого устройства состоит из следующих блоков:

Входной узел. Служит для согласования между источником сигнала и первым каскадом усилителя.

- Первый каскад. Служит для основного усиления и должен обладать большим входным сопротивлением. Напряжение источника питания, в соответствии с заданием . Следовательно, выбираем транзистор с каналом  типа. Коэффициент передачи рассчитывается исходя из коэффициентов передачи всех остальных каскадов.

Второй каскад. Должен обеспечить малое выходное сопротивление разрабатываемого устройства и достаточную амплитуду выходного сигнала. Исходя из напряжения питания, биполярный транзистор должен быть структуры .

Выходной узел. Служит для согласования второго каскада с нагрузкой. В разрабатываемом устройстве для этого служат разделительные конденсаторы, которые не дают пройти постоянной составляющей в нагрузку. Т.к. это разделительные конденсаторы, то они определяют АЧХ в области нижних частот.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

 (1)

Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах

 (2)

Согласно заданию коэффициент частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах усилителя  и в данном случае определяется выражением. Распределим искажения поровну между двумя каскадами: .

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2.

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

С учетом комплекса требований ТЗ к разрабатываемому устройству выберем двухкаскадную схему с непосредственной связью между каскадами. Это позволит уменьшить количество элементов и расширить полосу пропускания в области нижних частот.

Первый каскад предлагается выполнить на полевом транзисторе включенном в схему с общим истоком (ОИ), такое включение позволит выполнить требования ТЗ по входному сопротивлению, получить в первом каскаде достаточное усиление и низкий коэффициент шума всего усилителя.

Второй каскад выполняется на биполярном транзисторе по схеме эмиттерного повторителя (схема с общим коллектором) (ОК).

В нашем случае коэффициент усиления устройства равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов:

 (3)

где  - коэффициент передачи входного узла;

 - коэффициент передачи первого каскада;

 - коэффициент передачи второго каскада;

 - коэффициент передачи выходного узла.

Ориентировочно определим коэффициент усиления первого каскада:

 (4)

После распределения частотных искажений и усиления между каскадами произведем расчет транзисторных каскадов. Будем использовать графоаналитический метод.

Расчет первого каскада:

На рис. 3 приведены семейство выходных характеристик ПТ 2П201А с  переходом и каналом  типа.

Рис. 3. Семейство выходных характеристик ПТ 2П201А

Определим минимальное напряжение сток -исток в точке покоя:

 (5)

где =1,5 В - напряжение отсечки выбранного транзистора ;

=2 В - номинальное выходное напряжение;

- 0,5 В - напряжение запаса, обеспечивающее роботу транзистора в рабочей области стоковых характеристик.

В

Выбираем рабочую точку  при нулевом смещении на затворе.. Такой выбор упрощает принципиальную схему и топологию, так как нет необходимости в сопротивлении в цепи стока , и конденсаторе большей емкости , шунтирующего это сопротивление для устранения отрицательной обратной связи.

Определим динамическое внутреннее сопротивление в рабочей точке:

 (6)

Определяем сопротивление резистора в цепи стока R2:

 , (7)

где  ток стока в рабочей точке

В нашем случае , коэффициент усиления каскада в большей степени определяется величиной  и для расчета коэффициента усиления воспользуемся формулой:

, (8)

где  - крутизна в рабочей точке.

 (9)

Подставив значения в формулу (8) получим коэффициент усиления напряжения первого каскада:

Расчет второго каскада: Основная задача второго каскада - согласование сопротивления нагрузки с высоким выходным сопротивлением предшествующего каскада и обеспечение необходимой мощности.

Определим минимальную постоянную составляющую коллекторного напряжения:

В (10)

Определяем амплитуду тока нагрузки:

 (11)

Ток покоя транзистора выходного каскада должен в 2-3 раза превышать амплитуду тока нагрузки. Выбираем :

Напряжение на базе транзистора выходного каскада равно напряжению сток- исток транзистора первого каскада:

 В (12)

Падение напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера:

В (13)

Постоянная составляющая коллекторного напряжения:

В (14)

что не меньше определенного ранее по формуле (10).

Так как по ТЗ задана отрицательная полярность питающего напряжения, выбираем транзистор структуры n-p-n, у которого максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер должно быть не менее 12 В (напряжение питания) и ток коллектора не менее 5 мА.

Выбираем транзистор 2Т370А-1 с параметрами:

На выходных статических характеристиках транзистора (рис. 4) выбираем рабочую точку А, с координатами:

.

.

В

Рис. 4. Семейство входных и выходных характеристик транзистора 2Т370А-1

Входное сопротивление транзистора в рабочей точке:

Ом (15)

Коэффициент передачи тока:

 (16)

Величина сопротивления в цепи эмиттера:

 (17)

Коэффициент передачи выходного каскада:

 (18)

где  (19)

Подставив рассчитанные значения в формулу (18) получим :

Входное сопротивление второго каскада:

 (20)

Общий коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления получился выше требуемого, поэтому уменьшим коэффициент передачи входного устройства до значения - 0,968.

Сопротивление источника сигнала при этом составит:

 (21)

Общий коэффициент усиления:

Требования ТЗ выполнены.

Рассчитаем величины емкостей разделительных конденсаторов, переведя заданные коэффициенты частотных искажений по каскадам в разы.

 (22)

 (23)

Определим величину корректирующего конденсатора:

 (24)

3. РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ

.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

Выбор навесных элементов:

В разрабатываемой интегральной микросхеме навесными элементами являются транзисторы VТ1 и VT2 с размерами:

2П201А-1:

Т370А-1:

Резистор R1, который определяет входное сопротивления устройства выбираем из стандартного ряда ряд Е24, R3 =330 кОм с размерами: L=6мм, В=2,2 мм

Навесные элементы необходимо устанавливают не ближе 500мкм от пленочных элементов и не ближе 600мм от контактных площадок; минимально допустимое расстояние между навесными элементами 300 мкм. Длина проволочных выводов навесных элементов допускается от 600 мкм до 5 мм. Расчет пленочных резисторов:

Расчет максимальной рассеиваемой мощность каждого резистора и выбор конфигурации и размера.

, (25)

где I_i - ток, протекающий через резистор.

.

Далее определим коэффициент формы:

, (26)

где величина сопротивления;

 - удельное поверхностное сопротивление.

Для изготовления резисторов выбираем сплав РС3001 с высоким удельным поверхностным сопротивлением. Удельное сопротивление сплава  , удельная мощность рассеяния .

Подставив в (29) числовые значения, получим:

Так как , то резистор будет прямоугольной формы

Так как  то резистор будет прямоугольником, у которого длина чуть меньше ширины.

Расчёт длины резистора:

, (27)

где расчетная мощность резистора;

удельная мощность материала.

 ^*

^*Округление производится до десятых долей в большую сторону.

Ширина резисторов определяется из формулы:

 (28)

^*Округление производится до десятых долей в большую сторону.

Полученные значения длины и ширины резисторов больше минимальных: , .

Расчёт плёночных конденсаторов:

Для плёночных конденсаторов в качестве диэлектрика выбираем окись тантала, как имеющую большую удельную ёмкость , в качестве материала обкладок - алюминий.

Рассчитаем площади конденсаторов:

 (29)

Ввиду большой площади элементов и , более целесообразным представляется применение навесных элементов с номиналами из стандартного ряда Е24:

 - К10-17, номинал 27 нФ, размеры: , .

 - К53-26, номинал 4,7 мкФ, размеры: , .

Для проводников и контактных площадок выбираем медь с подслоем ванадия для улучшения адгезии к подложке. Толщину проводников и контактных площадок примем 0,5 - 1 мкм. Размеры контактных площадок 200х250 мкм и более.

Тонкопленочные элементы ГИС выполним путем термического, катодного или ионо-плазменного напыления на диэлектрическую подложку соответствующего материала через диэлектрические маски.

Формирование конфигурации тонкопленочных элементов выполним с применением метода фотолитографии .

.2 Расчет амплитудно-частотной характеристики

АЧХ в области нижних частот:

Расчет относительного коэффициента усиления в области нижних частот проведем по формуле:

 (30)

В качестве  в формулу (30) будем подставлять величины , ,,,,,.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2

АЧХ в области верхних частот: Определим относительный коэффициент усиления на частотах:,, , ,

 (31)

Для частоты :

Результаты дальнейших расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3.

Проверка соответствия расчетных и заданных значений  и :

 (32)

Сквозная АЧХ устройства изображена рис.5.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Методические указания. Новосибирск. 2006.

.        Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, новые направления. -М.: Высшая школа, 1978.

.        Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: учебное пособие для вузов. - М.: сов. Радио, 1980.

.        Справочник под редакцией Перельмана Б. Л. «Транзисторы для аппаратуры широкого применения» - М: «Радио и связь» 1981

.        Игнатов А. Н., Калинин С. В., Савиных В. Л. Основы электроники. Учебное пособие. Новосибирск 2005.