1. Характеристика области применения RST-триггера
1.1 Описание RST-триггера
Триггер – очень нужный элемент в схеме автоматического управления. Такие логические устройства способны управлять функциональностью сложного электронного оборудования. Обладая маленькой памятью, они могут контролировать рабочее состояние аппаратуры, моменты включения и выключения, перераспределять логические задачи в приборах, работающих с высокочастотными сигналами, применяться в составе цифровых фильтров.
Гибридные интегральные микросхемы представляют собой микросхемы, которые содержат кроме элементов, неразрывно связанных с подложкой, компоненты, которые могут быть выделены как самостоятельное изделие.
К гибридным интегральным микросхемам относятся микросхемы с высокой точностью элементов и возможностью их подстройки, микросхемы значительной мощности, микросхемы частного применения, микросхемы СВЧ - диапазона.
Цифровые функциональные узлы, содержащие элементы памяти, получили название последовательных узлов. К ним относят триггеры, счетчики, делители, распределители импульсов. Эти функциональные узлы входят в состав многих серий ИС.
Цифровую микросхему как функциональный узел характеризуют системой сигналов, которые целесообразно разделить на информационные (X1...Xm – входные, Y1...Yn – выходные) и управляющие (V1...Vk). Каждая схема в соответствии со своим функциональным предназначением выполняет определенные операции над входными сигналами (переменными), так что выходные сигналы (переменные) представляют собой результат этих операций Yj=F(X1,...,Xm). Операторами F могут быть как простейшие логические преобразования, так и сложные многофункциональные преобразования, имеющие, например, место в БИС памяти, микропроцессоре и др.
Сигналы управления определяют вид операции, режим работы схемы, обеспечивают синхронизацию, установку начального состояния, коммутируют входы и выходы, и т.д.
RST - триггер представляет собой импульсное устройство. От функциональных возможностей триггеров и режимов управления их работой зависят характеристики регистров, счетчиков и других узлов. Простейшая схема триггера содержит два входа, на которые поступают управляющие сигналы, и два выхода с разным уровнем напряжений на них: низким и высоким.
При изменении комбинации сигналов на входах триггер скачком переходит из одного состояния в другое, когда изменяются уровни его входных напряжений. Если один из уровней входного напряжения триггера принять за логическую единицу, а другой – за логический ноль, то, подавая определенную комбинацию электрических сигналов на входы триггера, его можно использовать для хранения и обработки двоичной информации, деления и счета числа импульсов и т.д.
В настоящее время широкое распространение в импульсной и цифровой технике получили интегральные триггерные устройства, реализованные на основе логических схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Асинхронный Т-триггер имеет один информационный вход и переключается фронтом, либо срезом поступающих на его вход импульсов. Его называют счетным, так как число его переключений соответствует числу поступающих на его вход импульсов. На практике широко применяются различные варианты схем асинхронных Т-триггеров с установочными R и S входами (RST-триггер) для установки триггера в состояние «0» или «1»./4/
Триггером RST-типа (счетный триггер с раздельной установкой) называют устройство с двумя устойчивыми состояниями и тремя входами (R,S и T), сочетающее в себе свойства триггеров RS- и T-типов. Входы Sd и Rd у данного триггера являются установочными, а вход T - счетным.
Схема может находиться в двух устойчивых состояниях, каждое из которых определяется комбинацией сигналов на входах триггера. Работа триггера RST-типа отражена в таблице 1. Структурная схема RST-триггера представлена на рисунке 1.
RST-триггер представлен на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – RST-триггер
Таблица 1.1 – Минимизированная таблица переходов RST-триггера
tn tn+1
Rn Sn Tn Qn+1
0 0 0 Qn
0 0 1 Qn
0 1 0 1
1 0 0 0
Логическое уравнение триггера RST-типа, составленное на основе таблицы 1 с учетом ограничений, исключающих запрещенные комбинации сигналов, записывается в виде
Q^(n+1)=S^n+T^n•Q^n+(R^n ) ?•(T^n ) ?•(Q^n ) ? при S•T=R•T=R•S=0
(1)
Схема RST-триггера аналогична схеме триггера Т-типа и отличается от нее только наличием двух установочных входов R_d и S_d. По этим входам осуществляется непосредственная установка триггера в состояние логического нуля (Q=0) и 1 (Q=1) соответственно. Триггер RST-типа находит широкое применение в пересчетных схемах, устройствах управления, распределителях и т.д. [3]
Таблица 1.2 – Электрические параметры схемы
Напряжение источника питания: 12В ±10%
Потребляемый ток: 10мА
Рабочая частота: 10-20кГц
Чувствительность по входу 6: 4В
То же по входу 9: 1.8В
Амплитуда выходного импульса Uвых: 5В
Максимальная потребляемая мощность: 150 мВт
Длительность фронта и спада выходного импульса: 5мкс
1.2 Краткая технология изготовления гибридной интегральной микросхемы
Метод термовакуумного напыления основан на создании направленного потока пара вещества и последующей конденсации его на поверхностях подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара. Процесс термовакуумного напыления можно разбить на четыре этапа: образование пара вещества, распространение пара от источника к подложкам, конденсации пара на подложках, образование зародышей и рост пленки.
Образование пара вещества выполняется путем его испарения или сублимации. Вещества переходят в пар при любой температуре выше абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования вещества нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных связей. Атомы отрывается и распространяются в свободном пространстве, образуя пар.
Распространение пара от источников к подложкам осуществляется путем диффузии и конвекции, на которые в первую очередь влияет степень вакуума. Для уменьшения потерь испаряемого материала за счет напыление на внутрикамерную оснастку и стенки камеры, а также для повышения скорости напыления и получения более равномерной по толщине пленки необходимо обеспечивать прямолинейное движение частиц пара в направлении подложки. Это возможно при условии, если длина свободного пробега частиц пара будет больше расстояния источник-подложка.
Конденсация пара на поверхность подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее, адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки, адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней.
Образование зародышей происходит в результате нахождения атомами мест, соответствующих минимуму свободной энергии системы атом-подложка. Рост зародышей происходит за счет присоединения новых атомов. По мере конденсации пара зародыши растут, между ними образуются крупные островки. После этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние подложки исключается и частицы пара от поверхности пленки практически не отражаются.
На этапе образования зародышей и роста пленки воздействие остаточных газов на растущую пленку должно быть сведено к минимуму. Обеспечить это можно повышением степени вакуума или увеличением скорости парообразования.
Качество пленки определяется также размером зерна и величиной адгезии к поверхности подложки. Повышение температуры подложек уменьшает плотность центров зародышеобразования и, следовательно, способствует формированию крупнозернистых пленок, и, наоборот, повышение плотности потока пара вещества способствует получению пленок с мелкозернистой структурой.
Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на нагретые до температуры 200...300?C подложки.
Процесс ТВН выполняют в вакуумных камерах. Нагрев осуществляют прямым или косвенным (теплопередачей от испарителя) способами: путем пропускания электрического тока, токами индукции, электронной бомбардировкой.
Процесс начинают с загрузки вакуумной камеры: испаряемый материал помещают в тигли, подложки устанавливают в подложкодержатели, маски – в маскодержатели . В зависимости от конструкции внутрикамерных устройств техники выполнения загрузки могут различаться. Затем камеру герметизируют и производят откачку воздуха. При закрытой заслонке производят нагрев подложек до заданной температуры и испарителей до температуры испарения. Проводят ионную очистку поверхностей подложек. Откачивают камеру до предельного вакуума. После этого открывают заслонку и ведут напыление пленки. При получении заданной толщины пленки процесс напыления прекращают, перекрывая атомарный поток заслонкой. Подложки охлаждают и после этого в камеру напускают воздух и производят выгрузку. [2]
Схема последовательности нанесения слоев микросхемы при масочном методе изготовления представлена на рисунке 1.2
Рисунок 1.2 – Схема последовательности нанесения слоев микросхемы при масочном методе изготовления
1.3 Схема и принцип действия RST-триггера на логических интегральных схемах.
RST-триггер – это синхронный триггер, у которого состояние меняется только путем поступления тактовых импульсов. Он имеет задающий вход С. В промежутках между тактовыми импульсами изменения сигналов на входах не вызывают переключения триггера. Структура RST триггера и его условное обозначение представлены на рисунке 3.
Рисунок 1.3 – Структура RST триггера (а) и его условное обозначение (б)
Входы R и S – информационные, вход С – синхронизирующий (тактовый).
Каждый из информационных входов связан с синхронизирующим операцией И-НЕ, поэтому информация с входов S и R может быть передана на собственно триггер только при С = 1. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу синхронизированного RS-триггера, показаны на рисунке 4.
Рисунок 1.4 – Диаграммы напряжений
С окончанием тактового импульса для RS-триггера снова возникает нейтральная комбинация, благодаря которой на выходах сохранится записанная информация. Входная комбинация S = R = 1 недопустима.?
2. Описание конструктивных исходных данных для разработки ПО
2.1 Исходные данные, используемые в расчетах
Для разработки данной схемы, необходимы следующие исходные данные.
Электрические исходные данные: схема электрическая принципиальная (рисунок 1.3); электрические данные активных и пассивных элементов (таблица 2.1);
Конструктивные исходные данные: количество внешних контактных площадок. Технологические исходные данные: способ получения тонких пленок.
Таблица 2.1 – Электрические данные активных и пассивных элементов
Поз.обозн. Наименование Кол-во
R1 Резистор 22K ±30% 90мВт 1
R2 Резистор 22K ±30% 10мВт 1
R3 Резистор 10K ±30% 5мВт 1
R4 Резистор 150 Ом ±25% 10мВт 1
R5 Резистор 22К ±30% 10мВт 1
R6 Резистор 10K ±30% 5мВт 1
R7 Резистор 22К ±30% 90мВт 1
R8,R9 Резистор 10К ±30% 5мВт 2
C1 Конденсатор 450пФ ±30% Up=12В 1
C2 Конденсатор 200пФ ±30% Up=12В 1
C3 Конденсатор 430пФ ±30% Up=12В 1
C4 Конденсатор 200пФ ±30% Up=12В 1
VT1...VT4 Транзистор КТ-359 А 4
?
2.2 Характеристики используемых материалов
Для изготовления гибридной интегральной схемы используются резистивные материалы, проводящие материалы, материалы для защиты, диэлектрики и материалы для обкладок конденсаторов.
2.2.1 Материалы подложки
Материалом подложки в данной микросхеме используется ситалл. Ситалл – стеклокерамический материал, получаемый путем термообработки стекла. По свойствам превосходит стекло, хорошо обрабатывается. Ситалл имеет высокую химическую стойкость к кислотам, не порист, дает незначительную объемную усадку, газонепроницаем, при высоких имеет малую газоотдачу.
Таблица 2.2 – Характеристики материала подложки:
Класс шероховатости поверхности: 13..14
ТКЛР, 1?C при T=(20...300)?C: (50 ±2) ? 10-7
Теплопроводность, Вт/м?C: 1.5
Температура размягчения, ?С: 620
Диэлектрическая проницаемость при f=106 Гц и Т=+20?C: 5...8.5
Тангенс угла диэлектрических потерь при f=106 Гц и Т=+20?С: 20?10-4
2.2.2 Резистивный материал
Выбор материала для создания резисторов зависит от их номиналов. Так как для рассматриваемой схемы
R_max/R_min >50
(1)
22 kОм/0.150 кОм = 146.7 необходимо использовать 2 материала.
Для создания резистора R4 (150 Ом) наиболее целесообразно использовать нихром марки Х20Н80 (ГОСТ 8803-58) K_ф=3.
Тонкие пленки нихрома обладают мелкозернистой структурой, повышенными значениями удельного поверхностного сопротивления, низкими значениями температурного коэффициента поверхностного сопротивления. В качестве исходного материала используется нихром марки Х20Н80, обладающий из всех нихромов самым низким значением температурного коэффициента поверхностного сопротивления.
Параметры пленочных резисторов регулируются в зависимости толщины, используемых пленок, и условий их нанесения.
Таблица 2.3 – Свойства пленки нихрома Х20Н80:
Удельное поверхностное сопротивление ?_s,Ом/?см?^2: 50
ТКR при температуре -60?125?C: -2.25 ?10-4
Допустимая мощность рассеяния P_0,Вт/?cм?^2:
2
Для создания других резисторов наиболее целесообразно использовать кермет К-50С (ЕТО.021.013 ТУ). K_ф = 2.2 (для резисторов 22 кОм) и K_ф=1 (для резисторов 10 кОм). Керметные резистивные пленки содержат диэлектрическую и проводящую фазы. Эти пленки наносят методом испарения в вакууме смеси порошков металлов (C_r,N_i,F_e) и оксидов (S_i O_2,? N?_d2 O_3,T_i O_2), причем соотношение между количеством тех и других определяет основные свойства пленок.
Керметные пленки обладают хорошей однородностью свойств, повышенной термостойкостью. При данных условиях в качестве материала для контактных площадок и соединений подходит золото с подслоем хрома.
Таблица 2.4 – Свойства пленки кермета К-50С:
Удельное поверхностное сопротивление ?s, ?_s,Ом/?см?^2: 10000
ТКR при температуре -60?125?C: -5 ? ?10?^(-4)
Допустимая мощность рассеяния P_0,Вт/?cм?^2:
2
2.2.3 Материал для обкладок конденсаторов и материала диэлектрика
Материал диэлектрика должен иметь хорошую адгезию к подложке и материалу обкладок, обладать высокой электрической прочностью и малыми потерями, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и минимальную гигроскопичность, не разлагаться в процессе формирования пленок.
Обкладки конденсаторов должны иметь высокую проводимость, коррозийную стойкость, технологическую совместимость с материалом подложки и диэлектрика, хорошую адгезию к подложке и диэлектрику, высокую механическую прочность.
Так как рабочее напряжение для всех конденсаторов U_p=12 В, для создания конденсаторов в данной схеме наиболее целесообразно использовать в качестве диэлектрика стекло электровакуумное С41-1 (НПО.027.600). Материал для напыления обкладок – алюминий А99 (ГОСТ 11069-64). Характеристики материала приведены в таблице 2.5.
Таблица 2.5 – Характеристики материала для напыления обкладок
Удельное поверхностное сопротивление пленки обкладок ?_s,Ом/?см?^2:
0.22
Удельная емкость C_0,пФ/?см?^2:
20000
Рабочее напряжение U_р,В:
12.61
Диэлектрическая проницаемость ? при ?=1 кГц: 5.25
Тангенс угла диэлектрических потерь tg(?) при ?=1кГц: 0.002-0.003
Электрическая прочность E_пр,В/см:
3 ? ?10?^6
Рабочая частота ?,МГц, не более:
300
Температурный коэффициент емкости ТКС при Т= -60 ?125?C,1/?C:
(1.5-1.8) ? ?10?^(-4)
?
2.2.4 Материал для проводников, контактных площадок
В рассматриваемой схеме целесообразно использовать алюминий А99 (ГОСТ 11069-58) с подслоем нихрома Х20Н80 (ГОСТ 2238-58), так как материалы проводников и контактных площадок должны иметь небольшое удельное сопротивление, хорошую адгезию к подложке, высокую коррозийную стойкость (таблица 7).
Таблица 2.6 – Характеристики материалов для проводников и контактных площадок
Толщина подслоя (нихром Х20Н80): 0.01-0.03
Толщина слоя (алюминий А99): 0.3-0.5
Удельное поверхностное сопротивление ?_s,Ом/?см?^2: 0.1-0.2
Преимущество алюминия, как проводникового материала, состоит в том, что он дешевле многих других материалов.
2.2.5 Материал для защиты
Для защитного слоя наиболее целесообразно использовать окись кремния S_i O_2, имеющий следующие параметры:
Таблица 2.7 – Характеристики материала для защиты
Удельная емкость С_0,пФ/?мм?^2:
100
Удельное объемное сопротивление ?_v,Ом?см:
1??10?^13
Электрическая прочность E_пр,В/см:
6??10?^5
2.3 Описание метода создания заданной конфигурации элементов
При изготовлении данной микросхемы целесообразно использовать способ получения конфигурации при помощи свободной маски, так как допуски на номинал не превышают 20%.
В зависимости от способа нанесения пленки, свойств материала пленки, требований по точности, плотности размещения элементов и других факторов, выбирают метод свободной (съемной) или контактной маски. Метод свободной (съемной) маски основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощью специального трафарета – съемной маски, которая с высокой точностью повторяет спроектированную топологию тонкопленочной структуры. Маску называют съемной, потому что она изготавливается и существует отдельно от подложки. Съемная маска – это тонкий экран из металлической фольги с отверстиями, очертания и расположение которых соответствуют требуемой конфигурации напыляемой пленки. При напылении пленочных элементов маску закрепляют в маскодержателе, который обеспечивает плотный прижим и ее фиксированное положение по отношению к подложке. В промышленных условиях наибольшее распространение получили биметаллические маски. Такие маски представляют собой пластину толщиной 80-100мкм из бериллиевой бронзы, покрытую с одной или двух (для трехслойных масок) сторон тонким слоем никеля (10-20мкм). Бронзовая пластина служит механическим основанием, конфигурация достигается за счет рисунка в слое никеля.
Биметаллические маски рассчитаны на многократное применение. Обычно они выдерживают около ста циклов напыления пленок, после чего подлежат замене. Схема изготовления тонкопленочной интегральной микросхемы с помощью свободных масок представлена на рисунке 4. Схема изготовления тонкопленочной интегральной микросхемы с помощью свободных масок
Рисунок 2.1 – Схема изготовления тонкопленочной интегральной микросхемы с помощью свободных масок: A - свободная маска; B – подложка
2.4 Выбор компонентов
В данной схеме 4 активных компонента: транзисторы VT1...VT4.
Для реализации данной схемы наиболее подходят по параметрам безкорпусные маломощные биполярные транзисторы КТ359А.
Таблица 2.8 – Основные параметры
Тип проводимости: n-p-n
Максимальный ток коллектора I_kmax, мА: 20
Максимальная мощность в цепи коллектора P_kmax, мВт: 15
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при R_эб ?10 кОм U_кэ, В: 15
Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером h_21э: 50-280
Диапазон рабочих температур, ?C -50?85
Таблица 2.9 – Габаритные размеры, мм:
a: 0.75
b: 0.75
L не более 3
H: 0.34
Интервал рабочих температур: -50?85 ?C, масса не более 0.010 гр.
Размеры контактных площадок зависят от способа получения конфигурации (для маски: внешние - 0.4 • 0.4 мм, внутренние 0.2 • 0.25 мм)
Способ установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзистора изображены на рисунке 2.2. Способ установки на плату, габаритные и присоединительные размеры транзистора КТ359А.?
Рисунок 2.2 – Способ установки на плату, габаритные и
присоединительные размеры транзистора
2.5 Описание разработки схемы соединений
Разработка коммутационной схемы соединений является составной частью топологического проектирования и включает в себя преобразование исходной электрической схемы с целью составления плана размещения элементов и соединений между ними на подложке микросхемы.
Основные принципы разработки: упрощение конфигурации электрической схемы для уменьшения числа пересечений и изгибов, получения прямых линий и улучшения субъективного восприятия, выделение на преобразованной схеме пленочных и навесных элементов, размещения на электрической схеме внутренних и периферийных контактных площадок. Коммутационная схема представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Коммутационная схема
2.6 Выбор корпуса
Корпус предназначен для защиты микросхемы от механических и других воздействий дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, солнечной радиации, пыли, агрессивных химических и биологических сред.)
Конструкция корпуса должна удовлетворять следующим требованиям: надежно защищать элементы и соединения микросхемы от воздействий окружающей среды и, кроме того, обеспечивать чистоту и стабильность характеристик материалов, находящихся в непосредственном соприкосновении с кристаллом полупроводниковой микросхемы или платой гибридной микросхемы, обеспечивать удобство и надёжность монтажа и сборки микросхемы в корпус; отводить от неё тепло; обеспечивать электрическую изоляцию между токопроводящими элементами микросхемы и корпусом; обладать коррозийной и радиационной стойкостью; обеспечивать надежное крепление, удобство монтажа и сборки корпусов в составе конструкции ячеек и блоков микроэлектронной аппаратуры, быть простой и дешёвой в изготовлении, обладать высокой надёжностью.
