Курсовая: ЭТПиМЭ

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 ²ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ². 1.4.2. Логический элемент ²2ИЛИ ² с мощным открытым коллекторным выходом. 1.4.3. Логический элемент ²2И² с открытым коллектором. 1.4.4. Логический элемент ²2И² с повышенной нагрузочной способностью. 1.4.5. Логический элемент ²НЕ² 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 = ²1². 2.1.2. Комбинация: Х1 = Х2 =Х3 = Х4 = ²0². 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: 5В10%. Мощность потребления на вентиль: 1мВт. Задержка на вентиль: 4 нс. 1.4. Выбор микросхем. 1.4.1. Логический элемент ²ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ². D1 - KP1533ЛП 5 Параметры:

Рпот = Епит × Iпот = 5 × 5,9 = 29.5 мВт

Епит = 5 В Iпот = 5,9 мА 1.4.2. Логический элемент ² 2ИЛИ ² с мощным открытым коллекторным выходом.

D2 - КР1533ЛЛ4

Параметры: Епит = 5 В I1пот = 5 мА I0пот = 10,6 мА 1.4.3. Логический элемент ²2И² с открытым коллектором. D3 - KP1533ЛИ2 Параметры: Епит = 5 В I1пот = 2,4 мА I0пот = 4,0 мА 1.4.3. Логический элемент ²2И² с повышенной нагрузочной способностью. D4 - KP1533ЛИ1 Параметры: Епит = 5 В I1пот = 2,4 мА I0пот = 4 мА 1.4.5. Логический элемент ²НЕ². D5 - KP1533ЛН1 Параметры: Епит = 5,5 В I1пот = 1,1 мА I0пот = 4,2 мА

D5

D4

D2

D1

1.5. Электрическая принципиальная схема ЦУ.

D3

С учетом выбранных микросхем внесем в формальную схему некоторые изменения (с целью минимизировать количество микросхем).

D4

D3

D1

D5

D2

1

1

1

1

1

1

1.6. Расчет потребляемой мощности и времени задержки. 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 = ²1². 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 VT 1 через резистор R1 , проходит от источника Eпит в цепь коллектора VT1, смещенного в прямом направлении, через диод VD 1 и далее в базу VT2. Транзистор VT2 при этом находится в режиме насыщения (VT2 - открыт) в точке ²B² 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 = ²0². 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 VT 2 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) ²В² 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 ²A² складывается из уровня нуля равно 0,2 В и падения напряжения на открытом p-n переходе равном 0,7 В. Значит потенциал в точке ²A² 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 ²B² Uб = Eпит = 5 В. Транзистор VT2 и VT4 закрыт, поэтому потенциал в точке ²C² Uс =0 В. Потенциал в точке ²D² 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 ²a² Ua = 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,7 =2,8 В. Потенциал в точке ²C² Uс = 0,7 В. (Падение напряжения на эмиттерном переходе VT4 ). Потенциал в точке ²B² 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 ²D² 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	Uб	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. - 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.

Номиналы резисторов кОм.	Материал резистора.	Материал контакта площадок.	Удельное сопротивление поверхности RS, (Ом/ )	Удельная мощность рассеивания (P0, Вт/см2).	Способ напыления пленок.	- длина резистора. (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: Uоб р = 5 В Iпр = 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).