Реферат ЭТПиМЭ
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Ч а с т ь 1
1.1. Упрощение логических выражений.
1.2. Формальная схема устройства.
1.3. Обоснование выбора серии ИМС.
1.4. Выбор микросхем.
1.4.1. Логический элемент
²
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
²
.
1.4.2. Логический элемент
²
2
ИЛИ
²
с мощным открытым коллекторным выходом.
1.4.3.
Логический элемент
²
2
И
²
с открытым коллектором.
1.4.
4
.
Логический элемент
²
2
И
²
с
повышенной нагрузочной способностью.
1.4.
5
.
Логический элемент
²
НЕ
²
1.5. Электрическая принципиальная схема ЦУ.
1.6. Расчет потребляемой мощности и времени задержки.
1.6.1. Потребляемая мощность.
1.6.2.
Время задержки распространения.
Ч а с т ь 2
2.1. Расчет базового элемента цифровой схемы.
2.1.1. Комбинация: Х1 = Х2 =Х3 = Х4 =
²
1
²
.
2.1.2. Комбинация: Х1 = Х2 =Х3 = Х4 =
²
0
²
.
2.1.3. Любая иная комбинация.
2.2. Таблица состояний логических элементов схемы.
2.3. Таблица истинности.
2.4. Расчет потенциалов в точках.
2.4.1. Комбинация 0000.
2.4.2. Комбинация 1111.
2.4.3. Любая иная комбинация.
2.5. Расчет токов.
2.5.1 Комбинация 0000.
2.5.
2
Комбинация 1111.
2.6. Расчет мощности рассеиваемой на резисторах.
2.6.1. Комбинация 0000.
2.6.2. Комбинация 1111.
Ч а с т ь 3
3.1. Разработка топологии ГИМС.
3.2. Расчет пассивных элементов ГИМС.
3.3. Подбор навесных элементов ГИМС.
3.4. Топологический чертеж ГИМС (масштаб 10:1).
В А Р И А Н Т №
2
В ы х о д: ОК; ОС; или ОЭ.
Рпот < 120 мBт
tз.р. £ 60 нс
Ч
а
с
т
ь
1
1.1. Упрощение логических выражений.
1.2. Формальная схема устройства.
1.3. Обоснование выбора серии ИМС.
Учитывая, что проектируемое цифровое устройство должно потреблять мощность не превышающую 100мВт и время задержки не должно превышать 100 нс для построения ЦУ можно использовать микросхемы серии КР1533 (ТТЛШ) имеющие следующие технические характеристики:
Напряжение питания: 5В
Мощность потребления на вентиль: 1мВт.
Задержка на вентиль: 4 нс.
1.4. Выбор микросхем.
1.4.1. Логический элемент
²
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
²
.
ЛП 5
Параметры:
| Рпот = Епит × Iпот = 5 × 5,9 = 29.5 мВт |
Епит = 5 В
Iпот = 5,9 мА
| |
1.4.2. Логический элемент
²
2
ИЛИ
² с мощным открытым коллекторным выходом.
D2 - КР1533ЛЛ4
Параметры:
| |
Епит = 5 В
I1пот = 5 мА
I0пот = 10,6 мА
| |
1.4.3.
Логический элемент
²
2
И
²
с открытым коллектором.
D3 - KP1533
ЛИ2
Параметры:
| |
Епит = 5 В
I1пот = 2,4 мА
I0пот = 4,0 мА
| |
1.4.3.
Логический элемент
²
2
И
²
с
повышенной нагрузочной способностью.
D4 - KP1533
ЛИ1
Параметры:
| |
Епит = 5 В
I1пот = 2,4 мА
I0пот = 4 мА
| |
1.4.
5
.
Логический элемент
²
НЕ
²
.
D5 - KP1533
ЛН1
Параметры:
| |
Епит = 5,5 В
I1пот = 1,1 мА
I0пот = 4,2 мА
| |
|
|
|
|
|
С учетом выбранных микросхем внесем в формальную схему некоторые изменения (с целью минимизировать количество микросхем).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.6.1. Потребляемая мощность.
Pпот = Pпот D1 + Pпот D2 + Pпот D3 + Pпот D4 + Pпот D5 = 29.5 + 39 + 16 + 16 + 13.25 = 113.75 мВт
113.75 < 120 - Условие задания выполняется.
1.6.2. Время задержки распространения.
Для расчета времени задержки возьмем самый длинный путь от входа к выходу. Например от входов х2х3 до выхода y2. Тогда:
tз.р. = tз.р. D5.2 + tз.р. D2.1 + tз.р. D3.2 = 9.5 + 10.5 + 34.5 = 54,5 мВт
54,5 < 60 - Условие задания выполняется.
Ч
а
с
т
ь
2
2.1. Расчет базового элемента цифровой схемы.
Для трех комбинаций входных сигналов составим таблицу состояний всех активных элементов схемы.
2.1.1. Комбинация: Х1 = Х2 =Х3 = Х4 =
²
1
²
.
Если на все входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы напряжения логической ²1², то эмиттеры VT1 не получают открывающегося тока смещения (нет разности потенциалов). При этом ток, задаваемый в базу VT1 через резистор R1 , проходит от источника Eпит в цепь коллектора VT1, смещенного в прямом направлении, через диод VD1 и далее в базу VT2. Транзистор VT2 при этом находится в режиме насыщения (VT2 - открыт) в точке ²
B
² Uб=0,2 В (уровень логического нуля). Далее ток попадает на базу VT4 и открывает VT4 на выходе схемы ²0².
2.1.2. Комбинация: Х1 = Х2 =Х3 = Х4 =
²
0
²
.
Когда на входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы уровни логического нуля переходы база - эмиттер смещаются в прямом направлении. Ток, задаваемый в его базу через резистор R1 проходит в цепь эмиттера. При этом коллекторный ток VT1 уменьшается, поэтому транзистор VT2 закрывается. Транзистор VT4 также закрывается (т.к. VT2 перекрыл доступ тока к базе VT4). На выход, через открытый эмиттерный переход VT3 попадает уровень логической единицы - на выходе ²1².
2.1.3. Любая иная комбинация.
Например: Х1 = 1; Х2 = 0; Х3 = 1; Х4 = 1
Когда хотя бы на один любой вход многоэмиттерного транзистора VT1 подан уровень логического нуля соответствующий (тот на который подан ²0²) ²
В
² переход база-эмиттер смещается в прямом направлении (открывается) и отбирает базовый ток транзистора VT2. Получается ситуация как в пункте 2.1.1.
2.2. Таблица состояний логических элементов схемы.
| Х1 | Х2 | Х3 | Х4 | Uвх1 | Uвх2 | Uвх3 | Uвх4 | VT1 | VT2 | VT3 | VT4 | Uвых | Y |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 5 | 5 | 5 | 5 | Закр | откр | закр | откр | 0,2 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | Откр | закр | откр | закр | 5 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0,2 | 0,2 | 5 | 5 | Откр | закр | откр | закр | 5 | 1 |
2.3. Таблица истинности.
На выходе схемы появится уровень логической единицы при условии, что хотя бы на одном, но не на всех входах ²1². Если на всех входах ²1², то на выходе ²0².
| Х1 | Х2 | Х3 | Х4 | Y |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| |
| - Схема выполняет логическую функцию²И-НЕ². |
2.4. Расчет потенциалов в точках.
2.4.1. Комбинация 0000.
При подаче на вход комбинации 0000 потенциал в точке ²
A
² складывается из уровня нуля равно 0,2 В и падения напряжения на открытом p-n переходе равном 0,7 В. Значит потенциал в точке ²
A
² Uа = 0,2 + 0,7 = 0,9 В.
Транзистор VT2 закрыт (см. п. 2.1.2.) ток от источника питания через него не проходит поэтому потенциал в точке ²
B
²
Uб = Eпит = 5 В. Транзистор VT2 и VT4 закрыт, поэтому потенциал в точке ²
C
² Uс =0 В. Потенциал в точке ²
D
² складывается из Епит = 5 В за вычетом падения напряжения на открытом транзис-торе VT3 равным 0,2 В и падения напряжения на диоде VD2 = 0,7 В. Напряжение Ud = 5 - ( 0,2 + 0,7 ) = 4,1 В.
2.4.2. Комбинация 1111.
При подачи на вход комбинации 1111 эмиттерный переход VT1 запирается, через коллекторный переход протекает ток. На коллекторный переход VT1 подают напряжение равным 0,7 В. Далее 0,7 В подают на диоде КD1 и открытом эмитторном переходе транзистора VT2 , а также на открытом эмиттерном переходе транзистора VT4. Таким образом потенциал в точке ²
a
²
Ua = 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,7 =2,8 В. Потенциал в точке ²
C
² Uс = 0,7 В. (Падение напряжения на эмиттерном переходе VT4 ).
Потенциал в точке ²
B
² напряжение базы складывается из потенциала на коллекторе открытого транзистора VT2 = 0,2 В и падения напряжения на коллекторном переходе транзистора VT3 = 0,7 В. Напряжение Uб = 0,2 + 0,7 = 0,9 В. Потенциал в точке ²
D
²
напряжение Ud = 0,2 В. (Напряжения на коллекторном переходе открытого эмиттерного перехода VT4 ).
2.4.3. Любая иная комбинация.
При подачи на вход любой другой комбинации содержащей любое количество нулей и единицу (исключая комбинацию 1111) приведет к ситуации аналогичной п.3.2.1.
2.5. Расчет токов.
2.5.1 Комбинация 0000.
2.5.
2
Комбинация 1111.
2.6. Расчет мощности рассеиваемой на резисторах.
2.6.1 Комбинация 0000.
PR1 = IR1 × U R1 = 1,025 × (5-0,9)=4,2 мВт
PR2 = IR2 × U R2 = 0 мВт
PR3 = IR3 × U R3 = 0 мВт
2.6.2 Комбинация 1111.
PR1 = IR1 × U R1 = 0,55 × (5-2,8) = 1,21 мВт
PR2 = IR2 × U R2 = 2,05 × (5-0,9) = 8,405 мВт
PR3 = IR3 × U R3 = 0,38 × 0,7 = 0,266 мВт
Сведем расчеты в таблицу.
Ч
а
с
т
ь
3
3. Разработка топологии ГИМС.
В конструктивном отношении гибридная ИМС представляет собой заключенную в корпус плату (диэлектрическую или металлическую с изоляционным покрытием), на поверхности которой сформированы пленочные элементы и смонтированы компоненты.
В качестве подложки ГИМС используем подложку из ситала, 9-го типоразмера имеющего геометрические размеры: 10х12 мм (см[2] стр.171; табл. 4.6). Топологический чертеж ГИМС выполним в масштабе 10:1.
3.1. Расчет пассивных элементов ГИМС.
Для заданной схемы требуется 3 резистора следующих номинальных значений:
R1
=
4
кОм
R2
=
2 кОм
R3
=
1,8 кОм
Сопротивление резистора определяется по формуле:
,
где:
RS - удельное поверхностное сопротивление материала.
- длина резистора.
b
- ширина резистора.
Для изготовления резисторов возьмем пасту ПР - ЛС имеющую RS
=1 кОм.
Тогда:
=2 мм b = 0,5 мм
R1 = 1000 × ( 2 / 0,5 ) = 4 кОм
=1 мм b = 0,5 мм
R2 = 1000 × ( 1 / 0,5 ) = 2 кОм
=2,25 мм b = 1,25 мм
R3 = 1000 × ( 2,25 / 1,25 ) = 1,8 кОм
Сведем результаты в таблицу.
3.2. Подбор навесных элементов ГИМС.
Для данной схемы требуется:
1) один 4-х эмиттерный транзистор.
2) три транзистора n-p-n.
3) два диода.
Геометрические размеры навесных элементов должны быть соизмеримы с размерами пассивных элементов:
1) В качестве 4-х эмиттерного транзистора использован транзистор с геометрическими размерами 1х4 мм и расположением выводов как на рис.1.
2) В качестве транзистора n-p-n используем транзистор КТ331.
Эксплутационные данные:
Umax
кэ
=
15
В
Umax
бэ
=
3
В
I
к
max
=
20 мА
3) В качестве диодов использован диод 2Д910А-1
Эксплутационные данные:
U
об р
=
5
В
I
пр
=
10 мА
Проверим удовлетворяет ли мощность рассеивания на резисторах максимальной мощности рассеивания для материала из которого изготовлены резисторы, а именно для пасты ПР-1К у которой P0 = 3 Вт/см2.
Для
R1
P1 max = 4,2 мВт
SR1 =× b = 2 × b = 2 × 0,5 = 1 мм2
Необходимо чтобы P0 ³ P1 max , т.е. условие выполняется.
Для
R2
P2 max = 8,4 мВт
SR2 =× b = 2 × b = 1 × 0,5 = 0,5 мм2
Необходимо чтобы P0 ³ P2 max , т.е. условие выполняется.
Для
R3
P3 max = 0,26 мВт
SR2 =× b = 2 × b = 2,25 × 1,25 = 2,82 мм2
Необходимо чтобы P0 ³ P3 max , т.е. условие выполняется.
3.3. Топологический чертеж ГИМС (масштаб 10:1).
2.4.1. Комбинация 0000.
При подаче на вход комбинации 0000 потенциал в точке ²
A
² складывается из уровня нуля равно 0,2 В и падения напряжения на открытом p-n переходе равном 0,7 В. Значит потенциал в точке ²
A
² Uа = 0,2 + 0,7 = 0,9 В.
Транзистор VT2 закрыт (см. п. 2.1.2.) ток от источника питания через него не проходит поэтому потенциал в точке ²
B
²
Uб = Eпит = 5 В. Транзистор VT2 и VT4 закрыт, поэтому потенциал в точке ²
C
² Uс =0 В. Потенциал в точке ²
D
² складывается из Епит = 5 В за вычетом падения напряжения на открытом транзис-торе VT3 равным 0,2 В и падения напряжения на диоде VD2 = 0,7 В. Напряжение Ud = 5 - ( 0,2 + 0,7 ) = 4,1 В.
2.4.2. Комбинация 1111.
При подачи на вход комбинации 1111 эмиттерный переход VT1 запирается, через коллекторный переход протекает ток. На коллекторный переход VT1 подают напряжение равным 0,7 В. Далее 0,7 В подают на диоде КD1 и открытом эмитторном переходе транзистора VT2 , а также на открытом эмиттерном переходе транзистора VT4. Таким образом потенциал в точке ²
a
²
Ua = 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,7 =2,8 В. Потенциал в точке ²
C
² Uс = 0,7 В. (Падение напряжения на эмиттерном переходе VT4 ).
Потенциал в точке ²
B
² напряжение базы складывается из потенциала на коллекторе открытого транзистора VT2 = 0,2 В и падения напряжения на коллекторном переходе транзистора VT3 = 0,7 В. Напряжение Uб = 0,2 + 0,7 = 0,9 В. Потенциал в точке ²
D
²
напряжение Ud = 0,2 В. (Напряжения на коллекторном переходе открытого эмиттерного перехода VT4 ).
2.4.3. Любая иная комбинация.
При подачи на вход любой другой комбинации содержащей любое количество нулей и единицу (исключая комбинацию 1111) приведет к ситуации аналогичной п.3.2.1.
2.5. Расчет токов.
2.5.1 Комбинация 0000.
2.5.
2
Комбинация 1111.
2.6. Расчет мощности рассеиваемой на резисторах.
2.6.1 Комбинация 0000.
PR1 = IR1 × U R1 = 1,025 × (5-0,9)=4,2 мВт
PR2 = IR2 × U R2 = 0 мВт
PR3 = IR3 × U R3 = 0 мВт
2.6.2 Комбинация 1111.
PR1 = IR1 × U R1 = 0,55 × (5-2,8) = 1,21 мВт
PR2 = IR2 × U R2 = 2,05 × (5-0,9) = 8,405 мВт
PR3 = IR3 × U R3 = 0,38 × 0,7 = 0,266 мВт
Сведем расчеты в таблицу.
| Х1 | Х2 | Х3 | Х4 | Ua | U б | Uc | Ud | IR1 | IR2 | IR3 | PR1 | PR2 | PR3 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0,9 | 5 | 0 | 4,1 | 1,025 | 0 | 0 | 4,2 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 2,8 | 0,9 | 0,7 | 0,2 | 0,55 | 2,05 | 0,38 | 1,21 | 8,4 | 0,26 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0,9 | 5 | 0 | 4,1 | 1,025 | 0 | 0 | 4,2 | 0 | 0 |
Ч
а
с
т
ь
3
3. Разработка топологии ГИМС.
В конструктивном отношении гибридная ИМС представляет собой заключенную в корпус плату (диэлектрическую или металлическую с изоляционным покрытием), на поверхности которой сформированы пленочные элементы и смонтированы компоненты.
В качестве подложки ГИМС используем подложку из ситала, 9-го типоразмера имеющего геометрические размеры: 10х12 мм (см[2] стр.171; табл. 4.6). Топологический чертеж ГИМС выполним в масштабе 10:1.
3.1. Расчет пассивных элементов ГИМС.
Для заданной схемы требуется 3 резистора следующих номинальных значений:
R1
=
4
кОм
R2
=
2 кОм
R3
=
1,8 кОм
Сопротивление резистора определяется по формуле:
где:
RS - удельное поверхностное сопротивление материала.
b
- ширина резистора.
Для изготовления резисторов возьмем пасту ПР - ЛС имеющую RS
=1 кОм.
Тогда:
R1 = 1000 × ( 2 / 0,5 ) = 4 кОм
R2 = 1000 × ( 1 / 0,5 ) = 2 кОм
R3 = 1000 × ( 2,25 / 1,25 ) = 1,8 кОм
Сведем результаты в таблицу.
| Номиналы резисторов кОм. | Материал резистора. | Материал контакта площадок. | Удельное сопротивление поверхности RS , (Ом / ) | Удельная мощность рассеивания ( P0 , Вт / см2). | Способ напыления пленок. | (мм). | B - ширина резистора. (мм). |
| 4 | ПАСТА ПР-1К | ПАСТА ПП-1К | 1000 | 3 | Сетно-графия | 2 | 0,5 |
| 2 | ПАСТА ПР-1К | ПАСТА ПП-1К | 1000 | 3 | Сетно-графия | 1 | 0,5 |
| 1,8 | ПАСТА ПР-1К | ПАСТА ПП-1К | 1000 | 3 | Сетно-графия | 2,25 | 1,25 |
3.2. Подбор навесных элементов ГИМС.
Для данной схемы требуется:
1) один 4-х эмиттерный транзистор.
2) три транзистора n-p-n.
3) два диода.
Геометрические размеры навесных элементов должны быть соизмеримы с размерами пассивных элементов:
1) В качестве 4-х эмиттерного транзистора использован транзистор с геометрическими размерами 1х4 мм и расположением выводов как на рис.1.
| |
| |
2) В качестве транзистора n-p-n используем транзистор КТ331.
Эксплутационные данные:
Umax
кэ
=
15
В
Umax
бэ
=
3
В
I
к
max
=
20 мА
3) В качестве диодов использован диод 2Д910А-1
| |
Эксплутационные данные:
U
об р
=
5
В
I
пр
=
10 мА
Проверим удовлетворяет ли мощность рассеивания на резисторах максимальной мощности рассеивания для материала из которого изготовлены резисторы, а именно для пасты ПР-1К у которой P0 = 3 Вт/см2.
Для
R1
P1 max = 4,2 мВт
SR1 =
Необходимо чтобы P0 ³ P1 max , т.е. условие выполняется.
Для
R2
P2 max = 8,4 мВт
SR2 =
Необходимо чтобы P0 ³ P2 max , т.е. условие выполняется.
Для
R3
P3 max = 0,26 мВт
SR2 =
Необходимо чтобы P0 ³ P3 max , т.е. условие выполняется.
3.3. Топологический чертеж ГИМС (масштаб 10:1).
