теория. Эс как технические изделия характеризуются большим количеством внутренних и внешних характеристик (параметров)
 Скачать 3.64 Mb.
|
|
Теплоотвод излучением Тепловая мощность (P л ), излучаемая в неограниченное пространство, может быть определена из соотношения P л = k л S Δt , где k л - коэффициент лучеиспускания, Вт/(м 2 · 0 C). Теплообмен излучением возможен в теплопрозрачных, т. е. пропускающих теплоту, средах (газах, вакууме). В жидкости он практически отсутствует. При излучении тепловая энергия переносится электромагнитными волнами. Количество энергии, отводимой излучением, пропорционально четвертой степени температуры тела. Уровень рабочих температур для большинства компонентов и узлов ЭС невелик, поэтому переносом теплоты излучением (при наличии отвода теплоты конвекцией или теплопроводностью) часто пренебрегают. Однако для вакуума (космоса) этим способом теплоотвода пренебречь нельзя, хотя плотность теплового потока не превышает 0,001...0,005 Вт/см 2 СОТР с использованием термоэлектрического эффекта Термоэлектрическое эффект (эффект Пельтье) используется для построения термобатарей путем последовательного соединения полупроводников p- и n-типа (рис. 6.9). При прохождении тока тепло поглощается на верхнем спае и выделяется на нижнем (при указанной полярности). Охлаждая горячий спай (например, конвекцией), можно существенно понизить температуру холодного спая. Для повышения эффективности охлаждения применяют двух- и более каскадные батареи. Термобатареи обычно используются для термостабилизации (активной) отдельных, чувствительных к температуре ФЭ (рис. 6.10). Рис. 6.9. Схема элементарного термоэлемента: 1 – нижний; 2 – верхний спай Рис. 6.10. Схема охлаждения БИС термоэлементом: 1 – ПП; 2 – корпус БИС; 3 – керамическая плата; 4 – медная полоска; 5 - радиатор Стабилизация температуры корпуса БИС обеспечивается соответствующей регулировкой тока, проходящего через термоэлемент. Поглощение теплоты На параметры СОТР в значительной степени влияют используемые способы поглощения теплоты, которые основаны на способности к термоаккумуляции окружающей среды и материалов конструкции, а также на использовании термоэлектрического эффекта. При термоаккумуляции происходит нагрев окружающей среды или конструкции, могут произойти фазовые превращения в материалах конструкции (плавление, испарение). Количество теплоты (кал), которое может поглотить среда или материал конструкции при нагреве, определяется соотношением Q = m C p Δt, где m - масса среды или конструкции, г; C p – удельная теплоемкость материала среды или конструкции, ккал/(г · 0 C); Δt – перегрев среды или конструкции по отношению к начальной температуре, 0 C . Для открытых СОТР, в которых нагреву подвергается окружающая среда (воздух, вода), массу которой можно считать практически бесконечной, количество поглощаемой теплоты также бесконечно. Выбор способа охлаждения Ориентировочно способ охлаждения ЭС можно выбрать из диаграммы (рис. 6.11) по области изменения параметров (перегреву конструкции Δt и тепловому потоку P). Область разделена на зоны, соответствующие каждому способу охлаждения: естественным — воздушному 1 или жидкостному 3, принудительному – воздушному 2, жидкостному 4 и испарительному 5. Нижняя часть относится к блокам, верхняя - к индивидуальным элементам. Рис. 6.11. Диаграмма выбора способа охлаждения В дальнейшем могут быть выполнены уточняющие расчеты (в т.ч. с использованием автоматизированных систем), а также экспериментальные исследования на макетах и опытных образцах. Лекция 7 ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ РЭА Информация в виде аналоговых или цифровых сигналов в процессе хранения, преобразования, обработки и передачи может претерпевать те или искажения (по форме, фазе, амплитуде) под воздействием помех. Помехами называют не предусмотренные КД сигналы, возникающие в ФЭ и ЛС и отрицательно влияющие на работоспособность ЭС (вплоть до отказа). Конструктивная реализация электрической принципиальной схемы сопровождается, как правило, появлением паразитных элементов. Паразитные элементы – это элементы, не предусмотренные электрической схемой и появившиеся в результате неидеальной практической ее реализации. ЛС, изоляционные промежутки между ними, также как и резисторы, конденсаторы и индуктивности, в реальной конструкции обладают, в той или иной степени, всеми тремя параметрами (R, L, C) одновременно. Для активных ФЭ (дискретных или ИС) наиболее характерно наличие паразитных емкостей. Паразитные элементы обычно ощутимо проявляют себя на сравнительно высоких частотах (например, индуктивные свойства проволочных выводов резисторов и конденсаторов). Паразитные явления наблюдаются также у контактных соединений (например, у разъемов). Паразитные элементы являются причиной появления паразитных связей. Паразитные связи могут возникать между выводами ФЭ, между элементами ЭС, между ЭС и внешней средой. Актуальность борьбы с помехами ЭС можно объяснить следующими причинами: - снижение энергии полезных сигналов и увеличение доли паразитных связей, сопровождающих процессы микроминиатюризации ЭС; - рост доли задержек сигналов в ЛС по сравнению с задержками собственно логических элементов; - усложнение функций и состава ЭС (в т.ч. увеличение количества электромеханических узлов); - возрастание общего уровня помех (от индустриальных источников, устройств мобильной связи и т.д.) - расширение сферы применения ЭС (в т.ч. на объектах с высоким уровнем помех). Основные причины, вызывающие искажения сигналов при прохождении их по ЛС: - отражения от несогласованных нагрузок и от различных неоднородностей в ЛС; - затухание сигналов при прохождении их по цепям последовательно соединенных элементов; - ухудшение фронтов и задержки сигналов, возникающие при включении нагрузок с реактивными составляющими; - задержки в линии, вызванные конечной скоростью распространения сигнала; - перекрестные наводки; - паразитная связь между элементами через цепи питания и заземления; - наводки от внешних электромагнитных полей. При анализе процессов, происходящих в ЛС, последние представляют в виде той или иной модели, например как на рис. 7.1. Рис. 7.1. Модели ЛС длиной l: а – в виде системы прямых и обратных проводов; б – в виде совокупности элементов «Прямой» ток (i пр ) или проводник означает направление от источника к приёмнику. «Обратный» (i обр ) - от приёмника к источнику. Сопротивление R характеризует активные потери в линии, представляющие собой сопротивление постоянному току или токам низкой частоты. Индуктивность L - определяется конструкцией линии и применяемыми материалами. Для снижения индуктивности линии в ней не должны применяться магнитные материалы. Кроме этого, наличие магнитных материалов приводит к нежелательному снижению скорости распространения электромагнитной волны в линии. Электрическая емкость C определяется также конструкцией линии и применяемыми материалами. Для шин питания эта емкость должна быть по возможности больше, а для сигнальных линий - по возможности ниже. Проводимость G определяется утечками в изоляционном материале линии. Для современных изоляционных материалов токи утечки весьма малы, что позволяет пренебречь этим параметром. Волновое сопротивление ЛС равно Z = (L/C) 1/2 Значения волнового сопротивления обычно лежат в пределах 40...120 Ом. По выполняемым функциям ЛС подразделяют на сигнальные, которые объединяют входы – выходы ФЭ и предназначены для передачи сигналов и электропитания (шины питания), осуществляющие подвод электрической энергии. При анализе помех сигнальные ЛС условно подразделяют на электрически короткие и электрически длинные линии, характер искажения сигналов в которых различен. Помехи в коротких ЛС К коротким относят ЛС, в которых время распространения сигнала от передающего элемента до приемного t з меньше половины времени нарастания или спада фронта сигнала t ф , т.е. выполняется соотношение t ф / t з 2 В электрически коротких линиях погонная длина l (например, измеряемая линейкой), как правило существенно меньше минимальной длины волны (спектре сигнала l << λ min (обычно принимают l 0,1 λ min )). Емкостная и/или индуктивная реактивность коротких ЛС, а также отражения от неоднородностей, распределенных по длине линий, приводят к изменениям нарастающих или ниспадающих фронтов сигнала. Для короткой линии характерно постоянство напряжений и токов во всех точках по длине линии. Короткая ЛС (s - начало линии, r - конец линии), соединяющая, например, два вентиля D1 и D2, представляется обычно в виде двух моделей: ёмкостной или индуктивной (рис. 7.2). Независимо от характера модели, качественно форма сигнала имеет одинаковый вид для обоих вариантов, проявляемый в затягивании фронта (рис. 7.3). Рис. 7.2. Короткая ЛС и ее модели Рис. 7.3 Искажение сигнала в коротких ЛС Параметр t - предсказуемая системная задержка (или время достижения порога срабатывания), которая определяется длительностью неискаженного фронта. Процессы, происходящие в короткой ЛС, вносят дополнительную задержку t ''. Общая задержка срабатывания элемента D2 равна t' = t + t''. Модель в виде ёмкости обычно используется при анализе схем, в которых управление ведётся напряжением и относительно малы токи в цепях. Например, для микросхем (или других структур) на КМОП в виду малых токов, протекающих в них. Модель в виде индуктивности используется в цепях с достаточно большими токами (биполярные транзисторы). В случае анализа быстродействующих систем (в основном цифровых) предпочтительной моделью является ёмкостная модель. В коротких ЛС могут также возникать перекрестные наводки (индуцированные помехи), обусловленные электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием расположенных по соседству ЛС (рис. 7.4). Помеха вызывается переходом энергии из одной сигнальной цепи в другую за счёт электромагнитного поля. При анализе предполагается, что обратное влияние пассивной линии на активную отсутствует. Активная линия является источником помех и содержит генератор напряжения U с внутренним сопротивлением R 1 и нагрузку R 2 Пассивная линия является рецептором помех и содержит нагрузку в начале линии R 3 и в конце R 4 . Распределенные параметры взаимной индуктивности и емкости заменены сосредоточенными M и C, соответственно. При работе генератора энергия от источника помех переносится электромагнитным полем на рецептор помех, и на его нагрузках R 3 и R 4 возникают напряжения U 3 и U 4 . Эти напряжения, согласно принципу суперпозиции, являются суммами индуктивных и емкостных составляющих: U 3 = U 3L + U 3C ; U 4 = U 4L + U 4C , где U 3L , U 4L – индуктивные составляющие соответственно в начале и в конце пассивной линии; U 3C , U 4C - емкостные составляющие соответственно в начале и в конце пассивной линии. Рис. 7.4. Перекрестные помехи в коротких ЛС: а -электрическая и б - эквивалентная схемы При расчетах часто пренебрегают той или иной составляющей. Анализ индуцированных помех при магнитной связи и снижение их уровня представляют более сложную задачу, чем при емкостной связи. Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛС воз- можно дальше друг от друга, уменьшения площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛС, использования экранированных проводов, свитых пар (скрученных пар проводов), коаксиальных кабелей. Снизить значение паразитной емкости между ЛС можно уменьшением длины совместного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоянии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛС к земле (земля выполняет функцию экрана). Наиболее эффективным средством уменьшения емкостной составляющей индуцированной помехи является экранирование. Помехи в длинных ЛС Длинной называют ЛС, в которой время задержки превышает половину времени нарастания или спада фронта сигнала, т.е. выполняется соотношение t ф / t з < 2. Погонная длина электрически длинной линии не меньше минимальной длины волны в спектре сигнала l λ min . Для длинной линии характерно непостоянство напряжений и токов вдоль линии. Моделируется длинная линия набором элементарных звеньев LC длиной X (рис. 7.5). Искажения сигналов в длинных ЛС вызываются отражениями сигналов от несогласованных нагрузок и неоднородностей, распределенных по длине линии (рис. 7.6). Рассмотрим распространение сигнала в длинной линии. Представим эквивалентную схему длинной линии: U - генератор, обладающий выходным сопротивлением R вых, , s - начало линии, r - конец линии, R вх - входное сопротивление микросхемы или другого четырёхполюсника, X - координата по длине линии, t – время, Т – время пробега электромагнитной волны (ЭМВ) от начала до конца линии. При t =0 - в точке s Рис. 7.5. Эквивалентная схема длинной ЛС стартует фронт ЭМВ (такую ЭМВ называют падающей) и начинает своё распространение по линии с постоянной скоростью. Через время T ЭМВ волна достигнет точки r. Если волновое сопротивление линии Z равно R вх , то энергия ЭМВ полностью поглотится нагрузкой. При неравенстве сопротивлений часть энергии ЭМВ поглотится, а часть отразится. Количество отражённой энергии определяется коэффициентом отражения по напряжению k = U o / U п (где U п и U o – напряжения падающей и отраженной волн, соответственно). В точке r коэффициент отражения равен k r = Z R Z R вх вх Далее отражённая волна начнет распространяться к началу линии. При t = 2T - в точке s отраженная волна либо полностью поглотится (при R вых = Z ), либо частично отразится с соответствующим коэффициентом k s : k s = Z R Z R вых вых Значения коэффициентов отражения могут быть как отрицательными, так и положительными. Но, поскольку абсолютная их величина меньше 1 и в линии существуют потери, то процессы отражения являются затухающими. В зависимости от фазы и амплитуды отражённого сигнала, погонной длины линии, удельной задержки распространения возможны различные варианты искажений сигнала. На рис. 7.7 показаны варианты изменения напряжения в точке r при положительных и отрицательных значениях k r и k s. Сигнал в любой точке ЛС равен сумме всех падающих и отражённых волн (принцип суперпозиции), которые существуют к данному моменту в линии. Из осциллограммы (рис. 7.7, а) следует, что сигнал пересекает пороговый уровень U пор в момент времени 3Т, что вызывает переключение микросхемы нагрузки. В более неблагоприятной ситуации возможно достижение порога в моменты 5Т и даже 7Т. Таким образом, может быть внесена существенная Рис. 7.6. Длинная ЛС и помехи отражения в ней погрешность во временные диаграммы, рассчитанные для идеализированных условий. Рис. 7.7. Искажения сигналов в длинных ЛС: а – при положительных значениях k r и k s ; б – при k r k s < 0 Другой случай - провал в уровне сигнала, который воспринимается как логический ноль (осциллограмма на рис. 7.7, б). Такие ошибки чреваты тем, что микросхема воспринимает два импульса вместо одного. Отражения сигналов в длинных ЛС могут происходить от различных неоднородностей линий: участков различного конструктивно- технологического исполнения (объемный проводник, вывод ФЭ, пленочный или печатный проводник, контакт разъема и т.д.), участков с различным волновым сопротивлением (например, из-за непостоянства сечений проводников или характеристик диэлектрика), наличия в линиях разветвлений и т.д. Уменьшения или полного исключения отражений в длинных линиях можно добиться их согласованием. ЛС считается согласованной, если сопротивление, на которое она нагружена, равно волновому сопротивлению линии (рис. 7.8). Согласование ЛС обеспечивается использованием линий с высокой стабильностью волнового сопротивления и введением согласующих элементов. Подключение согласующего резистора R c последовательно (рис. 7.8, а) с выходным сопротивлением передатчика сигнала (последовательное согласование) используется, если последнее много меньше Z линии. В параллельно согласованной линии (рис. 7.8, б) резистор R c подсоединяют к входу приемника линии передачи. Такой способ согласования используют, если входное сопротивление приемника сигнала во много раз больше Z линии. Поскольку падение напряжения на резисторах R c понижает уровень передаваемого сигнала, режимы последовательного и параллельного согласования применяют, когда число элементов, нагружаемых на линию передачи, обычно не более двух. При большем количестве нагрузок для согласования используют эмиттерные повторители (рис. 7.8, в).При этом база и коллектор транзистора эмиттерного повторителя должны коммутироваться проводниками возможно меньшей длины. Рис. 7.8. Способы согласования электрически длинных линий передач В схеме согласования коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом (рис. 7.8, г)кабель на выходе нагружен на сопротивление 51 Ом. В зависимости от специфики разрабатываемой аппаратуры в качестве длинных линий используют микрополосковые и полосковые печатные проводники, свитую пару, плоский кабель, коаксиальный кабель. Для защиты от индуцированных помех длинные ЛС выполняют экранированными. Экраны в виде металлической оболочки или в виде отдельных слоев многослойных печатных плат соединяют с корпусом ЭС, что существенно снижает воздействие электрического и электромагнитного полей на ЛС. |