книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

5.1.Виды электрических соединений

•способностью передавать электрические сигналы в широком диапа­ зоне частот, токов и напряжений;

•минимальной толщиной изоляционного слоя провода с диэлектриче­ ской проницаемостью, близкой к единице;

•способностью к объединению в узлы;

•возможностью осуществлять коммутацию без механической поддержки;

•способностью к автоматизации при проведении монтажных работ. Удовлетворить вышеперечисленным требованиям, используя какой-

либо один тип ЛП, не представляется возможным. Поэтому в реальных кон­ струкциях применяют разнообразные типы ЛП в зависимости от функцио­ нальных особенностей как ЛП, так и аппаратуры.

На выбор типа ЛП влияют форма передаваемых сигналов, их напря­ жение и частота, ослабление сигнала на единицу длины линии, механиче­ ская гибкость, технологические требования и некоторые другие факторы.

Радиоэлектронные и вычислительные средства содержат разнообраз­ ные по выполняемым функциям элементы и модули, отличающиеся харак­ тером обрабатываемых сигналов, их мощностью, частотой и пр. При пере­ даче электрических сигналов по ЛП происходит искажение формы и спек­ тра сигналов, их затухание. Искажение сигнала определяется степенью рассогласования параметров электронных схем с параметрами ЛП, взаим­ ным влиянием расположенных по соседству ЛП, задержкой сигналов из-за конечного времени прохождения сигналов по ЛП. Линии передачи ограни­ чивают мощность, передаваемую от источника электроэнергии, и рассеива­ ют в окружающее пространство электромагнитную энергию.

Выбор конструктивно-технологического варианта исполнения элек­ трических соединений — важная и сложная задача, в значительной степени влияющая на качество проектируемой ЭА.

Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является металлическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. В по­ перечном сечении провода бывают круглыми или прямоугольными, пленочные и печатные проводники — только прямоугольными. Провода защищаются изолирующими диэлектрическими оболочками, либо оболочками и экранами. По волноводам и волоконно-оптическим ЛП передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод) и светового (световод) диапазонов.

На рис. 5.1 приведены виды ЛП и конструктивные особенности их ис­ полнения, если читать рисунок из любого места по направлениям стрелок. Например, существует конструктивное исполнение ЛП в виде прямоуголь­ ного неизолированного провода или многожильного круглого изолирован­ ного провода.

Для повышения производительности труда при сборке ЭА, упрощения электромонтажных работ ЛП объединяют конструктивно-технологически в

143

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

Линия передачи

т/"

Экранированный

Рис. 5.1. Виды и конструктивные особенности линий передач

узлы (рис. 5.2), состоящие, например, в жгутах из нескольких десятков ли­ ний. Чтение рисунка из любого места по направлениям стрелок позволяет получить название узла объединения. Например, опрессованный плоский кабель или печатный узел объединения.

Линии электропитания представляют собой объемные провода, пле­ ночные и печатные проводники, либо проводящие пластины. Конструктив­ ное исполнение сигнальных ЛП более разнообразно и во многом определя­ ется частотным диапазоном передаваемых сигналов. Лишь оценив характер искажения сигналов в ЛП, можно правильно ее применить.

Все сигнальные линии связи разделяют на электрически длинные и электрически короткие, характер искажения сигналов в которых различен.

Рис. 5.2. Конструктивно-технологическое объединение линий передач

144

5.1. Виды электрических соединений

Электрически короткой (далее короткой) называют ЛП, длина которой /к для гармонического сигнала определяется по выражению

/«< О,IX < d b H f ) ,

где X / — длина волны и частота сигнала; с — скорость света; е — относитель­ ная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей линию передачи.

При разложении импульсного сигнала в спектр в нем следует выде­ лить гармонику наибольшей частоты и для нее определить длину короткой линии (верхний предел частоты ориентировочно можно найти по формуле / = 0,4/Гф, где /ф— минимальное значение фронта импульсного сигнала на уровне 0,1 и 0,9 амплитудного значения сигнала).

Длинную или короткую ЛП можно установить из соотношения фрон­ та передаваемого импульса /ф и времени задержки прохождения сигнала по линии /3. Если имеет место неравенство /ф //3 > 2, то ЛП электрически ко­

роткая, если же сохраняется соотношение /ф //, < 2, то — электрически длинная.

Электрически короткие ЛП

При анализе электрических процессов короткую ЛП моделируют эк­ вивалентной схемой, состоящей из емкости и индуктивности ЛП, либо толь­

145

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

сопротивлением Rx (полагаем, что R2 велико) представим резонансным кон­ туром, в котором могут возникнуть колебания, действующие как помехи. Частота этих колебаний будет

f = ± y l U ( L C ) - R f / ( 4 L 2). 2Л

В результате колебательного процесса изменяющееся напряжение может несколько раз пересечь порог срабатывания интегральной схемы (модуля 2 на рис. 5.3), что приведет к многократному изменению ее логиче­ ского состояния.

Если колебания в ЛП прекратятся за минимальное время дли­ тельности фронта передаваемого по линии сигнала, то они не окажут влияния на работоспособность аппаратуры. Условие отсутствия колеба­ ний в линии выполняется при L < CRf /4. В этом случае индуктивностью линии можно пренебречь и рассматривать ЛП в виде емкостной схемы замещения (см. рис. 5.3, в).

Реакция ЛП на синусоидальный входной сигнал проявляется в умень­ шении амплитуды выходного напряжения и изменении разности фаз между входным и выходным напряжением. Это приводит к зависимости напряже­ ния на выходе линии от частоты входного сигнала.

В общем случае сигналы на входе и выходе ЛП могут существенно отличаться. Если ЛП нагружается на пороговые схемы, то при подаче на вход ЛП прямоугольного импульса амплитудой U время срабатывания схе­ мы задерживается на величину

/ср > x|ln(l - t/nop /С/)|,

где т = Л,С — постоянная времени; С/„ор — пороговое напряжение логиче­ ского элемента.

Если длительность импульса много больше т, то ЛП передаст им­ пульс практически без искажений. В противном случае линия передачи будет себя вести подобно интегрирующей RC-цепи. Поэтому импульс мо­ жет исчезнуть, если его амплитуда не достигнет порогового напряжения логического элемента.

Перекрестные помехи обусловлены электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием расположенных по соседству ЛП (рис. 5.4). Требования микроминиатюризации и, следовательно, увеличения плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную зада­ чу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную ра­ боту аппаратуры.

146

5.1. Виды электрических соединений

Помехи на входе U) и выходе UA пассивной линии передачи ЛП2 от па­ раллельно расположенной активной ЛП1, по которой передается сигнал (см.

влияние. Распределенные параметры взаимной индуктивности и емкости

линий заменены сосредоточенными, сопротивления утечки между линиями и сопротивления проводов не учитываются. Модуль 1 моделируется генера­ тором напряжения U с R\ = 0 ( I = U/(Ri + R^))- Принятые допущения пра­ вомерны для большинства практических случаев.

На рис. 5.4 модули, формирующие сигнал, расположены слева, при­ емные модули — справа. На входе приемного модуля 4 возникает помеха UA, равная разности двух составляющих — емкостной и индуктивной. Если токи формирующих элементов имеют противоположное направление, а приемным элементом является модуль 3, то на его входе окажется напряже­ ние помехи, равное сумме емкостной и индуктивной помех.

Для импульсных сигналов с линейными фронтами приведенные выше выражения можно записать в следующем виде:

v..C-b-2L-it-±-SL.

147

линии, индуктивная помеха — с ростом скорости изменения Д/, уменьшением суммы В3 + RA и увеличением числа

нагрузок на выходе активной линии.

Свойство переключательных схем не реагировать на помехи и функ­ ционировать при воздействии помех обеспечивается их помехоустойчиво­ стью, которая определяется из передаточной характеристики (рис. 5.5).

Статическая помехоустойчивость — максимальная амплитуда по­ мехи для напряжения высокого U\QMи низкого t/®OMуровней, определяется

где и'П0р,и°Я0р — пороговые входные напряжения для логических уровней I и О, при которых происходит переход в область неопределенного состояния логи­ ческой схемы; Ul, U0 — выходные напряжения логических уровней 1 и 0.

Точки А и В, а соответственно и напряжения U'nop, С/яор и U \ U°, на­

ходятся на перегибах передаточной характеристики. Параметры статической помехоустойчивости микросхем приводятся в технических условиях.

Однако для нормального функционирования цифровых устройств не­ обходимо гарантировать устойчивость их не только к статическим, но и ди­ намическим помехам, когда учитывается не только амплитуда, но и дли­ тельность и форма импульса помехи.

Если вычисленное значение помехи превысит допустимую величину, то принимаются меры по уменьшению паразитных значений М и С. Снизить значение паразитной емкости между ЛП можно уменьшением длины совме­ стного параллельного расположения проводов на минимально возможном

148

5.1. Виды электрических соединений

расстоянии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле (земля выполняет функцию экрана), введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. Напри­ мер, заземление оплетки коаксиального кабеля позволит целиком избавить­ ся от емкостной помехи.

Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛП воз­ можно дальше друг от друга, уменьшением площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП. использо­ ванием экранированных проводов, свитых пар, коаксиальных кабелей.

Электрически длинные линии передачи

Хотя параметры линии являются распределенными вдоль ее длины, на эквивалентной электрической схеме ЛП их аппроксимируют сосредоточен­ ными, но на малом элементе (фрагменте) линии (рис. 5.6), где /?„, Ln, Сп —

погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость. Со­ противление и индуктивность линии вводятся только в прямой провод, но с учетом сопротивления и индуктивности обратного провода.

Важнейшей характеристикой электрически длинной ЛП является ее волновое сопротивление Z0, которое показывает, что электромагнитная вол­ на, распространяющаяся вдоль линии, имеет отношение напряжение/ток, равное ZoПриближенно волновое сопротивление можно определить по вы­ ражению

При передаче сигналов по длинным линиям важно согласовать сопро­ тивление нагрузки с волновым сопротивлением линии.

Отражение сигналов в длинных линиях. При передаче гармониче­ ских сигналов в несогласованной линии одновременно присутствует прямая волна, распространяющаяся от начала линии к ее концу, и обратная, пере-

Фрагмент

Рис. 5.6. Эквивалентная схема электрически длинной линии передачи

149

5. Электрические соединения в электронной аппаратуре

импульса t„ « к , при прохождении его по ЛП показано на рис. 5.7. Сигналы на графиках соответствуют моментам их поступления на вход £/] и выход U2 ЛП. Следует обратить внимание на изменение полярности отражаемых сигналов. Таким образом, на вход линии поступил один импульс, а на входе нагру­ женной на линию МС с периодом 2Г, оказывается несколько импульсов, от которых МС может менять свое состояние до тех пор, пока очередной им­ пульс не окажется меньше ее порога срабатывания.

Согласование электрически длинных ЛП. Уменьшения или полно­ го исключения отражений в длинных линиях можно добиться их согласова­ нием. Линия передачи считается согласованной, если сопротивление, на ко­ торое она нагружена, равно волновому сопротивлению линии (рис. 5.8). Согласование ЛП обеспечивается использованием ЛП с высокой стабильно­ стью волнового сопротивления и введением согласующих элементов.

Подключение согласующего резистора Rc последовательно (см. рис. 5.8, а) с выходным сопротивлением передатчика сигнала (последовательное согласование) используется, если выходное сопротивление его много мень­ ше 20 линии. В параллельно согласованной линии (см. рис. 5.8, 6) резистор Rc подсоединяют к входу приемника линии передачи. Способ согласования

150

5.1. Виды электрических соединений

Рис. 5.8. Способы согласования электрически длинных линий передач

используют, если входное сопротивление приемника сигнала во много больше Z0 линии. Поскольку падение напряжения на резисторах Rc понижа­ ет уровень передаваемого сигнала, режимы последовательного и параллель­ ного согласования применяют, когда число элементов, нагружаемых на ли­ нию передачи, не более двух. При большем количестве нагрузок для согла­ сования используют эмиттерные повторители (см. рис. 5.8, в). При этом база и коллектор транзистора эмиттерного повторителя должны коммутировать­ ся проводниками возможно меньшей длины.

При конструировании цифровой аппаратуры входы триггеров, одновибраторов, регистров не рекомендуется подключать непосредственно к длинным линиям. Отсутствие буферных каскадов из-за значительной емко­ стной нагрузки и наличия отражений приведет к неустойчивой работе аппа­ ратуры. В качестве буферного каскада в ТТЛ МС используется триггер Шмитта (см. рис. 5.8, г, д). В схеме согласования коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом (см. рис. 5.8, д) кабель на выходе нагру­ жен на сопротивление 51 Ом.

В зависимости от специфики разрабатываемой аппаратуры в качестве длинных линий используют микрополосковые и полосковые печатные про­ водники, свитую пару, плоский кабель, коаксиальный кабель.

При согласовании свитой пары (рис. 5.9) низкоомным согласующим резистором Rc = Zo передающий элемент линии должен формировать значи­ тельный выходной ток, который обеспечивается только работающими на

151