10 ФОЭ

Техническое задание
Разработать интегральный усилитель на основе полевых и
1.
биполярных транзисторов, используя данные табл. 1
Разработать топологию гибридной интегральной микросхемы.
2.
Исходные данные для заданного варианта сведены в таблицу 1.
№
вар.
10
U ПИТ ,
В
-12
KU
8
RВХ ,
RН ,
МОм кОм
0.33
2
U НОМ ,
fН ,
fВ ,
MН ,
В
2
Гц
50
кГц
10
дБ
1
Таблица 1
MВ ,
Тип
Тип
дБ входа выхода
1
Н
Н
-2-
Введение
По
техническому
заданию
разрабатываемое
устройство
является
усилителем звуковой частоты, имеющим полосу пропускания (50 …10000 Гц) и
может применяться как предварительный усилитель с высоким входным
сопротивлением
Применение интегральных микросхем в электронике позволяет повысить
надежность электронной аппаратуры, значительно уменьшить ее габариты,
стоимость и массу. Гибридная интегральная схема называется микросхема,
которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и
дискретных элементов, расположенных на общей диэлектрической подложке.
Дискретные элементы, входящие в состав гибридной интегральной схемы,
называют
навесными,
подчеркивая
их
особенность
от
основного
технологического цикла получения пленочной схемы.
При реализации усилителя в виде гибридной интегральной микросхемы
часть или все пассивные элементы выполняются напылением на общей подложке.
Так
как
в
гибридной
интегральной
микросхеме
соединения
элементов
осуществляются путем металлизации без пайки и сварки, то они обладают более
высокой надежностью по сравнению с дискретными схемами, выполняющими ту
же функцию.
-3-
1.Разработка структурной схемы
В общем случае техническому заданию соответствует двухкаскадная схема
усилителя с использованием полевого и биполярного транзисторов. Структурная
схема гибридной интегральной микросхемы представлена на рис. 1.
ИП
Источник
сигнала
Вх. У
Первый
каскад
Второй
каскад
Вых.У
Н
ГИМС
Рис.1. Структурная схема усилителя
Обобщенная структурная схема разрабатываемого устройства состоит из
следующих блоков:
 Входной узел (Вх.У). 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 U ПИТ  12 В . Следовательно, выбираем транзистор с
каналом
р
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
рп р.
 Выходной узел (Вых.У). Служит для согласования второго каскада с
нагрузкой. В разрабатываемом устройстве для этого служат разделительные
конденсаторы, которые не дают пройти постоянной составляющей в нагрузку.
-4-
Т.к. это разделительные конденсаторы, то они определяют АЧХ в области нижних
частот.
Коэффициент
частотных
искажений
многокаскадного
усилителя
определяется как сумма коэффициентов частотных искажений, входящих в
усилитель каскадов, если коэффициенты выражены в логарифмических единицах.
Распределим коэффициенты частотных искажений для области низких частот
следующим образом:
1 каскад
– 1 (дБ)
2 каскад
 1 (дБ)
Тогда в сумме коэффициент частотных искажений в области низких частот
составит:
М  М 1 М 2 ...М n ( раз )
Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах
М ( дБ )  20 LgМ раз  М 1  М 2  ...  М n
В данном случае определяется
выражением М Н  М Н 1  М Н 2  1дБ .
Распределим искажения поровну между ними: М Н 1  М Н 2  0,5 дБ  1,059 раз .
М В  1дБ  1,122 раз
Общий коэффициент усиления микросхемы определяется как произведение
коэффициентов усиления (передачи) входящих в
микросхему устройств Для
многокаскадных усилителей (содержащих n каскадов) общий коэффициент
усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:
К  К 1 К 2 ...К n
Согласно заданию результирующий коэффициент усиления равен К U  8 ,
поэтому распределим его между каскадами следующим образом: прохождение
сигнала в рабочем диапазоне частот через входной и выходной узел должно
проходить без потерь, поэтому К Вх.У  К Вых.У  1 ; К VT 2  1 , т.к. второй каскад
выполнен на БТ по схеме с общим коллектором. Отсюда следует, что первый
каскад должен обеспечить коэффициент усиления К VT 1  8 .
-5-
К U  К Вх.У  К VT 1  К VT 2  К Вых.У  1  8  1  1  8
2. Разработка принципиальной схемы
Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2.
VT2
Рис. 2. - Усилитель с несимметричным входом и несимметричным выходом и БТ
включенным по схеме с ОК
Первый каскад выполнен на полевом транзисторе 2П201А по схеме с
общим истоком (ОИ), что позволяет добиться высокого входного сопротивления.
Второй каскад выполнен на биполярном транзисторе по схеме с общим
коллектором (ОК).
Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме и
используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных
прямых, произведем расчет необходимого коэффициента усиления напряжения и
номинальных значений элементов.
-6-
2.1 Расчет первого каскада графоаналитическим методом:
На рис. 3 приведены семейство выходных характеристик ПТ 2П201А с
р  п переходом и каналом р типа.
Рис. 3. Семейство выходных характеристик ПТ 2П201А
Рабочую точку А удобно выбрать при нулевом смещении входной цепи
U ЗИ  0 .
Выбор
рабочей
точки
при
U ЗИ  0 гарантирует
упрощение
принципиальной схемы и топологии, так как отпадает необходимость в
использовании сопротивления в цепи тока RU , и конденсатора большей емкости
CU , устраняющего отрицательную связь во всей полосе рабочих частот.
Рабочая точка располагается в пологой области характеристик ПТ, а значит
транзистор будет обладать высоким динамическим выходным сопротивлением:
-7-
Определяем сопротивление в стоковой цепи Rc:
Rc 
U ПИТ
12

 8,6 кОм
I с0
1,4  10 3
где I C 0 ток выходной цепи при U СИ  0
Если Ri  RC , то влиянием Ri на коэффициент усиления каскада можно
пренебречь, поэтому для расчета коэффициента усиления по напряжению первого
каскада можно использовать формулу:
K U 1  S  RC ,
где S - крутизна в рабочей точке.
I C
0,4  10 3
S

 1 мА / В
U ЗИ
0,4
Тогда коэффициент усиления по напряжению первого каскада:
K U 1  1  10 3  8,6  10 3  8.6
2.2 Расчет второго каскада
Основная задача биполярного транзистора – обеспечить необходимую
мощность в нагрузке, поэтому транзистор выходного каскада выбирается по току
покоя Iк.о., который должен в 2  3 раз превышать ток нагрузки:
IН 
U НОМ 2 2  2

 1,41 мА
RН
2  10 3
Выбираем ток покоя равный:
I к 0  3 мА
Напряжение на базе биполярного транзистора VT2 равно напряжению на
стоке полевого транзистора VT1.
U Э  U СИ  U БЭ  3,6  0,7  2,9В
где U СИ  3,6В – снимается с графика ВАХ, U БЭ  0,7 В – падение напряжения
на переходе база – эмиттер.
-8-
В соответствии с полярностью источника выбираем транзистор р  п  p ,
учитывая требования по напряжению питания и току нагрузки, выберем
транзистор 2Т3704-1 с параметрами: I К  20 мА, U К  15 В
Напряжение коллектор-эмиттер будет равно:
U КЭ  U пит  U Э  12  2,9  9,1В .
На выходных статических характеристиках транзистора (рис. 4) выбираем
рабочую точку при U КЭ  9,1В и значении тока коллектора превышающего ток в
нагрузке I к 0  4 мА . При этом базовый ток равен: I Б  0,035мА .
Рис. 4. Семейство входных и выходных характеристик транзистора 2Т3704-1
Найдем сопротивления резистора в цепи эмиттера:
RЭ 
UЭ
2,9

 0,72кОм
3
I К  Iб
4 10  0,035 10 3
Коэффициент передачи эмиттерного повторителя определяется по формуле:
КU 2 
(1  h21Э ) RЭЭ
h11Э  (1  h21Э ) RЭЭ
Где RЭЭ 
RЭ ( RН  RК ) 0,72  (2  2)

 0,61 кОм
RЭ  RН  RК
0,72  2  2
-9-
Значение параметра h21Э определяется с использованием семейства
выходных характеристик в районе точки покоя:
h21Э 
I К
I Б

U КЭ  const
1.1
 110
0,01 U КЭ  9,1B
Значение параметра h11Э определяют по входной характеристике БТ.
Входной ток должен соответствовать выбранной точке покоя БТ, указанной на
выходной характеристике БТ:
h11Э 
U БЭ
0,8  0,7

 2,56кОм
I Б
(52  13)  10 6
Отсюда коэффициент передачи второго каскада:
КU 2 
(1  110)  0,61  10 3
 0,964
2.56  10 3  (1  110)  0,61  10 3
Коэффициент усиления напряжения усилителя будет равен:
KU  KU 1  KU 2  8,6  0,964  8,27
Относительная погрешность составляет:

8, 27  8
100%  3,37%
- в пределах нормы.
8
Таким образом, коэффициент усиления напряжения усилителя
соответствует техническому заданию KU  8 :
КU  К Вх.У  КVT1  КVT 2  К Вых.У  1  8,6  0,965  1  8,27
2.3 Расчет амплитудно-частотной характеристики
Определим значения емкостей разделительных конденсаторов, учитывая,
что в приведенных ниже формулах коэффициент частотных искажений
выбирается в разах.
Коэффициент
частотных
искажений
на
нижней
рабочей
частоте
определяется разделительными конденсаторами: СP1 и С P 3 . Распределим поровну
искажения между ними:
М Н 1  М Н 2  0,5 дБ  1,059 раз
- 10 С P1 
СP1 
1
2f Н R Г  Rbх  М Н2 1  1
1
2  3,14  50  0.33 10 1, 059  1
СP3 
С р3 
6
2
 26, 7 109  26, 7 нФ
1
2f Н RН М Н2 2  1
1
2  3,14  50  2 10
3
1,059  1
2
 4,57 10 6  4,57 мкФ
Рассчитаем емкость корректирующего конденсатора:
СК 
М В2  1
1,122 2  1

 0,9 10 9  0,9нФ
4
3
2f В RС
2  3,14 10  8,6 10
- 11 -
3. РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМЫ
3.1. 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1 мм
2Т3704-1 : 0, 6  0, 6 мм
Резистор Rз=0,33 МОм выбираем стандартный МЛТ (ряд Е24) с размерами:
L=6мм, В=2,2 мм
Навесные элементы устанавливаются на расстоянии не менее 500мкм от
пленочных элементов и не менее 600мм от контактных площадок; минимальное
расстояние между навесными компонентами 300 мкм. Длина проволочных
выходов навесных компонентов должна быть от 600 мкм до 5 мм.
Расчет пленочных резисторов:
Рассчитаем
максимальную рассеиваемую
резисторе и выберем их размер и конфигурацию.
мощность
PRi  I i Ri ,
где Ii – ток, протекающий через резистор.
2
на
каждом
(24)
PRс  I с 2 Rс  1, 4 103   8, 6 103  16,856 мВт .
2
PRэ  I Э 2 Rэ   4, 035 103   0, 72 103  11, 722 мВт
2
Для определения размеров резисторов определим коэффициент формы:
К фi 
Ri
S
,
где Ri  номинал резистора,  S - удельное поверхностное сопротивление
пленки
Для изготовления резисторов целесообразно выбрать материал с высоким
удельным поверхностным сопротивлением. Выберем сплав РС3001 с удельным
сопротивлением  S  1000
Р0  2
Вт
Вт
.
 0, 02
2
см
мм 2
Ом
и удельной мощностью рассеяния
квадрат
- 12 -
Подставив числовые значения, найдём коэффициент формы:
К фRЭ
RC
8600
 8, 6 - прямоугольная форма, длина больше ширины 1  K фRC  10 .
 S 1000
R
720
 Э 
 0, 72 - прямоугольная форма, ширина больше длины K фRC  1 .
 S 1000
К фRC 

Расчёт длины резистора произведём по формуле:
li  K фi bmin ,
(25)
где bmin  100 мкм так как мы используем метот фотолитографии для изготовления
плёночных элементов.
lRC  8,6 100 106  0,86 мм
lRЭ  0,72 100 106  0,072 мм
Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rэ:
Pmax RЭ  Р0 SRЭ  20 103  0,072  0,1  0,144 мВт  PRЭ  11,722 мВт
Следовательно необходимо увеличить площадь резистора Rэ.
Возьмем bRЭ  1000 мкм , тогда:
lRЭ  0,72 1000 106  0,72 мм
Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rc:
Pmax RC  Р0 SRC  20 103  0,86  0,1  1,72 мВт  PRс  16,856 мВт
Следовательно необходимо увеличить площадь резистора Rc.
Возьмем bRC  400 мкм , тогда:
lRC  8,6  400 106  3, 44 мм
Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rэ:
Pmax RЭ  Р0 SRЭ  20 103  0,72 1  14, 4 мВт  PRЭ  11,722 мВт
Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе Rс:
Pmax RC  Р0 SRC  20 103  3, 44  0, 4  27,52 мВт  PRс  16,856 мВт
Расчёт плёночных конденсаторов:
Для плёночных конденсаторов выберем материал моноокись кремния
, имеющий наибольшую удельную ёмкость C0  10000
пФ
пФ
.
 100
2
см
мм 2
- 13 -
Определим площади конденсаторов:
C
S i
C0
(27)
0,9 109
SСК 
 9 мм2
12
100 10
26,7 109
SСP 1 
 267 мм2
12
100 10
4,57 106
S СP 3 
 45700 мм2
12
100 10
Разделительный конденсатор C К , CP1 и C P 3 целесообразно выполнить в виде
навесных элементов, чтобы сэкономить место на плате:
CP3  4, 7 мкФ : К53-26, с параметрами L  2 мм , В  2, 7 мм .
CР1  27нФ : К10 – 17, с параметрами L  1,3 мм , В  1,5 мм .
CК  0,91нФ : К10 – 17, с параметрами L  1,3 мм , В  1,5 мм .
АЧХ в области нижних частот:
Рассчитаем относительный коэффициент усиления в области нижних
частот, используя значения частот: 0,1 fн , 0, 2 fн , 0,5 fн , 0, 7 fн , fн , 1,5 fн , 2 fн
YН 
1
1


М Н1 М Н 2
1
2
1

2




1
1
1 
1 


 2 f Н CР 3 RН 
 2 f Н CР1  RГ  RЗ  
Пример расчета на частоте 0,1 fн  0,1 50  5 Гц :
1
1
YН 

 0, 076 раз
2
2
1
1




1 
1 
9
6 
6
3 
 2  5  27 10  0,33 10 
 2  5  4, 7 10  2 10 
Результаты расчетов сведены в таблицу 2.
Таблица 2
f Н , Гц
YН , раз
YН , дБ
0,1 fн  5
0,076
22,345
0, 2 fн  10
0,248
12,096
0,5 fн  25
0,375
3,431
0, 7 fн  35
0,802
1,919
fн  50
0,892
0,993
1,5 fн  75
0,949
0,455
2 fн  100
0,971
0,259
(21)
- 14 -
АЧХ в области верхних частот:
Рассчитаем относительный коэффициент усиления в области верхних
частот, используя значения частот: 0,5 f В , f В , 2 f В , 5 f В , 10 f В
YВ 
1
1   2 f В  СК  RC 
(22)
2
Пример расчета на частоте 0,5 f В  5кГц :
YВ 
1
1   2  5 103  0,91109  8, 6 103 
2
 0,971 раз
Результаты расчетов сведены в таблицу 3.
Таблица 3.
f В , кГц
YВ , раз
YВ , дБ
0,5 f В  5
0,971
0,255
f В  10
0,897
0,94
2 f В  20
0,717
2,938
5 f В  50
0,377
8,479
10 f В  100
0,199
14,01
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика в области нижних и верхних
частот
- 15 -
Проверка соответствия расчетных и заданных значений М Н и М В :
1
1

 1,121  0,993дБ
YY 0,892
1
1
МВ 

 1,115  0,94 дБ
YВ 0,897
МН 
(23)
3.2. Разработка топологии.
Расчёт площади занимаемой всеми элементами схемы:
S  SТр  S R  SC ,

(28)
где STp - площадь, занимаемая транзисторами;
S R - площадь, занимаемая резисторами;
S C - площадь, занимаемая конденсаторами.
STp  STp1  STp 2  11  0,6  0,6  1,36 мм2 ;
SR  SRЗ  SRГ  SRС  SRЭ  6  2, 2  0,72 1  3, 44  0, 4  13, 2  0,72  1,376  15, 296 мм2 ;
SC  SCP1  SCP 2  SCR  2  2,7  1,3 1,5  1,3 1,5  9,3 мм2 .
Суммарная площадь будет равна:
S  SТр  SR  SC  1,36  15, 296  9,3  25,956 мм2 .

Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами и
расстояния от края подложки, следует увеличить площадь в 3-4 раза, т.е.
суммарная площадь подложки должна быть S  75 100 мм2 .
Выберем подложку размером (10х12)мм2, материал – ситалл.
Необходимо учитывать следующие ограничения (для тонкопленочной
технологии):
- пассивные и активные элементы располагаются на расстоянии 1000мкм от
края подложки;
- навесные элементы (компоненты) устанавливаются в специально
отведённые места на расстоянии не менее 500 мкм от пленочных элементов
и не менее 600 мкм от контактных площадок; минимальное расстояние
между навесными компонентами 300 мкм;
- длина проволочных выводов навесных компонентов должна находиться от
600 мкм до 5мм;
- нижняя обкладка пленочных конденсаторов должна выступать за край
верхней обкладки не менее чем на 20 мкм; диэлектрик должен выступать за
край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм;
- минимально допустимая ширина пленочных проводников 100 мкм при
масочном методе, 50 мкм при фотолитографии;
- 16 -
- минимально допустимое расстояние между пленочными элементами
составляет 200 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитографии;
- минимально допустимые размеры площадок для припайки 400х400 мкм,
для приварки – 200х250 мкм;
- входные и выходные контакты располагаются вдоль длинных сторон
подложки на расстоянии не менее 1000 мкм от края;
Чертеж топологии представлен на рис. 6.
Рис.6. Чертеж топологии ГИМС в масштабе 10:1
- 17 -
3.3. Этапы изготовления устройства в виде гибридной интегральной
микросхемы.
Гибридные интегральные микросхемы представляют собой совокупность
пассивных пленочных элементов и активных навесных компонентов. Поэтому
технологию тонкопленочных ГИС можно разбить на технологию пассивных
пленочных элементов и технологию монтажа активных элементов.
1. Изготовление пассивных элементов.
Тонкопленочные элементы ГИС реализуются путем локального (через маски)
термического, катодного или ионо-плазменного напыления того или иного
материала на диэлектрическую подложку.
В качестве масок длительное время использовались катодные металлические
трафареты, которые обладали рядом недостатков, поэтому в последние годы для
получения необходимого рисунка используют фотолитографию – метод
заимствованный из технологии полупроводниковых ИС.
Рис. 7. Получение тонкопленочных резисторов методом фотолитографии:
а) фоторезистная маска(3)под рисунок проводящего слоя,
б) готовый рисунок проводящего слоя(2),
в) фоторезистная маска (3) под рисунок резистивного слоя (1),
г) готовый резистор с проводящими выводами
Фотолитографию осуществляют следующим образом. На подложку наносят
сплошные пленки, необходимых материалов, например, резистивный слой и
поверх него – проводящий слой. Затем поверхность покрывают фоторезистом и с
помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для
контактных площадок будущего резистора (рис. 7а). Через окна в фоторезистной
маске проводят травление проводящего слоя, после чего фоторезист удаляют. В
результате на пока еще сплошной поверхности резистного слоя получаются
готовые контактные площадки (рис. 7б.) Снова наносят фоторезист и с помощью
другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора (рис. 7в). Затем
производят травление, удаляют фоторезист и получают готовую конфигурацию
резистора с контактными площадками (рис. 7г).
Для резистивных пленок чаще всего используют хром нихром и пермет из смеси
хрома и моноокиси кремния. Метод напыления этих материалов – термический
- 18 -
вакуумный. Для обкладок конденсаторов используют алюминий. Для
диэлектрических слоев наибольшее распространение имеют моноокись кремния.
SiO и моноокись германия GeO. Для проводниковых пленок и омических
контактов используют, как правило, либо золото с подслоем CrTi, либо медь с
подслоем ванадия (назначение подслоев – улучшить адгезию с подложкой).
Толщина проводящих пленок и контактных площадок обычно составляет 0,5 – 1
мкм. Размеры контактных площадок 200х250 мкм и более.
Подложки тонкопленочных ГИС должны прежде всего обладать хорошими
изолирующими свойствами. Кроме того, желательны малая диэлектрическая
проницаемость, высокая теплопроводность, достаточная механическая прочность.
Температурный коэффициент расширения должен быть близким к
температурным коэффициентам расширения используемых пленок.
В настоящее время наибольшее распространение в качестве подложек используют
ситалл и керамика. Ситалл представляет собой кристальную разновидность
стекла, а керамика – смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах.
Толщина подложек составляет 0,5 – 1 мм. Обычно ГИС изготавливаются
групповым методом на ситалловых или иных пластинах большой площади. По
завершению основных технологических операций, связанных с получением
пленочных пассивных элементов металлической разводки, пластина разделяется
на отдельные подложки. Это обычно осуществляется методом скрайбирования.
После разделения подложек каждая из них снабжается навесными компонентами
и заключается в корпус.
Монтаж навесных компонентов.
В качестве навесных компонентов используются бескорпусные диоды и
транзисторы. Простейшим вариантом бескорпусного транзистора является
кристалл, полученный после скрайбирования, к трем контактным площадкам
которого присоединены тонкие проволочные выводы и который защищен от
внешней среды каплей эпоксидной смолы, обволакивающий кристалл со всех
сторон. Такой транзистор приклеивается к подложке вблизи тех пленочных
элементов, с которыми он должен быть соединен, после чего проволочные
выводы транзистора методом термокомпрессии присоединяются к
соответствующим контактным площадкам на подложке.
- 19 -
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная ГИС размером 10х12 мм представляет собой двухкаскадный
усилитель звуковой частоты с заданными в техническом задании
характеристиками.
Большое входное сопротивление удалось обеспечить применением полевого
транзистора включенного по схеме с ОИ, второй каскад – эмиттерный
повторитель, собран на биполярном транзисторе 2Т3704-1, который позволяет
получить большой коэффициент по току, а коэффициент по напряжению меньше
единицы, таким образом, удалось достичь заданного усиления по напряжению
KU  8, 27 .
- 20 -
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Методические указания. Конспект лекций. Новосибирск. 2011
2. Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника.
Проектирование, виды микросхем, новые направления. –М.: Высшая школа,
1978, -312с.
3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: учебное пособие для
вузов. – М.: сов. Радио, 1980., 424с.
4. Справочник под редакцией Перельмана Б. Л. «Транзисторы для
аппаратуры широкого применения» - М: «Радио и связь» 1981г.
5. http://thebard.narod.ru/Elektronika/Lect2/overall.htm