Разработка гибридной интегральной схемы усилителя электрических сигналов низкой частоты

СОДЕРЖАНИЕ Техническое задание Введение

1. Разработка структурной схемы

2. Разработка принципиальной схемы

3. Разработка интегральной микросхемы

3.1 Выбор навесных элементов и расчет конфигурации пленочных элементов

3.2 Расчет амплитудно-частотной характеристики Список литературы

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Разработать принципиальную схему и выполнить расчет двухкаскадной схемы усилителя низкой частоты с использованием полевого и биполярного транзисторов.

1. Напряжение источника питания .

2. Коэффициент усиления по напряжению .

3. Входное сопротивление .

4. Сопротивление нагрузки .

5. Номинальное выходное напряжение .

6. Нижняя рабочая частота .

7. Верхняя рабочая частота .

8. Коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте .

9. Коэффициент частотных искажений на верхней рабочей частоте .

10. Тип входа — несимметричный.

11. Тип выхода — несимметричный.

Исходные данные для варианта 10 сведены в таблицу 1.

Таблица 1

ВВЕДЕНИЕ

усилитель частота транзистор пленочный Курсовое проектирование является важным этапом в освоении изучаемого предмета, позволяющим применить на практике знания, полученные в процессе проработки лекционного курса.

Проектирование заключается в разработке и полном расчете электрической схемы гибридной интегральной схемы (ГИС) — усилителя электрических сигналов низкой частоты (УНЧ).

Особенностью проектирования ГИС-УНЧ является то, что невозможно получить единственное однозначное решение, необходимо достичь определенного компромисса между выдвигаемыми требованиями, зачастую достаточно противоречивыми.

Сферы использования ГИС очень разнообразны, широко применяются подобные микросхемы в системах автоматического управления, в вычислительной технике, измерительных приборах, устройствах голосовой связи. Применение ГИС позволяет снизить массо-габаритные показатели аппаратуры, повысить энергоэффективность, надежность, снизить эксплуатационные расходы.

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ Рис. 1. Структурная схема разрабатываемого устройства В общем случае техническому заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с использованием полевого и биполярного транзисторов.

Обобщенная структурная схема разрабатываемого устройства состоит из следующих блоков:

— Входной узел. 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. Следовательно, выбираем транзистор с каналом 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 .

— Выходной узел. Служит для согласования второго каскада с нагрузкой. В разрабатываемом устройстве для этого служат разделительные конденсаторы, которые не дают пройти постоянной составляющей в нагрузку. Т.к. это разделительные конденсаторы, то они определяют АЧХ в области нижних частот.

Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов частотных искажений отдельных каскадов:

(1)

Обычно коэффициент частотных искажений выражают в децибелах

(2)

Согласно заданию коэффициент частотных искажений на нижней и верхней граничных частотах усилителя и в данном случае определяется выражением. Распределим искажения поровну между двумя каскадами: .

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема усилителя с несимметричным входом и несимметричным выходом С учетом комплекса требований ТЗ к разрабатываемому устройству выберем двухкаскадную схему с непосредственной связью между каскадами. Это позволит уменьшить количество элементов и расширить полосу пропускания в области нижних частот.

Первый каскад предлагается выполнить на полевом транзисторе включенном в схему с общим истоком (ОИ), такое включение позволит выполнить требования ТЗ по входному сопротивлению, получить в первом каскаде достаточное усиление и низкий коэффициент шума всего усилителя.

Второй каскад выполняется на биполярном транзисторе по схеме эмиттерного повторителя (схема с общим коллектором) (ОК).

В нашем случае коэффициент усиления устройства равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов:

(3)

где — коэффициент передачи входного узла;

— коэффициент передачи первого каскада;

— коэффициент передачи второго каскада;

— коэффициент передачи выходного узла.

Так как выходной каскад имеет коэффициент усиления достаточно близкий к единице, но все же меньше, а входной и выходной узлы не являются активными каскадами, зададим ориентировочно произведение :

Ориентировочно определим коэффициент усиления первого каскада:

(4)

После распределения частотных искажений и усиления между каскадами произведем расчет транзисторных каскадов. Будем использовать графоаналитический метод.

Расчет первого каскада:

На рис. 3 приведены семейство выходных характеристик ПТ 2П201А с переходом и каналом типа.

Рис. 3. Семейство выходных характеристик ПТ 2П201А Определим минимальное напряжение стокисток в точке покоя:

(5)

где =1,5 В — напряжение отсечки выбранного транзистора ;

=2 В — номинальное выходное напряжение;

— 0,5 В — напряжение запаса, обеспечивающее роботу транзистора в рабочей области стоковых характеристик.

В Выбираем рабочую точку при нулевом смещении на затворе. Такой выбор упрощает принципиальную схему и топологию, так как нет необходимости в сопротивлении в цепи стока, и конденсаторе большей емкости, шунтирующего это сопротивление для устранения отрицательной обратной связи.

Определим динамическое внутреннее сопротивление в рабочей точке:

(6)

Определяем сопротивление резистора в цепи стока R2:

(7)

где ток стока в рабочей точке В нашем случае, коэффициент усиления каскада в большей степени определяется величиной и для расчета коэффициента усиления воспользуемся формулой:

(8)

где — крутизна в рабочей точке.

(9)

Подставив значения в формулу (8) получим коэффициент усиления напряжения первого каскада:

Расчет второго каскада: Основная задача второго каскада — согласование сопротивления нагрузки с высоким выходным сопротивлением предшествующего каскада и обеспечение необходимой мощности.

Определим минимальную постоянную составляющую коллекторного напряжения:

В (10)

Определяем амплитуду тока нагрузки:

(11)

Ток покоя транзистора выходного каскада должен в 2−3 раза превышать амплитуду тока нагрузки. Выбираем :

Напряжение на базе транзистора выходного каскада равно напряжению стокисток транзистора первого каскада:

В (12)

Падение напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера:

В (13)

Постоянная составляющая коллекторного напряжения:

В (14)

что не меньше определенного ранее по формуле (10).

Так как по ТЗ задана отрицательная полярность питающего напряжения, выбираем транзистор структуры n-p-n, у которого максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер должно быть не менее 12 В (напряжение питания) и ток коллектора не менее 5 мА.

Выбираем транзистор 2Т370А-1 с параметрами:

На выходных статических характеристиках транзистора (рис. 4) выбираем рабочую точку А, с координатами:

.

.

В

Рис. 4. Семейство входных и выходных характеристик транзистора 2Т370А-1

Входное сопротивление транзистора в рабочей точке:

Ом (15)

Коэффициент передачи тока:

(16)

Величина сопротивления в цепи эмиттера:

(17)

Коэффициент передачи выходного каскада:

(18)

где (19)

Подставив рассчитанные значения в формулу (18) получим :

Входное сопротивление второго каскада:

(20)

Общий коэффициент усиления по напряжению:

Коэффициент усиления получился выше требуемого, поэтому уменьшим коэффициент передачи входного устройства до значения — 0,968.

Сопротивление источника сигнала при этом составит:

(21)

Общий коэффициент усиления:

Требования ТЗ выполнены.

Рассчитаем величины емкостей разделительных конденсаторов, переведя заданные коэффициенты частотных искажений по каскадам в разы.

Коэффициент частотных искажений на нижней частоте рабочего диапазона определяется разделительными конденсаторами: и. Распределим искажения между этими конденсаторами в равных частях:

(22)

(23)

Определим величину корректирующего конденсатора:

(24)

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:

2Т370А-1:

Резистор R1, который определяет входное сопротивления устройства выбираем из стандартного ряда ряд Е24, R3 =330 кОм с размерами: L=6мм, В=2,2 мм Навесные элементы необходимо устанавливают не ближе 500мкм от пленочных элементов и не ближе 600 мм от контактных площадок; минимально допустимое расстояние между навесными элементами 300 мкм. Длина проволочных выводов навесных элементов допускается от 600 мкм до 5 мм. Расчет пленочных резисторов:

Расчет максимальной рассеиваемой мощность каждого резистора и выбор конфигурации и размера.

(25)

где I_i — ток, протекающий через резистор.

.

Далее определим коэффициент формы:

(26)

где величина сопротивления;

— удельное поверхностное сопротивление.

Для изготовления резисторов выбираем сплав РС3001 с высоким удельным поверхностным сопротивлением. Удельное сопротивление сплава, удельная мощность рассеяния .

Подставив в (29) числовые значения, получим:

Так как, то резистор будет прямоугольной формы Так как-то резистор будет прямоугольником, у которого длина чуть меньше ширины.

Расчёт длины резистора:

(27)

где расчетная мощность резистора;

удельная мощность материала.

^*

^*Округление производится до десятых долей в большую сторону.

Ширина резисторов определяется из формулы:

(28)

^*Округление производится до десятых долей в большую сторону.

Полученные значения длины и ширины резисторов больше минимальных:, .

Расчёт плёночных конденсаторов:

Для плёночных конденсаторов в качестве диэлектрика выбираем окись тантала, как имеющую большую удельную ёмкость, в качестве материала обкладок — алюминий.

Рассчитаем площади конденсаторов:

(29)

Ввиду большой площади элементов и, более целесообразным представляется применение навесных элементов с номиналами из стандартного ряда Е24:

— К10−17, номинал 27 нФ, размеры:, .

— К53−26, номинал 4,7 мкФ, размеры:, .

Для проводников и контактных площадок выбираем медь с подслоем ванадия для улучшения адгезии к подложке. Толщину проводников и контактных площадок примем 0,5 — 1 мкм. Размеры контактных площадок 200×250 мкм и более.

Тонкопленочные элементы ГИС выполним путем термического, катодного или ионо-плазменного напыления на диэлектрическую подложку соответствующего материала через диэлектрические маски.

Формирование конфигурации тонкопленочных элементов выполним с применением метода фотолитографии .

3.2 Расчет амплитудно-частотной характеристики АЧХ в области нижних частот:

Расчет относительного коэффициента усиления в области нижних частот проведем по формуле:

(30)

В качестве в формулу (30) будем подставлять величины, ,.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2

АЧХ в области верхних частот: Определим относительный коэффициент усиления на частотах,, ,

(31)

Для частоты :

Результаты дальнейших расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3.

Проверка соответствия расчетных и заданных значений и :

(32)

Сквозная АЧХ устройства изображена рис. 5.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика

1. Методические указания. Новосибирск. 2006.

2. Ефимов И. Е., Горбунов Ю. И., Козырь И. Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, новые направления. -М.: Высшая школа, 1978.

3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники: учебное пособие для вузов. — М.: сов. Радио, 1980.

4. Справочник под редакцией Перельмана Б. Л. «Транзисторы для аппаратуры широкого применения» — М: «Радио и связь» 1981

5. Игнатов А. Н., Калинин С. В., Савиных В. Л. Основы электроники. Учебное пособие. Новосибирск 2005.