Фильтрация помех в цепях питания ИМС - LMS
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ» Московский институт электроники и математики Платонов Максим Дмитриевич РАЗРАБОТКА НАУЧНО ОБОСНОВАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УСТАНОВКЕ ПЛИС НА ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ Выпускная квалификационная работа по специальности 210201.65 Проектирование и технология радиоэлектронных средств Студент __________ М.Д. Платонов Рецензент д. т. н. А.В. Нисан Научный руководитель д. т. н., проф. Л.Н. Кечиев Москва 2015 г. Содержание: Введение………………………………………………………………. Глава 1 Анализ проблемы…………………………………………… 1.1 История развития интегральных схем. ………………………… 1.2 ПЛИС их назначение принцип работы, их параметры, ведущие производители. …………………………………………… 1.3 Влияние развития ПЛИС на конструирование и технологию печатного узла………………………………………………………. 1.4 Постановка задачи……………………………………………….. Глава 2. Анализ ПЛИС серии XLINX Spartan 3-A………………… 2.1 Описание серии XLINX Spartan 3-A…………………………… 2.2 Особенности обеспечения целостности сигнала……………… 2.3 Выводы…………………………………………………………… Глава 3. Разработка метода обеспечения целостности сигнала и питания……………………………………………………………….. 3.1 Выполнение расчетов по параметрам линии передачи. ……… 3.2 Разработка требований к формированию шин питания и развязки………………………………………………………………. 3.3 Выбор и обоснование развязывающих конденсаторов……….. 3.4 Выводы……………………………………………………………… Глава 4. Разработка конструкции ПП удовлетворяющей требованиям целостности сигнала и питания …………………….. 4.1 Разработка рекомендаций по конструкции ПП……………….. 4.2 Разработка рекомендаций по установке и размещению развязывающих конденсаторов ……………………………………. 4.3 Разработка по технологии сборки и монтажу ………………… 4.4 Выводы…………………………………………………………… 4.5 Оценка рынка ПЛИС и технологических затрат……………… 4.6 Обеспечение БЖД при сборке и монтажа, общие вопросы….. Глава 5. Моделирование……………………………………………. 5.1 - Подготовка схемы электрической принципиальной (проводилась в системе Orcad) …………………………………….. 5.2 - Трассировка печатной платы (проводилась в системе Allegro) ………………………………………………………………. 5.3 Результаты моделирования…………………………………… Заключение…………………………………………………………… Список литературы………………………………………………….. 3 4 4 5 10 21 22 22 23 35 36 36 39 47 55 56 56 63 76 77 77 79 84 84 85 93 95 96 Введение В настоящее время главными задачами при создании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронно-вычислительных машин (ЭВМ) является увеличение скорости работы и уменьшение физических размеров. Для этого улучшаются характеристики и параметры элементов и интегральных микросхем, также происходит их оптимизация. Однако, при переходе работы устройств в наносекундный диапазон возникают новые проблемы, связанные с искажением сигналов в линиях связи. С повышением быстродействия логических схем скорость преобразования информации приближается к скорости её передачи, а при задержках логических элементов становится сравнимой с ней. В этом случае улучшение динамических характеристик самих элементов может не дать желаемого эффекта. Так как интегральные схемы как правильно, являются компонентами печатных плат , то необходим комплексный подход к проектированию печатных плат. Следовательно при проектировании печатных узлов необходимо это учитывать, и искать методы которые позволяют существенно повысить помехоустойчивость аппаратуры. Также необходимо учитывать проблемы питания. В данной работе мы проведем исследование, и покажем что при правильной разработке печатных плат мы можем значительно сократить возникающее помехи при передачи информации. Глава 1. Интегральные схемы. 1.1 История развития интегральных схем. Интегральная схема – электронная микросхема изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. Большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой — ИС, заключённую в корпус. История появления интегральных схем берет своё начало со второй половины двадцатого века. Их возникновение было обусловлено острой необходимостью повышения надёжности аппаратуры и автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем. Другой причиной создания ИС стала технологическая возможность размещения и соединения между собой множества электронных компонентов – диодов, транзисторов и так далее, на одной пластине полупроводника. Дело в том, что созданные к тому времени меза- и планарные транзисторы и диоды изготавливались по технологии групповой обработки на одной пластинезаготовке одновременно. Концепция ИС была предложена задолго до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. Первые в мире ИС были разработаны и созданы в 1959 году американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга. В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments из фирмы Centralab – в ней он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов, для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n-переходы. Оставалось только научиться создавать такие переходы в монолите кремния. Многие недостатки "твёрдых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом. С января 1959 года, занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor (FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с помощью смещённых в обратном направлении р-n-переходов и соединения элементов через отверстия в окисле путём напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов в тесном контакте со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах. Разработки ИС стали продвигаться лихорадочными темпами. Фирма FS пригласила в качестве разработчика схем Роберта Нормана из фирмы Sperry. Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, выбранной в качестве основы для будущей серии ИС – Micrologic... Это было начало новой эры. Степень интеграции В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем: малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле, средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле, большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов в кристалле, сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс. элементов в кристалле. Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 млрд. элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС. 1.2 ПЛИС их назначение принцип работы, их параметры, ведущие производители. По мере развития цифровых микросхем возникло противоречие между возможной степенью интеграции и номенклатурой выпускаемых микросхем. Экономически оправдано было выпускать микросхемы средней интеграции, таких как регистры, счетчики, сумматоры. Более сложные схемы приходилось создавать из этих узлов. Разместить более сложную схему на полупроводниковом кристалле не было проблем, но это было оправдано либо очень большой серийностью аппаратуры, либо ценой аппаратуры (военная, авиационная или космическая). Заказные микросхемы не могли удовлетворить возникшую потребность в миниатюризации аппаратуры. Решение могло быть только одним — предоставить разработчикам аппаратуры возможность изменять внутреннюю структуру микросхемы (программировать). История развития программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) начинается с появления программируемых постоянных запоминающих устройств. Первое время программируемые ПЗУ использовались исключительно для хранения данных, однако вскоре их стали применять для реализации цифровых комбинационных устройств с произвольной таблицей истинности. В качестве недостатка подобного решения следует отметить экспоненциальный рост сложности устройства в зависимости от количества входов. Добавление одного дополнительного входа цифрового устройства приводит к удвоению требуемого количества ячеек памяти ПЗУ. Это не позволяет реализовать многовходовые комбинационные цифровые схемы. Для реализации цифровых комбинационных устройств с большим числом входов были разработаны программируемые логические матрицы (ПЛМ). В иностранной литературе они получили название — Programmable Logic Arrays (PLA). Именно программируемые логические матрицы можно считать первыми программируемыми логическими интегральными схемами (Programmable Logic Devices — PLDs). ПЛМ получили широкое распространение в качестве первых универсальных микросхем большой интеграции. Классификация ПЛИС В настоящее время программируемые логические интегральные схемы развиваются по нескольким направлениям, поэтому возникла необходимость как то различать эти микросхемы. Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) приведена на рисунке 1. Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) Следует отметить, что программируемые логические матрицы (ПЛМ) реализуют хорошо известные принципы создания цифровой комбинационной схемы по таблице истинности (СДНФ). Применение постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) в качестве комбинационной схемы позволяет вообще обойтись без составления комбинационной функции и ее минимизации. Области применения этих микросхем сразу определились. ПЗУ применялись для создания комбинационных схем с малым количеством входов. При росте количества входов сложность внутреннего устройства ПЗУ и его цена резко возрастали (по квадратичному закону). ПЛМ позволяли реализовывать таблицы истинности с относительно малым количеством единичных сигналов на выходе и большим количеством входных сигналов, либо хорошо минимизирующиеся логические функции. Первоначально цифровые устройства с памятью реализовывали либо на нескольких ПЛМ, либо добавляли внешние триггеры , затем стали включать их в состав программируемых логических устройств. По мере увеличения степени интеграции микросхем возникла необходимость объединять полученные сложные микросхемы на одном кристалле. В результате возникли сложные программируемые логические устройства (CPLD). В них появилась возможность программировать не только таблицу истинности комбинационного устройства, но и линии соединения входов и выходов ПЛД между собой. Таким образом можно считать CPLD дальнейшим развитием ПЛМ и ПЛД. Точно так же развивались цифровые устройства на ПЗУ. Сначала к их выходам добавили триггер. Естественно предоставили возможность отключать его при необходимости. Затем несколько этих схем разместили на одном кристалле и предоставили возможность программировать соединения их входов и выходов между собой. Подобные устройства называются FPGA. [11] Ведущие производители Достаточно много компаний в мире занято производством цифровых устройств на основе ПЛИС и использованием их в своих системах. В данном разделе перечисляются и кратко описываются основные производители современных вычислительных систем на основе ПЛИС и комплектующих к ним. Основанная в 1984 году американская компания Xilinx является одним из лидеров в области производства ПЛИС-микросхем. На данный момент у этой компании существует несколько серий выпускаемой аппаратуры для разного рода вычислений: Virtex. Высокопроизводительные ПЛИС на основе FPGA, призванные заменить специализированные интегральные схемы при решениях различных ресурсоемких задач. Spartan. Более дешевые и менее производительные ПЛИС FPGA, разработанные для использования в устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих. CoolRunner и XC9500. Серии ПЛИС типа CPLD, предназначенных для использования в различных портативных устройствах - мобильных телефонах, GPS-навигаторах, КПК и т.д. Для микросхем данного типа главными критериями является минимизация размеров и потребляемой мощности. Микросхемы данных серий применяются довольно широко: последнее семейство Virtex-5 из серии Virtex используется, например, в суперкомпьютерах Cray XT5h и NEC SX-9. Также ПЛИС FPGA являются альтернативой процессоров цифровой обработки сигналов, для чего в каждом семействе присутствуют модели со встроенными блоками для этой обработки. Для работы с представленными микросхемами компания Xilinx предоставляет различные программные средства для реализации цифровых схем, для разработки встраиваемых программируемых процессорных систем, а также для отладки и повышения производительности. Помимо собственно разработки микросхем, компания Xilinx уделяет большое внимание цифровой обработке сигналов, разработке различных IPядер для использования в микросхемах, созданию встроенных процессоров и др. Компания Altera является основным конкурентом компании Xilinx, причем по всем основным направлениям. В мае 2008 года Altera представила новое семейство из серии Stratix высокопроизводительных микросхем типа FPGA - Stratix IV, работающих на 40-нм архитектуре. Для менее ресурсоемких задач компания Altera предлагает серию ПЛИС FPGA Cyclone, а в качестве компромисса между производительными Stratix и недорогими Cyclone - серию Arria. Для мобильных устройств выпускается серия Max на основе ПЛИС типа CPLD. Также в дополнение к этим микросхемам компания выпускает серию ASIC микросхем HardCopy, разработанных в качестве специализированных аналогов соответствующих FPGA Stratix. Начиная с серии Stratix III, в ПЛИС используется технология Programmable Power Technology, которая позволяет варьировать режим работы и, соответственно, потребляемую мощность логических ячеек в зависимости от необходимости быстрого выполнения поставленной задачи. Микросхемы компании Altera активно применяются во многих областях, например, на рынке беспроводных и проводных коммуникаций, в военных технологиях, в области телевещания, а также в различных мобильных устройствах. Lattice Semiconductor только в 2002 году начала производство FPGAмикросхем, и на этом рынке она занимает всего порядка нескольких процентов. Однако Lattice Semiconductor является одним из лидеров в области производства CPLD и SPLD (simple PLD - более простые по сравнению с CPLD программируемые устройства) микросхем. На этом рынке компания предоставляет целый спектр ПЛИС различной направленности: CPLD общего назначения; CPLD с низкой потребляемой мощностью; CPLD с гибридной архитектурой серии MachXO - обладает некоторыми свойствами FPGA, что позволяет большей гибкости при программировании; CPLD серии ispXPLD 5000V/B/C, которая состоит из блоков Multi-Function Block (MFB), каждый из которых может быть запрограммирован отдельно: o как вычислительный блок; o как блок памяти RAM или CAM; o как блок, реализующий буфер типа FIFO. SPLD-микросхемы, используемые для проведения простых операций или в качестве связующих логических схем на плате. Хотя компания Lattice Semiconductor появилась на рынке ПЛИС FPGA относительно недавно, она выпускает довольно большой ассортимент микросхем данного типа. Среди них стоит выделить микросхемы Field Programmable System Chip (FPSC) - первой серии ПЛИС со встроенными ASIC ядрами, которые предназначены для реализации стандартных IP ядер шинного интерфейса, высокоскоростного интерфейса или высокоскоростного трансивера; а также серию Lattice XP2 и предназначенный для его программирования прикладной пакет ispLEVER, которым в 2008 году была присуждена премия DesignVision Award в области "Средства программирования микросхем типа ASIC, FPGA и PLD". В целом выпускаемые компанией Actel микросхемы можно разбить на два типа: с использованием flash-памяти; с однократно программируемой памятью (antifuse технология). Поскольку компания Actel занимается производством компактных и недорогих ПЛИС (в феврале этого года Actel стала выпускать микросхемы серии ProASIC3 по рекордно низкой цене в 99 центов), основными ее покупателями являются компании, занимающиеся различными портативными устройствами и автомобильной промышленностью. Также благодаря описанным свойствам высокой надежности и моментальной готовности к работе микросхемы компании Actel используются в военной и аэрокосмической областях. Также стоит отметить разработанную компанией Actel технологию Fusion, которая позволяет объединить логические блоки FPGA, flash-память и аналоговые устройства на одной микросхеме. [12] 1.3 Влияние развития ПЛИС на конструирование и технологию Печатного узла Так основными трендами в развитии ПЛИС является постоянное уменьшение физических размеров и повышение быстройдейсвия то это накладывает определенные требования к проектируемому Печатному Узлу (ПУ). Следовательно основынми задачами конструктора является подавление возможных и поддержание целостности питания, добится этой задачи возможно при помощи различных фильтров и правильной конструкции (ПУ) Также необходимо учитывать что помимо ПЛИС на (ПУ) как правильно размещаются другие ИС которые обеспечивают полный функциоанл в соответсвии с ТЗ. Следовательно когда растет количество электронных компонентов, то расстояние между источником и жертвой уменьшается, в результате чего увеличивается интенсивность помех. Кроме того, увеличивается производительность электронных устройств, соответственно растет частота, и помехи генерируются на более высоких частотах, в результате чего расширяется пораженный помехами диапазон частот. Кроме того, в связи с энергосбережением электронных устройств, они могут работать на более низких напряжения, в результате чего больше случаев сбоев под воздействием помех с меньшей энергией. С дальнейшим увеличением загруженности, производительности и сокращения размеров электрических устройств, вопрос о помехах, как ожидается, станет более серьезным (Рис. 0.). Рис. 0.1. Расширение использование электронных устройств и эффектов, связанных с помехами Внутрисистемная ЭМС «Внутрисистемная ЭМС» самопоражение электронного устройства Помехи могут произойти в электронных устройствах без внешнего воздействия. Помехи от схемы внутри электронного устройства могут вызвать помехи в другой цепи в том же электронном устройстве. Это называется внутрисистемая ЭМС. Например, если мобильный телефон имеет встроенные цифровые схемы, помехи от цифровой схемы могут ухудшить работу приемника мобильного телефона (снижение чувствительности приемника). В таком случае расстояние между источником помех и жертвой значительно меньше, чем у источника общих внешних помех, в результате чего возникают более серьезные помехи. В зависимости от конкретного случая, подавление помех в данном случае выполняется гораздо более строго, чем требует Регулирование ЭМС. Методы подавление помех Проблема ЭМС требует существования трех факторов (источник помех, рецептор и путь переноса помех), как указано в общем виде на Рис. 0.. Помехи могут быть устранены, если вы можете устранить один из этих факторов. Таким образом, вы можете принять меры со стороны источника помех или со стороны рецептора. Например, если вы не используете в цифровых схемах, импульсных источников питания или передатчиков, помехи, создаваемые электронными устройствами, будут очень слабыми. Другим примером может быть создание избыточности в программном обеспечении на стороне рецептора. Таким образом, даже если информация немного изменится, сигнал может быть восстановлен. Эти меры могут быть фундаментальными решениями. Но в таких случаях могут возникать большие вторичные эффекты, такие как значительное снижение производительности электронных устройств или увеличение их размеров, что делает такие меры нереальными. Как правило, помехи передаются по некоторым путям, как показано на Рис. 0.. Есть два типа помех: излучение по полю и по проводным путям (кондуктивные помехи). Как показано на рисунке, излучение по полю ограничивается электромагнитными экранами, а кондуктивные помехи фильтрами. Как показано на Рис. 0., помехи излучения и кондуктивные помехи имеют тенденцию взаимного преобразования через провод, который работает в качестве антенны. Поэтому, даже если кондуктивные помехи возникают только в одном месте, вы можете не полностью игнорировать возможность помех излучения. Рис. 0.2. Среда распространения помех Рис. 0.3. Меры по подавлению помех Экраны Экраны проводящие оболочки для создания электромагнитных барьеров на пути распространения электромагнитного поля. Они окружают либо источник, либо рецептор помех, как показано на Рис. 0.. Хотя эффективность экранов обычно зависит от проводимости, магнитной проницаемости и толщины используемого материала, подавление помех для общих электронных устройств может достичь достаточно большой эффективности с очень тонкой металлической пластиной, такой как алюминиевая фольга. Вы должны знать, что последствия подавления помех для электронных устройств в большой степени зависит от конструкции корпуса (зазоры, отверстия, контактное сопротивление и т.д.), а не от технических характеристик материала. Делая отверстия в экране для тепловыделения, ограничение максимального размера каждого отверстия является более важным, чем ограничение на общую площадь отверстий. Как показано на Рис. 0., если есть удлиненное отверстие или щель, эта часть может работать как щелевая антенна (особенно для высоких частот, когда длина l на рисунке превышает 1/2 длины волны) и радиоволны могут входить в экран и выходить из него. Чтобы предотвратить это, отдельные отверстия должны быть небольшими. Перфорированный материал с множеством маленьких отверстий и металлические сетки хорошие материалы для вентиляции и экранирования. Рис. 0.4. Экран Рис. 0.5. Примеры различных эффектов экранирования (Предполагается, что высокая частота помех ограничивается электромагнитным экраном. В некоторых случаях (например, электромагнитный экран и т.д.), этот порядок не может быть применим) Фильтры Фильтры узлы или компоненты, которые позволяют необходимым компонентам проходить по проводникам и удаляют ненужные компоненты в электрическом токе, который протекает по проводникам (Рис. 0.). Хотя помехи будут переадресованы на землю (Рис. 0.), энергия помех может быть альтернативно поглощаться внутрь объекта или может быть возвращена к источнику происхождения помех (увеличенное полное сопротивление). Рис. 0.6. Назначение фильтров Рис. 0.7. Как работает фильтр Поскольку помехи, как правило, распределяется в относительно более высоком диапазоне частот, как показано на Рис. 0., для подавления помех в электронных устройствах обычно используют фильтры нижних частот (ФНЧ), которые удаляют высокочастотные компоненты. Для этого ФНЧ можно использовать компоненты общего назначения, такие как катушки, резисторы и конденсаторы. Однако для того, чтобы полностью закрыть помехи, используется специальный компонент фильтр электромагнитных помех. Помимо этих фильтров, которые используют преимущества неравномерного распределения частот помех, есть фильтры, которые используют преимущества разности напряжений (варисторы и т.д.) и фильтры, которые используют преимущества разницы проводимости режим (синфазный дроссельные катушки и т.д.). В дополнение к этим фильтрам, трансформаторы, оптические кабели или оптические изоляторы могут быть использованы в качестве своего рода фильтров. Хотя эти компоненты могут достичь исключительных эффектов помехоподавления в некоторых случаях, применимые ситуации ограничены. Рис. 0.8. Разделение помех за счет ФНЧ Использование экранов и фильтров Фильтры используются для помех, которые проходят через проводники, а экраны используются для помех, который проходит через пространство. Однако, так как проводник, через который проходит ток помех, может также работать в качестве антенны, эти два типа проводимости взаимно преобразуются друг в друга с помощью проводника в качестве антенны. Поэтому, для того, чтобы полностью защититься от помех, фильтры и экраны должны быть использованы в одной позиции. При одновременном использовании экрана и фильтра вместе в одном месте, как показано на Рис. 0., как пространственная проводимость так и кондуктивная проводимость будут полностью закрыты позволяя полностью устранить помехи. Если длина проводника между источником помех и фильтром весьма коротка, как показано на Рис. 0., эффекты проводника в качестве антенны могут быть проигнорированы, и помехи могут быть, таким образом, устранены до некоторой степени только с помощью фильтра. Поэтому, если вы можете использовать фильтр в непосредственной близости от источника помех, подавление помех может быть достигнуто только с помощью фильтра. Рис. 0.9. Помехи могут быть устранены путем комбинации фильтра и экраном Рис. 0.10. Если проводник короткий, подавление помех может быть достигнуто только с помощью фильтра Фильтры и заземление Для того, чтобы эффективно использовать фильтры и экраны, как правило, необходимо иметь хорошую связь с землей. Если есть встроенный шунтирующий конденсатор внутри фильтра, заземление становится маршрутом, возвращающим помеховой ток обратно к источнику помех, как показано на Рис. 0.. Если полное сопротивление на землю велико, как показано на рис. 1-19 (а), то появляется некоторое напряжение на землю из-за тока помехи с хорошим устранением помех. Если эта земля является общей с другим монтажом другого фильтра, напряжение к земле может вернуться к другим проводам через конденсатор фильтра. Этот тип помеховой связи через сопротивление земли называется общим сопротивлением связи. Этот случай имеющий помехи на земле, известен также как возникновение синфазных помех. Общее полное сопротивление связи является одним из механизмов, которые вызывают общий вид помехи. Поскольку фильтры, которые имеют встроенные конденсаторы, и очень восприимчивы к условиям подключения на землю, вы должны использовать стабильную землю с низким сопротивлением. Рис. 0.11. Путь тока помех Рис. 0.12. Влияние сопротивления заземления Экраны и заземление Экраны в том числе и статические также должны быть заземлены. Поскольку электрический ток протекает по проводу, подключенному к земле в соответствии с изменением электрического поля, то провод должен иметь низкое полное сопротивление. Во многих случаях при использовании экранированных проводов экран также работает как обратный путь тока, который проходит через внутренний проводник (такой, как внешний проводник коаксиального кабеля, например). Поэтому он должен быть подключен к земле, что поможет вернуть этот ток (при экранировании сигнала, подключения к цепи земли). В случае, когда помехи направляются на землю, как на Рис. 0., и если экраны подключены к этой земле, то экран вытягивает, а затем испускает помехи от рабочей земли так же, как в качестве антенны, которая может привести к увеличению помех. При подключении экрана, вам нужно выбрать землю с низким сопротивлением и со стабильным потенциалом. Экранирующий корпус работает как относительно хорошая земля. Если есть случай когда экранирование, охватывает все устройство, то это случай когда экранирование может стать хорошей землей для подавления помех, даже если оно не подключено к земле (ток разряда должен быть слит на землю с целью подавления статического электричества или других токов, он должен быть подключен к земле). Здесь мы называем эту землю экранной землей. Корпусное заземление экрана также может быть использовано в качестве заземления для экранированных кабелей. Однако для того, чтобы сделать этот экран работоспособным в качестве обратного пути для сигналов, как описано выше, он также должен быть соединен с землей схемы. Таким образом, если экранная земля и земля цепи будут отделены, соединение усложняется. 1.4 Постановка задачи Цель моей работы разработать научно обоснованные рекомендации по установке ПЛИС на печатные платы, для этого необходимо: 1. Рассмотреть особенности поддержания целостности сигнала 2. Рассмотреть особенности поддержания целостности питания 3. Разработать рекомендации по размещению развязывающих конденсаторов 4. Разработать рекомендации по конструкции ПУ 5. Провести компьютерное моделирование Глава 2. Анализ ПЛИС серии XLINX Spartan 3-A 2.1 Описание серии XLINX Spartan 3-A Семейство Spartan-3A является дальнейшим развитием семейства Spartan-3E. Увеличение отношения логической ёмкости к количеству блоков ввода-вывода позволило существенно снизить себестоимость кристаллов в перерасчете на одну логическую ячейку. Благодаря своей низкой стоимости, ПЛИС FPGA семейства Spartan-3A идеально подходят для применения в различных областях, таких как широкополосный доступ, домашние сети, средства визуализации (мониторы/проекторы) и цифровое телевизионное оборудование. Семейство Spartan-3A может с успехом заменить и превзойти ASIC (Application-Specific Integrated Circuit - специализированная интегральная микросхема). ПЛИС семейства Spartan-3A позволяют сократить сроки разработки, а также обладают большей гибкостью по сравнению с обычными микросхемами ASIC. Кроме того, вследствие программируемости ПЛИС FPGA у разработчика существует возможность вносить изменения в проект в готовом устройство, не прибегая к замене комплектующих, что также невозможно осуществить, используя ASIC. Характеристики: низкая цена, высокая производительность логики, ориентированность на применение в устройствах, предназначенных для массового потребителя; передовая технология производства с проектными нормами 90 нм; интерфейсные контакты с технологией SelectIO, работающие при различных значениях напряжения и стандартах: до 376 контактов ввода-вывода или 156 дифференциальных сигнальных пар ввода-вывода; поддержка однополюсных сигнальных стандартов ввода-вывода LVCMOS, LVTTL, HSTL и SSTL; поддержка 3,3-, 2,5-, 1,8-, 1,2-В стандартов ввода-вывода; полнофункциональные дифференциальные вводы-выводы LVDS, RSDS, мини-LVDS и HSTL/SSTL; передача данных со скоростью до 622 Мбит/с по одной дифференциальной паре ввода-вывода; гибкие логические ресурсы: мультиплексоры, позволяющие реализовать логические функции более четырех переменных, не используя дополнитеоных 4-LUT; логика ускоренного переноса; порт JTAG IEEE 1149,1/1532 для программирования и отладки; иерархическая архитектура памяти SelectRAM: до 648 Кбит высокоскоростной блочной памяти (Block RAM); до 231 Кбит распределённой памяти; устранение расфазировки синхроимпульсов синтез частот, умножение, деление; широкий спектр частот (от 5 МГц до 333 МГц); восемь глобальных тактовых входов и по восемь дополнительных на каждой половине кристалла ПЛИС; конфигурационный интерфейс для подключения стандартных ППЗУ: недорогое компактное флэш-ППЗУ с последовательным интерфейсом SPI; x8 или x8/x16 NOR флэш-ППЗУ с параллельным интерфейсом; недорогое ППЗУ Xilinx Platform Flash, которое программируется "в системе" по JTAG-интерфейсу; полная поддержка САПР ISE и WebPACK; поддержка 32/34бит, 33МГц PCI; выбор недорогих типов корпусов с планарными и "шариковыми" контактами: стандартизованность габаритов корпусов облегчает переход от ПЛИС меньшей логической ёмкости к ПЛИС большей логической ёмкости; возможность выбора корпуса, не содержащего свинца. 2.2 Особенности обеспечения целостности сигнала Для целей нашего обсуждения определим нарушение «целостности сигнала» как любое явление, способное неблагоприятно повлиять на способность сигнала к передаче двоичной информации. В реальных, действующих цифровых устройствах двоичным сигналам присущи аналоговые атрибуты, обусловленные сложным взаимодействием многочисленных элементов схемы, от выходных параметров формирователя до согласования путей распространения сигналов. Основные виды неполадок. ● нарушения амплитуды. В число нарушений амплитуды входят «звон» (колебания), спад вершины (уменьшение амплитуды в начале импульса) и уменьшение амплитуды по всей длине импульса; ● искажения фронтов. Искажения фронтов могут быть вызваны неудачной топологией печатной платы, как описано ранее, неправильным согласованием или даже применением некачественных полупроводниковых устройств. В число искажений фронта входят выбросы, скругленный фронт, «звон», затянутый фронт и другие искажения; ● нестабильность фронтов. Нестабильность фронтов возникает, когда в цифровом сигнале происходят малые смещения фронтов от цикла к циклу. Это может повлиять на точность соблюдения временных соотношений и синхронизации в цифровых системах; ● отражения. Отражения могут появиться вследствие неправильного согласования и неудачной топологии печатной платы. Исходящий сигнал отражается в направлении источника и накладывается на следующие импульсы; ● перекрёстные помехи. Перекрёстные помехи возникают, когда длинные проводники проходят рядом; это приводит к связи между ними через взаимную ёмкость и индуктивность. Кроме того, значительные токи и резкие фронты приводят к увеличению уровня электромагнитного излучения и, следовательно, перекрёстных помех; ● колебания в шине заземления. Колебания в шине заземления, вызванные избыточным током (или сопротивлением источника питания и возвратных путей по заземлению), могут вызвать смещение опорного уровня схемы при протекании больших токов. Фильтрация помех в цепях питания ИМС Для подавления электромагнитных помех (ЭМП) в системе электропитания цифровых ИМС используются различные конденсаторы и фильтры, как показано на Рис. 0.1. Для формирования цепи развязки, действующей как фильтр, (см. Рис. 0.2), необходимо соединить источник питания ИМС с сетью распределенного питания (СРП), что будет способствовать повышению целостности питания (ЦП). Рис. 0.1. Пример набора компонентов, подавления помех в системе питания ИМС используемых для Рис. 0.2. Пример электрических соединений для электропитания ИМС Цепь развязки выполняет такие функции, как: подавление помех, генерируемых входами ИМС, обеспечение переходных токов, связанных с работой ИМС и поддержкой рабочего напряжения, формирование пути возвратного тока для сигнала. Когда эта цепь не полностью функциональна, могут возникнуть следующие проблемы увеличение помеховой эмиссии оборудования из-за помеховой утечки, вторжение помех от внешнего источника, вызванного работой ИМС, изменения напряжения электропитания, влияющего на работу ИМС, снижая целостность сигнала и увеличивая помехи сигнала уменьшение целостности сигнала из-за нарушения пути возвратного тока сигнала. Поэтому, формирование соответствующей цепи развязки важно и для подавления помех и для работы цепи. Эта цепь развязки легко создается, для устройств с относительно низкой тактовой частотой, или с большим допуском против помех, для этого необходимо определить местонахождение конденсатора, создающего путь обхода, соединяя электропитание с землей около терминала электропитания. Такой конденсатор называют развязывающим конденсатором. Однако, более сложные цепи развязки необходимы для ИМС работающих на высокой тактовой частотой, ИМС создающих высокий уровень помех, а также для чувствительных к помехам ИМС. Как правило, свойства цепей развязки оценивается, главным образом, вносимыми потерями с точки зрения подавления помех, полного сопротивления пути протекания токов питания и формирования пути прохождения сигнала. Так как эти две оценки отличаются, первая половина этого раздела сосредоточится на подавлении помех, и предложит объяснения, основанные на вносимых потерях как индикаторе. Вторая половина этого раздела будет сфокусирована на качестве тока питания и предложит объяснения, основанные на полном сопротивлении как индикаторе. Возникновение помех по цепям питания от цифровых ИМС и конфигурации цепей развязки Опишем механизм возникновения помех по цепям питания для цифровых ИМС, конфигурации цепей развязки для того, чтобы работать с такими помехами, и дадим краткий обзор особенностей цепей, имеющих отношение к цепям развязки (фильтры электропитания), охваченный в этом руководстве. Механизм возникновения помех в цепях питания Упрощенная модель цепи КМОП, используемых наиболее широко для цифровых ИМС, показана на Рис. 0.3. Для упрощения работы транзистор КМОП на стороне источника представлен как выключатель, а емкость транзистора КМОП вентиля на стороне приемника представлена как конденсатор, связанный с землей. Для КМОП цифровых ИМС, со стороны драйвера переключает сигнальную линию передачи к цепи электропитания (VDD) или к цепям заземления (GND), что приводит к появлению на линии уровней напряжения, которые соответствует логической «1» или «0» соответственно. Рис. 0.3. Упрощенная модель цифровой ИМС Обычно, если уровень напряжения не изменяется для электропитания КМОП, возможен любой электрический ток. Однако, если ток заряда емкости вентиля (когда уровень сигнала изменяется от «0» до «1») и ток разряда (когда уровень сигнала изменяется от «1» до «0») пульсирует через линию передачи, как показано Рис. 0.3, ток протекает через цепи питания к земле. Этот ток называется сквозным током от электропитания источника к земле накоротко при переключении микросхемы. Сквозной ток также становится причиной для пульсирующего потока, текущего через электропитания и землю. Так как эти токи пульсируют очень быстро, они содержат очень широкий диапазон частот, вызывающих помеховые отказы, когда часть энергии помех излучаются во внешнюю среду. Кроме того, поскольку токи резко изменяются, они из-за индуктивности шины питания вызывают изменение напряжения питания из-за влияния индуктивности шины, что вызывает неустойчивость в операциях периферийных цепей, имеющих общее электропитание. Поэтому, необходимо ограничить ток вокруг ИМС (чтобы развязать ИМС с периферийными цепями) так, чтобы помеховая эмиссия могла быть подавлена, и изменения напряжения не затронули бы периферийные цепи. Так как колебание напряжения электропитания сделало бы работу ИМС, эмитирующей помехи, нестабильной, необходимо обеспечить связанные с помехами изменения напряжения электропитания к приемлемому уровню. Хотя модель, показанная на Рис. 0.3, рассматривает с целью простоты емкость вентиля относительно земли, и токи заряда и разряда, как полагают, текут через землю, в реальных вентилях, емкость также проявляется относительно электропитания, требуя рассмотрения случая, при котором ток заряда и разряда протекает через электропитание. Обычно, чтобы содержать ток, текущий через электропитание вокруг ИМС, формируют обход) за счет установки конденсатора между электропитанием и землей. Этот конденсатор называют конденсатором сформировать эффективную цепь развязки необходимо: развязки. Чтобы сформировать обходной путь тока, который может функционировать на высокой частоте (использование конденсатора с малым полным сопротивлением), строго ограничить диапазон протекающего электрического тока по этому пути (помещая конденсатор около ИМС), обеспечить минимальную индуктивность рисунка печатного монтажа (особенно между ИМС и конденсатором). Пример фрагмента печатного монтажа места установки конденсатора и источника энергии, в котором учтены рассмотренные моменты, показаны на Рис. 0. (Этот пример может быть реализован в единственном слое под ИМС.) Рис. 0.4. Пример расположения развязывающего конденсатора Правила трассировки для случаев, где такое идеальное размещение является трудным или необходим более высокий уровень развязки, описаны ниже. Метод измерения вносимых потерь Обычно, характеристики фильтра помех выражается в терминах вносимых потерь. Поэтому цепи развязки, используемые для систем электропитания, являются фильтрами помех и их свойства подавления помех могут быть описаны с позиций вносимых потерь. Цепь измерения вносимых потерь показана на Рис. 0.. Вносимые потери (ВП) описывают эффект фильтра, установленного в цепи с полным сопротивлением 50 Ом, наблюдаемый как различие в выходном напряжении до и после установки фильтра в децибелах. Чем больше вносимые потери, тем более эффективно подавление помех. Вносимые потери могут быть заменены коэффициентом передачи (S21) для параметра S, измеренного для системы 50 Ом (отметим, что у вносимых потерь и коэффициенте S21 будет противоположные положительный и отрицательный знаки.) Рис. 0.5. Измерения вносимых потерь Развязывающие конденсаторы Рассмотрим базовую конфигурацию цепи развязки. Один из ее компонентов развязывающий конденсатор. Когда развязывающий конденсатор используется для терминала электропитания ИМС, как показано на Рис. 0.(a), развязывающий конденсатор от электропитания до земли сформирован как фильтр, как показано на Рис. 0.(б). Предположим, что этот вариант будет использоваться на многослойном основании, и земля для ИМС и конденсатора будет связана с плоскостью заземления через металлизированное отверстие. Рис. 0.6. Цепь фильтра с развязывающим конденсатором Вносимые потери в этом случае были бы больше, поскольку полное сопротивление конденсатора становится меньше. Так как полное сопротивление конденсатора уменьшается обратно пропорционально к частоте, этот фильтр становится фильтром нижних частот, в котором вносимые потери увеличиваются на высоких частотах. Особенности фильтра, показанные на Рис. 0., изменяются в зависимости от внутреннего полного сопротивления электропитания ИМС или МПЛ в фактической цепи. Так как полное сопротивление должно быть зафиксировано при сравнении действия фильтра, наиболее общее значение этого сопротивления установлено в 50 Ом для проведения измерений по схеме, показанной на Рис. 0.. Особенности фильтра, установленного в реальной конструкции, оценивается по результатам измерений при 50 Ом. Теоретическое значение вносимых потерь конденсатором развязки, измеренных при 50 Ом, показаны на Рис. 0.. При увеличении емкости конденсатора или при росте частоты вносимые потери линейно увеличиваются. Это соотносится с фактом, что полное сопротивление конденсатора уменьшается обратно пропорционально частоте, поэтому конденсаторы с большей емкостью в основном показали бы превосходящий эффект подавления помех. Рис. 0.7. Вносимые потери конденсатора (теоретические значения) Вносимые потери выражаются децибелах (дБ), как показано на Рис. 0.. Когда частота или емкость увеличиваются в 10 раз, вносимые потери увеличиваются на 20 дБ. Реальные характеристики вносимых потерь конденсатора в качестве примера показаны на Рис. 0.. В диапазоне частот выше 10 МГц, вносимые потери уменьшаются при увеличении частоты. Это происходит вследствие того, что вносимые потери ограничены малыми компонентом эквивалентной индуктивности (ESL) и компонентом эквивалентного сопротивления (ESR), содержащихся в конденсаторе, как описано ниже. Это указывает на то, что для формирования развязывающей цепи с превосходными характеристиками подавления помех на высокой частоте, следует использовать конденсатор с малыми значениями ESL и ESR. Рис. 0.8. Вносимые потери реального конденсатора (из Данных в Murata Chip S-Parameter & Impedance Library) Катушки индуктивности, ферритовые бусинки В дополнение к развязывающему конденсатору, описанному выше, могут быть последовательно установлены катушки индуктивности, такие как ферритовые бусинки, с проводником, чтобы сформировать общий фильтр подавления помех. Катушки индуктивности также используются для того, чтобы развязать цепи электропитания. Однако, когда катушки индуктивности используются только для электропитания ИМС, хотя они и могут подавить помехи должным образом, полное сопротивление относительно терминала электропитания становится высокими, что создает проблемы для работы ИМС, или для возвратных токов сигнала, мешая поддерживать целостность сигнала. Поэтому, конденсаторы и катушки индуктивности обычно используются в комбинации, размещая конденсаторы около ИМС, как показано в Рис. 0. (б) и (в). Рис. 0.9. Конфигурации фильтров, используемые для электропитаний ИМС (C-тип, L-тип и П-секция): (a) Фильтр C-типа, (б) Фильтр L-типа, (в) Фильтр П-секции Когда конденсаторы и катушки индуктивности объединены, как показано на Рис. 0. (б) и (в), наклон для кривой вносимых потерь будет более острым по сравнению с использованием только конденсатора как в (a). Так как одновременно могут быть увеличены вносимые потери в области ослабления, это более выгодно, когда помехи должны быть сильно ослаблены. Пример изменения вносимых потерь, когда используются катушки индуктивности, показан на Рис. 0.. Рис. 0.10. Пример изменения вносимых потерь, используются катушки индуктивности (расчетные значения) когда Поскольку на Рис. 0. заземление ИМС и заземление для самого близкого конденсатора становятся обратными путями для помех, они должны быть сделаны настолько короткими насколько возможно, чтобы минимизировать полное сопротивление. Также, когда фильтр из П-секций сформирован, как показан на Рис. 0.(в), более желательно использовать землю, отдельную для конденсатора (через отверстие и т.д.), чтобы препятствовать тому, чтобы помехи обошли катушку индуктивности (когда условия заземления не желательны), проходя через землю (плоскость заземления разделена, однако). Цепь развязки, показанная на Рис. 0., может быть применена к помехам, поступающим снаружи, в дополнение к помехам, испускаемым ИМС. Например, с цепями, подверженными воздействию сильной высокочастотной энергии, такими как в мобильных телефонах, более подходит цепь развязки с комбинацией конденсатора и катушки индуктивности, чтобы достигнуть больших вносимых потерь. 2.3 Выводы Скорость передачи данных в современных печатных платах постоянно растёт, и сегодня она может измеряться в сотнях мегагерц (DDR) и даже в гигагерцах (Ethernet), что накладывает особые требования к конструкции и, соответственно, инструментам разработки конструкции, т.е. САПР. При проектировании высокоскоростных цифровых устройств, в отличие от цифровых устройств, работающих на низкой рабочей частоте, особое значение приобретает учёт характера пассивных элементов цепи, в том числе соединительных проводов, печатных плат и корпусов интегральных схем, которые являются элементами конструкции цифрового устройства. На низких рабочих частотах эти конструктивные элементы не оказывают сколько нибудь заметного влияния на работу схемы. С повышением рабочей частоты они начинают непосредственно влиять на электрические характеристики схемы. В теории проектирования высокоскоростных цифровых устройств исследуется влияние пассивных элементов цепи на распространение сигналов (переходные процессы и отражения), взаимное влияние, оказываемое сигналами друг на друга (перекрёстные помехи), и их взаимодействие с окружающей средой (электромагнитные излучения). Учитывая этот факт, даже те разработчики, которые пока считают, что вопрос обеспечения целостности сигналов их не касается, в ближайшее время столкнутся с этой проблемой при переходе на микросхемы новых серий. Задачи целостности сигнала предусматривают рассмотрение цифрового сигнала как аналогового с произвольными искажениями его формы, которые вызваны физическими особенностями распространения сигнала в реальной конструкции платы. Глава 3. Разработка метода обеспечения целостности сигнала и питания 3.1 Выполнение расчетов по параметрам линии передачи. 1. Минимальная ширина проводников, определяемая допустимой плотностью тока γ, допустимым падением напряжения ∆U. Ширину проводника b рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации и пр. b I max , где t – минимальная допустимая ширина проводника, – максимальная плотность тока для печатных проводников (принимаем = 20 А/мм 2 ), – суммарная толщина проводника. Для выбранного материала платы СФ-1-35-1,50: = 0,035 мм. 𝑏= 0.01 35 ∗ 10−3 ∗ 20 Минимальная ширина проводника составляет 0,014 мм. Следовательно мы без опасений можем её увеличить. Расчет электрических параметров печатной платы Емкость в печатном монтаже С = 8,85’СГ l, где ’ определяется по 1,2 – относительная диэлектрическая проницаемость материалов платы и среды, граничащих с проводниками; СГ – емкостной коэффициент; l – длина проводников, образующих емкость. Значения для воздуха - 1 = 1, для изоляционного основания платы из стеклотекстолита - 2 = 5,6. Расчет емкостного коэффициента СГ: СГ = К’/K; ' 1 2 2 =3,3 К=f() и К’= f(’), где =arcsin k и ’=arcsin k’. Модуль эллиптического интеграла 1 рода k = d , a/2=0.5 мм, d=1 мм. ad k ' 1 k 2 . В случае k2<<1 расчет можно проводить по соотношению K' 2 4 ln K k. Оценим максимальную емкость, образуемую проводниками. Получаем: k = 0,816 k’=0,578 = 0,954 ’ = 0,578 СГ = 0,708 Длина проводника, образующего емкость l = 50 мм = 0,050 м. Отсюда максимальная емкость С = 8,85 3,30,708 0,050 = 1,03 пФ. Домножим на два исходя из выбранной модели отсюда получим максимальная емкость равна C=2,06 пФ Вывод: Исходя из значения полученных емкостей, можно сделать вывод, что межпроводниковая емкость настолько мала, что она не будет оказывать большого влияния на функционирование устройства, поэтому ею можно пренебречь. Теперь рассчитаем волновое сопротивление. Рис 3.1 Поверхностный микрополосок Время распространения сигнала составляет: Теперь рассмотрим проводник во внутренних симметричный относительно двух опорных слоев Рис 3.2 Симметричная полосковая линия Время распротсранения для симметричного полоска слоях платы Такая линия гороздо медленнее чем микрополосок однако гораздо более устойчива к помехам. Если учесть некоторую паразитную емкость то 3.2 Разработка требований к формированию шин питания и развязки Конфигурация ШП, объединенной с конденсаторами Разводка системы питания и развязывающие конденсаторы, связанные с терминалом электропитания ИМС, как единое целое, называют распределенной системой питания (РСП). Один из индикаторов характеристики для РСП полное сопротивление (полное сопротивление электропитания) в ШП относительно терминала электропитания ИМС. Когда полное сопротивление электропитания будет меньшим, качество питания и целостность питания (ЦП) будут выше. Когда полное сопротивление электропитания меньше, изменения напряжения, когда ток электропитания для ИМС колеблется, становятся меньшими. В больших и быстродействующих ИМС ток электропитания сильно изменяется при переключении, а его частота высока; поэтому полное сопротивление электропитания должно быть сделано малым в широком частотном диапазоне. Так как один конденсатор не может обеспечить необходимого полного сопротивления, то наборы конденсаторов должны быть размещены иерархически, как показано Error! Reference source not found., чтобы достигнуть целевого полного сопротивления электропитания. Опишем иерархическое расположение конденсаторов, чтобы обеспечить целевое полное сопротивление. Рис. 3.3. Пример расположения развязывающих конденсаторов Иерархическое расположение разъединения конденсаторов Когда конденсаторы помещены иерархически, как на Error! Reference source not found., каждый из конденсаторов называют в зависимости от его положения, и соединены, как иллюстрировано на Error! Reference source not found.. Конденсатор на чипе (емкость, сформированная на кремнии) не является компонентом, но добавлена, потому что она выполняет ту же самую функцию. Рис. 3.4. Модель протекания токов питания в конденсаторах Эти конденсаторы функционируют как «резервуар заряда» с точки зрения функции поставки тока от ШП. Другими словами, мгновенно соотносясь с локальной потребностью тока около полупроводника, они поддерживают некоторое время напряжение для модулей электропитания. Также с точки зрения частотных особенностей полного сопротивления электропитания, которое для модуля электропитания без применения дополнительных мер увеличивается с увеличением частоты, конденсаторы размещены около ИМС, чтобы уменьшить полное сопротивление в высокочастотном диапазоне. Следует рассмотреть индуктивность монтажа в дополнение к конденсаторам для получения полного сопротивления электропитания относительно ИМС. На Error! Reference source not found. влияние монтажа между полупроводником и каждым из конденсаторов выражено как индуктивности (с целью простоты, емкостью и сопротивлением монтажа пренебрегают). Так как индуктивность монтажа удаленных конденсаторов становится большой, полное сопротивление не может быть уменьшено на высокой частоте. Наоборот, мы можем ожидать, что конденсаторы около полупроводника останутся эффективными при высокой частоте. В этом смысле, если бы мы могли получить достаточную емкость от емкости на чипе, это было бы идеально для того, чтобы уменьшить полное сопротивление электропитания. В действительности, это является трудной задачей из-за пространственных ограничений. Поэтому, конденсаторы размещаются иерархически от близкорасположенных до далеко расположенных от кристалла (Error! Reference source not found.), чтобы достигнуть целевого полного сопротивления электропитания. Полное сопротивление СРП Целевое значение для полного сопротивления системы электропитания, необходимого для работы ИМС, называют целевым полным сопротивлением (ZT). Оно должно оставаться ниже целевого значения в необходимом частотном диапазоне, как показано на Error! Reference source not found. (хотя целевое значение численная константа, которая может измениться в зависимости от частоты). СРП состоит из источника электропитания, конденсатора развязки и монтажа, чтобы соединить их, СРП должна быть разработана так, чтобы обеспечить целевое полное сопротивление. (Хотя значение целевого полного сопротивления должно быть обосновано работоспособностью ИМС, что невыполнимо в некоторых случаях.) Идеально, полное сопротивление электропитания должен быть выражено с точки зрения полного сопротивления относительно модели транзистора (Error! Reference source not found.). Однако, это не практично, чтобы провести измерения на кристалле. В действительности, полное сопротивление электропитания должен быть определено при заданной точке измерения, например, вывод BGA на корпусе или контактная площадка электропитания на печатной плате (ПП) (вообще, значение изменяется в зависимости от местоположения измерения). Согласно описанию ниже, это полное сопротивление (виртуальное значение, так как это неизмеримо в действительности) относительно полупроводникового элемента, если не заявлено иначе. Рис. 3.5. Целевое полное сопротивление Иерархическое расположение конденсаторов Частотная характеристика полного сопротивления от всей СРП при размещении конденсаторов иерархически, как показано на Error! Reference source not found., станет такой, как показано на Error! Reference source not found.. Целевое полное сопротивление определяется как общее значение комбинации частотных характеристики каждого конденсатора. Рис. 3.6. Диаграмма, моделирующая полное сопротивление для комбинации конденсаторов Полное сопротивление каждого конденсатора, показанного на Error! Reference source not found., не только от одних компонентов, но включает влияние проводников между полупроводниковыми элементами и конденсаторами, как показано в Error! Reference source not found.. Частотная характеристика полного сопротивления этого конденсатора относительно полупроводникового элемента становится примерно Vобразной, как показано в Error! Reference source not found. (телеграфирующий, с целью простоты пренебрегается емкостью проводников ). Рис. 3.7. Эквивалентная схема для одиночного конденсатора Диапазон этой кривой, где она отвечает целевому полному сопротивлению ZT, называется эффективным частотным диапазоном конденсатора. Как показано на Error! Reference source not found., более низкая граница fmin эффективного частотного диапазона ограничена емкостью конденсатора Ccap, а верхняя граница fmax ограничена индуктивностью конденсатора ESLtotal. Этот ESLtotal включает индуктивность конденсатора ESLcap и монтажа Lline. Кроме того, ESLtotal включает ESL непосредственно конденсатора и индуктивности контактной площадки для установки конденсатора и металлизированного отверстия. Рис. 3.8. Частотная характеристика полного сопротивления одиночного конденсатора Как мы можем видеть из Error! Reference source not found., эффективный частотный диапазон конденсатора становится более широким, когда значение ZT большое, и становится узким при малом значениее. Более низкий предел полного сопротивления конденсатора ограничен ESRtotal. Мы должны использовать конденсатор с меньшим ESR, чем ZT системы питания с малым значением ZT. В области объединения характеристик конденсаторов на низкочастотной стороне (Конденсатор 1) и на высокочастотной стороне (Конденсатор 2) они должны перекрываться (без какого-либо промежутка), как показано на Error! Reference source not found.. Поэтому, когда ESLtotal конденсатора на низкочастотной стороне изменяется, емкость, необходимая для конденсатора на высокочастотной стороне также изменяется. Кроме того, как показано на Error! Reference source not found., полное сопротивление может увеличиться в частотном диапазоне области объединения. Это вследствие того, что антирезонанс может произойти между конденсаторами. Поэтому, связь в пределах эффективного частотного диапазона должна быть установлена с достаточными допусками. Рис. 3.9. Иерархическое соединение полных сопротивлений конденсаторов Эффективный частотный диапазон конденсатора изменяется в зависимости от уровня целевого полного сопротивления. Когда изменения тока ИМС является малым, эффективный частотный диапазон расширяется вместе с относительно высоким целевым полным сопротивлением. Кроме того, когда емкость наплатного конденсатора является большой, и используется конденсатор с малым ESL, эффективный частотный диапазон расширяется, позволяя устранить объемный конденсатор или передний и задний конденсатор на корпусе и сократить количество используемых конденсаторов. Пример упрощения иерархии показан на Error! Reference source not found.. Рис. 3.10. Пример иерархической структуры конденсаторов Целевое полное сопротивление печатной платы В конденсаторной иерархии, показанной на Error! Reference source not found., емкость на чипе и конденсатор корпуса установлены на ИМС, поэтому ими нельзя было управлять во время стадия дизайна ПП. Обычно более низкая граничная частота, перекрываемая емкостью на чипе и конденсатором корпуса, рассматривается как верхняя граничная частота, fТ@PCB в стадии проектирования ПП, и определяется, чтобы быть верхней граничной частотой для целевого полного сопротивления набора для терминала электропитания, внешнего к корпусу ИМС. Эта частота составляет от 10 до 100 МГц. Проектируя конденсатор развязки на ПП, наша цель будет состоять в том, чтобы обеспечить целевое полное сопротивление до частоты fТ@PCB (нет необходимости опираться на максимальную частоту работы ИМС). Точка измерения для этого полного сопротивления вывод питания на корпусе ИМС. В следующем разделе мы опишем конденсаторы, используемые в их иерархии на ПП и их использовании. 3.3 Выбор и обоснование развязывающих конденсаторов Конденсатор с низким ESL ESL MLCC-конденсаторов, произведен магнитным потоком, который появляется тогда, когда электрические токи протекают через внешние и внутренние электроды, как показано на Рис. 3.. Поэтому, мы можем изменить ESL, изменяя путь тока и распределение в результате изменения в конфигурации электродов. Пример конденсатора с уменьшенным ESL за счет новой конфигурации электродов показан на Рис. 3.. Из рисунка видно, что конденсатор с уменьшенной индуктивностью из-за его широкого и короткого электрода, реверсивная длина на ширину или LW-конденсатор. Как видно из внутренней структуры на Рис. 3.(a), внутренний электрод более широк и короче по сравнению с общим MLCC-конденсатором. Рис. 3.11. Механизм возникновения ESL в MLCC-конденсаторе Рис. 3.12. Конструкции конденсаторов с низким ESL Рис. 3.13. Структура конденсатора с низким ESL На Рис. 3.(б) и (в) показан многовыводной конденсатор с увеличенным числом внешних электродов, где соседние электроды полностью изменили полярности. Как показано во внутренних структуры на Рис. 3.(б) и (в), внутренние электроды сформированы толстыми и короткими проводниками и дополнительно внутренние электроды сформированы так, чтобы они могли поочередно связываться с внешним электродом. Выбирая такую структуру, в которой взаимная индуктивность происходит между токами, когда они текут в противоположных направлениях, компенсируя индуктивность друг друга. Для компонентов, где токи протекают между соседними электродами, петля тока имеет тенденцию быть чрезвычайно маленькой в противоположность токам, текущим в противоположных направлениях. Кроме того, эти индуктивности соединены параллельно, реализуя чрезвычайно малую ESL как общую для компонента. Рис. 3.14. Пример особенностей полного сопротивления для конденсатора с низким ESL Рис. 3. показывает пример сравнения полных сопротивлений обычного MLCC-конденсатора и конденсатора с малым ESL. Все конденсаторы имеют размер 1,6×0,8 мм и емкость 1 мкФ. Полное сопротивление уменьшается приблизительно на 1/5 для LW-конденсатора в частотном диапазоне выше 100 МГц. По сравнению с обычным конденсатором ESL многовыводного конденсатора должен быть меньше 1/10. Характеристики, показанные на Рис. 3., являются таковыми из преобразования от S параметра к полному сопротивлению, когда конденсатор установлен на стороне обхода микрополосковой линии (МПЛ) для измерения. Поэтому, они представляют характеристики, определенные для компонента (и могут быть представлены сосредоточенными параметрами). Вообще, устанавливая конденсатор на печатной схеме, влияние индуктивности (ESLpcb) образца, связанного с конденсатором и отверстием, в дополнение к ESL конденсатора, является существенным. Как показано на диаграмме, когда многовыводной конденсатор установлен на основании, эффект компенсации индуктивности между токами, текущими в противоположных направлениях рядом друг с другом, влияет на токи в контактной площадке и отверстии, как на Рис. 3., делая влияние ESLpcb относительно малым. Поэтому, по сравнению с использованием MLCCконденсаторов с обычным контактными площадками и отверстиями, использование площадок и отверстий, специализированных для многовыводных конденсаторов, привел бы к более высокому эффекту усовершенствования полного сопротивления, превосходящему разницу в показателях, обозначенную на Рис. 3.. Рис. 3.15. Подавление эффекта индуктивности при установке многовыводного конденсатора Перечень конденсаторов с низким ESL Краткий обзор конденсаторов с низким ESL показан ниже. конденсаторный ряд LLL-серии LW- Конденсатор с 3 терминалами Другой метод уменьшения ESL является использование конденсаторов с 3 терминалами. Пример конденсатора с 3 терминалами показан на Рис. . Это тип проходного конденсатора, которым является MLCC с превосходными частотными характеристики, имея цепи соединения для уменьшения ESL. Рис. 3.16 Пример конденсатора с 3 выводами для цепи питания Рис. 3.17 Механизм уменьшения ESL при использовании конденсатора с 3 выводами Как показано Рис. , конденсатор с 3 терминалами структурирован с терминалами входа/выхода, чтобы подтянуть путь помех в компонент. Следовательно, возникновение индуктивности во внутреннем электроде расширяется на три пути, формируя T-образную цепь. Когда присоединяются терминалы входа/выхода конденсатора с 3 выводами к помеховому пути, ESL в направлениях входа/выхода включается в путь помех последовательно, увеличивая вносимые потери (улучшающий эффект подавления помех). Кроме того, ESL в направлении обхода только на участке заземления, в два раза меньше, чем для MLCC. Конденсатор с 3 терминалами, показанный на Рис. , дополнительно уменьшает индуктивность в области заземления, проектируя это с двумя электродами заземления на левых и правых сторонах конденсатора. Эти новшества делают ESL конденсатора с 3 терминалами в направлении обхода приблизительно от 10 к 20 пГн, что является меньше 1/30 от обычного MLCC конденсатора некоторых моделей. Поэтому, мы можем ожидать хороший эффект обхода на высокой частотой более 1 ГГц. Вносимые потери для MLCC и конденсатора с 3 терминалами сравнены Рис. 3.. Они оба имеют размеры 1,6×0,8 мм и емкость 1 мкФ, но конденсатор с 3 терминалами показывает уменьшение потерь приблизительно на 35 дБ в частотном диапазоне более 100 МГц. Рис. 3.18. Вносимые потери конденсатора с 3 терминалами В дополнение к эффекту, описанному выше, конденсаторы с 3 терминалами характеризуются увеличением вносимых потерь, формируя фильтр T-типа, не вмешиваясь в ток, текущий в направлении обхода, так как его индуктивность (ESLpcb) от контактной площадки и отверстия расположена последовательно с путем помех, где терминалы входа/выхода установлены. Хотя его ESLpcb в области, где монтируются терминалы заземления, входят в направлении обхода, это может быть минимизировано в многослойной плате соединением с плоскостью заземления с многократным отверстиями в этой области непосредственно ниже компонента. По этим причинам конденсаторы с 3 терминалами могут обеспечить большие вносимые потери по сравнению с MLCC, даже когда они установлены на печатной плате. Кроме того, уменьшение потерь, когда они установлены в цепи низкого полного сопротивления, меньше чем MLCC (изза ESLpcb, расположенного последовательно с помеховым путем). На Рис. 3. дан пример, подтверждающий, что эффект подавления помех конденсатора с различным полным сопротивлением определяется посредством эксперимента. Конденсаторное действие обхода наблюдается, в этом случае, проводя измерения распределения магнитного поля в ближней зоне вокруг конденсатора. Это визуально иллюстрирует путь, по которому помеха направляется к земле через конденсатор, так как магнитное поле, очевидно, связано с током. Волновое сопротивление проводки, используемой в этом эксперименте, (a) приблизительно 60 Ом и (б) 3 Ом. Оба конца проводки согласованы. Частота измерения составляла 100 МГц, в то время как диапазон измерения составлял 40×30 мм с конденсатором, установленным в центре. Диаграмма показывает, что помеха поступает с правой стороны, и эффект ее подавления конденсатором зависит от тока, уходящего с левой стороны. Интенсивность тока отмечена в цвете, указывая на более сильный ток изменением от синего до красного. Мы могли подтвердить экспериментально (Рис. 3.), что MLCC управляет помехами относительно хорошо для (a) 60 Ом, но его эффект фильтрования имеет тенденцию уменьшаться для (б) 3 Ом (электрические токи протекают через него налево). Тем временем, конденсатор с 3 выводами управлял помехами хорошо и для (a) и для (б). Найдено, что у конденсаторов с 3 выводами есть тенденция для меньшего распространения помех к земле по сравнению с MLCC. Это, как предполагается, - потому что конденсатор с 3 выводами связан с землей через отверстие непосредственно под компонентом. Рис. 3.19. Изменение в распределении тока вокруг конденсатора, когда волновое сопротивление измерения различно: а) 60 Ом, б) 3 Ом Широкий проводник с низким волновым сопротивление имеет тенденцию использоваться для цепей электропитания, и конденсатор с 3 выводами лучший выбор для подавления помех. Набор конденсаторов с 3 выводами для цепей питания Набор конденсаторов с 3 выводами, подходящих для питаний ИМС, упомянут ниже. 3.4 Выводы Два важных фактора влияют на рассмотрение проблем целостности сигнала: ● повышение частоты ведёт к увеличению скоростей изменения токов dI/dt и напряжений dV/dt в цепях аппаратуры. Это означает, что проблемы, не оказывающие никакого влияния на низкочастотные проекты, могут иметь катастрофические последствия в проектах следующего поколения быстродействующих узлов; ● эффективное решение проблем целостности сигнала базируется на понятиях полных сопротивлений межсоединений. Если мы имеем глубокое представление о полном сопротивлении и сможем установить при конструировании соответствие параметров конструкции печатной платы и соответствующих полных сопротивлений, то можно устранить проблемы целостности сигнала на этапе проектирования. Для более полного понимания этих факторов рекомендуется ознакомиться с литературой Результатами выполнения этих задач являются: ● для концептуальной стадии рекомендации относительно реализуемости требований технического задания по быстродействию; рекомендации по выбору материалов и технологии изготовления; ● для стадии схемотехнического проектирования – уточнение требований к электрическим параметрам микросхем; получение рекомендаций по установке помехоподавляющих элементов; получение рекомендаций по выбору корпусов микросхем; платы и сборки печатного узла; ● для стадии топологического проектирования – выработка топологических норм и рекомендаций для трассировки платы; получение данных для расположения компонентов на плате; определение требований к шинам питания и заземления и рекомендации по их расположению; определение структуры МПП; определение требованиям к экранам и их расположению) Глава 4. Разработка конструкции ПП удовлетворяющей требованиям целостности сигнала и питания 4.1 Разработка рекомендаций по конструкции ПП Размер В большинстве типов радиоэлектронной аппаратуры размеры платы диктуются требованиями размещения ее в заданном отсеке или шкафу, и у конструктора печатных плат остается малая свобода выбора. Отсутствие подобных ограничений абсолютно меняет роль конструктора, когда, например, необходимо сконструировать большую цифровую систему на базе большого числа интегральных микросхем. В этих случаях инженерконструктор сталкивается с проблемой выбора оптимальных размеров собственно печатной платы. Такой выбор связан с учетом большого числа факторов и заканчивается вариантом, являющимся компромиссом, учитывающим настоящую или перспективную политику фирмы в области разработки, технологии и обслуживания аппаратуры после ее поставки заказчику. Здесь будет сделана попытка обсудить различные факторы, которые влияют на топологию рисунка платы и размеры платы, но, разумеется, колебания в затратах фирм, накладных расходах и степени сложности выпускаемых плат вынуждают рассматривать эти факторы только в самом общем виде. До настоящего момента рассматривалась проблема выбора размеров платы только с точки зрения чисто схемотехнических требований. В дальнейшем будут рассмотрены некоторые конструктивные параметры, такие как механическая прочность, охлаждение и электрические соединители. Резонансная частота Для плат малых размеров, например 100×150 мм, проблемы вибропрочности практически отсутствуют. Ситуация меняется при увеличении размеров платы, когда возрастает вероятность совпадения частоты собственного механического резонанса платы с какой-либо из частот диапазона механических воздействий на аппаратуру, возникающих как при ее транспортировке от изготовителя к заказчику, так и в процессе эксплуатации. Конструктор печатных плат должен иметь в виду, что элементы, смонтированные на плате, могут при этом испытывать значительно более высокие ускорения, чем аппаратура в целом. Увеличение ускорений зависит, кроме всего прочего, от соотношения между частотой внешних механических воздействий и резонансными частотами различных элементов, передающих эти механические воздействия к элементам на плате (стойка — шасси — плата — элемент). Недостаточно широко известно, что это увеличение может быть 5—10-кратным, что делает проблему достаточно серьезной. Для больших плат размерами 300x300 мм и более центральная часть платы может подвергаться относительно большим колебаниям, вызванным внешними механическими воздействиями. Если расстояния между платами невелики и отсутствуют изолирующие прокладки под элементами, при изгибе платы может произойти кратковременное короткое замыкание между неизолированным корпусом или выводом элемента платы и стороной пайки соседней платы. Одной из наиболее серьезных проблем, возникающих при больших резонансных колебаниях платы, является вероятность разрушения паяных соединений или выводов элементов вследствие усталости металла. На рис. 4.1 показаны схематически возможные положения центральной части печатной платы под воздействием резонансных колебаний. Выводы элементов изгибаются вперед и назад, особенно в тех случаях, когда они изогнуты под углом 90° к оси элемента. Незначительные насечки или надрезы, образовавшиеся при операции формовки выводов, могут инициировать разрушение вывода. Рис. 4.1. Плата при резонансных механических колебаниях. Резонансная частота может быть сравнительно легко изменена с помощью упрочняющих элементов, таких как металлические уголки, или рассверливанием дополнительных монтажных отверстий, или установкой опорных штырей. Условия механического резонанса, естественно, могут быть теоретически рассчитаны. Результаты испытаний на воздействие вибрационных нагрузок на опытные образцы аппаратуры являются для большинства случаев достаточно авторитетной информацией. Охлаждение Предположим, что 200 ИС смонтированы в объеме 1 дм 3. Если средняя мощность рассеяния на одну ИС составляет 50 мВт, общее количество выделяемого тепла составит 10 Вт. Даже в случае меньшей плотности компоновки количество теплоты, которое необходимо отвести, так велико, что охлаждение путем естественной конвекции, радиации или теплопроводности является недостаточным. В этих случаях необходимо применение принудительного воздушного охлаждения, что требует встраивания в аппаратуру вентиляторов. Последние должны быть рассчитаны на создание потоков воздуха, достаточных для ограничения роста температуры заданными пределами. Важно обеспечить равномерное омывание аппаратуры воздушными потоками, что достигается, например, установкой специальных воздуховодов, а также достаточную скорость потока воздуха для поддержания относительно низкой температуры поверхности элементов со значительным тепловыделением. Чтобы исключить возможность попадания пыли в аппаратуру, в воздуховодах должны устанавливаться фильтры. Аппаратура должна быть электрически заблокирована, должна быть предусмотрена тепловая защита, отключающая аппаратуру от сети в случае, если ее температура недопустимо растет. Рост температуры является фактором, ограничивающим допустимую плотность компоновки, что в свою очередь влияет на выбор размеров платы. Проблемы распределения теплоты следует анализировать в каждом конкретном случае конструирования, так как оптимального теплообмена нельзя достигнуть методом проб и ошибок. Окончательное исследование распределения теплоты в аппаратуре необходимо производить на макете, поскольку даже после полного теплового расчета остается вероятность существования локальных участков перегрева. Соединители Габариты разъема, естественно, зависят от числа внешних соединений с данной схемой. Подходящий стандартный разъем может быть выбран либо при конструировании новой аппаратуры, либо при модернизации уже имеющейся конструкции. В этом случае в разъеме могут быть резервные неиспользуемые контакты. Для больших плат часто требуются разъемы с большим числом контактов, а для того чтобы обеспечить надежное сочленение контактов в цепях низкоуровневых сигналов, необходимо задавать контактное усилие 0,5—1,0 Н. Это приводит в экстремальных случаях к увеличению усилия сочленения до нескольких десятков ньютон, так что размеры разъема становятся ограничивающим фактором при выборе размеров платы. Из-за больших усилий сочленения процедура сочленения ответных частей разъема становится настолько трудной, что оператор не в состоянии ощутить момент завершения сочлененияконтактов, что приводит к поломке разъема. Выпускаются разъемы с нулевым усилием сочленения, но они дороги и имеют большие размеры. Размер и цена Стоимость единицы площади платы может быть выражена как величина, зависящая от размеров платы, причем эту зависимость можно использовать для выбора оптимальных размеров платы. Соображения, приведенные ниже, формулируются в предположении, что плотность компоновки постоянна на площади постоянного размера, что означает, что число отверстий на единицу площади платы постоянно и не зависит от того, как размещается схема — на малом числе плат больших размеров или на большом числе плат малых размеров. Можно предположить, что оборудование, имеющееся в распоряжении фирм-изготовителей печатных плат, наилучшим образом рассчитано на обработку плат средних размеров, и потому средний размер плат можно рассматривать как оптимальный. Платы больших размеров обычно имеют более высокую стоимость, отнесенную к единице площади, чем платы средних размеров. Платы больших размеров требуют меньшего числа манипуляций на единицу площади, однако при этом отходы используемых исходных материалов и ограничения в сфере производства становятся важнейшими факторами. Рис. 4.2. Стоимость печатной платы как функция коэффициента заполнения платы. Еще одним важным фактором является количество брака. Предположим, что частота отказов на единицу площади не зависит от размеров платы и поэтому может считаться постоянной величиной. Количество брака, выражаемое числом бракованных плат, будет непропорционально увеличиваться с увеличением размеров платы. Очень малые платы имеют несколько более высокую стоимость на единицу площади по сравнению с платами среднего размера. При использовании фотографического процесса мультипликации (формирования повторяющихся рисунков) на одну сравнительно большую технологическую панель может быть нанесено достаточно большое число рисунков отдельных печатных плат. Следовательно, хотя количество изготовленных плат в соответствии с заказом может быть велико, число панелей будет мало, так что производственные затраты на панель и соответственно на плату окажутся непропорционально высокими. Варианты приведены на рис, 4.2, где А — исходная плата; B — плата половинной ширины платы A, C — плата удвоенной ширины платы A; D и E — две конфигурации платы учетверенной площади платы A. Число плат в каждом варианте таково, что общая площадь всех плат каждого варианта одинакова. Стоимость на единицу площади рассчитывалась для платы А. Приведенная кривая показывает относительные стоимости на единицу площади конкретного варианта к площади платы А. Чтобы растянуть кривую, по оси x выбран логарифмический масштаб. Кривая имеет минимум при отношении площадей 2,5, что соответствует формату платы примерно 180×250 мм. Изготовитель этих вариантов печатных плат подтвердил, что этот размер он считает оптимальным. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами других исследований, в которых формат платы 200×250 мм оценен как оптимальный. Тепло и количество элементов Конструктор печатных плат должен знать все термочувствительные и тепловыделяющие элементы, что позволит ему правильно размещать эти элементы относительно друг друга. Обычно тепловыделяющие элементы располагаются над платой, чтобы исключить обесцвечивание или повреждение элемента или платы. Конструктор должен также располагать всем комплектом типоразмеров теплоотводов для их использования при конструировании. Выбор элементов Полупроводниковые приборы обычно указываются в принципиальной схеме своими типовыми обозначениями; их физические размеры могут быть легко найдены в справочниках. Другие элементы обычно обозначаются только своими электрическими номиналами и иногда их допусками. Физические размеры элемента зависят полностью от выбранного типа элемента. В 90 % случаев выбранные элементы известны конструктору печатных плат. Остальные элементы, вероятнее всего, являются нестандартными, и разработчик должен их данные представить в отделение конструирования печатных плат. В любом случае разработчик отвечает за выбор элементов и перечень элементов к схеме. После того как все элементы определены, конструктор печатных плат должен просмотреть перечень элементов и выделить все неизвестные ему элементы. Наиболее практичным является составление конструктором собственной «библиотеки» элементов, в которую входят более или менее специальные элементы. В следующий раз, если такая информация потребуется, ома будет под рукой. Более того, было бы целесообразным, если бы конструктор печатных плат имел образцы каждого элемента и составил коллекцию образцов. Иногда образцы помогают обнаружить такие подробности, которые не выявляются в габаритных чертежах элементов, приводимых в справочниках. Существует правило: никогда не пользоваться измерениями физических размеров образцов элементов. Среди них может быть выпущенный лабораторией перспективный образец, имеющий некоторые конструктивные изменения в сравнении с серийным. Поэтому всегда лучше полагаться на справочные данные до тех пор, пока новый образец не будет официально введен в справочники. Конструктивные требования Другая важная задача, стоящая перед конструктором печатных плат, — иметь исчерпывающую информацию о физических размерах платы. Обычно это требует тесного контакта конструктора с отделением механического конструирования. Некоторые элементы, устанавливаемые непосредственно на плате, требуют определенной ориентации, например элементы, которые выводятся на переднюю панель, такие как кнопочные переключатели или потенциометры. Конструктор печатных плат должен располагать данными всех других элементов механической сборки, таких как скобы, зажимы, экранирующие кожухи, теплоотводы. Знать координаты крепежных отверстий платы еще недостаточно; конструктор печатных плат должен также знать площадь, занимаемую каждым элементом, для того чтобы не трассировать проводники на участках платы, занимаемых этими элементами. В этой связи конструктор печатных плат должен помнить, что головки крепежных винтов и гайки также занимают место на плате. Классической ошибкой является короткое замыкание, вызываемое перекрытием головкой винта двух проводников, и классическим средством исправления этой ошибки является применение изолирующей шайбы под головкой винта. Перечисленные сведения об элементах дадут конструктору печатных плат возможность изобразить плату, расставить ее габаритные размеры и координаты крепежных отверстий, обозначить «запрещенные» области на плате. Этот чертеж – основа для всех дальнейших конструкторских работ, его должен выполнять чертежник-конструктор, поскольку все крепежныеотверстия должны быть размещены весьма точно. Аналогичным образом чертежник-конструктор должен знать все ограничения, обусловленные наличием «запрещенных» участков на плате, чтобы вести трассировку проводников только на разрешенных участках. 4.2 Разработка рекомендаций развязывающих конденсаторов по установке и размещению Простая оценка полного сопротивления электропитания относительно ИМС Предполагая, что монтаж от терминала электропитания ИМС до самого близкого конденсатора может быть выполнен как МПЛ, поэтому можно смоделировать монтаж, как показано на Рис. . Полное сопротивление этого конденсатора относительно терминала электропитания, ZpowerTermnal может быть выражен следующим уравнением: В этом уравнении Zсap полное сопротивление конденсатора, Zline полное сопротивление монтажа к конденсатору. Zcap включает полное сопротивление контактной площадки для установки конденсатора и металлизированного отверстия. Рис. 4.3 Модель монтажа до самого близкого конденсатора Zline, является полным сопротивлением для монтажа, которое можно считать закороченным в окончании. Примем индуктивность монтажа Lline. Кроме того, в высокочастотной зоне, превышающей саморезонансную частоту, полное сопротивление конденсаторного Zcap сформировано ESL конденсатора ESLcap. Поэтому, полное сопротивление относительно терминала электропитания ИМС, ZPowerTerminal, может быть выражен следующим уравнением: Мы можем использовать индуктивность на единицу длины МПЛ, умноженной на длину Lline монтажа. Имеются различные уравнения для приближенной оценки индуктивности МПЛ с определенным полным сопротивлением. Однако, обращаясь со случаем с широким проводником, характерным для ШП, эти уравнения могут стать сложными. Следующее уравнение предложено для приблизительной оценки Lline: где h толщина диэлектрического материала в МПЛ, w ширина проводника, l протяженность проводника (единицы все миллиметры). Заменяя Llne с ESLcap конденсатора в уравнении (7-2), можно оценить полное сопротивление относительно терминала электропитания ИМС в высокочастотной зоне (где конденсатор становится индуктивным). Отметьте, что мы должны включать индуктивность от контактной площадки установки конденсатора и отверстия (ESLPCB) в ESLcap, используемом здесь. Возможный диапазон для размещения ближайшего к ИМС конденсатора Мы можем вычислить инверсией протяженность монтажа необходимую, чтобы управлять полным сопротивлением электропитанием ниже целевого значения, определяя индуктивность монтажа простым уравнением (7-3). Примем целевое значение полного сопротивления электропитания относительно ИМС ZT и целевая частота, самая большая частота, необходимая, чтобы удовлетворить этот полное сопротивление, fT@pcb, максимальная допустимая протяженность проводника lmax. Как упомянуто ранее, полное сопротивление относительно терминала электропитания показывает индуктивный характер на высокой частоте; поэтому рассмотрим только условия индуктивности. Мы можем получить самую большую допустимую индуктивность для монтажа, Lline_max, заменяя ZT на полное сопротивление электропитания ZPowerTerminal и fT для частоты f в уравнении (7-2). Мы можем получить максимальную допустимую длину для монтажа, lmax, заменяя Lline этим Lline max в уравнении (7-3): Как показано на Рис. , помещая самый близкий конденсатор в пределах окружности с радиусом lmax от терминала электропитания ИМС, мы можем достигнуть целевого полного сопротивления в высокочастотной зоне. Мы назовем окружность максимально допустимой длиной проводников. Когда lmax является большим, у нас есть больше гибкости в определении местоположения конденсатора. Рис. 4.4 Расположение внутри lmax С другой стороны, с точки зрения конденсатора, l max может быть отмечен как эффективный диапазон конденсатора для поддержания полного сопротивления электропитания меньше, чем ZT. Как показано на Рис. , когда терминал электропитания ИМС размещен ближе, чем lmax от конденсатора, то один конденсатор может подавить уменьшить полные сопротивления электропитания ИМС до уровней меньших, чем ZT. Как мы можем видеть из уравнения (7-5), у этого конденсатора есть широкий эффективный диапазон, так как lmax конденсатора с маленьким ESLcap становится большим. Рис. 4.5. Расположение ИМС внутри lmax Конденсаторы, монтируемые на плату Полное сопротивление в более высоком диапазоне частот, где объемный конденсатор не функционирует, создается конденсатором, расположенным на ПП около ИМС. Обычно, это MLCC-конденсаторы. Один конденсатор достаточен для относительно небольшой и медленный ИМС, но для высокоэффективных ИМС с низким целевым полным сопротивлением может использоваться набор параллельных конденсаторов, как показано на Рис. . Рис. 4.6. Пример параллельной расстановки конденсаторов на плате Рис. 4.7. Объединение полных сопротивлений, когда конденсаторы с различной емкостью размещены в параллель (расчетное значение) Рис. (б) показывает расстановку конденсаторов с одинаковой емкостью параллельно. Низкое полное сопротивление в широком диапазоне частот достигается комбинацией конденсаторов с различными саморезонансными частотами, используя преимущества характеристик конденсатора, которые становятся с низким сопротивлением в окружности частоты резонанса. Внимание должно быть уделено случаю, когда полное сопротивление не становится малым из-за появления антирезонанса в диапазоне между резонансными частотами конденсаторов. Пример объединения полных сопротивлений, когда используется 4 конденсатора емкостью 1 мкФ, 10000, 1000 и 100 пФ в параллель, показан на Рис. . Частотная характеристика выглядит в виде последовательности волн и достигает значений сопротивления конденсатора 1 мкФ на антирезонансных частотах. На Рис. показан случай расстановки одинаковых конденсаторов в параллель. В этом случае, поскольку вычисление (Рис. ), указывают, что проблемы от антирезонанса не происходят часто (вычисление предполагает, что монтажом между конденсаторами можно пренебречь). В этом случае полные сопротивления конденсаторов включены параллельно, в дополнение к полному сопротивлению контактных площадок и отверстий, включенных параллельно (в случае, где отверстия используются для каждого конденсатора). Есть также преимущество, что относительно легче увеличить емкость из-за увеличенного числа конденсаторов. С другой стороны, у увеличенного числа конденсаторов есть недостаток увеличение пространства и стоимости. Кроме того, поскольку площадь увеличивается, конденсаторы располагаются относительно далеко друг от друга, делая конденсаторы, менее эффективными из-за влияния полного сопротивления межсоединений, постепенно уменьшая эффект увеличенного числа конденсаторов. Рис. 4.8. Полное сопротивление конденсаторов одинаковой емкости, установленных параллельно Если метод, показанный Рис. , создаст проблему, то используя низкийESL конденсатор, даст тот же самый эффект, как увеличенное число конденсаторов. Это более выгодно для пространства и стоимости. Рис. показывает сравнение полного сопротивления для нескольких MLCC и одного низкого-ESL конденсатора. Один низкий-ESL конденсатор реализует полное сопротивление, эквивалентное при использовании 10 параллельных MLCC-конденсаторов. Рис. 4.9. Сравнение между параллельными конденсаторами MLCC и конденсатором с низким ESL Проектирование емкости конденсатора Пример определения емкости для объемного конденсатора и наплатного конденсатора в зависимости от целевого полного сопротивления рассмотрен ниже. Как показано на Рис. , рассматривается случай, где объемный конденсатор и наплатный конденсатор размещены между модулем электропитания и ИМС. Рис. 4.10. Модель для проектирования емкости конденсатора Определение целевого полного сопротивления Во-первых, целевое полное сопротивление ZТ определено, как показано Рис. . Если целевое значение и максимальная частота полного сопротивления электропитания, необходимого для работы ИМС, уже известны, используются эти значения. Если они неизвестны, они устанавливаются следующим уравнением: В этом случае, V максимальное допустимое значение ряби напряжение, I максимальный переходный поток, изменяющийся при переключении микросхемы (определяется по ТУ с учетом сквозных токов). Максимальная частота fТ@PCB для ZТ изменяется в зависимости от быстродействия ИМС. Если она неизвестна, то ее принимают приблизительно 100 МГц. Рис. 4.11. Установление целевого полного сопротивления Установление емкости объемного конденсатора Затем, мы установим емкость конденсаторов с низкочастотной стороны. Первый конденсатор будет объемным конденсатором. Его модель показана на Рис. . Предположим, что индуктивность от кабелей между модулем электропитания и цепью или печатным монтажом основной фактор, препятствующий достижению целевого полного сопротивления в объемном конденсаторе, установленного на позиции, когда модуль электропитания работает идеально. Примем эту индуктивность Lpower и емкость конденсатора Cbulk. Когда монтаж состоит только из печатных проводников, мы можем использовать следующее уравнение ниже из , чтобы оценить Lpower. В этом уравнении h толщина диэлектрического материала в МПЛ, w ширина проводника, l длина проводника. В случае, где характеристика ответа модуля самого электропитания не незначительны, эта индуктивность LpowerResponce должна быть вычислена в Lpower в уравнении (8-3). Грубая оценка может быть установлена через постоянную времени индуктивности. В этом уравнении, tpowerResponceis скорость отклика модуля электропитания. Рис. 4.11 Определение емкости для объемного конденсатора Установление конденсатора, устанавливаемого на плате Затем, мы установим емкость для конденсатора, который устанавливается на плате, Cborad, . Примем индуктивность монтажа между объемным конденсатором, и конденсатором на плате Lbulk, необходимый конденсатор для монтажа на плате должен соответствовать неравенству аналогично (8-2). Хотя, строго говоря, эта индуктивность Lbulk включает ESL объемного конденсатора и индуктивность всего монтажа между ИМС и объемным конденсатором. Расположение конденсатора на плате Далее размещаем наплатный конденсатор. Помещая конденсатор так, чтобы расстояние между ИМС и терминалом электропитания было в пределах максимальной допустимой длины монтажа lmax, как описано в, ZT может быть реализовано в диапазоне частот до fT@PCB, как показано на Рис. : В этом уравнении ESLcap ESL конденсатора, включающая индуктивность (ESLPCB) контактной площадки установки конденсатора и сквозного отверстия, в дополнение к ESL непосредственно конденсатора. Рис. 4.13 Расположение наплатного конденсатора Снижение ESLcap В зависимости от целевого полного сопротивления в ряде случаев за счет одного конденсатора не удается достигнуть соответствующей длины lmax. В таком случае мы должны поместить набор конденсаторов параллельно, как показано на рис. 4.14., чтобы уменьшить эквивалентное значение ESLcap и увеличить lmax. Также эффективно использование конденсатора с низким ESL Когда lmax не существует для одного конденсатора, уменьшение ESLcap за счет комбинации набора конденсаторов и увеличение lmax может быть необходимым. Полная емкость должна быть больше Cboard, Комбинация емкостей должна быть приспособлена для подавления антирезонанса. Рис. 4.14. Пример топологии размещения конденсаторов для достижения целевого полного сопротивления Рис. 4. показывает различные цепи развязки, сравниваемые с точек зрения подавления помех и целостности питания. Для электропитаний ИМС используются MLCC конденсаторы в качестве простого метода достижения обеих из этих целей. Заменяя это конденсаторами с 3 выводами или конденсаторами с низким ESL, исполнительное усовершенствование может ожидаться и для отмеченных показателей. Кроме того, когда добавлены катушки индуктивности, такие как ферритовые бусинки, работа может быть улучшена с точки зрения подавления помех; однако, в некоторых случаях может произойти увеличение полного сопротивления электропитания. В таком случае должны быть установлены дополнительные конденсаторы. Увеличенное число стадий для комбинаций конденсаторов и индуктивности может далее уменьшить помехи. Эти фильтры должны быть применены в соответствии с требуемыми цепями. Рис. 4.15. Структура фильтров электропитания Особенности цепей электропитания с точки зрения помеховых контрмер включают конфигурацию монтажа, являющуюся сложным по сравнению с цепями сигнала, создавая трудности при проектировании полного сопротивления: чрезвычайно низкое полное сопротивление в некоторых случаях; широкий частотный диапазон для противопомеховых мер от аудио до ГГц; Для развязывающего конденсатора, чтобы функционировать эффективно в таких цепях, необходимо для низкого полного сопротивления на высокой частоте проектировать монтажные соединения, создающие минимальную индуктивность. 4.3 Разработка по технологии сборки и монтажу Поверхностный монтаж — технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов. Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (англ. surface mount technology) и SMD-технология (от англ. surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют «чипкомпонентами». ТМП является наиболее распространённым на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным отличием ТМП от «традиционной» технологии — сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы. Преимущества ТМП проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приёмов изготовления печатных узлов Типовая последовательность операций в ТМП включает: нанесение паяльной пасты на контактные площадки: дозирование пасты из специального шприца вручную или на станке в единичном и мелкосерийном производстве; трафаретная печать в серийном и массовом производстве; установка компонентов на плату; групповая пайка методом оплавления пасты в печи (преимущественно методом конвекции, а также инфракрасным нагревом или нагревом в паровой фазе[2]); очистка (мойка) платы (выполняется или нет в зависимости от активности флюса) и нанесение защитных покрытий. В единичном производстве, при ремонте изделий и при монтаже компонентов, требующих особой точности, как правило, в мелкосерийном производстве также применяется индивидуальная пайка струей нагретого воздуха или азота. Одним из важнейших технологических материалов, применяемых при поверхностном монтаже, является паяльная паста (также иногда называемая «припойной пастой»). Паяльная паста представляет собой смесь порошкообразного припоя с органическими наполнителями, включающими флюс. Назначение паяльной пасты: выполнение роли флюса (паста содержит флюс): удаление оксидов с поверхности под пайку; снижение поверхностного натяжения для лучшей смачиваемости поверхностей припоем; улучшение растекания жидкого припоя; защита поверхностей от действия окружающей среды; обеспечения образования соединения между контактными площадками платы и электронными компонентами (паста содержит пропой); фиксирование компонентов на плате (за счёт клеящих свойств пасты). Во время пайки важно обеспечить правильное изменение температуры во времени (термопрофиль), чтобы[4]: избежать термоударов; обеспечить хорошую активацию флюса; обеспечить хорошее смачивание поверхностей припоем. 4.4 Выводы В данной главе представлены основные конструктивные требования по конструированию печатных узлов с установкой на них ПЛИС. 4.5 Оценка рынка ПЛИС и технологических затрат Оценка рынка ПЛИС По данным исследований лидера ми рынка ПЛИС являются компании Xilinx, Altera и Lattice. Они занимают 95% всего рынка. Остальные 5% делят компании Actel, Atmel, QuckLogic, AMIS и NEC. Компания Atmel не имеет развитой линейки ПЛИС, а компания Actel больше специализируется на производстве ПЛИС для военной и аэрокосмической отраслей. Для компаний QuckLogic, AMIS и NEC ПЛИС не являются основным продуктом. Начальный период развития FPGA был отмечен суровыми битвами между различными технологиями и поставщиками, в которых были и победители, и проигравшие. Технологии FPGA предусматривали антипрожигаемые (antifuse) перемычки, статическое ОЗУ (SRAM) и электрически перепрограммируемое ПЗУ (EEPROM). В настоящее время рынок сделал выбор в пользу SRAM — теперь на долю этой технологии, согласно информации о доходах поставщиков, приходится около 90% рынка. В список компаний, изначально пришедших на рынок программируемой логики и впоследствии ушедших с него, входят такие гиганты полупроводникового производства, как Motorola, Toshiba, NEC, Phillips и Texas Instruments. Все они пришли к выводу, что этот рынок не принесет отдачи, соизмеримой с другими специализированными рынками, и оставили поле деятельности новаторам, таким, как Altera и Xilinx. Altera и Xilinx яростно соревновались за долю рынка, временами перегоняя друг друга. Но в течение последних 15 лет их битва за превосходство на рынке FPGA, в которой использовалась стратегия получения преимущества на основе постепенных эволюционных усовершенствований продукта, привела к застою на рынке заказных систем на кристалле. Изменения в лучшем случае добавляли несколько новых функций в FPGA верхнего ценового диапазона. Это послужило причиной того, что использование FPGA сегодня ограничивается по большей части инфраструктурой связи и оборонными применениями, в которых стоимость является менее критичным фактором. Основное достоинство FPGA, во всяком случае тех, что основаны на SRAM, — программируемость; но наличие такой возможности сказывается на цене. Матрица переключателей в FPGA и огромное количество межсоединений, требующихся для программирования структуры, являются причиной их ограниченного применения из-за высокой стоимости, снижения производительности и значительного статического и динамического потребления, что связано с наличием в конфигурации SRAM большого числа элементов и металлических межсоединений. Похоже, что без внешнего воздействия FPGA и дальше пойдут путем постепенных эволюционных усовершенствований, что будет препятствовать развитию инноваций в отрасли. С 2000 г. средний показатель ежегодного роста производства FPGA выражался единицами процентов по сравнению с ежегодным ростом на 20% между 1990 и 2000 гг. Стоимость производства ПП Воспользуемся калькулятор для расчета стоимости производства мелкой партии (20 штук). Рис 4 Данные для расчета В результате получены следующие цифры Рис 5 Результаты расчета Итого мы получаем что средняя стоимость производтсва 20 печатных плат получается в районе 18.000 тысяч рублей. Однако тут не учитывается стоимость электронных компонентов. 4.6 Обеспечение БЖД при сборке и монтажа, общие вопросы. Наиболее распространенным методом создания электрических цепей в радиоэлектронной, электронно-вычислительной и электротехнической аппаратуре является применение печатного монтажа. В таблице ниже приведен перечень используемых материалов и загрязняющих веществ при изготовлении ПП. Выполнение заготовительных операций и получение монтажных и переходных отверстий в ПП связано с эксплуатацией специального оборудования, а именно: штампов на эксцентриковых прессах, одно- и многоножевых роликовых ножниц, гильотинных ножниц, одно- и многошпиндельных сверлильных станков. Выполнение этих операций сопряжено с опасностью повреждения рук работающего в случае попадания их в рабочую зону, в частности, между верхним и нижним ножом гильотинных ножниц при ручной подаче материала. Наибольшую опасность представляет работа пресса в автоматическом режиме, требующая большого напряжения, внимания и осторожности работающего, так как всякое замедление движения рабочего может привести к травматизму. Во избежание попадания рук рабочего в опасную зону применяют систему двурукого включения, при которой пресс включается только после одновременного нажатия обеими руками двух пусковых кнопок. Используемые материалы и выделения загрязняющих веществ при изготовлении ПП В прессах и ножницах с ножными педалями для предотвращения случайных включений педаль ограждают или делают запорной. Часто, кроме этого, опасную зону у прессов ограждают при помощи фотоэлементов, сигнал от которых автоматически останавливает пресс, если руки рабочего оказались в опасной зоне. При ручной подаче заготовок необходимо применять специальные приспособления: пинцеты, крючки и т.д. Радикальным решением вопроса безопасности является механизация и автоматизация подачи и удаления заготовок из штампа, в том числе с использованием средств робототехники. Во избежание травм при работе на сверлильных станках необходимо следить за тем, чтобы все ремни, шестерни и валы, если они размещены в корпусе стайка и доступны для прикосновения, имели жесткие неподвижные ограждения. Движущиеся части и механизмы оборудования, требующие частого доступа для осмотра, ограждаются съемными или открывающимися устройствами ограждения. В станках без электрической блокировки должны быть приняты меры, исключающие возможность случайного или ошибочного их включения во время осмотра. Во избежание захвата одежды и волос рабочего его одежда должна быть заправлена так, чтобы не было свободных концов; обшлага рукавов следует застегнуть, волосы убрать под берет. Образующуюся при сверлении, резке материала заготовок ПП пыль необходимо удалять с помощью промышленных пылесосов. Подготовка поверхностей к проведению технологических операций осуществляется на многих этапах процесса производства ПП и включает: 1) механическую или комбинированную очистку поверхности от оксидов, остатков смазки и других загрязнений; 2) щелочное обезжиривание поверхности моющими средствами; 3) водную промывку; 4) декапирование в растворе кислоты; 5) промывку в холодной и горячей воде; 6) сушку поверхности. Для химической подготовки поверхности применяют растворы, содержащие тринатрийфосфат, кальцированную соду, соляную и серную кислоты и др., которые оказывают вредное воздействие на организм человека. Поэтому ручную и механическую химическую подготовку поверхности ПП следует проводить в соответствии с требованиями безопасности при работе с химическими веществами. Для автоматизации и механизации этого процесса отечественные и зарубежные фирмы выпускают наборы отдельных взаимозаменяемых модулей различных размеров и различной производительности, соединенных конвейерными автооператорными транспортирующими устройствами. Это позволяет не только повысить производительность труда, но и полностью исключить возможность контакта работающих с вредными веществами. Химическая металлизация ПП заключается в последовательности химических реакций осаждения меди, используемой в качестве подслоя при нанесении основного слоя токопроводящего рисунка гальваническим способом. Для придания диэлектрической основе IIII способности к металлизации производят подготовительные операции - сенсибилизацию и активацию поверхности, выполнение которых связано с работой с агрессивными и раздражающими веществами (соляной кислотой, водным аммиаком). Для химической металлизации ПП применяют разбавленные растворы с невысокими концентрациями основных компонентов, в число которых входят, например, гидроокись натрия, раствор формалина, мористый никель, сернокислая медь, углекислый натрий. Химическое меднение ПП производится в специальных линиях с набором ванн необходимого размера, выполненных из химически стойких материалов. Ванны должны быть оборудованы устройствами фильтрации и дозировки растворов, системами поддержания заданной температуры, а также бортовыми отсосами, не допускающими распространения паров растворов по объему производственного помещения. Для исключения непосредственного участия человека в процессе химической металлизации все чаще применяют автоматизированные системы управления технологическим процессом. При проведении гальванической металлизации металлизируемые платы, закрепленные на специальных подвесках - токоподводах, помещают в гальваническую ванну с электролитами между анодами, выполненными из металла необходимого покрытия. Гальванические ванны должны быть оборудованы бортовыми отсосами, так как пары электролита и продуктов химических реакций могут оказывать вредное воздействие на организм работающего. Вредность электролита определяется природой веществ, входящих в его состав. Так, для гальванического меднения используются следующие вещества, работа с которыми требует соблюдения соответствующих мер безопасности: борфтористая медь, борфтористоводородная кислота, борная кислота. Наличием вредных веществ характеризуется также состав (качественный) электролита для нанесения покрытия олово-свинец: олово борфтористое, свинец борфтористый, кислота борфтористоводородная, борная кислота. При обслуживании оборудования для гальванической металлизации необходимо, кроме того, соблюдать меры электробезопасности и постоянно следить за надежностью заземления. Нанесение рисунка схемы на ПП или на их слои необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления проводящего рисунка. Вследствие жестких требований, предъявляемых к рисунку, производственные помещения, где происходит процесс его нанесения, должны быть кондиционируемыми, обеспыленными, закрытыми для посещения лицами, не связанными с выполнением этой операции. При этом относительная влажность должна составлять 65 ± 5%, температура воздуха 18-25 °С, содержание пыли не более 100 частиц размером 2 мкм на 1 л воздуха. Фотолитографический метод нанесения рисунка схемы с позиций охраны труда рассмотрен ранее. Его осуществление связано с использованием фоторезиста, ИК-излучения для его сушки, УФ-излучения с длиной волны 365 нм для экспонирования, вредных для человека химический веществ, используемых для дубления фоторезиста. Поэтому здесь справедлива инструкция но безопасности (с учетом специфики технологического оборудования), применяемая для участков фотолитографии. При изготовлении IIII важным этапом формирования проводящего рисунка схемы является процесс травления (удаления) меди с непроводящих (пробельных) участков схемы. В промышленности для травления плат, проводящий рисунок которых защищен сеткографическим способом или фоторезистом, применяют растворы хлорного железа и кислые растворы на основе хлорной меди. Хотя данный травитель имеет меньшую токсичность по сравнению с другими типами травителей, тем не менее при работе с ним требуется использование индивидуальных средств защиты кожных покровов рук. Пары солей меди оказывают раздражающее действие на дыхательные пути, а попадание растворов солей внутрь способствует образованию язв желудка. Более токсичным является травитель, используемый для травления меди с плат, проводящий рисунок которых защищен металлорезистом, так как его основу составляют серная кислота, трисульфат аммония, а процесс травления происходит при температуре 50-55 "С. Операция травления проводится с обязательным использованием системы местной вытяжной вентиляции, кроме того, производственные помещения должны быть оборудованы системой общеобменной вентиляции. Глава 5. Моделирование. 5.1 - Подготовка схемы электрической принципиальной (проводилась в системе Orcad) Основные моменты: Создание библиотеки компонентов для проекта. Ввод схемы электрической принципиальной в редактор схем. Задание классов цепей и формирование списка соединений. Процесс проектирования печатной платы начинается с создания библиотеки компонентов для проекта. На этом этапе ведется поиск и изучение документации (DataScheet) на используемые компоненты. Каждый компонент библиотеки содержит условно-графическое обозначение (УГО) компонента (symbol) для редактора схем, и посадочное место (pattern) для редактора топологии. Создание библиотеки компонентов самый важный и ответственный этап, от него зависит дальнейшее успешное выполнение всего проекта. Все ошибки при проектировании, как правило, возникают именно на этом этапе. Комплексный подход к этому этапу позволяет избежать ошибок при проектировании ПП, и заметно сэкономить время в последующих этапах. Комплексный подход заключается в том, что уже на этом этапе осуществляется подготовка стратегии трассировки проводников будущей печатной платы, определяются классы цепей, и задаются необходимые технологические параметры, а так же формируются данные необходимые для подготовки конструкторской документации. После завершения работ по вводу схемы осуществляется проверка ERC (Electrical Rules Check) встроенными средствами Allegro Design на наличие ошибок и соответствие заданным параметрам, и в случае успешного прохождения теста генерируется список цепей NetList для передачи в программу трассировки. С этого момента исключается любая вероятность возникновения ошибок на дальнейших этапах проектирования. Идеальный вариант, когда библиотека элементов полностью формируется на этом этапе, однако на практике после загрузки Net-листа в редактор топологии, паттерны некоторых компонентов требуют коррекции и внесения изменений, эти изменения требуется вносить и в редактор схем, даже если символ компонента не менялся. Это очень важный момент, невыполнение которого приводит к ошибкам, и невозможности корректно и в полном объеме использовать встроенные средства автоматической проверки и контроля параметров. Корректно созданная схема и библиотека элементов позволяют в полном объеме осуществлять дальнейшую поддержку Вашего проекта, с минимальными затратами времени на внесение любых изменений. Вы можете самостоятельно проверить, насколько корректно выполнен Ваш проект. Для этого нужно сгенерировать Net-лист в редакторе схем (Utils/Generate Netlist...) и выполнить его проверку на соответствие, в редакторе топологии (Utils/Compare Netlist...), если проверка проходит успешно, то можно говорить о корректно выполненном проекте. Если же проверка заканчивается сообщением о наличии ошибок, это еще не значит что Ваш проект выполнен с ошибками влияющими на работоспособность проектируемого устройства, это скорее говорит о умении инженера конструктора грамотно использовать возможности пакета проектирования и как правило с такими проектами возникают сложности при дальнейшей поддержке, или конвертировании в другие САПР, выраженные большими временными затратами на исправление допущенных недоработок. 5.2 - Трассировка печатной платы (проводилась в системе Allegro) Предварительное размещение компонентов на печатной плате. Трассировка печатных проводников. Проверка соответствия ПП заданным технологическим параметрам. Этап проектирования печатной платы является самым трудоемким во всей последовательности этапов. Как правило, еще до процесса проектирования печатной платы уже известны некоторые требуемые технологические параметры, это желательные габаритные размеры платы, или требования к расположению некоторых элементов, таких как разъемы, элементы управления и индикации, а также прочие конструктивные особенности, требования к ЭМС (электромагнитная совместимость). На этапе предварительного размещения компонентов определяется возможность проектируемой платы соответствовать требуемым техническим параметрам, проводится коррекция этих параметров (как с целью улучшения, так и с целью оптимизации), и выбирается лучший вариант. Параметры требуемых минимальных зазоров заносятся в специальную таблицу, по которой будет осуществляться автоматический контроль в процессе трассировки проводников. После того как решение вопроса размещения компонентов закончено начинается процесс трассировки проводников, в зависимости от стратегии принятой на этапе подготовки схемы. Трассировка проводников может происходить разными способами, при помощи специализированных программ в автоматическом режиме, в интерактивном режиме, в ручном режиме. Мы специализируемся на трассировке проводников в ручном и интерактивном режиме, что позволяет более грамотно подходить к вопросам ЭМС и позволяет получить высокую технологичность ПП чего пока еще невозможно добиться используя автоматическую трассировку. В процессе трассировки проводников проводится проверка DRC (Design Rules Check) на наличие ошибок и соответствие всем заложенным технологическим параметрам. По окончании процесса трассировки проводников и положительном результате проверки, процесс трассировки проводников можно считать успешным. Проектирование шестислойной печатной платы На основе японской шестислойной платы Spartan-3A FPGA Board XCM-014 Series была спроектирована печатная плата в среде Cadence. На первом этапе с сайта производителя были скачены все доступные материалы, что включало в себя 1) Принципиальную схему Рис. 5.1 Принципиальная схема 1 стр. Рис. 5.2 Принципиальная схема 2 стр. Эту принципиальную схему я воссоздал в системе OrCAD. Далее был составлен список компонентов и поиск всех файлов Datasheet для данных компонентов. Таблица№1 компоненты ПП Компонент Интегральные схемы: SN74LVC2G17 SN74CBTLV3257PWR MAX803REXR M25P16-VMF XC3S400A-4FTG256C Соединитель: JTAG7PIN- CN1 Пассивные элементы: 4-47 R, 8-102 R, 8-472 R, 1-472 R Емкость: 476, 104 Название на печатной плате U5, U10 U7 U9 (Power-On Reset) U6 FPGA CN1 RM4, RM5, RM3, RM2, R10, R11, R18, R13, R14 FC4, FC7, FC6, FC2, FC8, FC5, FC1, FC11, FC14, CM1, CM2, CM3, CM4, CM5, CM6, CM7, CM8, CM9, CM10, CM11, CM12, CM13, CM14, CM15, CM16, CM17, CM18 Переключатель: CHS-08B SWI Джамперы: JP1, JP2 JP 2X1 Контрольные точки (Test Point): TP TPG1, TP1, TPG2, TP2, TPG3, TP3, TP4, TP5, TP6, CNA,CNB Диоды: Диод Шотки D1, D2 LED-диоды L2, L4, L5 После этого с сайта производителя была взята схема трассировки по каждому слою создаваемой шестислойной платы. Рис. 5.3 Схема трассировки Рис. 5.4 Принципиальная схема воссозданная в системе OrCAD После создания принципиальной схемы в системе OrCAD, далее я перешел в систему Allegro, для этого было необходимо экспортировать NETLIST. В системе Allegro производилась непосредственно трассировка платы и размещение компонентов, аналогичные тому как это сделанно на оригинальной плате. В программе осуществляется последовательная работа с каждым из шести слоев печатной платы: TOP, Internal 1, Mid layer1, Mid layer2, Internal 2, Bottom. Результаты работы представлены на Рис.5.5, Рис 5.5, Рис 5.7, Рис 5.8, Рис 5.9, Рис 5.10. Рис.5.5 TOP Рис 5.6 Internal 1 Рис 5.7 , Mid layer1 Рис 5.8 Mid layer2 Рис 5.9 Internal 2 Рис 5.10 Bottom 5.3 Результаты моджелирования В среде Cadence Allegro Design была спроектирована принципиальная схема печатной платы (Рис.10). После чего была создана библиотека Footprint всех компонентов печатной платы. Далее весь проект переходит в среду Cadence PCB Editor, для этого в программе проверяются все соединения, наличие Footprint всех компонентов, после чего осуществляется трассировка печатной платы в Cadence PCB Editor, размещение всех компонентов в соответствие с техническим заданием и требованиями к электромагнитной совместимости. Конечным результатом явилась создание печатной платы в Китае. 5.11 Готовая печатная плата Заключение В работе описана конфигурация и метод монтажа цепей развязки, используемых для электропитания ПЛИС. Предполагается, использование этих цепей для того, чтобы подавить помехи и поставлять достаточно тока для работы ПЛИС (сохранения целостности питания). Описания основаны на вносимых потерях с точки зрения подавления помех и полного сопротивления с точки зрения целостности питания как важнейших индикаторов развязки цепей. В работе даны общие сведения по помехоподавлению и сохранения целостности питания в печатных узлах. Также дается обоснование выбора развязывающих конденсаторов в качестве основного инструмента по подавлению помех и поддержания низкого сопротивления по питанию. Даются теоретические обоснования по выбору конденсаторов и по топологии их размещения, учитывая их особенности. Также даются рекомендации по проектированию печатных плат и монтажу. В результате сформулированы научно обоснованные рекомендации по установке ПЛИС на печатные платы. Список литературы 1. Кечиев Л.Н. Методы анализа печатных плат быстродействующих устройств. IV Межд. Симпозиум по ЭМС. – Ворцлав, 1986, Ч.2. – с.676-683. 2. Кечиев Л.Н. Численные методы определения емкостных параметров многопроводныз связей / Л.Н. Кечиев, А.Ю. Воробьев, С.А. Королев, П.В. Степанов. –М.:МГИЭМ, 1999.-77с. 3. Потопов Ю.В. Решаем проблему ЭМС. Технологии и материалы: печатные платы,2002, №2.-С.92-95 4. Transmisson- Line Effects Influence High Speed CMOS/ Fairchild Semiconductors, AN-393, 1998. 5. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействуещей аппаратуры/ -М.: ООО «Группа ИДТ», 2007 6. Application Manual for Power Supply Noise Suppression and Decoupling for Digital ICs. C39E. Murata, 2000. 85 p. 7. Куэстад Ф. Проектирование систем распределенного питания. «Электроника», 1990, №7.-С. 39-48. 8. Smith L., Anderson R., Forehand D., Pelc T., Roy T. Power Distribution System Design Methodology and Capacitor Selection for Modern CMOS Technology. IEEE Trans. On Advanced Packaging, 199, v.22, №3б p. 16-32 9. Пирогова Е.В. Проектирование и технологии печатных плат: учебник/ Е.В Пирогова.-М.: ФОРУМ : ИНФРА-МБ 2005.- 560 с. 10. Brooks D. PCB Impedance Control: Formulas and Resources. Printed Circuit Design Magazine, 1998, March p.4 11. http://digteh.ru/digital/PLD/ 12. http://parallel.ru/fpga/vendors.html
