Проектирование цифрового комбинирующего устройства

Полезная модель относится к области электроники и может быть использовано в составе устройств обработки информации.

Архитектура компаратора построена на основе метода сравнения зарядов, что позволяет обеспечить необходимые для 1,5-битного аналого-цифрового преобразователя уровни квантования. В состав компаратора входит тактируемый блок сравнения сигналов, который существенно увеличивает быстродействие изобретения, а две фазы синхронизации цепи переключаемых конденсаторов уменьшают ошибку смещения нуля.

Полезная модель предназначена для реализации по глубоко субмикронной КМОП технологии. Использование этой технологии обеспечивает низкое энергопотребления и малое занятие площади на кристалле.

Новым в полезной модели является блок сравнения. Стробируемый сигнал блока сравнения совпадает с сигналом тактирования аналого-цифрового преобразователя, в составе которого использовался компаратор. Техническим результатом предложенного решения является значительное упрощение количества элементов и сложности построения многоразрядного конвейерного преобразователя.

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована в составе устройств обработки информации. Современная техника передачи, обработки и хранения информации предусматривает, в первую очередь, ее представление в цифровой форме. Неуклонный рост потоков информации с неизбежностью ужесточает требования к устройствам, осуществляющим ее преобразование из аналоговой формы в цифровую и обратно. В каждой архитектуре аналого-цифрового преобразователя (АЦП) присутствует хотя бы один компаратор того или иного типа. Компараторы, используемые в качестве блоков АЦП, должны иметь хорошее разрешение, так как характеристики всего устройства зависят от качества каждой составляющей.

Компаратор предназначен для выполнения функции сравнения либо двух входных сигналов между собой, либо одного входного сигнала с заданным постоянным уровнем. При этом на выходе формируются два значения выходного сигнала. При проектировании быстродействующих аналого-цифровых преобразователей с высоким разрешением огромную роль играет выбор подходящей архитектуры компаратора, поскольку операция сравнения, как правило, является тем ограничивающим фактором, который в значительной степени определяет точность, быстродействие и энергопотребление всего устройства. Компаратор должен не только обладать высокой разрешающей способностью, но и сохранять ее в широком диапазоне синфазных напряжений.

Смоделируем принципиальную электрическую схему на базе рассмотренных в теоретической части микросхем. Основной критерий синтеза электрических схем аппаратуры на интегральных микросхемах – минимизация числа микросхем и их внешних соединений. Другой критерий – функциональная однородность, т.е. максимальное использование элементов с одинаковыми функциями. Это обуславливает унификацию схемы, что в свою очередь, ведет к снижению ее стоимости.

Для построения принципиальной электрической схемы воспользуемся пакетом прикладных программ Novarm DipTrace, приложением Schematic.

Программа DipTrace имеет свои билиотеки, в которых находятся более 40 тысяч микросхем и элементов от различных зарубежных производителей. Так как данная схема состоит только из отечественных микросхем, то для построения соответствующей печатной платы нам необходимо найти зарубежные аналоги отечественных микросхем. Также, нам необходимо будет разобраться с соответствием выводов зарубежных микросхем выводам отечественных.

Программный пакет DipTrace представляет собой полнофункциональную систему для разработки принципиальных схем и печатных плат. Включает в себя четыре программы:

¾ DipTrace – проектирование плат с удобной интерактивной и автоматической трассировкой.

¾ Schematic – создание принципиальных схем с последующей возможностью перевода их в платы.

¾ ComEdit – редактор корпусов для печатной платы.

¾ SchemEdit – редактор компонентов. Рисование символов схемотехники и связка их с корпусами.

Основой печатной платы, далее (ПП), является подложка из стеклотекстолита - диэлектрика, представляющего собой спрессованные листы стеклоткани, пропитанной эпоксидным компаундом (смолой). На поверхности стеклотекстолита находится токопроводящий слой медной фольги (проводник). Типовая толщина проводника - 0,035 и 0,018мм. Этот слой является обязательным для всех классов ПП. После проведения определенных технологических операций, остаются только нужные элементы этого проводника (токопроводящие "дорожки", контактные площадки).

В зависимости от того, сколько таких слоев имеет ПП, она может попадать в один из трех нижеприведенных классов:

¾ односторонние (однослойные). Проводник присутствует только на одной стороне ПП.

¾ двухсторонние (двухслойные). Проводник присутствует на обеих сторонах ПП.

¾ многослойные. Они представляют собой как бы слоеный пирог из двухсторонних плат, между которыми проложены прокладки из стеклоткани, пропитанной в эпоксидной смоле.

Как правило, на ПП наносится паяльная маска (она же "зеленка") - слой прочного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Маска закрывает основную часть поверхности ПП и оставляет открытыми только контактные площадки, которые будут использоваться в дальнейшем при монтаже (пайке), радиоэлектронных компонентов на эту ПП. Кроме паяльной маски на ПП наносят маркировку.

Маркировка наносится краской на поверхность ПП, специализированным методом, называемым сеткография или фотопроявление.

Применяется для удобства монтажа (пайки) радиоэлектронных компонентов на ПП. Она может нести в себе следующую информацию: контур компонента, его сокращенное название и позиционное расположение на ПП, а также другую техническую информацию.

Большую часть элементов современных электронных устройств размещают на печатных платах, представляющих собой диэлек­трическое основание с отверстиями и проводящим рисунком. Это не относится к крупногабаритным элементам (силовым трансформаторам, радиаторам мощных транзисторов, электронно-лучевым трубкам), а также к элементам, которые требуется устанавливать на передней панели аппаратуры (цифровые и сигнальные индикаторы, органы регулирования, электромеханические стрелочные приборы).

Печатные платы выполняют обычно из фольгированного стеклотекстолита – пластика на основе стекловолоконной ткани, покрытого с одной или двух сторон медной фоль­гой. Толщина диэлектрика составляет 0,8–3 мм, а толщина фольги 0,02 – 0,1 мм. Рисунок печатной платы, определяющий конфигурацию проводникового и диэлектриче­ского материалов и подготовленный конструктором, переносят на поверх­ность печатной платы методом фото­литографии. Для этого поверхность платы покрывают светочувствитель­ным слоем (фоторезистом), который засвечивают через фотошаблон, полу­ченный при фотографировании рисун­ка печатной платы. Затем фоторезист проявляют, его незасвеченные участ­ки удаляют и фольгу, находящуюся под этими участками, стравливают специальным раствором. Засвеченные участки, соответствующие проводящему рисунку, защищены слоем фоторезиста и поэтому не стравливаются. Затем в печатной плате просвер­ливают отверстия диаметром 0,6 – 1,5 мм для установки навесных эле­ментов (интегральных схем, транзисторов, резисторов, конденсаторов) механического крепления печатной платы, а также электрического соединения элементов печатной платы, нанесенных на ее противопо­ложных сторонах. Стенки отверстий металлизируют сначала химичес­ким, а затем электрохимическим способом. Таким образом, получают проводящий рисунок с одной (односторонняя печатная плата) или двух (двусторонняя печатная плата) сторон. Гибкие выводы навесных эле­ментов запаивают в монтажных отверстиях, к которым подходят пе­чатные проводники, и получают печатный узел.

Для уменьшения площади печатных плат применяют многослойные печатные платы (МПП), состоящие из чередующихся слоев диэлектри­ка с проводящими рисунками, между которыми выполнены требуемые соединения. Соединения между проводящими рисунками слоев МПП могут быть осуществлены через металлизированные отверстия. Распределение печатных проводников в слоях МПП позволяет значительно сократить размеры печатных плат, что особенно важно при исполь­зовании микросхем, содержащих множество выводов.

В устройствах малой сложности и в аппаратуре, к которой не предъявляются очень высокие требования к плотности монтажа, применяют однослойные и двухслойные платы. В аппаратуре средней и большой сложности часто используют многослойные печатные платы.

Однослойные и двухслойные платы состоят из осно­вания, на которое с одной или двух сторон наносятся печатные про­водники. Основания плат должны обладать достаточной механиче­ской прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью и хорошей адгезией (сцепляемостью) материалов платы и печатных проводников. При изготовлении печатных плат широко используют стеклотекстолит, стеклоткань, гетинакс, фторопласт-4 и некоторые другие диэлектрики. Толщина плат 0,8-3 мм, а их типовые габаритные размеры 135X110; 135X246; 140X130; 140X150; 140X240; 150X200; 170X75; 170X110; 170X120; 170Х130; 170X150; 170X160; 170X200. Печатные проводники выпол­няют чаще всего из меди, алюминия, никеля или золота толщиной 20 – 70 мкм.

При выборе сечения, конфигурации и расстояния между провод­никами исходя из допустимой плотности тока (менее 20 А/мм²), рабочего напряжения, условий теплоотвода и прочности сцепления проводников с основанием. Ширина проводников печатных плат обычно составляет 1,5 – 2,5 мм, а расстояние между ними 0,3 – 1 мм. Для плат с повышенной плотностью монтажа ширину проводников и зазоры между ними уменьшают до 0,15 – 0,5 мм.

Печатные платы с установленными на них элементами закрепляют с помощью крепежных отверстий на элементах конструкций электронной аппаратуры, к которым относят субблоки, блоки, каркасы, контейнеры, стойки, пульты. В современной электронной аппаратуре, построенной на базе микросхем, в качестве субблоков обычно применяют печатные узлы, которые вставляют по направляющим в блоки. Электрические соединения субблоков с блоками и блоков между собой осуществляют через контактные разъемы. Таким образом, из субблоков и блоков, как из отдельных «кирпичей», создают сложные приборы и устройства. Блочный принцип конструирования электронной аппаратуры облегчает поиск и устранение неисправностей, а также повышает технологичность аппаратуры.

Для построения печатной платы прибора воспользуемся приложением PCB Layout. Приложение автоматически переводит спроектированную электрическую схему в печатную плату, проводит трассировку, оптимизацию и коррекцию печатной платы.