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 ⊃2;ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ⊃2;.

1.4.2. Логический элемент ⊃2;2ИЛИ ⊃2; с мощным открытым коллекторным выходом.

1.4.3. Логический элемент ⊃2;2И⊃2; с открытым коллектором.

1.4.4. Логический элемент ⊃2;2И⊃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 3 = Х4 = ⊃2;1⊃2;.

2.1.2. Комбинация: Х1 = Х2 3 = 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:                                             5В10%.

Мощность потребления на вентиль:                    1мВт.

Задержка на вентиль:                                              4 нс.


1.4. Выбор микросхем.

 

1.4.1. Логический элемент ⊃2;ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ⊃2;.

 

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 ⊃2;2И⊃2; с открытым коллектором.

 

D3 - KP1533ЛИ2

 

Параметры:

Епит = 5 В

I1пот = 2,4 мА

I0пот = 4,0 мА


1.4.3. Логический элемент ⊃2;2И⊃2; с повышенной нагрузочной способностью.

D4 - KP1533ЛИ1

Параметры:

Епит = 5 В

I1пот = 2,4 мА

I0пот = 4 мА

1.4.5. Логический элемент ⊃2;НЕ⊃2;.

 

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 3 = Х4 = ⊃2;1⊃2;.

Если на все входы многоэмиттерного транзистора VT1 поданы напряжения логической ⊃2;1⊃2;, 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 ⊃2;0⊃2;.

2.1.2. Комбинация: Х1 = Х2 3 = 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 ⊃2;1⊃2;.

 

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 ⊃2;0⊃2;) ⊃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 ⊃2;1⊃2;. Если на всех входах ⊃2;1⊃2;, то на выходе ⊃2;0⊃2;.

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 функцию⊃2;И-НЕ⊃2;.

 

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.

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

                                    SR1b = 2 × b = 2 × 0,5 = 1 мм2

Необходимо чтобы  P0 ⊃3; P1 max , т.е. условие выполняется.

                                   

Для R2

                        P2 max = 8,4 мВт

                                    SR2b = 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

                                    SR2b = 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).