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 =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 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 =Х3 = 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 =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 ⊃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
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).