--PAGE_BREAK--
Рисунок 2.2 — Структура элементной базы РЭА.
2.5 Модели РЭ для САПР электронных схем
2.5.1 Встроенные модели
В современных САПР электронных схем, например, PSpice широко используются встроенные модели. В системе PSpice в состав этих моделей входят модели диода, биполярного транзистора, канального полевого транзистора, МОП-транзистора и магнитного сердечника. Указанные модели позволяют рассчитывать статические линейные и нелинейные динамические режимы. В основу моделей диодов и транзисторов положены идеи выдвинутые Эберсом и Моллом. В этих моделях отражены достижения последних десятилетий.
К достоинствам встроенных моделей можно отнести:
− элементы, указанные выше, можно аттестовать по справочным данным;
− в зависимости от решаемой задачи можно определить уровень сложности моделей, тем самым оптимизируя процесс вычисления;
− для МОП транзистора предлагается 4 уровня сложности, а для биполярного транзистора 3, кроме моделей Гуммеля-Пунна аттестуемой 59 параметрами и константами.
Также предусмотрены усеченное использование моделей Эберса-Молла на основе 16-20 параметров, предоставление пользователю корректировки встроенных моделей.
К недостаткам встроенных моделей, приведенных в литературе /2/ следует отнести их сложность. Анализ показывает, что для расчета малосигнальной модели биполярного транзистора требуется использовать практически весь математический аппарат нелинейного варианта его модели.
Также к недостаткам следует отнести ограниченный частотный диапазон. По данным /2/ частотный диапазон биполярного транзистора ограничен 100 МГц. Отсутствие достаточного объема справочной информации и связанной с этим необходимость организации сбора дополнительной информации, путем реализации дополнительных измерительных процессов.
2.5.2 Макромодели
В САПР высокого уровня (например, PSpice) предусмотрено использование макромоделей ряда элементов (операционные усилители, компараторы напряжения, СВЧ транзисторы, нелинейные резисторы, конденсаторы и т.п.) идентификация параметров которых производится пользователем. Успех моделирования в этом случае определяют методы и условия измерения. Пользователю предоставляется возможность идентификации параметров модели в условиях, наиболее приближенному к реальному использованию. Так встроенные модели в библиотеке PSpice адекватны на частотах только до 100 МГц, то макромодели, в том числе малосигнальные модели имеют большое значение при расчетах электронных схем СВЧ диапазона. Также представляют большой практический интерес методы измерения параметров этих моделей.
Второй способ построения высокочастотных моделей транзисторов основан на применении их малосигнальных схем замещения. В таком случае сначала с помощью типовых моделей транзисторов рассчитывается режим цепи по постоянному току и для этого режима измеряются, или рассчитываются, Y– или S–параметры транзисторов в заданном диапазоне частот. Рассмотрим эти схемы замещения для программы PSpice подробнее.
Макромодель на основе Y–параметров. Напомним уравнение линейного 4-полюсника (рисунке 2.3) в системе Y–параметров
(2.12)
Рисунок. 2.3 — Линейный 4-полюсник
Этой системе уравнений поставим в соответствие схему замещения транзистора на основе ИТУН (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 — Макромодель транзистора на основе Y–параметров
Приведем пример формальной макромодели транзистора КТ315В на основе Y–параметров, измеренных на частотах 5, 10 и 30 МГц для тока коллектора Iк=5 мА:
.subckt KT315V 2 1 3
G11 1 3 FREQ {V(1,3)}=
+ ( 5e6, -50.3, 31.6) (10e6, -48.0, 36.9) (30e6, -44.3, 41.0)
G12 1 3 FREQ {V(2,3)}=
+ ( 5e6, -78.4, 181.9) (10e6, -72.7, 184.5) (30e6, -63.1, 183.7)
G21 2 3 FREQ {V(1,3)}=
+ ( 5e6, -18.7, -20.8) (10e6, -20.0, -31.9) (30e6, -25.5, -44.2)
G22 2 3 FREQ {V(2,3)}=
+ ( 5e6, -67.4, 63.4) (10e6, -63.3, 56.3) (30e6, -59.4, 54.1)
.ends
При табличном задании управляемых источников в частотной области для каждого значения частоты указывается модуль передаточной функции в децибелах и ее фаза в градусах.
Макромодель на основе S–параметров. В диапазоне СВЧ большее распространение имеют линейные макромодели транзисторов на основе S–параметров, которые в этом диапазоне частот проще измерять, чем Y–параметры. Напомним, что для 4-полюсника на рисунке 2.3 справедливо следующее уравнение в терминах S–параметров:
, (2.13)
где – падающие и отраженные волны мощности;
Z – волновое сопротивление тракта, в котором измерены S–параметры транзистора.
Из этих соотношений вытекают уравнения для входного и выходного напряжений, в которые входят управляемые источники напряжения:
, (2.14)
где
На основе этой системы уравнений составляется линеаризованная схема замещения СВЧ–транзистора (рисунок 2.5). В качестве примера приведем описание макромодели арсенид-галлиевого полевого транзистора 3П343 в диапазоне частот 4...12 ГГц при напряжении затвора 2 В и токе стока 10 мА:
.subckt 3P343 2 1 3
RZ1 1 11 50
RZ2 2 21 50
E11 11 12 FREQ {V(1,3)+V(1,11)} =
+ (4e9, -0.35, -28.3) (5e9, -0.54, -33.2) (6e9, -0.58, -35.9)
+ (7e9, -1.21, -41.9) (8e9, -1.01, -67.1) (9e9, -2.85, -56.9)
+ (10e9, -4.29, -32.8) (11e9, -1.94, -56.9) (12e9, -0.63, -65.2)
E12 12 3 FREQ {V(2,3)+V(2,21)}=
+ (4e9, -32.5, 77.0) (5e9, -29.5, 62.0) (6e9, -29.2, 72.4)
+ (7e9, -27.3, 65.0) (8e9, -23.5, 15.0) (9e9, -29.0, 66.1)
+ (10e9, -23.4, 36.6) (11e9, -25.4, 61.7) (12e9, -22.1, 40.4)
E21 21 22 FREQ {V(1,3)+V(1,11)}=
+ (4e9, 0.82, 149.8) (5e9, 2.30, 131.1) (6e9, 0.74, 134.3)
+ (7e9, 1.26, 129.0) (8e9, 0.43, 105.5) (9e9, 0.11, 123.2)
+ (10e9, 3.92, 87.5) (11e9, 2.40, 110.1) (12e9, 4.10, 85.0)
E22 22 3 FREQ {V(2,3)+V(2,21)}=
+ (4e9, -2.16, -26.4) (5e9, -1.21, -49.1) (6e9, -2.27, -45.1)
+ (7e9, -2.21, -34.4) (8e9, -2.62, -54.5) (9e9, -2.73, -52.7)
+ (10e9, -3.74, -17.2) (11e9, -3.48, -65.1) (12e9, -4.44, -62.4)
.ends
Рисунок 2.5 — Макромодель транзистора на основе S–параметров
2.5.3 Факторные модели
Под факторной моделью будим понимать аналитическую макромодель, сформированную по результатам измерения параметров РЭ в процессе реализации активного факторного эксперимента. Каждый параметр в этом случае может быть выражен полиноминально
или мультипликативно
где
Gi — аттестуемый параметр;
pi — постоянная факторного уравнения;
gij — парциальное факторное уравнение, представляющее аналитическую
зависимость от j фактора;
xj – фактор представляющий функцию gij.
Таким способом могут быть аттестованы как статические параметры, например в виде вольт-амперных характеристик (ВАХ), так и динамические параметры, например в виде Y-параметров. В первую очередь факторное пространство определяет частотный диапазон, режим электропитания по постоянному току и температура. Могут быть добавлены и другие факторы, способные влиять на значение параметров модели.
В общем виде факторная модель может быть выражена двумя уравнениями. Уравнение ВАХ
I=I(X) (2.17)
и уравнением
Y=Y(w,X) (2.18)
где I – вектор токов, определяющих рабочую точку;
Х – вектор факторов за исключением частоты;
Y – матрица проводимостей;
w — угловая частота.
Каждую из вещественных составляющих уравнений (2.17) и (2.18) определяют в виде аналитических зависимостей (2.15) или (2.16).
Факторная модель наиболее полно отвечает аналитическим макромоделям, описание которых приведено в п. 2.5.2. Измерение статических и физических параметров факторных моделей может быть автоматизировано при использовании способа по АС СССР № 1317370 /3/ устройств по АС СССР №1084709 /5/. Способ /3/ и устройства /6,7/ не имеет принципиальных отличий по частотному диапазону и могут быть применены в СВЧ диапазоне. Использование этих устройств при применениях к СВЧ имеет определенные преимущества, т.к. для реализации основных измерительных операций не обязательно применение согласованного волнового тракта. Однако и в этом случае при конструировании измерительных цепей, которые содержат ИГ необходимо учитывать специфику цепей СВЧ диапазона.
Информация, представленная уравнениями (2.17) и (2.18) в принципе достаточна для описания макромоделей, приведенных в /8/. Например, для идентификации модели Эберса-Молла нужно расширить систему (2.17) и (2.18) добавив данные об инверсном режиме включения транзистора. При этом уравнение (2.18) используется для определения нелинейных зависимостей емкостей переходов транзистора.
3 Тестер для измерения параметров радиоэлектронных элементов
3.1 Методика измерения
3.1.1 Измерение статических параметров
В интегрированных САПР для расчета транзисторных схем в режиме большого сигнала, как правило, используют модели Эберса-Молла или Гуммеля-Пуна, основанные на суперпозиции прямого и инверсного включения транзистора /2,10/. В этом случае неизбежны искажения моделируемых вольтамперных характеристик (ВАХ), так как в основе их описания заложены свойства идеального p-n перехода, смещенного в прямом или обратном направлении.
В этой связи классическое определение ВАХ связанное с непосредственным измерением токов и напряжений на входных и выходных электродах транзистора имеет принципиальное значение как для корректировки указанных выше моделей, так и для изучения тонкой структуры процессов в транзисторе /11-13/.
В процессе планирования эксперимента при моделировании радиоэлементов важную роль имеет выбор непосредственно измеряемой системы параметров с точки зрения совместимости с требованиями к определяемой модели, методам и техническим средствам измерения в первую очередь должны быть реализованы два главных условия, во-первых, сокращение времени и материальных затрат на этапе сбора и обработки первичной информации, во-вторых, широкое использование алгоритмических методов измерения, позволяющих при реализации простых методов измерения получить сложные модели путем глубокой математической обработки информации.
Измерение ВАХ транзистора можно комплексно автоматизировать использовав методику измерения по А.С. СССР №1084709 /13/. При этом предоставляется возможным в процессе измерения ВАХ так же определять данные, достаточные для вычисления Y-параметров транзистора в каждой из точек спектра плана эксперимента, который реализуется в процессе измерения ВАХ. При этом аттестируется система ВАХ
Iб=Iб (Ik,Uk);
Uб=Uб(Ik,Uk),
где Iб и Uб – ток и напряжения базы транзистора соответственно;
Ik и Uk – ток и напряжение его коллектора.
При расчетах электронных устройств система практически не используется, однако при определении ее параметров относительно просто автоматизировать измерительный процесс и совместить определение статистических и динамических параметров на одной технологической установке 15. Расширяя факторные пространства в температурную область из системы (3.1) получаем систему
Iб= Iб(Iк,Uк,To); (3.2)
Uб= Uб(Iк,Uк,To), (3.3)
где To– температура.
На практике наиболее широко используют ВАХ соответствующие системам Н-параметров (параметры ВАХ ток Iб и напряжение Uк) или Y-параметров (аргументы ВАХ напряжения Uб и Uк), т.е. системы
Iк = Iк (Iб,Uк); (3.4)
Uб = Uб(Iб,Uк), (3.5)
Iк = Iк (Uб,Uк); (3.6)
Iб = Iб(Uб,Uк). (3.7)
Если базовая система (3.1) соответствует полиминальной модели, то ее факторные функции (ФФ) имеют вид /5,14/ Iб = k1 + Iб (Iк) +Iб(Uк); (3.8)
Uб =k2 + Uб(Iк) + Uб (Uк), (3.9)
где k1 и k2 – постоянные факторных функций (ПФФ), а индексы 1 и 2 указывают на различие этих коэффициентов в первом и втором уравнениях системы; Iб (Iк), Iб(Uк), Uб(Iк), Uб (Uк) — аналитические функции, представляющие собой элементарные факторные функции (ЭФФ).
Iк = k1 + Iк (Iб) +Iк(Uк); (3.10)
Uб =k2 + Uб(Iб) + Uб (Uк) (3.11)
Iк = k1 + Iк (Iб) +Iк(Uк); (3.12)
Iб =k2 + Iб(Uб) + Uб (Uк). (3.13)
Преобразования параметров ФФ (3.8)-(3.9) в ФФ (3.10)-(3.11) или (3.13)-(3.14) было предложено производить по табличным значениям ЭФФ системы (3.8)-(3.9).
Определение ЭФФ Iк (Iб) и Uк (Uб) не представляет сложности, так как они представляют собой обратные функции ЭФФ Iб (Iк) и Uб (Uк). Для определения ЭФФ Uб (Iб) можно использовать ЭФФ Uб (Iк) в которую нужно подставить табличные значения ЭФФ Iк (Iб). Таким же способом по ЭФФ Uб (Uк) и Iк (Iб) находим ЭФФ Iк (Uб(Uк)) и на последнем этапе ЭФФ Iб (Uб) определяем через ЭФФ Iб (Iк) и Iк (Uб), т.е. в виде Iб (Iк(Uб)).
Аналитически ЭФФ определены числовым методом трем их табличным значениям.
Каждая из ЭФФ отвечает одному из уравнений, приведенных в таблице 3.1
Таблица 3.1 — Структура ЭФФ Блок схема алгоритма формирования ЭФФ приведена на рисунке 1
Система Системы Система
(10)-(11) (8)-(9) (12)-(13)
Iк(Iб) Iб(Uк) Iб(Uк)
Iк(Uк) Iк(Iб) Iб(Iк) Iб(Iк(Iб)) Iб(Uб)
Uб(Iб) Uб(Iк(Iб)) Uб(Iк) Iк(Iб) Iб(Uб)
Iб(Uк) Uб(Uк) Iк(Uб(Uк)) Iк(Uк)
Рисунок 1 — Алгоритм преобразования систем ЭФФ
В результате реализации алгоритма, рисунок 1, находятся ЭФФ преобразованных ВАХ, чтобы определить ФФ этих ВАХ необходимо вычислить соответствующие ПФФ, которые можно вычислить по табличным значениям ФФ. Исходными данными для расчета являются табличные значения ЭФФ.
продолжение
--PAGE_BREAK--Рассмотрим алгоритм формирования табличных значений ФФ для плана 34-2. Пусть fij – элементы ЭФФ, где i=1,4 – индекс фактора, а j=1,3 – индекс уровня фактора. Если принять, что при i=1 фактор изменяется по строкам матрицы планирования (МП), i=2 – по столбцам, i=3 – по диагонали справа-налево и i=4 – по диагонали слева-направо, то обозначив символом ykl элементы МП, где k=1,3 и l=1,3 получим условия для определения системы уравнений, достаточных для определения элементов ykl по известным элементам fij.
Из теории планирования эксперимента известно, что утроенные значения fkl равны сумме элементов yijпо фиксированному уровню фактора i.
Тогда для полиминальной модели исходные системы уравнений имеют вид для первого фактора
3f11=y11+y12+y13; 3f21=y21+y22+y23; 3f23=y31+y32+y33, (3.14)
для второго фактора
3f21=y11+y21+y31; 3f22=y12+y22+y32; 3f23=y13+y23+y33, (3.15)
для третьего фактора
3f31=y11+y22+y33; 3f32=y12+y23+y13; y33=y13+y21+y32, (3.16)
и для четвертого фактора
3f41=y31+y22+y13; y42=y11+y23+y32; y21=y12+y33. (3.17)
Алгоритм определения преобразованной МП по табличным значениям ЭФФ сводится к вычислению этих yij этой МП по формулам, полученным в результате совместного решения систем (3.14)-(3.17):
y31=f41 + f21 + f32 — f11 — f12; (3.18)
y32=f33 + f42 + f22 — f11 — f12; (3.19)
y21=f33 + f21 + f24 — f11 — f13; (3.20)
y13=3f33 — y21 — y32; (3.21)
y12=3f22 — 3f41 — y32 + y13 + y31; (3.22)
y23=3f32 – y12 — y31; (3.23)
y11=3f11 – y12 – y13; (3.24)
y22=3f12 — y21 — y32; (3.25)
y33=3f13 – y31 — y32. (3.26)
При полиминальной модели (ФФ представляет собой произведение ЭФФ) также используют формулы (3.18)-(3.26), но для логарифмированных табличных значений ФФ.
Для аттестации параметров модели Эберса-Молла необходимо определить уравнения (2.18) для инверсного включения транзистора. Дополнительные данные для определения этой модели или ее корректировки могут быть получены при определении переходов база-эммитер и база-коллектор согласно схемам, рисунки 3.2 и 3.3.
Рисунок 3.2 — Измерение ВАХ в нормальном режиме
Рисунок 3.3 — Измерение ВАХ в инверсном режиме.
Регистрируются напряжения Uк, Uб, которые падают на образцовых резисторах R0k, R0б. Соответственно токи Iк, Iб рассчитываются по формулам.
Ток Ik служит для контроля режима измерения, если электропитание проводится от источника тока.
В процессе реализации измерительного процесса необходимо руководствоваться сведениями о структуре РЭ, приведенными в п. 2.2-2.3.
3.1.2 Измерение динамических параметров
Рассмотрим условия реализации принятого машинно-ориентированного способа измерения линейных параметров многополюсника.
Согласно этому способу, сущность которого приведена в работах /9/, для определения Y-матрицы многополюсника необходимо выполнить измерение матрицы Uo напряжений холостого хода согласно схеме, рисунок 3.4а, на которой изображены: источник синусоидального напряжения Ei, многополюсник эквивалентный паразитным параметрам измерительной цепи с матрицей проводимости Yo. Источник Ei подключен к i-му входу-полюсу через комплексное сопротивление Zi, а остальные полюсы-входы нагружены на комплексные сопротивления Zj (j=1).
Индексами i и j обозначены точки подключения измерительного прибора, а именно пробник измерительного канала векторного вольтметра.
Согласно рисунку 3.4а при отсутствии измеряемого многополюсника (ИМП) и поочередном подключении последовательно к каждому резистору Zi источника Ei измеряют диагональные Uii и недиагональные Uoji компоненты матрицы Uo. Затем при поочередном подключении образцовой Yoi меры последовательно к каждому источнику Ei с внутренним сопротивлением Zi (рисунок 3.5б) измеряют напряжение Uoi — элемент вектора калибровочных напряжений Uk. Операции измерений матрицы Uo и вектора Uk опорных и калибровочных напряжений осуществляется n`+n раз, где n- число активных входов многополюсника по переменному току. На этом процесс калибровки измерительной схемы завершается. В результате определяется информация достаточная для учета влияния паразитных параметров эквивалентного многополюсника Yo.
Рабочий цикл измерения производится согласно рисунку 3.5. В этом случае параллельно схеме рисунок 3.5а подключают измеряемый многополюсник с матрицей проводимости Yo. В результате измерительные цепи оказываются нагруженными эквивалентным многополюсником с матрицей проводимости Yo, которую можно рассчитать по формуле
Yo = Y + Yo . (3.29)
Затем производится измерение элементов Uji матрицы U нагруженного режима таким же способом, как и измерение элементов матрицы Uo опорных напряжений. Переключение источника Ei производится n раз и определяются n` напряжений.
Измерение параметров многополюсника
а — измерение элементов матрицы Uo опорных напряжений;
б — измерение элементов вектора Uk калибровочных напряжений;
в — измерение элементов матрицы и нагруженного режима
Рисунок 3.4 — Измерение параметров многополюсника
Элементы матрицы Uo, U и вектора Uk используются для расчета матриц передачи Ко холостого хода и К нагруженного режима.
Элемент матрицы Ко рассчитывают по формуле
, (3.30)
а элемент матрицы К — по формуле
, (3.31)
где Yп — полная проводимость входной цепи пробника измерительного
канала векторного вольтметра.
В работе /1/ показано, что Y- матрица измеряемого многополюсника может быть определена в результате решения матричного уравнения
Y = 2(K-1 – Ko-1), (3.32)
где -1 — знак обращения матриц К и Ко.
Для случая двухполюсника
n = 1 (3.33)
имеем
i = 1; j = 0. (3.34)
Очевидно, что при условиях (3.33), (3.34) имеем:
коэффициенты матриц Ко и К с индексами j не имеют смысла;
− всего аттестуются один коэффициент по формуле (3.30) и один коэффициент по формуле (3.31);
− индекс i не имеет смысла, так как n = 1, матричное уравнение (3.32) превращается в простое алгебраическое;
− для определения полной проводимости Y двухполюсника достаточно выполнить согласно рисунку 3.5 измерение трех напряжений: Uo холостого хода (рисунок 3.5а), Uk калибровки (рисунок 3.5б) и U нагруженного режима (рисунок 3.5в).
С учетом (3.32) — (3.33) и отмеченных замечаний из формул (3.30) — (3.31) приходим к формулам
, (3.35)
а — измерение напряжения Uo холостого хода;
б — измерение напряжения Uk калибровки при нагрузке схемы образцовой
мерой Yk;
в — измерение напряжения U при нагрузке схемы измеряемым
двухполюсником Y
Рисунок 3.5 — Измерение двухполюсника
, (3.36)
Подставляя коэффициенты Ко и К в уравнение (3.32) с учетом замечания (3.33) получаем формулу для расчета аттестуемой проводимости Y.
, (3.37)
Таким образом, для определения полной проводимости (сопротивления) двухполюсника достаточно выполнить измерения трех напряжений согласно схемам (рисунок 3.5). При этом справедливы следующие условия:
− измерительный процесс легко автоматизировать, так как при его
реализации не требуется производить подстроечные операции;
− из трех тестов два (при регистрации напряжений Uo и Uk) являются калибровочными и при массовых измерениях на фиксированной частоте производятся только один раз;
− при выполнении предыдущего условия процесс измерения сводится к регистрации одного напряжения U с последующим расчетом по формуле (3.37);
− при диапазонных измерениях операции по калибровке можно свести к определению четырех вещественных функций, которые определяют модуль напряжения Uo
Uo = Uo(); (3.38)
аргумент напряжения Uo
= ; (3.39)
модуль напряжения Uk
Uk = Uk(); (3.40)
и аргумент напряжения Uk
К= К ; (3.41)
где — угловая частота.
При использовании стабильной измерительной аппаратуры операции по определению функций (3.38) — (3.40) можно выполнить один раз, так функции (3.36) — (3.37) определяются в режиме холостого хода или при перестановке нагрузки и их зависимость от частоты не будет сложной. В большинстве случаев эти функции можно выразить через уравнения первого или второго порядка. Для их идентификации необходимо выполнить измерения в двух — трех точках заданного частотного диапазона.
Процесс определения АЧХ и ФЧХ двухполюсника может быть сведен к измерению модуля и фазы напряжения U согласно схеме рисунок 3.5в; определения по АЧХ и ФЧХ напряжений Uo и Uk на измеряемой частоте; определение модуля и аргумента проводимости Y на частоте измерения; выполнение аналогичных измерений на всех дискретных точках частотного диапазона, определенных планом эксперимента; вычисление АЧХ и ФЧХ проводимости Y двухполюсника; обработка АЧХ и ФЧХ для определения интересующих пользователя параметров, наблюдения на экране дисплея графиков и т.п.
При реализации измерений согласно принятых методам следует учитывать специфику измерительных цепей, в котором эти измерения проводятся.
3.2 Структурная схема тестера
Структурная схема тестера приведена на рисунке 3.6.
Тестер содержит устройство интерфейса (УИ) и измерительно-контрольное устройство (ИКУ). Блок УИ предназначен для обмена информацией с персональным компьютером (ПК) в процессе управления тестером, обработки сигналов непосредственного управления ИКУ, а также управление приборами, агрегатированными в стойку программированных измерительных приборов (СПИП).
Объект измерения (ОУ) подключается к выходу ИКУ. Сигналы возбуждения ОУ и отклики на них поступают и воспринимаются приборами стойки СПИП через коммутаторы электрических сигналов расположенных в ИКУ.
СПИП
ПК УИ ИКУ ОИ
Рисунок 3.6 — Структурная схема тестера
3.3 Устройство интерфейса
Блок УИ сконструирован на основе микропроцессорного устройства, через которое командами с порта COM1 ПК типа IBM PC управляет:
− через первый ЦАП генератором тока в интервале от 1 до 100 мА при измерении транзисторов;
− через второй ЦАП источником опорного напряжения, который служит для регулировки напряжения транзистора;
− через третий ЦАП устройством регулировки температуры.
Управление ЦАП производится через первый – третий регистры. Остальные три регистра предназначены для управления программируемым генератором синусоидальных сигналов (ПГСС), коммутации цепей, контроля статических режимов ОИ, коммутации цепей измерения и контроля динамического режима ОИ.
Регистрация измеряемых сигналов осуществляется АЦП, управление которым осуществляется программно от ПК.
На ИКУ с выходов УИ поступают сигналы постоянного тока, которые определяют режим ОИ и коды управления коммутаторов контроля статического и динамического режимов ОИ.
Полезная информация поступает с выхода ИКУ в виде аналогового сигнала постоянного тока, который преобразуется в цифровой сигнал АЦП и подаётся на ПК для дальнейшей обработки.
3.4 Измерительно-контрольное устройство (ИКУ)
3.4.1 Электрическая схема ИКУ
Схема электрическая соединений ИКУ представлена на МК 3.097.002 Э4. ИКУ составляет собой четыре модуля: измерительная головка (ИГ), модуль А1, плата управления и контроля статическим и динамическим режимами тестера (ПУиК), модуль А2, нагрузка коллекторная, модуль А3, нагрузка базовая, модуль А4.
Устройство ИГ (МК 5.192.006 Э3) представляет собой держатель ОИ, на котором установлены: гнездо для подключения измерительного канала векторного вольтметра (ВВ); контакты для подключения собственно ОИ; вилка разъёма для подключения ИГ к ПУиК. При измерении четырёхполюсных РЭ ИГ содержит реле для подключения ВВ к входу или выходу ОИ.
Электрическая схема ПУиК приведена на МК 5.064.001 Э3.
Плата управления и контроля статическим и динамическим режимами тестера (ПУиК) содержит:
коммутатор контроля динамических и статических контролируемых
сигналов (ККС) на реле К1-К8;
коммутатор динамических режимов (КДР) на реле К9-К12;
розетка разъема Х1 для подключения измерительной головки (ИГ);
розетка разъема Х2 для подключения развязывающих ВЧ усилителей (РУ) ;
розетка разъема Х3 для подключения измерительного усилителя (ИУ);
розетка разъема Х4 для подключения блока стабилизации температуры (БСТ);
розетка разъема Х5 для подключения блока стабилизации режима транзистора (БСР);
резистор R1 для контроля режима базы;
резистор R2 для контроля режима коллектора;
резисторы R3,R4 для согласования цепи ВЧ сигнала;
продолжение
--PAGE_BREAK--резисторы R5-R7, R8-R10 и R11-R13 для ослабления сигнала;
конденсаторы С1-С10 для блокировки ВЧ сигналов в цепях питания транзистора по постоянному току;
конденсаторы С11-С12 для разделения цепей питания по переменному и постоянному току;
контакты 1а-24а, 1б-24б, 1с-10с и 1д-10д для подключения платы к внешним устройствам.
Устройство работает следующим образом:
ККС предназначен для измерения модулей сигналов на аналоговых выходах первого и второго векторных вольтметров (ВВ);
измерения разностей фаз на аналоговых выходах первого и второго ВВ;
измерения контроля напряжений Uк, Uб и токов Jк, Jб определяющих рабочую точку транзисторов при измерениях в активном режиме;
измерения напряжений Uб-к,Uб-э и соответствующих им токов Jк, Jб для аттестации параметров моделей Эберса-Молла;
измерения напряжения Uт для определения температуры окружающей среды.
Состояние реле ККС приведены в таблице 3.2. С помощью КДР реализуются динамические тесты. При этом измеряют комплексные напряжения ,,,, холостого хода на базе транзистора, которые используют для калибровки аттенюатора собранного на реле К10-К12.
Реле К9 служит для подключения к выходу аттенюаторов. В нормальном положении сигнал подается на базу транзистора, в рабочем состоянии – на коллектор.
В режиме холостого хода измеряют напряжения,,,по которым производится калибровка ИГ.
В процессе измерения транзистор подключают к ИГ и измеряют напряжения,,,.
Аттестируемые напряжения снимаются с базовой (,,,) или с коллекторной (,,,) цепи транзистора, путем подключения к этим цепям измерительного канала ВВ с помощью реле, расположенного в ИГ.
Таблица состояния реле К9-К12 представлена в таблице 3.3, в шестой колонке которой показаны состояния реле R1А, расположенного в ИГ.
Сигналы управления реле и электропитания по постоянному и переменному току поступают через жгуты, подключенные к контактам 1а-24а, 1б-24б, 1с-10с и 1д-10д.
Контакты (D0-D15) используются для управления реле.
Через контакты (М(Ф)ФК 2-12/1(2)) подключаются аналоговые выходы ВВ.
Контакты (РТ) используются для подключения терморезистора к схеме стабилизации температуры.
Контакты (Вх.1Т0и Вх.2Т0) используются для подключения датчика температуры.
Контакты (Вых.1 и Вых.2) используются для питания термоэлемента схемы БРТ.
Контакты (+15В. и –15В.) используются для питания по постоянному току.
Таблица 3.3 — Таблица состояния реле
Наименование
Реле Примечание
9
10
11
12
R1А
1
2
3
4
5
6
7
U011
U010
U001
U000
U111
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
U011
U012
U021
U022
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
U11
U12
U21
U22
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
3.4.2 Обоснование элементной базы
В разработанном комплексе применены широко распространенные и дешевые радиоэлементы:
− в качестве операционных усилителей выбран самый дешевый из прецизионных ОУ К140УД17А с малым температурным и временным дрейфами нуля, высоким входным сопротивлением и коэффициентом ослабления синфазного сигнала;
− блокировочные конденсаторы применены типа КМ и К50-35 как наиболее дешевые и допустимые;
− резисторы применены типа МЛТ с допуском 10%, С1 с допуском ±5% и СП5 с допуском ±5%;
− транзисторы типа КТ603 как наиболее дешёвые и подходящие в данной ситуации.
3.4.3 Конструкция ИКУ
Конструкторская проработка ИКУ отражена в МК 3.097.002, МК 4.720.001, МК 4.720.002, МК 4.720.003, МК 5.064.001, МК 6.192.002, МК 6.192.003, МК 6.192.004, МК 6.192.005, МК 5.192.006, МК 5.030.001, МК 6.030.001 (смотри приложение Б). Применение функционально-блочного метода конструирование открывает перспективу развития конструкции, что особенно выгодно на этапе моделирования, повышает унифицированность и ремонтопригодность устройства.
ПУиК выполнена в виде отдельного настольного блока. Основные устройства подключаются к материнской плате, которая установлена на кассете, вставляемой в основание корпуса.
На лицевой панели кассеты расположено гнездо разъёма для подключения ИГ, ВЧ разъём СР-50 для подключения выхода ПГСС, два разъёма СР-50 для подключения опорного канала. На задней панели расположены четыре разъёма СР-50 для подключения аналоговых выходов ВВ, разъём СР-50 для подключения терморезистора, гнездо разъёма DB-25 для подключения управляющих сигналов реле и низковольтного питания устройства, гнездо разъёма для подключения датчика температуры, и два гнезда разъёма для подключения входа и выхода сети питания 220 В.
В конструктивном исполнении модули НБ, НК, УР, УИ представляют собой односторонние печатные платы, устанавливаемые на материнскую плату через соответствующие разъёмы.
При конструировании модулей УР, НБ, НК были приняты во внимание принципы ВЧ монтажа.
3.5 Измерительные головки При конструировании ИГ были приняты во внимание принципы конструирования ВЧ устройств с тем, чтобы предельно уменьшить влияние паразитных параметров соединительных проводников.
Особую проблему представляла собой конструкция контактов для подключения измеряемых устройств из-за большого разнообразия конструкций выводов однотипных РЭ (транзисторов, диодов и т.д.) и типоразмеров корпусов для аналоговых ИС.
Особое внимание было уделено конструированию ИГ для СВЧ РЭ.
4 Расчётная часть
4.1 Расчет площади и габаритов материнской платы
Для расчета площади платы необходимо определить площадь, которую занимают ЭРЭ расположенные на ней и коэффициент заполнения платы по площади.
Коэффициент заполнения платы по площади (Кзп) примем равным 0.3, тогда площадь платы можно определить по формуле
, (4.1)
где Si — площадь каждого ЭРЭ.
Исходные данные для расчета площади платы приведены в табл.4.1.
Таблица 4.1 — Исходные данные для расчета площади платы ПК-2 .
Тип ЭРЭ
Количество, шт.
Размеры, мм
Площадь, мм2
Конденсаторы
12
2´12
288
Разъёмы
1
10´80
800
4
10´146
5840
Резисторы
13
4´10
520
Реле
16
6´12
1152
Всего
8600
Суммарная площадь, которую занимают ЭРЭ 9112 мм2. Определим площадь платы ПК-2 по формуле (1)
Sпл = 8600 / 0.3 = 28666.7 мм2
Так как материнская плата крепится на кассете, то оптимальными её размерами будут 210´140 мм.
С учётом того, что на плате оставляется место под резерв, размер материнской платы возьмём равным 303´140 мм.
4.2 Расчёт теплового режима блока
Расчет теплового режима блока проведём на ЭВМ по методике приведённой в /19/, текст программы приведён в /20/.
Исходными данными для расчета являются:
− мощность потребляемая блоком, Вт;
− размеры блока (L1,L2,L3), м;
− коэффициент заполнения блока по объёму;
− площадь перфорационного отверстия (м2) и их количество (шт.);
− давление окружающей среды, МПа;
− температура окружающей среды, 0С.
Рассчитаем коэффициент заполнения блока по объёму по формуле
, (1)
где Vэ — суммарный объём элементов установленных в блоке, м3;
V — объём блока, м3.
Исходные данные для расчета:
− мощность потребляемая блоком Р = 3 Вт;
− размеры блока L1= 0,045м, L2 = 0,03 м, L3 = 0,008 м;
− рассчитаем коэффициент заполнения блока по объёму по формуле (1)
− давление окружающей среды Р=0,1 МПа;
− температура окружающей среды Т= 20 0С;
− площадь перфорационного отверстия S=0,0068 м2.
Результаты расчета теплового режима блока:
− температура корпуса блока Тк=20,19 0С;
− температура нагретой зоны Тз= 20,57 0С;
− средняя температура воздуха в блоке Тв= 20,32 0С.
4.3 Расчет надёжности блока
Расчет надежности проведём на ЭВМ с помощью программы приведённой в /20/.
Исходные данные для расчета приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 — Исходные данные для расчета надёжности.
№ типа
Тип ЭРЭ
Количество
Интенсивность отказов
*Е +6 ,1/ч
Коэффициент
нагрузки
1
Конденсаторы КМ1
10
0,075
0,5
2
Конденсаторы КМ-5б
2
0,075
0,5
3
Пайка
300
0,05
0,5
4
Плата
1
0,7
0,6
5
Провод
10
0,015
0,5
6
Резисторы МЛТ
13
0,03
0,5
7
Реле
16
0,5
0,2
В ходе выполнения расчёта мы получили следующие результаты:
1. Интенсивность отказа блока 9.840001E-06 1/ч.
2. Время наработки на отказ 468000 ч.
3. Вероятность отказа блока при времени работы указанном в ТЗ (10000 ч)
P=0.9062863.
Значения зависимости вероятности безотказной работы блока от времени его работы приведены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 — Зависимость вероятности безотказной работы блока от времени его работы
T час
P(T)
T час
P(T)
T час
P(T)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
1
.9950921
.9902083
.9853484
.9805124
.9757001
.9709114
.9661463
.9614046
.956686
.9519907
.9473184
.942669
.9380425
.9334387
.9288574
.9242987
.9197623
.9152482
.9107562
.9062863
10500
11000
11500
12000
12500
13000
13500
14000
14500
15000
15500
16000
16500
17000
17500
18000
18500
19000
19500
20000
.9018384
.8974122
.8930078
.888625
.8842636
.8799238
.8756052
.8713078
.8670315
.8627762
.8585417
.854328
.8501351
.8459627
.8418108
.8376793
.833568
.8294769
.8254059
.8213549
20500
21000
21500
22000
22500
23000
23500
24000
24500
25000
25500
26000
26500
27000
27500
28000
28500
29000
29500
.8173237
.8133124
.8093207
.8053486
.8013961
.7974629
.793549
.7896543
.7857788
.7819222
.7780846
.7742658
.7704658
.7666844
.7629216
.7591772
.7554513
.7517436
.7480541
5. Технологическая часть
5.1 Качественный анализ конструкции
Основными показателями технологичности изделия являются его трудоемкость изготовления, себестоимость, программа выпуска и тип производства.
Анализируя техническое задание на дипломный проект, полагаем, что тип производства материнской платы – единичный. Таким образом, применение автоматизированного оборудования является нерентабельным. Следовательно, большинство операций по изготовлению материнской платы являются ручными, с применением станков и оборудования. В качестве материала для изготовления материнской платы используется стеклотекстолит марки СТФ-1-35-1,5 ТУ 15-503.16-83. Он обладает высокой механической прочностью, высокими электроизоляционными свойствами, низким водопоглощением. На материнской плате в оптимальной последовательности устанавливаются ЭРЭ, разъемы и детали крепежа. Такой вариант формирования является наиболее приемлемым, так как плата разбита на законченные функциональные узлы. Это позволяет легкую замену вышедшего из строя узла. Принимаемые типы ЭРЭ позволяют вести подготовительные операции (обрезку, лужение, формовку) в автоматизированном режиме, что позволяет снизить трудоемкость сборки печатной платы.
Монтаж платы односторонний, поэтому производить замену элементов печатной платы можно, не снимая ее. А также при сборке производить пайку прогрессивным методом – волной припоя. Крепление платы на салазках обеспечивает легкую ее замену в случае выхода из строя.
При сборке изделия используются освоенные в производстве детали, такие как контакты, лепестки, прокладки и т.д.
Точность технологических процессов является одной из главных количественных характеристик, но она не достаточна для того, чтобы в полной мере осуществить качество того или иного процесса. Для таких оценок вводят количественные характеристики и совместный учет точностных характеристик и характеристик устойчивости, позволяющих сделать обоснованное заключение о технологическом процессе. Чтобы плата была технологичной предусмотрено: приготовление деталей из унифицированных и стандартных элементов и использование деталей, заимствованных из освоенных ранее изделий, сокращение числа оригинальных и сложных деталей, размеры и поверхности которых требуют точности и шероховатости, экономически необоснованных, а также использование недефицитных и не дорогих материалов, являющихся технологичными.
Исходя из выше сказанного, конструкцию материнской платы можно считать технологичной.
5.2 Проектирование технологического процесса сборки печатной платы
Обеспечение высокой точности и надежности, серийно выпускаемых изделий достигается применением комплекса мероприятий, важной составной частью которого является технология сборки. Поэтому качественное проведение сборочных операций является одним из условий повышения качества сборки изделия, долговечности собираемых узлов и изделий.
В общем виде сборочный процесс представляет собой соединение в определенной последовательности отдельных деталей и электрорадиоэлементов в сборочные узлы для получения законченного изделия. Различают общую и узловую сборку. Общей сборкой называется часть технологического процесса, в течение которой происходит фиксация составляющих сборочных единиц. Узловая сборка – часть технологического процесса, которая имеет целью образования сборочных единиц, входящих в данное изделие, в соответствии с предъявляемыми к ним требованиями.
продолжение
--PAGE_BREAK--