Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Разработка интегрального устройства. Учебно-методическое пособие
.pdf
11
Рассматривая работу активных элементов в квазистатическом режиме и
используя семейства выходных характеристик с построением нагрузочных
прямых, необходимо провести расчет коэффициента усиления напряжения и
номинальных значений элементов.
Разработку принципиальной схемы целесообразно начинать с выходного
каскада. Идеальным вариантом является распределение напряжения питания
поровну между нагрузкой и транзистором: UП = U
Rн=
+ UКЭ, где U
Rн=
– напря-
жение, падающее в нагрузке по постоянному току.
Типовая схема усилителя с несимметричным выходом на БТ с ОК представлена на рисунке 2. В этом случае в качестве сопротивления нагрузки по постоянному току RН= выступает резистор RЭ. Типовая схема усилителя с разделенной нагрузкой представлена на рисунке 3. В ней в качестве сопротивления
нагрузки по постоянному току выступают 2 сопротивления RК и RЭ, поэтому
для этой схемы справедливо следующее распределение напряжения питания:
UП = URэ + URк + UКЭ: URэ = URк = 0,5 UКЭ= UП/4, следовательно, Rэ = Rк.
Далее уточняется напряжение в рабочей точке ПТ c учетом падения
напряжения 0,7 В на открытом эмиттерном переходе биполярного транзистора:
ВUU
А
СИ
7,0
Rэ
. (3)
Через точки с координатами (U
СИ А
, UЗИ = 0), (IC = 0, UП) проводится линия
нагрузки (рисунок 4).
Рисунок 4 – Семейство ВАХ ПТ с p-n переходом
и каналом p-типа с нагрузочными прямыми
12
Далее вычисляют значение КU1 по формуле
БТВХ
RRRSK
iCUI
, (4)
где выражение в скобках представляет собой параллельное соединение сопротивления в цепи стока RC, вычисляемого по формуле
C0
П
I
U
R
C
, (5)
где IС0 – ток стока при нулевом напряжении на стоке;
внутреннего (выходного) сопротивления полевого транзистора Ri, которое
находят по семейству стоковых характеристик;
и входного сопротивления транзистора следующего каскада R
BX БТ
, рассчитыва-
емого следующим образом:
ВХ БТ=ℎ11Э
+(1+ℎ
21Э)ЭЭ
, (6)
где
КНЭ
КНЭ
ЭЭ
RRR
RRR
R
.
Значение параметра h
21Э
определяется с использованием семейства выход-
ных характеристик БТ в районе точки покоя, которая определяется пересечением нагрузочной прямой и прямой, проведенной через значение напряжения, падающего в нагрузке каскада по постоянному току.
Значение параметра h
11Э
определяют по входной характеристике БТ. Вход-
ной ток должен соответствовать выбранной точке покоя БТ, указанной на выходной характеристике БТ.
Если рабочая точка оказалась в пологой области выходных ВАХ ПТ, где
внутреннее сопротивление транзистора очень велико (прямые I и III), то коэффициент усиления по напряжению первого каскада можно вычислить по упрощенной формуле:
CUI
SRK
, (7)
где S – крутизна ПТ в рабочей точке, которую находят по семейству стоковых
характеристик; RC – сопротивление в цепи стока.
Но в случае, если коэффициент усиления оказался немного больше заданного, даже при большом внутреннем сопротивлении полевого транзистора,
предпочтительнее проводить расчет по формуле (4), т.к. эквивалентное сопротивление нагрузки оказывается меньше, чем RC и, следовательно, меньше будет
коэффициент усиления.
Если в схеме с несимметричным выходом рассчитанный коэффициент
усиления не соответствует заданному, необходимо передвинуть рабочую точку:
вправо (в случае избытка усиления) и влево (в случае недостатка) и повторить
расчеты. При этом, если рабочая точка соответствует прямой III (точка А’’ на
рисунке 4), тогда напряжение в ней приближается к напряжению питания UП,
это приведет к тому, что не будет обеспечиваться нормальный режим работы
транзистора выходного каскада. Напряжение коллектор-эмиттер будет недопу-
13
стимо малым (режим работы БТ близок к насыщению), и, следовательно, выходной каскад не обеспечит необходимого по заданию напряжения U
НОМ
.
А если рабочая точка оказалась в крутой области выходных характеристик
ПТ (прямая II), в этом случае будет сложно реализовать высокие значения
КU, т.к. транзистор имеет низкие значения крутизны, а нагрузка шунтируется
малым динамическим сопротивлением Ri самого транзистора. Кроме того, рабочей точке соответствует малое напряжение, которое может быть недостаточным для обеспечения требуемого напряжения на выходе усилителя U
НОМ
. Тогда
необходимо повторить выбор ПТ с соответствующими параметрами для реализации заданного коэффициента усиления.
Для схем с симметричным выходом рабочую точку передвигать нельзя —
нарушится симметрия. Поэтому в случае избытка усиления, полученного на
первом или втором каскаде, допускается для ослабления использовать дополнительный резистор R
доп
, рассчитав нужное значение сопротивления по форму-
ле
, (8)
где RВХ – входное сопротивление первого каскада, обусловленное резистором
RЗ ( RВХ= RЗ), К
ВХ
– коэффициент передачи входной цепи, определяемый как
отношение заданного коэффициента усиления к рассчитанному. Выбор номинала этого резистора проводят согласно ГОСТ, а сам резистор располагают на
подложке.
Если рассчитанный коэффициент усиления оказался меньше заданного, то
единственный выход – повторить выбор ПТ (используя справочную литературу, выбрать транзистор с большей крутизной в рабочей точке) и весь расчет.
Транзистор выходного каскада выбирается по току покоя IК0 в рабочей
точке, который, чтобы избежать нелинейных искажений, должен в 2–3 раза
превышать ток нагрузки IК0=2÷3IН, где ток нагрузки вычисляется по формуле
Н
НОМ
Н
R
U
I
2
, (9)
где U
ном
и RH – номинальное напряжение и сопротивление нагрузки соответ-
ственно, заданное в ТЗ.
Тогда:
RЭ=U Rэ/IК0. (10)
В каскаде с разделенной нагрузкой (симметричным выходом): Rк =Rэ.
Коэффициент усиления каскада с несимметричным выходом – это коэффициент передачи эмиттерного повторителя, который рассчитывается по формуле:
14
ЭЭ21ЭЭ11
ЭЭЭ21
ЭП
1
1
Rhh
Rh
K
, (11)
где
КНЭ
КНЭ
ЭЭ
RRR
RRR
R
.
Коэффициент усиления каскада с симметричным выходом (разделенной
нагрузкой) складывается из коэффициента передачи эмиттерного повторителя
(11) и коэффициента усиления транзистора, включенного по схеме с общим
эмиттером:
ОЭЭП
KKK
U
. (12)
Коэффициент усиления транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определяется по формуле:
ЭЭ21Э11Э
КЭЭ21
ОЭ
1 Rhh
Rh
К
, (13)
где
КН
КН
КЭ
R R
RR
R
.
При выборе биполярного транзистора необходимо учитывать, что лучшие
показатели выходного каскада (большие значения КU2 и RВХ) достигаются при
высоких значениях h
21Э
.
Далее необходимо рассчитать мощности, рассеиваемые на резисторах, используя либо токи, протекающие через них, либо напряжения, на них падающие.
RI
R
U
P
R
2
2
.
Рекомендации по расчету пленочных элементов ГИМС
Для выполнения технологической части работы следует изучить материал
по гибридным ИМС [6], обратив особое внимание на особенности проектирования топологии [6]. Вопросы проектирования гибридных ИМС содержатся
также в [5].
На первом этапе заданную электрическую схему необходимо преобразовать таким образом, чтобы все внешние выводы находились на краю длинных
сторон и были исключены все пересечения пленочных проводников. Также нежелательны пересечения пленочных проводников и гибких выводов навесных
элементов. Вторым этапом является расчет размеров пассивных элементов гибридной ИМС.
Расчет пленочных резисторов необходимо начинать с выбора материала
проводящей пленки для выводов и резистивной пленки, исходя из номиналов
15
резисторов и мощностей, рассеиваемых на них. Для этого можно воспользоваться таблицей 1.
Таблица 1 – Параметры резистивных материалов для пленочных резисторов
Материал
резисторов
Удельное
сопротивление,
Ом/квадрат
Удельная
мощность рассеяния Р0,
мВт/мм
2
Способ
нанесения
Нихром
МЛТ – ЗМ
PC – 3001
Кермет
300
500
1000 – 2000
3000 – 10000
20
20
20
20
Термическое
напыление
Тантал
Нитрид тантала
20 – 100
1000
30
30
Катодное
напыление
Размер и конфигурацию пленочных резисторов необходимо определить
по рассчитанным номинальным сопротивлениям резисторов R
n
и удельному со-
противлению пленки RS. Количество разнородных материалов для выполнения
резисторов должно быть минимальным (идеальный вариант – использование
всего одного материала и одного способа нанесения пленок).
Далее найти коэффициент формы всех резисторов:
SnФ
RRК /
. (14)
Выбранный материал должен удовлетворять условию, чтобы величина КФ
не превышала 50 для резистора с самым большим сопротивлением и не была
бы меньше 0,1 для материала с наименьшим сопротивлением.
После вычисления КФ необходимо определиться с формой резистора. При
Кф 10 резистор прямоугольный, состоящий из одной полоски (рисунок П.5, а
или б), при Кф>10 форма зигзагообразная (типа «меандр»), либо резистор составляется из последовательного соединения нескольких полосок, для каждой
из которых Кф10 (рисунок П.5, г), либо навесной.
Расчет длины L пленочного резистора прямоугольной формы выполняют,
задавшись его шириной b. Если не заданы допуски на резистор и его рассеиваемую мощность, то можно принять b=b
min
.
Величина b
min
зависит от выбранного способа изготовления пленочных
элементов (b
min
= 200 мкм при масочном методе и 100 мкм при фотолитогра-
фии). Определив значение b, вычисляют L:
minФ
bKL
. (15)
Особый случай имеет место, когда формула (15) дает величину L такую,
что L L
min
= 500 мкм, что недопустимо.
В этой ситуации задаются значением L = L
min
и находят значение b:
Ф
K
L
b
min
. (16)
16
Для резистора типа «меандр» (рисунок П.5, в) длиной является длина
средней линии резистивной полоски.
Для резистора, составленного из нескольких последовательно соединенных полосок (рисунок П.5, г), рассчитанная длина L представляет собой суммарную длину всех полосок. Подробно методика расчета таких резисторов приведена в [13].
Каждый пленочный резистор может выдержать мощность:
SРP
0max
, (17)
где Р
0
– удельная мощность рассеяния (значения Р
0
для различных материалов
приведены в таблице 1).
S = L · b – площадь резистора. (18)
Если расчетное значение Р
R
оказалось больше Р
max
, то следует, если это
возможно, выбрать материал с большей удельной мощностью, либо увеличить
площадь, одинаково увеличивая длину и ширину пленочного резистора. Это
позволит сохранить расчетное значение Кф и добиться большего значения рассеиваемой мощности Р
max
.
При расчете пленочных конденсаторов сначала нужно выбрать материал диэлектрика (см. табл. 2), напыляемый таким же методом, как и материал резистивных пленок, с параметрами, соответствующими рассчитанным значениям емкостей.
Таблица 2 – Параметры материалов для диэлектрика пленочных конденсаторов
Материал диэлектрика
Удельная емкость,
С0, пФ/мм
2
Способ нанесения пленок
Моноокись кремния
Моноокись германия
50 – 100
50 – 100
Термическое напыление
Двуокись кремния
Окись тантала
200
500
Катодное напыление
После выбора материала вычисляют площадь конденсатора
AB
C
C
S
i
0
, (19)
где Ci – емкость рассчитываемого конденсатора;
А и В – длина и ширина площадки, занимаемой перекрывающимися частями
нижней и верхней обкладок конденсатора (если конденсатор имеет прямоугольную форму). Конфигурация пленочного конденсатора изображена на рисунке П.5.2.
Если площади, занимаемые пленочными элементами, оказались недопустимо большими, или существуют навесные миниатюрные элементы с соответствующими номиналами, в этом случае в качестве пассивных элементов следует использовать навесные. Но при этом их номиналы должны быть выбраны из
17
стандартного ряда Е24 таким образом, чтобы частотные искажения, вносимые
RC-цепями на верхней и нижней рабочих частотах, не превышали бы заданные.
Рекомендации по расчету амплитудно-частотной характеристики
Далее необходимо провести сравнительный анализ усилительных
устройств, используя понятие относительного усиления Y, представляющего
собой отношение коэффициента усиления схемы К на данной частоте f к ее коэффициенту усиления в области средних частот КСР:
СР
K
K
Y
. (20)
Для оценки частотных искажений используют обратное отношение, обозначаемое через М и называемым коэффициентом частотных искажений:
K
1
СР
K
Y
М
. (21)
Относительное усиление и коэффициент частотных искажений выражают
как в относительных, так и в логарифмических единицах.
Для перевода Y и М из относительных значений в децибелы и обратно
необходимо пользоваться соотношениями:
LgYY 20
ДБ
;
20
ДБ
10
Y
Y
.
М20
ДБ
LgM
;
20
ДБ
10
M
M
.
Частотная характеристика усилителя в области нижних частот определяется выбором емкостей разделительных конденсаторов:
12
1
2
Н1ЗГН
1
MRRf
C
P
, (22)
(23)
В случае симметричного выхода, когда нагрузка не имеет гальванической
связи с общим проводом, по формуле (23) можно вычислить значение эквивалентной емкости выходного каскада, а значения каждой из емкостей СР2 и СР3
будут 2 раза больше, чем рассчитанные по формуле (23), т.к. эти емкости соединены последовательно между собой.
Для расчета разделительных емкостей необходимо распределить коэффициент частотных искажений на НЧ между входной и выходной цепями так,
чтобы емкости, формирующие заданную АЧХ, занимали минимальную площадь на подложке. Для правильного распределения этого коэффициента рассмотрим пример:
18
Пусть
,1МОмR
ВХ
,2кОмR
Н
дБМ
Н
1
,
Гцf
Н
15
.
Распределим частотные искажения поровну:
дБММ
НН
5,0
21
, т.е. в
разах:
059,1
21
НН
ММ
. Рассчитаем разделительные емкости входного и
выходного узла:
нФ
МRRf
С
НЗГН
Р
301003,0
1059.1101528.6
1
1)(2
1
6
262
1
1
мкФ
МRf
С
ННН
Р
1510015,0
1059.11021528.6
1
12
1
3
232
2
2
Пусть теперь
дБМ
Н
9,0
1
,
дБМ
Н
1,0
1
, тогда
нФ
МRRf
С
НЗГН
Р
2210022,0
1109.1101528.6
1
1)(2
1
6
262
1
1
мкФ
МRf
С
ННН
Р
3410034,0
1012.11021528.6
1
12
1
3
232
2
2
И, наконец,
дБМ
Н
1,0
1
,
дБМ
Н
9,0
1
, значит,
нФ
МRRf
С
НЗГН
Р
6810068,0
1012.1101528.6
1
1)(2
1
6
262
1
1
мкФ
МRf
С
ННН
Р
1110011,0
1109.11021528.6
1
12
1
3
232
2
2
Очевидно, что конденсатор СР2 будет навесным из-за невозможности реализовать в пленке такой большой номинал, т.к. место на подложке ограничено.
Сегодня существуют миниатюрные навесные конденсаторы большой емкости,
поэтому выбор подходящего варианта будет, скорее всего, определяться
наименьшей площадью пленочного конденсатора.
В расчетные формулы для АЧХ следует подставлять выбранные номиналы
резисторов и конденсаторов, а значения МН1 и MН2 следует подставлять в разах:
(МН = М
Н1
× МН2).
Расчет АЧХ в области нижних частот провести по формуле:
2
НP2
2
ЗГP1
Н2Н1
Н
2
1
1
1
2
1
1
111
RfС
RRfС
MM
Y
, (24)
где в случае симметричного выхода вместо СР2 следует подставлять эквивалентную емкость, вычисленную для последовательного соединения емкостей
СР2 и СР3 с учетом номиналов, выбранных из стандартного ряда Е24.
Рекомендуемые значения частот: 0,1fН; 0,2 fН; 0,5fН; 0,7fН; fН; l,5fН; 2fН.
19
Частотная характеристика усилителя в области верхних частот зависит от
выбора емкости конденсатора СК, рассчитываемой по формуле:
СВ
2
В
К
2
1
Rf
M
C
. (25)
Расчет АЧХ в области верхних частот необходимо провести по формуле:
2
СK
В
21
1
RfC
Y
. (26)
Рекомендуемые значения частот: 0,5fВ; fВ; 2fВ; 5fВ.
Необходимо привести расчет относительного коэффициента передачи в
численных значениях (подставляя величины в формулы) только для заданных
верхней и нижней частотах.
Результаты остальных расчетов свести в таблицы. Затем по результатам
расчета построить АЧХ, используя логарифмический масштаб оси частот.
На графике выделить значения относительного коэффициента усиления Y
на нижней fН и верхней fВ рабочих частотах.
В заключение провести проверку соответствия расчетных и заданных значений МН и МВ:
Н
Н
1
Y
M
; (27)
В
В
1
Y
M
. (28)
Расхождения рассчитанных и заданных значений коэффициентов частотных искажений не должны превышать 5%, причем в сторону улучшения частотных свойств усилителя (расширение полосы пропускания). В случае расхождения рассчитанных и заданных значений коэффициентов частотных искажений более чем на 5%, выбирают другие номиналы элементов и вновь повторяют расчет.
Рекомендации по составлению топологии ГИМС
Общими принципами составления топологического чертежа являются минимизация длины межэлементных соединений; минимизация площади, занимаемой элементами; равномерное расположение элементов на площади подложки.
На первом этапе необходимо рассчитать площадь, занимаемую всеми элементами схемы. Размеры некоторых типов миниатюрных резисторов и конденсаторов в соответствии с их номиналами приведены в Приложении 6.
Общая площадь, занимаемая всеми элементами схемы, рассчитывается как
CR
SSSS
Т
, (29)
20
где SТ – площадь, занимаемая транзисторами;
SR – площадь, занимаемая резисторами;
SC – площадь, занимаемая конденсаторами.
Учитывая площадь соединений, промежутки между элементами и расстояние от края подложки, следует увеличить суммарную площадь в 3–4 раза (не
более). Затем необходимо выбрать размер подложки из рекомендуемых стандартных размеров, приведенных в таблице 3.
Таблица 3 – Рекомендуемые размеры подложек для гибридных ИМС
Длина,
мм
48
48
30
24
60
30
20
48
30
16
12
10
Ширина,
мм
60
30
24
20
16
16
16
12
12
10
10
10
Далее необходимо указать материал подложки и составить чертеж топологии ИМС в масштабе 10:1 или 20:1 в любом графическом редакторе или на
миллиметровой бумаге с последующим сканированием, размещая выбранные и
рассчитанные элементы на поле подложки.
При составлении эскиза топологии необходимо учитывать следующие основные ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией:
- навесные элементы (компоненты) устанавливаются в специально отведенные
места на расстоянии не менее 500 мкм (0,5 мм) от пленочных элементов и не
менее 600 мкм от контактной площадки;
- минимальное расстояние между навесными элементами 300 мкм;
- длина проволочных выводов навесных элементов должна находиться в преде-
лах от 600 мкм до 5 мм;
- минимально допустимое расстояние между пленочными элементами (и в том
числе и контактными площадками) 200 мкм;
- минимальная длина резистора L
min
не менее 500 мкм;
- минимальная ширина пленочных резисторов b
min
не менее 200 мкм при масоч-
ном методе, не менее 100 мкм при фотолитографии;
- нижняя обкладка пленочных конденсаторов должна выступать за край верх-
ней обкладки не менее чем на 200 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;
- минимально допустимые размеры контактных площадок при припайке
400×400 мкм, при приварке 200×250 мкм;
- входные и выходные контакты располагаются вдоль длинных сторон подлож-
ки на расстоянии не менее 1 мм от края, либо по всему периметру в случае
квадратной подложки;
- пассивные и активные элементы располагаются внутри внешних контактов.
В конце раздела привести краткое описание этапов изготовления ГИМС.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]