БРЭО. Руководство видк. 460009. 008
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ОГК А Н Романов НТК Н А Нехаев НИТО А А Абдурахманов 2-144 26.05.09 2-158 УТВЕРЖДАЮ Главный конструктор ОКБ «Электроавтоматика» В.Д.Суслов Обеспечение электромагнитной совместимости бортовой авиационной аппаратуры Руководство ВИДК.460009.008 Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Изм Лист № докум. Подп. Дата Разраб. Воробьев Обеспечение электромагнитной совместимости бортовой авиационной аппаратуры Руководство Лит. Лист Листов Пров. Гужова 2 80 НИЛ-21 Петухов Н.контр. Панфилова Утв --- Перв. п римен. Справ. № ---- ВИДК_460009_008_03 2-144 26.05.09 2-158 Содержание Стр. 1 Введение .................................................................. 4 2 Помехоустойчивость цифровых модулей и систем на их основе. Общие сведения . 5 3 Излучения от жгутов и кабелей ............................................. 8 4 Помехи в сигнальных линиях связи ......................................... 10 4.1 Перекрестные помехи .................................................... 10 4.2 Электромагнитные наводки ............................................... 10 4.3 Паразитные колебания в несогласованных линиях .......................... 11 5 Восприимчивость логических схем и элементов к радиоизлучениям ............ 12 6 Защита логических схем и элементов от перегрузок ......................... 13 7 Типы шин заземления в печатных платах .................................... 14 8 Особенности конструирования многослойных печатных плат ................... 15 8.1 Общие требования ....................................................... 15 8.2 Трассировка дифференциальных пар ....................................... 16 8.3 Заземление в многослойных печатных платах .............................. 18 8.4 Паразитные параметры МПП ............................................... 19 8.5 Диэлектрические потери ................................................ 19б 8.6 Электрические соединители .............................................. 20 8.7 Шероховатость поверхности материалов МПП. ............................. 20а 9 Электростатический разряд ................................................ 21 10 Защита от вторичных разрядов ............................................ 22 11 Снижение импульсных токов помех от работы логических элементов .......... 23 12 Снижение напряжения помех от индуктивных нагрузок ....................... 24 13 Критерии выбора компонентов для развязки по электропитанию .............. 25 14 Снижение уровня помех от работы импульсных источников электропитания .... 27 15 Требования к электропитанию быстродействующих схем ...................... 29 16 Помехоустойчивость аналоговых схем ...................................... 30 17 Кабели, электрические соединители и их экранирование .................... 32 18 Элементы индикации, смотровые окна и вентиляционные отверстия ........... 34 19 Полное экранирование .................................................... 35 19.1 Критерии выбора материала для полного экранирования ................... 35 19.2 Неоднородность электромагнитного экрана ............................... 36 19.3 Эффективность экранирования ........................................... 38 Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 3 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 20 Принцип соответствия .................................................... 39 21 Объемный резонанс ....................................................... 40 22 Радиолокационные станции как источники ЭМП .............................. 41 23 Электромагнитный импульс как источник ЭМП ............................... 42 24 Линии электропередач как источник ЭМП ................................... 43 25 Асимметрия фронтов импульсов переключения ............................... 44 26 Неиспользуемые входные цепи логических интегральных схем ............... 45 27 Интермодуляционные составляющие ЭМП ..................................... 46 28 Неиспользуемое пространство памяти программ ............................. 47 29 Излучения и помехи в волоконно-оптических линиях ....................... 47а 30 Нормативные ссылки ...................................................... 48 31 Перечень принятых сокращений ............................................ 49 32 Перечень принятых терминов и определений ................................ 50 33 Список используемой технической литературы ............................. 50а Приложение А Рспределение возвратных токов в МПП .......................... 51 Приложение Б Влияние разрыва в полигоне на распределение возвратных токов в МПП ................................................................ 52 Приложение В Трассировка цепей электропитания больших Ис на МПП ............ 53 Приложение Г Паразитная связь через изолированные металлические крышки ИС .. 54 Приложение Д Размещение полигонов аналоговых и цифровых сигналов ........... 55 Приложение Е Петля, образованная прямым и возвратным током ................. 56 Приложение Ж Компоновка эсементов схемы зависимости от быстродействия ЭРИ .. 57 Приложение И Изменение собственной индуктивности и емкости электрических проводов ................................................................... 58 Приложение К Децибелы ...................................................... 59 Приложение Л Примеры, иллюстрирующие работу экрана ......................... 60 Приложение М Заземление электрических проводов ............................. 62 Приложение Н Электромонтаж конденсаторов .................................. 63 Приложение П Требования стандартов по воспиимчивости авионики ЛА к ЭМП ..... 64 Приложение Р Варианты согласования электрических линий связи ............... 65 Приложение С Взаимодействие возвратных токов дифференциальной пары проводников ... 66 Приложение Т Разделение шин заземления цифровых и аналоговых схем .......... 67 Приложение У Шероховатость поверхности МПП ................................. 68 Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 4 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 1 Введение Настоящее руководство предназначено для разработчиков электронной и оптико-электронной аппаратуры самолетов и вертолетов. Руководство дает общие и некоторые частные представления о проблемах помехоустойчивости, ЭМС и помехоэмиссии составных частей и готовых изделий, позволяет определить критерии, влияющие на электромагнитную обстановку изделия, его помехоустойчивость и выбрать правильные пути, направленные на снижение помехоэмиссии, обеспечения хорошей ЭМС на этапе проектирования новых изделий, их составных частей, и модернизации старых образцов. Руководство снабжено графическими приложениями для наглядной иллюстрации и понимания правильных и ошибочных путей решения поставленной задачи. Конкретные рекомендации по разработке конструкций бортового РЭО с учетом присущей ему специфики в части ЭМС должны быть изложены в ТЗ на конструирование. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 5 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 2 Помехоустойчивость цифровых модулей и систем на их основе. Общие сведения В цепях электропитания цифровых модулей возникают импульсные токи, обусловленные сквозными токами выходных каскадов логических элементов, а также токами перезарядки емкостей. На высоких тактовых частотах и в схемах с быстродействующими цифровыми ИС особое значение приобретает волновое сопротивление Zvcc, Zgnd и шины “заземления”. Помехоустойчивость модуля или системы снижают перекрестные помехи в близлежащих шинах, передающих импульсные сигналы, из-за наличия паразитной индуктивной и емкостной связи. В отдельных случаях поверхностный бифилярный монтаж может оказаться предпочтительнее. Примером может служить трассировка силовых цепей от транзисторных ключей преобразователя в импульсных источниках электропитания. Так как импульсные сигналы являются широкополосным источником гармонических частот, дать определение длины волны для них затруднительно. Из-за несогласованности волновых сопротивлений возникают паразитные колебания. Амплитуда этих колебаний (“звона”) зависит от рассогласования Z источника и Z приемника и длины линии. Коэффициент затухания передаваемого сигнала на каждом участке единичной длины электрической линии связи неизменен, а амплитуда сигнала уменьшается экспоненциально по мере удаления от источника сигнала. Для цифровых высокоскоростных устройств принято считать, что целостность сигнала обеспечивается, если длина электрической линии связи на порядок меньше длительности фронта передаваемого импульса, что невыполнимо в реальной конструкции. Рекомендуется согласование волновых сопротивлений Z источника и Z приемника активной последовательной или, если возможно, параллельной нагрузкой из резисторов с обоих концов электрической линии связи. Некоторые тонкости в различии способа согласования электрической линии связи иллюстрирует графическое Приложение Р настоящего Руководства. Для обеспечения целостности высокоскоростного информационного потока Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 6 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 вопрос согласования волнового сопротивления электрической линии связи из разряда рекомендуемых становится жизненно важной необходимостью. Часть энергии от контуров, образованные шинами электропитания, излучается от печатной платы, в которой данные контура могут рассматриваться как рамочная антенна. Контур, от площади которого зависит напряженность электрического поля, создаваемого протекающим током, должен быть известен на этапе топологического проектирования. Очень важно знать полное сопротивление шин заземления. До соединения с эквипотенциальной поверхностью – плоскостью заземления все провода, подключаемые к этой точке или поверхности необходимо рассматривать, как цепь с распределенными L, C, R – параметрами, определяющими волновое сопротивление Zв=√(L/C). С повышением частоты волновое сопротивление Zв возрастает из-за увеличения индуктивного сопротивления шины до первой точки параллельного резонанса. Частота первой точки параллельного резонанса равна Fр=1/(2*π*√L/C). Длина шины заземления должна быть меньше 0,05*λ, где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона изделия. Для частоты 12000 МГц длина шины заземления не должна превышать 1,25 мм; Для частоты 1215 МГц длина шины заземления не должна превышать 12,3 мм; Для частоты 1000 МГц длина шины заземления не должна превышать 15 мм. Таким образом, при испытаниях изделий на соответствие требованиям ОСТ В1 02696-90 длина шины заземления не должна превышать 15 мм, при испытаниях изделий на соответствие требованиям ЕНЛГС п. 8.1.4.1 или КТ-160D длина шины заземления не должна превышать 12,3 мм, а при испытаниях на восприимчивость аппаратуры к внешним ЭМП по ОСТ В1 02763-95 или КТ-160D длина шины заземления не должна превышать 1,25 мм, что невыполнимо в реальной конструкции. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 7 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 Полное сопротивление на частотах свыше нескольких килогерц – преимущественно индуктивное. Снизить значение индуктивности проводника можно: - минимизировав его длину; - увеличив его ширину; - расположив трассу с прямым и возвратным током на печатной плате параллельно и на минимальном расстоянии. Индуктивность трассы печатной платы в первую очередь зависит от его длины и во вторую очередь является функцией его ширины. Поскольку индуктивность проводника связана логарифмической зависимостью с его диаметром, то удвоение диаметра проводника не снизит даже на 48% значение его индуктивности для диапазонов ОНЧ и НЧ. Для УКВ и СВЧ-диапазона этот показатель окажется значительно меньше: удвоение диаметра проводника не снизит даже на 25% значение его индуктивности. В случае, когда источник радиопомех и потенциальный рецептор помехи находятся на достаточном удалении, паразитная емкостная и индуктивная свяь пренебрежимо малы. В этом случае возможна электромагнитная связь через электромагнитное поле радиоизлучений. В пределах отдельного устройства РЭО такая связь возможна только на очень коротких волнах, при этом металлический кожух аппаратуры рассматривается как отрезок прямоугольного волновода. Наибольшую опастность представляет радиоизлучение с длиной волны λ кр =2А, где А – размер большей стороны поперечного сечения прямоугольного волновода. Все остальные типы волн с длиной менее λ кр распространяются практически свободно с затуханием менее 1%. Любую конструкцию – помещение, блок, пульт и т.п. можно рассматривать как волновод с вполне определенной резонансной частотой и передаточной характеристикой. Из вышесказанного следует, что когда источник радиопомех и потенциальный рецептор помехи находятся в пределах одного замкнутого металлического кожуха между ними возможна паразитная связь по полю, если они работают на частотах с длиной волны меньше или равной λ кр Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 7а Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 Кроме того, в пределах одного электронного модуля возможно распространение ЭМП из-за наличия паразитной емкостной связи между близко расположенными ИС с металлическими корпусами или крышками. Очень многие разработчики радиоэлектронной аппаратуры за рубежом отдают предпочтение микросхемам в керамическом или пластмассовом корпусе без металлических крышек из-за наличия паразитной емкостной связи между ИС. Этот фактор особенно актуален для быстродействующих цифровых и аналоговых схем. Положения настоящего Руководства освещают наиболее важные аспекты ЭМС, дают общие и некоторые частные представления о проблемах помехоустойчивости, ЭМС и помехоэмиссии составных частей аппаратуры, позволяют принять правильные решения задач по обеспечению ЭМС бортовой авиационной аппаратуры, систем и комплексов. Основные тенденции изменения требований к помехоустойчивости аппаратуры ЛА в стандартах США и Великобритании кратко отражены в Приложении П настоящего Руководства. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 8 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 3 Излучения от жгутов и кабелей Принято считать, что излучения электромагнитных помех от кабелей и жгутов в области УКВ-диапазона является доминирующим. Это связано большей частью с тем обстоятельством, что большинство жгутов и кабелей малогабаритных устройств имеют резонанс в области 30-150 МГц. Так, например, кабель интерфейса RS-232 на скорости обмена 19,2 кБод будет нести паразитные синфазные токи помех от цепи заземления, которая в свою очередь насыщена токами от цепей синхронизации контроллера и его гармониками на частотах в сотни мегагерц. Эти шумы возвращаются через связанную цепь заземления, образуя контур достаточно большой площади. Меры снижения уровня излучаемых ЭМП от жгутов и кабелей: - экранировка цепей с импульсными токами и наиболее важных аналоговых цепей с низким динамическим диапазоном; - взаимная компенсация магнитных потоков, создаваемых этими цепями, за счет применения бифилярного монтажа; - осуществление качественного заземления экранирующего слоя жгутов и снижение индуктивности при осуществлении металлизации экранирующего слоя жгутов и кабелей; - снижение полного сопротивления шин заземления; - снижение площади контура излучения ЭМП путем уменьшения длины жгутов и кабелей до необходимого и достаточного размера; - размещение жгутов и кабелей как можно ближе к заземленным элементам конструкции: шасси, корпус блока и т.п. При удалении жгутов и кабелей от заземленных элементов конструкции более чем на 35мм их значение индуктивности близко к значению индуктивности таких линий в свободном пространстве; - применение материалов с частотно-зависимыми свойствами на основе высокочастотных ферритов для экранирования силовых цепей, цепей с импульсными токами и наиболее важных аналоговых цепей с низким динамическим диапазоном. На сегодняшний день существует широкий ассортимент материалов с частотно-зависимыми свойствами различных форм выпуска: Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 9 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 эластичные ленты, прокладки, термоусадочные трубки и т.п., выпускаемые зарубежными производителями и предлагаемые на российском рынке. Эти материалы ослабляют на 44-60 дБ электромагнитные поля в частотном диапазоне от 10 до 12000 МГц. Данные о наличии подобных материалов российского производства отсутствуют, однако работы по разработке технологии изготовления и освоению выпуска ведутся. Необходимо помнить, что: - применение электрических проводов с экранирующей оболочкой (оплеткой), не металлизированной с корпусом аппаратуры никакого экранирующего эффекта не дает; - наличие у электрических проводов экранирующей оболочки увеличивает емкость такого участка цепи относительно корпуса; - для достижения хорошего экранирующего эффекта необходимо особенно тщательная металлизация экранирующей оболочки электрических проводов с корпусом аппаратуры и исключение непреднамеренных точек заземления экранирующей оболочки в жгутах объемного монтажа. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 10 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 4 Помехи в сигнальных линиях связи При работе цифровых устройств, узлов и систем на их основе в линиях связи возникают импульсные помехи, способные нарушить нор- мальное функционирование схемы, узла или отдельных элементов. К числу таких помех относятся: перекрестные помехи, паразитные колеба- ния из-за несогласованности волновых сопротивлений линий связи и электромагнитные наводки. 4.1 Перекрестные помехи Как уже отмечалось, помехоустойчивость модуля или системы сни- жают перекрестные помехи в близлежащих шинах, передающих импульсные сигналы, из-за наличия паразитной индуктивной и емкостной связи. Если считать фронт помехи линейным, изменяющимся по закону: a=(U 1 - U 0 )/t ф = U/t ф , то напряжение помехи на входе соседней ИС бу- дет определяться соотношением: U вх2 (t)= a[1-exp(-t/RC)]*RC, иными словами напряжение помехи пропорционально крутизне фронта. Методы борьбы с перекрестными помехами: - запрещение параллельной трассировки сигнальных линий; - увеличение длительности фронтов передаваемых сигналов; - размещение между параллельными сигнальными шинами линий связи заземленных проводников; - применение коаксиальных электрических кабелей, витых пар электрических проводов и других мер, направленных на взаимную ком- пенсацию магнитных потоков, уменьшение площади контура и снижение значений паразитных параметров линий связи. 4.2 Электромагнитные наводки Электромагнитные наводки являются следствием воздействия внеш- них электромагнитных полей. Методы борьбы с этим видом помех преимущественно конструктивные – экранирование аппаратуры и линий связи. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 11 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 4.3 Паразитные колебания в несогласованных линиях Явление паразитных колебаний в линиях связи и причины, их воз- никновения неоднократно упоминались ранее. Амплитуда этих колебаний зависит от степени рассогласования волновых сопротивлений Z источни- ка, Z приемника и длины линии. Понятие электрически длинная или ко- роткая линия связи довольно условно. Принято считать, что граничная длина линии связи определяет ус- ловие: время прохождения сигнала по линии должно быть на порядок меньше длительности передаваемого фронта. Согласование линий может осуществляться у источника сигнала, у нагрузки электрической линии связи, или одновременно – у трансивера и ресивера сигнала. Методы передачи целостного сигнала заключаются в согласовании волновых сопротивлений Z источника и Z приемника активной последова- тельной или, если возможно, параллельной нагрузкой из резисторов. Основной недостаток параллельного согласования волновых сопро- тивлений – потребление значительных токов от источника сигнала. Основным недостатком последовательного согласования волновых сопротивлений является снижение амплитуды передаваемых сигналов, по- этому для цифровой логики с относительно большими входными токами (ТТЛ, ТТЛШ) необходимо проконтролировать такую возможность. Тонкости различия между основными вариантами согласования при- ведены в графическом Приложении Р к настоящему Руководству. Для разработчика качественных схем высокоскоростного обмена и передачи информации согласование волновых сопротивлений электриче- ской линии связи является обязательным. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 12 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 5 Восприимчивость логических схем и элементов к радиоизлучениям По данным зарубежной печати максимум восприимчивости логических схем и элементов к ЭМП приходится на радиочастотный диапазон от 25 до 300 МГц. Этот фактор усугубляется наличием резонансных явлений в шинах связи. Основной отклик логических схем на уровне компонентов на радиочастотные внешние воздействия проявляется в виде джиттера (нестабильности фронта). Напряжение помех, синфазное с входным уровнем схемы формирует на нелинейных, активных элементах импульс, который способен (при условии, что параметр импульса помехи близок к параметрам импульса переключения) вызвать срабатывание логической схемы или логического элемента. Не следует полагать, что только внешнее электромагнитное поле от стороннего источника способно вызвать отклик на уровне компонентов ЭРИ. Зачастую компоненты МПП, такие, как близко расположенные резисторы, электрические линии связи схемы и входы чувствительных электронных устройств и т.п., способны вызвать описываемый эффект. Борьба с этим видом помех особенно актуальна в цепях синхронизации и передачи данных. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 13 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 6 Защита логических схем и элементов от перегрузок ЭМП может служить причиной перегрузки входных цепей цифровых логических схем и аналоговых цепей. Основной целью защиты входных цепей логических схем является ограничение тока во входной цепи и направление его от чувствительных элементов и устройств к структуре заземления. Классическим примером могут служить: - диодные ограничители, ограничители на основе двуханодных стабилитронов или варисторов; - ограничение входного тока резистивной, последовательной нагрузкой для КМОП – микросхем; - R-C цепи в шинах Vcc для предотвращения эффекта “защелкивания” КМОП – микросхем; - R-C фильтр на шине начальной установки RESET для предотвращения “неполного” перезапуска с непредсказуемыми результатами; - защита входа синхронизации и входа тактовых импульсов; - ограничительные резисторы на шинах запроса на прерывание. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 14 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 7 Типы шин заземления в печатных платах Рекомендуется шины GND выполнять в виде сетки или отводить под него целый слой. Несмотря на то, что в МПП со сплошными полигонами GND пути возвратных токов между двумя отдаленными точками стремятся распределиться по большей площади полигона МПП, наибольшая часть (максимальная плотность) возвратных токов протекает по наикратчайшему пути между этими отдаленными точками схемы. Если шина GND выполнена в виде отдельного целого слоя, не рекомендуется делать какие – либо разрывы (щели), пересекающие большей своей стороной направление возвратных токов. Обьединение полигонов GND аналоговой и цифровой схем необходимо выполнять только в одной, ближайшей к источнику электропитания точке. Возможно, таким местом может служить коммутационная кросс- плата. В случае, если шина GND выполнена в виде отдельного целого слоя, для осуществления связи с ней через разъемное соединение рекомендуется использовать максимально возможное число наиболее удаленных друг от друга контактов электрического соединителя МПП (например А1,В1,С1 и А45,В45,С45). С точки зрения помехоустойчивости и уровня излучаемых электромагнитных помех не рекомендуется гребенчатая структура таких шин. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 15 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 8 Особенности конструирования многослойных печатных плат Ввиду многообразия требований к МПП и конструктивно – технологических путей реализации, рассматриваться будут лишь те из них, которые позволяют снизить уровень помехоэмиссии, обеспечить помехоустойчивость электрических линий связи и схемы в целом. 8.1 Общие требования Особую значимость имеют размещение шин +Vcc и GND. Для увеличения межслойной емкости и обеспечения эффективной высокочастотной развязки необходимо, чтобы эти два слоя были смежными. Полигоны электропитания располагайте во внутренних слоях МПП. Слои электропитания делайте максимально сплошными, уменьшая площадь неметаллизированных участков. Все высокочастотные цепи располагайте во внутренних слоях, смежных со слоями GND. Расстояние между сигнальным слоем и слоем пи- тания не должно превышать 0,25 мм. Располагайте высокочастотные сиг- налы как можно дальше от областей ввода-вывода и цепей передачи дан- ных. Для разводки высокоскоростных сигналов (порядка 1 ГГц и более) использовать соответствующий материал МПП для СВЧ применений (напри- мер, Ro4003 производства Rogers или 25N производства Arlon и т.п.). Материал FR- или СФ- различных модификаций для этих целей неприго- ден. Все пространство МПП, на котором не располагаются компоненты схемы и линии связи, должно быть залито полигоном GND. Изменение направления трассы проводника высокоскоростных сигналов в топологии МПП выполнять в виде дуги. При топологическом проектировании печатных плат обратить внимание на то, чтобы трассы с импульсным током не проходили параллельно трассам информационных цифровых и (или) аналоговых каналов обмена. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 15а Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 Заземление интерфейсов необходимо обеспечить в одной области, а подключение экранных оплеток электрических проводов и развязывающих конденсаторов производить к отдельному, специально выделенному для этого слою заземления. Как отмечалось выше, такое соединение должно иметь низкое значение полного сопротивления. Не располагать быстродействующие схемы с высокой частотой обмена между электрическими соединителями. На частотах ниже 300 МГц длина волны более 1 м, при этом электрические связи на МПП, можно рассматривать как антенны с низкой эффективностью из-за относительно малой длины проводников. Однако, жгуты, кабели и другие электрические связи, подключенные к МПП, могут быть достаточно эффективными антеннами. При этом увеличивается площадь контура, суммарная длина электрической линии и напряженность поля ЭМП, создаваемых работой такого электронного устройства. Разделять шины электропитания цифровых и аналоговых схем. Запрещается разводить сигнальную трассу через разрыв в полигоне возвратного тока. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 16 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 Полигон возвратных токов цифровой логики должен быть цельным, занимая область под всеми дискретными компонентами цифровых ИС, трассами и разъемами. При компоновке МПП, конденсаторы, предназначенные для развязки цепей по электропитанию, располагать на расстоянии не более 2 мм от соответствующих выводов ИС. Подключение второго вывода этих конденсаторов к полигону GND призводить наикратчайшим путем через металлизированные отверстия в МПП. Зазор между проводниками (кроме дифференциальных пар) должен быть минимум в три раза больше ширины проводников. Проводники ввода-вывода МПП необходимо делать как можно более короткими и предусматривать фильтрацию выходных сигналов. 8.2 Трассировка дифференциальных пар Для повышения помехоустойчивости системы, снижения помехоэмисии и передачи информационных потоков на большие расстояния часто применяется парафазное управление и(или) информационный обмен с использованием дифференциальных пар проводников. В этом случае при топологическом проектировании налагается ряд специфических требований к дизайну МПП. К таким требованиям относятся: - дифференциальные пары должны быть согласованы по длине. Для частот обмена до 100 МГц проводники должны быть подобраны по длине с точностью 0,635 мм (0,025 дюйма). Для частот обмена 0,8 ГГц и более высоких частот проводники МПП должны быть согласованы по длине с точностью 0,254 мм (0,010 дюйма); - расстояние между проводниками дифференциальной пары должно быть не более 0,508 мм (0,020 дюйма); обе трассы дифференциального сигнала должны располагаться параллельно в одном полигоне, при этом расстояние между ними должно быть в 3 или более раз больше ширины проводников линий связи дифференциальной пары; - трассы тактового сигнала и группового сигнала данных должны быть подобраны с точностью до 2,54 мм (0,1 дюйма), при этом под Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 17 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 групповым сигналом понимается совокупность дифферинциальных пар, информационный обмен по которым синхронизирован одним тактовым сигналом и передающие схожую информацию; - максимальное использование одного слоя и минимальное количество переходов на другие слои; - симметрия дифференциальной пары должна выдерживаться на всем протяжении от драйвера до ресивера для обеспечения одинаковой фазовой задержки передаваемого сигнала. - пространство между двумя линиями связи дифференциальной пары должно оставаться свободным на всем протяжении, при этом пространство, отделяющее эту пару проводников от других трасс должно быть заполнено сплошным слоем металлизации, соединенным с полигонами GND; - волновое сопротивление дифференциальной пары должно составлять 100 Ом; Приемлемо, если волновое сопротивление дифференциальной пары находится в диапазоне 100 Ом ±10%, тогда уровень вторичных отражений, следующих за фронтом передаваемого сигнала не превышает 5% от значения амплитуды данного сигнала. Следует отметить, что дифференциальная линия связи для обеспечения высокого качества дифференциального сигнала тоже должна быть согласована. При этом чаще всего используются два варианта – согласование линии - только по дифференциальному сигналу и согласование линии по дифференциальному и синфазному сигналам. Разница между этими способами ощутима лишь при наличии синфазного сигнала, который может вызвать синфазный резонанс. Схема согласования линии по дифференциальному и синфазному сигналам, состоящая как правило из четырех резисторов, применяется чаще всего для оконечного согласования сети синхронизации, а также при большой длине дифференциальной линии связи. Все эти требования можно обьединить понятием оптимизация дифференциальных пар проводников МПП. Если дифференциальная пара проводников МПП не оптимизирована на нее будет оказывать воздействие Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 18 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 ЭМП. Оптимизированная дифференциальная пара проводников обладает очень высокой помехоустойчивостью и сравнительно низким уровнем радиоизлучений.. По данным Федеральной Комиссии связи США радиоизлучения микрополосковой дифференциальной пары с расстоянием между электрическими трассами 0,5 мм в условиях измерения, соответствующие классу В, на частоте 1 ГГц теоретически должно быть ниже на 40 дБ, чем при передаче того же сигнала при несимметричной схеме информационного обмена. 8.3 Заземление в многослойных печатных платах Высококачественная многоуровневая система невозможна без хорошего заземления, которое прорабатывается дизайнером МПП с первого шага разработки. Разводка шин и полигонов заземления в МПП – очень важный и ответственный момент конструирования, непосредственно влияющий на ЭМС разрабатываемого электронного модуля, и, как следствие, конечного изделия. Существует ряд аспектов, придерживаться которых должен дизайнер МПП при топологическом проектировании. К числу таких аспектов относятся: - разделение шин и полигонов на аналоговую и цифровую части – один из важнейших, простых и наиболее эффективных способов снижения уровня ЭМП в электронных схемах многослойных печатных плат. Это требование не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли. Их электрическое объединение должно осуществляться в каком- то, желательно одном, низкоимпедансном узле, как можно ближе к источнику электропитания; - запрещается перекрытие аналоговых и цифровых полигонов. Шины и полигоны аналогового электропитания должны быть смежными с шинами и полигонами аналоговой земли. Требования к трассировке и размещению шин цифрового электропитания аналогичны - шины и полигоны электропитания цифровых ИС должны быть смежными с шинами и полигонами цифровой земли. В местах перекрытия аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 19 Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 участками создает емкостную связь по переменному току, и наводки, распространяющиеся по шинам и полигонам от работы цифровых компонентов, попадут в цепи аналоговой схемы; - размещение аналоговой части схемы вблизи от электрических соединителей МПП в мировой практике является хорошо зарекомендовавшей себя концепцией; Существует лишь единственное отступление для ИС аналого- цифровых и цифро-аналоговых преобразователей в корпусах с раздельными выводами для аналоговой и цифровой земли. В этом случае объединение аналоговых и цифровых шин GND должно выполняться над областью полигона аналоговой земли. В электрической схеме эти выводы всегда должны подключаться к шине аналоговой земли. При конструировании МПП, содержащей ЦАП или АЦП, необходимо обеспечить хорошую развязку цифрового электропитания преобразователя на аналоговую землю. 8.4 Паразитные параметры МПП При перекрытии полигонов и(или) шин МПП, находящихся на разных слоях, возникает емкостная связь, возрастающая с ростом частоты передаваемого сигнала. Полигоны или проводники, расположенные в смежных слоях в этом случае образуют пленочный конденсатор, емкость которого можно определить по следующей формуле: С = 0,0085 E R A/d (пФ), где С – межслойная емкость; E R – диэлектрическая постоянная; A – площадь перекрытия, мм²; d – расстояние между слоями, мм. Типовое значение E R для МПП на основе широко распространенного материала FR-4 составляет 4,5. При близком параллельном расположении проводников в слое МПП, между ними образуется емкостная и индуктивная связь. Этот фактор Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 19а Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 приобретает особое значение для входов ОУ, большая емкостная связь между которыми может привести к самовозбуждению схемы. Переходные отверстия, формируемые для осуществления межслойного электрического соединения, вносят паразитную индуктивность, значение которой можно приближенно рассчитать по приведенной ниже формуле: L ≈ h/5 (1+ln(4h/d)) (нГн), где L – индуктивность переходного отверстия; d – диаметр отверстия после металлизации (мм); h – длина канала переходного отверстия (мм). Индуктивность отверстия с емкостью электрической схемы образует резонансный контур, резонансная частота которого, как правило, лежит в диапазоне СВЧ из-за очень малого значения индуктивности отверстия. Однако, при большом числе переходов на пути распространения сигнала, резонансная частота паразитного контура снижается и этот фактор должен быть учтен дизайнером МПП. Другим негативным фактором при большом количестве переходных отверстий в полигоне слоя GND является образование петлевых участков – неконтролируемых контуров. При повороте проводника в слое МПП на угол 90º, сигнал, передаваемый по нему, частично отражается. Этот эффект происходит, главным образом, из-за изменения ширины проводника МПП в месте его поворота на пути прохождения тока. Линия передачи изменяет свои характеристики поскольку в вершине прямого угла ширина трассы увеличивается в 1,414 раза, что приводит к рассогласованию, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Возможность большинства современных CAD-пакетов сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги является необходимостью для достижения качественного дизайна МПП и хороших электрических характеристик последних. Копировал Формат А4 Подп. и да та Инв. № д убл. Взам. инв . № Подп. и да та Инв.№ п одл. ВИДК.460009.008 Лист 19б Изм Лист № докум. Подп. Дата 2-144 26.05.09 2-158 8.5 Диэлектрические потери В любой конструкции линии передачи электрических сигналов применяется диэлектрик с теми или иными техническими характеристиками. На высоких частотах и при передаче высокоскоростных сигналов диэлектрические потери приводят к ослаблению передаваемых сигналов и оказывают существенное влияние на целостность информационного потока. Этот фактор определяет широкую номенклатуру зарубежных материалов для изготовления МПП, кабелей, СВЧ-устройств. Диэлектрические потери характеризуются слабой зависимостью волнового сопротивления электрической линии связи от частоты, в то время, как коэффициент затухания передаваемого информационного потока в дБ прямо пропорционален частоте. На вполне определенной для данного диэлектрика частоте ω θ потери в диэлектрике становятся равными потярям, обусловленным поверхностным эффектом, а на частотах выше ω θ – значительно превосходят их. Частота |