Зміст
Вступ
1Аналіз функціонування ЗЕМ на базі інформаційних технологій схемотехнічногопроектування.
1.1Характеристики і умови експлуатації ЗЕМ та його функціональні властивості устатичному режимі
1.2Аналіз функціональних властивостей ЗЕМ у часовій та частотній областях
2Проектування конструкторської реалізації ЗЕМ у формі ГІС.
2.1Проектування плівкових пасивних елементів і конструкції ГІС…
2.2Визначення параметрів паразитних елементів ГІС…
3Аналіз впливу паразитних елементів і забезпечення функціональних властивостейЗЕМ на базі СхСАПР
4Висновки…
Вступ
Уданій курсовій роботі проводиться функціональне моделювання і аналізвластивостей ЕЗ, моделювання його надійності у температурному діапазоніексплуатації, а також аналіз і реалізацію функціональних властивостей заданогоелектронного модуля (ЗЕМ), аналізу стану ЕЗ у статичному та динамічномурежимах. При цьому потрібно розв’язати задачі з розробки конструкторськоїреалізації цифрового електронного модуля з урахуванням впливуконструктивно-технологічних і експлуатаційних чинників, зокрема паразитнихзв’язків на підложці ГІС та параметрів умов експлуатації (температури, вологи,тиску), для чого потрібно знати:
— методику математичного моделювання сигналів тавпливів у середовищі САПР;
- методику математичного моделювання надійності ЕКЗ з раптовихвідмов у заданому температурному діапазоні;
- методику реалізації ЗЕМ у формі тонко/товстоплівкової ГІС зурахуванням її конструктивних і схемотехнічних особливостей та умовексплуатації;
- методику математичного моделювання і аналізу функціональнихвластивостей ЗЕМ у статичному режимі, у часовій області у середовищі СхСАПР. Прицьому треба уміти:
— проводити математичнемоделювання надійності ЕКЗ з раптових відмов у заданому температурномудіапазоні;
— розробляти технічну реалізацію ЗЕМ у формі тонкоплівкової ГІС зурахуванням її конструктивних і схемотехнічних особливостей та умовексплуатації;
— формувати математичні моделі і проводити аналіз функціональнихвластивостей ЗЕМ у статичному режимі, у часовій та частотній областях на базіСхСАПР;
— виконувати текстову та графічну документацію для ЗЕМ у формі ГІС.
1Аналіз функціонування ЗЕМ на базіінформаційних технологій схемотехнічного проектування
1.1 Характеристики і умовиексплуатації ЗЕМ та його функціональні властивості у статичному режимі
У якості ЗЕМ розглядається мікросхема – стабілізатор напругиК2ПП241. Схема електрична принципова та схема включення наведені на рисунках1.1 та 1.2 відповідно.
Рисунок 1.1
/>
Рисунок 1.2
/>
Технічнідані:
Ток,що споживається Iпот=2,5 мА;
Вхідна напруга Uвх=5,4÷12 В;
Стабілізовананапруга Uстаб=2,9÷3,9 В(визначається стабісторами);
Коефіцієнтстабілізації Кстаб=5.
Умовиексплуатації:
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.
Аналізв статичному режимі проводився для трьох температур:
1.-60 ۫ С;
2.27 ۫ С;
3.+70 ۫ С.
Мікросхемамістить чотири резистори. Для здійснення нормального функціонування виробу булообрано номінальні опори резисторів:Позначення на схемі Опір, Ом R1 1500 R2 1000 R3 1000
Базовідані зі статичного режиму.
Длярежиму роботи при температурі -60°:
/>
Таблиця1.1
/>
Напругиі струми для стабілітронів:
Таблиця1.2
/>
Напругиі струми для транзисторів:
Таблиця1.3
/>
Длярежиму роботи при температурі 27°(нормальні умови):
/>
Таблиця1.4
/>
Напругиі струми для стабілітронів:
Таблиця1.5
/>
Напругиі струми для транзисторів:
Таблиця1.6
/>
Длярежиму роботи при температурі +70°:
/>
Таблиця1.7
/>
Напругиі струми для стабілітронів:
Таблиця1.8
/>
Напругиі струми для транзисторів:
Таблиця1.9
/>
Схемипринципові з показниками напруг та струмів, промодельовані для трьох температурзнаходяться у Додатку 1.
1.2 Аналіз функціональнихвластивостей ЗЕМ у часовій області
РоботаЗЕМ у значній мірі характеризується динамікою, тобто функціональнимивластивостями у часовій області.
Моделюванняпроводиться в системі OrCad9.2, в програмі Pspice Schematics.
Длямоделювання задаємо наступні параметри:
1.У вікні Analisis Setup вибираємо пункти Temperature і Transient.
2.Натискуємо кнопку Temperatureі зписуємо через кому три значення температури: -60, +25, +60.
3.Натискаємо кнопку Transientі вводимо наступні дані Print Step(Крокдруку) задаємо 10нс, Final Time(Кінцевийчас 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.
Роздрукованічасові діаграми приведені в додатку 2.
2 Проектування конструкторськоїреалізації МС К2ПП241 у формі ГІС
2.1 Проектування плівкових пасивнихелементів і конструкції ГІС
Основна задача даного розділу — розрахунок і розробкатопології і конструкції функціональних вузлів радіоелектронної апаратури увигляді ГІС, в даному випадку – мікросхеми К2ПП241.
Вибір технології виготовлення ГІС базується на аналізівиробу:
— функція виготовляємої ГІС;
— масштаб виробництва;
— умови експлуатації;
— та ін.
і здійснюється відповідно до принципової схеми зурахуванням конструктивно-технологічних обмежень.
Узалежності від способу формування плівкових елементів, ГІС підрозділяють на:
— тонкоплівкові;
— товстоплівкові.
Різноманітні методи формування конфігурації елементіву тонкоплівковій технології забезпечують формування плівкових елементів уширокому діапазоні значень їх параметрів із достатньо високою точністю і відтворенням.
Для даної мікросхеми було обрано саме тонкоплівковийметод.
Вихідні дані для розрахунку наведені у таблиці 2.1.
Так як номінал усіхрезисторів лежить в межах 1 – 10 кОм, обираємо один резистивний матеріал длязабезпечення необхідного опору.
Визначаємо оптимальне значення питомого опору резистивногоматеріалу 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, найближчимдо розрахованого: сплав РС-3001 з питомим опором 1 кОм/кв та питомою потужністюрозсіювання Р0=20 мВт/мм2
Таблиця 2.1Позначення на схемі Номінальний опір, Ом Потужність, Вт R1 1500 0,059 R2 1000 0,007 R3 1000 0,0007
Конструктивний розрахуноктонкоплівкових резисторів полягає у визначенні форми, геометричних розмірів імінімальної площі, що займають резистори на підкладці. При цьому необхідно, щобрезистори забезпечували розсіювання заданої потужності при дотримуваннінеобхідної точності /> в умовах існуючих технологічнихможливостей.
Необхідно перевіритиправильність вибору матеріалу з точки зору точності виготовлення резисторів.
Повна відносна похибкавиготовлення плівкового резистора
/> складається із суми похибок:
/>, (2.2)
де /> - похибка коефіцієнта форми івідтворення розміру />
резистивної плівки відповідно;/> -температурна похибка; /> - похибка, обумовлена старіннямплівки; /> -похибка перехідних опорів контактів.
Похибка коефіцієнта формизалежить від похибок геометричнихрозмірів (довжини /> і ширини />) резистора:
/> (2.3)
Похибка відтворення питомогоповерхневого опору /> залежить від умов напилювання іматеріалу резистивної плівки. В умовах серійного виробництва її значення неперевищує 5%.
Температурна похибка залежить від ТКОматеріалу плівки:
/>, (2.4)
де /> - ТКО матеріалу плівки, 1/oСабо 1/K.
Похибка/> обумовленастарінням плівки за рахунок повільної зміни структури плівки з часом і їїокислювання. Вона залежить від матеріалу плівки та ефективності захисту, атакож від умов зберігання і експлуатації.
/>, (2.5)
де/> – час; /> - коефіцієнтстаріння плівкового резистора, що визначає тимчасову нестабільність його опору.
Похибка/> сплавуРС-3001 становить ±0,5%
Похибкаперехідних опорів контактів /> визначається технологічнимиумовами напилювання плівок, питомим опором резистивної плівки і геометричнимирозмірами контактного переходу: довжиною перекриття і шириною резистора. Їїзначення /> Якщоматеріал контактних площадок обраний відповідно до табличних даних, то цієюпохибкою можна знехтувати.
Значенняпохибок для даного випадку знаходяться у таблиці 2.2
Допустима похибка коефіцієнта форми:
/> (2.6)
Таблиця2.2
/>
/>
/>
/>
/> 0,15 -2,60E-03 0,005 0,02 0,005
/>
Оскільки отримане значення не євід’ємним, то можемо продовжувати розрахунки.
Визначаємо коефіцієнт форми:
/> (2.7)
/> R1 1,5 R2 1 R3 1
При/> рекомендуєтьсяконструювати резистор прямокутної форми типу “смужка”, у якого довжина /> більше ширини />.
Спочаткувизначаємо мінімальну ширину резистора, використовуючи умову:
/>, (2.8)
де/> -мінімальне значення ширини резистора, обумовлене технологічними можливостями виготовлення;
/> - мінімальнезначення ширини резистора, що забезпечує задану точність виготовлення; /> - мінімальнезначення ширини резистора, що забезпечує задану потужність розсіювання.
Мінімальнезначення ширини резистора /> знаходимо заформулою:
/> (2.9)
/>
де />, /> - похибки ширини ідовжини, що залежать від методу виготовлення.
Мінімальнезначення ширини резистора /> розраховуємо за формулою:
/> (2.10)
Заширину резистора /> приймаємо найближче до /> значення,кратне кроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології зурахуванням масштабу. Для тонкоплівкової технології крок координатної сіткизвичайно становить 1 або 0,5 мм (у даному випадку, якщо крок 1 мм, масштаб20:1, то округлення роблимо до розміру, кратного 0,05 мм).
Розрахунковудовжину резистора визначаємо за формулою:
/> (2.11)
Задовжину /> резистораприймаємо найближче до /> більше ціле значення, кратнекроку координатної сітки, прийнятому для креслення топології з урахуванняммасштабу.
Визначаємоповну довжину резистора з урахуванням перекриття контактних площадок. Длярезистора, виготовленого масковим методом, вона буде дорівнювати:
/>, (2.12)
де/> - розмірперекриття резистивної плівки контактною площадкою.
Потім визначаємо площу, яку займаєрезистор на підкладці.
/> (2.13)
Результатирозрахунків:
Таблиця2.8
/>, 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 знаходимодійсну питому потужність і похибку резистора. Резистор спроектованийзадовільно, 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 велектронній таблиці Excel та перевірені за допомогою програми, написаної намові Borland C++ 5.02, роздруківка якої наведена у додатку 3.
Площу плати, необхідну для розміщення усіх елементів IС визначають, виходячи з того, щокорисна площа плати, що займається елементами, компонентами і контактнимиплощадками, дещо менша її загальної площі, що обумовлено технологічнимивимогами й обмеженнями. З цією метою приймають коефіцієнт використання плата Кs, значення якого в залежності відскладності схеми і засобу її виготовлення складає 2...3.
Загальна площа плати:
/> (2.17)
де /> - кількість плівкових резисторів;
/>, — площа i-го резистора;
/> — кількістьнавісних транзисторів;
/> - площа i-го транзистора;
/> - кількість контактних площадок під виводи корпусу;
/> - площа контактної площадки;
/> - кількість контактних площадок підвиводи навісних елементів;
/> - площа контактної площадки.
ОтрималиSпідк=26,5 мм2
Розраховану площу плати заокруглюють до площі, найближчої зрекомендованого ряду, що дозволяє орієнтовно визначити конструктивні ознакикорпуса ІС, за якими вибирають типорозмір придатного корпуса з числанормалізованих.
Довжина l=6мм, ширина b=5 мм, типорозмір підложки – 11.
Обираємо корпус «Тропа».
Топологічне та збиральне креслення наведені у додатку4.
2.2 Визначення параметрів паразитнихелементів ГІС
Урозробленій топології є місця, котрі представляють собою паразитні елементи.Ескіз топології наведений на рисунку 1.
/>
Длярозрахунку паразитних ємностей використовуємо формулу:
/>(2.11)
Деb — довжина провідників, w – відстань між провідниками, h – товщина підложки, t – товщина провідників (мм), />.
Згіднотопології паразитні ємності будуть між виводами 1 і 2, 2 і 3 та 3 і 4, а такожміж виводами 7 і 8 та 8 і 9.
Розрахунокпаразитних ємностей проводимо в програмі Microsoft Excel, записавши необхідні розрахунки.
Виводи1 і 2 та 6 мають значну відстань паралельного проходження всередині мікросхеми.
Дляпаразитних індуктивностей використовуємо формулу
/> (2.12)
Початковідані для розрахунку та результати зведені до таблиць 2.9 та 2.10.
Таблиця2.9 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
Таблиця2.10 Довжина провідників, мм Індуктивність, нГ L1 3,8675 0,693372 L2 3,1755 0,711979 L3 3,2675 0,708133
Програмарозрахунку паразитних параметрів знаходиться у додатку 4.
Товщинапідкладки h=0,5мм, товщина доріжок t=0.01мм.
3 Аналіз впливу паразитних елементіві забезпечення функціональних властивостей ЗЕМ на базі СхСАПР
Визначеніпаразитні ємності вводимо до схеми ЗЕМ. Проводимо аналіз схеми у статичномурежимі. Для його проведення необхідно провести моделювання схеми при трьохтемпературах: -60 ۫, 25 ۫, 60 ۫.
Такожпроводимо аналіз ЗЕМ з паразитними елементами у часовій області.
Схемаз паразитними елементами, показники напруги та струму в схемах, а також аналізсхеми у часовій області зображені у додатку 5.
Вцьому підрозділі проводимо порівняльний аналіз функціональних властивостей ЗЕМз паразитними параметрами та без них у статичному режимі та у часовій області.Таким чином можемо зробити висновок про вплив паразитних елементів на роботуЗЕМ і ефективність його конструкторської реалізації у формі ГІС.
Якми виявили, паразитні параметри майже не впливають на роботу ЗЕМ. Це видно зстатичних та часових характеристик які знаходяться а додатках 1, 2, 5.
Висновки
Виконавшикурсову роботу розробили принципову схему ЗЕМ, промоделювали її в системі OrCad 9.2. Визначили параметри схеми устатичному режимі та у часовій області. Розробили топологію гібридноїінтегральної схеми. Виконали розрахунки паразитних елементів ГІС, визначили їхвплив на робрту схеми у статичному та динамічному режимі.