Разработка и исследование специализированного быстродействующего операционного усилителя для высоковольтной аналоговой информационной системы обработки коротких импульсных сигналов фотодиода на основе базового кристалла

Особенность построения усилителя состоит в том, что входной каскад не имеет дифференциального усилителя, выходной эмиттерный повторитель обрабатывает только однотактовые импульсы, а ОУ имеет упрощенную структуру. Такая структура выбрана в целях экономии места на кристалле.

К достоинствам спроектированного ОУ относится быстродействие, малая площадь, высокая надежность.

4.5 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Моделирование проводились в программе Orcad Family Release 9.2. Результаты схемотехнического моделирования представлены на рис. 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 4.10, 4.11.

Рисунок 4.4 - Коэффициент усиления напряжения с замкнутой отрицательной обратной связью.

Коэффициент усиления напряжения с замкнутой отрицательной обратной связью:

5,35-0,13=5,22.

Напряжение смещения нуля:

=130мВ/5,22=25 мВ.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения:

V=1,74В/0,01мкс=174 В/мкс.



Рисунок 4.5 - Максимальное выходное напряжение.

Более 6 В. Максимальная величина, до которой может происходить усиление, 8,2 В, при напряжении питания ±10 В.

Рисунок 4.6 - Входной ток.

Входной ток:

=10,71 мкА.

Рисунок 4.7 - Потребляемый ток.

Потребляемый ток:

=3,48 мА (от питания , равного +17 В).

Рисунок 4.8 - Коэффициент усиления напряжения с разомкнутой обратной связью.

Коэффициент усиления напряжения с разомкнутой обратной связью:

=68 дБ.

Рисунок 4.9 - Коэффициент влияния нестабильности напряжения источников питания на напряжение смещения нуля.

Коэффициент влияния нестабильности напряжения источников питания на напряжение смещения нуля:

мВ/В.

Рисунок 4.10 - Результат моделирования при температуре плюс 85 Со.

Коэффициент усиления напряжения с замкнутой отрицательной обратной связью:

5,32-0,10=5,22.

Напряжение смещения нуля:

=97мВ/5,22=19 мВ.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения:

V=1,74В/0,0089мкс=196 В/мкс.

Максимальное выходное напряжение:

Более 6 В. Максимальная величина, до которой может происходить усиление, 8,2 В, при напряжении питания ±10 В.

Входной ток:

=8,99 мкА.

Потребляемый ток:

=3,80 мА (от питания , равного +17 В).

Коэффициент усиления напряжения с разомкнутой обратной связью:

=67 дБ.

Коэффициент влияния нестабильности напряжения источников питания на напряжение смещения нуля:

мВ/В.

Рисунок 4.11 - Результат моделирования при температуре минус 60 Со.

Коэффициент усиления напряжения с замкнутой отрицательной обратной связью:

5,45-0,21=5,24.

Напряжение смещения нуля:

=214мВ/5,24=41 мВ.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения:

V=1,75В/0,011мкс=159 В/мкс.

Максимальное выходное напряжение:

Более 6 В. Максимальная величина, до которой может происходить усиление, 8,2 В, при напряжении питания ±10 В.

Входной ток:

=15,30 мкА.

Потребляемый ток:

=3 мА (от питания , равного +17 В).

Коэффициент усиления напряжения с разомкнутой обратной связью:

=70 дБ.

Коэффициент влияния нестабильности напряжения источников питания на напряжение смещения нуля:

мВ/В.

4.6 РАЗРАБОТКА ЭСКИЗА ТОПОЛОГИИ ОУ

Данная ИС (рис. 4.3) может быть реализована на основе БМК “Старт”. Функционально законченная ИС появляется на последних технологических операциях, осуществляющих коммутацию интегральных компонентов БМК, поэтому изготовление приборов занимает несколько недель и стоит значительно дешевле заказной ИС. Была проведена разработка топологии ОУ, результаты которой представлены на рис. 4.12.



а) б)

Рисунок 4.12 - Эскиз топологии контрольного (вспомогательного) усилителя:

а) топология всего ОУ; б) топология металлизации ОУ.

4.7 ВЫВОДЫ

В данной главе были проведены разработка и моделирование специализированного ОУ. моделирование показало, что спроектированный ОУ удовлетворяет заданным техническим требованиям. Основными параметрами специализированного ОУ при разработке являлись коэффициент усиления с замкнутой обратной связью и быстродействие. Они были достигнуты за счет ухудшения некоторых других свойств, в частности, в большом значении параметра входного тока. Также в процессе работы был спроектирован эскиз топологии специализированного ОУ на основе базового кристалла.

ГЛАВА 5.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЭБ НА РОБОЧЕМ МЕСТЕ РАЗРАБОТЧИКА ИС

5.1 ВВЕДЕНИЕ

Лаборатория проектирования, где располагается рабочее место разработчика ИС, имеет площадь 58 м2 и объём 174 м3. Помещение имеет 6 рабочих мест, роль которых играют компьютеры ЭВМ IBM PC и ЭЛТ-мониторы. Работа разработчика ИС заключается в проектировании и моделировании ИС, выполняемых на специальных программах и пакетах, установленных на компьютер.

Разработка ИС относится к умственному труду, связанна с приемом и переработкой информации, требующей преимущественного напряжения сенсорного аппарата, внимания, памяти, а также активизации процессов мышления, эмоциональной сферы. Для данного вида труда характерна гипокинезия, т. е. значительное снижение двигательной активности человека, приводящее к ухудшению реактивности организма и повышению эмоционального напряжения. Гипокинезия является одним из условий формирования сердечно-сосудистой патологии у лиц умственного труда. Длительная умственная нагрузка оказывает угнетающее влияние на психическую деятельность: ухудшаются функции внимания (объем, концентрация, переключение), памяти (кратковременной и долговременной), восприятия (появляется большое число ошибок).

Проектирование ИС относится к творческому труду, наиболее сложной формы трудовой деятельности, требующей значительного объема памяти, напряжения, внимания. Такой вид трудовой деятельности приводит к значительному повышению нервно-эмоционального напряжения. При таком напряжении, связанном с умственной деятельностью, можно наблюдать тахикардию, повышение кровяного давления, увеличение легочной вентиляции и потребления кислорода, повышение температуры тела и другие изменения со стороны вегетативных функций человека.

Т.к. работа проектировщика связана с эксплуатацией компьютера, к вредным факторам, связанными с умственным трудом, добавляются факторы, оказывающие вредное воздействие на организм человека, связанные с условиями работы за персональным компьютером [12]:

1) Физические.

· Повышенный уровень электромагнитных излучений.

· Повышенный уровень электростатического поля.

· Повышенный уровень шума на рабочем месте.

· Микроклимат.

· Электроопасность.

· Пожароопасность.

· Нерациональное освещение рабочих поверхностей.

2) Эргономические.

· Неэргономичность параметров дисплея.

· Неэргономичность конструкции дисплея и клавиатуры.

· Неэргономичность рабочего стола и рабочего, стула (кресла).

3) Психофизиологические.

· Нервно-психические перегрузки:

- перенапряжение зрительного анализатора;

- умственное перенапряжение и эмоциональные перегрузки;

- монотонность труда.

· Физические перегрузки:

- статические перегрузки костно-мышечного аппарата;

-динамические локальные перегрузки мыши кистей рук.

Для создания благоприятных условий труда и снижения утомления необходимо обеспечить соблюдение санитарно-гигиенических требований к рабочему месту пользователя персонального компьютера (программиста): оптимальных освещенности, яркости рабочих поверхностей и параметров визуальной информации. Кроме того, необходимо соблюдать рациональный режим труда и отдыха.

5.2 ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

На рабочем месте разработчика размещены видеомонитор, клавиатура и системный блок, которые питаются от сети переменного тока напряжение 220 В с частотой 50 Гц. Общая мощность оборудования не превышает 1000 Вт. Неправильное обращение с ПК, кабелями может привести к тяжелому поражению электрическим током.

Установлены пороговые (наименьшие) значения тока (для переменного тока промышленной частоты), определяющие степень поражения, ГОСТ 12.1.030-81:

Пороговый ощутимый ток - 0,5 - 1,5 мА

Пороговый неотпускающий ток - 10 - 20 мА

Пороговый фибрилляционный ток - 50 - 80 мА

Смертельно опасный ток - 100 мА и более.

Величина электрического тока, проходящего через тело человека, является основным фактором, обусловливающим исход поражения. Вместе с тем большое значение имеют длительность воздействия тока, его частота, род тока, сопротивление тела человека, величина приложенного напряжения и некоторые другие факторы.

Действие электрического тока на живую ткань носит разносторонний и своеобразный характер. Проходя через организм человека, электроток производит термическое, электролитическое, механическое и биологическое действия.

Термическое действие тока проявляется ожогами отдельных участков тела, нагревом до высокой температуры органов, расположенных на пути тока, вызывая в них значительные функциональные расстройства. Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, в том числе крови, в нарушении ее физико-химического состава. Механическое действие тока приводит к расслоению, разрыву тканей организма в результате электродинамического эффекта, а также мгновенного взрывоподобного образования пара из тканевой жидкости и крови. Биологическое действие тока проявляется раздражением и возбуждением живых тканей организма, а также нарушением внутренних биологических процессов [11].

Электротравмы условно разделяют на общие и местные. К общим относят электрический удар, при котором процесс возбуждения различных групп мышц может привести к судорогам, остановке дыхания и сердечной деятельности. Остановка сердца связана с фибрилляцией - хаотическим сокращением отдельных волокон сердечной мышцы (фибрилл). К местным травмам относят ожоги, металлизацию кожи, механические повреждения, электроофтальмии. Металлизация кожи связана с проникновением в нее мельчайших частиц металла при его расплавлении под влиянием чаще всего электрической дуги.

Лаборатория проектирования ИС относится к помещению без повышенной опасности по опасности поражения электрическим током:

Uсети=220 В, Iпороговый=1,5 мА.

Источниками поражения являются устройства ЭВМ, а так же активное сетевое оборудование, особенно при возникновении перегрузки цепей питания и неисправностей в виде короткого замыкания, а также неисправности системы вентиляции оборудования.

ГОСТ 12.2.007-75 устанавливает требования безопасности, предотвращающие или уменьшающие до допустимого уровня воздействие на человека электрического тока; электрической искры или дуги; движущихся частей изделия; частей изделия, нагревающихся до высоких температур; опасных и вредных веществ, выделяющихся при эксплуатации.

Основные средства защиты от поражения электрическим током:

- защитные заземления;

- зануление;

- защитное отключение.

5.3 МИКРОКЛИМАТ

Работа монитора вызывает изменения микроклимата в рабочей зоне, что приводит к ионизации воздуха, повышении температуры и понижению влажности. Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на самочувствие человека и его работоспособность. Так, например, понижение температуры может привести к переохлаждению организма. При повышении воздуха возникают обратные явления. Обезвоживание на 6 % влечет за собой нарушение умственной деятельности, потеря соли лишает кровь способности удерживать воду и приводит к нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы. При высокой температуре воздуха легко расходуются углеводы, жиры, разрушаются белки.

Согласно установленным нормам производственного микроклимата (ГОСТ 12.1.005-88) в помещениях с работающей вычислительной техникой, к которым и относится лаборатория проектирования ИС, параметры микроклимата должны быть следующими:

- в холодные периоды года (температура наружного воздуха ниже +10 ⁰С) температура воздуха, скорость его движения и относительная влажность воздуха должны соответственно составлять: 22-24 градуса; 0.1 м/с; 40-60%; температура воздуха может колебаться в пределах от 21 до 25 градусов при сохранении остальных параметров в вышеуказанных пределах.

- в теплые периоды года (температура наружного воздуха выше +10 ⁰С) температура воздуха, его подвижность и относительная влажность воздуха должны соответственно составлять: 23-25 градуса; 0.1-0.2 м/с; 40-60%; температура воздуха может колебаться в пределах от 22 до 26 градусов при сохранении остальных параметров в вышеуказанных пределах.

Оптимальный температурный режим можно поддерживать правильно организованной вентиляцией рабочего помещения с помощью кондиционеров и увлажнителей. Одним из основных параметров по оптимизации микроклимата и состава воздуха в помещении является обеспечение надлежащего воздухообмена [13].

5.4 ОСВЕЩЕНИЕ

Анализируя условия работы разработчика ИС, получаем следующие требования к производственному освещению:

- наименьшая допустимая освещенность от общего освещения составляет 300 лк;

- при работе за компьютером желательно, чтобы освещенность рабочего места не превышала 2/3 нормальной освещенности помещения;

- экран дисплея не должен быть ориентирован в сторону источников света (окон, настольных ламп и т.п.); при размещении рабочего места рядом с окном угол между экраном дисплея и плоскостью окна должен составлять не менее 90 градусов (для исключения бликов), прилегающую часть окна желательно зашторить;

- не следует располагать дисплей непосредственно под источником освещения или вплотную с ним;

- стена позади дисплея должна быть освещена примерно так же, как и его экран;

- яркость для блестящих поверхностей более 0.2 м2 не должна превышать 500 кд/ м2;

- показатель ослепленности не должен превышать 40 единиц;

- коэффициент пульсаций 10 - 20 %.

Специфика работы за ЭВМ, состоит в том, что работать приходится с так называемым самосветящимся объектом.

Свечение со стороны экрана, а также частая смена заставок на экране при большой продолжительности трудовой деятельности может отрицательно воздействовать на зрение. Такой режим работы утомляет зрительные органы. Поэтому разработчику программного обеспечения следует учитывать этот фактор при проектировании программного обеспечения и его отладке за компьютером. Для обеспечения нормальной естественной освещенности, площадь оконных проемов должна быть не менее 25% площади пола.

Строительные нормы и правила СНиП II-4-79 устанавливают следующие нормы искусственной освещенности рабочих мест (с высотой рабочей поверхности над полом 80 см):

Норма освещенности:

а) при комбинированном освещении - 750 лк;

б) при общем освещении - 300 лк;

Коэффициент пульсаций освещенности рабочего места Кп ? 15%.

Рекомендуемая освещенность при работе с дисплеем составляет 200 лк, а при работе с экраном в сочетании с работой над документами - 400 лк. Рекомендуемые перепады яркости в поле зрения оператора должны лежать в пределах 1:5 - 1:10.

5.5 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Наиболее вредным производственным воздействием является побочное электромагнитное и радиационное излучения. Практически все вредное излучение возникает в результате работы монитора компьютера, поскольку доля электромагнитных полей, создаваемых компонентами системного блока ПК, незначительна.

Побочное электромагнитное излучение (ЭМИ) практически не ослабляется никакими защитными экранами или фильтрами, однако конструкция электронно-лучевой трубки современных мониторов уменьшает до минимума излучение в сторону оператора. Соответственно, максимум излучения сосредоточен по бокам и сзади от монитора, что предъявляет определенные требования к планированию взаимного расположения рабочих мест - операторы не должны находиться под влиянием ЭМИ соседних компьютеров.

Частотный состав (спектр) излучения монитора характеризуется наличием рентгеновских, ультрафиолетовых, инфракрасных и других электромагнитных колебаний.

Опасность рентгеновского и части других излучений большинством ученых признается пренебрежимо малой, поскольку их уровень достаточно невелик и в основном поглощается покрытием экрана.

Наиболее тяжелая ситуация связана, по-видимому с полями излучений очень низких частот (ОНЧ) и крайне низких частот (КНЧ), которые, как выяснилось, способны вызывать биологические эффекты при воздействии на живые организмы. Было обнаружено, что электромагнитные поля с частотой порядка 60 Гц могут инициировать изменения в клетках животных (вплоть до нарушения синтеза ДНК).

Особенно поразительным для исследователей оказался тот факт, что, в отличие, например, от рентгеновского излучения, электромагнитные волны обладают необычным свойство: опасность их воздействия при снижении интенсивности излучения не уменьшается, мало того, некоторые поля действуют на клетки тела только при малых интенсивностях или на конкретных частотах.

Специальные измерения показали, что мониторы действительно излучают магнитные волны, по интенсивности не уступающие уровням магнитных полей, способных обуславливать возникновение опухолей у людей.

Другим видом вредного излучения является радиационное, возникающее вместе со свечением люминофора в результате бомбардировки поверхности экрана электронами. В соответствии с ГОСТ 27954-88 мощность дозы рентгеновского излучения на расстоянии 5 см от поверхности экрана при 40-часовой рабочей неделе не должна превышать 0,03 мкР/с. Однако уровень этого излучения достаточно низок, быстро убывает с увеличением расстояния от поверхности ЭЛТ и не превышает действующих норм.

Основными мероприятиями по защите от воздействия излучения являются:

- экранирование посредством защитных фильтров, что, впрочем, утратило свою актуальность в последнее время ввиду значительного улучшения качества самих мониторов;

- защита расстоянием;

- рекомендуемое расстояние от глаз оператора до поверхности монитора составляет 70 см (минимальное - 30 см);

- замена устаревших ЭЛТ-мониторов на более современные ЖК.

5.6 ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Основным источником возгорания может служить короткое замыкание в сети питания. Помещение лаборатории проектирования ИС относится к категории В (пожароопасная) пожарной опасности помещений, так как в помещении находится много горючих веществ (мебель, пластиковые корпуса аппаратуры и др.). Поэтому помещение должно соответствовать нормативам по огнестойкости строительных конструкций, планировке зданий, этажности, оснащенности устройствами противопожарной защиты, установленным для этой категории помещений. Помещение машинного зала должно обладать I или II степенью огнестойкости (см. СНиП 2.01.02-85 “Противопожарные нормы”), то есть самой высокой.

Для тушения пожара должны применяться ручные огнетушители и переносные установки. Электросети и электроустановки, которые находятся под напряжением, тушить водой нельзя ни в коем случае, т.к. через струю воды может произойти поражение электрическим током. Именно поэтому для тушения пожара, который возник из-за неисправности электроприборов, применяют только пенные огнетушители (ОП3 или ОП5). Возможность быстрой ликвидации пожара во многом зависит от своевременного оповещения о пожаре. Одним из самых распространенных средств оповещения на сегодняшний день является телефонная связь.

5.7 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

С экологической точки зрения компьютер можно считать безопасным, так как ни монитор, ни системный блок, ни периферийные устройства при работе не приносят экологического вреда. Однако довольно серьезной проблемой в последние годы стала утилизация компьютеров и оборудования, в связи с чем, невозможно считать компьютеры абсолютно безопасными для экологии.

В отличие от органических отходов, техногенный мусор, к которому относятся устаревшие или неисправные системные блоки ПК и мониторы, невозможно утилизировать, используя природные процессы регенерации. Более того, учитывая присутствие во многих компонентах тяжелых металлов и ядовитых веществ, сжигать его подобно бытовым отходам тоже нельзя. Переработка устаревшей электроники требует значительных усилий и представляет собой немалую проблему. Игнорировать ее невозможно, потому что она несет серьезную угрозу для экологии.

Причем у современной электроники есть своя специфика - она в гораздо большей степени состоит из неликвидных материалов. Так, один компьютер в комплекте с ЭЛТ-монитором ориентировочно содержит от 10 до 20 кг стекла, 3 кг АБС-пластика, примерно столько же черных металлов, по 200 г меди и алюминия, всего 1 г серебра и не более 10 мг золота. То есть в основном речь идет о материалах, вторичное использование которых невозможно, и потому стоимость переработки значительно превышает стоимость получаемых металлов. Отдельную проблему утилизации представляют кинескопы мониторов - из-за содержания ядовитых веществ их нельзя даже разобрать - как и ядерные отходы, их следует только хоронить в специальных могильниках. То же самое относится и к батареям питания и аккумуляторам, содержащим такие металлы, как свинец, кадмий, цинк и никель.

В табл. 5.1 приведены составляющие ПК с точки зрения утилизации.

Таблица 5.1 - Составляющие ПК с точки зрения утилизации.

Ликвидные отходы	Неликвидные отходы
Драгоценные металлы (золото, серебро)	Мониторы (барий)
Цветные металлы (алюминий, медь)	Печатные платы (гетинакс)
Черный металл (жесть)	Элементы питания (кадмий, цинк, никель)
Полимеры (АБС-пластик)	Световые индикаторы (свинец)

В Японии, США и странах ЕС в последние годы активно развивается направление утилизации старых компьютеров. В США компания Dell начала переработку устаревшей техники осенью 2002 г., причем поначалу она просто брала все затраты, за исключением расходов на перевозку, на себя. В Германии ежегодно выбрасывается 2,2 млн. компьютеров, принтеров и мониторов. Среднестатистический немец полностью или частично обновляет свой ПК каждые 2-3 года и до последнего времени вынужден был платить за утилизацию старого (в зависимости от модели) от 15 до 30 евро.

С 2005 г. с принятием Европейским Союзом новых правил утилизации электроники все производители обязаны бесплатно принимать свою продукцию на переработку. Выбрасывать отработавшую электронику в контейнер с общим мусором запрещено, но можно сдать в любой магазин по продаже электроники. По данным экспертов, на каждого жителя Евросоюза приходится ежегодно по 14 кг «электронного мусора», а в Германии этот показатель достигает 16 кг.

Немецкий концерн Siemens и японская компания Fujitsu намерены создать совместное предприятие по утилизации персональных компьютеров - они планируют построить заводы в пяти городах Германии. Намечено также создание аналогичных производств в Великобритании, Франции и Скандинавских странах. По мнению инициаторов проекта, централизованная переработка ПК улучшит экологическую обстановку и будет способствовать увеличению спроса на новые модели. В Японии Sony организовала службу по утилизации устаревших персональных компьютеров своей марки. Компания создала специальную сеть по их сбору и доставке, а стоимость переработки одного ПК составляет 4-5 тыс. иен ($40).

В нашем государстве, в отличие от индустриально развитых стран, проблема переработки электронного мусора практически пущена на самотек - утилизация устаревшей техники является заботой исключительно ее владельцев, поэтому чаще всего оборудование заканчивает свои дни на свалке [14].

5.8 РАСЧЕТ ВОЗДУХООБМЕНА

Назначение промышленной вентиляции - поддержание химического составе и физического состояния воздуха, удовлетворяющего гигиеническим требованиям, т. е. обеспечению заданных метеорологических параметров воздушной среда и чистоты воздуха [15].

Под метеорологическими параметрами воздушной среды понимают температуру, влажность и скорость движения воздуха.

Для поддержания в помещении требуемых санитарно-гигиенических параметров воздушной среды необходимо постоянно удалять загрязненный воздух и подавать на его место чистый, наружный воздух, т.е. осуществлять воздухообмен.

Требования к вентиляции:

1. Равенство объемов приточного и удаляемого воздуха .

2. Размещение приточных и вытяжных систем в соответствии с местом образования вредностей и их физико-химическими свойствами.

3. Отсутствие перегрева или переохлаждения организма человека.

4. Низкий уровень шума.

5. Пожаро-вэрывобезопасность, надежность и экономичность.

Как отмечалось раньше, оптимальными условиями в лаборатории проектирования должны быть:

- температура воздуха - 22-25 °С;

- влажность воздуха - 40-60 %;

- подвижность воздуха - 0,1-0,2 м/с.

Реально такие условия могут поддерживаться только кондиционером. Кондиционирование воздуха создает и автоматически поддерживает внутри помещения независимо от наружных метеоусловий заданную температуру, относительную влажность и скорость движения воздуха. Кондиционеры автономные общего назначения обеспечивают автоматическое регулирование воздуха в помещениях от 18 до 28 градусов Цельсия с точностью до одного градуса. Изготавливают кондиционеры с регулированием относительной влажности от 30 до 100 %.

Как отмечалось ранее, санитарными нормами установлено, что объем производственных помещений на одного работающего должен составлять не менее 15 кубометров, а площадь помещения - не менее 4,5 м2.

Помещение, где располагается рабочее место проектировщика ИС, имеет площадь 58 м2 и объём 174 м3. Тогда из вышеперечисленных требований следует максимальное количество одновременно работающих человек:

N < 54/4.5 = 12;

б) N < 135/15 = 11,

то есть для выполнения данных требований в помещении могут работать не больше одиннадцати человек.

Необходимый воздухообмен определяется по следующим факторам: 1) по количеству работающих; 2) по поступлению в воздух рабочей зоны вредных газов, паров или пыли; 3) по теплоизбыткам; 4) по влаговыделению.

По первому фактору расчет воздухообмена производится лишь при нормальных параметрах микроклимата и отсутствии вредных веществ или содержании их в пределах нормы

(5.1)

где n - число работающих в данном помещении; - расход воздуха на 1 работающего, принимаемый в зависимости от объема помещения, приходящегося на 1 работающего . В производственных помещениях объемом м3 кубометров на одного работающего при отсутствии загрязнения воздуха производственными вредностями вентиляция должна обеспечивать подачу наружного воздуха в количестве м3/ч на одного работника, а в помещениях объемом м3 на одного работающего - м³/ч. Во всех указанных случаях при этом должны быть выдержаны нормы по температуре и влажности воздуха.

Исходные данные:

Норма температуры Т=22 °C.

Объём помещения V=150 м³.

Количество аппаратуры и выделяемая ей мощность:

Монитор - = 6 шт.; = 150 Вт.

ЭВМ IBM PC - = 6 шт.; = 250Вт.

Принтер - = 1 шт.; = 60 Вт.

Сканер - = 1 шт.; = 75 Вт.

Количество работающих в помещении n=6 человек.

Площадь оконного с металлическими переплётами, обращённого на северо-запад, составляет S=4,2 м2.

Расчёт:

Для одного человека необходимо =20 м3/ч воздуха. Для удаления тепла, выделенного аппаратурой, тоже необходим воздухообмен.

Исходя из количества работающих, необходим следующий воздухообмен:

==120 м3/ч.

Разница между поступающим в помещение теплом и потерями тепла в помещении называется избыточным теплом.

Тогда

(5.2)

где - суммированное количество тепла, поступающего в помещение от всех источников, сумма всех потерь тепла в помещении.

Зная количество избыточного тепла в помещении, можно рассчитывать требуемый воздухообмен для поддержания температуры воздуха на уровне нормируемого:

, (5.3)

где - 1 кДж/кг - теплоемкость воздуха; - плотность приточного воздуха, равная 1,2 кг/м3; - температура удаляемого воздуха (°С); - температура приточного воздуха (°С).

Температура воздуха, удаляемого из помещения, определяется по эмпирической формуле:

, (5.4)

где - температура воздуха в рабочей зоне, величина которой не должна превышать допустимую по нормам величину; - температурный градиент по высоте помещения (=1-5°С/м); - расстояние от пола до центра вытяжных проемов (м); - высота рабочей зоны (м).

Избыточное тепло, выделяемое аппаратурой:

(5.5)

где N - количество аппаратуры; W - мощность, выделяемая одной единицей аппаратуры.

Дж/ч = 9126 кДж/ч

Избыточное тепло, выделяемое людьми:

, (5.6)

где n - число работающих в данном помещении; - количество тепла, выделяемое человеком (для легкой работы при 20 °C температуры окружающего воздуха составляет 355 кДж/ч).

кДж/ч.

Избыточное тепло, выделяющееся от оконного проёма за счёт солнечной радиации:

 (5.7)

где - величина радиации, зависящая от характеристики остеклённой поверхности; - площадь стеклянной поверхности.

=336 кДж/м2м2 = 1411,2 кДж.

Подставляя полученные значения в ур. 5.2, получаем значение избыточного тепла:

кДж/ч.

Температура удаляемого воздуха (из ур. 5.4):

°C

Пусть температура приточного воздуха =17 °C. Тогда, подставляя найденные значения в ур. 5.3, находим:

м3/ч.

Таким образом, получаем, что система воздухообмена должна обеспечивать собственную производительность 1319,5 м³/ч для поддержания нормального микроклимата рабочего помещения. Таким требованиям удовлетворяет вентилятор радиальный В-Ц-4-70-2,5А, который обеспечивает регулируемый поток воздуха от 0,38 до 2,6 тыс. м³/ч с потребляемой мощностью 0,12-1,5 кВт, максимальный КПД которого равен 0,715-0,74 % [16].

5.9 ВЫВОДЫ

В данной главе:

1) приведены основные вредные факторы, оказывающие вредное воздействие на организм разработчика;

2) разработаны мероприятия по устранению вредного воздействия рабочего оборудования на разработчика ИС;

3) рассмотрен вред, наносимый окружающей среде, заключающийся в утилизации сопутствующих предметов труда: бумажных отходов, системных блоков ПК и мониторов;

4) произведен расчет воздухообмена в помещении, на основании которого был произведен выбор подходящего вентилятора.

ГЛАВА 6.

ОЦЕНКА ЗАТРАТ НА СОЗДАНИЕ ИС НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

6.1 ВВЕДЕНИЕ

Работа инженера не возможна без экономических обоснований, без доказательства того, что выбранный вариант является наивыгоднейшим - оптимальным или близким к нему. Поэтому каждый инженер должен иметь представление о решении общих задач интенсификации производства, повышения эффективности и качества новой продукции, а также экономии всех видов ресурсов и материалов, что особенно важно при производстве электронной техники, где используется дорогостоящие дефицитные материалы.

Новые технические решения должны быть экономичными. Именно такой подход ведет к эффективной экономике. Поэтому при разработке вариантов предлагаемых в промышленности решений должен обязательно выполняться экономический анализ. Цель такого анализа - доказать, что выбранный вариант является лучшим. Этот вариант и должен заменить существующие или сравниваемые решения.

6.2 ОЦЕНКА ЗАТРАТ НА СОЗДАНИЕ ИС

6.2.1 КРИТЕРИЙ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ

Обычно, критерии качества изделий электронной промышленности используются в совокупности, с разных сторон отражающей основные характеристики функционирования объекта. Тем не менее, во многих случаях доминирует экономический эффект, который наиболее прост, и обобщенно принято описывать суммарным доходом Э от использования изделия в течение его жизненного цикла продолжительностью . В первом приближении это разность между полной идеальной экономической эффективностью продукта и суммарными потерями и затратами K, снижающими предельный доход за весь жизненный цикл:

(6.1)

В качестве идеальной эффективности рассматривается совокупный доход, который можно получить от использования продукта за весь жизненный цикл, если бы они не требовали затрат на создание, производство и эксплуатацию, а также функционировали бы в реализующих системах без потерь и искажений [17].

Предполагается, что при любых затратах на разработку всегда достигается заданная идеальная эффективность последующего применения продукта в процессе его эксплуатации и необходимые показатели качества функционирования. Это предположение позволяет в дальнейшем исключить из анализа эффективность применения изделия и сосредоточить внимание на эффективности процесса их разработки. Дополнительным основанием такого допущения может служить то, что многие виды ИС невозможно или очень трудно характеризовать доходом от их функционирования, что в нашем случае очень актуально. Тогда исследования эффективности процесса создания ИС можно проводить, минимизируя затраты K в предположении, что обеспечены заданные функциональные характеристики программ.

Снижение эффективности Э на величину K происходит прежде всего вследствие затрат на разработку, производство, сопровождение и эксплуатацию ИС, а так же вследствие различных сбоев программ и оборудования. В соответствии с этапами жизненного цикла ИС основные затраты K, снижающие идеальную эффективность за цикл жизни , можно представить следующими составляющими:

· затраты на создание ИС и обеспечение решения заданных задач (в том числе на технологическое обеспечение, аппаратную оснащенность разработки и т.д.) - ;

· затраты на эксплуатацию программных и аппаратных средств ЭВМ, реализующих ИС - ;

· затраты на сопровождение ИС, включающие затраты на хранение и контроль его состояния, проведение модификации, исправление ошибок и т.д. - ;

· накладные расходы .

В результате совокупную реальную эффективность функционирования ИС за весь жизненный цикл длительностью можно представить в виде:

(6.2)

6.2.2 СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ СХЕМ

Разработка ИС является областью с малой материало- и энергоемкостью, и основные затраты связаны с непосредственным или овеществленным трудом специалистов различных категорий.

Наибольшее значение в составе при разработке интегральных схем (ИС) имеют следующие составляющие затрат:

· на непосредственное проектирование, программирование, отладку и испытания изделия в соответствии с требованиями пользователя или заказчика - ;

· на изготовление опытного образца изделия как продукции производственно-технического назначения - ;

· на разработку, подготовку и применение технологии программных средств автоматизации разработки ИС - ;

· на технологические и реализующие ЭВМ, используемые для автоматизации разработки продукта - ;

· на подготовку и повышение квалификации специалистов-разработчиков - .

Первые две составляющие и являются непосредственными затратами на создание ИС. Составляющие и можно рассматривать как затраты, обеспечивающие оснащенность процесса создания ИС. Затраты на подготовку и повышение квалификации наиболее трудно формализовать и учитывать в конкретной разработке программных средств. В данном случае эта составляющая не учитывается.

6.2.3 ЗАТРАТЫ НА НЕПОСРЕДСТВЕННУЮ РАЗРАБОТКУ ИС

Затраты на непосредственную разработку комплекса программ являются важнейшей составляющей в жизненном цикле ИС. Наибольшее влияние на них оказывает объем ИС. Затраты на разработку и объем проектирования связана через показатель интегральной средней производительности труда разработчиков Р. Для учета влияния на различных факторов удобно пользоваться коэффициентами изменения трудоемкости (КИТ) - , учитывающими зависимость i-ой составляющей совокупных затрат от j-го фактора. Непосредственные затраты на разработку можно представить как частное от деления объема ИС и производительность труда, корректируемое произведением коэффициентов изменения трудоемкости:

. (6.3)

Выделим четыре основных группы факторов, влияющих на затраты при непосредственной разработке схем:

· факторы, отражающие особенности создаваемого комплекса программ как объекта разработки, и требования к его общим характеристикам;

· факторы, характеризующие технологическую и программную оснащенность средствами автоматизации процесса разработки ИС;

· факторы, отражающие оснащенность процесса создания ИС аппаратурными средствами, на которых базируются системы автоматизации разработки;

· факторы, определяющие оснащенность процесса разработки программ и его обеспечение квалифицированными специалистами.

Для каждого фактора может быть выделен параметр, наиболее полно отражающий его содержание численными значениями. Для большинства факторов произведены оценки диапазона возможного изменения относительных затрат на разработку части ИС при варьировании соответствующего параметра в указанном диапазоне. Эти изменения затрат характеризуются коэффициентами изменения усредненной трудоемкости разработки элемента ИС за весь цикл создания КП при варьировании j-го фактора i-ой группы. Приводятся их средние значения [18].

6.2.4 ФАКТОРЫ ИС КАК ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ЗАТРАТЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ИС

Эта группа факторов отличается наибольшим влиянием на затраты и производительность труда.

Наиболее активно в качестве показателя сложности схемы используется ее объем, выраженный числом элементов, необходимых для разработки данной схемы. Объем схем является одной из наиболее достоверно измеряемых характеристик ИС. Логично предположить, что по мере увеличения объема ИС возрастает относительная трудоемкость разработки каждого элемента ИС. Для данного узла сложность схемы примем как:

. (6.4)

Надежность функционирования ИС является наиболее важным фактором, отражающим качество ИС.

В качестве параметров, характеризующих надежность схемы, наиболее широко используется наработка на отказ и коэффициент готовности . Оба показателя тесно связаны, что позволяет ограничить внимание на первом из них. Изучение математических моделей процесса выявления ошибок в ИС привело к тому, что одной из наиболее достоверных и простых является экспоненциальная зависимость числа оставшихся ошибок от времени ее тестирования. Эти соображения позволяют аппроксимировать средние значения при повышении требований к надежности КП логарифмической зависимостью:

(6.5)

Ограничение ресурсов производительности и оперативной памяти реализующей ЭВМ: при использовании создаваемым ИС производительности и памяти реальной ЭВМ менее чем на 50% можно и не учитывать эти ограничения, однако в нашем случае ресурсы ЭВМ используются практически полностью:

, (6.7)

где р - реальная загрузка ЭВМ (в относительных величинах).

Длительность предполагаемой эксплуатации ИС изменяется от нескольких месяцев до нескольких лет. По экспертным оценкам, увеличение предстоящей длительности эксплуатации КП на порядок от 1 до 10 лет приводит к увеличению КИТ примерно в 1,5-2 раза. Такую зависимость можно описать логарифмической функцией:

(6.8)

где изменяется в диапазоне от 1 до 1,5.

Предполагаемый тираж схем: при переходе от уникального ИС к программам, подлежащим тиражированию, затраты заметно возрастают:

. (6.9)

6.2.5 ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАЗРАБОТКИ ИС

При создании данного ИС использовалась пошаговая разработка компонентов схемы. В этом случае интегральная оценка эффективности метода более-менее стабильна и характеризуется повышением производительности труда приблизительно на 30 - 40% (=0,6-0,7).

Уровень автоматизации разработки ИС рассматривается, прежде всего, как фактор, влияющий на и на производительность труда специалистов.

В нашем случае = 1. Уровень пакетов проектирования ИС. Разработка нашей схемывелась в программной среде Orcad Family Release 9.2, обладающей удовлетворяющими нас характеристиками, а также доступность процедур и методы автоматизированного проектирования в совокупности дали увеличение производительности на 50% (= 0,5).

Модернизация комплекса проводится не с целью продажи, а для собственных нужд предприятия. То есть данный комплекс существует в единственном экземпляре и не предполагается его тиражировать (= 1).

6.2.6 ФАКТОРЫ ОСНАЩЕННОСТИ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ ИС АППАРАТУРНЫМИ СРЕДСТВАМИ, ВЛИЯЮЩИМИ НА НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ЗАТРАТЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ИС

При анализе фактора аппаратурной оснащенности процесса разработки ИС целесообразно учитывать интегральные характеристики всех вычислительных средств, использующихся при создании данной микросхемы. При разработке данной схемы применяется реализующая ЭВМ.

Относительное быстродействие ЭВМ определяет доступный уровень автоматизации разработки схем. Влияние относительного быстродействия на полные затраты можно оценить на уровне 20-30% ( = 0,7 - 0,8).

Относительный объем оперативной памяти может также проявиться как заметный фактор, изменяющий производительность труда разработчика. В нашем случае недостаточный объем памяти вызвал снижение производительности труда на 10-20% ( = 1,1-1,2)

6.2.7 ФАКТОРЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ ИС, ВЛИЯЮЩИЕ НА НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ЗАТРАТЫ ПРИ СОЗДАНИИ ИС

Индивидуальные особенности специалистов могут приводить к изменению производительности труда во много раз. В среднем технологическую квалификацию можно считать выше среднего (=0,7), тематическую квалификацию - как средняя (=0,8). Квалификация разработчика и опыт работы с программами проектирования составил 3 года (= 0,9). Уровень квалификации заказчика высок, но техническое задание на разработку было сформировано с дальнейшими доработками (=1,2).

6.2.8 ЗАТРАТЫ НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА КАК ПРОДУКЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Затраты на изготовление опытного образца ИС как продукции производственно-технического назначения определяется необходимостью обеспечить отчуждение всего комплекса программ от его непосредственных разработчиков. Для изготовления ИС как продукции производственно-технического назначения необходимо: изготовить и оформить опытный образец ИС.

Затраты в нашем случае не имеют смысла, поскольку, как уже отмечалось ранее, данный комплекс существует в единственном экземпляре и не предполагается его тиражировать.

6.2.9 ЗАТРАТЫ НА ТЕХНОЛОГИЮ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ КП

Затраты на технологию и программные средства автоматизации разработки ИС обычно являются весьма весовыми только при использовании автоматизированных технологий. В нашем случае мы имеем принципиально новую систему, технология разработки которой пока не определена, поэтому затратами на технологию можно пренебречь.

6.2.10 ЗАТРАТЫ НА ПК, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ РАЗРАБОТКИ ДАННОЙ СХЕМЫ

Затраты на ПК, используемые для автоматизации разработки данной ИС - включают капитальные затраты на закупку и установку соответствующих ЭВМ, а также текущие затраты на их эксплуатацию в течение разработки ИС.

Поэтому общие затраты на ЭВМ будут выглядеть как:

, (6.10)

где - стоимость машинного времени реализующей ЭВМ.

6.3 РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ ИС НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В таб. 6.1 даны исходные данные, необходимые в расчете.

Таблица 6.1 - Исходные данные.

Наименование характеристики	Количество
Количество проектировщиков, S	1 чел.
Оклад проектировщика, Sм	20000 руб./ мес.
Размер схемы, П	18 элементов
Стоимость одного часа машинного времени,	75 руб./ч
Общее время разработки,	10 дней
Количество машинного времени, затраченного в день,	8 ч/день

Коэффициенты изменения трудоемкости

сложность схемы - ;

ограничение ресурсов производительности ЭВМ - = 2,7;

современные методы разработки - = 0,7;

уровень пакета проектирования - = 0,5;

относительное быстродействие ЭВМ - = 0,8;

относительный объем памяти - = 1,1;

технологическая квалификация - = 0,7;

тематическая квалификация - = 0,8;

квалификация разработчика - = 0,9;

квалификация заказчика - = 1,2;

остальные коэффициенты примем равными единице.

Расчет непосредственных затрат на разработку

= 18 элементов;

Производительность = 18/10=1,8 элемент/день;

Считаем, что в месяце, в среднем, 22 рабочих дня, тогда средняя дневная заработная плата разработчика рублей;

Произведение коэффициентов - = 0,302;

Также необходимо учитывать расходы, включающие в себя:

· заработную плату административно - управленческого персонала с отчислением на социальные нужды;

· аренду помещения;

· хозяйственные нужды;

· приобретение специальной литературы.

Считаем, что

· накладные расходы составили = 90% от непосредственных затрат;

Теперь можем рассчитать непосредственные затраты на разработку - (с учетом накладных расходов):

рублей.

Затратами на проектирование ИС являются затраты на разработку принципиальной схемы, спроектированной и смоделированной в специализированном программном пакете. Затратами на изготовление опытного образца, технологию и программные средства мы пренебрегаем.

Затраты на ПК:

= 10 дней;

Рассчитаем затраты на ПК:

рублей.

Все результаты сведем в таб. 6.2.

Таблица 6.2 - Затраты на разработку ИС.

Составляющие	Затраты (руб.)	% от затрат на разработку
	17290	74,3 %
	6000	25,7 %

Таким образом, затраты на разработку схемы операционного усилителя составляют = 23290 рублей.

6.4 ВЫВОДЫ

В данной главе был произведен расчет суммарных затрат на разработку данной схемы . В результате расчетов были получены следующие результаты:

- затраты на непосредственное создание схемы

= 17290 рублей;

- затраты на ЭВМ, используемую для проектирования и моделирования:

= 6000 рублей;

- суммарные затраты на проектирование схемы

= 23290 рублей.

Снизить непосредственные затраты возможно по мере повышения квалификации в данном вопросе, а также более эффективным использованием рабочего времени.

ВЫВОДЫ

В представленной работе -- «Разработка и исследование специализированного быстродействующего операционного усилителя (ОУ) для высоковольтной аналоговой БИС обработки коротких импульсных сигналов фотодиода на основе базового кристалла», -- были решены следующие задачи:

1) проведен обзор операционных усилителей и исследованы методы проектирования специализированных операционных усилителей;

2) показан маршрут изготовления БМК “Старт”;

3) исследованы электростатические параметры элементов БМК;

4) проведены разработка и моделирование специализированного ОУ;

5) спроектирован эскиз топологии специализированного ОУ на основе базового кристалла.

В разделе производственной и экологической безопасности был рассмотрен вопрос обеспечения ПЭБ на рабочем месте разработчика ИС.

Выполнен расчет затрат на разработку ИС. Суммарные затраты составили примерно 23290 рублей. Снизить непосредственные затраты возможно по мере повышения квалификации разработчика, а также более эффективным использованием рабочего времени.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие. СПб.: БХВ - Петербург, 2005 г.

2. А.Б. Гребен. Проектирование аналоговых интегральных схем. М.: Энергия, 1976 г.

3. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия - Телеком, 2003 г.

4. Л. Фолкенберри. Применение операционных усилителей и линейных ИС. М.: Мир, 1982 г.

5. В.Г. Домрачеев, П.П. Мальцева, И.В. Новаченко, С.Н. Пономарев. Базовые матричные кристаллы и матричные БИС. М.: Энергоатомиздат, 1992г.

6. Научно-технический отчет “Разработка типовых базовых кристаллов для создания серии аналоговых БИС”. 2002 г.

7. Методика измерений параметров элементов тестового кристалла БМК “Старт”. 2003 г. С. 2 - 5.

8. Методика измерения статистического коэффициента передачи тока базы биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. 2003 г. С. 2 - 8.

9. Э.А. Вуколов. Статистические методы обработки экспериментов и их реализация на ЭВМ. М.: МИЭТ, 1984 г.

10. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Том 1. М.: МИЭТ, 1993 г.

11. Белов С.В., Ильницкая А.В., Козьяков А.Ф. Безопасность жизнедеятельности. Москва. Высшая школа. 2005 г.

12. Безопасность труда при использовании персональных компьютеров. Рекомендации. Комитет труда и занятости Правительства Москвы. 2003 г.

13. Охрана труда в вычислительных центрах. Москва. Машиностроение. 1990 г.

14. Пархоменко В. Обратная сторона прогресса: утилизация электроники. http://itc.ua/22112

15. Каракеян В.И., Константинова Л.А., Ларионов Н.М., Писеев В.М. Методические указания по выполнению раздела «Охрана труда» в дипломных проектах. Под ред. В.И. Каракеяна. МИЭТ. М., 1983 г.

16. Константинова Л.А., Ларионов Н.М., Писеев В.М. Методические указания по выполнению раздела «Охрана труда» в дипломных проектах для студентов МИЭТ. Под ред. В.И. Каракеяна. МИЭТ. М., 1988 г.

17. Моисеева Н.К., Костина Г.Д. Методические указания для выполнения курсовых и дипломных работ по специальности “Менеджмент”. МИЭТ. Москва, 1996 г.

18. Моисеева Н.К., Павлова А.М., Проскуряков А.В. Методика выполнения организационно-экономической части дипломного проекта. МИЭТ. Москва, 1982 г.

Размещено на Allbest.ru