Реферат: 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 2 ИЛИ ² с мощным открытым коллекторным выходом.

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

1.4. 4 . Логический элемент ² 2 И 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.

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 ² ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ ² .

D1 - KP1533 ЛП 5

Параметры:

Е_пит = 5 В

I_пот = 5,9 мА

1.4.2. Логический элемент ² 2 ИЛИ 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 ² 2 И ² с открытым коллектором.

D3 - KP1533 ЛИ2

Параметры:

Е_пит = 5 В

I¹ _пот = 2,4 мА

I⁰ _пот = 4,0 мА

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

D4 - KP1533 ЛИ1

Параметры:

Е_пит = 5 В

I¹ _пот = 2,4 мА

I⁰ _пот = 4 мА

1.4. 5 . Логический элемент ² НЕ ² .

D5 - KP1533 ЛН1

Параметры:

Е_пит = 5,5 В

I¹ _пот = 1,1 мА

I⁰ _пот = 4,2 мА

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 х₂ х₃ до выхода y₂ . Тогда:

t_з.р. = t_{з.р. D 5.2} + t_{з.р. D 2 .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 = ² 1 ² .

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 ² B ² 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 = 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 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) 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.

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.

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 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 ² B ² U_б = E_пит = 5 В. Транзистор VT₂ и VT₄ закрыт, поэтому потенциал в точке ² C ² U_с =0 В. Потенциал в точке ² D ² 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 ² a ² U_a = 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,7 =2,8 В. Потенциал в точке ² C ² U_с = 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 U_б = 0,2 + 0,7 = 0,9 В. Потенциал в точке ² D ² 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 _{R 1} = 1,025 × (5-0,9)=4,2 мВт

P_{R 2} = I_{R 2} × U _R2 = 0 мВт

P_{R 3} = I_{R 3} × U _{R 3} = 0 мВт

2.6.2 Комбинация 1111.

P_R1 = I_R1 × U _{R 1} = 0,55 × (5-2,8) = 1,21 мВт

P_{R 2} = I_{R 2} × U _R2 = 2,05 × (5-0,9) = 8,405 мВт

P_{R 3} = I_{R 3} × U _{R 3} = 0,38 × 0,7 = 0,266 мВт

Сведем расчеты в таблицу.

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.

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).