Курсовая работа (т): Проектирование цифровых устройств на интегральных микросхемах

Проектирование цифровых устройств на интегральных микросхемах

Содержание

Введение

. Обоснование общих конструктивно-технологических характеристик изделия

.1 Выбор вида печатной платы и класса точности

.2 Выбор электрических соединителей

.3 Конструктивные характеристики ЭРЭ печатного узла

.4 Расчет элементов печатного рисунка печатной платы

1.5 Выбор материала для изготовления печатной платы

. Расчет электрических характеристик печатного узла

2.1 Расчет потребляемой мощности

2.2 Расчёт ширины дорожек

3. Тепловой расчет печатного узла

3.1 Расчет размеров нагретой зоны

Список использованных источников

Приложение

печатный плата электрический тепловой

Введение

Потребность в создании печатных плат высокого быстродействия изменила философию проектирования. Историческое развитие подходов к принятию проектных решений и состава САПР печатных плат прошло несколько этапов, которые отражали потребности промышленности и уровень техники на соответствующий период. Рассмотрим один из этапов.

Первый этап может характеризоваться состоянием до 1980 года, когда еще проблема создания быстродействующих систем практически не ставилась, ограничиваясь только отдельными проектами. В этот период трассировка печатных плат проводилась при достаточно большом шаге координатной сетки, число выводов микросхем было относительно невелико. При разработке плат основным считалось удовлетворение критериев решение топологических задач. Именно на это были ориентированы соответствующие алгоритмы и программы. Практика создания относительно низкоскоростных плат в этот период не требовала серьезных доработок и учета электрических и электродинамических процессов, происходящих в печатной плате при работе устройства.

Последующие два десятилетия отмечались бурным развитием цифровой техники и микроэлектроники во всех приложениях, включая бытовую технику. Резко возросли скорости обработки информации, совершенствовалась конструкция корпусов микросхем, многократно увеличилось число их выводов, повысились требования к срокам и стоимости разработки. Конкуренция на рынке достигла такого уровня, что промедление на 6 месяцев может привести к тому, что продукт окажется неконкурентоспособным. Сложность проектирования печатных плат возросла настолько, что специалист уже не мог опираться на интуитивные решения, основанные на прежнем опыте разработки.

Повышение быстродействия требовало представлять плату как некоторый распределенный элемент электрической схемы, который во многом определяет ее функционирование. На основе рассмотрения отдельных процессов и явлении были разработаны проектные нормы и решения, которые служили рекомендациями при создании плат. Эти правила формулировались в конструкторско-технологических понятиях (например, "длина проводника не более…"), что определяло разрыв между функциональными требованиями и качеством конечного продукта.

Совершенствование САПР, требования к сокращению сроков проектирования заставили развивать подходы, основанные на анализе виртуального прототипа и сертификации проектных решений. Тем не менее, в большинстве подходов топологическое проектирование было отделено от электрического моделирования, что требовало взаимодействия специалистов различного профиля, передачи данных из одного программного продукта в другой. В конечном итоге это усложняло процесс проектирования.

В настоящее время при создании быстродействующих плат на первое место выходят требования к помехозащищенности платы и ее электрическим параметрам. Именно электрические параметры и характеристики подлежат верификации, что проявляется в новых глобальных оценках конструкции платы, а именно:

·  задержка в трассе предпочтительней ее длины;

·        уровень перекрестных помех предпочтительней расстояния между проводниками;

·        применение дифференциальных пар предпочтительней, чем одиночных линий;

·        минимизация индуктивностей цепей питания, возвратных токов и заземления предпочтительней топологических рекомендаций по их проектированию.

Процесс моделирования интерактивный и охватывает все стадии создания печатного узла: схемотехническое проектирование, конструирование и технология. Чем на более ранних стадиях будет принято решение по удовлетворению тех или иных требований целостности сигнала и электромагнитной совместимости, тем меньше будут итоговые затраты и сроки создания аппаратуры. Эта концепция носит название "сдвиг влево". Для реализации этой концепции разработчик печатных плат должен обладать знаниями о процессах и явлениях, относящихся к более ранним стадиям создания аппаратуры. Например, к концептуальным и схемотехническим аспектам цифровой обработки информации, механизмах работы цифровых интегральных микросхем и. т.п. Конечно, конструктор не должен заменять соответствующих специалистов, но он обязан квалифицированно взаимодействовать с ними.

1. Обоснование общих конструктивно-технологических характеристик изделия

.1 Выбор вида печатной платы и класса точности

Классификация печатных плат

Печатная плата предназначена для электрического соединения элементов схемы. Она представляет собой изоляционное основание, на котором имеется совокупность печатных проводников, контактных площадок и металлизированных отверстий или переходов.

Термины по печатным платам (ПП) и узлам, содержащим печатную плату с навесными элементами, приведены в ГОСТ 20406-75 (СТ СЭВ 785-77). Методы конструирования и расчета содержит ОСТ 4.010.022-85. Общие технические условия приведены в ГОСТ 23752-79 (СТ СЭВ 2742-80, 2743-80).

По числу проводящих слоев печатные платы делятся на: односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП), многослойные (МПП) на жестком и гибком диэлектрическом основании. Применяются также гибкие печатные кабели (ГПК).

Односторонние ПП характеризуются повышенной точностью выполнения проводящего рисунка; отсутствием металлизированных отверстий: установкой изделий электронной техники (ИЭТ) на поверхность ПП со стороны, противоположной стороне пайки, без дополнительного изоляционного покрытия; низкой стоимостью.

Двусторонние ПП без металлизации монтажных и переходных отверстий характеризуются:

·   высокой точностью выполнения проводящего рисунка, использованием объемных металлических элементов конструкции (штыри, отрезки, проволоки, арматура переходов и т. п.) для соединения элементов проводящего рисунка, расположенных на противоположных сторонах печатной платы;

·        низкой стоимостью.

Двусторонние ПП с металлизированными монтажными и переходными отверстиями характеризуются:

·   широкими коммутационными возможностями;

·        повышенной прочностью сцепления выводов навесных ИЭТ с проводящим рисунком платы;

·        повышенной стоимостью по сравнению с ПП без гальванического соединения слоев.

Многослойные ПП с металлизацией сквозных отверстий (ОСТ 4.010. 022-85) характеризуются:

·   хорошими коммутационными свойствами;

·        наличием межслойных соединений, осуществляемых с помощью сквозных металлизированных отверстий, а также, в особых случаях, с помощью переходных отверстий, соединяющих только внутренние слои;

·        предпочтительным использованием одностороннего фольгированного диэлектрика для внутренних слоев;

·        обязательным наличием контактных площадок на любом проводящем слое, имеющим электрическое соединение с переходными отверстиями;

·        низкой ремонтопригодностью;

·        высокой помехозащищенностью электрических цепей;

·        высокой стоимостью конструкции.

По виду материала основы ПП изготавливаются на базе органического диэлектрика, керамических материалов и металлов.

По виду соединений между слоями ПП изготавливают с металлизированными отверстиями, пистонами, послойным наращиванием, открытыми контактными площадками, выступающие, а затем подогнутыми выводами каждого слоя.

По плотности проводников различают ПП свободные (ширина проводников и расстояние между ними не менее 0,5 мм) и уплотненные (ширина проводников и расстояние между ними до 0,25 мм).

По способу изготовления ПП разделяют на платы, полученные химическим травлением, электрохимическим осаждением, комбинированным способом. От способа изготовления зависят конечные характеристики ПП, так как характер химической обработки влияет на диэлектрические свойства материала основы.

По способу нанесения проводников ПП разделяют на платы, полученные обработкой фольгированных диэлектриков и полученные нанесением тонких слоев токопроводящих паст.

Классы точности печатных плат

ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности ПП и гибких печатных кабелей в соответствии со значениями основных параметров и предельных отклонений элементов конструкции (Оснований ПП, проводников, контактных площадок, отверстий).

Область применения классов точности по ГОСТ 23751-86:

,2 - для ПП с дискретными ИЭТ при малой и средней насыщенности поверхности ПП навесными изделиями.

- для ПП с микросборками и микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а также с безвыводными ИЭТ при средней и высокой насыщенности поверхности ПП навесными изделиями.

,5 - для ПП с микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, а так же с безвыводными ИЭТ при высокой насыщенности поверхности ПП навесными ИЭТ.

Таким образом, проведя анализ используемых ЭРЭ, их электрических и конструктивных характеристик, классификация печатных плат, классов точностей, материалов печатных плат мною сделан вывод, что разрабатываемая в курсовой работе печатная плата должна изготавливаться по третьему классу точности.

.2 Выбор электрических соединителей

Исходный документ для выполнения электрических соединений - электромонтажные схемы. Электрические соединения должны полностью соответствовать техническим условиям, принципиальным или электромонтажным схемам, а так же монтажным таблицам. Все электрические соединения разделяют на два вида: неразъемные и разъемные. Неразъемные электро соединения в свою очередь делят на: постоянные, выполняемые сваркой, полупостоянные - пайкой, накруткой и обжимкой, и временные - типа "лепесток - винт".

Способ электромонтажа и его элементы выбирают с учетом назначения устройства, конструктивно - технологических и эксплуатационных требований.

Разъемные соединения

Разъемные соединения нашли широкое применение в различных конструкциях электронной аппаратуры. Электрическое соединение в разъеме осуществляют за счет холодного контактирования пары штырь - гнездо. Основное требование, предъявляемое к контактной паре, - обеспечение высокой надежности и соединения при воздействии допустимых механических и климатических факторов. Этот параметр зависит от:

a)   типа (способа) контактирования;

b)      материалов контактной пары и их покрытий;)         точности изготовления и чистоты обработки;)         величины контактного усилия.

Кроме параметра надежности контактная пара характеризуется переходным сопротивлением (0,01-0,02 Ом), максимальным рабочим током, нестабильностью переходного сопротивления (20-30 %), максимальной частотой тока усилием соединения и разъединения контактов, износоустойчивостью (предельным числом сочленений) и допустимыми условиями эксплуатации. Контакты в разъеме могут иметь одно-, двух-, трех-, и четырехрядное расположение. Шаг контактов равен или кратен шагу координатной сетки, т.е. 1,25 мм. Выводы разъемов с печатными платами соединяют пайкой в металлизированные отверстия или к контактным площадкам.

В курсовой работе используется разъем СНп 34. Разъем предназначен для соединения электрических цепей постоянного, переменного (частотой до 3 МГц) и импульсного токов.

Вилка СНп 34-135/В-21-В

Число контактов - 32 шт.

Шаг между контактами - 2,5 мм.

Шаг между ряжами - 2,5 мм.

Условия эксплуатации:

Соединитель устойчив к соединению морского тумана, плесневых грибов, инея, росы и солнечной радиации.

Ускорение

при вибрации в диапазоне частот 1…2000 Гц - 100 м/с²;

при многократных ударах - 400 м/с²;

при однократных ударах - 5000 м/с²;

при линейных нагрузках - 250 м/с²;

диапазон рабочих температур от - 60 до +70 ⁰С.

Электрические параметры:

Рабочее напряжение             Минимальное - 1 мкВ

Максимальное - 150 В

Ток на контакт            Минимальный - 1 мкА

Максимальный - 3 А

Сопротивление элемента контакта - 0,02 Ом

Перегрев контактов - 30 ⁰С

Надежность: 70 ⁰С - 100× 10³ ч; 100 ⁰С - 10 × 10³ ч; 130 ⁰С - 1 × 10³ ч.

.3 Конструктивные характеристики ЭРЭ печатного узла

К514ИД2 - дешифратор для одноразрядного семисегментного индикатора

Диапазон рабочих температур - 10..+75 ⁰С.

Вибрации 5 - 3000 Гц.

Вибрации g = 15;

Многократные удары g = 35;

P_потр = 50 мВт;

Тип корпуса DIP16

KP572ПА1 - десятиразрядный цифроаналоговый преобразователь.

Диапазон рабочих температур - 10..+70 ⁰С.

Напряжение источника питания + 5,4 В.

P_потр = 0,1 Вт;

Тип корпуса DIP16

К155ЛАЗ - 4 элемента 2И - НЕ

Диапазон рабочих температур - 10..+70 ⁰С.

Вибрации 5-600 Гц.

Вибрации g = 5;

Многократные удары g = 15;

P_потр =не более 22 мВт;

Тип корпуса DIP14

К155ИЕ6 - двоично - десятичный реверсивный счетчик

Диапазон рабочих температур - 10..+70 ⁰С.

Вибрации 5 -600 Гц.

Вибрации g = 5;

Многократные удары g = 15;

P_потр =не более 22 мВт;

Тип корпуса DIP16

К155ИЕ7- двоично - десятичный реверсивный счетчик

Диапазон рабочих температур - 10..+70 ⁰С.

Вибрации 5-600 Гц.

Вибрации g = 5;

Многократные удары g = 15;

P_потр =не более 22 мВт;

U_пит = 5 В.

Тип корпуса DIP16

К544УД2А

Диапазон рабочих температур - 45..+70 ⁰С

P_потр = 120 мВт;

Тип корпуса DIP8

В данной курсовой работе вывода микросхем запаиваются в металлизированные отверстия печатных плат, в специальных установках с пайкой метом селективных погружений.

Рисунок 1.1 - Корпус для микросхем К514ИД2, К155ИЕ6, К155ИЕ7, К572ПА1А.

Рисунок 1.2 - Корпус для микросхем К155ЛАЗ

Рисунок 1.3 - Корпус для микросхемы К544УД2А(DIP8)

Рисунок 1.4 - Диод КД102Б

Масса 0,1 г;

Резистор МЛТ-0,125

Размеры сечения выводов: 0,6;

Масса: 0,15 г;

Диапазон рабочих температур -60…+200 ⁰С

Конденсатор КМ-4

Размеры сечения выводов - 0,6 мм;

Масса 1,5 г;

Диапазон рабочих температур -60…+125 ⁰С.

Рисунок 1.5 - Конструкция конденсатора типа К50 - 6

Рисунок 1.6 - Конструкция конденсатора типа КМ - 4

.4 Расчет элементов печатного рисунка печатной платы

Конструктивно-технологический расчет печатных плат производится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблона, базирования, сверления и т.п. Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для пяти классов плотности монтажа, приведены в таблице 1.1.