Вопросы для самоконтроля 4 страница

Рис. 2. 40. Зависимость числа сигнальных контактов N для внешних соединений от числа элементов С логического функционального узла

Если плата выполняется для устройства, поставляемого на экспорт, или для микроЭВМ, то в качестве минимального модуля берется размер 2, 54 мм или кратный ему размер мм.

Соотношение сторон печатной платы зависит от допустимой задержки распространения сигнала в линии связи, числа контактов внешних связей, механической прочности и жесткости платы, допустимого коробления платы. Быстродействие логических узлов зависит не только от быстродействия логических элементов, но и от задержки сигналов в линиях связи. Считается, что задержка сигнала в линии связи должна быть примерно равна скорости срабатывания (длительности фронта) элемента. Поэтому для сигнала с не при удельной задержке распространения сигнала в линии связи 5 нс/м максимальная длина линии связи не должна превышать 0, 3 м. Это выдерживается, например, для платы с размерами сторон 170 75 мм, где наибольшая длина линии связи составляет 170+75=245 мм. Контакты для внешних связей располагаются на плате с шагом 2, 5 или 1, 25 мм, иногда допускается шаг 0, 625 мм. В зависимости от сложности узла число контактов на плате может достигать нескольких сотен или тысяч (рис. 2. 40, 2. 41, табл. 2. 16). Зависимость, представленная на рис. 2. 40, описывается формулой .

Таблица 2. 16 Тенденции изменения некоторых характеристик полупроводниковых ИС

Характеристика	Годы
Характеристика
Минимальные размеры элементов, мкм Площадь кристалла, мм²Число внешних выводов, шт. Степень интеграции	10... 7 3... 6 6... 18 2... 3	40 3... 4	56, 3 64 4... 5	56, 3 256 5... 6	Менее 1 100 512... 1024 6... 7

Это отношение справедливо только для логических узлов; число внешних выводов устройств памяти, имеющих регулярную структуру, меньше. Кроме того, предполагается, что информация передается в параллельном коде (для последовательного кода требуется меньшее число выводов) и узел не является законченным логическим устройством (в противном случае число внешних выводов также меньше). Можно несколько уменьшить длину стороны платы, предназначенной для размещения контактов внешних связей, размещая их в несколько рядов (смещая контакты в рядах на определенный шаг), но при большом числе контактов часто это не позволяет расположить их на одной стороне и приходится занимать вторую (противоположную) сторону. В этом случае стороны, не занятые контактами, целесообразно делать короче, чтобы сократить время распространения сигнала. Из условий получения достаточной жесткости платы (см. гл. 5) следует, что отношение размеров сторон платы не должно превышать 3: 1; разделение на платы меньшей площади невыгодно, так как при этом увеличивается трудоемкость сборки из-за необходимости выполнения межплатной коммутации.

При определении параметров элементов платы и структуры слоев системность подхода заключается в необходимости нахождения компромисса между экономически обоснованной точностью изготовления и требованиями по обеспечению электромагнитной совместимости (нестабильность волнового сопротивления линий связи, наличие емкостных, индуктивных и кондуктивных связей).

Толщина слоев МПП зависит от волнового сопротивления линии связи, а также от допустимой паразитной емкости между линиями связи, расположенными в соседних слоях. При емкости одного пересечения проводников от 0, 1 до 1, 5 пФ и 2000 пересечений для одной связи в пределах платы паразитная емкость может достигать 200... 3000 пФ, что приведет к увеличению постоянной времени линии связи, увеличит нагрузку на передающую логическую схему.

Рис. 2. 41. Зависимость числа внешних соединений N от числа ИС ( . ) для типового элемента замены (а) и панели (б) ЕС ЭВМ

Волновое сопротивление линии связи зависит от толщины диэлектрического слоя, диэлектрической проницаемости материала, ширины проводников. Так как все эти параметры имеют разброс, то колеблется и волновое сопротивление линий связи как от платы к плате, так и в пределах платы (колебания могут достигать +10%). Структура платы определяется числом, толщиной и порядком расположения слоев.

Число слоев МПП зависит от степени интеграции ИС, устанавливаемых на плату элементов, общего их числа и конструктивного исполнения. При увеличении степени интеграции ИС (увеличении числа внешних выводов) число слоев платы уменьшается. Например, для схемы, содержащей 25 000 логических элементов, при использовании компонентов с 68 внешними выводами для соединения требуется четыре сигнальных слоя, а при увеличении числа внешних выводов до 200—только два. Число слоев МПП зависит также от конструктивного исполнения ИС. Так, корпус ИС с двумя рядами внешних выводов, занимающий в три раза большую площадь, чем керамический микрокорпус (кристаллодержатель), и в 10... 12 раз большую площадь, чем бескорпусные ИС (кристаллы), можно в ряде случаев разместить на ДПП. Для коммутации ИС в микрокорпусах необходимо около 6... 8 слоев; еще больше слоев требуется для коммутации бескорпусных ИС.

Толщина МПП определяется числом слоев и их толщиной. Обычно шины питания, шины с нулевым потенциалом и сигнальные шины (линии связи) располагаются в различных слоях, сигнальные — во внешних (там устанавливаются ЭРЭ и ИС), а шины питания и «земляные» шины — во внутренних слоях. Иногда наружные слои являются экранирующими; в этом случае в них выполняются окна для доступа к контактным площадкам на слоях, находящихся под экранирующими. Толщина ОПП определяется прочностью и жесткостью, а для ДПП и МПП с металлизацией сквозных отверстий (с целью облегчения гальванического меднения отверстий) требуется, чтобы отношение диаметра отверстий к толщине платы было не менее 0, 4 для плат первого класса плотности и 0, 33 для плат второго и третьего классов плотности. Толщина гибких печатных кабелей 0, 06... 0, 3 мм; плат типа ОПП и ДПП — 0, 8; 1, 0; 1, 5; 2, 0; 3, 0 мм. Наибольшее распространение получили платы толщиной 1, 0 и 1, 5 мм. Толщина плат на металлическом основании 0, 8 мм.

Размещение ЭРЭ и ИС на плате предшествует трассировке линий связи и во многом определяет эффективность трассировки. Системность подхода к размещению элементов заключается в том, что, с одной стороны, необходимо разместить элементы как можно более плотно, а с другой — обеспечить наилучшие условия для трассировки, электромагнитной и тепловой со вместимости, автоматизации сборки, контактирования и контроля. При размещении элементов цифровых узлов, как правило, используется регулярная структура фиксированных посадочных мест. Шаг размещения элементов указан в нормативной документации. При размещении элементов цифровых узлов всю схему делят на группы тесно связанных между собой (имеющих большое число связей) элементов. Группу, которая имеет наибольшее число связей с соединителями или контактными площадками внешних связей, размещают ближе к ним. Затем размещают группу, которая имеет наибольшее число связей с первой и т. д. При размещении логических элементов их можно менять местами, так как помехоустойчивость их достаточно высока. Иногда на плате цифрового узла имеются аналоговые схемы (усилители считанных с устройств памяти сигналов, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. д. ). В этом случае элементы аналоговой схемы располагаются на плате в последовательности, в которой они изображены на схеме, элементы, относящиеся к одному каскаду, должны быть расположены ближе к осевой линии, общей для каскада. Вход и выход схемы должны быть максимально разнесены во избежание возникновения паразитных связей и изменения параметров усилительных каскадов (искажений, возбуждений, зависимости параметров от частоты). Не допускается менять местами элементы различных каскадов. Размещение элементов в этом случае осуществляется без выделения на плате фиксированных посадочных мест (из-за различия элементов по габаритам и форме).

При решении задачи трассировки линий связи системность подхода заключается в нахождении приемлемого компромисса с учетом схемотехнических (минимизация помех), конструкторских (минимизация числа слоев) и технологических (минимизация изгибов трасс, межслойных переходов, перемычек из объемного провода) факторов. При увеличении числа слоев трассировка упрощается, но стоимость платы растет. При малом числе слоев (ОПП, ДПП) стоимость платы снижается, но увеличивается сложность трассировки без перемычек, которые увеличивают стоимость сборки и снижают надежность платы. Трассировка печатных плат может осуществляться вручную, автоматизированным или автоматическим методом. Таким образом, при проектировании электрических соединений необходимо учитывать возможности технологических процессов и их стабильность.

§ 2. 8. Электромагнитная совместимость аналоговых узлов

Аналоговые узлы (радиопередающие устройства, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, устройства управления исполнительными механизмами и т. д. ) имеют более широкие, чем цифровые узлы, диапазоны изменения параметров электромагнитных сигналов: амплитуды напряжения (от 10 ⁶ до 10⁴ В), частоты (от 0 до 3000 ГГц), мощности (от 10 ~¹⁴ Вт до сотен мегаватт), а также худшее отношение сигнал-помеха. Это усложняет обеспечение электромагнитной совместимости аналоговых узлов РЭС, которая должна осуществляться уже на этапе проектирования, так как стоимость работ по обеспечению параметров РЭС на этом этапе меньше стоимости работ по обеспечению электромагнитной совместимости на этапе производства или испытания (отладки) аппаратуры.

Рис. 2. 42. Зависимость экранного Рис. 2. 43. Отношение вели чины

затухания магнитной ( )и волнового сопротивления электри-

электри ческой ( )составляю ческой и магнитной

щих поля от частоты: I— диапа- составляющих поля к волновому

зон НЧ; II; — диапазон ВЧ; сопротивлению электромагнитного

III— диапазон СВЧ поля в зависимости от рас -

стояния между излучателем

и приемником

Механизм искажения и затухания сигналов, а также появления помех в аналоговых узлах такой же, как и в цифровых узлах. Однако электрически длинные линии имеют место в аналоговых узлах лишь для диапазона СВЧ, а в диапазоне ВЧ преобладают линии электрически короткие. В них наибольшее влияние оказывают паразитные связи, характер которых зависит от расстояния r между источниками и приемниками помех. Когда это расстояние меньше пяти длин волн самой высокочастотной составляющей спектра сигнала, наблюдается преобладание электрической (Е)или магнитной (H) составляющей электромагнитного поля и соответственно емкостной или индуктивной паразитной связи. Обычно это имеет место на частотах 0... 3000 Гц (рис. 2. 42). Волновые сопротивления для электрической и магнитной составляющей поля являются взаимно обратными (рис. 2. 43). Электрическое поле при нулевой частоте обладает высокоомнымволновым сопротивлением ( ), а магнитное-—низкоомным ( ). На расстояниях, больших (начиная с частот, больших 3000 Гц), отношение амплитуд напряженности составляющих поля Е и Н таково, что волновое сопротивление электромагнитного поля для вакуума Ом.

Напряженность ближних электрического и магнитного полей в свободном пространстве обратно пропорциональна квадрату расстояния от возбуждающего его элемента, а напряженность поля излучения обратно пропорциональна первой степени расстояния. Напряжение на конце проводной линии или волновода с увеличением расстояния падает весьма медленно, за исключением случая стоячих волн в линии, когда небольшие изменения расстояния могут приводить к значительному увеличению или уменьшению напряжения. Из приведенных рассуждений следует, что при малых расстояниях действуют все четыре вида связи (индуктивная, емкостная, через электромагнитное поле, через провода и волноводы). С увеличением расстояния r прежде всего исчезают связи через ближнее электрическое и магнитное поля, затем перестает влиять электромагнитное поле излучения и на большом расстоянии влияет только связь по проводам и волноводам. Если корпус аналогового узла имеет коробчатую форму, то при отсутствии экранирующих перегородок и выступающих элементов его можно рассматривать как волновод, по которому с малым затуханием распространяются волны короче критической ( , где b—размер большей стороны поперечного сечения корпуса). Волны длиннее критической в корпусе распространяться не могут, и в нем существует поле, наблюдаемое в непосредственной близости от источника излучения и быстро затухающее по мере удаления от него. Явление передачи энергии по корпусу устройств СВЧ в волноводном режиме можно устранить, установив перегородки внутри корпуса.

Электромагнитная совместимость аналоговых узлов обеспечивается системотехническими, схемотехническими и конструкторско-технологическими методами. К системотехническим методам относятся передача аналоговой информации в цифровой форме и кодирование ее с помощью помехозащищенных кодов, к схемотехническим — увеличение помехозащищенности схем (исключение необоснованного использования элементов с завышенной рабочей частотой, применение схем на основе дифференциальных усилителей), гальваническая развязка цепей с помощью трансформаторов или оптронов, подавление помех с помощью режекторных фильтров, использование амплитудного и временного стробирования, искрогасящих цепей у разрывных контактов, прецизионных (например, малошумящих) элементов и т. д. Хотя применение системотехнических и схемотехнических методов приводит к усложнению схем, увеличению числа элементов, в том числе дефицитных, и в конечном итоге усложняет и удорожает РЭС, оно оправдано в тех случаях, когда проблему электромагнитной совместимости невозможно решить конструкторско-технологическими методами.

§ 2. 9 Электромагнитная совместимость усилительных схем

Наиболее универсальным (широко применяемым) и наиболее чувствительным к помехам аналоговым узлом является усилитель. При отсутствии полезного сигнала на входе усилителя на его выходе имеется некоторое (обычно небольшое) напряжение, обусловленное внутренними помехами (вызванными тепловыми шумами резисторов и активных элементов), а также внешними помехами (наводками) на входе с выхода усилителя или от других устройств. Наибольшее влияние оказывают внешние помехи, которые могут поступать на усилитель различными путями через емкостные, индуктивные и кондуктивные паразитные связи.

На рис. 2. 44 показана схема трехкаскадного усилителя, на вход которого поступает емкостная помеха (рис. 2. 44, а) с выхода последнего каскада. Для оценки допустимой величины паразитной емкости предположим, что обратные связи имеются только между входом и выходом однокаскадного усилителя (рис. 2. 45), коэффициент усиления которого без обратной связи равен К, а коэффициент, показывающий, какая доля выходного сигнала передается на вход через обратную связь, равен р\ Коэффициент усиления усилителя с обратной связью . Если , то обратная связь положительная, если , то отрицательная

Рис. 2. 44. Образование паразитной связи в многокаскадном усилителе: а—емкостная связь между входом и выходом; б—индуктивная связь по земляной шине

Рис. 2. 45. Схема усилителя с обратной связью

Произведение зависит от частоты, и на одних частотах наблюдается положительная обратная связь, а на других — отрицательная. Петлями обратной связи может быть охвачен один или несколько каскадов.

При коэффициенте положительной обратной связи любой из петель, равном или превышающем единицу, усилитель может самовозбудиться. При емкостном сопротивлении обратной связи много большим сопротивления входной цепи усилителя , в которую попадает напряжение помехи, условие самовозбуждения имеет вид

где —коэффициент усиления по напряжению части усилителя, охваченной обратной связью через емкость . Из этого условия следует, что достаточная для самовозбуждения усилителя емкость . При ; Om; МГц) и благоприятном для возбуждения фазовом сдвиге помехи пФ. Чтобы характеристики устройства при наличии обратной связи заметно не изменились, величина С_пармежду входом и выходом усилителя должна быть на порядок меньше, т. е. должна быть равна 0, 001 пФ. Уменьшения емкостной паразитной связи можно добиться, разнося источники и приемники помех или используя во входной цепи диэлектрики с небольшой относительной диэлектрической проницаемостью, например фольгированный фторопласт (ФФ-4, ФАФ-4), полиимид. Это одновременно позволяет уменьшить потери во входных цепях усилителя и паразитную связь с другими устройствами.

Примером кондуктивной помехи является помеха , поступающая на вход усилителя с шины питания через делитель (рис. 2. 46). В конструкциях аналоговых РЭС и их узлов имеют место паразитные общие сопротивления (см. рис. 2. 29, г), входящие одновременно в цепь источников и приемников наводки. В качестве таких сопротивлений могут выступать активное и индуктивное сопротивления шин питания и шин с нулевым потенциалом, внутреннее сопротивление источника питания, а также отдельные участки шин, общие для нескольких цепей (переходные лепестки, участки проводов в цепи заземления, рис. 2. 47). Паразитная связь через внутреннее сопротивление источника питания и питающие шины является наиболее распространенной, так как обычно используется источник питания, общий для элементов и узлов, различающихся мощностью и помехоустойчивостью. Минимальные сигналы на входе усилителя могут достигать. долей микровольт. Использование источника питания, имеющего на порядок

Рис. 2. 46. Схема воздействия помех на вход усилителя от шины питания

Рис. 2. 47. Паразитные связи в общей шине через общий лепесток (а), через общий для цепей 1 и 2 участок корпуса (б), через общий участок а—6 в цепи заземления многокаскадной схемы (в)

Рис. 2. 48. Последовательное (а) и параллельное (б) включения фильтров в цепи питания

он рассчитывается исходя из пульсаций, допустимых для мощного каскада, а дополнительное сглаживание пульсаций, возникающих из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания и шинах питания, осуществляют с помощью фильтров, подключенных к маломощным каскадам.

При использовании RC-фильтров (рис. 2. 48) резистор выбирают из условия , где — ЭДС источника питания; — постоянная составляющая тока. Коэффициент развязки фильтра , где - допустимая амплитуда помехи на выходе фильтра; — амплитуда помехи на входе фильтра. В этом случае емкость на выходе источникапитания можно определить по формуле . На практике коэффициент развязки всегда меньше вычисленного, поскольку при расчете не учитываются паразитные параметры электромонтажа фильтров.

В качестве примера рассмотрим фильтр, включенный на выходе генератора помех с внутренним сопротивлением Ом (рис. 2. 49, а) и параметрами мкФ; мкГн. Частота сигнала помех на входе фильтра равна 6 МГц. Теоретический коэффициент развязки фильтра

Допустим, при монтаже фильтра емкости подсоединены к шине с нулевым потенциалом через отрезок аб (рис. 2. 49, б) длиной 30 мм, индуктивное сопротивление которого на частоте 6 МГц составит примерно 1 Ом. Тогда напряжение помехи, ослабленное в 100 раз, поступит через конденсатор прямо на выход фильтра. Таким образом, фактическое значение меньше теоретического в 10 раз. Для уменьшения влияния активного и индуктивного сопротивлений конденсаторов фильтрующие элементы, как правило, выполняют из параллельно включенных электролитического и «безындукционного» керамического конденсаторов. Для уменьшения индуктивности соединительных проводников фильтрующие конденсаторы располагают как можно ближе к защищаемому каскаду, а заземление осуществляется в ближайшей точке.

Рис. 2. 49. Схема многозвенного фильтра (а) и его неверного монтажа (б): аб—общий участок в цепи заземления

Связь через корпус, который часто выполняет функцию шины с нулевым потенциалом, проявляется тем сильнее, чем выше рабочая частота. С повышением частоты возрастают токи в корпусе, протекающие через емкости монтажа и деталей, увеличиваются активное и реактивное сопротивления. На частотах порядка от килогерц до единиц мегагерц разности потенциалов между различными точками корпуса настолько малы, что его поверхность можно считать эквипотенциальной и, следовательно, не создающей паразитной связи.

Рис. 2. 50. Схема размещения элементов в широкополосном усилителе: У₃ — усилительные приборы каскадов; 1—3—элементы соответствующих каскадов; 1—2, 2—3 — элементы межкаскадной связи

Рис. 2. 51. Схема выполнения индивидуальных шин с нулевым потенциалом (земляных шин) для каждой группы устройств (цифровых, аналоговых)

В широкополосных усилителях высокой и промежуточной частоты, работающих на частотах в десятки мегагерц, протекающие в поверхностном слое корпуса токи могут быть причиной значительного ухудшения устойчивости усилителя.

Для устранения обратных связей по корпусу усилителя необходимо все элементы, провода и точки присоединения к нему, относящиеся к выходу и входу двух соседних активных приборов, размещать только в промежутке между ними, по возможности ближе к продольной осевой линии (рис. 2. 50). Элементы связи и точки присоединения к корпусу, относящиеся к цепям одного усилительного прибора, следует размещать как можно ближе к его поперечной оси. Между усилительными приборами, даже на довольно большом расстоянии от продольной оси, недопустимо размещать детали, связи и точки присоединения к корпусу, относящиеся к другим каскадам данного усилителя. Все эти условия выполняются наилучшим образом, если каскады располагаются один за другим на одной линии. Такая конструкция называется линейкой.

При автоматическом размещении элементов на плате аналогового узла запрещается улучшать размещение элементов путем перестановки их местами, допускаемой для элементов цифровых узлов. Для уменьшения переходного сопротивления контакта заземления и повышения его стабильности целесообразно выполнять его в виде монолитного (паяного или сварного), а не прижимного или разъемного соединения. Эффективным путем уменьшения длины общих участков является использование отдельной шины с нулевым потенциалом для каждой группы цепей: малосигнальных, с сигналами средней и большой мощности. Так, в радиотехническом устройстве шины с нулевым потенциалом (земляные шины) должны выполняться отдельно входных цепей приемника, исполнительных цепей автоматики и выходных каскадов передатчиков (рис. 2. 51).

Кондуктивная помеха может возникнуть, если, например, земляная шина выполнена (рис. 2. 52) в виде замкнутого контура. В этом случае от постороннего источника за счет индуктивной связи в ней может быть наведена ЭДС (В), где —частота, Гц; Н—средняя напряженность магнитного поля, А/м; F—площадь «петли» контура, см². Даже сравнительно небольшая ЭДС на малом сопротивлении шины может создать в контуре вполне ощутимый ток, который может привести к падению напряжения (кондуктивной помехе) на участке аб (рис. 2. 52), равному примерно Е/4 (для данной конструкции). Для исключения подобной помехи необходимо разомкнуть контур. Индуктивную связь можно также ослабить, уменьшая площадь взаимосвязанных контуров в результате использования скрученных или бифилярных пар проводников (в том числе в экране), расположения объемных и печатных проводников вблизи плоскости с нулевым потенциалом. Так, замена одиночного проводника диаметром 0, 5 мм и длиной 500 мм, отстоящего от плоскости с нулевым потенциалом на 100... 200 мм, скруткой или бифиляром позволяет уменьшить индуктивность контура (а следовательно, и помехи) с 800... 900 до 180... 320 нГн, т. е. в 3... 4 раза. Обычно скрученные пары и бифиляры используют до частоты 100 кГц (на частоте 10 МГц велики потери); коаксиальные кабели— до частоты 100 МГц (на частоте 1 ГГц велики потери); полые волноводы — на более высоких частотах.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8 9 101112 13 Следующая ⇒