Особенности проектирования усилителя слабых сигналов

Особенности проектирования усилителя слабых сигналов

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, +155º С и нижними значениями -10, -25, -40, -45, -55, -60º С, изменения температур от верхнего до нижнего пределов; относительной влажности окружающей среды 98% при температуре 35ºС. ИМС должны допускать эксплуатация после их транспортировки при температуре -50ºС.

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

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.

. 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.

. 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/□;₀ =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/□;₀ =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_точн = (0,01+0,01/10)/0,1634=0,0673 мм_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:

_расч=0,2·10=2 мм

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

Находим площадь резистора. =0.2·2=0.4 мм²

Для проверки находят действительную удельную мощность и погрешность резистора. Очевидно, что резистор спроектирован удовлетворительно, если:

-удельная мощность рассеяния  не превышает допустимого значения

погрешность коэффициента формы  не превышает допустимого значения

суммарная погрешность  не превышает допуска

Р₀^’=0.005/0.4=0.0125 Вт/мм²

г_к.ф.^’=0,01/0,2+0,01/2=0,055

г_R’ =0,055+1,5+0,16+1=2,715

Резистор R2 имеет коэффициент формы 1,65, следовательно, конструируем резистор прямоугольной формы.

Определяем ширину резистора._техн = 0,1 мм_точн = (0,01+0,01/1,65)/0,1634=0,01 мм_P = (0,03/0,02·1,65)^1/2=0,95 мм

На основании полученных результатов выбираем ширину резистора R2 равной 1 мм.

Определяем длину резистора._расч=1·1,65=1,65 мм

Приводим расчетную длину к шагу координатной сетки 0.1 мм. Таким образом длина резистора составит 1,7 мм.

Находим площадь резистора =1·1,7=1,7 мм²

Производим проверку.

Р₀^’=0.03/1,65=0.018 Вт/мм²

г_к.ф.^’=0,01/1+0,01/1,7=0,016

г_R’ =0,016+1,65+4+1=6,666

Резистор R5 имеет коэффициент формы равный 0,5, следовательно, конструируем резистор прямоугольной формы, у которого длина меньше ширины.

Определяем длину резистора из соотношения:

_техн = 0,1 мм_точн = (0,01+0,01/0.5)/0,1634=0,18 мм_P = (0,01·0,5/0.02)^1/2=0,5 мм

Длину резистора округляем до значения , кратного шагу координатной сетки. Следовательно, длину резистора выбираем равной 0,5 мм.

Находим ширину резистора по формуле:

_расч=0,5/0,5=1 мм

Находим площадь, занимаемую резистором на подложке.=0,5·1=0,5 мм²

Проводим проверку.

Р₀^’=0.015/0,5=0.003 Вт/мм²

г_к.ф.^’=0,01/0,5+0,01/1=0,003

г_R’ =0,003+1,5+0,16+1=2,69

Расчёт остальных резисторов производится по методике, описанной выше. Результаты расчётов геометрических размеров резисторов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расчёт конденсаторов.

Исходными данными для конструирования пленочного конденсатора являются: номинальная емкость С, пФ; допуск на номинал (точность) ,%; рабочее напряжение  , В.

Конденсаторы изготавливаются, как правило, однослойными и имеют емкость: тонкопленочные - от десятков пикофарад до сотых долей микрофарады, толстопленочные - от десятков до тысяч пикофарад. Конденсаторы большей емкости выполняют навесными.

Так как в схеме устройства имеются только конденсаторы большой ёмкости (С1-С5=10 мкФ, С6=330пФ) целесообразно делать их навесными.

. Выбор навесных компонентов

Конденсаторы

Выбор типа конденсатора производят по значениям емкости, рабочего напряжения, интервалу работу, температур, допустимой реактивной мощности и допустимому отклонению емкости от номинала.

Керамические конденсаторы в зависимости от примененной для диэлектрика керамики подразделяют на группы. Конденсаторы с диэлектриком из высокочастотной керамики имеют нормированный ТКС (группы ПЗЗ, М47, М750, М1500, М2200). В написании группа букв означает: П- положительный, М - отрицательный ТКС, а цифра - среднее значение ТКС на частотах порядка мегагерц. В зависимости от номинала допустимое отклонение емкости конденсаторов этих групп составляет ±5, 10, 20%. В разрабатываемом для данного курсового проекта устройстве применяются конденсаторы с параметрами, приведёнными в таблице 2.

Таблица 2

В качестве конденсаторов С1-С5 применяем конденсаторы типа К53-15 с габаритами корпуса: длина 10 мм, ширина 8 мм, а в качестве конденсатора С6 - К10-9-Н30 габаритами корпуса: длина 2 мм, ширина 2 мм.

Микросхема К774УН3-1 имеет габаритные размеры по длине 2 мм, по ширине 2 мм, длина проволочных выводов составляет 15 мм.

. Выбор типоразмера платы (кристалла) и корпуса

Для выбора типоразмера платы (кристалла) необходимо произвести оценочный анализ площади, необходимой для размещения всех компонентов.

Анализ производится путём суммирования площадей, занимаемых отдельными элементами по формуле:

где     k - коэффициент учитывающий увеличение площади платы с учетом площади занимаемой соединительными проводниками.

Для упрощения расчета сведём данные о площади в таблицу 4.

Таблица 4

Суммарная площадь составляет 415,46 мм².

Коэффициент k примем равным 3.

Таким образом, общая площадь будет равна:_ЭРЭ = 3 · 415,46 =1246,38 мм²

На основании полученных данных выбираем типоразмер платы ГИС.

Для данного курсового проекта была выбрана плата ГИС типоразмера 4 с габаритными размерами 30х48 мм.

После выбора платы ГИС производим выбор корпуса.

Для данного курсового проекта был выбран металлостеклянный корпус ПИЖМ.430114.001 производства ОАО «Авангард».

Рисунок 5 - Внешний вид металлостеклянного корпуса 159.49-1

. Разработка топологии интегральной микросхемы

Разработку топологии интегральной микросхемы для данного курсового проекта производим с применением САПР AutoCAD и Altium Designer Summer 09. Эскиз топологии интегральной микросхемы для данного курсового проекта представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Эскиз топологии интегральной микросхемы.7 Расчет теплового режима интегральной микросхемы

Функционирование ИМС связано с выделением тепла в разной степени элементами и компонентами, что может приводить к нежелательным и недопустимым перегревам. На это обстоятельство обращается внимание на всех стадиях проектирования (равномерное распределение тепловыделяющих элементов и компонентов, обеспечение путей выводов тепла и др.). Однако этот анализ теплового режима носит больше качественный характер и, безусловно, требует количественной оценки. В этой связи оцениваются наиболее нагреваемые места платы. К ним относятся резисторы, активные элементы и компоненты. Конденсаторы и индуктивности вносят в нагрев явно меньший вклад. Пленочная коммутация из-за малого сопротивления и высокой теплопроводности наоборот способствует отводу тепла от наиболее нагретых участков.

Считается, что нормальный режим ИМС обеспечивается, если температура самого тяжело нагруженного элемента ИМС (или компонента для ГИМС) не превышает его максимально допустимой рабочей температуры.

Перегрев элемента или компонента ИМС - разность между их собственной температурой и средней температурой поверхности корпуса (обычно обозначается И, °С).

Максимально допустимая температура T_{max доп} - максимальная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности.

Удельная мощность рассеяния (P₀, Вт/°С) - плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС.

Внутреннее тепловое сопротивление элемента, кристалла или компонента ИМС (R_{т. вн}, °С/Вт) - тепловое сопротивление самого элемента (кристалла, компонента) и тепловое сопротивление контакта между элементом (компонентом) и платой (кристаллом или корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки.

Величина теплового сопротивления существенно зависит от характера тепловыделяющего объекта. Если источник тепла сосредоточенный, то тепловой поток от него может быть направленным в сторону подложки в той или иной мере. В основном это зависит от размеров тепловыделяющего элемента. Если его размеры не соизмеримы с толщинами слоев, на которых он располагается (условие - l, b >> h), то тепловой поток можно считать плоскопараллельным. В этом случае тепловое сопротивление R_т определится выражением:

где л_п и л_к - коэффициенты теплопроводности материалов подложки и клея соответственно, Вт/(м·°С); _п и h_к - толщины соответственно подложки и клея; и l - размеры места контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; общая толщина учитываемого слоя определяется как h = h_п + h_к ._Т=(0,0005/1,5 + 0,0001/0,3)1/0,004=0,25 °С/Вт

Таким образом, ориентировочный расчет теплового режима сводится к определению температуры всех навесных компонентов и резисторов и сравнению ее с их максимально допустимой рабочей температурой.

Нормальный тепловой режим элементов и навесных компонентов обеспечивается при выполнении следующих условий:

Т_э = T_{с max} + И_к + И_э ≤ T_{max доп} ,

Т_нк = Т_{с max} + Q_к + Q_нк + Q_вн ≤ T_{max доп} ,

где    Т_э - температура элемента, °С;

Т_нк - температура навесного активного компонента, °С;

Т_{с max} - максимальная температура окружающей среды, °С, в процессе эксплуатации, заданная ТУ; _{max доп} - максимально допустимая рабочая температура элемента и навесного компонента, заданная ТУ;

И_к -перегрев корпуса ИМС;

И_э - перегрев элемента ИМС; _нк - перегрев навесного активного компонента; _вн - перегрев области p-n-перехода навесного активного компонента.

При несоблюдении неравенств необходимо принимать дополнительные меры (например, уменьшение теплового сопротивления за счет использования материалов с более высоким коэффициентом теплопроводности) для обеспечения теплового режима ГИМС.

7. Расчет надежности интегральной микросхемы

Расчёт надежности интегральной микросхемы заключается в определении среднего времени наработки до отказа.

Среднее время наработки до отказа считаем по формуле:

,

где    Л_У - суммарная интенсивность отказов всех элементов ГИМС.

В таблице 5 представлена интенсивность отказов элементов разрабатываемой гибридной интегральной микросхемы

Таблица 5

Находим среднее время наработки до отказа:

Т_ср=1/0,0926·10^-6=10799136 ч.

Полученные результаты свидетельствуют о надежности разрабатываемой микросборки.

. Разработка технологического процесса изготовления интегральной микросхемы

Типовой технологический процесс изготовления гибридной интегральной схемы представлен на рисунке 7. После каждого этапа производится операция технического контроля с применением специального оборудования.

↓

Рисунок 7. Типовой технологический процесс изготовления ГИМС