Учебное пособие 800347

Для тех случаев, когда трудно выделить отдельные локальные области или их число очень велико (например, компоненты в БИС), и если известна аналитическая модель (x, y, z) , вместо F1 предлагается использовать сред-

неинтегральное значение перегрева поверхности подложки (платы) при z 0, определяемое следующим образом

модуль которого определяет степень неравномерности (максимальное изменение на единицу длины) перегрева

а направление наибольшей неравномерности определяется по направляющим косинусам:

Для оценки температурного градиента в заданном направлении l, (например, если какие-то элементы должны находиться в изотермической об-

Процесс топологического проектирования аналоговых МЭУ весьма сложен, что объясняется необходимостью получения максимальной точности характеристик, которая определяется такими параметрами, как уровень сдвига, дрейф, линейность и т.д. Основной источник погрешности в таких схемах это температурные градиенты, которые приводят к различию режимов компонентов. Такие градиенты являются следствием локальных перегревов. Таким образом, проектирование топологии аналоговых устройств (ИС, ГИС, МСБ), в особенности прецизионных, требует обязательной оценки направлений и величин температурных градиентов (разности температур) и принятия мер по их устранению или ослаблению.

Среди МЭУ широко распространены МСБ и ГИС, выполняющие роль усилителей высокой частоты (УВЧ), усилителей постоянной частоты (УПЧ), радиотехнических преобразователей, генераторов и др. Микросборки УВЧ строятся на основе бескорпусных транзисторов или бескорпусных линейных интегральных схем (ЛИС). Такие устройства используют схемы каскодного усиления или дифференцированных каскадов

(рис. 2.3).

Схемотехнические решения, лежащие в основе УВЧ, определяют требования,

предъявляемые к ТР подобных устройств. Их температурное поле должно быть равномерным, иначе превышение температуры в месте установки какого-либо из транзисторов (ЛИС) над температурой других активных элементов вызовет нескомпенсированное изменение выходных характеристик всего усилителя (из-за изменения температурного дрейфа нуля и температурного дрейфа входных токов). В связи с этим при оптимизации размещения ИТ УВЧ в качестве теплового критерия следует выбирать равномерность температурного поля. Такое же заключение следует сделать и для УПЧ, использующих несколько активных элементов (транзисторов или ЛИС) и построенных аналогичным образом. Дифференциальные каскады используются и в многофункциональных схемах, в связи с чем для них также следует выбирать критерий равномерности температурного поля. Наилучшие результаты дает размещение транзисторов VT1 и VT2 (рис. 2.3) на линии изотермы.

Рис.2.3. Фрагменты схемы усилителя:

а) дифференциальный каскад; б) каскодный каскад.

Детекторы, использующие, как правило, одну ЛИС и отличающиеся схемотехникой от УВЧ и УПЧ, не столь сильно нуждаются в равномерном распределении температуры. Для этого класса приборов можно рекомендовать использование критерия минимизации средней температуры, что равнозначно минимизации максимальных локальных значений температур в i-х точках.

Цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи содержат резистивные матрицы,

формирующие выходное сигналы, наборы токовых ключей, выходной усилитель и источник опорного напряжения (рис. 2.4).

Для поддержания необходимой точности преобразований все элементы различных разрядов должны находится в одном и том же режиме, что и определяет необходимость обеспечения равномерности температурного поля. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) строятся с использованием различных схем в зависимости от метода преобразования и способа реализации. Однако повторение одинаковой схемы в конструкции АЦП n раз (n – количество разрядов) наряду с требованием повышения точности преобразования приводит к аналогичному выводу. Для больших ГИС (БГИС) или МСБ, выполняющих функции микропроцессора, микроЭВМ или сложные функции преобразования сигналов (например, декодирующее устройство, сигнальный процессор и т.д.) и рассеивающих большую удельную мощность, необходимо использование критерия минимизации суммарной температуры. Для генераторов и модуляторов характерно большое разнообразие схем, однако определяющим правилом для выбора теплового критерия является наличие в них каскодных, дифференциальных каскадов или симметричных схем (рис. 2.5). При на-

личии подобных схемных решений следует использовать критерии равномерности температурного поля.

Аналогичным образом, анализируя схемотехнические решения, основные параметры и конструкцию различных типов МЭУ, приходим к выводу о предпочтительности использования тех или других тепловых критериев при оптимизации ТР. Результаты такого анализа сведены в табл. 2.1 /93/. Как видно из этой таблицы, наиболее часто используемыми являются критерии минимизации суммарного перегрева (минимизация максимальных локальных значений температур) и обеспечения равномерного распределения температурного поля.

Другие критерии являются второстепенными и могут быть применены по решению проектировщика в частных случаях при превышении температурой некоторых критических значений в определенных точках конструкции. Рассматривая зависимость использования тепловых критериев от вида разрабатываемого устройства (МСБ, микроблок, многокристальный модуль), отметим следующее. Для МСБ следует в основном ориентироваться на выполняемую устройством функцию и схемотехническое решение.

При проектировании микроблоков необходимо отдавать предпочтение критерию

минимизации суммарного перегрева, а уже при более детальной оптимизации ТР требуется анализировать схемотехнические особенности и функции, выполняемые каждой из микроплат (подложек), и использовать

Рис.2.4. Фрагмент резистивной матрицы

Рис.2.5. Фрагмент симметричной схемы

критерии равномерности температурного поля, минимизации максимального значения температуры, обеспечения заданных значений температуры в определенных точках и минимизации максимальных локальных значений температур в частной оптимизационной модели. Особенности конструкции многокристального модуля, к которым можно отнести упорядоченное расположение кристаллов и примерное равенство мощностей, рассеиваемых кристал-

Т