Особенности проектирования усилителя слабых сигналов

Разработка усилителя слабых сигналов в виде интегральной микросхемы (ИМС) в корпусе. Выбор технологии изготовления. Расчет геометрических размеров и топологии элементов интегральной микросхемы. Выбор навесных компонентов, типоразмера платы и корпуса.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

19

Размещено на

1. Выбор условий эксплуатации

усилитель сигнал интегральный микросхема

В данном курсовом проекте разрабатывается усилитель слабых сигналов в виде интегральной микросхемы (ИМС) в корпусе.

Интегральная микросхема используется в качестве микрофонных и телефонных усилителей в радиоприёмной аппаратуре, а также для усиления слабых сигналов.

Согласно ГОСТ 17230-71, предпочтительным является следующий ряд номинальных значений напряжения питания ИМС: 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,2; 6,0; 9,0; 12,0; 15,0; 24,0; 30; 48; 100; 150; 200 В. На схеме электрической принципиальной отмечено, что напряжение питания разрабатываемой интегральной микросхемы составляет 6,0 В, что соответствует требования ГОСТ 17230-71.

Габаритные и присоединительные размеры, внешний вид и масса ИМС должны соответствовать требованиям, установленным в технической документации на ИМС.

ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных технической документацией в соответствии с группой жесткости согласно ГОСТ16962-71 в процессе и после воздействия механических нагрузок.

ИМС должны сохранять параметры в пределах норм, установленных в технической документации, в процессе и после воздействия на них следующих климатических факторов: температуры воздуха с верхними значениями +55, +70, +85, +100, +125, +155? С и нижними значениями -10, -25, -40, -45, -55, -60? С, изменения температур от верхнего до нижнего пределов; относительной влажности окружающей среды 98% при температуре 35?С. ИМС должны допускать эксплуатация после их транспортировки при температуре -50?С.

Для интегральной микросхемы усилителя слабых сигналов, разрабатываемом в данном курсовом проекте установим температуру воздуха в верхнем значении на уровне плюс 100?С, в нижнем значении - минус 40?С.

Минимальная наработка ИМС в указанных режимах и условиях должна быть не менее 15 000ч.

Срок хранения для ИМС в корпусном исполнении, размещенных в упаковке предприятия-изготовителя, в отапливаемом помещении не менее шести лет. Срок хранения исчисляют с момента изготовления.

2. Выбор технологии изготовления

В конструкции усилителя слабых сигналов, разрабатываемого в рамках данного курсового проекта, присутствуют навесные компоненты, такие как бескорпусная микросхема К774УН3-1, а также конденсаторы - было принято решение изготавливать данную микросхему по гибридной технологии.

Гибридная технология весьма гибкая. Она позволяет относительно быстро создавать электронные устройства, выполняющие достаточно сложные функции.

Элементы пленочных и гибридных ИС и микросборок (резисторы, конденсаторы, индуктивности) выполняются на поверхности подложки в виде пленок резистивных, проводящих и диэлектрических материалов.

При изготовлении гибридных ИС используются как тонкие, так и толстые пленки. Толстопленочные ИС дешевле. Для организации их производства требуются меньшие капитальные затраты (проще оборудование, менее жесткие требования к производственным помещениям). Кроме того, толстопленочные ИС обладают большей механической прочностью, имеют лучшую коррозионную и теплоустойчивость, повышенную перегрузочную способность элементов, а также меньшие паразитные емкости межсоединений и слабое взаимовлияние (наводки и паразитные связи) элементов.

Преимуществом гибридной технологии является и более высокий процент выхода годных ИС (60... 80% по сравнению с 5...30% для полупроводниковых ИС). Брак, возникший при изготовлении гибридной ИС, часто можно исправить. Методы расчета и проектирования гибридных ИС практически не отличаются от методов расчета обычных электронных схем. Однако подложка гибридной ИС мала и изготовлена из высококачественного диэлектрика. Поэтому из-за малых паразитных емкостей и хорошей взаимной изоляции элементов и компонентов гибридная ИС имеет лучшие высокочастотные и импульсные электрические свойства, чем схема, собранная из дискретных «больших» ЭРЭ. Гибридные ИС наиболее часто применяются в прецизионной аппаратуре.

3. Расчет геометрических размеров элементов интегральной микросхемы

Расчет резисторов

Расчет формы и размеров ГИС начинаем с определения формы и размеров резисторов, входящих в состав разрабатываемой интегральной схемы.

Исходными данными для конструирования пленочного резистора являются: номинал резистора R , Ом ; допуск на номинал (точность) г_R, % ; мощность рассеяния Р, мВт. Процесс конструирования пленочного резистора включает выбор его формы, материала и расчет его геометрических размеров с учетом конструктивно-технологических ограничений.

В разрабатываемой ИМС семь резисторов номиналом от 820 Ом (R7) до 100кОм (R1). Поэтому целесообразно использовать не один материал для изготовления резистивного слоя, а несколько.

Разобьём имеющиеся резисторы на две группы по номиналам.

К первой группе отнесём резисторы номиналом от 820 Ом до 10 кОм (R2, R4, R5, R7, R9). Ко второй группе - от 47 кОм до 100 кОм (R1, R3, R6).

Для первой группы определим оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки по формуле:

,

где : n - число резисторов;

- номинал -го резистора.

с_opt1=[(820+1000+1000+3300+10000)/(0.003622542)]^1/2=2109 Ом

Определим оптимальное с точки зрения минимума площади под резисторами ГИС сопротивление квадрата резистивной пленки для второй группы.

с_opt2=[(47+68+100)/(0.045982478)]^1/2=68.4 кОм

Для резисторов первой группы в качестве материала резистивной плёнки выбираем сплав РС-3001 ЕТ0.021.019ТУ с параметрами:

с_s =2000 Ом/?;

P₀ =0,02 Вт/мм²;

ТКР = -0,2·10^-4

Для резисторов второй группы выбираем Кермет К-50С ЕТ0.021.013ТУ с параметрами:

с_s =10000 Ом/?;

P₀ =0,02 Вт/мм²;

ТКР = -5 ·10^-4

Определяем температурную погрешность по формуле:

г_Rt = б_R(T_шах-20°С)

г_Rt1=0,2·10^-4·80·100%=0,16%

г_Rt2=5·10^-4·80·100%=4%

Определяем допустимую погрешность коэффициента формы по формуле:

г_Кфдоп = г_R - г _сs - г_Rt - г_Rст - г_Rк

г_Кфдоп1=20-2,5-0,16-1=16,34 >0

г_Кфдоп2=10-2,5-4-1=2,5 >0

Допустимая погрешность коэффициента формы в обоих случаях положительная, следовательно изготовить резисторы из данных материалов возможно.

Определим конструкцию резисторов по значению коэффициента формы:

К_фi = R_i / с_s.

К_ф1=100000/10000=10

К_ф2=3300/2000=1,65

К_ф3=47000/10000=4,7

К_ф4=10000/2000=5

К_ф5,9=1000/2000=0,5

К_ф6=68000/10000=6,8

К_ф7=820/2000=0,41

Коэффициент формы для резисторов R1-R4, R6 находится в интервале от 1 до 10, следовательно, резистор должен быть прямоугольной формы (Рис. 1а,б). Коэффициент формы резисторов R5, R7, R9 находится в интервале от 0,1 до 1, следовательно, нужно изготовить резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины (Рис. 1е,в).



Рисунок 1 - Конструкции плёночных резисторов

Резистор R1 имеет коэффициент формы равный 10, следовательно, конструируем резистор прямоугольной формы. Расчёт начинаем с определения ширины резистора из условий:

b_расч mах {b_техн; b_точн; b_P},

где - минимальная ширина резистора, определяемая возможностями технологического процесса;

- ширина резистора, определяемая точностью изготовления

( - погрешности изготовления ширины и длины резистора, зависящие от метода изготовления; для масочного метода - + 0,01мм, для фотолитографии - + 0,005мм, для трафаретной печати + 0,1 мм);

- минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная мощность

За ширину резистора принимают ближайшее значение к кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии. Основным является шаг координатной сетки 0,1 мм, допускается - 0,05. 0,025 и 0,01мм.

b_техн = 0,1 мм

b_точн = (0,01+0,01/10)/0,1634=0,0673 мм

b_P = (0,005/0,02·10)^1/2=0,16 мм

На основании полученных результатов делаем вывод, что b_расч должна быть 0,2 мм.

Определяем длину резистора по формуле:

l_расч=0,2·10=2 мм

Длину резистора округляем до значения , кратного шагу координатной сетки. Следовательно, длину резистора выбираем равной 2 мм.