Аналого-цифровой преобразователь

Коэффициент, учитывающий краевой  эффект

K=1,3-0,06·1.7=1,2

Площадь перекрытия обкладок будет  равна

S=(C/C₀) ·K                                                (47)

S₁=(330/197) ·1,2=2,0 мм²

Верхняя обкладка имеет форму квадрата (К_ф=1). Её размеры определяются:

L₁=B₁=                                             (48)

L₁=B₁= =1,4 мм

Вычислим размеры нижней обкладки конденсатора с учётом допусков на перекрытие

L_н=B_н= L_1н=B_1н =L₁+2q_нв                  (49)

где q_нв – размер перекрытия нижней и верхней обкладок конденсатора

L_1н=1,4 +2·0.1=1,6 мм.

Определим размеры диэлектрика

L_д=B_д= B_1д= L_1д= L_1н+2 q_д;             (50)

где q_д – размер перекрытия диэлектрика

L_1д=1,6 +2·0,1=1,81 мм

Найдём площадь занимаемую конденсатором

S_д=S_1д=L_д·B_д=L_1д·B_1д                                    (51)

S_1д=1,81·1,81=3,28 мм²

Осуществим проверку рассчёта.

Конденсатор C2 спроектирован правильно, если рабочий тангенс угла диэлектрических потерь не превышает заданного

Tgδ _раб≤ tg δ                                                        (52)

Если пренебречь сопротивлением выводов  обкладок, то рабочий тангенс угла можно представить в виде суммы  тангенсов углов потерь в диэлектрике  tgδ_диэл и в обкладках tgδ_об

Tg δ_раб =  δ_диэл+ tg δ_об          (53)                                                                                                        

Значение tg δ_диэл=0,02 определяется по таблице для выбранного материала диэлектрика.

 

Рисунок 7. - Конструкция тонкоплёночного конденсатора. 1-подложка; 2-нижняя обкладка; 3- диэлектрик; 4- верхняя обкладка;

 

Тангенс угла потерь в обкладках  находится по формуле

Tg δ_об ≈                            (54)

где f_max – максимальная частота, Гц;

R_об=ρ_sоб· К_ф;           (55)

ρ_sоб – удельное поверхностное сопротивление материала обкладок;

 К_ф – коэффициент формы обкладок.

Подставив в (54) численные значения получим

Tgδ_об1=(4/3) ·4.14·14·10³·0. 2·1·330·10^-12=4.9•10^-6

На основании (53) будем иметь

tgδ_раб1 = 0,02+4.9•10^-6 ≈ 0,02 <1

В спроектированном конденсаторе рабочая напряжённость электрического поля E_раб должна не превышать электрической прочности E_пр материала диэлектрика, где

E_раб <  E _пр                                                                      (56)

E_раб1 = U _раб1 /d                                                     (57)

E_раб = 15/0,23·10^-4 =0,7·10⁶ В/см < 2·10⁶ В /см

В рассчитанном конденсаторе его погрешность  активной площади не должна превышать  допустимую

r_sраб≤ r_sd .                                                                     (58)

Погрешность активной площади определяется

r_sраб=                                                 (59)

r_sраб1=0,01 =1,4 % < 6,9%

Расчёт конденсатора С1.

Расчёт конденсатора С1 проведём аналогично расчёту конденсатора С2.

На основании (46) определим отношение

=25000/197= 127 мм²

Коэффициент, учитывающий краевой  эффект равен

К=1

Площадь перекрытия обкладок будет  равна (47)

S₂=25000/197·1=127 мм²

Форма обкладок – прямоугольная. Размеры верхней обкладки прямоугольной формы (48)

L₂=B₂= =11.3 мм

Размеры нижней обкладки (49) равны

L_2н=B_2н=11.3  +2·0,1=11,5 мм

Определим размеры диэлектрика (50)

L_2д=B_2д=11,5  +2·0,1=11,7 мм

Найдём площадь, занимаемую конденсатором (51)

S_2д=11,7 ·11,7 =136.9 мм²

Осуществим проверку расчёта. Найдём рабочий тангенс угла диэлектрических  потерь (52)

Tgδ_об2 =(4/3) ·4.14·14·10³·0. 2·1·25000·10^-12=9.3•10^-5

На основании (53) будем иметь

tgδ_раб2 = 0,02+9.3•10^-5≈ 0,02 <1

Определим рабочую напряжённость электрического поля:

E_раб2 = 15/0,23· 10^-4=0,7·10⁶ В/см < 2·10⁶ В/см

Найдём погрешность активной площади (59)

r_sраб2=0,01 =0,18% < 6,9%

Расчёт конденсаторов  С3, С4

Определим отношение (46)

С3, С4/C₀=1000/197=5,1

Коэффициент, учитывающий краевой  эффект равен К=1.

Площадь перекрытия обкладок будет  равна (47)

S_3,4=1000/197·1=5,1 мм²

Полученные данные занесем в таблицу 1.

Таблица 1 - RC- параметры аналого-цифрового преобразователя

Элемент	Номина-льное значение .пФ	Длина, мм			Ширина, мм
		Нижняя обклад-ка. мм	Диэле-ктрика, мм	Верхняя обклад-ка, мм	Нижняя обклад-ка, мм	Диэле-ктрика, мм	Верхняя обклад-ка, мм
Конден-сатор С2	330	1,6	1,81	1,4	1,6	1,81	1,4
Конден-сатор С1	25000	11,5	11,7	11.3	11,5	11,7	11.3
Конден-саторы С3,С4	1000	2,46	2,66	2.26	2,46	2,66	2.26
Резистор R1	6 кОм	1.94			0.87
Резисторы, R5 R6 R9	114 кОм	1.52			1.2
Резистор R2	6 кОм	1.94			0.87
Резисторы R3 R4 R12R7	100 кОм	1.52			1.2
Резистор R10 R11 R14	6 кОм	1.94			0.87

 

 

Резистор R8 R13

1,5 кОм

1.07

1.74

 

Форма обкладок – прямоугольная; размеры  верхней обкладки (48)

L_3,4=B_3,4 = ≈ 2.26 мм²

Размеры нижней обкладки

L_{3,4 н}=B_{3,4 н}=2.26 +2·0,1=2,46 мм

Определим размеры диэлектрика (50)

B_{3,4 д}=L_{3,4 д}=2,46+2·0,1=2,66 мм

Найдём площадь, занимаемую конденсатором (51)

S_{3,4 д}=2,66·2,66=8.08 мм²

Осуществим проверку расчёта.

Найдём рабочий тангенс угла диэлектрических потерь (54)

Tgδ_об3,4 =(4/3) ·4.14·400·10³·0. 2·1·1000·10^-12=4.3•10^-4

На основании (53) будем иметь

tgδ_раб3,4  = 0,02+4.3•10^-4≈ 0,02 <1

Определим рабочую напряжённость электрического поля (57)

E_раб = 5/0,1 · 10^-4 = 0,5·10⁶ В/см <2·10⁶ В/см

Найдём погрешность активной площади (58)

r_sраб=0,01 =0, 8% < 6,9%

Конденсаторы С3, С4 спроектированы правильно.

В связи с тем, что толщины конденсаторов С1- С4 отличаются друг от друга на небольшую величину равную 0, 13•10^-4 см, и в процессе работы схемы устройства не исключено попадания напряжения на обкладки конденсаторов С4. С4 порядка 15 В (аварийный режим), в дальнейших расчетах толщины всех диэлектриков конденсаторов будем считать равной  0, 23•10^-4  см.

 

6. Топологический расчёт компонентов

Кроме тонкоплёночных резисторов аналого-цифровой преобразователь содержит безкорпусные операционные усилители DA1-DA4 (рисунок 2). В качестве них используются операционные усилители типа 154УД1. В каждом корпусе микросхемы такого типа содержится  по одному операционному усилителю.  

Безкорпусной  операционный усилитель  представляет собой открытый кристалл (2х2 мм) с приваренными к нему тонкими выводами. Через них осуществляется подача напряжения питания, входных сигналов, снятие выходных сигналов.

Кроме операционных усилителей АЦП содержит два малогабаритных импульсных диода,  типа КД 522А. Поэтому операционные усилители и импульсные диоды не рассчитываются. Эти виды элементов предлагается использовать как дискретные, а их небольшие габаритные размеры существенно снизили размеры устройства. 

При монтаже дискретных элементов  с жёсткими выводами, проводники покрываются  защитным диэлектриком, оставляя открытыми лишь контактные площадки. Плёнка диэлектрика отстоит от края облужённой контактной площадки на 0.5 мм.

Дальнейший шаг в разработке устройства- получение её топологии. Она проводится в такой последовательности: составление схемы соединений элементов на подложке и определение необходимой площади подложки. Один из вариантов примерного вида расположения элементов на подложке соответствует расположению на принципиальной схеме (рисунок 8) [1].

Рис.8. Топологический рисунок элементов аналого-цифрового преобразователя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

1.Коледов А.А., Волков  А.А., Докучаев Н.Н. "Конструирование  и технология микросхем. Курсовое  проектирование: учебное пособие  для вузов по специальности "Конструирование и производство радиоаппаратуры "-М: Высшая школа, 1994г.

2. Сазонов А.А. Автоматизация  технологического оборудования./А.А.  Сазанов - М.: Высшая школа, 1991.- 334 c. 

3. Комаровского Б.А.  Автоматические приборы, регуляторы  и управляющие машины./ Комаровского  Б.А.– Л: Машиностроение,1998. – 435 с.

4. Евтихиев Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин./ Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 352 с.

5. Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем./ И.А. Малышева.– М.: Радио и связь, 1991. -344 с.

6. Курносов А.И. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем./ А.И. Курносов, В.В. Юдин. – М.: Высшая школа, 1986. -368 с.