Разработка интегрального аналогового устройства

 Министерство РФ  по связи и информатизации.

Сибирский государственный  университет телекоммуникаций и 

информатики.

ФУПС БФ СибГУТИ.

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

  ПО КУРСУ: «Схемотехника»

 

Тема:    «Разработка интегрального аналогового устройства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:	Ухинов П.Л.
Группа:	М-02
Шифр:	211
Вариант:	11
Проверил:	Хаптаев А.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Улан-Удэ 2004г.

 

Содержание

 

Техническое задание	3
Введение	4
1. Разработка структурной схемы	5
2. Разработка принципиальной схемы 2.1Электрический  расчет. 2.2. Расчет элементов определяющих  АЧХ.	6 8 12
3. Разработка интегральной схемы	16
5. Этапы изготовления ГИМС	19
Зеключение Литература	21 22

 

          Цель работы:

 

1. Научится составлять электрические схемы аналоговых устройств на основе биполярных и полевых транзисторов.
2. Осуществлять правильный выбор типов и структур биполярных и полевых транзисторов.
3. Проводить электрический расчёт схем простейших аналоговых устройств.
4. Приобрести навыки в составлении топологии аналоговых интегральных микросхем.

 

 

 

 

 

 

Техническое задание:

 

1. Напряжение источника питания - U_пит = 9 В.
2. Коэффициент усиления по напряжению - К_u = 4.
3. Входное сопротивление - R_вх  = 0,47 МОм.
4. Сопротивление нагрузки - R_н = 2 кОм.
5. Номинальное входное напряжение - U_ном = 1 В.
6. Нижняя рабочая частота (НРЧ) - f_н = 300 Гц.
7. Верхняя рабочая частота (ВРЧ) - f_в = 3,4 кГц.
8. Коэффициент частотных искажений на НРЧ - М_н = 1 дБ.
9. Коэффициент частотных искажений на ВРЧ - М_в  = 2 дБ.
10. Тип входа - Н.
11. Тип выхода - С.

 

Введение.

 

Среди устройств радиосвязи, радиовещания и телевидения усилители электрических сигналов получили самое широкое распространение. Их роль и значение для радиосвязи, радиовещания и телевидения трудно переоценить. По существу, они являются основой построения всей аппаратуры радиосвязи, радиовещания и телевидения: усиление электрических сигналов является фундаментальным свойством всей аппаратуры обработки сигналов. То же самое можно сказать и о дальней проводной связи, измерительной технике, вычислительной технике и многих других областях современной науки и техники.

Усилитель электрических сигналов - это устройство, увеличивающее (усиливающее) мощность подводимых к нему электрических  сигналов путём управления ими энергией собственного источника питания усилителя при помощи усилительных элементов (УЭ), обладающих управляющими свойствами. Следует отметить, что при усилении возможны искажения формы сигналов, но они не должны превышать допустимых значений.

Разрабатываемое устройство предназначено  для работы в звуковом диапазоне  частот и согласовано относительно высокого входного сопротивления с сопротивлением последующего каскада усилителя, работающего на низкой нагрузке.

Необходимость исполнения в виде гибридной  интегральной микросхемы вытекает из требований малой габаритности, малой энергоёмкости, технологичности изготовления и последующего применения в качестве предварительного усилителя низкой частоты, для портативных радиоприёмников и т.д.

Из-за высокой технологичности  следует низкая себестоимость компонентов, узлов радиоаппаратуры.

 

1. Разработка структурной схемы.

 

Современные усилители являются, как  правило, многокаскадными устройствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На схеме обозначено: ИС- источник сигнала ;Вх.цепь- входная цепь усилительного  устройства (УУ), не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, 1 КАСКАД, 2 КАСКАД - два усилительных каскада УУ (1 каскад - усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению и большое входное сопротивление, 2 каскад- усилитель мощности, усиливающий мощность сигнала и уменьшающий выходное сопротивление схемы), Вых.цепь- выходная цепь УУ, не пропускающая постоянную составляющую и низкие частоты сигнала, Нагрузка - нагрузка УУ. Пунктиром на схеме выделено само усилительное устройство. 

 

2. Разработка принципиальной схемы.

 

Заданию соответствует двухкаскадная схема усилителя с полевым транзистором на входе и биполярным транзистором на выходе. Полевой транзистор обеспечивает в покое входное сопротивление R_ВХ = 0,47 МОм и усиление в 3…8 раз, биполярный транзистор допускает подключение низкой нагрузки, даёт симметричный выход и обеспечивает оставшееся усиление.

 

 

Предложенная схема работает следующим  образом :

Переменный сигнал поступает на вход схемы с генератора ЭДС равной Uг  и внутренним сопротивлением Rг  . Разделительный конденсатор Ср1 служит для разделения переменной и постоянной  составляющих сигнала так, что на затвор входного транзистора попадает только его переменная составляющая. Через резистор Rз задаётся постоянная составляющая напряжения затвора (в нашем случае Uз0 = 0 ) и режим работы транзистора VT1 по постоянному току. Полевой транзистор VT1 с управляющим p-n переходом (p- канальный транзистор ) работает в качестве усилителя напряжения с большим входным сопротивлением . Питающее напряжение на сток транзистора подаётся через резистор Rс (от источника питания Uп ), на котором и выделяется усиленный сигнал. Резистор Rc совместно конденсатором Ск задают постоянную времени τ= Rc*Ск , определяющую верхнюю рабочую частоту усилителя. Далее сигнал поступает на биполярный транзистор VT2 (p-n-p типа ) , который усиливает сигнал по мощности и уменьшает выходное сопротивление усилителя.

Второй каскад усилителя можно  рассматривать как фазоинверсный.

В схеме нагрузка выходной цепи  разделена на две части (в цепи коллектора и цепи эмиттера ).Через каждый нагрузочный резистор течет один и тот же ток переменного сигнала. Амплитуды напряжения переменного сигнала на этих нагрузочных резисторах одинаковы U_вых1 = U_вых2 ,а так же в каскаде с разделенной нагрузкой выбирают равными сопротивления в цепи коллектора , эмиттера и нагрузки (R_к = R_э = R_н).Следует отметить, что токи в нагрузочных резисторах R_к и R_э текут в противоположных направлениях относительно «земли», поэтому напряжения переменного сигнала относительно «земли» будут обратными по фазе. 

Приведенная схема с разделенной  нагрузкой имеет то преимущество, что в ней получаются хорошие частотная, фазовая и переходная характеристики на верхних частотах. Такая схема не дает усиления напряжения сигнала и имеет вдвое меньшее максимальное выходное напряжение по сравнению  с обычным резисторным каскадом, так как развиваемое усилительным элементом напряжение сигнала здесь делится пополам.  

Фазоинверсный каскад с разделенной  нагрузкой рассчитывают так же, как и обычный резисторный каскад.

 

                           

 

2.1.   Электрический  расчет

 

       Целью расчета   является выбор транзисторов  и определение  R_З , R_С , R_Э2 ,

а также  подбор   С_Р1 ,  С_Р2 , С_К ,  VT1 ,  VT2 ,    структура транзисторов,  которая зависит от полярности    Е_П  =  -9 В, значит VT1 – должен  иметь   p – канал, а VT2 -  ,,p-n-p”.

      Чтобы  определить конкретный  тип, надо вычислить токи  протекания  через эмиттер транзистора.  Расчет  ведется от последнего каскада  к первому.

 

1.Выбор VT2.

Определяем ток нагрузки по формуле:

Транзистор выходного каскада  выбирается по току покоя, который должен в 2¸5 раз превышать ток нагрузки: тогда пусть

 

          Максимальное  смещение Р.Т. в режиме «А»:

                                     I_к = I_р.т. + I_н = 4,2 + 2,1 = 6,3 мА

С помощью справочника [1] выбираем транзистор типа  «p-n-p» 2Т370А-1 с параметрами:                               

                                            I_к    = 15мА;

                                            U_кэ = 15В;

                                            h_21э = 30 – 200 – статистический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ. Выбираем 100                                                   

h_11Э – входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером. Согласно физической модели это R_Б, величиной от 100 до 250 Ом.

Примим 150 Ом.

 

2. Выбираем R_к= R_э= R_н (схема с разделенной нагрузкой).

 

R_к= R_э= R_н= 2000 Ом.

 

3. Определим коэффициент усиления каскада на VT2 по формуле:

 

К_u2= К_эп + К_оэ

Коэффициент передачи эмиттерного  повторителя определяется по формуле:

 

 

 

 

Получив необходимые данные для  дальнейших расчётов, рассчитаем коэффициенты усиления.

 

Коэффициент усиления транзистора  включенного по схеме с общим эмиттером определяется по формуле:

 

 

Общий коэффициент усиления на транзисторе  VT2 :

К_u2= 0,998 + 0,74 ≈ 1,74

 

 

 

 

 

4. Рассчитаем  входное сопротивление каскада  на VT2:

 

При R_С << 134,8 кОм коэффициент усиления:

 

5. Расчёт первого каскада на VT1.

 

Выбираем полевой транзистор малой  мощности с управляющим p-n переходом и каналом p-типа. Учитывая, что по заданию U_пит. = -9В, выбираем транзистор 2П201Д-1.

 

Его данные: P_{C MAX}= 60 мВт, U_{СИ MAX} =10 В; I_с.нач. = 3 – 6,0 мА

 

По семейству выходных ВАХ транзистора  с построением нагрузочных прямых производим расчет коэффициента усиления напряжения и номинальных значений элементов схемы.

Рабочая точка выбирается в пологой  области выходных ВАХ ПТ для обеспечения  лучших усилительных свойств транзистора.

Нагрузочная прямая строится по двум точкам:

 

1-я точка              I_с = 0                       U_с = U_пит = 9В;

 

2-я точка             U_с = 0                       I_{с max} = 4,8А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 Рис.3 Семейство ВАХ транзистора 2П201Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Из  выражения:

                       U_с = U_пит. – R_с*I_с  при U_с = 0 находим R_с

 

                       R_с = U_пит. / I_с = 9/4,0 *10^-3 = 1,875 кОм

 

Крутизна ВАХ определяется по формуле:

 

                       S = , при U_си const

                      

                       S = ((5,9 – 3,7) 10^-3) / (0,4 –0) = 5,5 мА/В

Коэффициент усиления первого каскада  рассчитывается по формуле:

                        К_u1 = S * R_с = 5,5 *10^-3*1,875*10³ = 10,31

 

6. Выбор R_З.

 

Поскольку во входной цепи полевого транзистора ток отсутствует, то

R_З=R_ВХ = 0,47 МОм.

 

2.2Расчёт элементов  определяющие АЧХ

 

Частотная характеристика усилителя  в области нижних частот определяется выбором емкостей разделительных конденсаторов:

 

, где

 

R_Г  = 0, R_З = 0,47МОм, F_Н = 300 Гц.

В расчетные формулы значения М_н1 и М_н2 следует подставлять в разах    М_Н= М_Н1* М_н2

 

 

М_н1=М_н2= = (раз)

                                                                                                                                                                                                                        

 

Частотная характеристика усилителя  в области верхних частот зависит от выбора емкости конденсатора С_К, рассчитываемой по формуле:

,

 

 

 

Расчет АЧХ в области нижних частот.

 

Расчет АЧХ в области нижних частот производим по формуле:

 

 

   

Расчет АЧХ проводим для частот: 0,1f_н; 0,2f_н; 0,5f_н; 0,7f_н; f_н; 1,5f_н;2f_н.