Вопросы для самоконтроля 3 страница

Рис. 2. 26. Зависимость амплитуды допустимой помехи от длительности для RS- триггера на логических элемнтах серии К130 и К155

Отраженная энергия характеризуется коэффициентом отражения по напряжению или по току :

Амплитуда отраженного импульса может быть определена из соотношений .

Рис. 2. 28. Искажение импульсного сигнала (а) при передаче его по длинной линии в случае ее полного согласования (в) и рассогласования на обоих концах (в, г)

Влияние неоднородности линий на характер искажения импульса напряжения иллюстрируется рис. 2. 28. К началу согласованной с генератором сигналов электрически длинной линии подан скачок напряжения (рис. 2. 28, а). Если линия на конце нагружена на сопротивление (линия согласована на конце), то перепад напряжения, достигнув через время конца линии, не изменит своей формы (рис. 2. 28, 6), так как отражения по напряжению и . Если линия не согласована с одного или с обоих концов, то искажения сигнала носят апериодический (рис. 2. 28, в) или колебательный (рис. 2. 28, г) характер.

Апериодический переходный процесс имеет место при условии ( или ), а колебательный — при условии , где и — коэффициенты отражения по напряжению от начала и конца линии. Длительность «ступенек» сигналов составляет 2t_n. Если переходный процесс носит апериодический характер, то быстродействие цифровых узлов уменьшается, так как увеличивается время нарастания амплитуды сигнала до номинального значения и должна быть уменьшена тактовая частота следования импульсов. Если переходный процесс колебательный, то это может вызвать ложное срабатывание логических элементов при значительной амплитуде колебаний сигналаоколо порогового значения. Кроме того, выбросы напряжения могут привести к пробою p-n-переходов полупроводниковых приборов или к насыщению транзисторов логических элементов ЭСЛ (это также снизит быстродействие).

Максимальная геометрическая длина несогласованной электрически длинной линии различна при различных длительностях фронта сигнала: мм при нс; мм при нс; мм при нс. Отражение импульсов в электрически коротких линиях не опасно из-за их малой (по сравнению с длительностью фронта) длительности. Это определяется ограниченной полосой пропускания линий связи, а также повышенной помехоустойчивостью схем при малых длительностях помех (см. рис. 2. 26, 2. 27).

Помехи в электрически коротких линиях связивозникают из-за «паразитных» связей между различными электрическими соединениями и различными компонентами в пределах одного соединения (например, шины питания) и могут привести к сбою в работе цифровых схем. Несмотря на то, что в цифровых узлах используют схемы с небольшим коэффициентом усиления по напряжению (в 10⁴... 10⁵ раз меньшим, чем, например, в аналоговых блоках РЛС), наличие большого числа параллельных связей, а также высокая плотность компоновки требуют принятия специальных мер для обеспечения ЭМС с учетом помех в электрически коротких линиях. Паразитные связи определяются конструкцией РЭС и параметрами используемых материалов (особенно диэлектрической проницаемостью). Все виды внутренних паразитных связей делят на емкостные, индуктивные и кондуктивные. Если сигнал (составляющая спектра), наводящий помеху, имеет гармонический характер, то независимо от характера паразитной связи (рис. 2. 29) амплитуда помехи может быть определена по формуле

(2. 3)

где — напряжение помехи на сопротивлении нагрузки ; — напряжение источника помех, приложенное к линии, наводящей помеху; — сопротивление паразитной связи; —коэффициент связи по напряжению.

Из рассмотрения рис. 2. 29, а и формулы (2. 1) следует, что в общем случае сопротивление паразитной связи и сопротивление нагрузки образуют делитель напряжения. В том случае, когда паразитная связь носит емкостный характер (рис. 2. 29, 6), , где — паразитная емкость (емкость паразитной связи). Тогда

где - коэффициент емкостной связи; — емкость нагрузки, равная сумме емкостей собственно линии связи, выходной емкости передающей и входной емкости приемной схемы соответственно.

В том случае, когда паразитная связь носит индуктивный характер (рис. 2. 29, в), напряжение помехи , где —взаимная индуктивность, Гн; — ток в первом контуре, A; t — время, с. Можно показать, что , где —коэффициент индуктивной связи; —индуктивность первого контура.

Рис. 2. 29. Схемы паразитной связи: а—обобщенной; 6 — емкостной; в — индуктивной; г — кондуктивной

Можно определить , не вычисляя М и , а используя то обстоятельство, что при (вакуум) коэффициент емкостной связи в вакууме равен коэффициенту индуктивной связи .

При кондуктивной связи (рис. 2. 29, г) помехи выделяются на сопротивлении связи , которое складывается из внутреннего сопротивления шин питания и внутреннего сопротивления источника питания . Так как , то коэффициент кондуктивной связи

Природа зависит от частотного спектра сигнала, наводящего помеху. Для постоянного тока и очень низких частот это в основном сопротивление дросселей фильтра, диодов выпрямителя, внутреннего сопротивления химических источников питания; для звуковых частот — активное сопротивление шин питания, емкостное сопротивление конденсаторов фильтра; на высоких частотах — индуктивное сопротивление шин питания и конденсаторов фильтра.

Чтобы оценить ожидаемое искажение сигналов и наводки (помехи), необходимо рассчитать электрические параметры линий связи ( , , , , M, )по известным конструктивным данным (геометрическим размерам, физическим параметрам материалов, конструктивному исполнению; числу и взаимному расположению взаимодействующих линий связи) по формулам, приведенным в табл. 2. 15, а также по графикам рис. 2. 30— 2. 33. Точность формул составляет: 5... 10% для одиночного объемного проводника, одиночного проводника над экраном, экранированного проводника, коаксиального кабеля; 15... 20% для пары объемных проводников над экраном; 20... 30% для печатных проводников.

Таблица 2. 15 Расчетные соотношения для определения электрических параметров электромонтажа по известным конструктивным параметрам

На рис. 2. 30 представлена зависимость волнового сопротивления печатного проводника, расположенного в вакууме ( = l), от соотношения его ширины w к расстоянию до экранирующей плоскости. Эти графики справедливы, если толщина проводника мала по сравнению с шириной w. Для печатного проводника,

расположенного в среде с

, волновое сопротивление линии

. Графики, представленные на рис. 2. 31, позволяют определить волновое сопротивление линии связи в зависимости от геометрических размеров w,

и диэлектрической проницаемости материала платы при условии, что

. Волновое сопротивление линии на плате без экрана составляет 2Z.

Рис. 2. 30. Графики для расчета волнового сопротивления внешнего и внутреннего проводников печатной платы с экранирующей плоскостью (кривая /) и волнового сопротивления внутреннего проводника, расположенного между двумя экранирующими плоскостями в вакууме (кривая 2)

Рис. 2. 31. Волновое сопротивление печатных полосковых линий

Рис. 2. 32. Взаимная емкость печатных проводников в вакууме

Рис 2. 33. Зависимость Рис. 2. 34. Параллельные электрические короткие

емкости между плоскими линии связи(а) и эквивалентная схема для

проводниками, располо расчета помех в линии (б): АЛ- активная

женными в вакууме, линия; 1-передающие; 2- приемные схемы

отношение расстояния; - емкость линии относительно земляной между проводниками d шины

к ширине проводников w

Емкость между двумя проводниками, расположенными с одной или с двух сторон печатной платы, можно определить, используя графические зависимости рис. 2. 32 и 2. 33, по формуле , где — удельная емкость линии, пФ/см, расположенной в среде с (вакуум, сухой воздух); — длина линии, см.

При расчете допустимых параметров электрически коротких линий обычно исходят из эквивалентной схемы (рис. 2. 34, б). Допустим, что собственной индуктивностью линий можно пренебречь; входное и выходное сопротивления и фронты линейны. Тогда для интервала времени напряжение помехи, отсчитываемое от статического уровня напряжения в линии,

(2. 2)

где —перепад тока в линии, наводящей помеху; — постоянная времени; —суммарная емкость. Из соотношения (2. 2) следует, что емкостная помеха преобладает, если . Таким образом, емкостная помеха существенна при больших перепадах напряжения, больших выходных сопротивлениях и сильной емкостной связи. Индуктивная помеха существенна при больших перепадах токов в линиях (малых ) и сильной индуктивной связи.

Логические элементы ТТЛ различаются быстродействием (потребляемой мощностью) и выходным сопротивлением. Маломощные элементы (Р< 1 мВт) с большим выходным сопротивлением наиболее критичны к емкостным запирающим помехам. Элементы высокого быстродействия (Р> 10мВт) с малым выходным сопротивлением наиболее чувствительны к индуктивным отпирающим помехам. Для элементов ТТЛ среднего быстродействия (1< Р< 10мВт) необходимо учитывать емкостные запирающие и индуктивные отпирающие помехи. Элементы со структурой МДП характеризуются очень малыми входными токами и большими (кОм) выходными сопротивлениями. Поэтому для них наиболее опасными являются емкостные отпирающие и запирающие помехи. Элементы ЭСЛ, имеющие очень малое выходное сопротивление (около 10 Ом), нечувствительны к емкостным и индуктивным помехам в электрически коротких линиях.

При расчете линий связи микросборок на коммутирующем полиимидном, керамическом или алюминиевом (с анодированием) основании необходимо учитывать не только паразитные связи, но и постоянные времени линий связи. Это особенно важно для линий связи микромощных элементов со структурой КМДП. Постоянная времени линии связи зависит от емкости схемных элементов, емкости линий связи относительно шины с нулевым потенциалом («земляной»), паразитных емкостей относительно других линий связи, активного сопротивления линий связи. В ряде случаев минимум постоянной времени линий связи является критерием оптимального размещения ИС в составе микросборки.

§ 2. 6. Методы уменьшения помех в электрических соединениях цифровых узлов

Уменьшение помех в электрических соединениях цифровых узлов РЭС достигается схемотехническими, конструкторскими и технологическими методами.

К схемотехническим методам относятся: 1) использование элементной базы с максимальной помехоустойчивостью; 2) применение LC-фильтров в цепях питания; 3) компенсация помех (например, использование скрученных пар проводов); 4) применение амплитудного и временного стробирования и т. д.

К конструкторским методам относятся: 1) уменьшение числа конструкторско-технологических типов линий связи в одной цепи; 2) ослабление паразитной связи путем разнесения источников и приемников помех либо ортогонального расположения проводников в соседних слоях печатной платы, уменьшения длины взаимодействующих участков линий, использования материалов с малой диэлектрической проницаемостью; 3) увеличение числа точек заземления и сечения шин питания; 4) частичное экранирование печатных плат (рис. 2. 35) или введение межобмоточных экранов в трансформаторы; 5) уменьшение размеров контактных соединений, например путем замены разъемных соединений на неразъемные, в частности эластомерные.

К технологическим методам относятся: 1) увеличение однородности линий одного технологического исполнения (печатный проводник, коаксиальный кабель и т. д. ); 2) уменьшение разброса параметров элементов схемы благодаря изготовлению их в едином технологическом цикле (например, пар транзисторов схем ЭСЛ); 3) освоение производства изделий с улучшенными свойствами (кабельных изделий с экраном, эластомерных контактов).

При размещении конденсаторов фильтров в цепях питания цифровых (логических) ИС пользуются рекомендациями руководящего технического материала по применению данной ИС. При использовании частичного экранирования печатных плат (рис. 2. 35) коэффициент емкостной связи уменьшается при введении как заземленного проводника (уменьшается ), так и экранирующей плоскости (увеличивается ). Увеличение сечения шин питания достигается при использовании навесных шин слоистой конструкции (рис. 2. 36) или отдельных слоев печатных плат в качестве шины с нулевым потенциалом. Слои могут выполняться в виде сплошных листов или сетки. При этом в печатных проводниках с увеличенной шириной или сплошных слоях выполняют отверстия (рис. 2. 37), предназначенные для отвода выделяющихся при пайке газов. Для увеличения прочности сцепления проводников с основанием платы типа ДПП в плате делают дополнительные металлизированные отверстия (рис. 2. 38).

Рис. 2. 35. Экранирование печатных полосковых линий шиной снулевым потенциалом (1) и металлической пластиной

Для повышения технологичности электрических соединений следует выбирать такие элементы (например, ТТЛ), чтобы допуски на разброс параметров линий связи были как можно большими, число типов соединений—как можно меньшим (например, только печатный монтаж и монтах одиночным обьемным проводом. При выборе способов межконтактной коммутации и контактирования надо стремиться использовать групповые технологические процкссы (печатный монтаж плоские кабели, групповые методы контактирования) и автоматизированные методы (монтаж накруткой, стежковый монтаж с контактированием пайкой и сваркой, пайкой волной припоя и т. д. ). Особое внимание необходимо обращать на то, чтобы последующие технологические воздействия не оказали отрицательного влияния на результаты предыдущих операций. Так, если платы с помощью металлизированных отверстий производится пайка нескольких близкорасположенных контактов одной линии связи, то каждая последующая пайка должна производиться более легкоплавким припоем во избежание разрушения предыдущих паек. То же самое относится к герметизации корпуса пайкой или сваркой, если внутри находятся чувствительные к перегреву элементы. В этом случае можно осуществить теплоотвод от корпуса, исключающий перегрев элементов внутри корпуса.

Рис. 2. 36. Навесная шина питания слоистой конструкции (а) и пример выполнения сетчатого слоя питания и заземления (б): 1 — шина питания; 2—диэлектрик; 3 — шина с нулевым потенциалом

Рис. 2. 37. Примеры выполнения экранов печатного монтажа

Рис. 2. 38. Дополнительное крепление печатного проводника к основанию

При разработке конструкции электрических связей необходимо обращать внимание на возможность доступа к отдельным частям при изготовлении и ремонте без полной разборки. Для этого отдельные части подключают с помощью разъемных соединителей и допускается разгерметизация и повторная герметизация гермо-корпусов.

§2. 7. Разработка конструкций электрических соединений на основе печатных плат

Разработка конструкции электрических соединений РЭС осуществляется на основе системного подхода, который рассмотрим применительно к разработке конструкции печатной платы цифрового устройства. Эта задача особенно актуальна для одноплатных конструкций микроЭВМ, доля которых к 1995—2000 гг. составит 80... 90% всех выпускаемых ЭВМ. Переход на одноплатные S конструкции обусловлен достижениями в технологии (освоение выпуска БИС микропроцессоров и полупроводниковых ЗУ).

Исходными данными для проектирования одноплатной конструкции являются: 1) принципиальная электрическая схема, которая определяет число элементов и характер связей между ними, число и характер внешних связей, элементную базу (степень интеграции, защищенность от внешних воздействий, номиналы напряжений питания, геометрические размеры, помехоустойчивость, быстродействие, нагрузочная способность; входное и выходное сопротивления и емкость и т. д. ); 2) технические требования к конструкции — условия работы (объект установки, температурный диапазон, характер механических и климатических воздействий, уровень внешних электромагнитных помех); конструктивные ограничения — требования по типизации, унификации, преемственности; технологические ограничения (тип производства, номенклатура освоенных технологических процессов и т. д. )

При разработке электрических соединений на основе печатной платы определяются: 1) конструкторско-технологический тип платы, ее класс плотности, материал основания, 2) площадь, габариты и соотношение размеров сторон платы; 3) параметры элементов платы (ширина проводников и размер зазоров, размеры отверстий и контактных площадок и т. д. ); 4) размещение элементов; 5) рисунок печатных трасс.

При выборе конструкторско-технологического метода изготовления печатной платы, который, как правило, определяет плотность компоновки, учитываются возможности различных методов (см. табл. 2. 5, 2. 6, 2. 8, 2. 9), а также стоимость производства и эксплуатации. Стоимость производства Н, имеющая размерность нормо-ч/дм², зависит (рис. 2. 39) от сложности механической обработки, характеризуемой параметром (число отверстий на квадратный сантиметр платы), класса плотности платы (имеется три класса плотности, см. табл. 2. 3), числа слоев платы . При выборе материала основания учитываются требования по стоимости, теплоотводу, прочности, согласованности ТКЛР платы и навесных элементов, возможностям формовки, диэлектрической проницаемости е, потерям ( ), электрической прочности, влагостойкости.

При производстве бытовой аппаратуры используются конструкторско-технологические методы, позволяющие получить РЭС низкой стоимости (ОПП, ДПП, выполненные по первому классу плотности), дешевые и недефицитные материалы основания (гетинакс, стеклотекстолит, эмалированная сталь). Для аппаратуры четвертого поколения используются конструкторскотехнологические методы, позволяющие получить высокую плотность компоновки и надежность; стоимость в этом случае играет второстепенную роль.

Рис. 2. 39. Зависимость удельной трудоемкости изготовления печатных плат в нормо-часах на квадратный дециметр (нормо-ч/дм²) от плотности размещения отверстий (а), класса плотности (б), числа слоев (в) при серийном производстве

Для бортовой аппаратуры используют ИС в микрокорпусах либо в бескорпусном исполнении, для размещения которых требуются МПП из стеклотекстолита, полиимидной пленки, керамики, выполненные по третьему классу плотности и выше (аддитивные и полуаддитивные методы). Основания из металла используют для теплонапряженных плат (источников питания) и когда надо обеспечить высокую механическую прочность или сложную форму. На выбор материала основания влияет частотный диапазон сигналов. Для плат, работающих в диапазоне ВЧ, выбирают материал с малыми значениями и (стеклотекстолит, фторопласт, гетинакс, текстолит), а для плат, работающих в диапазоне СВЧ, — материалы с большим значением е (что позволяет уменьшить размеры плат) и малыми потерями (ситалл, поликор, керамика 22ХС, оксид бериллия ВеО, брокерит Ве₂О₄, фольгированные диэлектрики на основе фторопласта или смесей органической связки с неорганическими наполнителями, имеющими ).

При определении площади платы, габаритов и соотношения размеров сторон системность подхода заключается в необходимости учета следующих факторов: площади размещаемых на плате элементов и площади вспомогательных зон; допустимых габаритов с точки зрения технологических возможностей и условий эксплуатации, числа контактов внешних связей, допустимой задержки распространения сигнала в линии связи, коробления плат. При определении площади платы суммарная площадь устанавливаемых на нее элементов умножается на ко6эффициент дезинтеграции, равный 1, 5... 3, и к этой площади прибавляется площадь вспомогательных зон, предназначенных для размещения соединителей, направляющих, элементов фиксации, крепления, индикации, фильтрации и т. д. Дезинтеграция осуществляется с целью обеспече6ния зазоров для размещения лини6й связи, теплоотвода, доступности к элементам роботов и манипуляторов. Чрезмерное уменьшение зазоров между элементами на плате может привести к увеличению напряженности теплового режима и, как следствие, к увеличению объема системы охлаждения. Максимальные габариты плат (особенно МПП) ограничиваются их жесткостью (при малой жесткости может произойти обрыв печатных проводников уже в производстве), а также требованиями по точности (для плат первого класса плотности 470x470 мм, для плат второго класса 240x240 мм, для плат третьего класса 170x170 мм). Совершенствование технологии может принести к изменению приведенных значений. Габаритные размеры плат могут определяться и требованиями по жесткости в условиях эксплуатации. Необходимо уменьшать длину и ширину и увеличивать толщину плат высокой жесткости по сравнению с габаритами, допускаемыми при их производстве. При определении габаритных размеров следует учитывать, что размеры платы должны быть кратны некоторому модулю (2, 5 мм для плат " 20 тыс. логических со стороной до 100 мм, 5 мм элементов для плат со стороной до 350 мм, 10 мм для плат со стороной более 350 мм).

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8 91011 12 13 Следующая ⇒