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.

Р_пот < 120 мBт

          t_з.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:

Е_пит = 5 В

I_пот = 5,9 мА

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

D2 - КР1533ЛЛ4

 

Параметры:

Е_пит = 5 В

I¹_пот = 5 мА

I⁰_пот = 10,6 мА

 

1.4.3. Логический элемент ²2И² с открытым коллектором.

 

D3 - KP1533ЛИ2

 

Параметры:

Е_пит = 5 В

I¹_пот = 2,4 мА

I⁰_пот = 4,0 мА

1.4.3. Логический элемент ²2И² с повышенной нагрузочной способностью.

D4 - KP1533ЛИ1

Параметры:

Е_пит = 5 В

I¹_пот = 2,4 мА

I⁰_пот = 4 мА

1.4.5. Логический элемент ²НЕ².

 

D5 - KP1533ЛН1

 

Параметры:

Е_пит = 5,5 В

I¹_пот = 1,1 мА

I⁰_пот = 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.

P_пот = P_{пот D1} + P_{пот D2} + P_{пот D3} + P_{пот D4} + P_{пот 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:

t_з.р. = t_{з.р. D5.2} + t_{з.р. D2.1} + t_{з.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 VT₁ через резистор R₁ , проходит от источника E_пит 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 ²B²  U_б=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 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) 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

 

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   U_а = 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   U_б = E_пит = 5 В. Транзистор VT₂ и VT₄ закрыт, поэтому потенциал в точке ²C² U_с =0 В. Потенциал в точке ²D²  складывается из Е_пит = 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 U_d = 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  U_a = 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,7 =2,8 В. Потенциал в точке ²C²  U_с = 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 U_б = 0,2 + 0,7 = 0,9 В. Потенциал в точке ²D²  напряжение U_d = 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.

P_R1 = I_R1 × U _R1 = 1,025 × (5-0,9)=4,2 мВт

P_R2 = I_R2 × U _R2 = 0 мВт

P_R3 = I_R3 × U _R3 = 0 мВт

2.6.2 Комбинация 1111.

P_R1 = I_R1 × U _R1 = 0,55 × (5-2,8) = 1,21 мВт

P_R2 = I_R2 × U _R2 = 2,05 × (5-0,9) = 8,405 мВт

P_R3 = I_R3 × 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:

R_S - удельное поверхностное сопротивление материала.

                          - длина резистора.

             b  -  ширина резистора.

Для изготовления резисторов возьмем пасту ПР - ЛС имеющую R_S =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:

U_{max кэ} = 15 В

U_{max 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

                        P_{1 max} = 4,2 мВт

                                    S_R1 =× b = 2 × b = 2 × 0,5 = 1 мм²

Необходимо чтобы  P₀ ³ P_{1 max} , т.е. условие выполняется.

                                   

Для R₂

                        P_{2 max} = 8,4 мВт

                                    S_R2 =× b = 2 × b = 1 × 0,5 = 0,5 мм²

Необходимо чтобы  P₀ ³ P_{2 max} , т.е. условие выполняется.

                                   

Для R₃

                                    P_{3 max} = 0,26 мВт

                                    S_R2 =× b = 2 × b = 2,25 × 1,25 = 2,82 мм²

Необходимо чтобы  P₀ ³ P_{3 max} , т.е. условие выполняется.

                                   

3.3. Топологический чертеж ГИМС (масштаб 10:1).

Еще из раздела Схемотехника:

• Реферат: Дослідження логічних елементів емітерно-зв’язаної логіки
• Реферат: Измерение потерь в дроссе
• Реферат: Канал последовательной связи на основе МС 8251
• Реферат: Изготовление технологического процесса изготовления лампы накаливания общего назначения типа В 220 -25
• Реферат: Исследование синхронного сдвигающего регистра на JK-триггере
• Реферат: Курсовая по опеределению эмоционального состояния человека
• Реферат: Отчет по лабораторной работе по курсу «Проектирование информационно–вычислительных комплексов»

---