Разработка структурной и принципиальной схем устройства. Расчет элементов принципиальной схемы и амплитудно-частотной характеристики усилителя. Выбор навесных и пленочных элементов. Этапы изготовления усилителя в виде гибридной интегральной микросхемы.
Аннотация к работе
Разрабатываемое изделие относится к области технике, получившей широкое распространение в различных областях человеческой деятельности: в промышленности, индустрии развлечений, в науке, в быту и других применениях. Такие схемы чаще всего используются в аппаратуре голосовой связи (телефония, радио). 1 - входной узел (предназначен для того, чтобы переменная составляющая тока полезного сигнала попала в нагрузку, а постоянный ток, появляющийся вследствие влияния помехи - нет, чтобы не нарушался режим работы первого каскада); 3 - второй каскад (обеспечивает малое выходное сопротивление, что достигается применением в нем БП. Т. к. выход симметричный, то каскад обеспечит Ku2 ? 2); Ддя оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений М: Где Y - относительное усиление, представляющее собой отношение коэффициента усиления схемы К на данной частоте f к ее коэффициенту усиления в области средних частот Кср: Для перевода Y и M из относительных значений в децибелы и обратно используют: Пусть МН1 = 0,1 ДБ = 1,01 и МН2 = 0,9 ДБ = 1,109Большое входное сопротивление удалось обеспечить применением полевого транзистора 2П202Д с каналом n-типа включенного по схеме с ОИ, второй каскад - эмиттерный повторитель собран на биполярном транзисторе 2Т3703-1 (со структурой n-p-n), который позволяет получить большой коэффициент по току, а коэффициент по напряжению меньше единицы, таким образом, удалось достичь заданного усиления по напряжению при питании 15В.
Введение
Разрабатываемое изделие относится к области технике, получившей широкое распространение в различных областях человеческой деятельности: в промышленности, индустрии развлечений, в науке, в быту и других применениях.
Микроэлектроника позволяет резко повышать надежность электронной аппаратуры, значительно уменьшить габариты, массу, потребляемую энергию и стоимость.
Применение интегральных схем и микропроцессоров позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры на два порядка и более.
Основой современных аппаратов являются интегральные микросхемы (ИМС). усилитель микросхема интегральный частотный
ИС - изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов.
Разрабатываемая в данном проекте схема производит усиление сигналов низкочастотного диапазона - от 50 Гц до 10 КГЦ.
Такие схемы чаще всего используются в аппаратуре голосовой связи (телефония, радио).
1. Разработка структурной и принципиальной схем устройства
Составим структурную схему ИМС (рис.1).
Рис.1 Структурная схема ИМС
Г - генератор входного сигнала;
1 - входной узел (предназначен для того, чтобы переменная составляющая тока полезного сигнала попала в нагрузку, а постоянный ток, появляющийся вследствие влияния помехи - нет, чтобы не нарушался режим работы первого каскада);
2 - первый каскад (должен обеспечивать высокое входное сопротивление, следовательно, выполняется на полевом транзисторе);
3 - второй каскад (обеспечивает малое выходное сопротивление, что достигается применением в нем БП. Т. к. выход симметричный, то каскад обеспечит Ku2 ? 2);
4 - выходной узел (предназначен для передачи в нагрузку полезного сигнала и непропускания постоянной составляющей)
5 - нагрузка;
6 - источник питания.
Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте Мв=1ДБ=1,2589 раза.
Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте Мн=1ДБ=1,2589 раза.
Первый каскад выполняем на полевом транзисторе 2П202Д (с каналом n-типа т. к. Uпит положительное), что позволяет добиться высокого входного сопротивления и, следовательно, осуществить работу с высокоомными источниками входного сигнала. Для второго каскада, учитывая, что питание положительное, выбираем биполярный транзистор 2Т703-1 со структурой n-p-n
Рис. 2 принципиальная схема усилителя с несимметричным входом и симметричным выходом
2. Расчет элементов принципиальной схемы
Производим расчет необходимого коэффициента усиления напряжения и номинальных значений элементов. Выбираем рабочую точку при Uзи=0. В пологой части графика выбираем рабочую точку, что примерно соответствует Uси = 4,3 В (напряжение, поступающее на базу выходного каскада) и Іс = 1,5 МА.
На рисунке приведены семейство выходных характеристик ПТ 2П202Е с р-n переходом и каналом р типа, а также три нагрузочных прямых.
Рис. 3 Семейство ВАХ транзистора 2П202Д с каналом n-типа
Далее рассчитываем коэффициент усиления по напряжению Ku1 по формуле:
где - крутизна в рабочей точке.
Сопротивление в цепи стока Rc рассчитываем по формуле:
Тогда Так как Ku получился больше, чем задан (Ku = 10), попробуем уменьшить Rc в полтора раза: Rc = 6,66, тогда
Отсюда
Тогда нагрузочная прямая на рис. 3 будет проходить выше.
Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя Іко, который должен в 2-3 раза превышать ток нагрузки
Что бы транзистор был открыт UБЭ = 0,7. Напряжение на базе биполярного транзистора VT2 равно напряжению на стоке полевого транзистора VT1.
где Ucи = 4,3 В - снимается с графика ВАХ, Uбэ = 0,7В - падение напряжения на переходе база - эмиттер.
Выбираем ІК0 = ( 2 ? 5)ІН ? 4,5 МА
Найдем сопротивление цепи эмиттера:
Коэффициент усиления выходного каскада
Коэффициент усиления общий
Так как питание положительное, выбираем биполярный 2Т703 со структурой n-p-n; его характеристики представлены на рис. 4.
3. Расчет амплитудно-частотной характеристики усилителя
Ддя оценки частотных искажений используют коэффициент частотных искажений М:
Где Y - относительное усиление, представляющее собой отношение коэффициента усиления схемы К на данной частоте f к ее коэффициенту усиления в области средних частот Кср:
Для перевода Y и M из относительных значений в децибелы и обратно используют: Пусть МН1 = 0,1 ДБ = 1,01 и МН2 = 0,9 ДБ = 1,109
Частотная характеристика усилителя в области нижних частот определяется выбором емкости разделительных конденсаторов.
Емкость корректирующего конденсатора рассчитываем по формуле:
Расчет АЧХ в области нижних частот производится по формуле:
Подставим значение частоты 0,1?н ; 0,3?н; 0,6?н; ?н; 1,2?н; 2,0?н. Данные заносим в таблицу. ?,Гц 0,1?н 0,3?н 0,6?н ?н 1,2?н 2,0?н
2 5 10 15 17,5 30
YH 0,26 0,66 0,87 0,95 0,95 0,96
Рис. 4 АЧХ усилителя в области нижних частот
Расчет АЧХ в области верхних частот производится по формуле:
Подставим значения частоты: 0,5?в; ?в; 2,5?в; 5?в. Результаты заносим в таблицу. ?,КГЦ 0,5?в ?в 2,5?в 5?в
10 15 20 50 100
YB 0,99 0,99 0,97 0,87 0,80
Рис. 5 АЧХ усилителя в области верхних частот
Проводим проверку соответствия расчетных и заданных значений Мн и Мв:
4. Разработка интегральной микросхемы
4.1 Выбор навесных элементов и расчет пленочных элементов
Площадь транзистора VT1 типа 2П202Е SVT1 = 0.8 • 0.8 = 0,64 мм2.
Площадь транзистора VT2 типа 2Т366Б-1 SVT2=0.7•0.7 = 0,49мм2.
Суммарная площадь транзисторов Stp = 0,64 0,49 = 1,13 мм2.
Суммарная площадь элементов усилителя
S = Sc SR Stp = 13,2 6,16 1,13 = 20,49 мм2.
Учитывая необходимость дополнительной площади на выводы ИМС, межэлементные соединения и расстояние между элементами, необходимо увеличить расчетную площадь. Выбираем подложку размерами 10х12 мм (площадь 120 мм2).
Рис. 6 Топология рассчитанной микросхемы
4.3 Этапы изготовления усилителя в виде гибридной интегральной микросхемы
ИМС представляет собой совокупность пленочных пассивных элементов и навесных активных компонентов.
ИМС изготовим по технологии термического напыления какого-либо материала на диэлектрическую подложку. В настоящее время для получения необходимого рисунка используют фотолитографию, которую осуществляют следующим образом: 1. На подложку наносят сплошные пленки необходимых материалов (хрома, нихрома или керметиз смеси хрома и моноокиси кремния для изготовления резисторов и поверх него - проводящий слой; для обкладок конденсаторов используют алюминий). Для диэлектрических слоев пленочных конденсаторов используют моноокись кремния и моноокись германия. Особое место среди диэлектриков занимают Ta2O5 и Al2O3, которые получают методом анодирования нижних металлических обкладок.
2. Затем поверхность покрывают фоторезистором и с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для проводящего слоя, например для контактных площадок будущего резистора.
3. Через окна в фоторезисторной маске проводят травление проводящего слоя, после чего фоторезистор удаляют. В результате получают готовые контактные площадки.
4. Снова наносят фоторезистор и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора.
5. Проводят травление, удаляют фоторезистор и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадками.
6. По завершении пленочных пассивных элементов пластины большой площади, на которых групповым методом на пластинах большой площади, разделяются на отдельные подложки (обычно методом скрайбирования).
7. Каждая из подложек снабжается навесными компонентами и заключается в корпус.
Для проводниковых пленок и омических контактов используют либо золото с подслоем CRTI, либо медь с подслоем ванадия. Толщина проводящих пленок и контактных площадок обычно составляет 0,5-1 мкм.
- температурный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок.
Вывод
В проекте разработана ГИС размером 10х12мм., представляет собой двухкаскадный усилитель с заданными в техническом задании характеристиками. Большое входное сопротивление удалось обеспечить применением полевого транзистора 2П202Д с каналом n-типа включенного по схеме с ОИ, второй каскад - эмиттерный повторитель собран на биполярном транзисторе 2Т3703-1 (со структурой n-p-n), который позволяет получить большой коэффициент по току, а коэффициент по напряжению меньше единицы, таким образом, удалось достичь заданного усиления по напряжению при питании 15В.
Список литературы
1. Игнатов А. Н., Фадеева Н. Е. Разработка интегрального устройства: методические указания к курсовой работе / СИБГУТИ. - Новосибирск, 2006 г. - 36 с.