Газизов - ЭСиУРС. Т. Р. Газизов Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры Рекомендовано умо по образованию в области сервиса и туризма в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведени
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
2.2. Основные причины искажений сигналов в межсоединениях и способы их уменьшения Под искажениями сигнала понимают изменения его параметров более допустимых пределов. Рассмотрим основные причины искажений сигнала при передаче по межсоединениям и способы их уменьшения. При передаче гармонического сигнала по одиночному межсоедине- нию он задерживается повремени из-за конечной скорости распространения и затухает по амплитуде из-за потерь в материалах межсоединения. Зависимость задержки и потерь от частоты сигнала называют дисперсией. При полигармоническом сигнале каждая его спектральная составляющая проходит по межсоединению со своей задержкой и своим затуханием, что приводит к изменению временной формы сигнала. Изменение геометрических параметров и параметров материалов межсоедине- ния по его длине приводит к изменению задержки и потерь по длине межсоединения. Важное влияние на искажения сигнала, передаваемого по межсоеди- нению, оказывают нагрузки или неоднородности, расположенные вначале, конце или по длине межсоединения. В результате часть сигнала отражается от каждой нагрузки и распространяется по межсоединению в обратном направлении. Поэтому к концу межсоединения сначала приходит оставшаяся часть сигнала, а позже приходят его части, испытавшие чёт- ное число отражений [49]. Величина, полярность и форма отражённой части сигнала зависят от соотношения нагрузки с волновым сопротивлением межсоединения и от характера нагрузки (резистивная, комплексная. Нелинейность нагрузки обогащает исходный спектр сигнала в случае гармонического сигнала к нему добавляются его гармоники, а в случае полигармонического сигнала – гармоники каждой составляющей исходного спектра сигнала и их комбинационные частоты [50]. Причиной искажений сигналов, передаваемых по межсоединениям, часто является внешнее электромагнитное поле. Действительно, любое межсоединение представимо в качестве приёмной антенны, характеристики которой определяются видом и параметрами межсоединения. Такое представление часто помогает качественно оценить возможности уменьшения влияния внешнего электромагнитного поляна сигналы, передаваемые по межсоединениям. Источники электромагнитного поля могут быть различными. Важным частным случаем такого источника являются сигналы соседних межсоединений. Причины искажений сигналов, распространяющихся в нескольких межсоединениях, сложно определить однозначно. В общем случае они зависят от величины и соотношения электрической и магнитной индукции в отдельных межсоединениях. Для некоторых частных случаев конфигураций многопроводных межсоединений делаются более определён- ные выводы. Наиболее простой конфигурацией являются параллельные межсоединения, параметры которых не изменяются по длине. Тогда любой сигнал, возбуждаемый в межсоединении, представляется линейной комбинацией нескольких мод, каждая из которых распространяется с постоянной скоростью [51]. При однородном диэлектрическом заполнении скорости всех мод равны (и это упрощает анализа при неоднородном – могут быть различны. Из модального анализа и даже из оценки скоростей мод можно сделать выводы о возможностях уменьшения искажений. Однако при изменении параметров линии по длине такой подход неприменим, и нужен более сложный анализ нерегулярных линий. В заключение отметим ещё одну причину искажений сигналов в меж- соединениях – несоответствие реальных характеристик межсоединений требуемым из-за погрешностей, возникающих на этапах проектирования и технологической реализации [45]. В первом случае это обусловлено методической погрешностью из-за несовершенства используемых моделей и других теоретических приближений, во втором – производственной погрешностью параметров межсоединений, определяемой разбросом размеров и свойств материалов относительно номинальных значений. Ярким примером результата такого несоответствия является измеренное значение характеристического импеданса линии печатной платы 45 Ом, которое по вычислениям должно быть 55 Ом [52]. Уменьшение искажений сигналов осуществляется, прежде всего, соответствующим выбором параметров межсоединений. Для снижения задержки сигнала в межсоединении фиксированной длины используют диэлектрики с возможно меньшей диэлектрической проницаемостью. Если же диэлектрики заданы, снижение задержки достигается таким изменением размеров и расположения диэлектриков и проводников межсоеди- нения, чтобы большая часть электромагнитного поля сигнала распространялась в диэлектрике с меньшей диэлектрической проницаемостью. Указанные возможности снижения задержки относятся и к снижению затухания сигнала, вызванного потерями в диэлектрике. Потери в проводниках межсоединения уменьшаются при изготовлении проводников из металла с возможно большей удельной электрической проводимостью. Однако потери в проводниках складываются из нескольких составляющих, величины которых зависят от размеров и формы проводников. Первая составляющая определяется сопротивлением проводника постоянному току и, как известно, обратно пропорциональна площади поперечного сечения проводника, поскольку плотность распределения тока по поперечному сечению полагается равномерной. С ростом частоты сигнала сильнее проявляется скин-эффект, приводящий к росту плотности тока на границе проводника и увеличению потерь. Эффект близости проводников друг к другу также приводит к росту потерь. Результаты решения этой задачи показывают, что, например, общее сопротивление микрополоско- вой линии переменному току может в четыре раза превышать сопротивление переменному току того же микрополоска, удалённого от плоскости земли [53]. Указанные эффекты существенно зависят от формы, размеров и расположения проводников и могут быть уменьшены соответствующим их выбором. Отражения сигнала от нагрузок на концах межсоединения уменьшаются с помощью согласования. В случае резистивных нагрузок традиционным способом согласования является выравнивание оконечной нагрузки с волновым сопротивлением межсоединения. Отметим, что полное согласование МПЛП даётся гораздо сложнее, чем одиночной линии [54]. Известно согласование в узкой полосе частот четвертьволновыми отрезками линий передачи, а также широкополосное согласование отрезком линии с волновым сопротивлением, экспоненциально изменяющимся по длине линии [55]. Возможен и такой выбор параметров межсоединений и нагрузок, когда отражённые сигналы на конце межсоединения компенсируют друг друга [56]. Примечательно, что при определённой длине меж- соединения с потерями достаточное затухание отражённых сигналов вовсе не требует согласования [57, 58]. Известно также использование корректирующих согласующих цепей, учитывающих рост потерь с частотой [59]. Если нагрузки или неоднородности расположены по длине межсо- единения, то возможна их компенсация за счёт изменения параметров самого межсоединения [60]. Уменьшение искажений сигнала, вызванных воздействием внешнего электромагнитного поля, как правило, осуществляется с помощью экранирования. Дополнительные возможности даёт изменение ориентации 109 межсоединения относительно источника поля, а также выбор конфигурации и параметров межсоединений. Широко используется способ попарного скручивания прямого и обратного проводников. Указанные способы также применяются и для уменьшения взаимных влияний в многопроводных межсоединениях, однако достижение результата даётся сложнее. Например, при расположенных рядом скрученных парах проводников влияние одной пары на другую уменьшается за счёт использования кратных шагов скрутки и сдвига вдоль линии наполовину шага скрутки. Эти способы широко применяются в воздушных линиях связи, в многопроводных плетёных жгутах для межблочной связи и современных кабелях (например, марок UTP, STP, SFTP) для локальных компьютерных сетей. Известны и полосковые варианты нескольких витых пар в плоских кабелях [61] и печатных платах [62]. Примером уменьшения взаимных влияний проводников за счёт выбора их взаимной ориентации является ортогональная разводка соседних сигнальных слоёв в печатных платах. В случае многопроводных межсоединений, расположенных параллельно друг другу, уменьшение их взаимовлияний достигается посредством увеличения расстояния между ними. Однако эффективность этого способа существенно зависит от формы и расположения обратного проводника межсоединений. В общем случае за счёт обратного проводника можно уменьшать взаимовлияния межсоединений вплоть до полного их экранирования. Примером эффективного использования для этой цели обратного проводника является общая плоскость земли. Взаимовлияние межсоединений, расположенных по разные стороны от общей плоскости, очень мало. Межсоединения, расположенные на одной стороне общей плоскости, располагают как можно ближе к ней. Известно также применение для этой цели дополнительных экранирующих проводников [81, 63, 64] и даже сплошных экранирующих оболочек размером 0,7 мм [65]. Уменьшение взаимовлияний в межсоединениях возможно за счёт контролируемого изменения их параметров по длине [66], а также за счёт изменения параметров диэлектрического заполнения [67–69]. Наконец, уменьшение искажений в межсоединениях из-за несоответствия их реальных характеристик требуемым достигается совершенствованием моделей в направлении всё более точного учёта реальной конструкции межсоединений и минимизацией производственных погрешностей при технологической реализации межсоединений за счёт известных принципов и методов [70] для удовлетворения всё более жёстких требований. Например, стандартный допуск характеристического импеданса линии печатной платы, составляющий 10%, снизится в ближайшие годы до 7%, а после – и до 5%. Причём это достигается, с одной стороны, уменьшением погрешности средств моделирования до 1%, ас другой стороны, тщательным анализом и уменьшением вкладов в эту погрешность каждого из параметров, максимальные из которых составляют примерно (ширина линии, 20% (толщина диэлектрика) и 10% (проницаемость диэлектрика) [52]. Выполненный краткий обзор способов уменьшения искажений сигналов в межсоединениях и известная автору литература показывают, что исследований, в которых опубликованы конкретные рекомендации по уменьшению искажений в межсоединениях, очень мало. Одна из причин этого, по-видимому, заключается в существовании ноу-хау по конкретным практическим вопросам, стоящим на переднем крае развития современной радиоэлектроники. К сожалению, в имеющихся публикациях встречаются результаты, даже противоречащие друг другу. Например, использование дополнительных заземлённых полосок между двумя полосками, казалось бы, известно как способ уменьшения электромагнитных влияний [81]. Однако в [63] сделан вывод, что при близком расположении общей плоскости земли этот способ не оправдан, поскольку его эффективность существенно снижается. А в известной работе [64] показано, что заземление экранирующих полосок на концах даже увеличивает перекрёстную помеху на дальнем конце пассивной линии. Такое положение дел говорит и о том, что существенной причиной недостаточного освещения способов уменьшения искажений сигналов является сложность получения однозначных ответов на такие вопросы. Искажения сигналов в межсоединениях зависят, в общем случае, от соотношения параметров сигналов, межсоединений и их окончаний. Строгая оценка возможностей уменьшения искажений требует анализа отклика МПЛП, что в общем случае произвольных воздействий, конфигураций МПЛП и окончаний является сложной задачей. Однако опреде- лённые выводы об уменьшении искажений можно сделать, если рассматривать частные случаи, например, стандартных входных воздействий, неразветвлённых конфигураций и согласованных окончаний, сосредоточившись на поисках возможностей уменьшения искажений за счёт изменения параметров отрезков МПЛП. В частности, довольно большими важным ресурсом уменьшения искажений представляется изменение параметров поперечного сечения межсоединений. 111 2.3. Уменьшение искажений по результатам экспериментального моделирования Экспериментальное моделирование межсоединений предполагает их макетирование и экспериментальное определение электрических параметров и отклика на макетах. Макетирование межсоединений является той стадией, которой не уда- ётся избежать при экспериментальном моделировании межсоединений. Она необходима для экспериментального определения, как параметров, таки отклика межсоединений. Макетирование новых конструкций меж- соединений требует проработки технологических вопросов изготовления межсоединений в производственных условиях. Выбор конструкции макетов должен быть тщательно продуман с учётом особенностей проведения измерений, а выбор диапазона параметров конструкции – с учётом ожидаемых результатов. От этих факторов зависит количество макетов с различными параметрами, а значит, и затраты на их изготовление, которые могут увеличиться при ошибочном выборе. Непосредственное экспериментальное определение электрических параметров МПЛП выполнимо на основе простой и доступной методики измерений ёмкостных или индуктивных параметров МПЛП с помощью измерителя ёмкостей и индуктивностей [71]. Другим направлением является применение косвенных методов, например рефлектометрии. Так, для определения погонных параметров МПЛП с однородным диэлектрическим заполнением предложено два метода прямой метод и метод отражения. В случае неоднородной среды матрицы [C] и [L] получают из измеренных матриц характеристического импеданса и модальных скоростей, используя временной отклик линии на импульсную или ступенчатую функцию [73] или измеряя импеданс в частотной области при коротком замыкании и на холостом ходу для различных конфигураций [74]. Важным вкладом в решение задачи определения электрических параметров МПЛП стала работа [75], в которой показано вычисление параметров связанных линий из полученных с помощью измерений волновых скоростей и коэффициентов преобразования, которые характеризуют развязанную эквивалентную схему многопроводной системы. В ней также описан метод резонансных частот, позволяющий определять волновые скорости с большей точностью, чем временными методами. Кроме того, в работе описан способ определения индуктивных параметров МПЛП из измерения ёмкостных параметров и характеристических импедансов, позволяющий обойти трудности, связанные с прямым измерением индуктивностей МПЛП. Однако необходимо отметить, что существенные неоднородности, вносимые в измерительный тракт, небрежность или неправильная методика измерений зачастую значительно снижают точность полученных результатов [76]. Известно также, что погрешность измерения внедиаго- нальных элементов матриц МПЛП даже на очень хорошем оборудовании значительно больше, чем диагональных. Так, при вполне приемлемой погрешности в 1% для диагональных элементов погрешность для внедиа- гональных элементов, даже матрицы 2 ×2, может составить 25% [77]. Кроме того, как видно из обзора, в методах косвенного определения параметров во многом используются собственно параметры экспериментально полученного отклика МПЛП после их математических преобразований. Отметим, что описанным вначале данного раздела этапам экспериментального моделирования может предшествовать поиск (как правило, основанный на анализе известных прототипов) такой геометрической конфигурации проводников и диэлектриков, которая бы отвечала совокупности предъявляемых к ней основных требований. На структурном уровне монтажных плат в первую очередь необходимо рассмотреть основные известные виды плат, провести анализ их достоинств и недостатков и по его результатам сформулировать основные требования, предъявляемые к современным монтажным платам. На этой основе можно предлагать новые варианты, обладающие более совершенными характеристиками по сравнению с известными прототипами. Известно несколько основных видов монтажных плати большое разнообразие их оригинальных модификаций (например, [78, 79, 80]), которые классифицируются по определённым признакам [81]. Навесной монтаж был одним из первых видов монтажа радиоэлементов, которые закреплялись на жёсткой пластине, например металлическом "шасси" с изоляторами. Необходимые соединения между выводами в этом случае осуществлялись навесными проводниками путём ручной пайки. У такого способа монтажа много достоинств, например наличие металлической пластины, которая служит одновременно радиатором и теплопроводом, а также электрическим экраном и общим проводником для сигнальных проводов. Элементы навесного монтажа, благодаря его простоте, применяются и посей день для монтажа, например, крупногабаритных радиоэлементов. Однако такой способ монтажа явно устарел. Миниатюризация радиоэлементов и повышение плотности монтажа усложнили навесной монтаж и увеличили его трудоёмкость, потребовав новых конструктивно-технологических решений. Пришло время печатного монтажа, начавшегося с односторонних печатных плат. Получение межсоединений травлением фольгированного диэлектрика оказалось очень дешёвым, особенно при большой серийности производства, ив настоящее время повсеместно и хорошо освоено. Потребность более плотного размещения печатных проводников привела к двусторонним печатным платам (ДПП). Однако сплошное диэлектрическое основание вместо металлического ухудшило условия теплоотвода. Для улучшения электрических характеристик межсоединений быстродействующей элементной базы снова появилась необходимость в общей плоскости земли, ради которой приходится жертвовать одним слоем сигнальных проводников. Дальнейший рост плотности монтажа потребовал увеличения числа слоёв печатной платы. Это привело к появлению многослойных печатных плат (МПП) с большим числом сигнальных слов, при необходимости чередующихся со слоями земли и питания. МПП позволила существенно продвинуться в решении проблемы неискажённой передачи сигналов в межсоединениях высокой плотности. Однако стоимость МПП значительно выше, чем ДПП, поскольку изготовление МПП – сложный многоопе- рационный процесс, требующий строгого соблюдения технологических режимов с применением высококачественных материалов, специального высокоточного технологического оборудования и контрольно- измерительной аппаратуры. Действительно, по отечественным оценкам х гг. стоимость МПП может быть дороже ДПП примерно враз, а по типовым ценам современных зарубежных изготовителей стоимость МПП (при малых партиях в 12 и даже 5 штук) составляет 2 слоя те. ДПП) – слой 4 слоя – слой 6 слоев – слой 8 слоев – слой [83]. Отдельно следует сказать о платах тонкопроводного монтажа, межсо- единения которых осуществляются тонким изолированным проводом с помощью специальных станков с числовым программным управлением. Одной из самых современных технологий изготовления таких плат является технология Multiwire, позволяющая получить на двух слоях разводки плотность межсоединений, эквивалентную двадцатислойной МПП [84]. Другими достоинствами являются открытый доступ к межсоединениям и простота их модификации или переразводки. Кроме того, здесь достигаются более высокие, чем в МПП, электрические характеристики межсо- единений, поскольку все изолированные провода лежат в слое адгезива, находящемся на фольге или металлической пластине, выполняющих функцию электрической земли. Недостатком тонкопроводного монтажа является необходимость специальных станков и индивидуальная работа над каждой платой, что пока оставляет его довольно дорогим. Рост требований к плотности монтажа и быстродействию современных электронных схем определяет развитие монтажных плат. Монтажная плата должна обеспечивать неискажённую передачу высокочастотных сигналов в межсоединениях высокой плотности, отвод тепла от корпусов радиоэлементов и межсоединений. Кроме того, важно контролировать влияние на монтажную плату внешних электромагнитных помехи сохранять в допустимых пределах уровень электромагнитных излучений самой платы. Существенным фактором остаётся снижение себестоимости монтажной платы. Обзор монтажных плати патентный поиск, проведённые автором, показали отсутствие конструкций монтажных плат, полностью отвечающих всем современным требованиям. Поэтому поиск новых конструкций монтажных плат весьма актуален. Его значимость заключается в том, что удачное решение даёт новые возможности. Конкретизация решения позволяет выполнить предварительную качественную оценку его конструктивных, технологических, стоимостных и электрических характеристик, результаты которой обосновывают целесообразность дальнейшего, более точного количественного анализа характеристик монтажной платы. В связи с приведенными доводами, в частности касающимися высокой погрешности определения матриц параметров МПЛП экспериментальными методами, в данной работе они не используются, а отдаётся предпочтение экспериментальному определению отклика МПЛП. Действительно, определение отклика не требует специальных приборов и сложных методик измерения и, как правило, сводится к более доступному осциллографу со встроенным генератором. Найденные матрицы параметров лишь промежуточный результата известный отклик – результат окончательный. Именно по параметрам отклика делаются окончательные выводы об уменьшении искажений в межсоединениях и сравниваются межсоединения разных типов. Так, для временного отклика одиночной линии одним из основных параметров является время фронта или спада импульса на выходе линии. В случае связанных линий, как правило, исследуются уровни перекрёстных помех на ближнем и дальнем концах пассивных линий. Новая помехозащищённая теплопроводная монтажная плата (ПТМП) и результаты её экспериментального исследования представлены в следующих разделах. Показана конструкция ПТМП и выполнена качественная оценка её возможностей. Кратко рассмотрены вопросы макетирования межсоединений ПТМП, прежде всего некоторые особенности технологии изготовления ПТМП в условиях производства, касающиеся подложки, изолирующего слоя, металлической пластины и электрического контакта к металлической пластине. Описаны различные варианты изготовленных макетов межсоединений. Представлены результаты экспериментального моделирования распространения импульсного сигнала в одиночных линиях и перекрёстных помех в парах связанных линий. |