Разработка интегральной микросхемы истокового повторителя для слухового аппарата (стр. 1 из 9)
ЗАДАНИЕ НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
1. Тема: Разработка интегральной микросхемы истокового повторителя для слухового аппарата.
2. Срок представления проекта к защите –.
3. Исходные данные для дипломного проектирования:
Справочные данные и кристалл ИМС истокового повторителя, коэффициент передачи по напряжению более 0,7; ток потребления 20 ¸ 40 мкА; полное входное сопротивление не менее 30 МОм; выходное сопротивление менее 3,5 кОм.
4. Содержание пояснительной записки дипломного проекта:
4.1 ИМС истокового повторителя
4.1.1 Согласующие ИМС для электретных микрофонов
4.1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
4.1.3 Физическая структура и топология ИМС
4.1.4 Измерение электрических параметров и характеристик ИМС
4.2 Метод экстракции параметров модели полевого транзистора из измерений параметров ИМС истокового повторителя
4.2.1 Расчет параметров модели ПТУП и диода
4.2.2 Моделирование схемы ИП
4.3 Выбор физической структуры и технологического маршрута изготовления ИМС
4.4 Разработка эскиза топологии ИМС истокового повторителя
4.5 Анализ организации дипломного проекта и расчет затрат, необходимых для его выполнения
4.6 Анализ опасных и вредных факторов при работе с ПЭВМ
5. Перечень графического материала
5.1 Принципиальные схемы ИМС истокового повторителя
5.2 Эквивалентная схема ИМС истокового повторителя
5.3Топология ИМС истокового повторителя
Реферат
Пояснительная записка содержит 66 листов, 20 рисунков, 17 таблиц, 12 источников, 1 приложение.
Перечень ключевых слов: слуховой аппарат, электретный микрофон, интегральная микросхема, истоковый повторитель, полевой транзистор c управляющим p-n-переходом, усилитель низкой частоты, биполярный транзистор.
Объект разработки: ИМС истокового повторителя для слуховых аппаратов.
Цель работы: разработка ИМС истокового повторителя с параметрами: коэффициент передачи по напряжению AV > 0,7; ток потребления ISS = 20-40 мкА, полное входное сопротивление Ri ³ 30 МОм; выходное сопротивление
RO £ 3,5 кОм
Методы разработки: экстракция параметров модели ПТУП из измерений ИМС истокового повторителя, моделирование схемы истокового повторителя в системе программ OrCAD 9.2, выбор физической структуры ИМС.
Полученные результаты: параметры ИМС истокового повторителя: коэффициент передачи по напряжению AV = 0,715; ток потребления ISS = 30,65 мкА; полное входное сопротивление Ri = 28,86 МОм; выходное сопротивление RO = 6,69 кОм.
Степень внедрения: не внедрено.
Эффективность: не рассчитывалась.
Область применения: электретные микрофоны, входные каскады операционных усилителей.
Основные конструктивные и технико-эксплуатационные характеристики: ИМС содержит 4 элемента, в том числе 1 транзистор, 1 диод, 2 резистора; размер кристалла – 0,71´0,71 мм; масса микросхемы не более 0,2 г.
Содержание
Введение
1 ИМС истокового повторителя
1.1 Согласующие ИМС для электретных микрофонов
1.2 Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (ПТУП). Физические принципы функционирования
1.3 Статические характеристики ПТУП
1.4 Физическая структура и топология ИМС
1.5 Измерение электрических параметров и характеристик ИМС
2 Метод экстракции параметров модели ПТУП из измерений параметров ИМС истокового повторителя
2.1 Расчет параметров модели ПТУП и диода
2.2 Моделирование схемы ИП
3 Выбор физической структуры и технологического маршрута изготовления ИМС
4 Разработка эскиза топологии ИМС истокового повторителя
5 Анализ организации дипломного проекта и расчета затрат, необходимых для его выполнения
5.1 Организационная часть
5.2 Экономическая часть
6 Анализ опасных и вредных факторов при работе с ПЭВМ
Заключение
Список использованных источников
Введение
Ослаблением слуха в той или иной форме страдают многие люди. Этот дефект становятся критическим, когда начинает препятствовать нормальному речевому общению между людьми. Современный уровень технологий слухопротезирования позволяет значительно улучшить жизнь примерно 90 % людей с нарушением слуха. Снижение слуха в подавляющем большинстве случаев может быть компенсировано с помощью слухового аппарата (СА) [1].
В большинстве слуховых аппаратов источником сигнала для последующего усиления является электретный микрофон (ЭМ). Уменьшение габаритов электретных микрофонов позволяет перейти от карманных и заушных слуховых аппаратов к более удобным внутриушным и создавать другие микрогабаритные и высокочувствительные приборы. Для этих приборов необходимо согласующее устройство – интегральная микросхема (ИМС) истокового повторителя (ИП).
Опытные партии ИМС истокового повторителя производились на ОАО «Орбита» г. Саранск, при этом коэффициент передачи по напряжению, который они обеспечивали, составлял 0,4 при проценте выхода годных кристаллов порядка 10 %.
Коэффициент передачи ИП в идеальном случае должен стремиться к единице, а процент выхода должен быть не менее 60 %, тогда производство ИМС будет технологически и экономически выгодным. Поэтому актуальной задачей является разработка ИМС, которая имела бы наибольший коэффициент передачи при наибольшем проценте выхода годных кристаллов.
Целью дипломного проекта является разработка ИМС истокового повторителя с параметрами: коэффициент передачи более 0,7 и ток потребления 20 – 40 мкА. Основой для разработки является ИМС истокового повторителя производства ОАО «Орбита».
При разработке данной ИМС проводились следующие этапы:
1. Проводились измерения электрических параметров ИМС.
2. Рассчитывались параметры модели полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (ПТУП) из результатов измерений ИМС.
3. В системе программ схемотехнического анализа OrCAD 9.2 моделировалась схема включения ИП.
4. Проводилось сравнение расчетных и экспериментальных значений электрических параметров ИП.
5. Разрабатывался эскиз топологии, выбиралась физическая структура и технологический маршрут изготовления ИМС.
Параметры модели ПТУП в схеме ИП можно рассчитать, измерив его выходные характеристики. Для этого помимо изготовления ИМС нужно изготовить и тестовые образцы ПТУП, а это экономически невыгодно. Научная новизна дипломного проекта заключается в том, что здесь предлагается новый метод экстракции параметров модели ПТУП из измерений параметров ИМС истокового повторителя, не требующий измерения характеристик самого ПТУП.
Практическая значимость заключается в использовании полученных параметров модели ПТУП при моделировании схемы и физической структуры ИП в программной среде ISE TCAD 7.0.
1 ИМС истокового повторителя
1.1 Согласующие ИМС для электретных микрофонов
В большинстве слуховых аппаратов источником сигнала для последующего усиления является ЭМ. Микрофоном называется устройство, выполняющее функцию преобразования акустических колебаний в электрические. По принципу преобразования звуковой энергии в электрическую они подразделяются на электродинамические, электромагнитные, электростатические (конденсаторные и электретные), угольные и пьезоэлектрические [2].
Микрофоны характеризуются следующими параметрами:
Чувствительность микрофона – это отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению при заданной частоте (как правило, 1000 Гц), выраженное в милливольтах на Паскаль (мВ/Па). Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона.
Номинальный диапазон рабочих частот – диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания, и в котором нормируются его параметры.
Неравномерность частотной характеристики – разность между максимальным и минимальным уровнем чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.
Модуль полного электрического сопротивления – нормированное значение выходного или внутреннего электрического сопротивления на частоте 1 кГц.
Характеристика направленности – зависимость чувствительности микрофона (в свободном поле на определённой частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.
Уровень собственного шума микрофона – выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемому микрофоном на нагрузке при давлении 1 Па при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.
 |
ЭМ являются разновидностью конденсаторных микрофонов. На рисунке 1 приведена схема, объясняющая принцип работы конденсаторного микрофона.
1 – мембрана, 2 – электрод, 3 – изолирующее кольцо
Рисунок 1 – Схема включения конденсаторного микрофона
Выполненные из электропроводного материала мембрана – 1 и электрод – 2 разделены изолирующим кольцом – 3 представляют собой конденсатор. Жёстко натянутая мембрана под воздействием звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода. Конденсатор включен в электрическую цепь последовательно с источником напряжения постоянного тока VB и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны ёмкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.