Файл: opres_2008.doc

Лекция 6. Элементная база эс и конструкции плат

1. Элементная база

Основные параметры цифровых ИМС:

• электрические (номинальные токи и напряжения по входу, выходу и питанию.)

• вольт-амперные характеристики (ВАХ) для входа и выхода микросхем.

• параметры быстродействия (t_r,t_f)

• параметры помехоустойчивости

  • статическая помехоустойчивость

  • динамическая помехоустойчивость

• мощностные параметры (P¹,P⁰)

Параметры быстродействия

Параметры быстродействия определяются по форме стандартного цифрового сигнала (рис. 6.1). Эти параметры определяют минимальную длительность такта (рис. 6.2), а следовательно, возможности системы при обработке информации.

Рис. 6.1. Форма стандартного цифрового сигнала

Рис. 6.2. Определение длительности такта цифрового сигнала

Основные временные параметры, характеризующие быстродействие:

• t_r,t_fдлительность фронта и спада импульса,

• t_wширина импульса на уровне 0,5,

• t_pдлительность импульса на уроне 0,9,

• t_cдлительность цикла.

Минимальная длительность цикла связана с минимальным фронтом: t_c10 t_r, т.е. максимальная тактовая частота будет равнаT = 1/t_c.

Пример. Пусть t_r= 1 нс, тогдаt_c=10 нс, а максимальная тактовая частота будет

T = 1/t_c= 1/(1010^-9) = 100 МГц.

Спектр сигнала определяется соотношением

,Гц,

где t_rдлительность фронта, с.

Например, при t_r= 1 нс, минимальная ширина спектра составляет

0,3/110^-9= 30010⁶Гц

Чем меньше высокочастотных составляющих в спектре сигнала, тем более пологий фронт сигнала (рис. 6.3) и меньше быстродействие системы.

Спектр, определенный из тактовой частоты всегда уже спектра, определенного из длительности фронта (рис. 6.4).

Рис. 6.3. Зависимость формы сигнала от наличия высокочастотных составляющих

Рис. 6.4. Спектр сигнала

Вольт-амперные характеристики (пример ВАХ для ТТЛ-схем (рис. 6.5))

Статическая помехоустойчивость (рис. 6.6)определение помехоустойчивости при медленно меняющихся напряжениях помех

• V_rrпороговый уровень переключения микросхемы. При его достижении микросхема переходит из одного логического состояния в другое

• NM_H уровень статической помехоустойчивости относительно уровня 0

• NM_Lуровень статической помехоустойчивости относительно уровня 1

Рис. 6.6. К определению статической помехоустойчивости

Динамическая помехоустойчивость (ДПУ)определение работоспособности при импульсных помехах по характеристики динамической помехоустойчивости (рис. 6.7). Она получается экспериментально (рис. 6.8) путем обработки многочисленных экспериментов. В каждом эксперименте фиксируется событие сбоя микросхемы (+) и нормальной работы () микросхемы (рис. 6.10) при воздействии на микросхему прямоугольного импульса, имитирующего помеху (рис. 6.9).

2. Конструкции печатных плат

Базовые разновидности печатаных плат: односторонние, двухсторонние, многослойные (МПП).

Для создания быстродействующих систем наиболее пригодны МПП:

• в многослойных печатных платах формируется практически полностью экранированная линия передачи.

• обеспечивается максимальная локализация электромагнитного поля, а следовательно, и максимальная точность расчетов электрических параметров через геометрию сечения.

• наличие большого числа слоёв позволяет реализовать практически любую топологию

Конструкции линий передач в печатных платах и в межблочных соединениях показаны на рис. 6.11. На рис. 6.12 показана общая модель линии передачи, а на рис. 6.13 модель линии передачи без потерь, которая приемлема до частот 1 ГГц.

Рис. 6.11. Конструкции линий передач и печатных плат

Модель линии передачи

Рис. 6.12. Модель элементарного отрезка линии передачи

Рис. 6.13. Модель линии передачи без потерь

Проектирование прямого и возвратного пути тока  двуединая задача!

Ток всегда течет по пути с наименьшим полным сопротивлением

Самостоятельная работа

Контрольные вопросы

1. Основные электрические параметры микросхем.

2. Параметры помехоустойчивости (статические и динамические).

3. Разновидности конструкций линий передачи в конструкциях электронных средств.

4. Модель элементарного отрезка линии передачи.

Лекция 7. Линии передачи в монтажных соединениях

1. Параметры линий передач и методы их расчета

Первичные параметры модели линии передачи

• Сопротивление Rхарактеризует активные потери в линии, представляют собой сопротивление постоянному току, или токам низкой частоты. На высоких частотахсопротивление скин-слоя.

• Индуктивность L- определяется конструкцией линии и применяемыми материалами.

• Электрическая емкость Cопределяется также конструкцией линии и применяемыми материалами.

• Проводимость Gопределяется утечками в изоляционном материале линии.

Эффекты, влияющие на параметры R и L:

• скин-эффект (см. [1], раздел 2.2.5),

• эффект близости.

Сопротивление постоянному току равно

R=l/wt,

где удельное сопротивление,l длина проводника,wширина проводника,tтолщина проводника (17 или 35 мкм).

При скин-эффекте толщина равна толщине скин-слоя t=.

Для меди , мкм, если частота в МГц. На частоте 100 МГц толщина скин-слоя 6,6 мкм. Проводимость меди 5,610⁷См/м

Фундаментальная зависимость между LиCдля линий передач:

.

Это соотношение справедливо для квазистатического приближения (при малых значениях размера сечения линии по сравнению с длиной волны), что соблюдается в печатных платах).

Параметры среды распространения сигнала

  абсолютная диэлектрическая проницаемость,

_rотносительная диэлектрическая проницаемость,

₀ диэлектрическая постоянная 8,85 пФ/м,

  абсолютная магнитная проницаемость,

_rотносительная магнитная проницаемость,

₀магнитная постоянная 1,256 мкГн/м,

vскорость в произвольной среде,

v₀скорость света в вакууме.

Зависимость скорости распространения сигнала в диэлектрических средах определяется соотношениями

.

Вторичный электрический параметрдля электрически длинных линийволновое сопротивление: