Конструирование микросхем и микропроцессоров

Конструирование микросхем и микропроцессоров

Московский Государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра: РТУиС

Пояснительная записка

по выполнению курсового проекта на тему:

“Конструирование микросхем и микропроцессоров”

Выполнил: студент

группы Р-72

Густов А.М.

Руководитель: доцент

кафедры РТУиС,

кандидат технических

наук Мишин Г.Т.

Москва, 1994

Задание на курсовое проектирование

В

данном курсовом проекте требуется разработать комплект конструкторской

документации интегральной микросхемы К 237 ХА2. По функциональному

назначению разрабатываемая микросхема представляет собой усилитель

промежуточной частоты. Микросхема должна быть изготовлена по тонкопленочной

технологии методом свободных масок (МСМ) в виде гибридной интегральной

микросхемы (ГИМС).

[pic]

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

Таблица 1. Номиналы элементов схемы:

|Элемент |Номинал |Элемент |Номинал |Элемент |Номинал |Элемент |Номинал |

|R1 |950 Ом |R7 |4,25 кОм|R13 |1 кОм |R19 |1 кОм |

|R2 |14 кОм |R8 |12,5 кОм|R14 |3,5 кОм |C1 |3800 пФ |

|R3 |45 кОм |R9 |500 Ом |R15 |10 кОм |VT1-VT8 |КТ 312 |

|R4 |35 кОм |R10 |3 кОм |R16 |3,5 кОм |E |7,25 В |

|R5 |12,5 кОм|R11 |10 кОм |R17 |2,5 кОм | | |

|R6 |950 Ом |R12 |500 Ом |R18 |1 кОм | | |

Для подачи на схему входного сигнала и снятия выходного к микросхеме

требуется подключить некоторое количество навесных элементов. Одна из

возможных схем включения приведена на следующем рисунке.

[pic]

Рис. 2. Возможная схема включения

Таблица 2. Номиналы элементов схемы включения

|Элемент |Номинал |Элемент |Номинал |

|RA |8,2 кОм |CB |1 мкФ |

|RB |43 Ом |CC |0,033 мкФ |

|RC |2,2 кОм |CD |0,015 мкФ |

|RD |1,5 кОм |CE |4700 пФ |

|CA |3300 пФ |CF |3300 пФ |

Технические требования:

Конструкцию микросхемы выполнить в соответствии с электрической

принципиальной схемой по тонкопленочной технологии методом свободных масок

в корпусе.

Микросхема должна удовлетворять общим техническим условиям и

удовлетворять следующим требованиям:

- предельная рабочая температура - 150( С;

- расчетное время эксплуатации - 5000 часов;

- вибрация с частотой - 5-2000 Гц;

- удары многократные с ускорением 35;

- удары однократные с ускорением 100;

- ускорения до 50.

Вид производства - мелкосерийное, объем - 5000 в год.

Аннотация

Ц

елью данного курсового проекта является разработка интегральной микросхемы

в соответствии с требованиями, приведенными в техническом задании.

Микросхема выполняется методом свободных масок по тонкопленочной

технологии.

В процессе выполнения работы мы выполнили следующие действия и

получили результаты:

- произвели электрический расчет схемы с помощью программы

электрического моделирования “VITUS”, в результате которого мы получили

необходимые данные для расчета геометрических размеров элементов;

- произвели расчет геометрических размеров элементов и получили их

размеры, необходимые для выбора топологии микросхемы;

- произвели выбор подложки для микросхемы и расположили на ней

элементы, а также в соответствии с электрической принципиальной схемой

сделали соединения между элементами;

- выбрали корпус для микросхемы с тем расчетом, чтобы стандартная

подложка с размещенными элементами помещалась в один из корпусов,

рекомендуемых ГОСТом 17467-79.

Введение

П

риведем принципы работы и основные характеристики разрабатываемой

микросхемы:

Микросхема К 237 ХА 2 предназначена для усиления и детектирования

сигналов ПЧ (промежуточной частоты) радиоприемных устройств не имеющих УКВ

диапазона, а также для усиления напряжения АРУ (автоматической регулировки

усиления). Широкополосный усилитель ПЧ состоит из регулируемого усилителя

на транзисторах Т4, Т5 и Т6. Усиленный сигнал поступает на детектор АМ-

сигналов (амплитудно-модулированных сигналов), выполненный на составном

транзисторе Т7, Т8. Низкочастотный сигнал с резистора R19, включенного в

эмиттерную цепь, подается через внешний фильтр на предварительный усилитель

НЧ (низкой частоты), а также через резистор R15 на базу транзистора Т3,

входящего в усилитель АРУ. Усиленное напряжение АРУ снимается с эмиттера

транзистора Т2. Изменение напряжения на эмиттере транзистора Т2 вызывает

изменение напряжения питания транзистора Т1, а следовательно и его

усиления.

На частоте 465 кГц коэффициент усиления усилителя ПЧ составляет 1200

- 2500. Коэффициент нелинейных искажений не превышает 3%. Если входной

сигнал меняется от 0,05 до 3 мВ, то изменение выходного напряжения не

превышает 6дБ. Напряжение на выходе системы АРУ при отсутствии выходного

сигнала составляет 3 - 4,5 В. Напряжение питания составляет 3,6 - 10 В.

Потребляемая мощность не более 35 мВт.

Анализ задания на проект

М

икросхема усиления промежуточной частоты (ПЧ) К 237ХА2 может быть

изготовлена по тонкопленочной технологии с применением навесных элементов.

Конструкция микросхемы выполняется методом свободной маски, при этом каждый

слой тонкопленочной структуры наносится через специальный трафарет. На

поверхности подложки сформированы пленочные резисторы, конденсаторы, а

также контактные площадки и межэлементные соединения. Пленочная технология

не предусматривает изготовление транзисторов, поэтому транзисторы выполнены

в виде навесных элементов, приклеенных на подложку микросхемы. Выводы

транзисторов привариваются к соответствующим контактным площадкам.

Электрический расчет принципиальной схемы

Э

лектрический расчет производился с помощью системы “VITUS”.

Система VITUS - это компьютерное инструментальное средство

разработчика электронных схем. Система VITUS позволяет рассчитать

токи, напряжения, мощности во всех узлах и элементах схемы, частотные и

спектральные характеристики схемы. Система VITUS объединяет в себе

компьютерный аналог вольтметров, амперметров и ваттметров постоянного и

переменного тока, генераторов сигналов произвольной формы,

многоканального осциллографа, измерителя частотных характе-ристик.

Система VITUS :

. позволяет описывать принципиальную схему как в графическом виде, так и на

встроенном входном языке;

. выводит требуемые результаты расчета в графическом виде;

. снабжена справочником параметров элементов;

. работает под управлением дружественного интерфейса.

Основной задачей электрического расчета является определение

мощностей, рассеиваемых резисторами и рабочих напряжений на обкладках

конденсаторов. В результате расчета были получены реальные значения

мощностей и напряжений, которые являются исходными данными для расчета

геометрических размеров элементов.

Результаты расчета приводятся в расчете геометрических размеров

элементов.

Данные для расчета геометрических размеров тонкопленочных элементов

Таблица 3. Данные для расчета резисторов

|Резистор|Рном , |(R |[pic] |Резистор|Рном , |(R |[pic] |

| |Вт | | | |Вт | | |

|R1 |1,41E-6 |0,2 |0,1 |R11 |4,46E-3 |0,22 |0,1 |

|R2 |3,36E-8 |0,22 |0,1 |R12 |2,23E-4 |0,2 |0,1 |

|R3 |2,47E-4 |0,22 |0,1 |R13 |1,79E-5 |0,2 |0,1 |

|R4 |1,98E-4 |0,22 |0,1 |R14 |1,05E-2 |0,2 |0,1 |

|R5 |8,58E-6 |0,22 |0,1 |R15 |3,91E-10|0,22 |0,1 |

|R6 |5,35E-13|0,2 |0,1 |R16 |1,27E-6 |0,2 |0,1 |

|R7 |3,21E-5 |0,2 |0,1 |R17 |3,46E-4 |0,2 |0,1 |

|R8 |3,30E-3 |0,22 |0,1 |R18 |1,95E-4 |0,2 |0,1 |

|R9 |7,4E-5 |0,2 |0,1 |R19 |1,97E-4 |0,2 |0,1 |

|R10 |4,51E-5 |0,2 |0,1 | | | | |

Таблица 4. Данные для расчета конденсаторов

|Конденсатор |Uраб , В |[pic] |[pic] |

|C1 |2,348 | 0,23 |0,115 |

Расчет геометрических размеров тонкопленочных резисторов, выполненных

методом свободной маски (МСМ)

1. Исходные данные:

а). конструкторские: [pic], где

Rн - номинальное сопротивление резистора;

(R - относительная погрешность номинального сопротивления;

Pн - номинальная мощность;

T(max C - максимальная рабочая температура МС;

tэкспл - время эксплуатации МС.

б). технологические: [pic], где

(((((( - абсолютная погрешность изготовления;

(lустан - абсолютная погрешность совмещения трафарета;

[pic]- относительная погрешность удельного сопротивления.

2. Определяем диапазон [pic], в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax ( [pic] < Rmin ( 900 < [pic] < 500

Видим, что неравенство не выполняется, значит все эти резисторы

изготовить из одного материала невозможно. Чтобы мы все же могли изготовить

резисторы, надо разбить их на две группы и для каждой группы выбрать свой

материал.

Таблица 5. Разбивка резисторов на группы

|Первая группа |R1, R6, R7, R9, R10, R12, R13, R14, |

| |R16, R17, R18, R19 (500 - 4250 Ом) |

|Вторая группа |R2, R3, R4, R5, R8, R11, R15 (10 - |

| |45 кОм) |

Расчет резисторов первой группы.

1. Определяем диапазон [pic] , в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < [pic] < Rmin ( 85 < [pic] < 500

Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы

выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно

меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным

сопротивлением ([pic]). Остановим свой выбор на материале “МЛТ-3М”. Этот

материал обладает следующими характеристиками:

Таблица 6. Материал для первой группы резисторов

|№ |Наименование |[pic], Ом/€ |( R , 1/(C |P0 , мВт/мм2 |S, %/103 час |

|1 |Сплав МЛТ-3М |200 -500 |0,0002 |10 |0,5 |

| |(К0,028,005,ТУ| | | | |

Как уже говорилось, [pic] лучше взять как можно больше, т.е. в

данном случае это [pic]=500. Этот материал обладает неплохими

характеристиками, присущими резистивным материалам, а именно: низким ТКС

((R), низким коэффициентом нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией

и технологичностью.

2. Вычислим относительную температурную погрешность:

[pic]=0,0002(150-20)=0,026

3. Вычислим относительную погрешность старения:

[pic], где

tисп - время испытания за которое определен коэффициент старения S;

tисп = 1000 часов.

4. Вычислим относительную погрешность контактирования:

[pic]= 0,01 - 0,03 ( зададимся [pic][pic]=0,01

5. Вычислим относительную погрешность формы:

(кф = (R - [pic]- [pic]- [pic] - [pic] = 0,2 - 0,1 - 0,026 - 0,025

-0,01=0,039;

6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый):

(кф > (b/ bmax , где bmax = 2 мм ( (кф > 0,01 (

резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору.

7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора:

[pic] = 950/500 = 1,9;

8. Определение вида резистора (прямой или меандр):

Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше

десяти, то резистор изготовляется в форме меандра. Предпочтение отдается

прямому резистору. В данном случае резистор изготовляется прямым.

9. Определение ширины резистора по мощности рассеяния:

[pic]

10. Определение основного размера по заданной точности:

[pic], где (l=(b=0,02 при условии, что коэффициент формы больше

единицы.

11. Выбор основного размера:

[pic] ( b = 0,78 мм

12. Определение длины резистора:

[pic]

13. Проверка проведенных расчетов:

[pic]Ом ( расчет выполнен правильно !

На этом этапе мы рассчитали первый резистор из первой группы (R1).

Расчет остальных резисторов этой группы аналогичен и далее не приводится.

Результаты расчета всех резисторов данной группы сведены в таблицу.

Таблица 7. Результаты расчета резисторов первой группы

|Резистор |Кф |bmin ( , мм|bmin p , мм|b, мм |l, мм |Вид резистора |

|R1 |1,9 |0,78 |0,0086 |0,78 |1,48 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R6 |1,9 |0,78 |0,0000053 |0,78 |1,48 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R7 |8,5 |0,57 |0,02 |0,57 |4,85 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R9 |1 |1,03 |0,086 |1,03 |1,03 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R10 |6 |0,60 |0,03 |0,60 |3,60 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R12 |1 |1,03 |0,15 |1,03 |1,03 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R13 |2 |0,77 |0,03 |0,77 |1,54 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R14 |7 |0,59 |0,39 |0,59 |4,13 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R16 |7 |0,59 |0,0043 |0,59 |4,13 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R17 |5 |0,62 |0,083 |0,62 |3,10 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R18 |2 |0,77 |0,10 |0,77 |1,54 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

|R19 |2 |0,77 |0,10 |0,77 |1,54 |Прямой, |

| | | | | | |неподстр. |

На этом расчет резисторов первой группы завершен. Все резисторы

получились прямыми и неподстраиваемыми. Благодаря этому размеры резисторов

минимальны, что позволит располагать их на подложке компактно и с

наибольшей степенью интеграции.

Расчет резисторов второй группы.

1. Определяем диапазон [pic], в котором можно вести расчет:

0,02 Rmax < [pic] < Rmin ( 900 < [pic] < 10000

Видим, что неравенство выполняется, следовательно эти резисторы

выполняются из одного материала. Для того чтобы резисторы были как можно

меньше выберем материал с как можно большим удельным поверхностным

сопротивлением ([pic]). Остановим свой выбор на материале “КЕРМЕТ”. Этот

материал обладает следующими характеристиками:

Таблица 8. Материал для второй группы резисторов

|№ |Наименование |[pic], Ом/€ |( R , 1/(C |P0 , мВт/мм2 |S, %/103 час |

|2 |Кермет К-50С |5000 |0,0004 |10 |0,5 |

| |ЕТО,021,013,ТУ| | | | |

Этот материал обладает хорошими характеристиками, свойственными

резистивным материалам, а именно: низким ТКС ((R), низким коэффициентом

нестабильности (старения) (S), хорошей адгезией и технологичностью.

2. Вычислим относительную температурную погрешность:

[pic]=0,0004(150-20)=0,052

3. Вычислим относительную погрешность старения:

[pic], где

tисп - время испытания за которое определен коэффициент старения S;

tисп = 1000 часов.

4. Вычислим относительную погрешность контактирования:

[pic]= 0,01 - 0,03 ( зададимся [pic][pic]=0,01

5. Вычислим относительную погрешность формы:

(кф = (R - [pic]- [pic]- [pic] - [pic] = 0,22 - 0,1 - 0,052 -

0,025 -0,01=0,033;

6. Определение вида резистора (подстраиваемый или неподстраиваемый):

(кф > (b/ bmax , где bmax = 2 мм ( (кф > 0,01 (

резистор неподстраиваемый.

Предпочтение отдается неподстраиваемому резистору.

7. Вычислим коэффициент формы рассчитываемого резистора:

[pic] = 14000/5000 = 2,8;

8. Определение вида резистора (прямой или меандр):

Если коэффициент формы меньше 10, то резистор прямой, а если больше

десяти, то резистор изготовляется в форме меандра. Предпочтение отдается

Страницы: 1, 2