Разработка интегрального аналогового устройства

Министерство РФ по связи и информатизации.

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и

информатики.

ФУПС БФ СибГУТИ.

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: "Схемотехника"

Тема: "Разработка интегрального аналогового устройства"

г. Улан-Удэ. 2005 г.

Содержание

Введение

1. Разработка структурной схемы

2. Разработка принципиальной схемы

3. Разработка интегральной микросхемы

3.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

4. Расчёт первого каскада на VT1

5. Расчёт ёмкостей С_Р1, С_К, С_Р2, С_Р3.

6. Расчет АЧХ

7. Выбор навесных элементов и расчёт конфигурации плёночных элементов

Литература

Цель работы:

1.      Научится составлять электрические схемы аналоговых устройств на основе биполярных и полевых транзисторов.

2.      Осуществлять правильный выбор типов и структур биполярных и полевых транзисторов.

.        Проводить электрический расчёт схем простейших аналоговых устройств.

.        Приобрести навыки в составлении топологии аналоговых интегральных микросхем.

Техническое задание.

Исходные данные:

1.      Напряжение источника питания - U_пит = +12 В.

2.      Коэффициент усиления по напряжению - К_u = 8.

.        Входное сопротивление - R_вх = 2,7 МОм.

.        Сопротивление нагрузки - R_н = 2 кОм.

.        Номинальное входное напряжение - U_ном = 2 В.

.        Нижняя рабочая частота (НРЧ) - f_н = 15 Гц.

.        Верхняя рабочая частота (ВРЧ) - f_в = 20 кГц.

.        Коэффициент частотных искажений на НРЧ - М_н =1 дБ.

.        Коэффициент частотных искажений на ВРЧ - М_в =2 дБ.

.        Тип входа - Н.

.        Тип выхода - С.

интегральное аналоговое устройство микросхема

Введение

Среди устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения усилители электрических сигналов получили самое широкое распространение. Их роль и значение для радиосвязи, радиовещания и телевидения трудно переоценить. По существу, они являются основой построения всей аппаратуры радиосвязи, радиовещания и телевидения: усиление электрических сигналов является фундаментальным свойством всей аппаратуры обработки сигналов. То же самое можно сказать и о дальней проводной связи, измерительной технике, вычислительной технике и многих других областях современной науки и техники.

Усилитель электрических сигналов это устройство, увеличивающее (усиливающее) мощность подводимых к нему электрических сигналов путём управления ими энергией собственного источника питания усилителя при помощи усилительных элементов (УЭ), обладающих управляющими свойствами. Следует отметить, что при усилении возможны искажения формы сигналов, но они не должны превышать допустимых значений.

Свойства усилителя и его конструктивно-технологические особенности зависят от свойств усиливаемого электрического сигнала, характеризуемых формой и спектром частот сигнала, и от назначения устройства и системы, в состав которых он входит. Поэтому усилители, прежде всего, классифицируют по свойствам усиливаемого электрического сигнала - по его форме и спектру частот. По форме электрические сигналы принято подразделять на гармонические и импульсные.

К периодическим сигналам относят непрерывные периодические и квазипериодические сигналы различной формы и величины.

Усилители, предназначенные для усиления таких сигналов, называются усилителями гармонических сигналов или гармоническими усилителями. Примером гармонических усилителей являются усилители звуковых частот широко применяемые как в качестве важнейших функциональных узлов таких сложных устройств, как радиопередающие и радиоприёмные устройства, так и в качестве самостоятельных или выделенных устройств (например, усилители всевозможной аудиоаппаратуры, усилители оконечных станций радиотрансляционных узлов и т.д.). Следует отметить, что к гармоническим сигналам относятся и радиосигналы, модулированные сигналами звуковой частоты, излучаемые радиопередающей антенной и принимаемые радиоприёмной антенной.

Заданное разрабатываемое устройство является предварительным (входным) усилителем низкой частоты (УНЧ). Сравнительно невысокое качество параметров такого УНЧ (что определено его узкой полосой рабочих частот) предполагает использование разрабатываемого устройства в области телефонии, дешёвых (невысокого качества) звукозаписывающих и звуковоспроизводящих устройств, диктофонах, слуховых аппаратах. Для достижения миниатюризации электронного устройства (что особенно важно в переносной радиоаппаратуре) и создания недорогого серийного производства наиболее целесообразно выполнять такую разработку в виде гибридной ИМС.

В соответствии с ГОСТ 17021 - 71 гибридной интегральной микросхемой (ИМС) называют интегральную микросхему, часть элементов которой имеет самостоятельное конструктивное оформление [1].

В современных гибридных ИМС пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, контактные площадки и внутрисхемные соединения) изготавливают путём последовательного нанесения на подложку плёнок из различных материалов, а активные элементы (диоды, транзисторы и др.) выполняют в виде отдельных (дискретных) навесных деталей, например, катушки индуктивности, конденсаторы большой ёмкости, резисторы очень больших или маленьких величин сопротивлений.

В зависимости от толщины плёнок различают толстоплёночные (от 1 до 25 мкм) и тонкоплёночные (до 1 мкм) гибридные микросхемы Существенным недостатком толстоплёночных микросхем является нестабильность номинальных значений величин пассивных микроэлементов и относительно низкая плотность монтажа. Тонкие же плёнки обеспечивают плотность монтажа до 200 элементов на кубический сантиметр и высокую точность элементов.

Основными конструктивными элементами гибридной интегральной микросхемы являются:

подложка, на которой размещаются пассивные и активные элементы;

пассивная часть с планарным (в одной плоскости) расположением плёночных проводников, контактных площадок, резисторов и конденсаторов;

навесные бескорпусные полупроводниковые приборы с гибкими проволочными выводами или жёстко фиксированной системой выводов;

навесные миниатюрные пассивные элементы (конденсаторы больших номиналов, катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели), которые применяются как исключение;

корпус для герметизации микросхемы и закреплении её выводов.

Гибридные ИМС имеют худшие технические показатели (размеры, массу, быстродействие, надёжность), чем полупроводниковые ИМС [2]. В тоже время они позволяют реализовать широкий класс функциональных электронных схем, являясь при этом экономически целесообразными в условиях серийного и даже мелкосерийного производства. Последнее объясняется менее жёсткими требованиями к фотошаблонами трафаретам с

помощью которых формируют плёночные элементы, а также применением менее дорогостоящего оборудования. В составе плёночных ИМС возможно получить резисторы с точностью + - 5%, конденсаторы + - 10%, с применением подгонки - до десятых долей процента. Гибридно-плёночная технология позволяет реализовать практически любые функциональные схемы.

1. Разработка структурной схемы

Современные усилители являются, как правило, многокаскадными устройствами.

На схеме обозначено: ИС - источник сигнала; Вх. цепь - входная цепь усилительного устройства (УУ), не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, 1 КАСКАД, 2 КАСКАД - два усилительных каскада УУ (1 каскад - усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению и большое входное сопротивление, 2 каскад - усилитель мощности, усиливаемый мощность сигнала и уменьшающий выходное сопротивление схемы), Вых. цепь - выходная цепь УУ не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, Нагрузка - нагрузка УУ.

2. Разработка принципиальной схемы

Предложенная сема работает следующим образом:

Переменный сигнал поступает на вход схемы с генератора ЭДС равной U_Г и внутренним сопротивлением R_Г. Разделительный конденсатор С_Р1 служит для разделения переменной и постоянной составляющих сигнала так что на затвор входного транзистора попадает только его переменная составляющая. Через резистор R_З задаётся постоянная составляющая напряжения затвора (в нашем случае Uз0 = 0) и режим работы транзистора VT1 по постоянному току. Полевой транзистор VT1 с управляющим p-n переходом (n - канальный транзистор) работает в качестве усилителя напряжения с большим входным сопротивлением. Питающее напряжение на сток транзистора подаётся через резистор R_С (от источника питания U_П), на котором и выделяется усиленный сигнал. Резистор R_С совместно конденсатором С_К задают постоянную времени τ= R_С*С_К, определяющую верхнюю рабочую частоту усилителя. Далее сигнал поступает на биполярный транзистор VT2 (n-p-n типа), который усиливает сигнал по мощности и уменьшает выходное сопротивление усилителя.

Второй каскад усилителя можно рассматривать как фазоинверсный.

В схеме нагрузка выходной цепи разделена на две части (в цепи коллектора и цепи эмиттера). Через каждый нагрузочный резистор течет один и тот же ток переменного сигнала. Амплитуды напряжения переменного сигнала на этих нагрузочных резисторах одинаковы U_вых1 = U_вых2, а так же в каскаде с разделенной нагрузкой выбирают равными сопротивления в цепи коллектора, эмиттера и нагрузки (R_К = R_Э = R_Н). Следует отметить, что токи в нагрузочных резисторах R_К и R_Э текут в противоположных направлениях относительно "земли", поэтому напряжения переменного сигнала относительно "земли" будут обратными по фазе.

Приведенная схема с разделенной нагрузкой имеет то преимущество, что в ней получаются хорошие частотная, фазовая и переходная характеристики на верхних частотах. Такая схема не дает усиления напряжения сигнала и имеет вдвое меньшее максимальное выходное напряжение по сравнению с обычным резисторным каскадом, так как развиваемое усилительным элементом напряжение сигнала здесь делится пополам.

Фазоинверсный каскад с разделенной нагрузкой рассчитывают так же, как и обычный резисторный каскад.

3. Разработка интегральной микросхемы

3.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

Выбор VT2.

Определяем ток нагрузки по формуле:

Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя, который должен в 2¸5 раз превышать ток нагрузки: тогда пусть

С помощью справочника [3] выберем транзистор. Выпишем основные данные для этого транзистора:

КТ331А: I_К = 20 мА; U_КЭ = 15 В;

R_К= R_Э= R_Н= 2000 Ом.

Определим коэффициент усиления каскада на VT2 по формуле:

К_U2= К_ЭП + К_ОЭ

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя определяется по формуле:

Для дальнейших расчётов определим по семействам входных и выходных ВАХ h-параметры транзистора VT2 КТ331А: h_21Э, h_11Э.

Рис. 3. Семейство выходных характеристик транзистора КТ331А

Рис. 4. Семейство входных характеристик транзистора КТ331А

Находим h-параметры в рабочей точке определённой в пункте 1. Параметр h_11Э (входное сопротивление транзистора) определяется по формуле:

DU_БЭ и I_Б определяются на входных ВАХ (рис.4).

По выходным характеристикам находим параметр h_{21Э -} коэффициент усиления транзистора в схеме с ОЭ по току (рис.3).

Получив необходимые данные для дальнейших расчётов, рассчитаем коэффициенты усиления.

Коэффициент усиления транзистора включенного по схеме с общим эмиттером определяется по формуле:

Общий коэффициент усиления на транзисторе VT2:

К_u2= 0,995 + 0,975 = 1,97

Рассчитаем входное сопротивление каскада на VT2:

При R_С << 73 кОм коэффициент усиления:

4. Расчёт первого каскада на VT1

Возьмём транзистор 2П202Е-1, полевой транзистор с n-каналом.

Его данные: P_{C MAX}=40 мВт, U_{СИ MAX}=15 В;

Примем рабочую точку транзистора VT1 на середине U_{СИ MAX,} т.е.

U_{СИ Р.Т.} =7,5 В.

Рабочая точка находится в крутой области выходных характеристик, и при этом также имеется не очень большое входное сопротивление второго каскада. Поэтому основой расчёта является формула:

,

где - выражение в скобках представляет собой параллельное соединение сопротивления в цепи стока R_С, внутреннего (выходного) сопротивления полевого транзистора и входного сопротивления транзистора следующего каскада R_ВХ.

К_U1 - коэффициент усиления каскада, определённый в предыдущем пункте;

S - крутизна полевого транзистора;

По семейству стоковых характеристик транзистора 2П202Е-1 определим крутизну S (рис.5) и R_i (рис.6) в рабочей точке (U_{СИ Р.Т.} =7,5 В, U_{ЗИ Р.Т.} =0 В.) для дальнейших расчётов.

Рис.5.2П202Е-1Семейство стоковых характеристик. Определение крутизны S.

Крутизна S определяется по формуле:

;

Для определения R_i зададимся приращение U_СИ ±2 В относительно рабочей точки U_СИ = 7,5В, и определим изменение тока стока I_С (рис.6).

Рис.6. 2П202Е-1 Семейство стоковых характеристик. Определение выходного сопротивления R_i.

Тогда R_C:

 → R_C ≈ 1602 Ом;

Сравнивая R_C и R_ВХ2 (1,602 кОм и 73 кОм). R_C << R_ВХ2 (1: 46), т.е. каскад работает в идеальных условиях (х. х.) и влияния R_Н на работу каскада нет.

Выбор R_З.

Поскольку во входной цепи полевого транзистора ток отсутствует, то

R_З=R_ВХ = 2,7 Мом.

5. Расчёт ёмкостей С_Р1, С_К, С_Р2, С_Р3.

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

,

,

гдеR_Г=0, R_З=2,7 Мом, F_Н=15 Гц.

Удобнее принять М_Н1=М_Н2=0,5 Дб (0,5 + 0,5 = 1 Дб).

М_Н1 и М_Н2 необходимо перевести из Дб в разы, по формуле: .

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

,

6. Расчет АЧХ

Расчет АЧХ в области нижних частот.

Расчет АЧХ в области нижних частот производят по формуле:

а.      Расчёт АЧХ в области верхних частот.

Расчет АЧХ в области верхних частот проводят по формуле:

Рекомендуемые значения частот:: 0,5f_В, f_В, 2f_В, 5f_В, 10f_В.

Результаты вычислений представим в виде таблицы №1.

Таблица №1

По результатам в таблице №1 строим график АЧХ усилителя (рис.7), используя логарифмический масштаб оси частот.

7. Выбор навесных элементов и расчёт конфигурации плёночных элементов

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.

Определение конфигурации резисторов.

Расчет пленочных резисторов начинается с выбора материала резистивной пленки и проводящей пленки для выводов. Для этого можно воспользоваться таблицей 1 методического указания.

Каждый резистор должен выдержать мощность:

,

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

 - площадь резистора.

R_З = 2,7 МОм:

где 10000 - удельное сопротивление (Ом/квадрат) материала кермет.

Резистор займёт много места, предпочтительней использовать навесной резистор: типа Р1-12.

R_К2 = R_Э2 - расчётная величина 2000 Ом.

Выберем материал РС-3001. R_i = 1000-2000 Ом/квадрат.

Вычислим К_Ф:

К_Ф < 10, реализация полоска (b * l).

Выберем b = b_min = 0,2 мм, тогда:

l = К_Ф * b;= 2 * 0,2 = 0,4 мм;= 0,2 * 0,4 = 0,08 мм²

Мощность, которая на нём рассеивается равна:

P _(Rэ2) = I²_{р. т.} * R_Э = 0,00426² * 2000 ≈ 36,3 мВт.

Мощность, которую выдержит резистор S = 0,08 мм² равна:

,6 мВт << 36,3 мВт, т.е. необходимо увеличить площадь резистора, одновременно увеличивая длину и ширину.

Выберем b = 5* b_min = 5 * 0,2 = 1,0 мм, тогда:

мВт > 36,3 мВт, следовательно резистор не перегревается.

R_C - расчётная величина 1602 Ом. Выбираем материал РС-3001.

R_i = 1000-2000 Ом/квадрат.

Вычислим К_Ф:

К_Ф < 10, реализация полоска (b * l).

Выберем b = 4* b_min = 4 * 0,2 = 0,8 мм, тогда:

l = К_Ф * b;= 2 * 0,8 = 1,6 мм;= 0,8 * 1,6 = 1,28 мм²

Мощность, которая на нём рассеивается равна:

P _(Rс) = I²_{с р. т.} * R_С = 0,0027² * 1602 ≈ 12 мВт.

Мощность, которую выдержит резистор S = 1,28 мм² равна:

,6 мВт > 12 мВт, следовательно резистор не перегревается.

б.      Расчёт конденсаторов.

При расчете пленочных конденсаторов сначала выбирают материал диэлектрика (см. табл.2 в методическом указании) в соответствии с заданным методом нанесения пленок.

После выбора материала вычисляют площадь конденсатора

,

где С_i - емкость рассчитываемого конденсатора;

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

С_Р1 - расчётная величина 11,25 нФ. Пусть реализуется интегрально, выберем материал окись тантала.

С_Р2= С_Р3 - расчётная величина 15,2 мкФ - реализация: навесной конденсатор.

Выбираем:

Пусть l = 3мм; b = 4мм;

S_Ср2 = S_Ср3 = 3 * 3 = 9 мм²;

С_К - расчётная величина 38 нФ. Выберем навесной:

Пусть l = 1,5 мм; b = 2 мм;

S_Ск = 1,5 * 2 = 3 мм²;

Транзисторы:

VT1 - бескорпусной полевой транзистор 2П202Е-1:

S_VT1 = 0,8*0,8 = 0,64 мм².

VT2 - бескорпусной биполярный транзистор КТ331А-1:

S_VT2 = 1,2*1,2 = 1,44 мм².

в.       Площадь занимаемой элементами.

Площадь занимаемая транзисторами:

S_ТР = S_VT1 + S_VT2 = 0,64 + 1,44 = 2,08 мм².

Площадь занимаемая резисторами:

S_R = S_Rз + S_Rэ + S_Rк + S_Rс = (3,1*1,55) + 2*2,0 + 1,28 = 10,085 мм².

Площадь занимаемая конденсаторами:

S_С = S_Ср1 + S_Ср2 + S_Ср3 + S_Ск= 22,5 + 2*9 + 3 = 43,5 мм².

Определим общую площадь занимаемую элементами:

S_∑ = S_ТР + S_R + S_С = 2,08 + 10,085 + 43,5 = 55,665 мм².

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

S_ПОДЛ = 55,665 * 3 = 166,995 мм².

В соответствии с рекомендуемыми размерами плат для гибридных ИМС (таблица №3 методического указания) выбираем:

Длина - 16 мм, ширина - 10 мм.

S = 16 * 10 = 160 мм².

Этапы изготовления ГИМС

Изготовление устройств в виде гибридной ИМС происходит в несколько этапов:

1.      Подготовительные операции.

Слитки кремния разрезают на множество тонких пластинок, на которых затем изготовляют интегральные схемы. Пластины многократно шлифуют, а затем полируют. Проводят очистку и обезжиривание в органических растворителях при повышенной температуре. И затем отмывают в воде.

2.      Эпитаксия.

Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

3. Термическое окисление.

Окисление кремния - один из самых характерных процессов в технологии современных ИС. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния (SiO₂) выполняет несколько важных функций, в том числе:

-       функцию защиты - пассивация поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков p - n - переходов, выходящих на поверхность;

-       функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси;

-       функцию полного диэлектрика под затвором МОП - транзистора.

Такие широкие возможности двуокиси кремния - одна из причин того, что кремний стал основным материалом для изготовления ИС.

4. Легирование.

Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур. Однако, за последние десять лет широкое применение получил и другой способ легирования - ионная имплантация, который рассматривается ниже.

5. Травление.

Это химические способы изменения рельефа поверхности твердого тела.

Маски обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления. Всякая маска содержит совокупность заранее спроектированных отверстий - окон. Изготовление таких масок, задача литографии (графирование).

7. Нанесение тонких пленок.

Существуют три основных метода нанесения тонких пленок на подложку.

-       термическое (вакуумное) напыление

-       ионно-плазменное напыление;

-       электрохимическое осаждение;

8. Металлизация.

Процесс металлизации призван обеспечить омические контакты со слоями полупроводника, а также рисунок межсоединений и контактных площадок.

9. Сборочные операции.

Литература

1.       А.Н. Игнатов. Методическое указание "Разработка интегрального аналогового устройства", Новосибирск, 1999.

2.      П. Хоровиц, Ц. Хила. Искусство схемотехники - Москва.: Мир, 1993г.

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

.        Безладнов. Н.Л. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот - Москва.: Связь, 1978 г.

.        Цыкина А.В. Электронные усилители - Москва.: Радио и связь, 1982 г.