Вступ
1 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 областях
2 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 СхСАПР
4 Висновки…
Вступ
У 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 проектування
1.1 Характеристики і умови експлуатації ЗЕМ та його функціональні властивості у статичному режимі
У якості ЗЕМ розглядається мікросхема – стабілізатор напруги К2ПП241. Схема електрична принципова та схема включення наведені на рисунках 1.1 та 1.2 відповідно.
Рисунок 1.1
Рисунок 1.2
Технічні дані:
Ток, що споживається Iпот=2,5 мА;
Вхідна напруга Uвх=5,4ч12 В;
Стабілізована напруга Uстаб=2,9ч3,9 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 +70۫ С;
6. Відносна вологість при температурі +40۫ С до 98%;
7. Атмосферний тиск 6,7*102ч3*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°:
Таблиця1.1
Напруги і струми для стабілітронів:
Таблиця 1.2
Напруги і струми для транзисторів:
Таблиця 1.3
Для режиму роботи при температурі 27° (нормальні умови):
Таблиця 1.4
Напруги і струми для стабілітронів:
Таблиця 1.5
Напруги і струми для транзисторів:
Таблиця 1.6
Для режиму роботи при температурі +70°:
Таблиця 1.7
Напруги і струми для стабілітронів:
Таблиця 1.8
Напруги і струми для транзисторів:
Таблиця 1.9
Схеми принципові з показниками напруг та струмів, промодельовані для трьох температур знаходяться у Додатку 1.
1.2 Аналіз функціональних властивостей ЗЕМ у часовій області
Робота 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 ГІС
2.1 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)
|
| |
| R1 | ;">1,5 |
| R2 | 1 |
| R3 | 1 |
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 типорозмір 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.