Розробка стабілізатора напруги на базі інформаційних технологій схемотехнічного проектування

Зміст

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 I_пот=2,5 мА;

Вхідна напруга U_вх=5,4÷12 В;

Стабілізована напруга U_стаб=2,9÷3,9 В (визначається стабісторами);

Коефіцієнт стабілізації К_стаб=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*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°:

Таблиця1.1

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, масштаб20:1, 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 К_s, 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 S_підк=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.