Розробка стабілізатора напруги на базі інформаційних технологій схемотехнічного проектування
Розробка стабілізатора напруги на базі інформаційних технологій схемотехнічного проектування
ЗмістВступ1 Аналіз функціонування ЗЕМ на базі інформаційних технологій схемотехнічного проектування.1.1 Характеристики і умови експлуатації ЗЕМ та його функціональні властивості у статичному режимі 1.2 Аналіз функціональних властивостей ЗЕМ у часовій та частотній областях2 Проектування конструкторської реалізації ЗЕМ у формі ГІС.2.1 Проектування плівкових пасивних елементів і конструкції ГІС…2.2 Визначення параметрів паразитних елементів ГІС…3 Аналіз впливу паразитних елементів і забезпечення функціональних властивостей ЗЕМ на базі СхСАПР4 Висновки…ВступУ даній курсовій роботі проводиться функціональне моделювання і аналіз властивостей ЕЗ, моделювання його надійності у температурному діапазоні експлуатації, а також аналіз і реалізацію функціональних властивостей заданого електронного модуля (ЗЕМ), аналізу стану ЕЗ у статичному та динамічному режимах. При цьому потрібно розв'язати задачі з розробки конструкторської реалізації цифрового електронного модуля з урахуванням впливу конструктивно-технологічних і експлуатаційних чинників, зокрема паразитних зв'язків на підложці ГІС та параметрів умов експлуатації (температури, вологи, тиску), для чого потрібно знати:- методику математичного моделювання сигналів та впливів у середовищі САПР;методику математичного моделювання надійності ЕКЗ з раптових відмов у заданому температурному діапазоні;методику реалізації ЗЕМ у формі тонко/товстоплівкової ГІС з урахуванням її конструктивних і схемотехнічних особливостей та умов експлуатації;методику математичного моделювання і аналізу функціональних властивостей ЗЕМ у статичному режимі, у часовій області у середовищі СхСАПР. При цьому треба уміти:- проводити математичне моделювання надійності ЕКЗ з раптових відмов у заданому температурному діапазоні;розробляти технічну реалізацію ЗЕМ у формі тонкоплівкової ГІС з урахуванням її конструктивних і схемотехнічних особливостей та умов експлуатації;формувати математичні моделі і проводити аналіз функціональних властивостей ЗЕМ у статичному режимі, у часовій та частотній областях на базі СхСАПР;виконувати текстову та графічну документацію для ЗЕМ у формі ГІС.1 Аналіз функціонування ЗЕМ на базі інформаційних технологій схемотехнічного проектування1.1 Характеристики і умови експлуатації ЗЕМ та його функціональні властивості у статичному режиміУ якості ЗЕМ розглядається мікросхема - стабілізатор напруги К2ПП241. Схема електрична принципова та схема включення наведені на рисунках 1.1 та 1.2 відповідно. Рисунок 1.1Рисунок 1.2Технічні дані:Ток, що споживається Iпот=2,5 мА;Вхідна напруга Uвх=5,4?12 В;Стабілізована напруга Uстаб=2,9?3,9 В (визначається стабісторами);Коефіцієнт стабілізації Кстаб=5.Умови експлуатації:1. Вібрації 5 - 3000 Гц з прискоренням до 15g;2. Багаторазові удари з прискоренням до 35g ;3. Поодинокі удари з прискоренням до 150g на протязі 0,2 - 1,0 мс;4. Лінійні навантаження: прискорення до 50g;5. Температура навколишнього середовища від -60 до +70? С;6. Відносна вологість при температурі +40? С до 98%;7. Атмосферний тиск 6,7*102?3*105.Аналіз в статичному режимі проводився для трьох температур:1. -60 ? С;2. 27 ? С;3. +70 ? С.Мікросхема містить чотири резистори. Для здійснення нормального функціонування виробу було обрано номінальні опори резисторів:|
Позначення на схемі | Опір, Ом | | R1 | 1500 | | R2 | 1000 | | R3 | 1000 | | | Базові дані зі статичного режиму.Для режиму роботи при температурі -60°:Таблиця1.1Напруги і струми для стабілітронів: Таблиця 1.2Напруги і струми для транзисторів: Таблиця 1.3Для режиму роботи при температурі 27° (нормальні умови):Таблиця 1.4Напруги і струми для стабілітронів: Таблиця 1.5Напруги і струми для транзисторів: Таблиця 1.6Для режиму роботи при температурі +70°:Таблиця 1.7Напруги і струми для стабілітронів: Таблиця 1.8Напруги і струми для транзисторів: Таблиця 1.9Схеми принципові з показниками напруг та струмів, промодельовані для трьох температур знаходяться у Додатку 1. 1.2 Аналіз функціональних властивостей ЗЕМ у часовій областіРобота ЗЕМ у значній мірі характеризується динамікою, тобто функціональними властивостями у часовій області. Моделювання проводиться в системі OrCad 9.2, в програмі Pspice Schematics.Для моделювання задаємо наступні параметри:1. У вікні Analisis Setup вибираємо пункти Temperature і Transient.2. Натискуємо кнопку Temperature і зписуємо через кому три значення температури: -60, +25, +60.3. Натискаємо кнопку Transient і вводимо наступні дані Print Step(Крок друку) задаємо 10нс, Final Time(Кінцевий час відліку) - 1 с, Step Ceiling - 10ms.4. Як джерела сигналів обираємо джерело постійної напруги (VDC). Встановлюємо рівень сигналу DC=12V.5. Запускаємо моделювання натиснувши Simulate. Роздруковані часові діаграми приведені в додатку 2.2 Проектування конструкторської реалізації МС К2ПП241 у формі ГІС2.1 Проектування плівкових пасивних елементів і конструкції ГІС Основна задача даного розділу - розрахунок і розробка топології і конструкції функціональних вузлів радіоелектронної апаратури у вигляді ГІС, в даному випадку - мікросхеми К2ПП241. Вибір технології виготовлення ГІС базується на аналізі виробу: - функція виготовляємої ГІС; - масштаб виробництва; - умови експлуатації; - та ін. і здійснюється відповідно до принципової схеми з урахуванням конструктивно-технологічних обмежень. У залежності від способу формування плівкових елементів, ГІС підрозділяють на: - тонкоплівкові; - товстоплівкові. Різноманітні методи формування конфігурації елементів у тонкоплівковій технології забезпечують формування плівкових елементів у широкому діапазоні значень їх параметрів із достатньо високою точністю і відтворенням. Для даної мікросхеми було обрано саме тонкоплівковий метод. Вихідні дані для розрахунку наведені у таблиці 2.1. Так як номінал усіх резисторів лежить в межах 1 - 10 кОм, обираємо один резистивний матеріал для забезпечення необхідного опору. Визначаємо оптимальне значення питомого опору резистивного матеріалу по формулі 2.1: (2.1) де - номінал і-го резистора, n - число резисторів. Отримуємо оптимальне значення питомого упору 1145,644 Ом/кв. Обираємо резистивну пасту із питомим опором, найближчим до розрахованого: сплав РС-3001 з питомим опором 1 кОм/кв та питомою потужністю розсіювання Р0=20 мВт/мм2 Таблиця 2.1 |
Позначення на схемі | Номінальний опір, Ом | Потужність, Вт | | R1 | 1500 | 0,059 | | R2 | 1000 | 0,007 | | R3 | 1000 | 0,0007 | | |
Конструктивний розрахунок тонкоплівкових резисторів полягає у визначенні форми, геометричних розмірів і мінімальної площі, що займають резистори на підкладці. При цьому необхідно, щоб резистори забезпечували розсіювання заданої потужності при дотримуванні необхідної точності в умовах існуючих технологічних можливостей. Необхідно перевірити правильність вибору матеріалу з точки зору точності виготовлення резисторів. Повна відносна похибка виготовлення плівкового резистора складається із суми похибок: , (2.2) де - похибка коефіцієнта форми і відтворення розміру резистивної плівки відповідно; - температурна похибка; - похибка, обумовлена старінням плівки; - похибка перехідних опорів контактів. Похибка коефіцієнта форми залежить від похибок геометричних розмірів (довжини і ширини ) резистора: (2.3) Похибка відтворення питомого поверхневого опору залежить від умов напилювання і матеріалу резистивної плівки. В умовах серійного виробництва її значення не перевищує 5%. Температурна похибка залежить від ТКО матеріалу плівки: , (2.4) де - ТКО матеріалу плівки, 1/oС або 1/K. Похибка обумовлена старінням плівки за рахунок повільної зміни структури плівки з часом і її окислювання. Вона залежить від матеріалу плівки та ефективності захисту, а також від умов зберігання і експлуатації. , (2.5) де - час; - коефіцієнт старіння плівкового резистора, що визначає тимчасову нестабільність його опору. Похибка сплаву РС-3001 становить 0,5% Похибка перехідних опорів контактів визначається технологічними умовами напилювання плівок, питомим опором резистивної плівки і геометричними розмірами контактного переходу: довжиною перекриття і шириною резистора. Її значення Якщо матеріал контактних площадок обраний відповідно до табличних даних, то цією похибкою можна знехтувати. Значення похибок для даного випадку знаходяться у таблиці 2.2 Допустима похибка коефіцієнта форми: (2.6) Таблиця 2.2 |
| | | | | | 0,15 | -2,60E-03 | 0,005 | 0,02 | 0,005 | | |
Оскільки отримане значення не є від'ємним, то можемо продовжувати розрахунки. Визначаємо коефіцієнт форми: (2.7) При рекомендується конструювати резистор прямокутної форми типу “смужка”, у якого довжина більше ширини . Спочатку визначаємо мінімальну ширину резистора, використовуючи умову: , (2.8) де - мінімальне значення ширини резистора, обумовлене технологічними можливостями виготовлення; - мінімальне значення ширини резистора, що забезпечує задану точність виготовлення; - мінімальне значення ширини резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання. Мінімальне значення ширини резистора знаходимо за формулою: (2.9) де , - похибки ширини і довжини, що залежать від методу виготовлення. Мінімальне значення ширини резистора розраховуємо за формулою: (2.10) За ширину резистора приймаємо найближче до значення, кратне кроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології з урахуванням масштабу. Для тонкоплівкової технології крок координатної сітки звичайно становить 1 або 0,5 мм (у даному випадку, якщо крок 1 мм, масштаб 20:1, то округлення роблимо до розміру, кратного 0,05 мм). Розрахункову довжину резистора визначаємо за формулою: (2.11) За довжину резистора приймаємо найближче до більше ціле значення, кратне кроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології з урахуванням масштабу. Визначаємо повну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних площадок. Для резистора, виготовленого масковим методом, вона буде дорівнювати: , (2.12) де - розмір перекриття резистивної плівки контактною площадкою. Потім визначаємо площу, яку займає резистор на підкладці. (2.13) Результати розрахунків: Таблиця 2.8 |
| , м | | | | | | , м2 | , мм2 | | R1 | 0,0001 | 0,000135501 | 0,001402 | 0,00145 | 0,002175 | 0,002375 | 3,4438E-06 | 3,44375 | | R2 | 0,0001 | 0,000162602 | 0,000592 | 0,0006 | 0,0006 | 0,0008 | 0,00000048 | 0,48 | | R3 | 0,0001 | 0,000162602 | 0,000187 | 0,0002 | 0,0002 | 0,0004 | 0,00000008 | 0,08 | | |
Для перевірки знаходимо дійсну питому потужність і похибку резистора. Резистор спроектований задовільно, якщо: - питома потужність розсіювання не перевищує припустиме значення : ; (2.14) - похибка коефіцієнта форми не перевищує припустиме значення: ; (2.15) - сумарна похибка не перевищує допуск: (2.16) Розрахунки на основі вищевказаних формул проведені в електронній таблиці Excel та перевірені за допомогою програми, написаної на мові Borland C++ 5.02, роздруківка якої наведена у додатку 3. Площу плати, необхідну для розміщення усіх елементів IС визначають, виходячи з того, що корисна площа плати, що займається елементами, компонентами і контактними площадками, дещо менша її загальної площі, що обумовлено технологічними вимогами й обмеженнями. З цією метою приймають коефіцієнт використання плата Кs, значення якого в залежності від складності схеми і засобу її виготовлення складає 2...3. Загальна площа плати: (2.17) де - кількість плівкових резисторів; , - площа i-го резистора; - кількість навісних транзисторів; - площа i-го транзистора; - кількість контактних площадок під виводи корпусу; - площа контактної площадки; - кількість контактних площадок під виводи навісних елементів; - площа контактної площадки. Отримали Sпідк=26,5 мм2 Розраховану площу плати заокруглюють до площі, найближчої з рекомендованого ряду, що дозволяє орієнтовно визначити конструктивні ознаки корпуса ІС, за якими вибирають типо-розмір придатного корпуса з числа нормалізованих. Довжина l=6мм, ширина b=5 мм, типорозмір підложки - 11. Обираємо корпус «Тропа». Топологічне та збиральне креслення наведені у додатку 4. 2.2 Визначення параметрів паразитних елементів ГІС У розробленій топології є місця, котрі представляють собою паразитні елементи. Ескіз топології наведений на рисунку 1. Для розрахунку паразитних ємностей використовуємо формулу: (2.11) Де b - довжина провідників, w - відстань між провідниками, h - товщина підложки, t - товщина провідників (мм), . Згідно топології паразитні ємності будуть між виводами 1 і 2, 2 і 3 та 3 і 4, а також між виводами 7 і 8 та 8 і 9. Розрахунок паразитних ємностей проводимо в програмі Microsoft Excel, записавши необхідні розрахунки. Виводи 1 і 2 та 6 мають значну відстань паралельного проходження всередині мікросхеми. Для паразитних індуктивностей використовуємо формулу (2.12) Початкові дані для розрахунку та результати зведені до таблиць 2.9 та 2.10. Таблиця 2.9 |
| Довжина провідників, мм | Відстань між провідниками, мм | Ємність, пФ | | Виводи 1 2 | 3,175 | 0,2 | 0,780344 | | Виводи 2 3 | 0,2 | 0,75 | 8,738025 | | Виводи 3 4 | 1,4 | 0,575 | 7,54662 | | Виводи 7 8 | 0,2 | 0,75 | 8,738025 | | Виводи 8 9 | 0,2 | 0,75 | 8,738025 | | |
Таблиця 2.10 |
| Довжина провідників, мм | Індуктивність, нГ | | L1 | 3,8675 | 0,693372 | | L2 | 3,1755 | 0,711979 | | L3 | 3,2675 | 0,708133 | | |
Програма розрахунку паразитних параметрів знаходиться у додатку 4. Товщина підкладки h=0,5мм, товщина доріжок t=0.01мм. 3 Аналіз впливу паразитних елементів і забезпечення функціональних властивостей ЗЕМ на базі СхСАПР Визначені паразитні ємності вводимо до схеми ЗЕМ. Проводимо аналіз схеми у статичному режимі. Для його проведення необхідно провести моделювання схеми при трьох температурах: -60 ? , 25 ? , 60 ?. Також проводимо аналіз ЗЕМ з паразитними елементами у часовій області. Схема з паразитними елементами, показники напруги та струму в схемах, а також аналіз схеми у часовій області зображені у додатку 5. В цьому підрозділі проводимо порівняльний аналіз функціональних властивостей ЗЕМ з паразитними параметрами та без них у статичному режимі та у часовій області. Таким чином можемо зробити висновок про вплив паразитних елементів на роботу ЗЕМ і ефективність його конструкторської реалізації у формі ГІС. Як ми виявили, паразитні параметри майже не впливають на роботу ЗЕМ. Це видно з статичних та часових характеристик які знаходяться а додатках 1, 2, 5. Висновки Виконавши курсову роботу розробили принципову схему ЗЕМ, промоделювали її в системі OrCad 9.2. Визначили параметри схеми у статичному режимі та у часовій області. Розробили топологію гібридної інтегральної схеми. Виконали розрахунки паразитних елементів ГІС, визначили їх вплив на робрту схеми у статичному та динамічному режимі.
|
|