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中圖分類號:TM561 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2013)04(c)-0133-02
對于斷路器而言,它是電力系統之中的重要設備,它不僅可以在電網運行之中投退電力設備已經線路,同時他又能夠在相關設備處于故障時及時而有效的對故障進行切除,從而對電網運行的安全性與穩定性進行一定程度的保證。一般情況下,在110 kV及其以下的電力系統當中,都是采用三相一次統一跳合操作箱機構;而對于220 kV及其以上的電力系統而言,斷路器大多采用的是分相機構,這主要是為了對單相重合閘進行有效的實現。就目前狀況而言,為了對裝置的功耗以及發熱進行一定程度上的降低,所采用的斷路器操作箱裝置大多為具備進口全封閉、高阻抗、小功耗特點的繼電器,這樣一來,在降低功耗的同時,又能夠對裝置的安全性進行有效的提高。
1 斷路器
斷路器是指能夠關合、承載和開斷正常回路條件下的電流,并能關合、在規定的時間內承載和開斷異常回路條件(包括短路條件)下的電流的開關裝置。斷路器可用來分配電能,不頻繁地啟動異步電動機,對電源線路及電動機等實行保護,當它們發生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路,其功能相當于熔斷器式開關與過欠熱繼電器等的組合。而且在分斷故障電流后一般不需要變更零部件。目前,已獲得了廣泛的應用。斷路器一般由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、脫扣器、外殼等構成。當短路時,大電流(一般10~12倍)產生的磁場克服反力彈簧,脫扣器拉動操作機構動作,開關瞬時跳閘。當過載時,電流變大,發熱量加劇,雙金屬片變形到一定程度推動機構動作(電流越大,動作時間越短)。斷路器的作用是切斷和接通負荷電路,以及切斷故障電路,防止事故擴大,保證安全運行。而高壓斷路器要開斷1500 V,電流為1500~2000 A的電弧,這些電弧可拉長至2 m仍然繼續燃燒不熄滅。
2 斷路器的電氣控制回路原理
2.1 合閘、防跳、跳位監視回路
圖1顯示的主要是合閘、防跳、跳位監視回路的原理示意圖。
在圖1中,虛線框主要指的是斷路器機構箱,當斷路器處于跳位狀態時,將K1閉合,電壓啟動繼電器1TWJA、2TWJA、3TWJA都將被所加直流電壓啟動,而對其接點而言,可以憑借此來對不一致、控制回路斷線、失靈或者開入其他裝置等進行一定程度的判斷。與此同時,由于TWJ的高阻,使得合閘電流啟動線圈HQ中所通過的電流相對較小,如此一來,就不能夠啟動斷路器合閘。在合閘回路之中,11YJJ的主要作用是壓力異常閉鎖合閘。手合1SHJ接點或重合閘接點 ZHJ在較短的時間之內進行接通,從而促使電流繼電器SHJA和HQ進行啟動,SHJA的接點使合閘回路保持,在斷路器合上之后K1接點被打開,SHJA復歸,合閘回路被斷開。
2.2 跳閘、合位監視回路
跳閘、合位監視回路的流程圖見圖2所示。
在圖2中,11YJJ串在跳閘回路之中促使當出現壓力異常狀況時鎖閉跳閘,而對于K2來說,它主要是在合位時進行閉合,在跳位時則打開。閉合使電壓繼電器11HWJA、 12HWJA、13HWJA動作。不同于合閘、防跳、跳位監視回路,電壓繼電器11HWJA、 12HWJA、13HWJA的接點的主要作用是對不一致、控制回路斷線、開入其他裝置、配合收發信機等進行一定程度上的判斷。在保護裝置出現跳閘情況時,或者是因手動操作而跳閘的情況下,STJ、TJR、TJQ接點動作,進而促使電流繼電器11T BIJA、12TBIJA、TQ動作。在這一流程之中,11TBIJA主要用于跳閘回路自保持,而對于12TBIJA而言,它則主要運用于防跳回路。
3 斷路器的電氣控制回路在工程中的應用
3.1 對跳合閘回路電流有效而精確的確定
圖3顯示的主要是跳合閘回路電流整定示意圖。
而對于跳合閘回路而言,它主要指的是圖3中的電流合閘I1和跳閘I2。一般情況下,對于自保持繼電器SHJA和TBIJ而言,它們所允許的通過電流相對較小,在這種情況之下,可以對斷路器機構箱中的串聯電阻以及SHJA和TBIJ并聯電阻分流進行一定程度的使用,由此進行有效的實現。在我國的電力安全規范之中,有明確規定,要求TBJ啟動電流必須為跳閘回路額定電流的一半。
3.2 斷路器機構箱防跳
當處于分斷故障電流過程之中,主觸頭不斷進行分開,在這種情況之下,電壓也不斷隨之增加,兩種情況疊加在一起,就會出現故障電流在一個相對較短的時間之內放出很大的熱量。這樣一來,就會使得斷路器受到損害,更為嚴重者會導致爆炸。因此,做好斷路器機構箱防跳十分重要。斷路器防跳回路防止斷路器
在短時間內多次非正常合分來保護斷路器。斷路器機構防跳原理圖見圖4所示。
在圖4中,HQ是斷路器的合閘線圈,TQ主要指的是跳閘線圈,而對于K1與K2而言,它們則主要指的是常閉輔助接點、常開輔助接點。FT指的是防跳繼電器,在上圖中,又有FT-1與FT-2,前者是FT的常開接點,后者是FT的常閉接點。在對開關進行合閘操作之后,K1處于打開狀態、K2則處于閉合狀態,在對FT進行啟動,FT-1閉合自保持FT,FT-2打開斷開合閘回路,直到下達了合閘命令之后,FT-2返回。通過這一系列的操作,就可以對一次合閘命令只合閘一次進行有效的保證。
4 結語
本文主要針對斷路器的電氣控制回路原理及工程應用進行研究與分析。首先對斷路器以及斷路器的電氣控制回路原理進行了一定程度上的介紹,然后在此基礎之上從對跳合閘回路電流有效而精確的確定以及斷路器機構箱防跳兩個方面分析了斷路器的電氣控制回路在工程中的應用。希望我們的研究能夠給讀者提供參考并帶來幫助。
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以集成電路為龍頭的信息技術產業是國家戰略性新興產業中的重要基礎性和先導性支柱產業。國家高度重視集成電路產業的發展,2000年,國務院頒發了《國務院關于印發鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》(18號文件),2011年1月28日,國務院了《國務院關于印發進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》,2011年12月24日,工業和信息化部印發了《集成電路產業“十二五”發展規劃》,我國集成電路產業有了突飛猛進的發展。然而,我國的集成電路設計水平還遠遠落后于產業發展水平。2013年,全國進口產品金額最大的類別是集成電路芯片,超過石油進口。2014年3月5日,國務院總理在兩會上的政府工作報告中,首次提到集成電路(芯片)產業,明確指出,要設立新興產業創業創新平臺,在新一代移動通信、集成電路、大數據、先進制造、新能源、新材料等方面趕超先進,引領未來產業發展。2014年6月,國務院頒布《國家集成電路產業發展推進綱要》,加快推進我國集成電路產業發展,10月底1200億元的國家集成電路投資基金成立。集成電路設計人才是集成電路產業發展的重要保障。2010年,我國芯片設計人員達不到需求的10%,集成電路設計人才的培養已成為當前國內高等院校的一個迫切任務[1]。為滿足市場對集成電路設計人才的需求,2001年,教育部開始批準設置“集成電路設計與集成系統”本科專業[2]。
我校2002年開設電子科學與技術本科專業,期間,由于專業調整,暫停招生。2012年,電子科學與技術專業恢復本科招生,主要專業方向為集成電路設計。為提高人才培養質量,提出了集成電路設計專業創新型人才培養模式[3]。本文根據培養模式要求,從課程體系設置、課程內容優化兩個方面對集成電路設計方向的專業課程體系進行改革和優化。
一、專業課程體系存在的主要問題
1.不太重視專業基礎課的教學。“專業物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”是集成電路設計的專業基礎課,為后續更好地學習專業方向課提供理論基礎。如果基礎不打扎實,將導致學生在學習專業課程時存在較大困難,更甚者將導致其學業荒廢。例如,如果沒有很好掌握MOS晶體管的結構、工作原理和工作特性,學生在后面學習CMOS模擬放大器和差分運放電路時將會是一頭霧水,不可能學得懂。
但國內某些高校將這些課程設置為選修課,開設較少課時量,學生不能全面、深入地學習;有些院校甚至不開設這些課程[4]。比如,我校電子科學與技術專業就沒有開設“晶體管原理”這門課程,而是將其內容合并到“模擬集成電路原理與設計”這門課程中去。
2.課程開設順序不合理。專業基礎課、專業方向課和寬口徑專業課之間存在環環相扣的關系,前者是后者的基礎,后者是前者理論知識的具體應用。并且,在各類專業課的內部也存在這樣的關系。如果在前面的知識沒學好的基礎上,開設后面的課程,將直接導致學生學不懂,嚴重影響其學習積極性。例如:在某些高校的培養計劃中,沒有開設“半導體物理”,直接開設“晶體管原理”,造成了學生在學習“晶體管原理”課程時沒有“半導體物理”課程的基礎,很難進入狀態,學習興趣受到嚴重影響[5]。具體比如在學習MOS晶體管的工作狀態時,如果沒有半導體物理中的能帶理論,就根本沒辦法掌握閥值電壓的概念,以及閥值電壓與哪些因素有關。
3. 課程內容理論性太強,嚴重打擊學生積極性。“專業物理”、“固體物理”、“半導體物理”和“晶體管原理”這些專業基礎課程本身理論性就很強,公式推導較多,并且要求學生具有較好的數學基礎。而我們有些教師在授課時,過分強調公式推導以及電路各性能參數的推導,而不是側重于對結構原理、工作機制和工作特性的掌握,使得學生(尤其是數學基礎較差的學生)學習起來很吃力,學習的積極性受到極大打擊[6]。
二、專業課程體系改革的主要措施
1“。 4+3+2”專業課程體系。形成“4+3+2”專業課程體系模式:“4”是專業基礎課“專業物理”、“半導體物理”、“固體物理”和“晶體管原理”;“3”是專業方向課“集成電路原理與設計”、“集成電路工藝”和“集成電路設計CAD”;“2”是寬口徑專業課“集成電路應用”、“集成電路封裝與測試”,實行主講教師負責制。依照整體優化和循序漸進的原則,根據學習每門專業課所需掌握的基礎知識,環環相扣,合理設置各專業課的開課先后順序,形成先專業基礎課,再專業方向課,然后寬口徑專業課程的開設模式。
我校物理與電子科學學院本科生實行信息科學大類培養模式,也就是三個本科專業
大學一年級、二年級統一開設課程,主要開設高等數學、線性代數、力學、熱學、電磁學和光學等課程,重在增強學生的數學、物理等基礎知識,為各專業后續專業基礎課、專業方向課的學習打下很好的理論基礎。從大學三年級開始,分專業開設專業課程。為了均衡電子科學與技術專業學生各學期的學習負擔,大學三年級第一學期開設“理論物理導論”和“固體物理與半導體物理”兩門專業基礎課程。其中“固體物理與半導體物理”這門課程是將固體物理知識和半導體物理知識結合在一起,課時量為64學時,由2位教師承擔教學任務,其目的是既能讓學生掌握后續專業方向課學習所需要的基礎知識,又不過分增加學生的負擔。大學三年級第二學期開設“電子器件基礎”、“集成電路原理與設計”、“集成電路設計CAD”和“微電子工藝學”等專業課程。由于“電子器件基礎”是其他三門課程學習的基礎,為了保證學習的延續性,擬將“電子器件基礎”這門課程的開設時間定為學期的1~12周,而其他3門課程的開課時間從第6周開始,從而可以保證學生在學習專業方向課時具有高的學習效率和大的學習興趣。另外,“集成電路原理與設計”課程設置96學時,由2位教師承擔教學任務。并且,先講授“CMOS模擬集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為6~17周;再講授“CMOS數字集成電路原理與設計”的內容,課時量為48學時,開設時間為8~19周。大學四年級第一學期開設“集成電路應用”和“集成電路封裝與測試技術”等寬口徑專業課程,并設置其為選修課,這樣設置的目的在于:對于有意向考研的同學,可以減少學習壓力,專心考研;同時,對于要找工作的同學,可以更多了解專業方面知識,為找到好工作提供有力保障。 2.優化專業課程的教學內容。由于我校物理與電子科學學院本科生采用信息科學大類培養模式,專業課程要在大學三年級才能開始開設,時間緊湊。為實現我校集成電路設計人才培養目標,培養緊跟集成電路發展前沿、具有較強實用性和創新性的集成電路設計人才,需要對集成電路設計方向專業課程的教學內容進行優化。其學習重點應該是掌握基礎的電路結構、電路工作特性和電路分析基本方法等,而不是糾結于電路各性能參數的推導。
在“固體物理與半導體物理”和“晶體管原理”等專業基礎課程教學中,要盡量避免冗長的公式及煩瑣的推導,側重于對基本原理及特性的物理意義的學習,以免削弱學生的學習興趣。MOS器件是目前集成電路設計的基礎,因此,在“晶體管原理”中應當詳細講授MOS器件的結構、工作原理和特性,而雙極型器件可以稍微弱化些。
對于專業方向課程,教師不但要講授集成電路設計方面的知識,也要側重于集成電路設計工具的使用,以及基本的集成電路版圖知識、集成電路工藝流程,尤其是CMOS工藝等相關內容的教學。實驗實踐教學是培養學生的知識應用能力、實際動手能力、創新能力和社會適應能力的重要環節。因此,在專業方向課程中要增加實驗教學的課時量。例如,在“CMOS模擬集成電路原理與設計”課程中,總課時量為48學時不變,理論課由原來的38學時減少至36學時,實驗教學由原來的10學時增加至12個學時。36學時的理論課包含了單級運算放大器、差分運算放大器、無源/有源電流鏡、基準電壓源電路、開關電路等多種電路結構。12個學時的實驗教學中2學時作為EDA工具學習,留給學生10個學時獨自進行電路設計。從而保證學生更好地理解理論課所學知識,融會貫通,有效地促進教學效果,激發學生的學習興趣。
[關鍵詞]工藝原理 器件模擬與仿真 微電子技術
[中圖分類號] G420 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2015)11-0112-03
0引言
西安郵電大學微電子科學與工程專業源于原計算機系的微電子學專業,2005年開始招收第一屆本科生,專業方向設置偏向于集成電路設計。2013年,根據教育部《普通高等學校本科專業目錄(2012年)》的專業設置,將微電子學專業更名為微電子科學與工程專業。2009年至今,該專業累計培養本科畢業生6屆。根據歷年應屆畢業生就業情況和研究生報考方向,我們發現半導體工藝方向人數比重呈現逐年上升的趨勢。另外,隨著我國經濟的快速發展,中西部地區半導體行業的投資力度也越來越大,例如韓國三星電子有限公司、西安愛立信分公司等落戶西安,半導體人才需求日益增加。
根據2014年,微電子科學與工程專業新一輪培養方案的定位,設置出半導體工藝、集成電路設計兩大課程體系,可實現半導體工藝、集成電路設計和集成電路應用人才的個性化培養。半導體工藝課程體系除設置固體物理、半導體物理學、半導體器件物理等專業基礎課程外,還包含集成電路工藝原理、器件模擬與仿真、集成電路制造與測試和半導體工藝實習等專業課程。本課程體系是微電子技術領域人才培養的核心,旨在培養學生掌握集成電路制造的工藝原理、工藝流程以及實踐操作的能力,同時也是培養具有創新意識的高素質應用型人才的關鍵。
因此,整合集成電路工藝原理與實踐課程體系的教學內容,充分利用微電子技術實驗教學中心現有的硬件環境和優勢資源,加強軟件設施,例如實踐教學具體組織實施方案及考核機制的建設,構建內容健全、結構合理的集成電路工藝原理與實踐課程體系,對微電子科學與工程專業及相關專業的人才,尤其是半導體工藝人才培養的落實和發展具有重要意義。
一、面臨的主要問題和解決措施
(一)教學面臨的主要問題
課程體系是高等學校人才培養的主要載體,是教育思想和教育觀念付諸實踐的橋梁。集成電路工藝原理與實踐課程體系注重理論教學與實踐教學的緊密結合,不僅讓學生充分了解、掌握集成電路制造的基本原理和工藝技術,而且逐步加強學生半導體技術生產實踐能力的培養。然而,該課程體系相關實踐環境建設與運行維護耗費巨大,致使大多數高等院校在該課程體系的教學上僅局限于課堂教學,無法做到理論與實踐相結合。
為解決這一問題,學校經過多方調研考察、洽談協商,與北京微電子技術研究所進行校企合作,建立了半導體工藝聯合實驗室。通過中省共建項目和其他項目對半導體工藝聯合實驗室進一步建設、完善,為微電子科學與工程專業及相關專業本科生提供了良好的工藝實踐平臺。然而,在實際教學過程中,專業課程內容不能模塊化、系統化,理論教學與實踐教學嚴重脫鉤,工程型師資人員匱乏,教學效果不理想。因此,對集成電路工藝原理與實踐課程體系進行深化改革與探索,可謂任重而道遠。
(二)主要的解決措施
1.課程體系整合優化
集成電路工藝原理與實踐課程體系服務于半導體產業快速發展對人才培養的需要。本課程體系以集成電路工藝原理、器件模擬與仿真和工藝實踐為主線,將集成電路工藝原理、半導體器件模擬與仿真、集成電路封裝與測試、新型材料器件課程設計和半導體工藝實習等課程內容進行整合,明確每門課程、知識的相互關系、地位和作用,找到課程內容的銜接點,讓每一門課程都發揮承上啟下的作用,保證半導體人才培養的基本規格和基本質量要求。在此基礎上,設置半導體材料、半導體功率器件、納米電子材料與器件等專業選修課,培養學生的興趣、愛好和特長,以滿足個性化培養需要。
為解決微電子科學與工程專業本科生實踐形式單一、綜合程度不高導致解決實際問題的應用能力不足等現象,集成電路工藝原理與實踐課程體系在力求理論教學與實踐教學有機融合的基礎上,設置微電子學基礎實驗、半導體器件模擬仿真、半導體工藝實習以及新型材料器件課程設計等實踐課程,形成由簡單到綜合、由綜合到創新的遞階實踐教學層次。通過獨立設課實驗、課程設計、科研訓練、生產實習、社會實踐、科技活動和畢業設計等實踐環節達到預期的效果。同時,注重課程形式的綜合化、科研化,提高綜合性、設計性實驗比例,使實踐課程與理論課程并行推進,貫穿整個人才培養過程。
2.考核體系的完善
考核體系總體上包括理論課程考核體系和實踐課程考核體系。目前,理論考核體系已基本成熟。然而,長期以來,我國教育領域由于實踐教學成本高、經費得不到保障,所以考核主體對實踐環節考核的積極性不高、重視程度不夠,導致考核制度不完善。集成電路工藝原理與實踐課程體系在不斷完善理論教學考核體系的同時,尤其注重實踐教學體系的改革。將教學實驗項目的實驗過程、工藝參數和器件性能等列為考核的過程。兼顧定性與定量相結合、過程與結果相結合、課內與課外相結合、考核與考評相結合的原則,不斷完善實踐教學的考核體系,形成以學生為中心的適應學生能力培養和鼓勵探索的多元實踐教學考核體系。該體系能全面、準確地反映學生的應用能力和實際技能,激發學生的學習動力、創新思維和創新精神,促進人才培養質量和水平的提高。
3.教學團隊構建
根據集成電路工藝原理與實踐課程體系對高素質應用型人才培養的需要,本教學團隊秉承“以老帶新”的傳統,為青年教師配備老教授或資深教授作為指導教師。在日常教學過程中,由老教師對年輕教師進行業務指導,負責教學質量的監控與授課經驗的傳授。在老教師的“傳、幫、帶”和示范表率作用下,青年教師間互相聽課、交流教學心得,定期組織教學競賽,體現以人為本,強調德才兼備,營造青年教師良好的教與學氛圍。同時,課程體系團隊積極為任課教師創造條件,加大隊伍培養建設,鼓勵教師走出去,了解企業的運作模式,提高自身的業務能力。目前,已有多位教師到企業參觀交流、參加各種業務能力培訓,取得了多種職業資格認證,教師的業務能力和水平得到大幅提升。
西安郵電大學經過多年建設和培養,形成了一支結構合理、師資雄厚的教學團隊,具有高學歷化、年輕化和工程化的特點。本課程體系現擁有任課教師15名,其中具有博士學位的教師7名,副高以上職稱的教師8名,40歲以下的教師占課程組教師總數的60%,具有工程實踐經驗的教師占課程組教師總數的40%。
4.實驗環境的優化
實驗環境是實踐教學和科學研究的關鍵性場所。根據微電子科學與工程專業半導體工藝、集成電路兩大課程體系對人才培養的需要,微電子技術實驗教學中心下設微電子學實驗教學部和集成電路實驗教學部,共計占地約1300平方米。微電子學實驗教學部下設微電子學基礎實驗室、半導體工藝仿真實驗室、半導體工藝實驗室、微 / 納材料器件實驗室、材料器件分析實驗室。微電子學基礎實驗室,擁有霍爾效應、高頻晶體管測試儀、四探針測試儀等常規設備,可實現微電子學專業基礎實驗。半導體工藝仿真實驗室,配置Silvaco、ISE和EDA等專業仿真軟件,可實現半導體器件工藝參數和性能的仿真。半導體工藝實驗室擁有雙管氧化擴散爐、光刻機、LP-CVD、離子束刻蝕機、磁控濺射臺、高溫快速退火和激光劃片等設備,可實現半導體工藝生產。微 / 納材料器件實驗室設計專業,配備排風、有害氣體報警系統,擁有氣氛熱處理程控高溫爐、納米球磨機、高壓反應釜等設備,可實現多種納米材料器件的制備。材料器件分析實驗室,擁有吉時利4200-SCS半導體特性分析系統、太陽能模擬器和化學工作站等設備,可完成新型材料器件的測試分析。
通過實踐教學資源配置、環境優化,實現了實驗教學中心的整體規劃和布局;針對大型貴重精密設備配備專業操作人員,進行定期的維護和保養;制定大型設備的操作流程和規范,保證實踐教學的順利實施。實驗平臺的建設,將為相關專業的本科生、研究生和教師在實踐教學、科研方面搭建一個良好的學術平臺。
二、改革的特色和預期成果
(一)改革的特色
1.校內實驗平臺的優化
集成電路工藝原理與實踐課程體系的構建,使專業培養方向定位更加明確、教學內容更加明了。尤其是在教學形式上,從教學內容整合、考核體系制定、教學團隊形成和實驗環境優化等進行了多方位、多角度的改革探索。圍繞集成電路工藝原理、半導體器件模擬與仿真和半導體工藝生產實踐教學內容為主線,保證半導體人才培養的基本規格和基本質量要求;利用選修課實現學生專業個性化培養。通過合理設置理論課程與實踐課程比例、課內課程與課外課程比例,可有效地控制教學內容的穩定性、機動性,推進課程內容的重組與融合。同時,引領學生獨立思考、主動探索,激發學生的創新意識和提高學生解決實際問題的能力。
2.校企合作實驗平臺的構建
在校內實踐教學的基礎上,微電子技術實驗教學中心先后與西安芯派電子科技有限公司、西安西谷微電子有限責任公司等微電子器件及測試公司建立了良好的交流合作關系。這些關系的建立,可使微電子科學與工程專業的學生在校外公司,例如在西安芯派電子科技有限公司進行半導體器件再流焊工藝的實習。校內外互補的工藝實踐體系構件,使學生不僅掌握集成電路工藝實踐基本知識和原理,更能夠掌握實際行業內集成電路工藝中需要考慮的系列問題,從而培養了工程的思維方式。
(二)改革的預期成果
1.達到理論與實踐教學的有機融合
理論學習是知識傳遞過程,實踐則是知識吸收過程。實踐環節教學能鞏固、加深學生對課堂上所學知識的理解,培養學生的實踐技能。集成電路工藝原理與實踐課程體系,將課程體系教學內容按層次分為半導體工藝原理、器件模擬與仿真和半導體工藝實踐三個主要部分。通過半導體工藝原理的學習,掌握材料器件的基本參數、性能和制備方法;通過器件模擬與仿真,了解各種制備方法、工藝參數和器件性能之間的關系;通過半導體工藝實踐,充分調動學生的學習積極性、主動性和創造性,從而有效地加深對理論知識的理解,鍛煉實際動手能力。通過理論和實踐的有機融合,可有效培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。
2.實現教學的開放性
集成電路工藝原理與實踐課程體系,在理論教學方面,打破傳統課堂教學的局限性,充分利用現代多媒體技術,實現網絡教學。通過網絡教學系統,開展互動學習的教學模式。將傳統教學活動如批改作業、討論答疑和查閱資料等傳到網絡教學系統上;開發試題庫,建設合理的測試系統。在實踐教學方面,將部分實踐教學環節以錄像的形式上傳到網站上供學生學習、參考,部分實驗室實行全天候的開放,學生自主學習、管理。通過興趣小組、創新項目和開放性實驗等多種方式,形成團隊教師定期指導、高年級學生指導低年級學生的滾動機制,激發學生潛在的學習能力、創新意識,提高學生的學習興趣和實踐動手能力,為我校培養微電子技術領域高素質應用型人才奠定基礎。
三、結語
根據西安郵電大學2014年微電子科學與工程專業新一輪培養方案的定位及社會發展對半導體人才培養的客觀要求,本文提出集成電路工藝原理與實踐課程體系改革。本課程體系以半導體工藝原理、器件模擬與仿真和半導體工藝實踐為主線,對教學內容進行整合、修訂和完善,保證半導體人才培養的基本規格和質量要求。根據現有實驗環境、實驗設備和優勢資源,進行資源優化配置,完成微電子技術實驗教學中心的整體規劃布局。通過師資隊伍的建設、切實可行的實踐教學管理制度的制定,明確任課教師的職責,出臺實踐教學質量考核標準,加強實踐教學環節的時效性。通過上述諸要素的相互協調、配合,實現集成電路工藝原理與實踐課程體系“非加和性”的整體效應,促進微電子技術領域應用型人才培養質量和水平的提高。
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集成電路是當今信息技術產業高速發展的基礎和源動力,已經高度滲透與融合到國民經濟和社會發展的每個領域,其技術水平和發展規模已成為衡量一個國家產業競爭力和綜合國力的重要標志之一[1],美國更將其視為未來20年從根本上改造制造業的四大技術領域之首。我國擁有全球最大、增長最快的集成電路市場,2013年規模達9166億元,占全球市場份額的50%左右。近年來,國家大力發展集成電路,在上海浦東等地建立了集成電路產業基地,對于集成電路設計、制造、封裝、測試等方面的專門技術人才需求巨大。為了適應產業需求,推進我國集成電路發展,許多高校開設了電子科學與技術專業,以培養集成電路方向的專業人才。集成電路版圖設計是電路設計與集成電路工藝之間必不可少的環節。據相關統計,在從事集成電路設計工作的電子科學與技術專業的應屆畢業生中,由于具有更多的電路知識儲備,研究生的從業比例比本科生高出很多。而以集成電路版圖為代表包括集成電路測試以及工藝等與集成電路設計相關的工作,相對而言對電路設計知識的要求低很多。因而集成電路版圖設計崗位對本科生而言更具競爭力。在版圖設計崗位工作若干年知識和經驗的積累也將有利于從事集成電路設計工作。因此,版圖設計工程師的培養也成為了上海電力學院電子科學與技術專業本科人才培養的重要方向和辦學特色。本文根據上海電力學院電子科學與技術專業建設的目標,結合本校人才培養和專業建設目標,就集成電路版圖設計理論和實驗教學環節進行了探索和實踐。
一、優化理論教學方法,豐富教學手段,突出課程特點
集成電路版圖作為一門電子科學與技術專業重要的專業課程,教學內容與電子技術(模擬電路和數字電路)、半導體器件、集成電路設計基礎等先修課程中的電路理論、器件基礎和工藝原理等理論知識緊密聯系,同時版圖設計具有很強的實踐特點。因此,必須從本專業學生的實際特點和整個專業課程布局出發,注重課程與其他課程承前啟后,有機融合,摸索出一套實用有效的教學方法。在理論授課過程中從集成電路的設計流程入手,在CMOS集成電路和雙極集成電路基本工藝進行概述的基礎上,從版圖基本單元到電路再到芯片循序漸進地講授集成電路版圖結構、設計原理和方法,做到與上游知識點的融會貫通。
集成電路的規模已發展到片上系統(SOC)階段,教科書的更新速度遠遠落后于集成電路技術的發展速度。集成電路工藝線寬達到了納米量級,對于集成電路版圖設計在當前工藝條件下出現的新問題和新規則,通過查閱最新的文獻資料,向學生介紹版圖設計前沿技術與發展趨勢,開拓學生視野,提升學習熱情。在課堂教學中盡量減少冗長的公式和繁復的理論推導,將理論講解和工程實踐相結合,通過工程案例使學生了解版圖設計是科學、技術和經驗的有機結合。比如,在有關天線效應的教學過程中針對一款采用中芯國際(SMIC)0.18um 1p6m工藝的雷達信號處理SOC 芯片,結合跳線法和反偏二極管的天線效應消除方法,詳細闡述版圖設計中完全修正天線規則違例的關鍵步驟,極大地激發了學生的學習興趣,收到了較好的教學效果。
集成電路版圖起著承接電路設計和芯片實現的重要作用。通過版圖設計,可以將立體的電路轉化為二維的平面幾何圖形,再通過工藝加工轉化為基于半導體硅材料的立體結構[2]。集成電路版圖設計是集成電路流程中的重要環節,與集成電路工藝密切相關。為了讓學生獲得直觀、準確和清楚的認識,制作了形象生動、圖文并茂的多媒體教學課件,將集成電路典型的設計流程、雙極和CMOS集成電路工藝流程、芯片內部結構、版圖的層次等內容以圖片、Flash動畫、視頻等形式進行展示。
版圖包含了集成電路尺寸、各層拓撲定義等器件相關的物理信息數據[3]。掩膜上的圖形決定著芯片上器件或連接物理層的尺寸。因此版圖上的幾何圖形尺寸與芯片上物理層的尺寸直接相關。而集成電路制造廠家根據版圖數據來制造掩膜,對于同種工藝各個foundry廠商所提供的版圖設計規則各不相同[4]。教學實踐中注意將先進的典型芯片版圖設計實例引入課堂,例如舉出臺灣積體電路制造公司(TSMC)的45nm CMOS工藝的數模轉換器的芯片版圖實例,讓學生從當今業界實際制造芯片的角度學習和掌握版圖設計的規則,同時切實感受到模擬版圖和數字版圖設計的藝術。
二、利用業界主流EDA工具,構建基于完整版圖設計流程的實驗體系
集成電路版圖設計實驗采用了Cadence公司的EDA工具進行版圖設計。Cadence的EDA產品涵蓋了電子設計的整個流程,包括系統級設計、功能驗證、集成電路(IC)綜合及布局布線、物理驗證、PCB設計和硬件仿真建模模擬、混合信號及射頻IC設計、全定制IC設計等。全球知名半導體與電子系統公司如AMD、NEC、三星、飛利浦均將Cadence軟件作為其全球設計的標準。將業界主流的EDA設計軟件引入實驗教學環節,有利于學生畢業后很快適應崗位,盡快進入角色。
專業實驗室配備了多臺高性能Sun服務器、工作站以及60臺供學生實驗用的PC機。服務器中安裝的Cadence 工具主要包括:Verilog HDL的仿真工具Verilog-X、電路圖設計工具Composer、電路模擬工具Analog Artist、版圖設計工具Virtuoso Layout Editing、版圖驗證工具Dracula 和Diva、自動布局布線工具Preview和Silicon Ensemble。
Cadence軟件是按照庫(Library)、單元(Cell)、和視圖(View)的層次實現對文件的管理。庫、單元和視圖三者之間的關系為庫文件是一組單元的集合,包含著各個單元的不同視圖。庫文件包括技術庫和設計庫兩種,設計庫是針對用戶設立,不同的用戶可以有不同的設計庫。而技術庫是針對工藝設立,不同特征尺寸的工藝、不同的芯片制造商的技術庫不同。為了讓學生在掌握主流EDA工具使用的同時對版圖設計流程有準確、深入的理解,安排針對無錫上華公司0.6um兩層多晶硅兩層金屬(Double Poly Double Metal)混合信號CMOS工藝的一系列實驗讓學生掌握包括從電路圖的建立、版圖建立與編輯、電學規則檢查(ERC),設計規則檢查(DRC)、到電路圖-版圖一致性檢查(LVS)的完整的版圖設計流程[5]。通過完整的基于設計流程的版圖實驗使學生能較好地掌握電路設計工具Composer、版圖設計工具Virtuoso Layout Editor以及版圖驗證工具Dracula和Diva的使用,同時對版圖設計的關鍵步驟形成清晰的認識。
以下以CMOS與非門為例,介紹基于一個完整的數字版圖設計流程的教學實例。
在CMOS與非門的版圖設計中,首先要求學生建立設計庫和技術庫,在技術庫中加載CSMC 0.6um的工藝的技術文件,將設計庫與技術庫進行關聯。然后在設計庫中用Composer中建立相應的電路原理圖(schematic),進行ERC檢查。再根據電路原理圖用Virtuoso Layout Editor工具繪制對應的版圖(layout)。版圖繪制步驟依次為MOS晶體管的有源區、多晶硅柵極、MOS管源區和漏區的接觸孔、P+注入、N阱、N阱接觸、N+注入、襯底接觸、金屬連線、電源線、地線、輸入及輸出。基本的版圖繪制完成之后,將輸入、輸出端口以及電源線和地線的名稱標注于版圖的適當位置處,再在Dracula工具中利用幾何設計規則文件進行DRC驗證。然后利用GDS版圖數據與電路圖網表進行版圖與原理圖一致性檢查(LVS),修改其中的錯誤并按最小面積優化版圖,最后版圖全部通過檢查,設計完成。圖1和圖2分別給出了CMOS與非門的原理圖和版圖。
關鍵詞:IP技術 模擬集成電路 流程
中圖分類號:TP3 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2013)03(b)-00-02
1 模擬集成電路設計的意義
當前以信息技術為代表的高新技術突飛猛進。以信息產業發展水平為主要特征的綜合國力競爭日趨激烈,集成電路(IC,Integrated circuit)作為當今信息時代的核心技術產品,其在國民經濟建設、國防建設以及人類日常生活的重要性已經不言
而喻。
集成電路技術的發展經歷了若干發展階段。20世紀50年代末發展起來的屬小規模集成電路(SSI),集成度僅100個元件;60年展的是中規模集成電路(MSI),集成度為1000個元件;70年代又發展了大規模集成電路,集成度大于1000個元件;70年代末進一步發展了超大規模集成電路(LSI),集成度在105個元件;80年代更進一步發展了特大規模集成電路,集成度比VLSI又提高了一個數量級,達到106個元件以上。這些飛躍主要集中在數字領域。
(1)自然界信號的處理:自然界的產生的信號,至少在宏觀上是模擬量。高品質麥克風接收樂隊聲音時輸出電壓幅值從幾微伏變化到幾百微伏。視頻照相機中的光電池的電流低達每毫秒幾個電子。地震儀傳感器產生的輸出電壓的范圍從地球微小振動時的幾微伏到強烈地震時的幾百毫伏。由于所有這些信號都必須在數字領域進行多方面的處理,所以我們看到,每個這樣的系統都要包含一個模一數轉換器(AD,C)。
(2)數字通信:由于不同系統產生的二進制數據往往要傳輸很長的距離。一個高速的二進制數據流在通過一個很長的電纜后,信號會衰減和失真,為了改善通信質量,系統可以輸入多電平信號,而不是二進制信號。現代通信系統中廣泛采用多電平信號,這樣,在發射器中需要數一模轉換器(DAC)把組合的二進制數據轉換為多電平信號,而在接收器中需要使用模一數轉換器(ADC)以確定所傳輸的電平。
(3)磁盤驅動電子學計算機硬盤中的數據采用磁性原理以二進制形式存儲。然而,當數據被磁頭讀取并轉換為電信號時,為了進一步的處理,信號需要被放大、濾波和數字化。
(4)無線接收器:射頻接收器的天線接收到的信號,其幅度只有幾微伏,而中心頻率達到幾GHz。此外,信號伴隨很大的干擾,因此接收器在放大低電平信號時必須具有極小噪聲、工作在高頻并能抑制大的有害分量。這些都對模擬設計有很大的挑戰性。
(5)傳感器:機械的、電的和光學的傳感器在我們的生活中起著重要的作用。例如,視頻照相機裝有一個光敏二極管陣列,以將像點轉換為電流;超聲系統使用聲音傳感器產生一個與超聲波形幅度成一定比例的電壓。放大、濾波和A/D轉換在這些應用中都是基本的功能。
(6)微處理器和存儲器:大量模擬電路設計專家參與了現代的微處理器和存儲器的設計。許多涉及到大規模芯片內部或不同芯片之間的數據和時鐘的分布和時序的問題要求將高速信號作為模擬波形處理。而且芯片上信號間和電源間互連中的非理想性以及封裝寄生參數要求對模擬電路設計有一個完整的理解。半導體存儲器廣泛使用的高速/讀出放大器0也不可避免地要涉及到許多模擬技術。因此人們經常說高速數字電路設計實際上是模擬電路的
設計。
2 模擬集成電路設計流程概念
在集成電路工藝發展和市場需求的推動下,系統芯片SOC和IP技術越來越成為IC業界廣泛關注的焦點。隨著集成技術的不斷發展和集成度的迅速提高,集成電路芯片的設計工作越來越復雜,因而急需在設計方法和設計工具這兩方面有一個大的變革,這就是人們經常談論的設計革命。各種計算機輔助工具及設計方法學的誕生正是為了適應這樣的要求。
一方面,面市時間的壓力和新的工藝技術的發展允許更高的集成度,使得設計向更高的抽象層次發展,只有這樣才能解決設計復雜度越來越高的問題。數字集成電路的發展證明了這一點:它很快的從基于單元的設計發展到基于模塊、IP和IP復用的
設計。
另一方面,工藝尺寸的縮短使得設計向相反的方向發展:由于物理效應對電路的影響越來越大,這就要求在設計中考慮更低層次的細節問題。器件數目的增多、信號完整性、電子遷移和功耗分析等問題的出現使得設計日益復雜。
3 模擬集成電路設計流程
3.1 模擬集成電路設計系統環境
集成電路的設計由于必須通過計算機輔助完成整個過程,所以對軟件和硬件配置都有較高的要求。
(1)模擬集成電路設計EDA工具種類及其舉例
設計資料庫―Cadence Design Framework11
電路編輯軟件―Text editor/Schematic editor
電路模擬軟件―Spectre,HSPICE,Nanosim
版圖編輯軟件―Cadence virtuoso,Laker
物理驗證軟件―Diva,Dracula,Calibre,Hercules
(2)系統環境
工作站環境;Unix-Based作業系統;由于EDA軟件的運行和數據的保存需要穩定的計算機環境,所以集成電路的設計通常采用Unix-Based的作業系統,如圖1所示的工作站系統。現在的集成電路設計都是團隊協作完成的,甚至工程師們在不同的地點進行遠程協作設計。EDA軟件、工作站系統的資源合理配置和數據庫的有效管理將是集成電路設計得以完成的重要保障。
3.2 模擬集成電路設計流程概述
根據處理信號類型的不同,集成電路一般可以分為數字電路、模擬電路和數模混合集成電路,它們的設計方法和設計流程是不同的,在這部分和以后的章節中我們將著重講述模擬集成電路的設計方法和流程。模擬集成電路設計是一種創造性的過程,它通過電路來實現設計目標,與電路分析剛好相反。電路的分析是一個由電路作為起點去發現其特性的過程。電路的綜合或者設計則是從一套期望的性能參數開始去尋找一個令人滿意的電路,對于一個設計問題,解決方案可能不是唯一的,這樣就給予了設計者去創造的機會。
模擬集成電路設計包括若干個階段,設計模擬集成電路一般的過程。
(l)系統規格定義;(2)電路設計;(3)電路模擬;(4)版圖實現;(5)物理驗證;(6)參數提取后仿真;(7)可靠性分析;(8)芯片制造;(9)測試。
除了制造階段外,設計師應對其余各階段負責。設計流程從一個設計構思開始,明確設計要求和進行綜合設計。為了確認設計的正確性,設計師要應用模擬方法評估電路的性能。
這時可能要根據模擬結果對電路作進一步改進,反復進行綜合和模擬。一旦電路性能的模擬結果能滿足設計要求就進行另一個主要設計工作―電路的幾何描述(版圖設計)。版圖完成并經過物理驗證后需要將布局、布線形成的寄生效應考慮進去再次進行計算機模擬。如果模擬結果也滿足設計要求就可以進行制造了。
3.3 模擬集成電路設計流程分述
(1)系統規格定義
這個階段系統工程師把整個系統和其子系統看成是一個個只有輸入輸出關系的/黑盒子,不僅要對其中每一個進行功能定義,而且還要提出時序、功耗、面積、信噪比等性能參數的范圍要求。
(2)電路設計
根據設計要求,首先要選擇合適的工藝制程;然后合理的構架系統,例如并行的還是串行的,差分的還是單端的;依照架構來決定元件的組合,例如,電流鏡類型還是補償類型;根據交、直流參數決定晶體管工作偏置點和晶體管大小;依環境估計負載形態和負載值。由于模擬集成電路的復雜性和變化的多樣性,目前還沒有EDA廠商能夠提供完全解決模擬集成電路設計自動化的工具,此環節基本上通過手工計算來完成的。
(3)電路模擬
設計工程師必須確認設計是正確的,為此要基于晶體管模型,借助EDA工具進行電路性能的評估,分析。在這個階段要依據電路仿真結果來修改晶體管參數;依制程參數的變異來確定電路工作的區間和限制;驗證環境因素的變化對電路性能的影響;最后還要通過仿真結果指導下一步的版圖實現,例如,版圖對稱性要求,電源線的寬度。
(4)版圖實現
電路的設計及模擬決定電路的組成及相關參數,但并不能直接送往晶圓代工廠進行制作。設計工程師需提供集成電路的物理幾何描述稱為版圖。這個環節就是要把設計的電路轉換為圖形描述格式。模擬集成電路通常是以全定制方法進行手工的版圖設計。在設計過程中需要考慮設計規則、匹配性、噪聲、串擾、寄生效應、防門鎖等對電路性能和可制造性的影響。雖然現在出現了許多高級的全定制輔助設計方法,仍然無法保證手工設計對版圖布局和各種效應的考慮全面性。
(5)物理驗證
版圖的設計是否滿足晶圓代工廠的制造可靠性需求?從電路轉換到版圖是否引入了新的錯誤?物理驗證階段將通過設計規則檢查(DRC,Design Rule Cheek)和版圖網表與電路原理圖的比對(VLS,Layout Versus schematic)解決上述的兩類驗證問題。幾何規則檢查用于保證版圖在工藝上的可實現性。它以給定的設計規則為標準,對最小線寬、最小圖形間距、孔尺寸、柵和源漏區的最小交疊面積等工藝限制進行檢查。版圖網表與電路原理圖的比對用來保證版圖的設計與其電路設計的匹配。VLS工具從版圖中提取包含電氣連接屬性和尺寸大小的電路網表,然后與原理圖得到的網表進行比較,檢查兩者是否一致。
參考文獻
關鍵詞:納米尺度互連線 集總參數模型 電路仿真 CMOS射頻集成電路設計
中圖分類號:TN402 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2016)10-0176-02
1 引言
隨著半導體技術的發展,納米尺度的CMOS工藝射頻集成電路(RFIC)在工業、科技、醫藥醫療的應用越來越廣泛,且其工作頻率已經進入微波、毫米波段,如X波段、Ku波段及60GHz應用等[1]。然而,當電路的工作頻率進入到這種高頻頻段時,電路模型的精度是電路能否成功實現的關鍵所在。在電路版圖設計之后,通常是利用Assura和Calibre等工具來獲得互連線的寄生電阻和寄生電容。然而,由于電路的寄生電感比寄生電阻和寄生電容復雜且精度低,很難利用版圖驗證設計工具得到寄生電感值,因此,需要借助于電磁場仿真軟件對傳輸線進行準確模擬。然而,在電路設計初期通常需要考慮用于互連的微帶傳輸線對電路性能的影響,傳統單純利用電磁場仿真軟件進行參數提取的方法無法準確根據設計要求進行參數調整。本文構建了基于物理特性的互連線模型,該模型的寄生參數通過傳輸線物理特性和電磁場仿真軟件得到,易于計算和電路設計分析。同時,該模型的參數和頻率無關,易于電路分析,適用于射頻集成電路的設計。最后,論文詳細論述了將模型用于集成電路設計中的流程。
2 互連線寄生參數仿真模型
射頻集成電路設計中使用的互連線結構按照其類別可分為兩類:第一類是微帶線是以芯片襯底地作為其地平面,第二類是互連線是以某一金屬層(通常是第一層金屬M1)作為其地平面。對于這兩類互連線結構而言,采用襯底地平面作為公共地平面的互連線比采用底層金屬M1作為公共地的互連線更加靈活,因為在實際電路設計中受限于電路結構,其底層金屬需要作為信號線進行器件之間互連,這種情況下需要采用第一種結構來實現信號互連。然而,使用底層金屬M1作地線可以隔離襯底,減少襯底的損耗,因此在集成電路設計中兩種傳輸線結構相互并存。
圖1是互連線的模型圖,該模型為單π集總參數模型,與常規的電感π模型相似[2]。圖1中模型并聯部分表示寄生電容和電阻,串聯部分表示寄生電感和電阻。在設計窄帶寬的電路時,尤其是進行放大器電路設計,關注的是工作頻率附近的參數。所以,方框模型可以視為獨立于工作頻率,即模型在窄帶電路設計中依舊可以使用。模型中,電感L2和電阻R2為互連線自身的分布電感和分布電阻,包含了集膚效應和鄰近效應對電路的影響,而并聯電容和電阻為導線和襯底之間等效電容和等效電阻。
對于該傳輸線模型,其離散參數的矩陣近似于模擬值和實際測量值。根據等效規則,電路的參數都可由Y參數推導得出[3]。在得到每一模塊的參數后,串聯電感值,電阻值和并聯電容值都可以求出。
根據等效規則,工作頻帶的S參數應該與模擬和測試值相同。根據對Y矩陣的定義,可以推導出以下公式:
式中,為工作頻率,函數real()和函數imag()分別代表著復數的實部和虛部。
以上的公式對于大多數傳輸線是可用的,無論傳輸線是否對稱。在大多數情況下,傳輸線的Y1,Y3部分在結構上并不對稱。但是,當兩端口的反射系數的值相同時,將出現對稱的特殊情況。此時傳輸線可化簡為相同的部分,且可從電報方程中得出各元件的值。
在以上的分析中,電容,電感和電阻分別是頻率的參數,而本模型中各部分數值處理成和頻率無關的數值,這將在電路設計中產生誤差。由于替換產生的誤差可有下面公式得出:
是仿真實際S參數值,是模型的S參數值。
通常,當電路的頻率與正常工作頻率差異較大時,由于集膚效應和鄰近效應,這個誤差將會造成更加嚴重的影響。依照上述的模型,我們利用電磁場仿真軟件ADS-Momentum構建了互連傳輸線,該傳輸線采用第二類結構,該傳輸線位于的TSMC 0.18um射頻/混合信號工藝的第6層金屬上,金屬線寬6um,線長115um。工作頻率為10GHz,根據公式(2)得到集總參數模型各個參數如下:
為比較模型和實際電磁場仿真數據之間差別,公式(4)中各個數據對應模型的S參數和電磁場仿真軟件得到的S參數進行了對比,圖2是采用電磁場仿真軟件ADS-Momentum和模型部分參數對比,從圖中可以看出,電磁場仿真軟件的模型和本模型S參數的誤差遠離工作頻率段誤差越大,這是由于公式(2)中對頻率進行了近似處理,遠離工作頻率的點采用工作頻率來代替,由于這種代替,數據之間誤差越大。在其偏離中心頻率50%位置處(即15GHz和5GHz),模型和Momentum仿真數據的差異低于5%。在實際電路設計,通常需要電路設計師關注于傳輸線寄生參數對電路性能影響,此時工作頻率點附近模型簡易、準確是電路設計重點,而偏離工作頻率點的模型誤差在窄帶電路設計是可以接受的。
3 模型在射頻集成電路設計中應用
CMOS射頻集成電路設計是利用已有的有源器件和無源器件模型進行電路設計。傳統的集成電路設計首先進行電路原理圖設計,然后進行電路版圖設計,再進行參數提取,在參數提取中主要利用Cadence系統自身已有的仿真工具Assura來實現,在參數提取結束后再進行后仿真。當電路設計不滿足要求時,需要重復上述過程,然而,在上述的傳統集成電路中,由于參數提取過程的參數為分布參數,難以直接用于電路O計參數調整。同時,傳統的參數提取方法只進行了電阻和電容的參數提取,而對寄生電感沒有進行提取,這將導致電路設計的預期結果和實測結果出入較大。
為克服傳統的射頻集成電路設計的上述不足,可以將本論文的參數模型和集成電路設計相互結合。圖4是本論文的模型應用于射頻集成電路設計中流程圖,在原理圖和版圖設計中依然類似于傳統的集成電路設計方法,但版圖設計及參數提取時將版圖中的互連線單獨分離出來,利用電磁場仿真軟件ADS-Momentum電磁場仿真,仿真結束后利用模型將其中的各個互連線參數提取出來,由于互連線的寬度、長度和圖1中模型的各個參數密切相關,故將互連線得到的各個參數代入到版圖后仿真設計中,檢測互連線參數是否滿足電路設計要求。如果互連線參數滿足設計要求,則電路設計完成;否則,根據要求適當調整互連線參數,并判斷調整后參數是否滿足電路設計要求,如果滿足電路設計要求,則依據重新設計的要求進行版圖調整,完成電路設計。如果調整后的互連線參數依然不滿足電路設計要求,則依據要求進行原理圖設計調整,然后依次重復上述過程。如圖3所示。
從上述的電路設計流程可以看出,在射頻集成電路設計中應用本模型可以及時了解電路中的各個互連線參數,根據電路設計要求調整互連線參數,滿足電路設計要求。在整個設計流程中,首先根據互連線提取參數判斷是否滿足電路設計要求,進而根據設計要求調整互連線參數來滿足電路設計要求,這將簡化傳統電路設計循環,減少電路設計時間,同時通過互連線參數調整將互連線作為電路設計的一部分進行綜合考慮,這將有助于提高電路綜合性能。
4 結語
本文提出了適用電路后仿真的納米尺度互連線模型,該模型基于物理意義而構建,模型的各個參數皆為集總參數,各個參數都可以通過電磁場仿真軟件而獲得并在集成電路設計中進行調整。該集總參數的模型結構簡單,易于使用,適合于CMOS射頻集成電路設計分析中使用,同時文中給出了該模型應用于射頻集成電路設計的流程并分析了其特點,分析表明采用文中模型可以根據電路設計要求進行調整互連線的尺寸,并可將互連線參數作為電路設計的一部分進行綜合考慮,有助于提高電路綜合性能。
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收稿日期:2016-09-28
關鍵詞:可編程器件;譯碼器;數字電路;教學
中圖分類號: G642文獻標識碼:A
引言
數字電路是計算機專業電子技術方面入門性質的基礎課程,其任務是使學生獲得數字電子技術方面的基礎理論、
基本知識和基本技能。通常,數字電路課程的教學是由理論教學、課程實驗、課程設計等教學環節構成的。
可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)是一種數字電路,它可以由用戶來進行編程和配置,利用它可以解決不同的邏輯設計問題。隨著數字集成電路的不斷更新和換代,特別是可編程邏輯器件的出現,使得傳統的數字系統設計方法發生了根本的改變。可編程邏輯器件的靈活性使得硬件系統設計師在實驗室里用一臺計算機、一套相應的EDA軟件和可編程邏輯芯片就可以完成數字系統設計與生產。
MAX+plus Ⅱ是一種與結構無關的全集成化設計環境,使設計者能對Altera 的各種CPLD系列方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。MAX+plusⅡ開發系統具有強大的處理能力和高度的靈活性. 其主要優點:與結構無關、多平臺、豐富的設計庫、開放的界面、全集成化、支持多種硬件描述語言(HDL)等。
1可編程思想在課堂理論教學中的應用
數字電路課程主要包括邏輯代數、基本門電路、組合和時序邏輯電路、可編程邏輯器件及其編程方法的介紹。傳統的教學方法是按順序講授,組合和時序邏輯部分都采用獨立元器件的思想介紹,可編程邏輯器件部分往往由于課時的緣故不講授或者只做簡要介紹。但是隨著電子技術的發展,這種教學思路已經不能很好地體現數字技術的發展方向。所以對數字電路理論教學提出了一些改革思路。
邏輯代數和基本門電路部分還是采用傳統的教學方法,在講授這一部分的同時把可編程邏輯器件及其編程方法這部分內容作為課外作業布置給學生,介紹一些相關的資料供學生課外閱讀,并隨時檢查輔導。在介紹電路設計的時候把可編程邏輯器件部分引入,并作簡要介紹,關鍵是讓學生理解可編程思想,知道整個設計的過程即可,不能花大量時間講述編程語法。如果花過多時間介紹語法,會讓學生轉移學習的重心,忽略數字電路的基礎知識,把數字電路當編程語言課程學習。
隨著計算機的廣泛應用和教學條件的改善,多媒體課件在一定程度上提高了教學效果,可以用Flash等軟件制作電路的應用和工作情況,但因為工作情況非常多,所以制作課件非常麻煩,而且因為不能隨時調整,學生感覺不夠真實。在課堂教學過程中利用多媒體教學環境,采用MAX + plus II軟件進行實際操作演示,MAX + plus II輸入修改方便,仿真結果直觀具體,能夠增強學生對學習內容的感性認識,激發學習興趣,提高課堂教學質量。
以2-4譯碼器部分為例來說明MAX+plus II在數字電路教學中的應用情況。對于譯碼器的定義及其譯碼的理解,其實剛好是硬件描述語言VHDL的行為描述方法,所以我們可以用VHDL語言把2-4譯碼器描述出來作為MAX+plusⅡ的輸入。描述的程序如下:
entity HCT139 is
port(A2, B2, G2BAR, A1, B1, G1BAR : in std_logic;
Y20, Y21, Y22, Y23, Y10, Y11, Y12, Y13 : out std_logic);
end HCT139;
architecture VER1 of HCT139 is
begin
Y10
Y11
Y12
Y13
Y20
Y21
Y22
Y23
end VER1
寫程序的過程其實就是對譯碼器的邏輯的理解過程,那這個程序到底能否完成我們需要的譯碼功能呢?可以用 MAX+plus II軟件的仿真功能,讓學生很清楚地觀察到在控制信號的作用下譯碼器的實際工作情況。仿真波形如圖1所示。
隨著數字電子技術的發展以及可編程邏輯器件的廣泛使用,中規模的集成電路的應用逐漸減少,但是對于中規模集成電路的思想以及功能還是要做介紹。對于中規模集成電路的講授可以結合MAX + plus II的原理圖輸入方法。MAX + plus II的元件庫里有常見的中規模集成電路,并且我們可以利用MAX + plus II軟件的仿真功能,觀察到各種中規模集成電路的工作情況。例如2-4譯碼器74139如圖2所示。
課堂教學中,很多內容都可以利用MAX + plus II軟件直觀地演示出來,比如中規模集成電路的功能和使用、異步二進制計數器的工作、移位寄存器的移位操作等等,這些演示可以使學生感性地理解電路的特性,對理解這些知識起到了很好的輔助作用。如果教師對EDA技術熟悉,演示這些實例并不需要花費太多時間。
2基于可編程邏輯器件的實驗教學
實驗作為學習該課程的一個重要環節,對鞏固課堂教學內容、提高學生的動手能力都具有重要的作用。
在傳統的數字電路實驗教學中,一般采用學生動手搭接各種電路的方法。這種方法對于鍛煉學生的動手能力比較好,實際搭接線路體會更深刻,但是這種方法也有很多不足之處:由于在實驗操作過程中的疏忽,很容易造成電路短路、損壞TTL芯片。教學實驗中,要經常更換芯片,增加了原件的損耗;當電路復雜時,檢查芯片好壞或搭接線錯誤是一項非常繁雜的工作,容易讓學生產生厭煩感。隨著計算機電路仿真及大規模集成電路的發展,傳統的實驗方法得到了改進,引入可編程邏輯器件及其對應的EDA技術,可以增強實驗過程的靈活性,提高學生學習積極性。
基于可編程邏輯器件的實驗平臺在參考文獻[3]做了介紹。繼續選用在理論教學中采用的演示軟件MAX + plus II作為實驗軟件,它使用簡單,不需要花費太多學時講授軟件的使用。因為原理圖的輸入方法更簡單直觀,建議采用原理圖的輸入方法進行實驗。在學生掌握原理圖輸入方法之前,老師可以先做好一些實驗模塊,讓學生直接下載這些模塊到實驗平臺進行測試,邊測試邊學習建立實驗模塊的方法。用MAX + plus II仿真數字電路實驗具有很大的靈活性,掌握得比較好的學生不僅可以按照教師設計的實驗模塊完成實驗,還可以在掌握了設計方法后,利用理論知識自行設計一些實驗模塊。這樣會激發學生的學習興趣,從而進一步提高了學生的綜合素質和創新能力。
3基于可編程邏輯器件的課程設計
數字電子技術課程設計是實踐性課程,同“數字電子技術”理論講授課程有密不可分的關系,起著相輔相成的作用,也是在“數字電子技術實驗”課的基礎上,進一步深化的實踐環節。其主要目的是通過本課程,培養和啟發學生的創造性思維,進一步理解數字系統的概念,掌握小型數字系統的設計方法,掌握查閱有關資料的技能。基本任務是設計一個小型數字電子系統。傳統的使用中小規模集成電路的方法,由于設計小型數字電子系統需要多種元件,每年的課程設計往往受元器件的限制,給的設計題目只有幾個,容易出現雷同,常見的一些設計在網絡上都可以找到現成的設計電路圖。
將可編程邏輯器件引入課程設計,就可以靈活給定各種類型的設計題目,不受元器件的限制。即使一樣的設計題目,實現的方法也可以多樣化,可以采用原理圖的輸入方法,也可以采用硬件描述語言的輸入方法來實現。同時將可編程邏輯器件引入課程設計,就可以直接在實驗平臺上實現,不需要專門的課程設計平臺,從而節省了課程設計的成本,又由于采用了數字電子技術發展的前沿技術,讓學生能了解數字電子技術的發展,真正培養學生對數字電子技術的學習興趣。課程設計的題目難度也容易控制,可以分開檔次。
例如“拔河游戲機”的設計,拔河游戲機需用9個發光二極管排列成一行,開機后只有中間一個發亮,以此作為拔河的中心線,游戲雙方各持一個按鍵,迅速地、不斷地按動產生脈沖,誰按得快,亮點就會向誰的方向移動,每按一次,亮點移動一次。移到任一方終端二極管發亮,這一方就得勝,此時雙方按鍵均無作用,輸出保持,只有經復位后才使亮點恢復到中心線;顯示器顯示勝者的盤數。對于這樣的一個設計題目安排三個人一組,來討論總體實現思路,但是具體的實現方式不能一樣,其中一個人要求用中小規模的集成電路來實現,兩個人用可編程邏輯器件實現,但是分別采用硬件描述語言和原理圖的輸入方法來實現。
開始安排題目的時候,選擇用中小規模集成電路實現的人自信比較足,因為學生對中規模集成器件相對熟悉些,其他兩人因為對可編程器件不是很熟悉,覺得有點難。但是等完成這個設計題目后,叫苦的反而變成采用中小規模集成電路實現的人。另外兩人對自己的設計思想是否正確早通過仿真知道了,連線也只有輸入和輸出,不用反復檢查線路是否接觸好。隨時可以修改,修改完了只需用重新下載程序即可。經過這樣的對比實踐,學生對數字電路的設計有了更深刻的認識,既掌握了數字電路的傳統設計方法,又初步理解了最新的數字電路設計方法。
4結語
CPLD和FPGA器件在集成度、功能和性能方面已經能夠滿足大多數場合的使用要求。用CPLD、FPGA等大規模可編程邏輯器件取代傳統的標準集成電路、接口電路和專用集成電路已成為技術發展的必然趨勢。把可編程思想引入到數字電路課程的教學當中,利用計算機和仿真軟件對數字電路進行模擬、仿真,會顯著地提升數字電路的教學效果,讓學生能夠緊跟市場和技術的前沿。
Teaching of Digital Circuit Based on Programmable Thinking of Hardware
LIU Cai-hong, JI Jin-shui
(Computer Science and Information Engineering College, Northwest Minorities University,Lanzhou 730030, China)
關鍵詞:集成電路 壽命仿真 分析流程 競爭失效 CALCE-PWA
中圖分類號:V263.5 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2017)06(c)-0067-04
由于電子設備對溫度、振動最為敏感,且根據對電子產品失效原因的統計,溫度因素占43.3%,振動因素占28.7%,由這2種應力作用導致的產品的失效為71%[1]。因此,研究集成電路壽命需主要對溫度和振動2種應力進行仿真、評估并預計。據此壽命仿真主體結構中涉及的仿真項目主要有熱仿真、振動仿真、故障預計仿真。在諸如印刷電路板的典型電子產品的服役期內,熱應力、機械應力是產品所承受的主要環境載荷。文獻[2-4]從器件級薄弱環節的失效物理建模出發,通過對整板PCB的振動仿真與實驗,計算了元器件的壽命。文獻[5-7]研究了集成電路的壽命試驗條件,并對PCB電路板組件的溫度分布進行了仿真與實驗研究。此外,國內外學者針對集成電路的失效類別、失效原因開展了大量研究。但是上述研究較多的依賴物理樣機試驗,且計算集成電路壽命時未能綜合考慮集成電路復雜的失效因素。
該文基于協同仿真技術,采用競爭失效機制,選用電子產品中的一個整板PCB作為研究對象,對集成電路壽命進行預測,可在產品設計階段對集成電路的可靠性進行評估,并減少物理樣機試驗成本。
1 壽命分析流程
基于競爭失效機制的集成電路壽命預測的仿真分析流程如圖1所示。首先基于集成電路封裝類型完成模型建立;然后分別從熱仿真、振動仿真中導入模型所需應力參數,加載集成電路壽命剖面;最后根據競爭失效機制,獲取集成電路壽命。其中,集成電路管腳與電路板基板的互連處模型的建立采用競爭失效法則(即“最小薄弱原理”)。
整個流程中各主要步驟如下所示。
(1)獲取集成電路以及電路板組件結構及工藝信息。
(2)根據電路板組件工作環境條件制定壽命周期環境剖面。
(3)基于ANSYS軟件進行仿真分析,獲取熱仿真與振動仿真結果,為基于失效物理的故障預計提供數據支撐。
(4)建立熱故障預計模型與振動故障預計模型,分別進行壽命仿真分析,可得到故障預計結果,基于競爭失效機制,確定集成電路失效狀態,并得到壽命仿真計算結果。
2 研究對象
項目選取的某PCB電路板組件有限元模型網格劃分圖如圖2所示,圖右顯示了集成電路詳細模型的網格劃分效果。電路板組件模型采用SolidWorks軟件建立,對目標集成電路進行詳細的三維模型建模,對其他元器件采用長寬高與之相同的長方體等效處理。使用ANSYS軟件進行仿真分析,用內部MPC約束算法建立接觸單元來處理各元器件和電路板基板的裝配關系。
3 壽命周期環境剖面
熱仿真分析環境條件根據基本試驗中的各種工作環境溫度以及產品工作時對應的環控條件制定。因此,參考典型電子裝備高溫低溫試驗條件[8],確定仿真溫度環境如下:熱天地面階段工作和不工作溫度為+70 ℃,冷天地面階段工作和不工作溫度為-55℃;熱天飛行階段工作溫度為+55 ℃,冷天飛行階段工作溫度為-40 ℃。
參照典型電子裝備環境試驗條件,確定電路板隨機振動試驗的功率譜密度,其最大值W0為0.04 g2/Hz。綜上,按照電路板實際工作條件,將環境應力簡化為溫度循環1(冷天工作)、溫度循環2(熱天工作)和隨機振動,見表1。
4 有限元仿真分析
4.1 熱仿真分析
針對工作環境溫度為70 ℃、55 ℃、-40 ℃、-55 ℃的情r進行穩態熱分析,表2為環境溫度70 ℃時電路板組件溫度云圖和集成電路溫度云圖。
通過對70 ℃工作環境溫度下電路板、集成電路溫度數據進行統計,得熱分析結果,電路板組件平均溫度為80.4 ℃,溫升為10.4 ℃,集成電路平均溫度為82.7 ℃,溫升為12.7 ℃。
4.2 振動分析
(1)模態分析。
振動分析時將電路板兩端插入導軌,故約束兩端UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ自由度;同時電路板兩側面被壓緊,故約束其UX方向自由度,并將約束載荷置于載荷集Constraints中。獲取電路板組件前三階模態振型如表3所示。
(2)隨機振動分析。
在完成模態分析基礎上按照振動環境條件開展隨機振動分析,可獲取位移云圖、加速度云圖。表4顯示了電路板組件位移云圖、電路板組件加速度云圖。
對隨機振動位移與加速度結果進行歸納,可得電路板位移、加速度,集成電路位移,為進行集成電路壽命計算提供數據支撐。
5 壽命仿真分析
5.1 模型建立
該研究中使用的壽命仿真軟件工具是CALCE-PWA,該軟件是用于電子組件設計和分析的一組集成工具,輸入熱分析與振動分析的結果,利用其故障模型可對印制板器件進行工作剖面下的故障預計。在完成電路板建模、部件建模和元器件建模的基礎上形成最終模型。
5.2 剖面設置
從熱仿真結果中獲取集成電路平均殼溫和集成電路安裝位置的電路板表面平均溫度,并按照溫度剖面將集成電路的詳細溫度數據輸入CALCE-PWA軟件中;結合隨機振動仿真結果設置振動剖面。表5給出溫度循環1(冷天工作)、溫度循環2(熱天工作)和振動剖面示例。
5.3 壽命預計
定義并加載集成電路壽命剖面后,即可以對集成電路在各種類型剖面下的失效前循環數/時間進行計算,匯總結果如表6所示。
通過Miner定理計算集成電路溫度循環、隨機振動下的平均首發故障前時間,見表7,集成電路失效狀態為熱失效,失效循環數為260 089。
6 結語
針對集成電路故障預計的仿真是利用結構、工藝和應力等性能參數建立產品的數字模型并進行失效分析。該文介紹了基于競爭失效機制的集成電路壽命評估流程,并以某型號集成電路進行仿真分析,確定了該集成電路的失效狀態與失效循環次數。基于虛擬樣機技術的集成電路壽命分析方法可應用于產品設計各個階段,并減少物理樣機試驗成本,為評估集成電路的可靠性提供依據。
參考文獻
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【關鍵詞】無觸點;電接點壓力表;霍爾集成電路
1.引言
在工業控制領域,經常需要對設備的壓力參數進行測量。電接點壓力表則常用于測量和控制各種管道和容器中的液體、氣體或蒸汽的壓力及真空。電接點壓力表是一種現場指示、控制儀表,屬自動化儀表范疇,其一般精度等級為1.0-4.0級。
2.無觸點電接點壓力表概述
2.1 電接點壓力表的工作原理及存在問題
電接點壓力表是由彈簧管壓力表加裝電氣接點開關所組成,除可指示壓力的大小外,還用于發出壓力越限信號。其測壓原理是基于測量系統中的彈簧管在被測介質的壓力作用下,迫使彈簧管末端產生相應的彈性變形。固定在機芯齒輪上的指針將被測值在度盤上指示出來;與此同時,帶動接點觸頭產生相應閉合或斷開的動作以使控壓系統中的電路得以接通或斷開,從而實現自動控制報警和現場指示的目的。[1]
目前國內電接點壓力表的準確度、彈性元件的抗疲勞度等技術性能指標均已達到較高的水準,但由于在實際使用中,壓力表電接點觸點的負載大都為感性負載,在觸點通斷瞬間,均會產生電弧,使觸點灼蝕甚至燒結在一起,以至于失效、損壞。[2]
2.2 無觸點電接點壓力表
為解決普通電接點壓力表存在的問題,本設計取消了電接點壓力表中的機械觸點(銀觸點或磁助式電觸點)。分別在上限設定指針和下限設定指針的適當位置上各安裝一只霍爾磁敏集成開關,在原動觸點轉臂適當位置上安裝一只體積較小的高磁能積永磁鐵,兩者組成一組無觸點控制開關。調節上限指針指示的壓力值即可設定控制上限,調節下限指針指示的壓力值即可設定控制下限,兩指針所指示的壓力差即為控制區間。
在電路設計上,為了保證霍爾磁敏集成開關觸發后不因永磁鐵位置的變化而使電路狀態發生變化,采用CMOS與非門集成電路組成具有記憶功能的Rs觸發器[3]。由于CMOS集成電路的輸出電流有限、帶負載能力弱,因此需要在其輸出端連接一只高增益達林頓管,給后續電路提供足夠的工作電流。
2.3 霍爾磁敏集成電路
霍爾集成電路是一種集成化的磁敏傳感器。它是把霍爾元件、差分放大器、施密特觸發器和輸出器四部分做在同一硅片上的磁電轉換集成器件。輸入為磁感應強度,輸出為電信號。其輸出的電信號隨著檢測到的磁感應強度的增減而變化。[4]作為開關霍爾傳感器來應用的霍爾集成電路,其變化是數字的,即輸出電信號與磁感應強度呈開關狀態關系。[5]霍爾集成電路的輸出可以直接驅動TTL、CMOS等集成電路和各種類型大、中、小晶體管。
霍爾開關集成電路可用于:無觸點開關、位置傳感、旋轉傳感、自動檢測控制等。霍爾開關集成電路應用特點為:無觸點、長壽命、高可靠、無火花、無自激振蕩、工作頻率寬。抗污能力強,抗干擾能力強,負載能力強。輸出數字化,結構簡單、堅固、體積小安裝方便等。[6]
3.機械結構及原理簡介
對普通電接點壓力表進行改裝,改裝完成后的內部結構如圖1所示。它是由引壓接頭1、彈簧管2、壓力測試指針3、擋塊4、止釘5、下限設定指針6、固定在6上的霍爾磁敏集成開關7(Ic1)、裝固在9上的永磁鐵8、轉臂9、調節9轉動力矩的游絲10、裝固在12上的霍爾磁敏集成開關11(Ic2)、上限設定指針12、機芯連桿機構13所組成。
工作初始階段,永磁鐵8和轉臂9在游絲10彈簧力的作用下緊靠著設定指針6上的止釘5。此時霍爾磁敏集成開關7處于觸發導通狀態,無觸點開關導通,負載得電工作。當系統壓力上升,彈簧管2端部的位移通過機芯連桿機構13帶動,使指針3轉動。當指針3指到下限設定指針6所指的壓力值時,永磁鐵8和轉臂9在指針3上擋塊4的推動下,隨壓力的上升一起轉動。當指針3隨壓力的進一步上升,指到上限設定指針12所指的壓力值時,永磁鐵8觸發霍爾磁敏集成開關11導通。無觸點開關關斷使負載失電,壓力源動力停止工作。壓力下降時永磁鐵8轉臂9在游絲10彈簧力的作用下隨指針3一起移動。當系統壓力下降到下限設定值時,永磁鐵8觸發7再次導通,無觸點開關導通負載得電,壓力源動力重新工作。如此反復,達到測量和控制的目的。根據工作需要設定指針6、12可在全量程范圍內任意設定。
4.電路原理圖及簡介
控制電路需實現的基本功能為:當系統壓力低于下限設定值時,需要在達林頓管T的基極輸入高電平使其導通,從而負載得電開始工作。在系統壓力達到上限設定值前,電路應當使負載保持工作狀態。當系統壓力高于上限設定值時,在達林頓管T的基極輸入低電平使其截止,此時負載失電停止工作,系統壓力逐漸下降直至壓力降至下限設定值。當系統壓力降至下限設定值時,應當使達林頓管T的基極再次獲得高電平并導通,負載得電工作。以上便是電路的一個工作周期。
需求電路的工作邏輯正好對應了Rs觸發器具有的邏輯功能。因此可以用Rs觸發器來實現本裝置的核心控制電路。電路的工作狀態可以用表1詳細描述,該表與Rs觸發器的真值表完全對應。
本設計的電路原理圖如圖2所示。它主要包含的元器件及功能:直流極性保護二極管D;用于濾波穩壓的電容和穩壓二極管C1、C2、DW;霍爾磁敏集成開關Ic1、Ic2;與非門組成的Rs觸發器Ic3;達林頓管T;光電耦合器Ic4;雙向可控硅SCR及用于過壓保護的壓敏電阻VR。
圖2電路中,通過光電耦合器Ic4將交流控制電源與直流工作電源隔離,增加了電路的抗干擾性能和安全性。為進一步提高儀表的可靠性,在SCR兩端增加了R7、C3緩沖保護網絡和VR壓敏電阻,以防SCR因浪涌電壓過高而發生擊穿。
5.實驗裝置的制作
選用一只¢150,規格為16MPa的電接點壓力表。具體實驗裝置的制作步驟如下:(1)將其下限設定指針和上限設定指針拆下并去掉銀觸點或磁助觸點,重新制作2個銅質上、下限設定指針如圖3、圖4。(2)在其針上設置安裝霍爾磁敏集成開關Ic1、Ic2用的裝夾卡,將Ic1安裝在下限設定指針6上,Ic2裝固在上限設定指針12上。(3)在下限設定指針6的適當位置上鉚接好止釘5。(4)去掉原表上的兩動觸點及轉臂,重新制作一個可裝固永磁鐵8的銅質轉臂9見圖3、圖4。(5)將游絲10一端固定,另一端與轉臂9相連,并調整好力矩。(6)將改裝好的設定指針6、12及轉臂9一起裝回原支架,再將支架部件重新安裝到電接點壓力表中。至此,設計的無觸點電接點壓力表的機械部分制作完成。
印刷電路板的尺寸選擇小于48×30mm為宜,將焊接好元器件的PCB板安裝至表內空隙處即可完成整個實驗裝置的制作。主要電器元件的選擇:Ic1、Ic2可選用UGS―3120T或UGS―3020T型號的霍爾磁敏集成開關;Ic3選擇CD4011兩輸入端四與非門;IC4使用型號為MOC3041的光耦。關于SCR雙向可控硅的選擇:當控制對象電源電壓為220V時,選擇額定正向平均電流和耐壓值為6A/600V的雙向可控硅。當控制對象電源電壓為380V時,選取參數為6A/1200V―1500V的雙向可控硅。其它元器件根據具體情況計算后進行選擇。
6.結束語
本設計測量和控制構件之間沒有機械接觸,所以無機械磨損且解決了一般電接點壓力表在機械觸點處產生電火花的問題。此外普通電接點壓力表在開關動作時,均不同程度地存在微小的機械來回位移和回彈,使被控對象產生頻繁的重復動作,特別是在有振動的場合更是如此。無觸點電接點壓力表由于開關一旦動作不會因微小的機械位移、回彈而發生頻繁的重復動作,這一優點是普通電接點壓力表無法比擬的。由于無觸點電接點壓力表具有上述優勢,故其在工業生產中具有較高的實用價值。
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