Расчет устройства судовой автоматики

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО

«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электрооборудование и автоматика судов»

Курсовая работа

по дисциплине «Физические основы электроники»

На тему: « Расчет устройства судовой автоматики на ОУ»

Вариант № 19

Выполнил: студент группы Элдышев Анджа

Проверил: доцент кафедры ЭАС Климкин К.А

Астрахань 2014

1. Описание технологии изготовления микросхем

микросхема операционный усилитель автоматика

Тактико-технические, конструктивно-технологические, эксплуатационные и экономические характеристики ЭВМ и систем определяют примененные в них микросхемы, выполняющие функции преобразования, хранения, обработки, передачи и приема информации. Микросхемой (интегральной микросхемой - ИМС, интегральной схемой - ИС) называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании. Теория, методы расчета и изготовления микросхем составляют основу микроэлектроники - современной наукоемкой отрасли техники. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся на полупроводниковые и гибридно-пленочные. Полупроводниковые микросхемы имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и избирательного легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а соединения между ними формируются по поверхности кристалла с помощью тонкоплёночной технологии. Полупроводниковые микросхемы могут быть однокристальными (монолитными) и многокристальными (микросборками). Однокристальная микросхема может иметь индивидуальный герметизированный корпус с внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате, или быть бескорпусной и входить в состав микросборки. Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная технологии. Гибридно-плёночные микросхемы включают в себя плёночные пассивные элементы (резисторы и конденсаторы), коммутационные проводники, нанесённые непосредственно на подложку из изоляционного материала, и бескорпусные полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды, диодные матрицы, несложные микросхемы), монтируемые на той же подложке. Пассивные элементы и проводники могут быть выполнены по тонкоплёночной или толстоплёночной технологии. В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах используются униполярные (полевые) транзисторы со структурой “металл - диэлектрик (оксид) - полупроводник” (МДП- или МОП-транзисторы) и биполярные транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые микросхемы делятся на три основные вида: биполярные, униполярные (МДП или МОП) и биполярно-полевые. Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень интеграции. По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС - до 102 элементов на кристалл), средние (СИС - до 103), большие (БИС - до 104), сверхбольшие (СБИС - до 106), ультрабольшие (УБИС - до 109) и гигабольшие (ГБИС - более 109 элементов на кристалл). Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИС, приходящаяся на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой. Вообще же существует четыре основных технологических процесса изготовления микросхемы: Фотолитография - в процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне. Фотошаблон - стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем - покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. Подложку фотошаблона выполняют либо из обычного стекла (при экспонировании светом с длиной волны л более 300 нм), либо из кварцевого стекла (при л менее 300 нм). В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия. Травление используют для того, чтобы с участков, незащищенных задубленным фоторезистором, плавиковой кислотой стравить диоксид кремния. В результате в оксидной плёнке образуются окна, через которые и производится диффузия. Диффузия - процесс, с помощью которого на поверхности или внутри пластины полупроводника получают p- или n- области путём введения акцепторных или донорных примесей. Эпитаксией называют процесс выращивания одного монокристалла на грани другого. Следует отметить, что процесс эпитаксии при изготовлении полупроводниковых элементов может заменить процесс диффузии.

2. Привести электрические и конструктивные характеристики микросхемы

Микросхемы представляют собой операционные дифференциальные усилители с высоким входным сопротивлением и низким уровнем входных токов, с внутренней частотной коррекцией, обеспечивающей устойчивую работу при любых режимах отрицательной обратной связи, включая режимы интеграторов и повторителей напряжения. Совокупность и уровень параметров этих ИС позволяет их использовать вместо других ОУ, а также применять в качестве интеграторов с большим временем интегрирования и малой погрешностью, в электрометрах и логарифмических усилителях с расширенным диапазоном логарифмирования. Малые значения шумового тока и хорошие спектральные характеристики напряжения шума, высокие динамические параметры, дают преимущества при использовании их в качестве усилителей для высокоомных фотоприемников с режимом преобразования тока в напряжение, схем выборки и хранения, высокоомных буферных каскадах.

Тракт передачи сигнала ИС состоит из входного дифференциального каскада, выполненого на полевых транзисторах, промежуточтого каскада на p-n-p транзисторе и выходного каскада, образующего двухтактный выход. Частотная коррекция осуществляется внутренним конденсатором. Построение входного каскада позволяет получить низкое и стабильное напряжение на входных полевых транзисторах, почти не зависящее от изменения напряжения питания и синфазного входного напряжения, в связи с чем малый уровень входного тока (или большое входное сопротивление для синфазного сигнала ) сохраняются во всем диапазоне входного синфазного напряжения и допустимом диапазоне напряжения питания.

Схема выходного каскада дает возможность иметь высокую нагрузочную способность при любой палярности выходного напряжения, в том числе при работе на большую емкостную нагрузки во всем диапазон температур.

Внешняя балансировка напряжения смещения осуществляется переменным резистором, подключаемым к выводам. Содержит 32 интегральных элемента. Корпус типа 2101.8-1, масса не более 1 г.

Корпус КР544УД2В

Условное графическое обозначение

1,8 - баланс; 2 - вход инвертирующий; 3 - вход неинвертирующий; 4 - напряжение питания (-U_п1);

5 - свободный; 6 - выход; 7 - напряжение питания (U_п2);

Электрическая схема

Назначение выводов: 1 - баланс, коррекция, 2 - инвертирующий вход, 3 - неинвертирующий вход, 4,7 - напряжение питания, 5 - баланс, 6 - выход, 8 - коррекция.

Электрические параметры

Предельно допустимые режимы эксплуатации

3. В соответствии с вариантом разработать на базе ОУ типовое устройство судовой автоматики

Итак, дифференциальный усилитель - это устройство, предназначенное для усиления разности подаваемых на его входы сигналов.

Рассмотрим схему, построенную на базе операционного усилителя (ОУ), приведенную на рисунке справа.

Это наиболее общая схема усилителя на операционнике. В основе расчётов всех схем с операционными усилителями лежат два положения, характеризующие идеальный операционный усилитель:

1) ОУ имеет бесконечно большое входное сопротивление и как следствие - бесконечно маленький входной ток. Проще говоря - входной ток при расчётах считают равным нулю. Имеется ввиду, естественно, не входной ток построенного на ОУ усилителя, а ток, втекающий в ножки самого операционного усилителя.

2) ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления и как следствие - разность потенциалов между его входами (между входными ножками самого ОУ) в схемах с достаточной отрицательной обратной связью, равна нулю.

Теперь перейдём к расчётам нашего усилителя. На рисунке слева та же схема, что и выше, но с подписанными элементами, а также с подписанными токами и напряжениями (с учётом изложенных ранее положений).

По этой схеме составляем систему из четырёх уравнений, после чего из первых двух выражаем I₁, а из третьего и четвёртого выражаем I₂:

Далее из первого и третьего уравнений составляем новое уравнение:

Подставляем в него, найденные ранее, выражения для I₁, I₂ и преобразуем следующим образом:

Ну и, наконец, из последнего выражения находим формулу для определения выходного напряжения:

Преобразуем множитель перед U₂ следующим образом: R₁ перенесём из знаменателя в числитель, а оставшиеся в знаменателе скобки умножим и разделим на R₂. Получится следующее выражение:

Из этого выражения очевидно, что если в нашей схеме R_ОС/R₁=R₃/R₂, то множитель перед U₂ можно заменить просто на R₃/R₂или на R_ос/R₁ (без разницы, мы ведь как раз рассматриваем случай, когда эти соотношения одинаковы). Тогда формулу (1) можно преобразовать к такому виду:

То есть в этом случае наша схема усиливает разницу напряжений на входах, - вот и получился дифференциальный усилитель.

Приступим к расчетам. U1=(0,6 - 1,3)B, U₂=(1,3 - 0,6)B, коэффициент усиления будем считать равным k=20000, входной ток I_вх=40*10^-12А, напряжение на выходе U_вых = 10В

R₁=U_вх1/I_вх=0,6/(40*10^-12) = 15*10⁹ Ом

k= R_oc/ R₁ ; R_oc = k* R₁ =20000*15*10⁹ = 3*10¹⁴ Ом

Из уравнения выразим R₂

R₂= (U₂ - U1 - I₁* R₁)/ I₂ = (0,7 - 40*10^-12*15*10⁹)/ 40*10^-12= 25*10⁸ Ом

R₃ = (U₂ - I₂* R₂)/ I₂ = (1.3 - 40*10^-12*25*10⁸)/ 40*10^-12 = 3*10¹⁰ Ом

Выберем резисторы из стандартных рядов:

R₁ = 1.6*10¹⁰ Ом (Е24)

R₂ = 2.7*10⁹ Ом (Е12)

R₃ = 3.3*10¹⁰ Ом (Е12)

R₁ = 3.3*10¹⁴ Ом (Е12)

Зависимость выходного напряжения от времени

4. Описать технологические процессы монтажа, демонтажа и защиты микросхемы от внешних воздействий

Присоединение пайкой.

Выбор метода присоединения пайкой определяется конструкцией корпуса микросхемы и формой его выводов. Корпуса со штырьковыми выводами запаивают в металлизированные отверстия печатных плат в специальных установках многопозиционной пайки: волной припоя, общим и селективным погружением. При пайке волной припоя печатную плату с односторонним расположением микросхем перемещают горизонтально, соприкасая с верхней кромкой волны припоя, подаваемой с помощью насоса из нижних слоев ванны через продольную щель. При пайке с общим погружением плату с микросхемами опускают до соприкосновения с поверхностью расплавленного припоя и выдерживают в течение определенного времени. Для исключения образования перемычек между токоведущими дорожками платы используют специальный трафарет, т.е. селектор (пайка с селективным погружением), который устанавливают на плату со стороны пайки. Планарные выводы корпусов микросхем, располагающихся с одной или с обеих сторон печатных плат, вне зависимости от метода присоединения подпаивают только по одному за операцию. Пайку осуществляют паяльником с постоянным или импульсным нагревом, с расплавлением дозированного припоя в месте соединения, с помощью струи горячего воздуха или газа, за счет теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через паяемые детали. Так как выводы располагают с постоянным шагом, а распределение микросхем по плоскости платы регулярное, то все эти методы могут быть автоматизированы. Пайку паяльником с постоянным нагревом производят как с предварительной дозировкой припоя, так и с захватом припоя жалом паяльника. Пайку паяльником с импульсным подогревом осуществляют только с предварительной дозировкой припоя. Когда жало паяльника поджимает вывод с таблеткой припоя к контактной площадке, через него пропускается импульс тока, который разогревает паяльник и место пайки до необходимой температуры. При пайке струёй горячего газа вывод микросхемы вместе с дозой припоя поджимают к контактной площадке, на место пайки направляют струю нагретого воздуха или газа, а корпус микросхемы обдувают струёй холодного воздуха для исключения перегрева. Выводы микрокорпуса обрезают на длину 0,5--0,7 мм, подгибают и после установки корпуса на нагретую керамическую плату спаивают дозой припоя путем обдува струёй горячего воздуха. При пайке используют различные припои и флюсы. Критерий их выбора - максимально допустимая температура пайки.

Для микросхем со штырьковыми выводами не допускается исправление дефектных соединений со стороны установки корпуса на плату.

Рис. 4 Примеры пайки микросхемы со штырьковыми выводами: (а- в)- пайка в металлизированные отверстия; (г- е) -пайка в неметаллизированные отверстия; 1 - вывод, 2 - металлизированные площадки, 3 - печатная плата, 4 - припой, 5 - раковина (дефект), 6 - контактная площадка

После пайки места соединений необходимо очистить от остатков флюса (канифоли) жидкостью, рекомендованной в ТУ на микросхемы. Примеры пайки микросхем с планарным расположением выводов и со штырьковыми выводами в металлизированные и неметаллизированные отверстия показаны на рис.3 и 4 соответственно

Монтаж методами сварки.

При монтаже корпусов микросхем с планарными выводами может быть применена сварка двусторонняя контактная точечная, односторонняя точечная сдвоенным электродом, ультразвуковая, импульсная дуговая, лазерным лучом, металлизацией, например путем напыления при электрическом взрыве проволоки или фольги. Основное требование при монтаже сваркой - правильный выбор размеров контактной площадки. Сварное соединение будет надежным и прочным, если ширина контактной площадки составляет не менее 3-5 диаметров или ширины привариваемого вывода, а длина ее-5-8 диаметров. Двусторонняя контактная точечная сварка нашла применение при использовании специальных штырей конусной формы, изготовляемых из углеродистой стали и покрываемых медью и индием. Такие штыри монтируют в металлизированные отверстия печатных плат и приваривают к ним выводы микросхем. При запрессовке штырей в отверстия индий диффундирует в металлическое покрытие отверстия, благодаря чему образуется надежное электрическое и механическое соединение. Достоинство данного метода-возможность многократной замены микросхем. При приварке планарных выводов к печатным контактам лазерным или электронным лучом применяют соединения торцовое, точечное или заклепочное При торцовом соединении часть луча попадает на вывод, а другая часть- на контактную площадку платы. В соединении точечного типа луч полностью направляют на вывод. При заклепочном соединении луч направляют на вывод, в котором имеется просверленное отверстие диаметром, меньшим диаметра луча.

Установка микросхем на платы.

Установка и крепление микросхем на платах должны обеспечивать их нормальную работу в условиях эксплуатации РЭА. Микросхемы устанавливаются на двух- или многослойные печатные платы с учетом ряда требований, основными из которых являются:

1.получение необходимой плотности компоновки;

2.надежное механическое крепление микросхемы и электрическое соединение ее выводов с проводниками платы;

3.возможность замены микросхемы при изготовлении и настройке узла; 4.эффективный отвод теплоты за счет конвенции воздуха или с помощью теплоотводящих шин;

5.исключение деформации корпусов микросхем, так как прогиб платы в несколько десятых миллиметра может привести либо к растрескиванию герметизирующих швов корпуса, либо к деформации дна и отрыву от него подложки или кристалла; 6.возможность покрытия влагозащитным лаком без попадания его на места, не подлежащие покрытию. Шаг установки микросхем на платы должен быть кратен 2,5; 1,25 или 0,5 мм (в зависимости от типа корпуса). Микросхемы с расстоянием между выводами, кратным 2,5 мм, должны располагаться на плате так, чтобы их выводы совпадали с узлами координатной сетки платы. Если прочность соединения всех выводов микросхемы с платой в заданных условиях эксплуатации меньше, чем утроенное значение массы микросхемы с учетом динамических перегрузок, то используют дополнительное механическое крепление. В случае необходимости плата с установленными микросхемами должна быть защищена от климатических воздействий. Микросхемы недопустимо располагать в магнитных полях трансформаторов, дросселей и постоянных магнитов. Микросхемы со штырьковыми выводами устанавливают только с одной стороны платы, с пленарными выводами -- либо с одной стороны, либо с обеих сторон платы. Для ориентации микросхем на плате должны быть предусмотрены «ключи», определяющие положение первого вывода микросхемы. Устанавливать микросхемы в корпусах типа 1 на плату в металлизированные отверстия следует без дополнительного крепления с зазором 1 мм между установочной плоскостью и плоскостью основания корпуса. Для улучшения механического крепления допускается устанавливать микросхемы в корпусах типа 1 на изоляционных прокладках толщиной 1,0x1,5 мм. Прокладка крепится к плате или всей плоскости основания корпуса клеем или обволакивающим лаком. Прокладку следует размещать под всей площадью корпуса или между выводами на площади не менее 2/3 площади основания; при этом ее конструкция должна исключать возможность касания выступающих изоляторов выводов. Микросхемы в корпусах типа 2 следует устанавливать на платы с металлизированными отверстиями с зазором между платой и основанием корпуса, который обеспечивается конструкцией выводов. Микросхемы в корпусах типа 3 с неформируемыми (жесткими) выводами устанавливают на плату с металлизированными отверстиями с зазором 1 мм между установочной плоскостью и плоскостью основания корпуса. Микросхемы с формуемыми (мягкими) выводами устанавливают на плату с зазором 3 мм. Если аппаратура подвергается повышенным механическим воздействиям при эксплуатации, то при установке микросхем должны применяться жесткие прокладки из электроизоляционного материала. Прокладка должна быть приклеена к плате и основанию корпуса и ее конструкция должна обеспечивать целостность гермовводов микросхемы (место заделки выводов в тело корпуса). Установка микросхем в корпусах типов 1-3 на коммутационные платы с помощью отдельных промежуточных шайб не допускается. Микросхемы в корпусах типа 4 с отформованными выводами можно устанавливать вплотную на плату или на прокладку с зазором до 0,3 мм; при этом дополнительное крепление обеспечивается обволакивающим лаком. Зазор может быть увеличен до 0.7 мм, но при этом зазор между плоскостью основания корпуса и платой должен быть полностью заполнен клеем. Допускается установка микросхем в корпусах типа 4 с зазором 0,3, 0,7 мм без дополнительного крепления, если не предусматриваются повышенные механические воздействия. При установке микросхем в корпусах типа 4 допускается смещение свободных концов выводов в горизонтальной плоскости в пределах ± 0,2 мм для их совмещения с контактными площадками. В вертикальной плоскости свободные концы выводов можно перемещать в пределах ± 0,4 мм от положения выводов после формовки. Приклеивание микросхем к платам рекомендуется осуществлять клеем ВК-9 или АК-20, а также мастикой ЛН. Температура сушки материалов, используемых для крепления микросхем на платы, не должна превышать предельно допустимую для эксплуатации микросхемы. Рекомендуемая температура сушки 65 ± 5° С. При приклеивании микросхем к плате усилие прижатия не должно превышать 0,08'мкПа. Не допускается приклеивать микросхемы клеем или мастикой, нанесенными отдельными точками на основание или торцы корпуса, так как это может привести к деформации корпуса. Для повышения устойчивости к климатическим воздействиям платы с микросхемами покрывают, как правило, защитными лаками УР-231 или ЭП-730. Оптимальная толщина покрытия лаком УР-231 составляет 35-55 мкм, лаком ЭП-730 -- 35-100 мкм. Платы с микросхемами рекомендуется покрывать в три слоя. При покрытии лаком плат с микросхемами, установленными с зазорами, недопустимо наличие лака под микросхемами в виде перемычек между основанием корпуса и платой. При установке микросхем на платы необходимо избегать усилий, приводящих к деформации корпуса, отклеиванию подложки или кристалла от посадочного места в корпусе, обрыву внутренних соединений микросхемы.

Защита микросхем от электрических воздействий

Из-за малых размеров элементов микросхем и высокой плотности упаковки элементов на поверхности кристалла они чувствительны к разрядам статического электричества. Одной из причин их отказов является воздействие разрядов статического электричества. Статическое электричество вызывает электрические, тепловые и механические воздействия, приводящие к появлению дефектов в микросхемах и ухудшению их параметров. Статическое электричество отрицательно влияет на МОП- и КМОП-приборы, некоторые типы биполярных приборов и микросхемы (особенно ТТЛШ, пробивающиеся при энергии СЭ в 3 раза меньшей, чем ТТЛ). МОП-приборы с металлическим затвором более восприимчивы к СЭ, чем приборы с кремниевым затвором. Статическое электричество всегда накапливается на теле человека при его движении (хождении, движении руками или корпусом). При этом могут накапливаться потенциалы в несколько тысяч вольт, что при разряде на. чувствительный к СЭ элемент может вызвать появление дефектов, деградацию его характеристики или разрушение из-за электрических, тепловых и механических воздействий. Для обнаружения и контроля уровня СЭ и его устранения или нейтрализации используются различные приборы и приспособления, обеспечивающие одинаковый потенциал инструментов операторов и полупроводниковых приборов путем применения электропроводящих материалов или заземления. Например, заземляющие (антистатические) браслеты, укрепляемые на запястье и соединенные через высокое сопротивление (1...100 МОм) с землей (для защиты работающего), является одним из наиболее эффективных средств нейтрализации СЭ, накапливающегося на теле человека, так как через них заряд СЭ может стекать на землю. Кроме того, используются защитные токопроводящие коврики, столы и стулья из проводящего покрытия, заземленная одежда операторов (халаты, нарукавники, фартуки) из антистатического материала (хлопчатобумажный или синтетический материалы, пропитанные антистатическими растворами, материал с вплетенным экраном из пленки из нержавеющей стали). Для уменьшения влияния статического электричества необходимо пользоваться рабочей одеждой из малоэлектризующихся материалов, например халатами из хлопчатобумажной ткани, обувью на кожаной подошве. Не рекомендуется применять одежду из шелка, капрона, лавсана. Для покрытия поверхностей рабочих столов и полов малоэлектризующимися материалами необходимо принять меры по снижению удельного поверхностного сопротивления покрытий. Рабочие столы следует покрывать металлическими листами размером 100x200 мм, соединенными через ограничительное сопротивление 106 Ом с заземляющей шиной. Оборудование и инструмент, не имеющие питания от сети, подключаются к заземляющей шине через сопротивление 10 Ом. Оснастку и инструмент, которые питаются от сети, подключают к заземляющей шине непосредственно. Должен быть обеспечен непрерывный контакт оператора с «землей» с помощью специального антистатического браслета, соединенного через высоковольтный резистор (например, типа КЛВ на напряжение 110 кВ). В рабочем помещении рекомендуется обеспечивать влажность воздуха не ниже 50--60%. Демонтаж микросхем.

Если демонтируются микросхемы с пленарными выводами, то следует удалить лак в местах пайки выводов, отпаять выводы по режиму, не нарушающему режим пайки, указанной в паспорте микросхемы, приподнять концы выводов в местах их заделки в гермоввод, снять микросхему с платы термомеханическим путем с помощью специального приспособления, нагреваемого до температуры, исключающей перегрев корпуса микросхемы выше температуры, указанной в паспорте. Время нагрева должно быть достаточным для снятия микросхемы без трещин, сколов и нарушений конструкции корпуса. Концы выводов допускается приподнимать на высоту 0,5... 1 мм, исключая при этом изгиб выводов в местах заделки, что может привести к разгерметизации микросхемы. При демонтаже микросхем со штырьковыми выводами удаляют лак в местах пайки выводов, отпаивают выводы специальным паяльником (с отсосом припоя), снимают микросхему с платы (не допуская трещин, сколов стекла и деформаций корпуса и выводов). При необходимости допускается (если корпус прикреплен к плате лаком или клеем) снимать микросхемы термомеханическим путем, исключающим перегрев корпуса, или с помощью химических растворителей, не оказывающих влияния на покрытие, маркировку и материал корпуса. Возможность повторного использования демонтированных микросхем указывается в ТУ на их поставку.

Размещено на Allbest.ru