ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА До КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
з дисципліни: "Проектування та конструювання ІМС"
на тему: "Розробка вузла компаратора регулятора напруги"
Автор курсового проекту
Спеціальність
Позначення курсового проекту
КП - 02069964 - 200200 - 04 - 03
Керівник проекту
Проект захищений
Оцінка
Зміст
Введення
1. Розробка структурної схеми
2 Розробка принципової електричної схеми
3 Розробка топології
Висновок
Список використаних джерел
Додаток А
Введення
Основною тенденцією в сучасних напівпровідникових ІМС є збільшення ступеня інтеграції. Це, як правило, проявляється в ускладненні процесу проектування топології ІМС і в підсумку з'являється більшого числа помилок на стадії проектування. Тому можна сказати, що розробка топології ІМС є найбільш важливою і відповідальною операцією при проектуванні будь-якої ІМС.
У практиці проектування топології існує багато підходів. До одного з них можна віднести наступні етапи проектування:
одержання вихідних даних;
розрахунок геометричних розмірів активних і пасивних елементів;
розробка ескізу топології;
розробка попередніх варіантів топології;
вибір остаточного варіанту топології і його оптимізація.
Метою даного курсового проекту є розрахунок геометричних розмірів елементів блоку вихідного каскаду керуючої ІМС для імпульсних джерел живлення, проектування топології даної схеми.
Вихідними даними при цьому є: схема електрична - принципова, деякі електричні та технологічні параметри.
Наукової новизни курсовий проект не має.
1. Розробка структурної схеми
Структурна схема блоку компаратора зображена на малюнку 1.1.
Малюнок 1.1 - Структурна схема блоку компаратора.
До складу структурної схеми входять наступні компоненти: джерело опорної напруги (ІОН), компаратор і підсилювач - обмежувач.
Джерело опорної напруги (ІОН) побудований на основі стабілізатора напруги. Напруга в бортовій мережі автомобіля може змінюватися від ~ 10В (при роботі стартера) до 14 ... 14,5 В (нормальний режим), тому для харчування компаратора необхідно стабілізовану напругу. Стабілізатор напруги повинен містити мінімум елементів і видавати досить стабільне напруга для роботи компаратора.
Компаратор напруги повинен оцінювати близьке до нуля напруга, тому необхідно вибрати схему компаратора, вхідна напруга якого включає нульовий потенціал. Для виключення помилкових спрацьовувань компаратора необхідно забезпечити гістерезис порога спрацьовування. Після першого переключення компаратора, поріг перемикання повинен знизиться до напруги порядку 50мВ.
Підсилювач - обмежувач побудований на основі складеного транзистора і стабілізатора напруги. Наявність складеного транзистора дозволить при малих вихідних токах компаратора управляти великими струмами наступних пристроїв. В якості стабілізатора напруги оберемо схему параметричного стабілізатора на стабілітроні Е - Б.
2 Розробка принципової електричної схеми
Тому що напруга в бортовій мережі автомобіля може змінюватися від ~ 10В (при роботі стартера) до 14 ... 14,5 В (нормальний режим), то для харчування компаратора ми застосуємо стабілізовану напругу. З двох найбільш простих схем стабілізаторів (малюнок 2.1 (а) і малюнок 2.1 (б)) слід віддати перевагу схемою на малюнку 2.1 (б) [Л4]. Ця схема видає більш стабільне напруга Vref. менш залежне від струму навантаження I0. тому що струм I1 через стабілітрон VD1 задається резистором R1. який можна вибрати досить малим. щоб виконувалася умова:
(2.1)
а) б)
Малюнок 2.1 - Стабілізатор напруги.
Виконання цієї умови для схеми на малюнку 2.1 (а) призведе до десятикратного збільшення струму I0, який є струмом споживання компаратора.
Розрахуємо значення R1 для схеми обраного стабілізатора (рисунок 2.1 (б)). Напруга. видається стабілізатором одно:
(2.2)
де: VB - напруга пробою стабілітрона,
VBE - пряме падіння напруги на переході Б - Е n - p - n транзистора.
Типове значення VB = 6,5 В (RSB = 100Ом / □), VBE = 0,7 В. Підставляючи в (2.2) отримаємо:
Значення R1 визначається з умови (2.1):
(2.3)
де: - Мінімальна напруга живлення,
= 10В,
I0 - вихідний струм стабілізатора, I0 500мкА,
Β npn - коефіцієнт посилення (ОЕ) n - p - n транзистора, Β npn = 100.
Звідси:
Компаратор напруги повинен оцінювати близьке до нуля напругу, тому виберемо схему компаратора, вхідна напруга якого включає нульовий потенціал (рисунок 2.2) [Л4].
Малюнок 2.2 - Компаратор напруги.
Для більш надійного замикання транзисторів VT1 і VT2, до баз підключимо джерела струму.
Малюнок 2.3 - Компаратор напруги з джерелом струму.
Розрахуємо джерело струму для компаратора. Джерелом струму буде струмова дзеркало на p - n - p транзисторах (рисунок 2.3) [Л5]. Враховуючи, що струм споживання всієї схеми не повинен перевищувати 350мкА, виберемо струм через токозадающую ланцюг (транзистор VТ10) рівним 100мкА. Струм для живлення компаратора виберемо рівним: 0,6 I10 = 60мкА, струми через VТ8 і VТ9 виберемо рівними: 0,2 I10 = 20мкА. Для зменшення струму споживання схеми, ланцюжок токозадающіх резисторів у ланцюзі транзистора VТ10 буде дільником напруги, що служить для організації порога спрацьовування компаратора (Vth). Виходячи з цього запишемо систему рівнянь для знаходження R1 і R2:
(2.4)
(2.5)
де: Vth - поріг спрацьовування компаратора.
Підставляючи значення в (2.5) отримаємо:
Після спільного рішення системи рівнянь отримаємо: R1 = 46кОм, R2 = 5кОм.
Для виключення помилкових спрацьовувань компаратора необхідно забезпечити гістерезис порога спрацьовування. Після першого переключення компаратора, поріг перемикання повинен знизиться до напруги порядку 50мВ. На малюнку 2.4 представлена частина схеми компаратора і дільник.
Малюнок 2.4 - Частина схеми компаратора і дільник.
Для забезпечення гістерезису потенціал бази транзистора VТ1 будемо знижувати за допомогою транзистора VТ2. При відкритті VТ2 потенціал бази VТ1 знизиться до напруги насичення транзистора VТ2. Якщо базу VТ1 підключити безпосередньо до дільнику, то відкриття транзистора VТ2 буде викликати зміна струму через резистор R1, тому що опір відкритого транзистора VТ2 значно менше номіналу резистора R2. Це буде викликати зміну струмів зміщення компаратор (струми I10, I9, I7, I8 в схемі на малюнку 2.3). Для мінімізації цього ефекту базу транзистора VТ1 підключимо до дільнику через резистор R3. Вимоги до цього резистору: його номінал повинен бути достатньо великим, щоб виконувалася умова: R3 R2 ≈ 0,8 R2; також падіння напруги на ньому не повинно перевищувати 50мВ. Тоді приймемо номінал резистора R3 рівним 20кОм. Падіння напруги на ньому можна розрахувати за формулою (схема на малюнку 3):
(2.6)
де: β pnp - коефіцієнт посилення p - n - p транзистора в схемі з ОЕ, β pnp = 10.
І остаточно номінал R3 приймемо рівним 20кОм. Такий же резистор додамо і у вхідні ланцюг іншого плеча компаратора.
Для управління транзистором VТ2 в компаратор на малюнку 3 додамо ще два плеча відповідно до схеми на малюнку 2.5. Вихід компаратора буде управляти складовим транзистором (VТ16, VТ17) Це дозволить при малих вихідних токах компаратора управляти великими струмами в ланцюзі колектора VТ17.
Малюнок 2.5 - Компаратор напруги.
Для складеного транзистора необхідно напруга на базі, рівне 2 VBE = 1,4 В, тому перевіримо можливість досягнення такої напруги на виході компаратора. Компаратор видає відкриває сигнал, коли на його вході високий потенціал. При цьому транзистори VТ2, VТ3 і VТ4, ТV5 і ТV6 (схема на малюнку 2.5), а отже закриті і струм транзистора VТ7 протікає через транзистори VТ8 і VТ9 і відгалужується в бази VТ16 і VТ15 відповідно. На базі транзистора VТ13 встановлюється близький до нуля потенціал (потенціал колектора відкритого VТ15).
Напруга на емітер транзистора VТ8 одно:
(2.7)
Напруга на колекторі транзистора VТ8 (вихід компаратора) дорівнює також 1,4 В. Звідси випливає, що транзистор VТ8 працює в режимі, близькому до режиму насичення. Для переведення його в активний режим, в ланцюг емітера VТ13 включимо транзистор в діодному включенні, що підвищує потенціал на емітер VТ8 до 2,1 В. Такий же транзистор включимо в ланцюг емітера транзістораVТ2.
В якості вихідного стабілізатора виберемо схему параметричного стабілізатора на стабілітроні Е - Б. Як джерело струму для стабілізатора виберемо схему струмового дзеркала (рисунок 2.5).
Малюнок 2.6 - Параметричний стабілізатор.
Вихідна напруга даної схеми буде дорівнює напрузі пробою стабілітрона VB на обратносмещенном p - n переході Е - Б. (VB = 6,5 В.)
Стабілізатор повинен видавати струм IO = 10мА починаючи з напруги VS = 10В (при запуску двигуна, коли працює стартер). Цей струм протікає через транзистор VТ19. Виберемо струм через VТ18 рівним 500мкА (При більшому струмі різко падає β pnp). Тоді коефіцієнт відображення струмового дзеркала на транзисторах VТ19 і VТ18 дорівнює:
Розрахуємо номінал резистора R5:
(2.9)
де: - Напруга насичення транзистора VТ17 (так само
0,7 В).
Остаточний вигляд схеми наведений у додатку А.
Розрахуємо всі струми і напруги в схемі у додатку А:
Транзистори VТ5, VТ6, VТ10 і VТ11 будуть мати рівні площі: S5 = = S6 = S10 = S11. Також S8 = S12 і S7 = S13, S4 = S16, S3 = S15.
Такий же струм втікає в бази транзисторів VT17 і VT21.
IT12 = IT10 і IT13 = IT11, IT7 = IT5, IT8 = IT6.
У підсумку загальний струм споживання схеми:
3 Розробка топології
Фізична структура та її параметри визначаються вимогами, що пред'являються до найбільш важливого транзистору (групі транзисторів).
Мікросхеми на основі біполярних транзисторів (рисунок 3.1.) Мають наступні шари: емітерний, базовий, прихований n +-шар - дифузійні і колекторний (епітаксійний) шари; підкладка p-типу (при ізоляції pn переходом).
Малюнок 3.1 - Фізична структура біполярного npn транзистора на основі підкладки p-типу, з епітаксіальним шаром і з прихованим шаром n +-типу.
Рисунок 3.2 - Топологія npn транзистора в загальному вигляді.
Електрична принципова схема компаратора напруги наведена в ДОДАТОК А. Для цієї схеми були розраховані номінали резисторів і максимальні струми через транзистори (колекторні струми).
IT1 = 0,2 мА, IT12 = 30 мкА,
IT2 = 20 мкА, IT13 = 30 мкА,
IT3 = 26 мкА, IT14 = 20 мкА,
IT4 = 26 мкА, IT15 = 26 мкА,
IT5 = 30 мкА, IT16 = 26 мкА,
IT6 = 30 мкА, IT17 = 30 мкА,
IT7 = 30 мкА, IT18 = 100 мкА,
IT8 = 30 мкА, IT19 = 0,5 мА,
IT9 = 60 мкА, IT20 = 10 мА,
IT10 = 30 мкА, IT21 = 0,5 мА,
IT11 = 30 мкА, IT22 = 0,5 мА.
Оскільки для цієї схеми коефіцієнти посилення транзисторів (h21) незначно впливають на параметри схеми то при розрахунку геометричних розмірів h21 транзисторів враховувати не будемо, але виберемо структуру забезпечує якомога більший h21. Тобто припускаємо структуру з прихованим n + - шаром.
Розрахунок npn транзисторів. Виходячи з того, що не задані багато параметрів, що дозволяють зробити більш точний розрахунок, обмежимося деяким наближеним розрахунком.
Струмові характеристики транзисторів визначає в основному периметр емітера, до того ж емітерна область є найменшою в інтегральних транзисторах, тому розрахунок почнемо з цієї області.
Для розрахунку периметра емітерний області скористаємося наступною емпіричною формулою [2]: (3.1), де IКмакс = IЕмакс-максимально допустимий струм емітера, мА; ПЕФ - ефективний периметр емітера, мкм.
Ефективний периметр емітера залежить від конфігурації транзистора. Для малопотужних транзисторів виберемо асиметричну конфігурацію (рисунок 3.3), для якої ефективний периметр дорівнює ширині емітера (ПЕФ = BЕ) [1].
Малюнок 3.3 - Асиметрична конфігурація npn транзистора.
Виберемо дану конфігурацію для транзисторів VT3, VT7, VT8, VT12, VT13, VT15, VT17 виходячи із заданих значень колекторних струмів.
Транзистори VT3, VT7, VT8, VT12, VT13, VT15, VT17 будуть мати мінімально можливі розміри топології, так як їх колекторних струми дуже малі.
Зробимо розрахунок топології наведених транзисторів. Розміри емітерний області для цього випадку будуть визначатися як (LЕК = D, D - мінімальний розмір вікна в оксиді) [1]:
Ширину базового контакту візьмемо рівною ширині емітерний області:
Відстань від емітерний області до контакту до бази визначимо як:
Але ця відстань визначається також можливістю здійснити розводку металу від емітера і від бази. Метал повинен перекривати вікно в оксиді не менше ніж на 2 мкм, до того ж відстань між двома сусідніми провідниками має становити не менш ніж 6 мкм. Виходячи з цього відстань L2 = 8 мкм.
Розрахуємо ширину базової області:
Візьмемо BБ = 26 мкм.
Розрахуємо довжину базової області:
Визначимо відстань від базової області до області n + - подлігірованія для створення контакту до колектора:
Тут d - зазор, який потрібно передбачити, щоб не зімкнулися базова область і область n + подлігірованія до колектора при розширенні ОПЗ відповідних переходів. Зазвичай для даної відстані d = xjЕ + xjБ,
Візьмемо L5 = 8 мкм.
Довжину n +-області подлігірованія для колекторного контакту визначимо як:
Ширину цієї n + - області для цієї конфігурації транзистора приймемо рівної ширині базової області:
.
Ширина контакту до колектора визначається як:
Відстань від n +-області подлігірованія до розділової області визначимо як:
де d - зазор, який потрібно передбачити, щоб не зімкнулися розділова область і область n + подлігірованія до колектора при розширенні ОПЗ відповідних переходів. Зазвичай для даної відстані d »0,8 × hepi.
Подібно визначимо відстань від базової області до поділу:
Приймемо L6 = L7 = 16 мкм.
Тоді B2 = B3 = L7 = 17 мкм.
Визначимо максимальний струм, який може забезпечити розрахована конфігурація транзистора відповідно до формули (3.1):
Розрахуємо топологію pnp транзистора.
Для pnp транзистора виберемо таку конфігурацію (рисунок 3.4).
Малюнок 3.4 - Топологія горизонтального pnp транзистора.
Через транзистори VT4 і VT16 pnp типу тече струм, який може забезпечити конфігурація з мінімальними можливими розмірами, для цього випадку і проведемо розрахунок.
При мінімальних розмірах, розміри емітерний області будуть як у npn транзистора (рисунок 2.3) тобто LЕ = BЕ = 16 мкм.
Відстань B2 яке буде шириною активної бази розраховується як:
де d - зазор, який необхідно передбачити, щоб при розширенні ОПЗ колекторного і емітерного переходів не відбулося їх змикання
Приймемо В2 = 10 мкм.
Ширина колекторної області в цьому випадку дорівнює її довжині і буде визначатися як:
Приймемо LК = 70 мкм.
Відстань L1 як для npn транзистора (L5 на малюнку 3.3) буде L1 = 8 мкм.
Довжина базової області як для npn транзистора (LК на малюнку 3.3) буде LБ = 16 мкм.
Ширину базової області приймемо рівної ширині колекторної області BБ = Bк = 70 мкм.
Ширина контакту до базової області визначимо як:
Довжина його буде мінімальною, тобто 8 мкм.
Відстані L2 і L3 будуть подібні npn транзистора (L6 і L7 на малюнку 3.3) і рівні 16 мкм.
У транзисторів VT2, VT9, VT14, VT18 емітери з'єднані між собою і бази також з'єднані між собою, тому використовуємо спеціальну конфігурацію для цих транзисторів (додаток А). Так як струми в даних транзисторах протікають невеликі, розміри областей транзистора будуть збігатися з розмірами горизонтального pnp транзистора (рисунок 3.4).
Таку ж конфігурацію використовуємо для транзисторів VT5 і VT6, VT10 і VT11.
Розрахунок резисторів.
Резистори біполярних мікросхем зазвичай виготовляються на основі окремих дифузійних шарів. У даному курсовому проекті для виготовлення резисторів передбачається використання спеціального резистивного шару.
З огляду на те, що через всі резистори протікають дуже маленькі струми, то не потрібен облік мінімальної ширини резистора по потужності. Тому візьмемо ширину резистора дорівнює мінімальній ширині вікна в оксиді 8 мкм.
Приймемо вид контактних майданчиків, такий як у резистора на малюнку 3.6.
У схемі (додаток А) маємо наступні резистори (по номіналах):
R1 = 70кОм,
R2 = R3 = 20кОм,
R4 = 46кОм,
R5 = 5кОм,
R6 = 17,2 кОм,
Малюнок 3.6 - Конфігурація резистора в загальному вигляді.
Довжину резисторів визначимо з формули [1]:
(3.2)
де RS - поверхневий опір,
К - коефіцієнт впливу контактних майданчиків.
Для вибраної конфігурації контактних майданчиків До = 0,2 [1].
Всі резистори високоомні, тому їх доцільно виконати на основі резистивного шару з поверхневим опором Rs = 2000 Ом / □.
Висловимо з формули 3.2 довжину резистора:
(3.3)
Розрахуємо довжину резистора R1:
Розрахуємо довжину резисторів R2, R3:
Розрахуємо довжину резистора R4:
Розрахуємо довжину резистора R5:
Розрахуємо довжину резистора R6:
У ході розробки топології можливі деякі зміни геометрії елементів. Зокрема при зміні геометрії резисторів їх перерахунок робити не будемо, але для забезпечення необхідного опору скористаємося можливістю побудови резисторів в програмі PAROM.
На цьому розрахунок топології завершимо.
За розрахованими розмірами та обраної конфігурації всіх елементів вироблених в другому пункті в програмі проектування топології PAROM розробимо повну топологію блоку вихідного каскаду.
Головна вимога при розробці топології - максимальна щільність упаковки елементів при мінімальній кількості перетинів межелементних сполук. При цьому забезпечується оптимальне використання площі кристала при виконанні всіх конструктивних і технологічних вимог і обмежень.
Висновок
У даному курсовому проекті проведено розрахунок топологічної схеми на основі принципової схеми. Розраховано елементи топологічної схеми з параметрами, заданими на курсове проектування. Проведено розміщення активних і пасивних елементів на площі кристала. Викреслювання топологічної схеми проводилося в програмі ПАРОМ з подальшим її переведенням в програму AutoCAD 2000 для редагування та друку.
Список використаних джерел
1. Березін А.С., Мочалкіна О.В. Технологія та конструювання інтегральних схем М. Радіо і зв'язок, 1983 р
2. Миколаїв І. М., Філинюк Н. А. Інтегральні мікросхеми та основи їх пректирования: Уч. Для технікумів. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Радіо і зв'язок, 1992 - 424с., Іл.
3. Конструювання і технологія мікросхем. Курсове проектування: Учеб. посібник для вузів. Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаєв М.М. та ін; Під ред. Л.А. Коледлва.-М.: Вищ. шк., 1984. 231с., Іл.
4. Гребе А. Б. Проектування аналогових інтегральних схем М. Енергія, 1976 р.
5. Соклоф С. Аналогові інтегральні схеми М. Світ, 1988р.
Додаток А