[Title will be auto-generated] by Oleg Polikarpov

содержание

№6/2011 6 Внутренний монтаж — начало новой эры?

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 10 Виталий Сухов Формовка и обрубка выводов микросхем 14 Дмитрий Чиргин Развитие серийного производства корпусов для микросхем в России

АЦП И ЦАП 16 Федор Шилов Уменьшение помех на входе широкополосного АЦП 20 Мохит Арора В чем разница между точностью и разрядностью АЦП? 24 Рик Даунс Эффективная разрядность как критерий выбора АЦП 27 Роб Ридер Как установить синфазное напряжение при сопряжении усилителя с АЦП

29 Эд Колер, Марк Райвз, Дэйв Карр Современные АЦП с большой частотой опроса, высоким разрешением и низкой мощностью потребления 34 Дэвид Кресс Динамические характеристики быстродействующих АЦП

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 38 Дон Тьют Пассивные компоненты тоже совершенствуются 42 Светлана Сысоева Устройства для беспроводного и безбатарейного питания автономных узлов. Часть 1 46 Юрий Шуваев Нетрадиционная конструкция обмоток трансформаторов и дросселей 51 Набил Садек, Трина Нур Выбор предохранителей для защиты DC/DC-преобразователей 54 Чарльз Уайльд Оптимизация дросселей для схем ККМ

журнал для разработчиков

РЫНОК

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр.Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 10.06.2011 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13.

Электронные компоненты

www. elcp.ru

57 Иржи Перницкий Низкоиндуктивные развязывающие конденсаторы 60 Сэм Дэвис Плотность энергии в новых гибридных конденсаторах выше на 115% 62 Высокоэффективное охлаждение в ограниченном пространстве

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 64 Галина Гайкович Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Особенности построения систем передачи речи. Часть 2 СОДЕРЖАНИЕ

68 Анатолий Белоус, Виктор Зайцев, Александр Колб Микросхема радиочастотной идентификации IZ2805

ВСТРАИВАЕМЫЕ СИСТЕМЫ 72 CompactPCI Serial — последовательная архитектура вместо параллельной

ДАТЧИКИ 73 Александр Губа Цифровые датчики освещенности MAX44007 и MAX44009 компании Maxim

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 77 Андрей Савкин Tektronix — наивысшая производительность

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 80 Дзянис Лукашевич Цифровое электропитание приходит на смену аналоговому

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 85 Виктор Охрименко Интеллектуальные контроллеры зарядки аккумуляторов

ИНЖЕНЕР ИНЖЕНЕРУ 89 Джеймс Брайант Выбор источника опорного напряжения. С чего начать? 91 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ

РЫНКЕ

contents # 6 / 2 0 1 1

E LEC TRO N I C COM PO N E NT S #6 2011

6 Is Inner Mounting a Beginning of New Era?

DESIGN AND DEVELOPMENT 10 Vitaly Sukhov Reforming and Chipping ICs in OSTEC 14 Dmitry Chirgin Building Case Mass Manufacturing for ICs in Russia

ADC AND DAC 16 Fedor Shilov Interference Reduction at Input of Wideband ADC 20 Mohit Arora ADC “Accuracy” vs “Resolution”: I am so confused. What Does My Application Really Require? 24 Rick Downs ENOB Isn’t Always the Best Figure of Merit 27 Rob Reeder Achieve CM Convergence Between Amps And ADCs 29 Ed Kohler, Mark Rives and Dave Carr Advanced ADCs Deliver Very High Sample Rates, Resolution, And with Low Power 34 David Kress Understanding AC Behaviors of High-Speed ADCs

PASSIVE 38 Don Tuite Innovators Tackle R, L, And C To Enhance The Fundamental Building Blocks 42 Svetlana Sysoeva Energy Harvesters for Wireless and Batteryless Supply. Part 1 46 Yury Shuvaev Unconventional Coils for Transformers and Inductors 51 Nabil Sadiq and Trina Noor Selecting Fuses: Simple Procedures to Get the Right Overcurrent Protection for DC-DC

60 Sam Davis New Hybrid Capacitor Increases Energy Density By 115 Percent 62 High-Efficiency Cooling in Limited Space WIRELESS 64 Galina Gaykovich Wireless Technologies in Industry. Networking Features. Part 2 68 Anatoly Belous, Victor Zaitsev and Alexander Kolb IZ2805 RFID

EMBEDDED 72 CompactPCI Serial — Serial Instead Parallel Architecture

SENSORS 73 Alexander Guba MAX44007 and MAX44009 Digital Luminance Sensors from Maxim

TEST AND MEASUREMENT 77 Andrey Savkin Highest Performance from Tektronix

POWER SUPPLY 80 Dzianis Lukashevich Digital Supply Changes Analog

POWER IC 85 Victor Okhrimenko Smart Controllers for Battery Charging

ENGINEER TO ENGINEER 89 James Bryant Ask The Applications Engineer - 11. Voltage References 91 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

54 Charles Wild Optimize Power Factor Correction Inductors 57 Jiři Pernicky Low Inductance Capacitors Used in Mil – ASIC Decoupling

Электронные компоненты №6 2011

5 СОДЕРЖАНИЕ

MARKET

ВНУТРЕННИЙ МОНТАЖ — НАЧАЛО НОВОЙ ЭРЫ? К такому выводу можно прийти после беседы с директором Центра развития радиоэлектронных технологий московского радиозавода «Темп», Евгением Семеновичем Назаровым. Он абсолютно уверен, что применение нового метода сулит немалые выгоды, в том числе значительное снижение себестоимости изделия. Внедрение этой технологии, на наш взгляд, приведет к революционным изменениям в производстве электроники. Изменятся практически все цепочки производственного процесса: от снабжения до методов испытания конечного изделия. – Евгений Семенович, какова структура радиозавода «Темп» и давно ли он был создан? — Московский радиозавод «Темп» был основан более 90 лет назад как первый государственный электрический завод, а сегодня он специализируется на производстве современных бортовых навигационных приборов, работающих по сигналам отечественных и зарубежных радиомаяков наземного и космического базирования. ОАО МРЗ «Темп» входит в состав вертикально-интегрированной структуры ОАО «Корпорация Аэрокосмическое оборудование» — концерн «Авиаприборостроение» — ГК «Ростехнологии» и имеет две производственные площадки в Москве. В этом году на заводе был создан Центр развития радиоэлектронных технологий (ЦРЭТ), который будет заниматься технологической модернизацией предприятий радиоэлектронного комплекса. Основная цель создания ЦРЭТ — внедрение технологии внутреннего (планарного) монтажа радиоэлектронных узлов и модулей, но планируется также, что Центр будет заниматься поставками технологического оборудования.

РЫНОК

— Создание ЦРЭТ — инициатива только вашей компании, или у центра есть и другие учредители? — Создание Центра развития радиоэлектронных технологий — инициатива нашей компании, но она направлена на распространение и внедрение технологии внутреннего монтажа на всех предприятиях радиоэлектронной отрасли. Повторюсь, что внедрение подобной технологии предполагает разработку опытных образцов и партий, серийное производство узлов, а при необходимости, поставку и наладку всего комплекса технологического оборудования для внутреннего монтажа. — К разговору о деятельности ЦРЭТ мы еще вернемся, а пока расскажите, пожалуйста, об основной продукции завода и ее назначении.

WWW.ELCOMDESIGN.RU

— Завод «Темп» производит несколько серий автоматических радиокомпасов для российской авиации — самолетов и вертолетов различных типов, а кроме того — радиокомпасы для поиска спускаемых космических аппаратов и экипажей и для точной координации боевых самолетов в воздухе при дозаправке. Высокоточные приемоиндикаторы производства МРЗ «Темп» работают во всех зонах действия наземных радионавигационных систем «Тропик», «Маршрут», Loran, многочастотной системы Марс-75. В пилотируемых летательных аппаратах самых разных типов используются наши высокоточные многоцелевые индикаторы, работающие по сигналам спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS Navstar. Завод выпускает также аварийноспасательные радиостанции для поиска спускаемых аппаратов и переговоров с экипажем на международных частотах спасения и другую продукцию. — Если я правильно понял, основная продукция завода предназначена для рынка, регулируемого государством. Планируется ли выпуск продукции для выхода на открытые рынки? — Да, все верно: основная продукция завода реализуется вне рынка, но в настоящее время рассматривается возможность организации массового производства GPS/ГЛОНАСС-навигационных приемников, мощность которого составит 2 млн шт. в год и СВЧ-узлов для приставок цифрового телевидения мощностью 12 млн шт. в год. — Есть ли у завода опыт выпуска относительно больших серий, например, более 10 тыс. изделий в месяц? — Вы, вероятно, помните телевизор «Темп», который в советское время выпускался массовыми сериями. Так что опыт массового производства бытовой электроники у завода имеется. — Какие главные проблемы, на Ваш взгляд, могут возникнуть при переходе от мелкосерийного произ-

водства к крупносерийному, и как Вы думаете их решать? — Наиболее значима проблема точной автоматической установки кристаллов. Решив эту техническую проблему, мы резко снизим затраты на операциях контроля и устранения брака. — Работа на регулируемом государством рынке зачастую позволяет не заботиться о снижении производственных издержек. Следите ли вы за эффективностью производства или важнее выполнить в срок заказ? — Производство массовой бытовой электроники невозможно без резкого снижения производственных издержек относительно уровня издержек основных конкурентов. Эту задачу завод предполагает решить, применив, опять же, инновационную технологию внутреннего монтажа радиоэлектронных узлов. — МРЗ «Темп» — первое российское предприятие, которое планирует серийное производство по технологии планарного — внутреннего монтажа. Расскажите подробнее об этой технологии. — Технология внутреннего монтажа — это бурно развивающееся направление производства радиоэлектронной аппаратуры. Технология внутреннего монтажа предполагает закладку кристаллов ИС в основу радиоэлектронного узла, формирование диэлектрической пленки над лицевыми сторонами кристаллов и остальной поверхностью узла, ионно-плазменное вскрытие окон в диэлектрике над контактными площадками ИС и формирование на поверхности диэлектрического слоя топологического рисунка методом вакуумного напыления металлов через свободные маски. Этот метод монтажа кристаллов позволяет обойтись без операций пайки и приварки выводов, да и без выводов вообще, что приводит к уменьшению паразитных явлений, увеличению быстродействия

— На сайте завода есть документ «Планарный внутренний монтаж — будущее нашей электроники», в котором утверждается, что в перспективе себестоимость радиоэлектронных узлов может быть снижена в 100 раз! Честно говоря, слабо верится. Прокомментируйте, пожалуйста, эти цифры. — Снижение себестоимости производства радиоэлектронных узлов при использовании монтажа кристаллов вместо монтажа микросхем в корпусе уже происходит. Применение технологии сборки «система в корпусе» позволит уже в 2012 г. снизить стоимость GPS/ГЛОНАСС-приемников на мировом рынке до 15 долл. за шт. с 300 долл., как это было несколько лет назад. Технология внутреннего монтажа предполагает устранение из операций, характерных для технологии «система в корпусе», разварки выводов и общего корпусирования всех кристаллов. Если стоимость уходящей в прошлое технологии поверхностного монтажа продолжает расти из-за увеличения числа контрольных операций, то у технологии внутреннего монтажа обратная тенденция: будучи уверенными в год-

ности 100% кристаллов, производимых основными мировыми фабриками, мы при производстве радиоэлектронного узла можем ограничиться одной контрольной операцией — контролем узла на выходе. — Можно ли применить технологию внутреннего монтажа не только к микросхемам, но и к другим компонентам: чип-резисторам, чипконденсаторам? — Да, и чип-резисторы, и чипконденсаторы могут монтироваться по технологии внутреннего монтажа. — Если технология внутреннего монтажа известна довольно давно и обещает такие фантастические улучшения, то, как Вы считаете, почему она до сих пор не получила широкого распространения не только у нас, но и во всем мире? — По оценкам специалистов, изучающих специальную литературу на иностранных языках, примерно 25% мировой радиоэлектроники уже производится по технологии внутреннего монтажа, и эта цифра будет только расти. Уже в 80–90-е гг. прошлого века обнаружилась экономическая нецелесообразность ремонта радиоэлектронных узлов, поэтому их ремонтопригодность уже не актуальна. На

первое место вышли иные характеристики: малые габариты, высокая надежность, высокое быстродействие, помехозащищенность и низкая стоимость. Всем этим критериям соответствует технология внутреннего монтажа. Уникальное быстродействие суперкомпьютеров фирмы Intel обеспечивается применением технологии внутреннего монтажа. Высокая надежность и низкая стоимость радарных датчиков для автомобилей Mercedes предопределены использованием этой же технологии. По технологии внутреннего монтажа производятся GPS-приемники и некоторые виды мобильных телефонов. Технология внутреннего монтажа применялась в свое время и на некоторых советских и российских предприятиях для производства военной техники, что происходило в условиях строжайшей секретности и препятствовало ее широкому коммерческому применению. Вот, кстати, и задача созданного на МРЗ «Темп» Центра развития радиоэлектронных технологий состоит в широком распространении технологии внутреннего монтажа для коммерческого производства продукции массового спроса. — Так все-таки ЦРЭТ создан, что называется, на свой страх и риск, или у завода есть конкретные планы по

Электронные компоненты №6 2011

7 РЫНОК

радиоэлектронных узлов, обеспечению стабильности их частотных характеристик.

производству продукции с использованием новой технологии? Какие примерно средства планируется вкладывать в деятельность ЦРЭТ? — В соответствии с действующим контрактом с Минобрнауки государство вкладывает в разработку технологии производства печатных плат с встраиваемыми активными компонентами 180 млн руб., такой же объем собственных средств должно затратить ОАО МРЗ «Темп». Чтобы окупить затраты, мы планируем использовать закупаемое оборудование для массового производства коммерческой продукции: GPS/ ГЛОНАСС-приемников, СВЧ-узлов для приставок цифрового телевидения и т.д. — Для разработки топологии обычных печатных плат существует несколько программных средств: OrCAD, PCAD и многие другие. Кто будет разрабатывать аналогичные средства для разработки топологии внутреннего монтажа? — Все известные программы проектирования печатных плат и микросборок пригодны для производства радиоэлектронных узлов, производимых по технологии внутреннего монтажа. При использовании технологии свободных масок для формирования топологии электронных узлов необходимо, правда, учитывать ряд специальных требований.

— Есть ли сейчас у завода заказы на продукцию, собранную по новой технологии? — Да, заказы есть, но пока только на выпуск малых серий, и мы предпринимаем усилия для формирования заказов на продукцию массового применения. — На данный момент все этапы производства (изготовление печатных плат, монтаж компонентов на плату, производство корпусных изделий) осуществляются в МРЗ «Темп»? — На заводе производится монтаж компонентов на плату и производство корпусных изделий. Производство печатных плат в настоящее время осуществляется контрагентом. Но для производства РЭА методом внутреннего монтажа печатные платы в привычном смысле слова не нужны. Роль платы, как и роль корпуса, выполняет основа электронного узла, на поверхность которой методом вакуумного напыления металлов через свободные маски наносится топологический рисунок электрической схемы. — Несколько общих вопросов. Насколько, на Ваш взгляд, эффективна государственная поддержка российской электроники? Нужна ли она для успешного развития и повышения конкурентоспособности на мировом рынке?

— Поддержка государства для успешного развития отрасли и повышения конкурентоспособности радиоэлектронной продукции очень нужна, но она не должна ограничиваться лишь сферой НИОКР. Государственная поддержка необходима, чтобы организовать производство и сбыт на зарубежных рынках массовой радиоэлектронной продукции, произведенной по инновационным технологиям, в том числе — по технологии внутреннего монтажа. — Проблема с кадрами тоже общеизвестна. Какие кадры сегодня более всего в дефиците — рабочие или инженерные специальности? Как завод решает проблему поиска кадров? — Ощущается нехватка и рабочих, и инженерных кадров. Если в ближайшее время не организовать массового производства конкурентоспособной радиоэлектронной продукции, то можно утратить потенциал и тех специалистов, которые сегодня работают. — Существует ли план развития завода на несколько лет вперед? — Да, такой план существует, но его реализация зависит не только от усилий специалистов МРЗ «Темп», но и от слаженной работы всех предприятий и служб радиоэлектронной отрасли. Материал подготовил Леонид Чанов

СОБЫТИЯ РЫНКА

РЫНОК

| ЭЛТЕХ — ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР КОМПАНИИ ORIGINGPS | Компания ЭЛТЕХ получила статус официального дистрибьютора компании OriginGPS. OriginGPS – израильский производитель встраиваемых GPS-приемников для промышленного применения, лидер рынка в области разработки модулей позиционирования. Инновационная копания, которая была основана в 2006 г., сегодня предлагает на рынке GPS-модули наименьшего размера. Основными особенностями разработок компании являются минимальные размеры модулей, низкий уровень потребления энергии и высокая чувствительность модулей. Особое внимание в разработках уделяется возможности интеграции выпускаемых модулей с современными устройствами. Компания OriginGPS планирует достичь показателя в 900 млн проданных компонентов к 2013 г. Конкурентные преимущества OriginGPS. – Наименьшие по размеру GPS-модули (7×7×1,2 мм). – Поддержка промышленного диапазона температур –40…85°С. – Наименьшие по размеру GPS-приемники с интегрированной антенной (14×14 мм). – Различные формы исполнения модулей: модули со встроенной антенной и без нее, модули на разъеме и с краевыми контактами под пайку. – Специальные разработки для военных применений. – Низкие стартовые затраты и сокращение времени на разработку конечных изделий заказчика (Time To Market). – Широкий выбор модулей для всех возможных сфер применения. – Поддержка заказчиков на этапе разработки: оценка проекта (включая схему), проверка на электромагнитную совместимость и радиопомехи. – Оценка влияния компонентов конечного изделия на уровень чувствительности GPS-приемника. – Быстрая поставка компонентов (от одной недели). – Кооперация с ведущими производителями GPS-чипов SiRF (CSR Company) и ST-Ericsson. Основные области применения. – Системы определения местонахождения людей и животных. – Спортивные аксессуары. – Автомобильные навигационные и противоугонные системы. – Спасательное оборудование. – Промышленные навигационные системы. – Телеметрия. – Мобильные телефоны и карманные компьютеры. – Мобильные игровые консоли. – Часы с GPS. – Персональные трекеры. www.eltech.spb.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

СОБЫТИЯ РЫНКА | ВСПЛЕСК НА РЫНКЕ БЕСПРОВОДНЫХ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ В 2011 г. | Аналитики агентства IHS iSuppli ожидают, что рост доходов от поставок беспроводных зарядных устройств увеличится на небывалые 616%. По мнению IHS iSuppli, этот рост будет обусловлен потребительским спросом, и, таким образом, объем рынка беспроводных зарядных устройств достигнет в этом году 885,8 млн долл., что более чем в семь раз превышает показатель прошлого года. Для потребителей беспроводные зарядные устройства являются прекрасной альтернативой, т.к. их применение не требует специализированных силовых адаптеров. При увеличении спроса на такие устройства производители наводнят рынок продукцией, несмотря на технологические трудности и нерешенные вопросы стандартизации. Однако производителям потребуется несколько лет для полного внедрения этой технологии в свои устройства. В частности, необходимо будет понять, как интегрировать функцию беспроводной зарядки в проектируемые печатные платы. Кроме того, потребуется полномасштабная реализация этой технологии, чтобы снизить ее стоимость. Поскольку в настоящее время все коммерческие решения основаны на технологиях фирменной разработки, принятие стандарта совместимости является крайне необходимым. Будущее универсальное решение должно отвечать экологическим требованиям, поэтому необходимо, чтобы оно было интеллектуальным, т.е., например, выключалось после окончания зарядки. Небывалый всплеск спроса на беспроводные зарядные устройства затмит показатель прошлого года в 60%, когда на этом рынке впервые наблюдалось заметное оживление. В 2012 г. рынок вырастет еще на 276%, — прогнозирует IHS iSuppli. www.elcomdesign.ru

| РЫНОК СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ПРЕВЫСИТ 13,0 МЛРД ДОЛЛ. В 2011 г. | Высокие продажи обусловлены, в первую очередь, спросом на автомобильную электронику, портативные устройства, альтернативные источники и системы накопления энергии. После исторического подъема рынка силовых транзисторов на 44% в 2010 г. ожидается, что в 2011 г. его объем увеличится на 9%, установив новый рекорд годовых продаж на уровне 13,1 млрд долл., — считают аналитики IC Insights. Они прогнозируют, что в 2011 г. мировые поставки силовых транзисторов увеличатся на 11% и достигнут рекордного показателя в 58,8 млрд шт. Такой большой спрос продиктован, главным образом, увеличением продаж на рынках автомобильной электроники, возобновляемых источников энергии (солнечных панелей и ветровых турбин), портативных устройств с батарейным питанием и источников питания с высоким КПД. В сегменте силовых транзисторов ожидается, что продажи IGBT-модулей вырастут на 10%, достигнув 2,5 млрд долл. в 2011 г., тогда как объемы поставок IGBT- и силовых FET-транзисторов увеличатся на 9%, составив 960 млн и 6,9 млрд долл., соответственно. Продажи IGBT-модулей, IGBT- и силовых FET-транзисторов для низковольтных и высоковольтных приложений достигнут рекордной величины в 2011 г. К 2015 г. CAGR (совокупный годовой темп роста) IGBT- и FET-транзисторов окажется максимально высоким по сравнению с темпом роста всех остальных силовых транзисторов. За период 2010–2015 гг. совокупный годовой темп роста рынка силовых транзисторов составит 6,4%, достигнув 16,3 млрд долл. Согласно отчету IC Insights, совокупные годовые продажи низковольтных силовых FET (до 200 В) к 2015 г. составят 6,7% (16,4 млрд долл.). CAGR продаж модулей IGBT вырастет к 2015 г. до 7,0% (3,2 млрд долл.), а дискретных IGBTтранзисторов — до 6,5% (1,2 млрд долл.). В отчете IC Insights представлен подробный анализ тенденций развития оптоэлектроники, датчиков/исполнительных механизмов (в т.ч. МЭМС-устройств) и дискретных компонентов, и сделан детальный прогноз продаж, поставок модулей и цен более чем 30-ти типов устройств до 2015 г. Стоимость отчета — 2890 долл. www.elcomdesign.ru

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №6 2011

9 НОВОС ТИ

| TOP 25 ДИСТРИБЬЮТОРОВ В 2011 г. | Год назад, когда EDN составлял свой список 25-ти первых дистрибьюторов 2010 г., колонка изменения доходов выглядела уныло. Поскольку этот список базировался на показателях продаж в 2009 г., у 22 из 25 дистрибьюторов был отмечен отрицательный рост за календарный год. В 2011 г. наблюдается совсем другая ситуация. Первым 25 компаниям списка не только удалось преодолеть последствия кризиса, но и заметно вырасти. Так, доходы 23 дистрибьюторов в Северной Америке увеличились в 2010 г. с 7 до 74%. Большинство, если не все компании, заявляют о том, что их результаты оказались гораздо лучше, чем были после выхода из прежних рецессий. В процессе восстановления после кризиса наблюдалась и непрерывная консолидация рынка дистрибуции. Так, например, в июле 2010 г. компания Avnet приобрела Bell Microproducts — компанию №4 в списке дистрибьюторов 2010 г., а в июле того же года Arrow Electronics приобрела Converge, занимавшую 20 позицию в этом же перечне. В прошлом году Arrow Electronics приобрела также Nu Horizons Electronics (№9 в списке 2011 г.) и бизнес RFID дистрибьютора Richardson Electronics (№22 в списке 2011 г.), однако эти сделки не были завершены до 2011 г. На мировом рынке порядок следования компаний таков: Avnet возглавляет список с 22 млрд долл. в 2010 г.; за ней — Arrow, 18,7 млрд долл.; у Future доходы составили 5,4 млрд долл. В списке первых 25-ти дистрибьюторов появилась новая компания — Flame Enterprises, которая специализируется на дистрибуции компонентов для авиакосмической и оборонной промышленности. Она заняла 25-е место с объемом продаж 78,3 млрд долл. Во II кв. 2011 г. перспективы глобальной экономики выглядят неясными. Цепочка поставок по-прежнему не оправилась после землетрясения и цунами в Японии. Волнения на Ближнем Востоке и в Северной Африке взвинтили цены на нефть и газ, что привело к значительному удорожанию поставок продукции во всем мире.

Формовка и обрубка выводов микросхем ВИТАЛИЙ СУХОВ, micro@ostec-group.ru

В статье рассказывается об особенностях формовки и обрубки выводов микросхем при их монтаже на печатные платы, даны рекомендации специалистам. Рассмотрены возможности современного оборудования для формовки выводов микросхем на примере предназначенной для этого универсальной установки компании Fancort.

За последние десять лет количество типов корпусов экспоненциально выросло, возросли и требования к точности и качеству формовки выводов проектируемых и собираемых SMD-сборок с различным набором компонентов. Задача усложняется определенным набором требований: коммерческие требования в корне отличаются от требований военной промышленности, одни производители собирают десятки и сотни тысяч устройств, другие — всего несколько. Одни и те же компоненты могут монтироваться как вручную, так и автоматически, а размер партии может значительно варьироваться. Еще не так давно инструменты для формовки производились под каждую конфигурацию компонента. Все эти дорогостоящие комплекты оснастки подходили для серийного производства, однако совершенно не годились для мелкосерийного выпуска, например, для производства

демонстрационных образцов, инженерного проектирования, космических и исследовательских программ (где количество образцов в партии могло быть меньше двух). Растущее число различных конфигураций изгиба и малые партии изделий привели к тому, что этот подход стал очень дорогостоящим и трудоемким. Решением проблемы стало создание универсальных односторонних штампов. Универсальный штамп выглядит как стандартный формовочный, только с формовкой по одной стороне (см. рис. 1). В отличие от специализированных штампов, которые обрубают и формуют выводы за одну операцию, универсальное устройство имеет одно место для обрубки выводов заданной длины, а другое — для формовки выводов. Более того, сменные вставки позволили использовать различные конфигурации формовки компонентов. ТИПЫ РАСПОЛОЖЕНИЯ ВЫВОДОВ

Рис. 1. Универсальный формовочный штамп имеет заменяемые вставки и микрометры, обеспечивающие гибкость настройки выводов

10 а)

б)

в) Рис. 2. Примеры расположения выводов на корпусе: а) выводы сверху; б) выводы сбоку; в) выводы снизу

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Производители выпускают корпуса с тремя различными расположениями выводов: сверху, сбоку и снизу, как это показано на рисунке 2. Часто из-за этого возникают проблемы при использовании корпусов сразу с несколькими вариантами расположения выводов. Каждый вариант имеет свои особенности проектирования и свой способ формовки выводов. Следует отметить, что корпуса с верхним расположением выводов в большей степени подвержены эффекту остаточных упругих деформаций, чем корпуса с нижним и боковым расположениями, что связано с большей длиной вывода. Хотя этот фактор и не критичен при выборе корпуса, но в сочетании с толщиной выводов и высотой зазора это дает общее представление о занимаемой компонентом площади на плате и позволяет подобрать соответствующие контактные площадки. ФОРМА ВЫВОДОВ

Технология монтажа микросхем на печатную плату существенно изменилась в последние годы. В прошлом практически все микросхемы выпускались со штыревыми выводами, которые запаивались в отверстия на печатной плате. Преимуществом этой технологии монтажа является ее простота, т.к. производство таких плат не требует сложного оборудования и специальной подготовки. Недостатком является то, что отверстие занимает на плате много места, и расстояние между соседними выводами микросхемы должно быть существенно больше, чем при использовании технологии поверхностного монтажа (SMT — Surface Mount Technology), когда выводы микросхемы припаиваются к поверхности платы. На рисунке 3 изображены формы выводов, наиболее часто используемые при производстве корпусов. Для SMT-монтажа используются корпуса с двумя основными типами выводов: «крыло чайки» (gullwing) и

J-образные. Оба типа выводов имеют свои преимущества. Корпуса с выводами типа «крыло чайки» позволяют производить ручную пайку и обеспечивают более простой контроль паяных соединений. Применение корпусов с выводами типа «J» уменьшает площадь печатной платы. В настоящее время корпуса с выводами «крыло чайки» наиболее востребованы, т.к. они позволяют применять простое производственное оборудование и обеспечивать переход к сверхплотному монтажу. Другой разновидностью «крыла чайки» являются выводы с формой «горб верблюда» (сamel hump), которые характеризуются более высокой устойчивостью к тепловому расширению и тепловому удару (см. рис. 4). ВАЖНЫЕ РАЗМЕРЫ

Рис. 3. Основные типы формовки выводов 1) «Крыло чайки» — ножки загнуты вниз и наружу; 2) J-образные — ножки загнуты вниз и внутрь под корпус компонента, форма буквы J; 3) L-образные — ножки загнуты вниз и внутрь под корпус компонента, форма буквы L; 4) Плоские выводы — ножки направлены в разные стороны прямо от корпуса; 5) Штыревые, обычно это проникающие выводы, которые обрезаются для поверхностного монтажа

Рис. 4. Вид выводов с формой «горб верблюда»

Рис. 5. Схематичное изображение основных параметров выводов

Рис. 6. Расчет конфигурации выводов

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Пожалуй, главной задачей в процессе формовки выводов является разработка спецификации для каждого компонента. Часто у инженера-разработчика есть только чертежи из рекламных брошюр производителя. Обычно размеры в них указаны в широком диапазоне допусков, и использовать эти данные в качестве параметров рабочей спецификации невозможно. На рисунке 5 показаны основные параметры SMD-компонентов, которые необходимо учитывать. Другими, не менее важными размерами, являются шаг выводов (расстояние от центра одного вывода до центра следующего), радиус плеча и пятки и размеры самого корпуса. На начальном этапе большинство параметров можно предварительно рассчитать самостоятельно с помощью простых математических формул и справочника допусков. На рисунке 6 показан образец расчета конфигурации изгиба. ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФОРМУ ВЫВОДОВ

В данном разделе рассмотрим основные эффекты, которые могут повлиять на правильность формы выводов. Очень важно правильно задать толщину материала, которая представляет собой общую толщину вывода, включая покрытия, лужение и максимальные допуски, потому что в дальнейшем, при подборе оснастки для формовки, это может стать причиной сглаживания, задирания, упругого распрямления и некопланарности выводов. Поскольку реальное пространство на печатной плате всегда является наиболее важным параметром, инженерыразработчики, как правило, проектируют компоненты с минимально возможной занимаемой площадью, что, в свою очередь, влияет непосредственно на длину плеча, которым компонент зажимается перед формовкой. Если область для прижима слишком мала, то результатом может стать изменение ширины от края до края, частичное упругое распрямление, скашивание выводов и даже повреждение герметичности. Оснастка проектируется для формовки под наибольшую толщину используемых выводов с фиксированным отклонением, поэтому специалисту следует крайне внимательно задавать допуск ширины компонента от края до края. Например, если оператор пытается отформовать компонент с выводами меньшего размера, чем предполагает инструмент, то увеличится степень упругих деформаций, и следовательно, значительно увеличится ширина от края до края. Дополнительный эффект вносит и высота ножки: чем ножка длиннее, тем сильнее видно ее распрямление после снятия нагрузки. Другой проблемой, возникающей при использовании корпусов различных конструкций, является контроль высоты зазора, т.е. высота компонента над платой. Этот параметр критичен при монтаже корпуса на адгезив, а также для циркуляции воздуха, чистки внутреннего про-

странства или для визуальной инспекции. Известно, например, что производители металлокерамических корпусов не могут точно контролировать их толщину («С» на рисунке 7), она может варьироваться в диапазоне 3,56…4,20 мм (0,140…0,165”). Любые изменения толщины корпуса влияют на высоту зазора («H» на рисунке 7), поэтому перед формовкой каждый корпус необходимо измерить, и только после этого производится ручная или автоматическая настройка инструмента под заданный зазор. Не менее важным параметром является копланарность — отклонение расположения выводов от плоскости печатной платы. Большинство компонентов сегодня монтируются автоматически — требуемое значение копланарности составляет ±0,05 мм (±0,002”). Данный параметр зависит от конструкции корпуса и формовочного инструмента, т.е. если выводы будут расположены не на одном уровне или длина плеча будет слишком короткой, то компонент не будет копланарным, что может привести к браку при последующем монтаже и пайке. Если процесс лужения выводов выполняется до формовки, то необходимо учесть дополнительные факторы. Толщина вывода увеличивается, а материал поверхности становится значительно мягче, поэтому следует увеличить зазор оснастки и следить, чтобы инструмент не «вспахал» поверхность в процессе загиба выводов. В то же время требуется очень точно проводить лужение, чтобы толщина соответствовала заданным допускам, иначе можно повредить инструмент. Наиболее простое решение — проводить лужение после процессов формовки и обрубки.

Рис. 7. Параметры CQFP-корпуса

Рис. 8. Установка двусторонней формовки и обрубки выводов Fancort

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИ ФОРМОВКЕ ВЫВОДОВ ТИПА «КРЫЛО ЧАЙКИ»

1. Допустимое распрямление вывода составляет 0,31…0,41 мм (0,012…0,016”) для ножки высотой 2,54 мм (0,1”). При формовке более длинной ножки эти значения будут выше. 2. Стандартный допуск ширины от края до края считается 0,13 мм (0,005”). 3. Минимальная длина плеча 0,89 мм (0,035”). 4. Минимальная длина лапки от пятки до основания 0,89 мм (0,035”). 5. Для ИК-пайки оплавлением лапка должна быть ровной или слегка приподнятой. 6. Для термокомпрессионной пайки лапка должна быть слегка опущена. 7. Минимальный радиус изгиба составляет 1,5 размера толщины вывода. Данные размеры даны в соответствии с международным стандартом JEDEC, российским аналогом которого является ГОСТ 29137-91. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ФОРМОВКИ

Рассмотрим возможности существующего оборудования для формовки выводов микросхем на примере универсальной установки формовки и обрубки выводов компании Fancort (см. рис. 8). Компания Fancort является лидером в области формовки компонентов для аэрокосмической промышленности и имеет многолетний опыт проектирования инструментов формовки и обрубки для бесчисленного количества применений. Системы для обрубки и формовки по одной стороне за один раз являются наиболее точными и универсальными для большинства компонентов. Однако двух- и четырехсторонние штампы имеют более высокую производительность. На рисунке 9 представлен эскиз оснастки для двусторонней системы формовки выводов формы «крыла чайки», обеспечивающей максимальную гибкость настройки и высокую производительность благодаря автоматическому контролю

Рис. 9. Иллюстрация оснастки двусторонней системы формовки и обрубки

зазора. Сменные элементы штампа и вставки позволяют настраивать все критичные параметры обрабатываемых корпусов. Изменение конфигурации формуемых компонентов осуществляется следующим образом: 1. Настройка длины (D): измеряется по цифровому индикатору. 2. Настройка толщины вывода (С) и/или радиуса (H): замена верхних формовщиков. 3. Настройка длины лапки (X): замена нижних ножей, верхних формовщиков и прижимных планок. 4. Настройка длины плеча (B): замена опорных плит и прижимных планок. 5. Настройка радиуса плеча (G): замена опорных плит. 6. Настройка угла лапки: замена нижних ножей и верхних формовщиков. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Операции формовки и обрубки выводов микросхем являются очень важными в технологическом процессе изготовления электронных компонентов, поскольку они отличаются высокой трудоемкостью и во многом определяют технические характеристики изделий. На качество формовки влияет множество параметров, но современные методы формовки позволяют в минимальные сроки разработать новую конфигурацию компонента, настроить в соответствии с ней установку и отформовать компоненты. Благодаря этому уменьшается время, необходимое для внедрения новых устройств, и значительно повышается эффективность производства.

Электронные компоненты №6 2011

Развитие серийного производства корпусов для микросхем в России ДМИТРИЙ ЧИРГИН, ведущий специалист по маркетингу, ОАО «ЗПП»

Опыт йошкар-олинского «Завода полупроводниковых приборов» доказывает, что в России, в условиях жесткой конкуренции с ведущими мировыми производителями, можно производить качественную конкурентоспособную продукцию — современные металлокерамические корпуса для микросхем.

Задача модернизации электронной отрасли отражена в Федеральной целевой программе «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008—2015 гг. С важностью и своевременностью этой программы невозможно спорить, потому что использовать в современном высокотехнологичном производстве компоненты, освоенные еще в XX в., становится, мягко говоря, все труднее. Увы, продукция отечественных производителей не соответствует современным технологическим нормам зарубежных производителей компонентов, а наличие единственного поставщика компонентов исключает для предприятий возможность выбора комплектующих. Политика ОАО «Завод полупроводниковых приборов» (ОАО «ЗПП», Йошкар-Ола) направлена на выравнивание ситуации на российском рынке электронных компонентов в сегменте корпусной продукции. «Завод полупроводниковых приборов» занимается разработкой и производством высококачественных металлокерамических корпусов, используемых в микросхемах и микропроцессорах специального применения, в том числе в сверхбольших интегральных микросхемах, а также в фильтрах на ПАВ, кварцевых генераторах и резонаторах. В настоящее время в Йошкар-Оле освоено серийное производство более 700 видов металлокерамических корпусов для интегральных микросхем 2-го, 4-го, 5-го, 6-го типов (в классификации по ГОСТу 17467-88). В производ-

ственном портфеле предприятия — разработка и выпуск корпусов повышенной сложности: число выводов в корпусах планарного типа — до 256, шаг выводов — 0,5 мм; количество выводов матричных корпусов — до 600, шаг — 1,27 мм. Кроме того, предприятие производит держатели керамические индикаторные, основания типа DIP, безвыводные корпуса типа LCC, керамические нагревательные элементы. Своей деятельностью ОАО «ЗПП» доказывает, что в России, в условиях жесткой конкуренции с ведущими мировыми производителями, можно производить качественную продукцию. Предприятие производит корпуса в безвыводном исполнении, широко используемые в системах связи, в авионике и т.д. Такие корпуса используются в составе фильтров на ПАВ, резонаторов, генераторов. Последние разработки ОАО «ЗПП» представлены в таблице 1. Активно развивается направление силовой электроники. Корпуса 4112.16-15.03, 4116.4-3.02 выдерживают токи до 5...7 А. Ведутся работы по освоению ряда новых корпусов для применения в силовой электронике (см. табл. 2) Сегодня ОАО «ЗПП» разрабатывает новые перспективные направления применения керамики, в том числе в товарах народного потребления, и приглашает к сотрудничеству на взаимовыгодных условиях всех заинтересованных специалистов.

Таблица 1. Современные типы корпусов, выпускаемые ОАО «ЗПП»

Корпус

Габариты, мм

Размер монтажной площадки, мм

DLCC 2/4-3

3,3×5×0,9

сложная форма

DLCC 22/22-1

19,0×6,5×2,35

3,0×16,7

QLCC 16/16-1

6,35×6,35×2,2

3,0×3,0

DLCC 6/6-3

5×7×1,7 мм

2,5×5

Корпус

Габариты, мм

Размер монтажной площадки, мм

4116.4-3.02

12×9,5×3,35

3×3

4112.16-15.03

12×9,9×3,46

3×3

Таблица 2. Типы корпусов для применения в силовой электронике

WWW.ELCOMDESIGN.RU

НОВОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ | AGILENT НЕ ОТСТАЕТ ОТ РАСТУЩИХ ТРЕБОВАНИЙ К ПОЛОСЕ СИГНАЛА В СПУТНИКОВЫХ И РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ | Применение расширенного моделирования сигналов в ходе проектирования спутниковых и радиолокационных систем следующего поколения помогает сократить время разработки и уменьшить затраты на тестирование. Типовые сценарии испытаний, используемые разработчиками, включают имитацию передачи между наземной станцией и приемником на борту летательного аппарата или имитацию малозаметных сигналов РЛС, смешанных с помехами от земной поверхности. В таких требовательных сценариях существенное преимущество дает расширенная полоса генератора сигналов произвольной формы (AWG). Помимо широкой полосы критическими параметрами AWG являются точность и разрешающая способность. Простая передача большого объема данных на спутник еще не решает всех проблем. Основные тональные сигналы не должны подвергаться искажениям, а любые глитчи в моделируемых сигналах не должны интерпретироваться как ожидаемые аналоговые сигналы. Сегодня создатели AWG вынуждены идти на компромисс, выбирая между широкой полосой сигнала и низким разрешением или ограниченной полосой с высоким разрешением. Соотношение полосы сигнала и разрешения зависит от используемого ЦАП. Полоса ограничивается частотой дискретизации ЦАП, а точность — качеством и характеристиками используемых в приборе аналоговых компонентов. Любые порождаемые ЦАПом глитчи искажают спектральный состав выходного сигнала, потенциально вызывая погрешности результатов испытаний. В типичном ЦАП одной из возможных причин нежелательных искажений сигнала является нелинейность выходных каскадов. Эта проблема часто связана с коммутируемыми источниками тока внутри ЦАП. Для снижения этого эффекта можно применять фильтрацию, но она может отрицательно сказываться на полосе пропускания. Специалисты научно-исследовательской измерительной лаборатории компании Agilent Technologies предложили способ устранения выбросов и искажений, характерных для типичного ЦАП. Вместо того чтобы тратить время и деньги на совершенствование выходных каскадов сигнальной цепи, этот патентованный подход фокусируется на первых этапах процесса создания сигнала. Agilent использует этот метод в специальных схемах, обеспечивающих успокоение коммутируемых источников тока внутри ЦАП. Следующим этапом является повторная дискретизация сигнала с помощью специального малошумящего задающего генератора перед подачей созданного сигнала на выход. Эта инновация позволяет получить превосходный, свободный от паразитных составляющих, динамический диапазон при широкой полосе. Применение таких ЦАП в усовершенствованных AWG позволяет одновременно получить высокое разрешение и широкую полосу сигнала. Например, генератор Agilent M8190A использует самый быстрый в мире ВЧ ЦАП и обеспечивает разрешение 14 бит при частоте дискретизации 8 Гвыб./с или, опционально, разрешение 12 бит при частоте дискретизации 12 Гвыб./с. Простое переключение между этими двумя режимами позволяет использовать один AWG в широком спектре приложений. Но и это еще не все. Свободный от паразитных составляющих динамический диапазон, начинающийся от –75 дБн, сообщает разработчикам уверенность в том, что они тестируют спутниковую или радиолокационную систему, а не источник сигнала. Кроме того, такой инновационный подход к проектированию AWG обеспечивает еще одно преимущество: устраняет компромисс между разрешением и полосой. Высокое разрешение в широкой полосе — от малозаметных систем с низким уровнем демаскирующих признаков до коммуникационных систем высокой плотности — обеспечивает более высокую степень реализма в создании сигнальных сценариев. www.agilent.com

Электронные компоненты №6 2011

УМЕНЬШЕНИЕ ПОМЕХ НА ВХОДЕ ШИРОКОПОЛОСНОГО АЦП ФЕДОР ШИЛОВ, технический консультант, «ИД Электроника»

В статье приведена схема входного усилительного каскада с ФНЧ второго порядка, которая позволяет ослабить шумы и искажения на входе АЦП.

Дифференциальные усилители (ДУ) с дифференциальным выходом имеют широкую полосу пропускания и вносят мало шумов. Чтобы широкополосный шум и искажения в области ВЧ на выходе АЦП были малы, необходимо обеспечить правильное сопряжение ДУ и АЦП. Усилительный каскад на входе АЦП должен выполнять следующие задачи: 1. Обеспечивать достаточный коэффициент усиления и неравномерность АЧХ. 2. Преобразовывать сигнал в дифференциальную форму. 3. Обеспечивать различные синфазные напряжения для АЦП. 4. Производить фильтрацию сигнала на всей полосе. 5. Иметь низкий импеданс по отношению к АЦП. 6. Обеспечивать требуемые уровни токов. Для преобразования сигнала в дифференциальный целесообразно использовать трансформатор. Он улучшает отношение сигнал-шум схемы (SNR) и повышает общую производительность. Однако проектирование широкополосного трансформатора с точными амплитудной и фазовой характеристиками — сложная задача, что ограничивает его использование. ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА АЦП И ЦАП

Предлагаемая схема входного каскада изображена на рисунке 1. Сигнал преобразуется в дифференциальный с помощью трансформатора. Среди всех возможных решений это наиболее экономичный элемент, вносящий малые помехи и имеющий практически нулевую мощность рассеяния. Если входной сигнал уже имеет дифференциальную форму, то рекомендуется оставить трансформатор с коэффициентом трансформации n>1 или заменить его на два блокирующих конденсатора. Рассмотрим преимущества использования трансформатора. Как правило, когда используется усилитель с ОС по напряжению, коэффициент усиления

WWW.ELCOMDESIGN.RU

полезного сигнала больше, чем коэффициент шума усилителя. Это обусловлено тем, что импеданс источника согласован с входным импедансом, видимым со стороны первичной обмотки трансформатора, и равен Rg. Коэффициент усиления вычисляется по формуле: . Коэффициент шума вычисляется по формуле: . Предполагается, что Rg обеспечивает согласование по входу со стороны трансформатора. Обозначим за β отношение коэффициента усиления сигнала к коэффициенту шума: ,

(1)

где α = Rf/Rg. Таким образом, за счет коэффициента трансформации n можно увеличить коэффициент усиления. Обычно в широкополосных трансформаторах коэффициент трансформации варьируется в пределах от 1 до 2. При больших значениях полоса пропускания быстро сужается. При α –>∞ коэффициент в выражении (1) стремится к 2. Из выражения (1) видно, что при α > 2 коэффициент усиления превышает коэффициент шума даже при n = 1. Разница достигает максимума 6 дБ, когда отношение коэффициентов равно 2.

Рис. 1. Входной усилительный каскад

Например, при n = 1,4 и α = 4 коэффициент усиления по напряжению равен 5,6 (15 дБ), β = 1,4∙(8/6) = 1,87 (5,4 дБ), т.е. сигнал усиливается в 1,87 раз больше, чем шум. Коэффициент шума NG = 3, а коэффициент усиления ОУ = 4. Коэффициент шума влияет на коэффициент усиления с ОС. Если коэффициент с ОС растет, то искажения уменьшаются. Вместо усилителя с ОС по напряжению в схеме на рисунке 1 можно использовать усилитель с токовой ОС, однако в этом случае выигрыш не так легко определить, поскольку коэффициент ОС сильно зависит от Rf. Чтобы сопротивление Rg обеспечивало согласование по входу, надо подстраивать Rf, а от него напрямую зависит полоса частот ОС. Если сопротивление Rf превышает требуемое значение, то полоса пропускания ОУ начинает сужаться. Этот же эффект наблюдается и при использовании усилителей с ОС по напряжению, однако он проявляется при гораздо больших сопротивлениях. Кроме того, поскольку выходной дифференциальный сигнал зависит от Rf, сопротивление резистора лучше увеличить, чтобы оно превышало сопротивление нагрузки. В этом случае вносимые искажения будут минимальны. Второе преимущество схемы на рисунке 1 заключается в том, что благодаря трансформатору уменьшается шумовое напряжение, приведенное ко входу. Повышающий трансформатор практически не вносит шумов за счет большего входного импеданса источ-

как дополнительный резистор 50 Ом с двух сторон вторичной обмотки. Тогда при расчете коэффициента шума к Rg следует добавить 50 Ом. Пусть полоса усилителя и АЦП равна 1 ГГц. Принимая, что основной вклад в шумовое напряжение вносит ISL55210 (7,3 нВ/ ), получаем: . Рис. 2. Зависимость коэффициента шума от коэффициента усиления

ника. По этой же причине NG < Av. Коэффициент шума усилителя меньше, чем коэффициент усиления полезного сигнала (при a > 2). Рассмотрим пример. Пусть используется усилитель ISL55210 с полосой 4 ГГц, входное дифференциальное шумовое напряжение 0,85 нВ/ , входной шумовой ток 5пА/ . Коэффициент шума для схемы на рисунке 1 в случае использования двух независимых ОУ, рассчитывается по формуле:

АЦП И ЦАП

(2)

где α = Rf/Rg, Rs — импеданс источника, равный 2Rg/n2, kT = 4·10 –21 Дж, n — коэффициент трансформации, en — входное шумовое напряжение на неинвертирующем входе, ib — входной шумовой ток на инвертирующем входе. Входным шумовым током на неинвертирующем входе можно пренебречь, поскольку импеданс выводов V+ мал и, соответственно, эта составляющая шума практически не усиливается. Для схемы, изображенной на рисунке 1, необходимо разделить входное дифференциальное шумовое напряжение ОУ на , чтобы можно было воспользоваться формулой (2). Подставляем 0,85 нВ/1,414 = 0,6 нВ/ . Изменяя R f, получим зависимость коэффициента шума от коэффициента усиления для n = 1,4 и n = 2. На рисунке 2 приведен соответствующий график для выражения (2) при Rs = 50 Ом.

Рис. 4. Усилительный каскад с оконечным фильтром

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 3. Зависимость общего шумового напряжения, приведенного ко входу, от коэффициента усиления

Зависимость обратно пропорциональная, причем при увеличении n коэффициент шума растет. Рассмотрим зависимость общего шумового напряжения, приведенного ко входу, от коэффициента усиления для двух выбранных коэффициентов преобразования (см. рис. 3). Усредняя входное шумовое напряжение и шумовое напряжение источника 50 Ом (0,89 нВ/√Гц) и затем умножая результат на коэффициент усиления, получим выходной шум усилителя на заданной частоте. Например, при n = 1,4 и коэффициенте усиления, равном 4, входной шум составит около 0,96 нВ/ . Прибавляя к этому значению шум источника, получаем общий входной шум 1,3 нВ/ . На выходе шумовое напряжение составляет 5,6·1,3 = = 7,3 нВ/ . ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ФИЛЬТР

Для уменьшения шумов и нелинейных искажений на выходе усилительного каскада, изображенного на рисунке 1, требуется фильтр. Он подбирается в зависимости от того, какое требуется отношение сигнал-шум на входе АЦП. Рассмотрим три случая: без использования фильтра, с RC-цепью и с RLCфильтром второго порядка. 1. Нефильтрованный сигнал на входе АЦП. Пусть полоса шума ограничена полосой пропускания АЦП. Полоса пропускания с учетом ОС составляет 4 ГГц/3 = 1,33 ГГц. Напомним, что коэффициент шума в схеме на рисунке 1 равен 3, сопротивление источника 50 Ом, Rg = 50 Ом, Rf = 400 Ом. Сопротивление источника представим

(3)

Среднеквадратичное напряжение шума равно 287 мкВ. 2. RC-фильтр. Пусть допустимая неравномерность АЧХ составляет 0,5 дБ в диапазоне 150 МГц. По формуле (6) рассчитывается F-3dB, если задан коэффициент ослабления γ. В нашем случае γ = 0,944. Подставляя это значение в (4) и принимая частоту спада 150 МГц, получаем F-3dB = 616 МГц. Подставляя это значение в (3), получаем шумовое напряжение 225 мкВ. Таким образом, RC-цепь позволяет снизить шумы. .

(4)

3. Фильтр второго порядка (см. рис. 4). Пусть допустимая неравномерность составляет 0,5 дБ на диапазоне 150 МГц. Используя таблицы Чебышева и выбирая частоту Fo = 185 МГц с Q = 0,864, получаем F-3dB = 1,39·150 = = 209 МГц. Для получения полосы частот шума воспользуемся выражением: .

(5)

Получаем NPB = 251 МГц. Извлекая квадратный корень и умножая результат на 7,3 нВ/ , получаем шумовое напряжение на входе АЦП 116 мкВ. Как и следовало ожидать, чем сложнее фильтр, тем меньше шум на входе АЦП. Выходной сигнал-шум АЦП выражается по формуле:

. (6)

В выражение (6) входит значение сигнал-шум АЦП и входного сигнала. Следует помнить, что многие производители измеряют SNR преобразователя на 1 дБ ниже диапазона входного напряжения, чтобы избежать срезания импульсов. В документации указывают теоретическое значение SNRFS, прибавляя 1 дБ к результату. Далее в расчетах мы будем использовать измеренное значением SNR. В трех рассмотренных случаях уровень шума настолько мал, что не может заметно уменьшить SNR при условии, что SNR преобразователя больше 70 дБ. Для определенности возьмем

Рис. 5. Уменьшение суммарного SNR, обусловленного SNR АЦП

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Для наглядности рассмотрим пример (см рис. 6). Мощность усилителя ISL55210 = 115 мВт, мощность АЦП не превышает 500 мВт. Коэффициент трансформации трансформатора = 2. Полоса частот составляет 120 МГц. Коэффициент усиления усилителя = 4,95, а с учетом трансформатора он составляет почти 10 (20 дБ). Для расчета параметров выходного фильтра зададим следующие величины: Rin = 500 Ом, Cin = 1,9 пФ, Icm = 2,6 мкА/МГц, максимальное входное напряжение 1,45Vpp (на уровне –1 дБ 0,89·1,45Vpp = 1,29Vpp), полоса частот 105 МГц, SNR (–1дБ, 105 МГц) равно 64,9 дБс, отношение HD2/HD3 на частоте 105 МГц составляет –91/–86 дБс. Параметры фильтра: R s = 40,2 Ом, L = 33 нГн, Rp = 210||250 = 114 Ом, Cp = 20 пФ + 3,8 пФ = 23,8 пФ. Для начала рассмотрим несимметричную схему. Обозначая общий импеданс нагрузки как Rt = Rs +Rp и принимая коэффициент затухания как λ = Rp/Rt, вычислим ω0 и Q: ,

Рис. 6. Принципиальная схема входного каскада АЦП

(удвоенное значение — дифференциальная нагрузка на низких частотах); λ = 114/154,2 = 0,74 (помехи от ОУ –2,62 дБ); Fo = 209 МГц; Q = 0,82. Учитывая помехи трансформатора 0,4 дБ и фильтра 2,62 дБ, получаем общий коэффициент усиления 17 дБ. Возвращаясь к выражению (5), получаем полосу шума 271 МГц. Для оценки SNR на входе АЦП вернемся к рисунку 3. (Коэффициент усиления = 20 дБ (учитываем только ОУ)). На кривой n = 2 получаем примерно 0,9 нВ/ . Это значение не учитывает сопротивления источника 50 Ом, которое вносит широкополосный шум. С его учетом получаем 1,27 нВ/ . Умножая это значение на расчетный коэффициент усиления в области средних частот, получаем 6,33 нВ/ . На входе АЦП шумовое напряжение рассчитывается по формуле: ERMS = 6,33· =104 мкВ.

использования широкополосного дифференциального усилителя и трансформатора для снижения шумов на входе АЦП. Трансформатор преобразует сигнал из одиночного в дифференциальный, одновременно снижая шумы и увеличивая коэффициент усиления в петле ОС. На выходе усилителя низкий шум и слабые нелинейные искажения. Было показано, что при таких условиях лучше всего использовать ФНЧ второго порядка.

ЛИТЕРАТУРА 1. Steffes M. Deliver the lowest distortion and noise in a low-power, wideband, ADC interface, www.eetimes.com.

Принимая входной сигнал на уровне –1 дБ равным 1,3Vpp (на выходе ОУ 1,76Vpp с учетом потерь на фильтре 0,74), получаем, что среднеквадратичное напряжение Еrms на частоте 105 МГц = 0,46 В. Отсюда SNR на входе АЦП составляет 72,9 дБ. Подставляя в (6) SNR = 64,9 дБс, получаем SNR на выходе 64,3 дБ (ослабление на 0,6 дБ на уровне –1 дБ).

19 АЦП И ЦАП

14-разрядный АЦП ISLA214P50, имеющий SNR = 72,6 дБ на частоте 105 МГц. На уровне –1 дБ SNR составляет 71,6 дБ. Влияние SNR АЦП на SNR всей схемы показано графически на рисунке 5. Одна из возможных схем фильтра показана на рисунке 4. Это ФНЧ второго порядка со схемой формирования синфазного напряжения Vcm. Пусть используется маломощный 12-разрядный АЦП ISLA112P50 с быстродействием 500 Мвыб./с. По умолчанию вырабатывается синфазное напряжение ОУ Vcm = 1,2 В, а для АЦП требуется 0,535 В. Блокирующий конденсатор Cb = 1 мкФ смещает эти уровни, не сужая полосы частот.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подставляя численные значения, получаем: Rt = 40,2 + 114 = 154,2 Ом

В статье рассмотрен пример

Электронные компоненты №6 2011

В ЧЕМ РАЗНИЦА МЕЖДУ ТОЧНОСТЬЮ И РАЗРЯДНОСТЬЮ АЦП? МОХИТ АРОРА (MOHIT ARORA), инженер по схемотехнике, Freescale Semiconductor

Очень часто разрядность АЦП отождествляют с его точностью. Это не всегда верно. В статье объясняется, в чем состоит разница между этими параметрами.

ВСТУПЛЕНИЕ

В технической документации производители указывают характеристики АЦП по-разному, и это сбивает с толку инженеров. Самые большие споры вызывают два параметра: разрешение и точность. Попробуем разобраться, чем они отличаются, как соотносятся с другими характеристиками, такими как динамический диапазон или порог шума, и как их применять. ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН, ТОЧНОСТЬ И РАЗРЕШЕНИЕ

Динамический диапазон (ДД) есть разница между максимальным и минимальным сигналами, которые может измерить преобразователь. В качестве

20 АЦП И ЦАП

Рис. 1. Общая схема АЦП

максимального сигнала может быть взят размах, амплитуда или среднеквадратичное напряжение полной шкалы (ПШ). Эти величины разные. Например, для синусоидального сигнала с амплитудой 1 В размах составляет 2 В, а среднеквадратичное напряжение — 0,707 В. В качестве минимально различимого сигнала обычно берут среднеквадратичное напряжение шума на входе АЦП в отсутствие сигнала. Это значение зависит от полосы частот, на которой оно измеряется. При удвоении частоты шум увеличивается в 1,41 раза или на 3 дБ. Важно понимать, что ДД — величина, относящаяся к какойлибо частотной полосе. Часто ДД и отношение сигнал-шум (SNR) устрой-

ства считают одной и той же величиной и измеряют в дБ: ДД = SNR = VПШ/Vш = 20 lg (VПШ/Vш). Иногда производители берут не среднеквадратичное напряжение ПШ, а его амплитуду или размах, чтобы «увеличить» динамический диапазон на несколько дБ. Разрешение и точность — параметры, которые часто путают, когда речь идет о производительности АЦП. Разрешение — это количество разрядов, используемых при оцифровке входного сигнала. Например, 16-разрядный АЦП разбивает шкалу на 216 (65536) позиций выходного кода. Минимальный сигнал, который устройство может измерить, равен 1 разряду (МЗР — младший значащий разряд) или 1/65536 доле напряжения ПШ. Точность АЦП характеризует, насколько близко фактический выходной код совпадает с теоретическим для данного входного аналогового сигнала. Другими словами, это количество разрядов выходного кода, которые несут полезную информацию о входном сигнале. Как уже говорилось, точность АЦП может оказаться намного ниже разрешения из-за внутренних и внешних источников шума. В этом случае 4 МЗР — это случайный шум АЦП. Часто ДД преобразователя и его точность — это одно и то же. На рисунке 1 приведена общая схема АЦП. Идеальный преобразователь генерирует выходной код как функцию аналогового входного и опорного напряжений: Выходной код = VПШ [VIN+ – VIN-]/ [VREF+ – VREF-] = VПШ VIN/VREF.

Рис. 2. Несогласованный входной сигнал АЦП

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Каждый выходной код — это доля опорного напряжения. Важно заметить, что ДД преобразователя должен соответ-

12-разрядный преобразователь, чтобы свести к минимуму влияние помех. Утверждать, что камера имеет точность 12 разрядов только потому, что такова разрядность АЦП бессмысленно, поскольку не приняты во внимание внешний шум и возможности пиксела. Из сказанного выше становится ясно, что точность системы совпадает с разрядностью АЦП только в том случае, если датчик имеет достаточный ДД. Тоновый и динамический диапазоны системы не могут превышать ДД датчика. Понятия «12-разрядная камера» и «камера с 12-разрядным АЦП» — не одно и то же. РЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

АЦП И ЦАП

ствовать максимальной амплитуде преобразуемого сигнала, чтобы точность преобразования была наибольшей. Пусть входной сигнал меняется в пределах 0...2,5 В, а V REF = 3,3 В, как показано на рисунке 2. Как мы говорили, 16-разрядный АЦП генерирует 65536 кодовых позиций или шагов, МЗР = 3,3/65536 = 50,35 мкВ. Для идеального АЦП все коды будут иметь одинаковую ширину, равную 1 МЗР. Максимальное входное напряжение составляет 2,5 В, это 49652 выборки. Соответственно, 15884 кода не используются, поэтому эффективная разрядность (ENOB) или потеря в точности составят 0,4 разряда. Потеря в ENOB оказывается тем больше, чем больше разница между максимальным входным сигналом и V REF. Если максимальный входной сигнал равен, например, 1,2 В, а V REF = 3,3 В, то ENOB уменьшится на 1,5 разряда. Именно поэтому важно согласовать динамический диапазон АЦП и максимальную амплитуду сигнала. Рассмотрим несколько примеров применения этих параметров. ЦИФРОВАЯ КАМЕРА

Для простоты будем считать, что для цифровой камеры ДД — это диапазон от самого темного до самого яркого света, который можно обнаружить, выраженный в битах. Минимальная скорость передачи (разрешение) АЦП определяется динамическим диапазоном (точностью) датчика изображения. Например, если ДД равен 1000:1 (60 дБ), то АЦП должен иметь по крайней мере 10 разрядов (210 = 1024 уровня), чтобы информация не потерялась. На практике лучше сделать запас, например, использовать

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Обычно датчики этого вида изготавливаются из платины и имеют следующие характеристики: сопротивление при температуре 0°С = 100 Ом, изменение сопротивления на 1°С = 0,385 Ом, ток включения 1 мА, температурный диапазон 0...500°С. Резистивные датчики работают при малом токе порядка 1 мА. При изменении температуры на 1°С сопротивление изменится на 0,385 Ом, поэтому малейшая погрешность измерения сопротивления приведет к большой ошибке в измерении температуры. Резистивные датчики температуры регистрируют изменение температуры на 0,1°С. Это значение 1 МЗР в диапазоне 0...500°С. Соответствующее изменение сопротивления составляет 192,5 Ом. Отсюда напряжение в данном диапазоне будет равно 192,5 мВ, а ДД = VПШ/МЗР = 192,5 / 38,5 = 5000. Следовательно, для рассматриваемой системы подойдет 13-разрядный АЦП. Поскольку напряжение на термометре варьируется в диапазоне 100...292,5 мВ с очень небольшим МЗР, чтобы его различил АЦП, то следует усилить сигнал. Пусть усилитель имеет постоянный коэффициент усиления 17. Тогда входное напряжение будет находиться в пределах 1,7…4,92 В. Как говорилось ранее (см рис. 2), при таком диапазоне входных напряжений АЦП используется не в полную силу. Принимая, что напряжение ПШ = 5 В, получаем, что ENOB = 1,44 ln [V ПШ/МЗР] = 1,44 ln[5 В/ 38,5 мкВ] ≈ 17 разрядов. Для этой задачи лучше взять хороший сигма-дельта преобразователь. СЧЕТЧИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Современные счетчики электроэнергии — сложные электронные устройства, имеющие высокую точность и широкий ДД. ДД счетчика первого класса равен 2000:1, минимальный входной сигнал составляет примерно 0,5 мВ, напряжение ПШ = 1 В. Максимальная погрешность счетчика составляет 0,1%. Соответственно, точность должна быть не хуже 500 нВ — это минимальный допустимый входной сигнал. Количество выборок 1 В/500 нВ = 2·10 6 . Это соответствует эффективной разрядности 21. Заметим, что при этом подходит не любой 21-разрядный АЦП. Необходимо, чтобы он имел очень низкий пороговый шум и различал столь малое входное напряжение. Еще более строгие требования предъявляются к току счетчика. Точность АЦП зависит не только от производительности или другого параметра АЦП. Она определяется и внешними элементами схемы, поскольку ДД преобразователя определяется схемой устройства.

ЛИТЕРАТУРА 1. Arora M. ADC «Accuracy» Vs «Resolution»: I am so confused. What does my application really require?

ЭФФЕКТИВНАЯ РАЗРЯДНОСТЬ КАК КРИТЕРИЙ ВЫБОРА АЦП РИК ДАУНС (RICK DOWNS), инженер, Texas Instruments

При выборе АЦП нельзя руководствоваться только эффективной разрядностью. В некоторых случаях этот параметр не отражает качества работы преобразователя. В статье рассмотрены некоторые тонкости, касающиеся расчета и трактовки данного параметра.

Эффективная разрядность (ENOB — Effective Number of Bits) — важный параметр АЦП, характеризующий его точность. Однако существует несколько способов его расчета, которые приводят к разным результатам. Если неизвестно, по какой формуле была вычислена эффективная разрядность, то этим параметром лучше не пользоваться, чтобы избежать ошибок. СТАНДАРТНЫЙ ПОДХОД

АЦП И ЦАП

Согласно стандарту IEEE-1241, устанавливающему список характеристик АЦП и процедуры испытаний, количество эффективных разрядов описывает производительность АЦП. Эффективная разрядность есть сумма отношения сигнал-шум (SNR) и общего уровня помех (гармонические искажения и шум). Этот показатель можно использовать для расчета производительности реального преобразователя по отношению к идеальному. Например, если уровень шумов 16-разрядного АЦП равен 92 дБ, то его производительность будет такой же, как у идеального 15-разрядного АЦП. Из определения следует, что параметр ENOB не учитывает нелинейные искажения. На рисунке 1 показано БПФ сигнала идеального 16-разрядного АЦП. Отношение сигнал-шум вычисляется следующим образом: SNR = 6,02N + + 1,76, где N — разрядность АЦП. Для расчета эффективной разрядности потребуется аналогичное выражение, в котором используется отношение сигнал-шум, учитывающее искажения (SINAD — Signal-to-noise and distortion):

идеального линейного АЦП с высоким уровнем шумов, а на рисунке 3 — результат БПФ для малошумящего нелинейного АЦП. Интегральная нелинейность составляет ±2 МЗР. Для обоих преобразователей эффективная разрядность равна 13,8 разрядов. Номинальная разрядность также совпадает и равна 16. Несмотря на идентичность этих параметров, преобразователи работают по-разному. Первый АЦП хорошо подходит для усреднения или цифровой фильтрации данных. Второй преобразователь нелинеен, что может привести к появлению ошибок.

В зависимости от типа преобразователя для измерения и расчета эффективной разрядности используются различные методы. Департамент IEEE рекомендует проводить динамическое измерение входного синусоидального сигнала. Однако для сигмадельта АЦП, работающих с постоянным сигналом, применяется другой подход. Поскольку достоверность измерений определяется уровнем шума, то при выборе сигма-дельта АЦП следует пользоваться именно этим параметром. Важно понимать, что значения ENOB, полученные разными методами, сравнивать нельзя.

Рис. 1. БПФ сигнала идеального 16-разрядного АЦП: SNR = 98,51 дБ; Vш = –109,6 дБ; SINAD = 98,18 дБ

Рис. 2. БПФ сигнала идеального линейного АЦП с высоким уровнем шумов: SNR = 84,85 дБ; Vш = –95,28 дБ; SINAD = 84,48 дБ

. При SINAD = 98,18 дБ разрядность АЦП равна 16. ПРИМЕР

Перейдем к рассмотрению двух неидеальных преобразователей. На рисунке 2 приведено БПФ сигнала

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 3. БПФ сигнала нелинейного АЦП с низким уровнем шумов: SNR = 98,28 дБ; Vш = –84,74 дБ; SINAD = 84,55 дБ

Эффективная разрядность характеризует количество разрядов в коде АЦП, которые численно не зависят от среднеквадратичного значения шума. Напряжение полной шкалы VПШ относится к шумовому как: , где M — разрядность АЦП, σ — среднеквадратичный шум или отклонение числа выборок, сделанных для одного и того же постоянного сигнала на входе. Отсюда ENOB = M – log2σ. Если σ настолько мало, что логарифм становится отрицательным, то эффек-

тивная разрядность АЦП превышает номинальную.

теристики устройств, в которых они применяются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пользоваться параметром ENOB при выборе АЦП следует с осторожностью. Необходимо знать, каким способом он был рассчитан. Надежнее принимать во внимание и другие параметры, такие как отношение сигналшум, уровень шумов и нелинейные искажения. Как было показано выше, даже при одинаковой номинальной и эффективной разрядности преобразователи могут работать по-разному, что, несомненно, влияет на харак-

ЛИТЕРАТУРА 1. IEEE Standard for Terminology and Test Methods for ADCs//IEEE Standard 1241-2000, ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?tp=&isnu mber=20108&arnumber=929859&punumber= 7400. 2. ADCPro Analog-to-Digital Converter Evaluation Tool, www.ti.com/adcpro. 3. Downs R. ENOB Isn’t Always The Best Figure Of Merit// http://electronicdesign.com/ article/analog-and-mixed-signal/ENOB-Isn-tAlways-The-Best-Figure-Of-Merit/2.aspx.

НОВОСТИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ | TILERA ВЫПУСКАЕТ МНОГОЯДЕРНЫЙ 64-БИТ ПРОЦЕССОР | Фаблесс-компания Tilera Corp. анонсировала семейство 40-нм процессоров Tile-Gx 3000, которые в 10 раз превосходят процессоры SandyBridge компании Intel по производительности в расчете на 1 Вт. 64-азрядные процессоры предназначены для облачных вычислений центров обработки данных и оснащены 36, 64 или 100 ядрами, работающими на частоте до 1,5 ГГц. 36-ядерный процессор, поставки которого начнутся в июле, потребляет 20 Вт. Две другие модели на 35 и 48 Вт появятся на рынке в начале 2012 г. Эти три модели процессоров оснащены встроенной памятью на 12, 20 и 32 Мбайт. Одной из причин таких характеристик процессоров Tilera, по утверждению представителей компании, является оптимизация этих кристаллов для приложений центров обработки данных, в т.ч. интеллектуального анализа данных и транскодирования видео. Но компания пока не предоставила информации о стоимости этих кристаллов. В кристаллах серии 3000 каждое ядро имеет 64-бит арифметико-логическое устройство с собственной виртуальной памятью. В каждом ядре имеется 32-Кбайт кэш команд первого уровня, 32-Кбайт кэш данных L1 и 256-Кбайт кэш L2, а также когерентный кэш объемом до 32 Мбайт. Работа процессора оптимизирована с помощью расслоения памяти, при котором используется до четырех 72-бит контроллеров DDR3, поддерживающих до 1 Тбайт памяти. В устройствах серии 3000 имеется встроенное сетевое оборудование для предварительной обработки, выравнивания нагрузки и управления поступающим в буфер трафиком. Кристаллы серии 3000 предназначены для обработки стандартных приложений для облачных вычислений и работают под управлением Linux 2.6.36. www.elcomdesign.ru

АЦП И ЦАП

WWW.ELCOMDESIGN.RU

КАК УСТАНОВИТЬ СИНФАЗНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ СОПРЯЖЕНИИ УСИЛИТЕЛЯ С АЦП РОБ РИДЕР (ROB REEDER), инженер по применению, Analog Devices

В статье рассмотрены методы сопряжения усилителя и АЦП, позволяющие установить синфазное напряжение на входе преобразователя так, чтобы обеспечить максимальный динамический диапазон и точность преобразования. Статья представляет собой перевод [1].

Если в разрабатываемом приложении осуществляется связь по постоянному току, то следует сохранить постоянную составляющую сигнала. Синфазное напряжение в этом случае играет весьма важную роль, т.к. оно, по сути, обеспечивает точное соответствие между входным сигналом и его цифровым представлением. Синфазное напряжение — это, попросту говоря, центральная точка, относительно которой изменяются сигналы (см. рис. 1). В усилителе синфазное напряжение устанавливается на выходах, как правило, с помощью специального вывода VOCM или аналогичного ему. Будьте внимательны, поскольку эти выводы также имеют определенные ограничения по току и напряжению. Рекомендуется тщательно изучить техническую документацию на усилитель или выбрать надежную точку для задания смещения, которая не перегружает другой узел или опорное напряжение в схеме. Не следует использовать для этого вывод опорного напряжения преобразователя (VREF), на котором обычно задается

напряжение, равное половине полной шкалы преобразователя, т.к. на этом выводе нельзя обеспечить смещение нужного уровня с требуемой точностью. Было бы также разумным познакомиться с описанием выводов в технической документации на преобразователь. Обычно для усилителя надлежащее синфазное смещение обеспечивается с помощью резистивного делителя напряжения с 1-% допусками на сопротивление или с помощью буферного драйвера. Со стороны преобразователя необходимо создать синфазное смещение на аналоговых входах, чтобы это опорное напряжение было выше нулевого. Но, прежде всего, следует уточнить, будет ли использоваться преобразователь с буфером или без буфера. Если использовать преобразователь без буфера (т.н. преобразователь с переключаемыми конденсаторами), то следует обеспечить внешнее синфазное смещение на аналоговых входах. Как правило, преобразователи с буфером имеют аналоговые входы с авто-

27 АЦП И ЦАП

По мере совершенствования технологических процессов и уменьшения минимальных топологических норм микросхем требования к точности задания напряжения питания и постоянных смещений в схеме растут. Большинство устройств использует однополярный источник для питания компонентов, но, как правило, поступающие на вход сигналы являются двухполярными. Чтобы установить уровень нуля или середину кода для усилителя и АЦП, необходимо задать синфазное напряжение при сопряжении этих двух компонентов. Если этого не сделать, то схема не будет работать. Иногда возникают трудности при создании общей земли между усилителем и АЦП. Часто этой проблеме не уделяют должного внимания во многом потому, что техническая документация как на усилитель, так и АЦП весьма запутана. Оба устройства имеют определенные ограничения по входному/выходному диапазону и напряжению питания. Поэтому рекомендуется как можно внимательнее читать документацию. Какие проблемы могут возникнуть после того, как был выбран усилитель и высокоскоростной АЦП? Вы провели полный анализ помех в схеме и установили, что все характеристики отвечают требованиям к данному приложению. Но учли ли вы напряжение синфазного сигнала при сопряжении этих двух устройств? Вот и попались! Службы технической поддержки часто получают вопросы от заказчиков относительно синфазного напряжения. Если в разрабатываемой схеме осуществляется связь по переменному току и не требуется постоянная составляющая сигнала, дальше можно не читать. Для приложений со связью по переменному току следует использовать разделительный конденсатор между усилителем и АЦП, чтобы исключить рассогласование синфазного напряжения. Это позволит оптимизировать синфазное смещение выходов усилителя и входов преобразователя.

Рис. 1. Синфазное напряжение — это центральная точка, относительно которой изменяются дифференциальные сигналы

Электронные компоненты №6 2011

Рис. 2. Примеры схем сопряжения усилителя и АЦП, в которых правильно задано синфазное смещение

28 АЦП И ЦАП

Рис. 3. Если не обеспечить синфазное смещение, то выходной спектр будет похож на перегруженный входной сигнал полной шкалы, т.е. нулевая точка преобразователя сместится относительно середины шкалы

матическим смещением. Этот уровень обычно составляет половину напряжения питания плюс падение напряжения на диоде (AVDD/2 + 0,7 В), в то время как преобразователь без буфера не обеспечивает автоматического смещения и требует синфазного смещения, равного половине аналогового напряжения питания (AVDD/2). Поэтому разработчики должны обеспечить синфазное смещение с помощью внешних цепей, что достигается различными способами. Некоторые преобразователи имеют вывод VCM или CML, который позволяет задавать смещение с помощью пары

WWW.ELCOMDESIGN.RU

резисторов, подсоединенных к аналоговым входам. Разработчики также могут использовать среднюю точку на обмотке трансформатора или подключить резистивный делитель к каждому аналоговому входу, соединяя его с AVDD и землей. Опять-таки, следует «подальше держаться» от вывода VREF или проверить требования на этот вывод в документации. Большинство выводов такого типа не приспособлено для создания синфазного смещения, если только не используется внешний буфер. Не забывайте, что вывод VREF устанавливает все внутренние опорные напряжения в преобразователе. Он

также определяет пределы полной шкалы на входе преобразователя. Если вывод VREF используется неправильно, т.е. нагружен, входной диапазон полной шкалы может быть смещен. Как следствие, ограничивается полный динамический диапазон системы. Или, что еще хуже, преобразователь выходит из строя. На рисунке 2 показаны примеры схем сопряжения усилителя и АЦП, в которых правильно задано синфазное смещение. Если не обеспечить синфазное смещение, то в преобразователе появятся ошибки усиления и смещения, что ухудшит точность измерений. Выход преобразователя будет, например, иметь вид, показанный на рисунке 3. Выходной спектр будет похож на перегруженный входной сигнал полной шкалы. Это означает, что нулевая точка преобразователя сместится относительно середины шкалы и не оптимальна. Разработчик может обнаружить, что выход преобразователя слишком рано обрезается или не достигает полной шкалы. В последнее время эта проблема усугубилась в связи с тем, что для питания преобразователей теперь используется напряжение 1,8 В. Это означает, что синфазное смещение для аналоговых входов равно 0,9 В (AVDD/2). Не все усилители с однополярным питанием могут поддерживать такое низкое синфазное напряжение, при этом обеспечивая достаточно хорошие характеристики. Однако многие новые усилители приспособлены для работы с таким низким напряжением и доступны на рынке. Поэтому следует оценить, какой усилитель использовать в новом проекте. Не все старые усилители будут работать при таком питании, поскольку запас по напряжению в них весьма мал и внутренние транзисторы могут не работать. Если в усилителе используется двуполярное питание, то запас по напряжению должен быть достаточным для большинства случаев. Оборотной стороной этого является необходимость использовать дополнительный источник питания, что означает большее количество компонентов, более высокую стоимость и потребляемую мощность. Простые инверторные схемы могут не помочь в этом случае, но разработчикам так или иначе придется искать компромиссное решение. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Синфазное смещение играет важную роль, когда преобразователь сопрягают с предшествующим каскадом схемы, например, усилителем. Необходимо тщательно проверять в технической документации соответствие усилителя и преобразователя по входному диапазону и требованиям по синфазному напряжению. ЛИТЕРАТУРА 1. Rob Reeder. Achieve CM Convergence Between Amps And ADCs//electronicdesign.com.

АЦП С БОЛЬШОЙ ЧАСТОТОЙ ОПРОСА, ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ И НИЗКОЙ МОЩНОСТЬЮ ЭД КОЛЕР (ED KOHLER), МАРК РАЙВЗ (MARK RIVES) и ДЭЙВ КАРР (DAVE CARR), Intersil Corporation

В статье с использованием расчетных соотношений подробно рассказывается о выборе частоты преобразования для быстродействующих АЦП. В качестве параметров для оптимизации используются соотношение сигнал/шум (SNR) и динамический диапазон, свободный от паразитных выбросов (SFDR). Примеры иллюстрированы графиками.

К тому же, значительное повышение частоты опроса ведет к упрощению схем необходимых фильтров подавления шумов и предварительных каскадов приемника. Рассмотрим пример оцифровывания 75-МГц GSМ-диапазона с частотой опроса 184,32 Мвыб./с при использовании высокоселективных фильтров. Если применяются фильтры не выше третьего порядка, требуются драйверы АЦП с уровнем искажений сигнала за счет второй гармоники (H2) не более –75 дБн (дБн — децибелы по отношению к уровню сигнала на центральной частоте). Как показано на рисунке 1,

расстояние от края GSМ-диапазона до первой гармоники, способной внести помехи в заданную полосу частот, составляет только 25,74 МГц. Увеличение частоты опроса до 491,52 Мвыб./с, как показано на рисунке 2, сдвигает ближайшую гармонику, способную вызвать помехи, на 140,04 МГц в сторону от края заданного частотного диапазона, что снижает требования к фильтру и драйверу. На рисунке 3 показана амплитудночастотная характеристика (АЧХ) двух идеальных инверсных фильтров Чебышева третьего порядка. В случае частоты опроса 491,52 Мвыб./с,

29 Рис. 1. Расположение Н2 гармоники при частоте опроса FS = 184,32 Mвыб./с

Рис. 2. Расположение Н2 гармоники при частоте опроса FS = 491,52 Mвыб./с

Электронные компоненты №6 2011

АЦП И ЦАП

Появление новых архитектур и успехи в развитии методов проектирования интегральных схем (ИС) позволили производителям АЦП улучшить такие характеристики продукции как частота опроса, разрешение и потребляемая мощность. При этом новые поколения АЦП позволяют разработчикам упрощать проектирование систем. Например, одновременное повышение частоты опроса и разрешения АЦП облегчает разработку программного обеспечения (ПО) для систем радиосвязи с изменяемыми параметрами (SDR). Такие системы радиосвязи должны оцифровывать широкий частотный спектр сигналов с большим динамическим диапазоном для обеспечения их одновременной передачи на короткие и длинные расстояния с использованием различных форматов. Подобно этому для увеличения чувствительности и точности современных устройств необходимо повышать частоту опроса и разрешение АЦП. Улучшение характеристик АЦП обеспечивает реализацию определенных опций во многих приложениях, а снижение мощности потребления АЦП на порядок упрощает тепловой расчет и позволяет уменьшить размеры самих устройств. В системах связи применение одного АЦП для оцифровывания всего спектра частот (вместо ограниченного количества каналов) может значительно упростить схему приемника. Для этого весь спектральный диапазон не должен выходить за пределы первой зоны Найквиста АЦП. Это означает, что частота опроса (Fs) должна быть, по крайней мере, в два раза больше ширины спектра (BW) полезного сигнала, т.е. (FS ≥ 2· BW).

Найквиста рассмотреть шум, отнесенный к одному Гц. Следующее уравнение показывает связь между этими двумя величинами: SNR [дБFS/Гц] = SNR [дБFS/Nyquist] + + 10 log10 (Fs/2),

Рис. 3. АЧХ двух идеальных инверсных фильтров Чебышева третьего порядка

114-МГц интервал между источником помех и краем диапазона позволяет значительно увеличить зону ослабления фильтра. Это позволяет также использовать менее мощный драйвер АЦП с меньшим на 23,5 дБ искажением сигнала за счет второй гармоники (H2). Повышение частоты опроса позволяет более гибко управлять частотными характеристиками радиосхем. Во многих случаях повышение частоты опроса, которое выше значений, определяемых критерием Найквиста, позволяет вывести вторую и/или третью интерферирующие гармоники из заданного частотного диапазона. В свою очередь это позволяет выбранному 14-ти разрядному АЦП с частотой опроса 500 Мвыб./с улучшить и без того замечательные высокочастотные характеристики SFDR еще на 8 дБ в

55-МГц полосе частот, с центральной частотой 194,5 МГц. АЦП с высоким разрешением, способный работать с частотой опроса 491,52 Мвыб./с, освобождает выбранный 75-МГц диапазон с центральной частотой 122,88 МГц от всех вторых гармоник, что и показано на рисунке 4. Поскольку вторые гармоники от 75-МГц не проникают в интересующий диапазон, они легко отфильтровываются цифровым способом. Это способствует снижению требований к фильтру и драйверу АЦП, уменьшает стоимость радиосистем и их сложность. Дополнительное преимущество использования повышенной частоты опроса заключается в снижении минимального уровня шума выбранного канала. Это становится очевидным, если вместо привычного SNR в зоне

АЦП И ЦАП

Рис. 4. Частотная характеристика 75 МГц приемника при частоте опроса 491,52 Mвыб./с

WWW.ELCOMDESIGN.RU

где дБFS — полный диапазон, выраженный в дБ; Nyquist — ширина первой зоны Найквиста. При одной и той же частоте опроса 491,52 Мвыб./с SNR Найквиста АЦП составляет 73 дБFS (во всем диапазоне), а SNR/Гц равен при этом 156,9 дБFS/Гц. SNR/Гц на выходе АЦП при том же самом SNR Найквиста, но при частоте опроса 184,32 Мвыб./с, будет равен 152,6 дБFS/Гц. Таким образом, увеличение частоты опроса до частоты, которая выше частоты Найквиста, привело к улучшению SNR на 4,3 дБ на канал. Для Fs1 = 491,52 Мвыб./с и Fs2 = 184,32 Мвыб./с, улучшение составило те же 4,3 дБ. Аналогично улучшение SNR при повышении частоты опроса можно оценить по следующей формуле: 10 log10(Fs1/Fs2). При Fs1 = = 491,52 Мвыб./с и Fs2 = 1·84,32 Мвыб./с улучшение составляет те же самые 4,3 дБ. Как в приложениях связи, так и в оборонной отрасли, требуются приемники с широкими частотным и динамическим диапазонами. В этих областях актуальными являются проекты по разработке приемников для радиотехнической разведки Signals Intelligence (SIGINT), а также по разработке радаров для использования в военных целях и в системах обеспечения внутренней безопасности (Homeland Security). SIGINTсистемы можно разделить на системы разведки связи Communications Intelligence (COMINT, обеспечивающие связь между людьми) и системы радиотехнической разведки Electronic Intelligence (ELINT, обычно это радарные системы). Оба типа систем — и COMINT, и ELINT — выигрывают при расширении частотного диапазона, поскольку это позволяет в заданном временном интервале собрать большее количество информации. Чем больше полоса частот приемника радара, тем больше его пространственное разрешение, что в свою очередь позволяет различать меньшие объекты и разделять объекты, связанные друг с другом. В SIGINT-системах и приемниках радаров обычно используются АЦП высокого разрешения с частотой опроса 100…200 Мвыб./с. Гораздо реже в таких системах применяются 12–14-ти разрядные преобразователи с частотой опроса 250…500 Мвыб./с. Для

АЦП И ЦАП

новейших разработок требуются многоканальные GSPS-преобразователи (сверхбыстродействующие АЦП) с таким же диапазоном разрешения, в которых применяется временное разделение сигнала между множеством монолитных АЦП, расположенных на одной печатной плате. В таких приложениях критичным является потребление мощности каждого АЦП, поскольку приемники некоторых радаров могут содержать сотни АЦП. Вторым направлением развития приемников в сфере электроники для оборонной отрасли является расширение их динамического диапазона, в основном за счет управления соотношением SNR. Динамический диапазон определяет способность приемника детектировать малые сигналы на фоне больших. Для примера рассмотрим два объекта, образы которых принимаются радарной системой. Первый объект, являющийся целью, расположен гораздо дальше от антенны, чем второй. Ближайший объект производит гораздо более сильный отраженный сигнал, по которому определяется общий коэффициент усиления, не позволяющий приемнику входить в режим насыщения. Очевидно, что сигнал от целевого объекта будет гораздо меньше, и может быть не принят совсем, если его величина ниже порога детектирования, устанавливаемого динамическим диапазоном. В SIGINT-системах, чем больше динамический диапазон, тем успешнее происходит захват и декодирование более слабых и удаленных сигналов в присутствии помех (естественных или искусственных), что обеспечивает более надежную защиту и своевременное предупреждение об угрозе. Маломощный 14-ти разрядный АЦП с частотой опроса 500 Мвыб./с с высоким соотношением SNR, например, такой как ISLA214P50IRZ компании Intersil, со встроенной поддержкой систем с временным разделением, хорошо подходит для использования в электронных устройствах для оборонной отрасли, особенно для SIGINTсистем и радаров. Если динамический диапазон и частота опроса АЦП подобраны соответствующим образом, как описано раньше, следующим важным параметром становится потребление мощности. Предшествующие поколения АЦП потребляли несколько Вт, поскольку имели более низкую частоту опроса и меньший динамический диапазон. Такой уровень потребления оказывает влияние на многие характеристики системы, и не только на такие очевидные как стоимость потребляемой электроэнергии и продолжительность

WWW.ELCOMDESIGN.RU

службы батарей. Во многих приложениях, использующих АЦП с потреблением несколько Вт, могут возникнуть проблемы с выделяемым такими устройствами теплом. И возникающие здесь ограничения связаны не только с отводом этого тепла, но также и с тем, что повышающаяся температура ухудшает характеристики и надежность всей системы, и не только преобразователей данных, но и всех окружающих компонентов и цепей. Из-за этих проблем актуальным является выбор АЦП, удовлетворяющий все технические требования, с потреблением мощности до 1 Вт, что облегчает проектирование системы. В системах, в состав которых входят десятки тысяч устройств, учитывается каждый мВт потребленной электроэнергии. Например, сокращение энергопотребления на 1,5 Вт на одно устройство в сети, состоящей из 36 000 4G базовых станций, приведет к экономии в 50 кВт. И несмотря на то, что устройства в таких сетях обычно не рассчитаны с технологической точки зрения на питание от батарей, они все же часто требуют применения систем резервного электропитания. Снижение энергопотребления каждого из устройств облегчает требования к таким системам и уменьшает их стоимость. Еще одной проблемой высокого энергопотребления является тепло, выделяемое всеми устройствами. Эта проблема становится особенно острой в случае использования маленьких корпусов и при плотном монтаже, где есть недостаток пространства между элементами. Во многих телекоммуникационных приложениях платы электронных схем устанавливаются в корпуса, в которых расстояние между платами по вертикали составляет приблизительно 1” (2,5 см) В подобных конструкциях трудно разместить радиаторы, которые обычно требуются для устройств с многоваттным потреблением. Более того, в устройствах типа радаров с фазированными решетками размеры элементов определяются длиной волны СВЧсигнала, поэтому плотность теплового потока становится очень высокой. Даже считая, что тепловыделение в корпусах устройств находится под контролем, необходимо проверять, как постоянно высокие рабочие температуры сказываются на надежности и характеристиках всей системы. В случае типовой ИС с тепловым сопротивлением (ΘJA) 20…50°C/Вт и потреблением 2,5 Вт, если не использовать соответствующий радиатор, температура перехода может стать на 50…125°C выше окружающей температуры. Поскольку тепловой шум пропорцио-

нален квадратному корню из температуры, любое повышение температуры перехода АЦП негативно скажется на величине соотношения SNR. Ухудшение SNR может быть весьма существенным. Например, превышение комнатной температуры на 60°C приведет приблизительно к 10-% увеличению теплового шума, что вызовет снижение типового значения SNR АЦП где-то на 1 дБ. Более того, ожидаемый срок службы устройства обратно пропорционален температуре. Для типовой ИС повышение температуры перехода на 40°C может привести к снижению срока службы в 2–3 раза. Это серьезная проблема для приложений, в которых принципиальным параметром является долговечность устройств. Очевидно, что улучшение характеристик АЦП выгодно отражается на многих приложениях. Например, появление 14-ти разрядного АЦП с частотой опроса 500 Мвыб./с и потреблением менее 1 Вт позволило разработать приемник базовой станции, способный проводить оцифровывание всего 75-МГц GSM-диапазона, используя маломощный драйвер АЦП и простую фильтрацию каналов без применения LDO-регуляторов с высокими рабочими токами, больших радиаторов и вентиляторов. Тот же самый АЦП может быть применен в современных радарах с фазированными решетками. Его очень большая частота опроса и высокое разрешение позволяют улучшить чувствительность, а пониженное энергопотребление позволяет упростить тепловой расчет, что очень важно в устройствах с пространственными ограничениями для элементов. Таким образом, улучшение технологии АЦП благоприятно сказывается на характеристиках, надежности и стоимости систем, в которых они используются. Компания Intersil хорошо представляет, с какими проблемами приходится сталкиваться разработчикам высокопроизводительных систем, поэтому она выпустила новое семейство преобразователей, отвечающих требованиям таких приложений. Первым АЦП в этом семействе является ISLA214P50IRZ — 14-ти разрядный АЦП с частотой опроса 500 Mвыб./с, потреблением менее 925 мВт и SNR свыше 73 дБ. Благодаря комбинации очень высокой частоты опроса, широкого динамического диапазона и сверхнизкого потребления этот АЦП хорошо подходит для широкополосной связи, обработки сигналов радаров и спутниковых антенн, высокоскоростного приема данных, линеаризации усилителей мощности и тестирования средств связи.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ АЦП ДЭВИД КРЕСС (DAVID KRESS), директор по техническому маркетингу, компания Analog Devices

В статье рассматривается вопрос о том, как проверить поведение быстродействующих АЦП во временной области, чтобы оценить и сравнить их характеристики для использования в конкретных приложениях. Все большее количество электронных приборов в потребительском, медицинском, автомобильном и даже промышленном секторах экономики требуют применения высокоскоростных технологий обработки сигналов для обеспечения работы систем цифровой и голосовой связи, а также аудио- и видеоустройств. Несмотря на то, что все эти категории приложений обрабатывают сигналы в разных частотных диапазонах и, соответственно, используют различные архитектуры преобразователей, при сравнении кандидатов АЦП для конкретных приложений рассматриваются одинаковые характеристики. В частности, разработчики таких трудно сопоставимых приложений имеют дело с рядом общих параметров преобразователей, характеризующих их функционирование по переменному току, которые устанавливают свои ограничения на поведение системы. КВАНТОВАНИЕ

АЦП И ЦАП

На входы всех АЦП поступают непрерывные во времени и по амплитуде сигналы, а с выхода снимаются квантованные дискретные во времени отсчеты. Сдвоенные функции АЦП — квантование и выборка — обеспечивают эффективное преобразование аналоговых сигналов в цифровые коды, но каждая из них связана с характеристиками преобразователя по переменному току. Поскольку цифровой преобразователь имеет ограниченное количество кодов для описания непрерывного входного сигнала, на его выходе формируется функция ошибки, имеющая пилообразную форму. Края пилы соответствуют смене кодов АЦП. Для оценки влияния вклада шумов квантования введем понятие синусоидального сигнала, поступающего на вход идеального цифрового преобразователя:

ВЫБОРКА

, а RMS шума квантования — .

Отношение RMS полного сигнала к RMS шума квантования и есть отношение сигнал/шум (SNR) идеального АЦП, которое можно выразить в дБ:

(1)

Следует иметь в виду, что это выражение определяет теоретические ограничения для N-разрядного преобразователя. Реальные квантующие устройства никогда не достигают такого уровня, поскольку в них всегда есть дополнительные источники шумов, но это значение SNR можно использовать для сравнения кандидатов при выборе преобразователя.

Наиболее известной особенностью устройств выборки являются искажения вследствие наложения спектров сигналов, происходящие на частотах выше частоты Найквиста равной половине частоты дискретизации, т.е. fs/2. Частота Найквиста делит спектр сигнала на две равные части, называемые зонами Найквиста. Первая зона Найквиста находится в диапазоне 0…fs/2, а вторая — fs/2…fs и т.д. На практике в ходе дискретизации образы входного сигнала появляются во всех зонах Найквиста, т.е. происходит наложение спектров. Например, образы сигнала с частотой fa появляются на частотах fs ± fa, 2fs ± fa и т.д. (см. рис. 1а). Аналогично этому, при частоте сигнала, близкой к частоте дискретизации, его образ появится в первой зоне Найквиста, а также в третьей и четвертой зонах (см. рис. 1б). Предполагается, что подлежащий дискретизации сигнал находится в первой зоне Найквиста. Любой частотный компонент (сигнал или шум), который находится вне этой зоны, отображается в полосе частот полезного сигнала. Сигнал fa, выходящий за пределы первой зоны Найквиста (см. рис.1б), необязательно является полезным

а)

б)

, где q — величина младшего значащего разряда (LSB), а N — количество разрядов. Среднеквадратичная (RMS) амплитуда такого сигнала равна:

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 1. При дискретизации образы (красные) полезного сигнала fa (синего) появляются со смещением от частоты дискретизации fs и ее гармоник (а). Величина смещения спектра составляет ±fa. Сигналы, шумы и спектральные помехи на частотах, близких к частоте дискретизации, отражаются в полосе частот полезного сигнала (б). Их образы также появляются в зонах Найквиста более высокого порядка

Найквиста, увеличивая отношение сигнал/шум (SNR) на 3 дБ при каждом удвоении частоты дискретизации. При этом предполагается использование фильтра от наложения спектров с фиксированной полосой пропускания. При правильном выборе частоты дискретизации этот фильтр способен так ослаблять составляющие сигналов, выходящих за пределы полезного диапазона, что их образы становятся ниже шумового порога. Отметим, что если входной сигнал кратен частоте дискретизации, шум квантования неравномерно распределяется по зоне Найквиста. В этом случае шум квантования сосредотачивается в области гармоник сигнала. По этой причине при выборе частоты дискретизации следует внимательно рассматривать спектральные характеристики сигналов конкретного приложения. SINAD И ENOB

Если искажения и спектральные составляющие сигналов, выходящих за пределы полезной частотной полосы, превышают пороговый уровень шума, они вносят свой вклад в SINAD (соотношение сигнал/(шум + искажения)). В документации на АЦП указывается соотношение SINAD в дБ, полученное для определенных входных сигналов. Эффективное количество разрядов АЦП (ENOB) — параметр, который, возможно, является более общей харак-

теристикой АЦП, по сути соответствует тому же SINAD, выраженному через число разрядов, а не в дБ: (2) Для случаев, когда искажения и спектральные составляющие сигналов, выходящих за пределы полезной частотной полосы, превышают пороговый уровень шума, SINAD = SNR. В этом случае уравнение 2 превращается в 1, решенное относительно N. Более распространенным является случай, когда SINAD < SNR. Поскольку SINAD АЦП зависит от рабочих условий и характеристик сигнала, SINAD (а, соответственно, и ENOB) конкретного приложения определяется тем, как в нем организовано управление АЦП. Однако многие разработчики утверждают, что параметр ENOB недостаточно хорошо описывает поведение быстродействующих преобразователей. Для описания АЦП, как правило, используется много параметров, и ни один из них не способен характеризовать его работу в целом. ENOB является разумной отправной точкой для сравнения кандидатов при выборе АЦП, но он не должен быть единственным рассматриваемым параметром. Более значимой является зависимость параметра SINAD от частоты, которая приводится в документации на многие АЦП (см. рис. 2). Она дает возможность, по крайней мере, ознакомиться с типовым поведением преобразователя во всей интересующей полосе частот, а не выбирать отдельные частоты из таблиц спецификаций, приводимых производителями АЦП. ДЖИТТЕР ТАКТОВОЙ ЧАСТОТЫ

Рис. 2. Хотя параметр ENOB и дает возможность провести полезное (но прикидочное) сравнение кандидатов при выборе быстродействующих АЦП, частотная характеристика SINAD позволяет разобраться в поведении АЦП гораздо глубже

Обсуждение шума квантования привело к уравнению (1), которое, как указывалось ранее, справедливо только для идеальных цифровых преобразователей. При его выводе считалось, что используются бесшумные источники сигналов и тактирующие устройства. В реальных цепях на входы АЦП поступают сигналы с шумами и искажениями, вызванные их прохождением через каскады обработки сигналов, стоящие до преобразователя. Такие шумы, как

Электронные компоненты №6 2011

35 АЦП И ЦАП

сигналом. Он может быть сигналом от источника шумов или от помех, находящегося за пределами рассматриваемого частотного диапазона, или быть результатом искажений, созданных элементами цепей, которые работают на частоте полезного сигнала. Это необходимо учитывать при рассмотрении искажений, характерных для разрабатываемого приложения. Снизить мощность сигналов, выходящих за пределы полезной зоны, можно при помощи фильтра от наложения спектров (antialiasing filter), устанавливаемого в сигнальной цепи перед входом АЦП. Теоретически можно работать с частотой дискретизации, только в два раза превышающей верхнюю частоту интересующего диапазона, но в этом случае невозможно реализовать аналоговый линейно-фазовый фильтр с резкой отсечкой (brickwall filter), характеризующийся нулевой переходной полосой. Дискретизация с повышенной частотой (передискретизация) — выборка отсчетов с частотой, большей 2fs, — обеспечивает спектральное пространство для переходной полосы фильтра от наложения спектров. Если шум квантования АЦП не связан с переменным входным сигналом, он попадает в первую зону Найквиста. В таких случаях передискретизация также снижает эффективный шум квантования за счет расширения зоны

правило, не связаны с шумом квантования, поэтому суммарный шум определяется как: , где еn(i) — шум, вносимый i-м источником в систему из m некоррелированных источников шума. Один из источников шума возникает из-за неопределенности фронтов импульсов тактового генератора, отвечающего за частоту дискретизации, что выражается в дрожании тактовой частоты. Причина этого шума в том, что устройство выборки захватывает переменный сигнал, являющийся перемещающейся мишенью. Неопределенность фронтов тактовых импульсов приводит к пульсации амплитуд захватываемого сигнала, результатом чего и является шум (см. рис. 3). Чем выше частота сигнала, тем больше скорость его нарастания и, следовательно, выше амплитудная погрешность, возникающая из-за дрожания фронтов импульсов. Следовательно, величина дрожания тактовой частоты зависит от частоты сигнала. Отношение SNR из-за дрожания тактовой частоты определяется выражением: ,

(3)

Рис. 3. Дрожание тактовой частоты — это неопределенность времени выборки сигнала, которая приводит к шумам по амплитуде захватываемого сигнала, зависящим от его частоты, поскольку за время дрожания успевает измениться амплитуда сигнала

Рис. 4. На примере двухтонового 5- и 6-МГц входного сигнала показаны искажения HD2 (на частотах 10 и 12 MГц), HD3 (на частотах 15 и 18 MГц), IMD (на частотах 1 и 11 MГц), и IMD3 (на частотах 4 и 7 MГц). Труднее всего ослабить с помощью фильтра от наложения спектров помехи IMD3 из-за их близости к сигналу источника

где f — частота сигнала, а tj — RMS дрожания тактовой частоты. Часто при сравнении различных АЦП возникает вопрос, какое максимальное дрожание тактовой частоты может выдержать приложение, выполняя все требования по SNR для сигналов заданной частоты. Преобразовав выражение (3), получим: .

АЦП И ЦАП

(4)

Отметим, что помимо причин появления эффекта дрожания внутри самого преобразователя существуют и другие источники таких

Рис. 5. Производители АЦП определяют SFDR по отношению либо к полной шкале АЦП (дБFS), либо к определенной амплитуде входного сигнала (дБн). Убедитесь, что при сравнении АЦП используются аналогичные параметры

Таблица 1. Сравнение систем с дрожанием тактовой частоты, различающимся в два раза tj = 1пс

tj = 2пс

fmax

ENOB, разрядов

SNR, дБ

122

124 кГц

62 кГц

110

496 кГц

248 кГц

1,98 МГц

0,9 МГц

7,94 МГц

3,97 МГц

31,7 МГц

15,8 МГц

127 МГц

63,5 МГц

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ИСКАЖЕНИЯ

Нелинейности в сигнальной цепи ведут к росту искажений, среди которых HD2 (искажения из-за второй гармоники), HD3 (искажения из-за третьей гармоники), IMD2 (интермодуляционные искажения второго порядка) и IMD3 (интермодуляционные искажения третьего порядка). Искажения в линейных цепях обычно увеличиваются постепенно по мере того, как сигнал приближает-

ся к краям линейной зоны рабочей характеристики активных элементов. Но это не относится к АЦП, в которых кодовые импульсы обрываются резко. Поэтому важно оставлять достаточный запас по амплитуде входного сигнала для возможности квантования амплитуды сигналов с минимальными искажениями. Это особенно принципиально при обработке сложных широкополосных сигналов. И, наконец, выбор номинальной входной амплитуды связан с балансировкой динамического диапазона, что необходимо для исключения отсечки части сигнала при оптимизации SNR. Как видно из названия, гармонические искажения генерируют сигнальные артефакты на частотах, кратных частоте сигнала. А интермодуляционные искажения возникают при обработке нелинейных сигналов с разными частотами и различных сложных форм, при которой генерируются сигналы с частотами в виде сумм или разностей частот исходных сигналов. В приложениях с узкой полосой частот тщательно настроенный фильтр от наложения спектров ослабляет некоторые гармонические составляющие искажений и даже аддитивные компоненты IMD2 (см.

рис. 4). С другой стороны, разностные компоненты IMD3, появляющиеся на частотах 2f2 – f1 и 2f1 – f2, очень коварны, поскольку находятся внутри спектра сигнала. ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН, СВОБОДНЫЙ ОТ ПАРАЗИТНЫХ ВЫБРОСОВ (SFDR)

SFDR — это сравнение уровня наибольших паразитных выбросов с полным диапазоном преобразователя (дБFS) или с уровнем входного сигнала (дБн) (дБн — децибелы по отношению к уровню сигнала на центральной частоте). При выборе АЦП определитесь с эталонными уровнями, рабочими условиями и сигналами. При сравнении АЦП по справочной документации необходимо разобраться с соответствием эталонов и сигналов (см. рис. 5) Хотя показатель SFDR в справочных спецификациях выражен в виде числа, он сам по себе зависит от частоты опроса, амплитуды сигнала, частоты сигнала и положения рабочей точки. Рекомендуется проверить, соответствуют ли условия получения рабочих характеристик АЦП, приведенных в документации, тем условиям, в которых будет работать преобразователь в конкретном приложении.

Электронные компоненты №6 2011

37 АЦП И ЦАП

шумов в других схемах приложения. Следовательно, его поведение определяется как выбором АЦП, так и качеством других аспектов проекта, в частности, характеристик схемы тактового генератора и особенностей разводки платы. Для того чтобы разобраться, как дрожание связано с максимальной частотой сигнала при заданном ENOB, рассмотрим две системы, в одной из которых дрожание тактовой частоты составляет 1 пс, а в другой — 2 пс. Считаем, что этот фактор является доминирующим среди остальных параметров, лимитирующих поведение системы. Из уравнения (4) можно рассчитать при заданном уровне дрожания максимальную частоту сигнала, при которой достигается определенное значение ENOB (или SNR).

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ТОЖЕ СОВЕРШЕНСТВУЮТСЯ ДОН ТЬЮТ (DON TUITE)

Количество новых разработок активных схем настолько велико, что складывается впечатление, будто об основных пассивных компонентах напрочь забыли. Если размеры микросхем непрерывно уменьшаются, современные резисторы, конденсаторы и дроссели, по сути, мало чем отличаются от своих предшественников времен Ома, Фарадея и Генри.

Однако некоторым инженерам не дают покоя мысли об усовершенствовании базовых компонентов электронных цепей, в т.ч. желание радикальным образом изменить представление о современных проектах. Ионисторы для коммерческого применения являются примером успешной реализации прорывной технологии. Действительно, конденсаторы по-прежнему остаются сферой, наиболее богатой на инновационные решения. В первую очередь, это относится к ионисторам на основе углеродных нанотрубок. Комбинации логометрических резисторов обеспечивают более высокую инструментальную точность. Трансформаторы также совершенствуются. ИОНИСТОРЫ

Ионисторами, суперконденсаторами или ультраконденсаторами чаще всего называют конденсаторы с двойным электрическим слоем. Величина их емкости намного порядков превышает емкость стандартных конденсаторов. Например, емкость некоторых суперконденсаторов с радиальными выводами составляет 5...10 Ф при напряжении 2,5 В. Емкость конденсаторов размером с батарею фонарика достигает 120...150 Ф при 5 В, а конденсаторов большего размера — 650...3000 Ф

сти спортивный электромобиль марки Tesla Roadster и городские автобусы на базе электропривода. Собственная масса полностью заправленного и оборудованного электромобиля Tesla составляет всего 1140 кг. По-настоящему спортивным этот автомобиль делает пушечное ускорение, которое возникает благодаря большому крутящему моменту электродвигателя, обеспечиваемому в широком диапазоне оборотов. Мощное ускорение гарантировано не только при старте с места, но и практически на любой скорости. С другой стороны, тяжелому автобусу весом около 10560 кг требуется значительно меньшее ускорение, чтобы разогнаться и ехать в режиме чередующихся движения и остановки. Из-за этих различий в качестве источника питания двигателя автобуса используется конденсаторная батарея, энергия которой преобразуется в крутящий момент для создания кратковременного ускорения (см. диагональные линии на рис. 1). Однако на горизонтальном участке пути перемещение тяжелого автобуса поддерживается за счет батареи. Для подъема в горку разряд батареи ультраконденсаторов помогает аккумулятору автобуса поддержать требуемую скорость. ПРИНЦИП СТРОЕНИЯ ИОНИСТОРОВ

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

при 2,7 В. Конденсаторы заключаются в модули емкостью 20...500 Ф при номинальном напряжении 15...390 В. Соединенные последовательно или параллельно, такие компоненты превосходят батареи по накоплению энергии и ее разрядке. Прежде чем мы рассмотрим устройство суперконденсаторов, давайте сравним их с батареями по такому параметру как плотность энергии и плотность мощности. Иногда говорят, что батареи накапливают энергию, а суперконденсаторы накапливают мощность. Такие представления неверны, т.к. оба устройства запасают энергию. Для сравнения таких параметров батарей и конденсаторов как плотность энергии и плотность мощности удобно воспользоваться логарифмической пузырьковой диаграммой (см. рис. 1). Диагональные линии соответствуют постоянной скорости разряда. В линейном масштабе разброс между указанными параметрами гораздо больше, чем он выглядит на рисунке. Очевидно, оба устройства запасают энергию, однако неверно сравнивать батареи с конденсаторами по их емкостям. Чтобы лучше понять возможности батарей и суперконденсаторов, в качестве наглядных примеров их соответствующих применений можно приве-

Рис. 1. Пузырьковая диаграмма для сравнения батарей и конденсаторов

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Строение ультраконденсаторов такое же, что и у стандартных конденсаторов, которые накапливают заряд между двумя электродами. В отличие от обычных электролитов, электроды ионисторов не состоят из тонких слоев металлической фольги. Функцию обкладок в суперконденсаторах выполняет двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. За счет того, что толщина этого слоя очень мала, запасенная ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же использование двойного электри-

ионов в растворе. Расстояние между зарядами двойного слоя ионистора составляет 0,3—0,5 нм, тогда как в электролитических конденсаторах оно равно 10—100 нм (и около 1000 нм в слюдяных или полистироловых конденсаторах). Это значит, что емкость, приходящаяся на 1 кв. см площади ультраконденсатора, в 104 раза больше, чем у электролитического компонента. Однако двойной слой уменьшает возможную емкость реального устройства, поскольку ультраконденсатор состоит из пары электродов. Кроме того, ультраконденсатор представляет собой два последовательно соединенных конденсатора, а это значит, что суммарная емкость целого устройства снижается вдвое.

ному закону в соответствии с постоянной времени RC. – Батареи обеспечивают сравнительно постоянное напряжение в течение продолжительного времени. Конденсаторы разряжаются быстро, и их выходное напряжение уменьшается экспоненциально. – Батарея служит в течение ограниченного числа циклов зарядки и разрядки, что зависит от того, насколько глубоко она разряжалась. Количество циклов зарядки и разрядки конденсаторов, особенно ионисторов, составляет десятки миллионов (в отличие от электролитических конденсаторов, количество циклов ионисторов не ограничено). – Батареи, как правило, имеют большие размеры и вес. Конденсаторы компактны и мало весят.

ДРУГИЕ РАЗЛИЧИЯ

На рисунке 1 наглядно видно различие между ультраконденсаторами и батареями, однако существуют и другие отличия. К их числу относятся следующие. – Характеристики батареи зависят от постоянных времени химических реакций. Зарядка батареи — относительно медленный процесс, а оптимальный профиль ее зарядки носит нелинейный характер. Напротив, конденсаторы заряжаются и разряжаются по хорошо известному экспоненциаль-

ПРОЕКТИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОНИСТОРОВ

Сочетание ионисторов, батарей и внешних источников энергии обеспечивает уникальное конструктивное решение. Разработчик должен соединить эти компоненты таким образом, чтобы ограничить зарядный ток и обеспечить перезарядку конденсатора между периодами его работы на нагрузку. Одним из решений является использование импульсного понижающего DC/DC-стабилизатора для зарядки

Электронные компоненты №6 2011

39 ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ческого слоя (слоя Гельмгольца) вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Принцип накопления заряда в ультраконденсаторах схож с механизмом накопления энергии в стандартных электролитических конденсаторах. Алюминиевая фольга, образующая одну из обкладок электролитического конденсатора, подвергается анодному окислению с образованием изолирующей пленки на поверхности. Этот тонкий изолирующий слой формирует диэлектрик конденсатора. В качестве второй обкладки конденсатора используется пропитанная бумага либо гель, который обеспечивает хороший контакт с окисленной поверхностью первой обкладки. Электролит не является идеальным проводником электрического тока, поэтому для обеспечения низкоомного контакта используется алюминиевая фольга, расположенная поверх электролита. Приложенное между анодом и катодом электролитического конденсатора напряжение вынуждает противоположно заряженные ионы собираться на двух обкладках конденсатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока их заряд не компенсирует избыточный заряд на поверхностях электродов. Емкость слоя Гельмгольца зависит от площади электрода и размера

РИС. 2. Низкопрофильный миниатюрный согласующий трансформатор компании Anaren используется как переходное устройство между несимметричным и дифференциальным входом АЦП, на который поступают сигналы частотой 200–500 МГц. Малое искажение за счет полосковой конструкции трансформатора обеспечивает в два раза лучшее ослабление синфазных сигналов, чем обмоточные согласующие трансформаторы

конденсатора. При этом используется механизм обратной связи по напряжению для определения того, когда завершится процесс зарядки. Напротив, при разрядке применяется повышающий DC/DC-преобразователь, поддерживающий выходное напряжение конденсатора на постоянном уровне. Эти методы составляют основу решения поставленной задачи, а различия в приложениях появляются при реализации дополнительных схем контроля и управления. ОБМОТОЧНЫЕ И БЕЗОБМОТОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

В качестве согласующих трансформаторов можно использовать обмоточные трансформаторы или набирать согласующее устройство из проводников печатной платы. Однако трансформатор BD0205F5050A00 компании Anaren заменяет обмоточные согласующие трансформаторы новыми полосковыми преобразователями. Полосковый трансформатор с согласованием импеданса для соединения несбалансированных 50-Ом линий с 50-Ом сбалансированными линиями устанавливается в последнем каскаде драйвера высокоскоростного АЦП. У трансформатора BD0205F5050A00 (см. рис. 2) — лучшие рабочие параметры, чем у обмоточного аналога. Кроме того, BD0205F5050A00 занимает очень малую площадь на плате. В этом приложении согласующий трансформатор должен обеспечить

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Рис. 3. Типовая характеристика температурного коэффициента смещения делителя напряжения eTC компании Microbridge. Уход ТК и смещение напряжения компенсируются в пределах указанной области внутрисхемно

преобразование импеданса и несимметричного сигнала источника в дифференциальный сигнал на входе АЦП. В высококачественных АЦП дифференциальные входы используются для подавления четных гармоник наряду с фоновым шумом и от источника питания, которые ухудшают такие характеристики АЦП как SFDR (spurious-free dynamic range — динамический диапазон без паразитных составляющих), отношение сигнала к шуму (Signal-toNoise Ratio, SNR) и полный коэффициент гармоник (Total Harmonic Distortion, THD). В настоящее время согласующие трансформаторы применяются в базовых станциях беспроводных сетей и в высокоскоростных контрольноизмерительных приборах (КИП), которые обеспечивают большое разрешение очень высоких промежуточных частот (ПЧ) и сигналов в полосе частот более 100 МГц. В таких КИП используются преобразователи данных со

скоростью выше 200 Мвыб./с и с разрешением 12—16 бит. До анонса этих устройств компанией Anaren разработчики использовали обмоточные трансформаторы, паразитные эффекты и потери в которых препятствуют дискретизации на более высоких ПЧ. Амплитудный и фазовый дисбаланс — два наиболее критичных параметра, определяющих качество согласующего трансформатора. Фазовый дисбаланс, переходящий в искажения на четных гармониках (преимущественно на второй) на входе преобразователя, — особенно важная характеристика. Другим преимуществом неферритового трансформатора является его нечувствительность к вариациям дифференциальных импедансов в широкой полосе частот, которые, как правило, возникают при использовании безбуферных АЦП. Входной импеданс этих преобразователей изменяется, когда вход АЦП переключается между функциями дискретизации и удержания.

Что если для совершенствования дискретных резисторов позаимствовать некоторые принципы создания интегральных схем, где соотношение между величинами сопротивлений контролируется с высокой точностью? Посмотрим, что удалось сделать в этом направлении компании Microbridge Technology. Инженеры этой компании создали т.н. «реджасторы» (eTC Rejustor) — пассивные микрорезисторы, регулируемые электронным способом. Для сохранения параметров им не требуется источник питания, поскольку эти характеристики многократно меняются в ту или иную сторону с помощью только электрических сигналов, а также настраиваются с высокой точностью. Регулирование параметров производится при низком напряжении и токе до или после корпусирования, и этот порядок имеет значение. В отличие от лазерной подгонки резисторов, параметры новых корпусированных устройств увеличиваются или уменьшаются, что невозможно сделать с помощью известного лазерного метода. Реджасторы производятся на базе стандартного КМОП-процесса. Они термоизолированы и характеризуются малой теплоемкостью. Настройка выпол-

няется путем повторного отжига резистивного элемента, который с каждым циклом меняет свои параметры на незначительную величину. Для формирования реджастора требуются два элемента — многослойный резистор и рядом — мощный резистор, тепло от которого выполняет регулирующую функцию. Примечательно, что сопротивление такого резистора и температурный коэффициент (ТК) настраиваются независимо друг от друга. В отличие от стандартных компонентов с регулируемым TК, новые резисторы не требуют использования датчика температуры, поскольку реджастор, по сути, таковым и является. Кроме того, он представляет собой устройство для настройки. Применение таких компонентов упрощает ряд досадных проблем, с которыми сталкиваются разработчики аналоговых схем. Например, напряжение смещения усилителя и уход температурного коэффициента компенсируются в аналоговой области непосредственно у источника смещения. При этом не требуются таблица соответствий, АЦП или ЦАП. На рисунке 3 показано, как воспользоваться резистивным делителем eTC, если известна зависимость ухода его температурного коэффициента от напряжения смещения делителя. Отклонение выходного

напряжения делителя VIN∙(R1/(R1+R2)) выражается в мВ/В. Температурный коэффициент смещения выходного напряжения делителя измеряется как мкВ/(В∙К). Программное обеспечение Microbridge для настройки eTC позволяет измерить действительное значение ТК и погрешности смещения, выбрать требуемое напряжение смещения делителя и смещение ТК в параллелограмме на рисунке 3 и пошагово установить заданную величину. Предположим, что до коррекции рабочий параметр делителя определялся указанной на рисунке 3 точкой. В этом случае выходное напряжение делителя на 5% (50 мВ/В) ниже идеальной величины, а отклонение температурного коэффициента составляет 75 мкВ/(В∙K). С помощью программноаппаратных средств Microbridge указанная точка перемещается к центру диаграммы быстрее, чем можно прочесть это предложение. Изначально Microbridge намеревалась специализироваться на выпуске описанных реджасторов, однако рынок диктует спрос на продукцию, ориентированную, в первую очередь, на конкретные приложения. В результате компании пришлось заняться поставками датчиков давления и потока газа. Просто Microbridge опередила свое время.

Электронные компоненты №6 2011

41 ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

САМОРЕГУЛИРУЮЩИЕСЯ РЕЗИСТОРЫ

УСТРОЙСТВА ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО И БЕЗБАТАРЕЙНОГО ПИТАНИЯ АВТОНОМНЫХ УЗЛОВ. Часть 1 СВЕТЛАНА СЫСОЕВА, консультант Энергособирающие устройства (Energy Harvesters) представляют значительный интерес для питания беспроводных систем и компонентов, т.к. допускают длительную и безотказную работу без вмешательства человека, обеспечивают значительные преимущества в отношении характеристик, надёжности и цены. В настоящее время они успешно применяются в беспроводных системах, дополняя или даже замещая батарейные устройства для питания датчиков, исполнительных механизмов, трансиверов, регистраторов и т.д. Автономное питание на всех уровнях системной интеграции – перспективное направление в эволюции беспроводных систем. ВВЕДЕНИЕ

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Энергосбережение приобрело актуальность в условиях растущего дефицита электроэнергии для питания большого числа электрических и электронных систем. Этому способствуют законодательные акты, постановления правительства в отношении норм выброса и безопасности, растущий спрос на автомобили, которые отвечают новым требованиям к характеристикам, безопасности, комфорту и экономичной эксплуатации (что связано с повышением цен на топливо). Ужесточившиеся требования привели, например, к необходимости более точного и интеллектуального контроля эффективности и выбросов, а также к применению электрического рулевого управления, развитию технологий активной безопасности, контролю практически каждого автомобильного агрегата и узла. В результате увеличилось число электронных блоков, датчиков и исполнительных механизмов, стали развиваться мультисенсорные технологии измерения для обеспечения высокой точности, технологии сетевой коммуникации и алгоритмы слияния данных. Это привело к увеличению числа проводов в автомобиле, а также к росту дефицита электрической энергии. Автомобильное электрооборудование включает множество встроенных датчиков, установка которых осуществляется однократно из расчёта на безотказную работу в течение нескольких лет. Срок службы современных датчиков достигает 10—15 лет. Значительное распространение получили и бесконтактные технологии измерений, но для питания большинства датчиков по-прежнему необходимо подавать питание по проводам. Исключительный пример — системы контроля давления в шинах (TPMS), в

WWW.ELCOMDESIGN.RU

которых датчики давления устанавливаются в каждом колесе и питаются от батарей. Беспроводная связь и питание от батарей с высоким сроком службы — альтернатива для системы, в которой датчики или исполнительные механизмы находятся в труднодоступных местах, а провода мешают нормальной работе устройства. Но распространение беспроводных систем на батареях в автомобиле ограничено тем, что батареи нуждаются в периодической замене, и это также может осложнить или помешать нормальной работе систем. Система TPMS служит для того, чтобы предоставлять водителю информацию о состоянии шин. Для продления срока службы батарей в прямых системах TPMS разработаны методы опроса по требованию, когда с датчика снимаются данные только по сигналу опроса системного процессора. В остальное время датчик находится в спящем режиме для экономии электроэнергии, благодаря чему батареи в сенсорном узле колеса могут служить 10—15 лет. Другие датчики, например, скорости колёс (с которых снимается сигнал для непрямых систем TPMS), контроля двигателя, коробки передач должны надёжно работать непрерывно (в жёстких условиях) и потреблять больше мощности, а это батареи обеспечить не могут. Надёжность и низкая цена эксплуатации батарей обеспечивается только в системах, допускающих такую замену батарей, где она не препятствует работе и не слишком часто осуществляется. Поэтому основным средством питания и коммуникации электрических и электронных транспортных узлов остаются провода. Для сокращения их числа производители датчиков применяют двух- и даже однопроводные сенсорные интерфейсы. Находят широкое распространение и пассивные сенсорные

технологии (индуктивные, ПАВ, микроболометры), а также кластерный способ физического конфигурирования узлов. На рынке потребительской электроники методы экономии мощности и батарейные технологии распространены шире. Чтобы избежать отключения и частой перезарядки аккумуляторов сотовых телефонов и многих других батарейных устройств, в них используется спящий режим, из которого они выводятся только в ответ на нажатие клавиши или другие действия пользователя. Режим FIFO также позволяет экономить электроэнергию. Существуют и совершенно особые задачи, где батареи находят своё применение. К ним относится структурный мониторинг мостов, зданий, сооружений, летательных аппаратов, морских кораблей, мониторинг состояния подшипников, роторов двигателей, вентиляторов, насосов, компрессоров, сейсмической активности. Так, для мониторинга мостов используются акселерометры, датчики механического напряжения, температуры. Дефекты в поверхностях подшипников, разбаланс, невыравнивание валов приводят к сбоям в работе машин. Частота вибрации зависит от конструкции и скорости вращения, а амплитуда — результирующая функция, которую детектирует акселерометр. Медицинские имплантаты, беспилотные летательные аппараты и другие машины, исключающие вмешательство человека, контроль машинных и технологических процессов допускают только однократную установку компонентов и беспроводную работу. Когда надёжность и удобство эксплуатации батарей в жёстких условиях, а также подверженных обрывам проводов ограничены, единственная альтернатива — энергособиратели.

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Энергособиратели — новое направление в электронике, актуальное для тех систем, эксплуатацию которых замена батарей осложняет, особенно в тех случаях, где требуется непрерывная работа датчиков в недоступном для человека окружении. Концепция энергособирателей основана на наличии доступных источников энергии в различных формах — механической, тепловой, оптической, жидкостной, радиочастотной. Сбор энергии из окружения, запасание и использование её для питания компонентов позволяет питать беспроводные сенсорные узлы и другие компоненты вне срока службы/ питания от батарей, повышать доступный выход мощности для двигателей и приводов. Существует также возможность комбинированного использования различных доступных источников энергии, например механической и тепловой, беспроводной передачи мощности (питание узла по радиоканалу). Энергособиратель предназначен для питания узла электроэнергией, которая запасается в батарее или суперконденсаторе. Энергособиратели пока не могут конкурировать с батареями в системах, где батареи легко заменить, и с проводами как надёжным и недорогим средством современной коммуникации, если они гармонично вписываются в систему. Беспроводной мониторинг развивается как дополнение или замещение проводных соединений, и энергособиратель — средство минимизации числа питающих проводов. Надёжность энергособирателя ничем не ограничена извне, т.к. для его работы необходимо только энергетическая среда. Автономные беспроводные сенсорные системы — одна из новых концепций. Проблемы повышения надёжности и стабильности беспроводных каналов передачи данных в условиях ВЧ-помех в большинстве случаев решаются отдельно. Суть новой концепции в том, что автономность узлового питания позволит беспроводным датчикам работать без опасения, что батарея разрядится или произойдет отключение от питающей силовой установки.

Как показывает представленный далее обзор, технологии сбора энергии — не футуристическая фантазия, а современная реальность. ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОСБОРА

Для захвата энергии вибрации применяются, в основном, пьезоэлектрические элементы. Для сбора солнечной энергии используются технологии фотоэлектрического преобразования; тепла — термопары. Энергособиратели — это источники, обеспечивающие высокоэффективное преобразование доступной энергии в регулируемые выходные напряжения или электрическую мощность для заряда батарей и запасающих конденсаторных элементов. Вибрационные энергособиратели

Вибрационные энергособиратели (Vibration Energy Harvesting, VEH) — одна из самых развитых технологий. Компания AdaptivEnergy (AE) разработала решение Joule-Thief для сбора вибрационной энергии (см. рис. 1а), в котором используется технология упрочненных ламинированных пьезоэлектриков RLP (Ruggedized Laminated Piezo) (см. рис. 1б). Назначение энергособирателя — захватывать энергию из окружающих источников и преобразовывать в полезную электрическую мощность для запаса в батареях и конденсаторах. Система состоит из интеллектуального преобразователя энергии Joule-Thief Smart Energy Beam и электроники Energy Key, осуществляющей функции сбора и запаса. Пьезоэлектрический преобразователь — это генератор, который преобразует механическую энергию вибрации в эквивалентную электрическую энергию, что достигается с помощью пьезоэлектрической RLPбалки, прикреплённой к вибрационной механической структуре. Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в преобразовании наведённой механической энергии в электрический заряд. Сгенерированное полезное напряжение затем преобразуется в полезное постоянное напряжение с использованием силового процессорного модуля. Модуль запаса мощности

а) б) Рис. 1. Технологии захвата вибрационной энергии AdaptivEnergy: а) энергосберегающий модуль JouleThief; б) энергособирающая RLP-балка

WWW.ELCOMDESIGN.RU

включает электронную архитектуру, которая эффективно запасает сгенерированную мощность в батарее или конденсаторе. В состав преобразователя JouleThief входит композитная балка, которая состоит из кантилеверного клина с прикреплённым пьезоэлектрическим слоем и подвешенной на его наконечнике инерционной массой. Масса преобразует входное ускорение базы в эффективную инерциальную силу на наконечнике, отклоняющую балку, что наводит механическое напряжение в пьезоэлектрическом слое. Механическое напряжение приводит к поляризации пьезокерамики, а дополнение структуры электродами обеспечивает поляризационный ток, который преобразуется в полезную мощность. RLP-балка работает в жёстких условиях в течение длительных периодов времени, в отличие от ненагруженных устройств, что является важным преимуществом этой технологии. Выходная мощность преобразователя Joule-Thief достигает высокой плотности. Эффективность схемы –60—80%. Однако чтобы достичь этих значений, требуется соответствие формы балки окружающим условиям и знание спектра, параметров входной вибрации — ускорения, частоты. Joule-Thief применяется в качестве силового источника для удалённого мониторинга, носимой электроники, беспроводных сенсорных и переключающих систем, дополняющих устройства для заряда батарей. Преобразователи Joule-Thief рекомендованы для многих беспроводных систем, например, для расширения батарейных беспроводных датчиков и переключателей. Компании Perpetuum и Ferro Solutions совершенствуют электромагнитные технологии захвата вибрационной энергии. Электромагнитные генераторы способны питать беспроводные сенсорные узлы неопределённое время, а при повышении уровня технологий беспроводной автоматизации возможен поиск новых путей для использования данной технологии, например для передачи энергии электромагнитных волн на расстояние. Устройство сбора электромагнитной энергии преобразует механическую энергию (вибрации) в электрическую. Один из вариантов реализации состоит в том, что обмотка, прикреплённая к колеблющейся массе, преобразует магнитное поле фиксированного магнита. Другой способ заключается в перемещении постоянной магнитной структуры, относительно которой обмотка удерживается фиксированной. На выходе обмотки в переменном магнитном поле по закону Фарадея наводится напряжение. Компания Perpetuum реализовала вариант с перемещением магнита относительно стационарной обмотки.

а)

б)

Рис. 2. Микрогенераторы Perpetuum для промышленных применений: а) автономный энергособиратель PMG FSH; б) реализация машинных сенсорных узлов с автономным питанием

устройствам генерировать больше мощности. Данная технология подходит для ВЧ-окружения и переменных магнитных полей, а также для интеграции в оборудование с подвижными магнитами. Технология ME VEH хорошо подходит для бесконтактного удалённого заряда (беспроводной передачи мощности). Ключевые применения — вращательные машинные системы и медицинские устройства. В отличие от энергособирателей с проводным выводом мощности для питания сенсорных узлов, FS Energy Harvester используется как удалённый независимый источник питания, который непрерывно поставляет энергию туда, где его можно легко установить. Компания Ferro разработала также гибридную сенсорную технологию на основе пассивной магнитоупругой электроактивной технологии (Passive Magnetoelastic Electroactive, PME) для подводного использования. Гибридный датчик, который поставляет данные от акустического и магнитного датчиков и также используется как магнитометр, представляет собой пример комбинирования пьезоэлектрических материалов с магнитными и сенсорного слияния. Компания добилась приближения чувствительности к магнитометрам SQUID-типа, но с меньшим потреблением мощности и в меньшем корпусе. Если в одних системах используется только один источник собираемой энергии, в других случаях источников энергии может быть больше. Компания Midé, например, не только выпускает собиратели вибрационной энергии (Volture Vibration Energy Harvester), но и комбинирует их с собирателями солнечной энергии (Volture Solar Energy Harvester). Вибрационный энергособиратель Midé основан на технологии пьезоэлектрического преобразования QuickPack. Преобразователь изготовлен из пьезоэлектрических материалов с электрическими выводами, защищёнными и изолированными при производстве. Гибридный энергособиратель SEH20w (SEH25w) включает солнечную панель, установленную в корпус Volture. Солнечная панель работает со стандартной электроникой Volture. В настоящее время Midé разрабатывает электронику следующего поколения, которая будет управлять солнечной и пьезоэлектрической энергией для интеллектуальной зарядки батарей.

45 ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Достигнуто увеличение выхода мощности, фиксированные электрические соединения являются более надёжными. Напряжение может регулироваться для вывода на требуемых уровнях или для запаса. Серия микрогенераторов Perpetuum с общим названием PMG (Perpetual Micro-Generators) представляет собой линейку продуктов, масштабируемых для промышленных беспроводных систем. Автономный энергособиратель PMG FSH (Free-Standing Vibration Energy Harvester) (см. рис. 2а) обеспечивает сбор электромагнитной энергии, ее хранение и контроль. В состав этого устройства входит схема управления для заряда внешнего запасающего устройства током до 4 мА при 5 В. Уровни мощности задаются с помощью последовательного интерфейса с трёхвыводным стандартным соединителем. Датчики подключаются к энергособирателю проводным способом через этот соединитель, поэтому расстояние между ними ограничено. Поскольку сенсорные узлы независимы от внешней, например, настенной электропроводки, их можно считать беспроводными (см. рис. 2б). PMG FSH крепится магнитом или резьбовым способом. Для железнодорожных приложений компания разработала продукт PMG Rail, который генерирует 10–15 мВт в течение продолжительной поездки с типичными вибрационными частотами 30—60 Гц. Диапазон рабочих температур –40…85°C; выходы программируются при 3–10 В. PMG Rail используется в системах мониторинга подшипников, слежения за состоянием составов. Энергособиратель Ferro Solutions Energy Harvesters (FSEH) представляет собой независимый источник мощности, который генерирует электричество от вибрации, питая силовые беспроводные трансиверы, датчики, микродвигатели и приводы. FSEH может замещать батареи для непрерывной работы, снижая стоимость беспроводных сенсорных сетей. Компания Ferro Solutions разработала устройства с использованием двух энергособирающих технологий — электромеханической (индуктивной) и магнитоупругой (magnetoelastic, ME). Электромеханические энергособиратели основаны на оригинальном дизайне магнита и обмотки, взаимодействие которых позволяет улавливать вибрацию. Целевые рынки — оборудование для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, насосы бойлеров, железнодорожный транспорт, реактивные двигатели. В первую очередь, вибрационные энергособиратели интересны для питания датчиков вибрации, а также для датчиков, находящихся в вибрационном окружении. Проще собирать энергию высокочастотной вибрации, но в природе и технике преобладают низкочастотные вибрации. Если вибраций мало или они отсутствуют, другие источники энергии — свет, тепло или радиочастотная энергия — могут подключаться к механическому устройству. Энергособиратели ME-типа — пример устройств, которые конфигурируются для использования в окружении с вибрациями и электромагнитными полями. Комбинирование пьезоэлектрических материалов с магнитными позволяет этим

Электронные компоненты №6 2011

НЕТРАДИЦИОННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ И ДРОССЕЛЕЙ ЮРИЙ ШУВАЕВ, ведущий научный сотрудник, «Концерн «Вега»

В статье рассмотрена и описана конструкция предложенных автором обмоток электромагнитных устройств, выполненных из набора плоских элементов (скоб и круговых колец) различной конфигурации. Подобная конструкция позволяет уменьшить объем и массу трансформаторов и дросселей, улучшить их электрические характеристики, повысить технологичность и снизить трудоемкость изготовления.

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Различные электромагнитные устройства — трансформаторы и дроссели — находят широкое применение в электронной и радиотехнической аппаратуре. Для обмоток трансформаторов и дросселей обычно применяются провода круглого или прямоугольного сечения [1]. В некоторых случаях одну из обмоток изготавливают из медной или алюминиевой фольги. Недостатками устройств с такими обмотками являются плохие удельные объемно-массовые характеристики вследствие низкого коэффициента заполнения окна магнитопровода проводниковым материалом, а также низкая технологичность и высокая трудоемкость изготовления обмоток, рассчитанных на низкие напряжения и большие токи нагрузки. Известны также обмотки, выполненные из листового проводникового материала в виде плоской скобы с контактными площадками для присоединения внешних проводников [2, 3]. Однако скобы, примененные в них, имеют сложную конфигурацию, и как следствие, характеризуются низкой технологичностью и высокой стоимостью изготовления. В работах [2, 3] неудачно решена задача соединения скоб в многовитковую обмотку, видимо, именно по этим причинам обмотки этой конструкции не нашли практического применения. Предложенная автором и защищенная тремя авторскими свидетельствами и патентом на изобретения [4—7] конструкция четырех основных видов обмоток из плоских элементов (которые в дальнейшем будем называть пластинчатыми), не имеет подобных недостатков. Однако, к сожалению, информация об этих изобретениях не стала достоянием разработчиков намоточных изделий для радиоэлектронной аппаратуры. Хотя в ряде случаев

WWW.ELCOMDESIGN.RU

эти конструкции имеют несомненные преимущества перед традиционными, и могут быть применены для трансформаторов и дросселей мощных низковольтных и высокочастотных источников вторичного электропитания. Основная особенность конструкции пластинчатых обмоток заключается в том, что все витки в них состоят из отдельных элементов — деталей одинаковых размеров и конфигурации (скоб или круговых колец) с разрезом, изолированных соответствующим образом друг от друга. Изготовленные детали могут быть использованы: – в качестве одновитковых обмоток (обмотки 1-го и 2-го видов); – для создания обмоток, состоящих из двух витков (обмотки 1-го и 2-го видов); – для получения многовитковой обмотки, состоящей из нескольких двухвитковых обмоток, соединенных между собой через контактные площадки дополнительными перемычками или без них, либо непосредственно (без специальных контактных площадок, обмотки 1-го и 2-го видов); – из набора витков, состоящих из двух скоб или круговых колец без специальных контактных площадок, соединенных непосредственно между собой (обмотки 3-го и 4-го видов). Соединение деталей между собой для получения двух- и многовитковых обмоток производится дуговой или контактной сваркой либо пайкой. Выбор вида пластинчатой обмотки определяется назначением электромагнитного устройства, его конструкцией и параметрами, а также типом примененного магнитопровода. Изоляция витков, образующих пластинчатую обмотку, может быть различной. В частности, одновитковые обмотки, а также витки после их соединения

в двух- и многовитковую обмотку могут быть обмотаны вполнахлеста конденсаторной, кабельной пропиточной или микалентной бумагой либо фторопластовой лентой. Однако наиболее целесообразным является использование плоских изоляционных прокладок, устанавливаемых между витками обмотки при сборке намоточного изделия. Прокладки изготавливаются в виде деталей одинаковой конфигурации, форма которых аналогична форме проводниковых элементов, и вырезаются (вырубаются) из листового изоляционного материала — электроизоляционного картона (прессшпана), изоляционной пропиточной бумаги и т.д. При сборке устройства изоляционные прокладки могут быть приклеены к скобам (кольцам) электроизоляционным клеем. Электромагнитные устройства с пластинчатыми обмотками могут быть выполнены на магнитопроводах из стали различных типов: Ш, ШЛ, ПЛ, ТЛ, ОЛ и т.д., а также на ферритовых магнитопроводах типа Б, Ч, БЧ, Ш, ПК, КВ, К и т.д. Пластинчатые обмотки изготавливаются отдельно и при сборке трансформаторов и дросселей на магнитопроводах ШЛ, ПЛ, Б, КВ и т.д. вкладываются в магнитопровод и закрепляются обычным способом. После изготовления и сборки пластинчатой обмотки ее пропитывают изоляционным лаком отдельно или совместно с другими обмотками намоточного изделия. В ряде случаев делается заливка всего изделия герметизирующим составом (компаундом). Обмотка электромагнитного устройства, изготовленная из плоских элементов, может занимать все окно магнитопровода, как в различных дросселях, или только его часть по ширине или высоте — в трансформаторах. Оставшаяся часть окна в этих случаях

а) б)

в)

е) г) д) ж) Рис. 1. Электромагнитное устройство с обмоткой 1-го вида: а) разрез; б) многовитковая обмотка; в) двухвитковая обмотка; г) перемычки; д), е) модификации изоляционных прокладок; ж) вариант стыковочного соединения контактных площадок: 1 – магнитопровод; 2, 3 – нечетная и четная скобы и круговые кольца; 4, 5 и 6, 7 – специальные контактные площадки скоб и круговых колец; 8 – перемычки; 9 – изоляционные прокладки

новлены таким образом, что каждая последующая скоба повернута относительно предыдущей вокруг продольной оси на 180°. Устройство содержит также перемычки 8 в виде плоских пластин и изоляционные прокладки 9. Отличие пластинчатой обмотки 2-го вида от обмотки 1-го вида заключается в том, что в ней используются скобы другой конфигурации, в которых специальные контактные площадки расположены на разных уровнях относительно поперечной оси скобы, причем обе площадки выполнены симметричными относительно продольной оси скобы. Вследствие этого для образования двух- и многовитковых обмоток контактные площадки могут быть соединены непосредственно между собой (без дополнительной перемычки). Это позволило упростить обмотку 2-го вида по сравнению с обмоткой 1-го

47 ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

занята другими обмотками, намотанными проводом круглого или прямоугольного сечения. В ряде трансформаторов ширина элемента пластинчатой обмотки равна части ширины окна, а оставшуюся часть ширины окна по всей его высоте занимают другие обмотки. В других трансформаторах ширина элемента равна всей ширине окна, а оставшуюся площадь окна по высоте занимают другие обмотки. При этом ширина обеих обмоток равна ширине окна. Секционированный трансформатор содержит одну или несколько многовитковых обмоток, намотанных проводом круглого или прямоугольного сечения и разделенных на несколько частей (секций, галет), и несколько одно-, двухили многовитковых пластинчатых обмоток, выполненных из плоских элементов (скоб или круговых колец). Ширина каждой секции и ширина каждой скобы (кольца) равны ширине окна магнитопровода, причем обмотки из скоб (колец) размещены поочередно между соответсвующими секциями другой обмотки. Описанная конструкция секционированного трансформатора обеспечивает хорошую магнитную связь между обмотками. Электромагнитное устройство с обмоткой 1-го вида содержит магнитопровод 1 и обмотку, выполненную из набора плоских элементов — скоб или круговых колец 2 и 3 одинаковой конфигурации, изготовленных из листового проводникового материала. Каждая скоба (круговое кольцо) имеет контактные площадки для соединения в многовитковую обмотку и для присоединения внешних проводников, каждая нечетная скоба — контактные площадки 4 и 5, а каждая четная скоба — контактные площадки 6 и 7. Эскиз устройства и входящих в него деталей представлен на рисунке 1. Первые контактные площадки 4 и 6 расположены симметрично относительно оси скоб 2 и 3, причем скобы уста-

Электронные компоненты №6 2011

а)

б)

Рис. 2. Пластинчатая обмотка 2-го вида: а) четная и нечетная скобы; б) модификации изоляционных прокладок: 2, 3 – нечетная и четная скобы; 4, 5 и 6, 7 – специальные контактные площадки нечетной и четной скоб; 8 – изоляционная прокладка; 9, 10 – перемычки в изоляционных прокладках

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Пластинчатая обмотка 3-го вида: а) нечетная и четная скобы; б) изоляционная прокладка; в) половина скобы; г) скоба, вид с торца: 2, 3 – нечетная и четная скобы; 4, 5 и 6, 7 – половины нечетной и четной скоб; 8 – изоляционная прокладка; 9 – половина скобы ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

вида, уменьшить ее массу, а также повысить надежность за счет исключения перемычек (см. рис. 2а). Скобы 2 и 3 этой обмотки, как и в обмотке 1-го вида, снабжены специальными контактными площадками 4, 5 и 6, 7, однако они расположены на разных параллельных уровнях относительно поперечной оси скобы, причем оси симметрии контактных площадок совпадают с продольной осью скобы. Скобы установлены таким образом, что каждая последующая скоба повернута относительно предыдущей вокруг продольной оси на 180°, а между скобами

WWW.ELCOMDESIGN.RU

2 и 3 помещена межвитковая изоляция — изоляционные прокладки 8. Изоляционные прокладки 8 выполнены в виде пластин и имеют одинаковую форму для каждой обмотки 2-го вида. Могут применяться две модификации прокладок, представленные на рисунке 2б. Первая модификация имеет П-образную форму с односторонними разрезными перемычками 9, 10 в местах расположения контактных площадок 4, 5 и 6, 7 скоб 2 и 3, а вторая модификация имеет форму прямоугольного кольца с разрезом в его верхней части. Пластины устанавливают в таком положении, что

каждая последующая повернута относительно предыдущей на 180° относительно продольной оси скоб. Отличие пластинчатой обмотки 3-го вида от предыдущих заключается в том, что в ней для соединения скоб в двух- и многовитковую обмотку не предусмотрено специальных контактных площадок, а ее каждый виток образуют две одинаковые скобы, сложенные и соединенные вместе. Обмотка 3-го вида выполнена из набора О-образных плоских скоб одинаковой конфигурации с разрезом, расположенным симметрично относительно их продольной оси. Скобы, образующие обмотку, можно условно разделить на нечетные 2 и четные 3. Нечетная скоба состоит из первой и второй половин 4 и 5, а четная — из первой и второй — 6 и 7 (см. рис. 3 а). Половины скоб 2 и 3 — первые 4 и 6 и вторые 5 и 7 — могут быть соединены между собой по всей поверхности или по части их поверхности, составляющей 5–10% от площади скобы, вблизи разреза каждой скобы. При этом внутренняя поверхность скоб, образующих виток, может быть покрыта изоляционным лаком. При соединении скоб только по части их площади уменьшается поверхностный эффект — явление оттеснения тока к внешней поверхности проводника под действием собственного переменного магнитного поля. Это приводит к уменьшению необходимого сечения проводникового материала и к снижению объема и массы устройства. Основное отличие обмоток 3-го вида заключается в том, что в нем применены скобы, в которых нет специальных контактных площадок, и соединение половин нечетных и четных скоб производится непосредственно по всей или части поверхности скоб. Исключив контактные площадки, удалось упростить конструкцию скоб и изоляционных прокладок. Снизить трудоемкость изготовления обмотки позволило также упрощение конструкции штампа и технологии соединения скоб между собой. Благодаря этому снизилась и средняя длина витка (на 20—25%) и уменьшились объем и масса устройства. В обмотках 3-го вида элементы, образующие виток, могут быть смещены по продольной оси на толщину плоского проводникового материала, из которого изготовлены элементы. В обмотках 4-го вида в таких операциях нет необходимости. Пластинчатая обмотка 4-го вида является дальнейшим усовершенствованием предыдущих конструкций, в частности обмотки 3-го вида. От нее обмотка 4-го вида отличается тем, что разрез в скобах или круговых кольцах этой обмотки расположен несимметрично относительно продольной оси

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рис. 4. Пластинчатая обмотка 4-го вида: а), б) первая и вторая скобы с различным расположением разреза; в) круговое кольцо с радиальным разрезом; г), д) один виток обмотки, состоящий из двух скоб или двух круговых колец; е), ж) – изоляционные прокладки для скоб и круговых колец: 2, 3 – первая и вторая скобы или круговые кольца; 4, 5 – контактные площадки скобы или кругового кольца; 6 – изоляционная прокладка

скобы или смещен относительно одной из осей симметрии. В обмотках 4-го вида, так же как и в обмотках 3-го вида, нет специальных контактных площадок. Обмотка 4-го вида выполнена из набора плоских элементов одинаковых размеров и конфигурации с разрезом

(см. рис. 4). При сборке обмотки витки, состоящие из двух скоб или двух круговых колец, скрепляются заранее до их соединения в многовитковую обмотку. Для трансформаторов и дросселей, собранных на магнитопроводах типа Ш, ШЛ, ПЛ, ТЛ, ОЛ и т.д., применяются скобы с несимметричным разрезом, а

при использовании ферритовых магнитопроводов типа Б, Ч, БЧ, Ш, ПК, КВ, К и т.д. элементы обмотки должны быть выполнены в виде круговых колец с радиальным разрезом, при этом каждый виток обмотки образует два кольца, сложенные и соединенные вместе, причем одно из колец

Электронные компоненты №6 2011

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

повернуто вокруг центра на некоторый угол. Основное отличие обмоток 4-го вида заключается в том, что разрез в элементах (скобах) смещен параллельно одной из осей симметрии или выполнен радиальным способом (для круговых колец). Каждый виток обмотки образуют два элемента, сложенные и соединенные вместе, причем один из элементов (одна из скоб) повернут относительно другого на 180° вокруг оси симметрии или один из элементов (одно из круговых колец) повернут вокруг центра на некоторый угол. В результате такого соединения образуются части элементов, не соединяемые вместе, которые расположены в разных плоскостях и являются контактными площадками для соединения витков в многовитковую обмотку и для присоединения внешних проводников. Подобная конструкция позволила упростить пластинчатую обмотку и снизить трудоемкость ее изготовления. Все части двух элементов, которые служат для их соединения в один виток, и контактные площадки для соединения витков в многовитковую обмотку расположены с одной стороны относительно магнитопровода, поэтому отсутствует необходимость смещения половин элементов относительно друг друга по продольной оси на толщину проводникового материала (как в обмотке 3-го вида). Соединение витков в многовитковую обмотку позволяет также при различной конфигурации элементов (скоб или круговых колец) использовать эту обмотку с магнитопроводами различных типов, что расширяет область ее применения. Применение пластинчатых обмоток позволяет улучшить следующие технические характеристики трансформаторов и дросселей: – уменьшить объем и массу за счет увеличения коэффициента заполнения окна магнитопровода проводниковым материалом; – улучшить охлаждение, т.к. плоские витки хорошо отводят тепло из внутреннего объема и выводят его наружу, а контактные площадки являются дополнительным теплоотводом; – улучшить электрические характеристики — обеспечить идентичность параметров одинаковых обмоток, т.е. активного сопротивления, индуктивности рассеяния и т.д.; – уменьшить индуктивность рассеяния обмоток и обеспечить хорошую магнитную связь между обмотками; – в ряде случаев повысить технологичность, снизить трудоемкость и стоимость изготовления за счет применения унифицированных, например,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

штампованных, деталей одинаковой конфигурации. Вместе с тем следует отметить, что пластинчатые обмотки не являются универсальными и не могут во всех случаях заменить собой традиционные обмотки из проводов круглого и прямоугольного сечения. Особенности и недостатки пластинчатых обмоток: – низкий коэффициент использования проводниковых и изоляционных материалов; – необходимость изготовления специальных штампов для вырубки скоб и прокладок; – их целесообразно использовать для ограниченной номенклатуры намоточных изделий; – необходимость тщательного анализа технических характеристик изделия с целью оценки экономической целесообразности применения пластинчатых обмоток. Пластинчатые обмотки целесообразно применять в намоточных изделиях при их крупносерийном производстве, когда экономически оправданы изготовление специального технологического оборудования и автоматизация процесса изготовления скоб и их соединения в обмотки. Другой случай применения пластинчатых обмоток — в намоточных изделиях, устанавливаемых в уникальных космических объектах (комплексах), где определяющими являются объем и масса элементов. Пластинчатые обмотки целесообразно использовать в трансформаторах и дросселях, рассчитанных на низкие напряжения и большие токи нагрузки, а также в тех случаях, когда намоточные изделия имеют небольшое число витков. В частности, такие обмотки успешно применяются в секционированных низковольтных выпрямителях, силовой трансформатор которых содержит одну многовитковую первичную обмотку, намотанную проводом круглого или прямоугольного сечения, а дроссель фильтра имеет N пластинчатых обмоток с небольшим количеством витков. В заключение проиллюстрируем преимущества пластинчатых обмоток несколькими примерами. Был произведен расчет, проектирование, экспериментальная проверка и внедрение в реальную аппаратуру следующих намоточных изделий. Пример 1. Трехфазный трансформатор с первичным питающим напряжением 3…200 В, 400 Гц. Первичная обмотка намотана проводом круглого сечения. Напряжение каждой вторичной обмотки 2 В, ток нагрузки 15 А. Число вторичных обмоток каждой фазы — 24, число витков каждой вто-

ричной обмотки — 1. Трансформатор с пластинчатыми обмотками имеет объем (на 18%) и массу (на 14%) меньше, чем аналогичный трансформатор с вторичными обмотками, намотанными проводом прямоугольного сечения. Параметры вторичных обмоток названных трансформаторов отличаются друг от друга на ±0,5% и ±2—3% соответственно. Пример 2. Дроссель фильтра, рассчитанный на номинальный ток подмагничивания 40 А и индуктивность 2,5 мГн. Обмотка первого дросселя была намотана проводом прямоугольного сечения, а второго — собрана из скоб 4-го вида. Дроссель с пластинчатыми обмотками имеет объем в 1,8 раза и массу в 1,4 раза меньшие, чем дроссель с обмоткой из провода прямоугольного сечения. Пример 3. Секционированный трансформатор с пластинчатыми обмотками, собранный на магнитопроводе СБ-48 и рассчитанный на частоту 30 кГц, применен в сетевом ИВЭП с выходным напряжением 5 В и током нагрузки 30 А, работающим от сети 220 В, 50 Гц [8]. Первичная обмотка состоит из трех секций, намотанных проводом с диаметром 0,75 мм, а вторичная обмотка представляет собой четыре двухвитковые секции из круговых колец, изготовленных из листовой меди толщиной 0,5 мм. Подобная конструкция обмоток трансформатора позволила существенно снизить его индуктивность рассеяния и улучшить другие электрические характеристики по сравнению с традиционными конструкциями. ЛИТЕРАТУРА 1. Каретникова Е.И., Рычина Т.А., Ермаков А.И. Трансформаторы питания и дроссели фильтра для радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Советское радио, 1973. 2. Патент Франции №2476898, Кл. НОIF 27/28, 1981. 3. Патент США №4367450, Кл. 336-200, 1983. 4. Шуваев Ю.Н. Электромагнитное устройство//Авторское свидетельство №1358009, HOIF 27/28, Б.И. 1987, №45. 5. Шуваев Ю.Н. Электромагнитное устройство//Авторское свидетельство №1410118, HOIF 27/28, Б.И. 1988, №26. 6. Шуваев Ю.Н., Грищенко Г.Ф. Электромагнитное устройство//Авторское свидетельство №1601647 HOIF 27/28, Б.И. 1988, №39. 7. Шуваев Ю.Н. Электромагнитное устройство//Патент №2040059 РФ, HOIF 27/28, Б.И. 1995, №20. 8. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. — М.: Радио и связь, 1989.

ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАБИЛ САДЕК (NABIL SADIQ), ст. инженер по применению ТРИНА НУР (TRINA NOOR), инженер по применению, Cooper Bussmann Предохранители защищают цепи от перегрузок по току, которые приводят к расплавлению защитного элемента и размыканию цепи. В статье рассматриваются основные характеристики предохранителей, критерии их выбора для различных приложений и те «подводные камни», о которых должен знать каждый разработчик. короткого замыкания на выходах или с помощью токоограничительной цепи, или схемы защиты от тепловой перегрузки. При выборе входного предохранителя для DC/DC-преобразователя следует знать и учитывать следующие параметры. 1. Номинальное напряжение. 2. Номинальный ток. 3. Ток разрыва. 4. Температурный уход параметров. 5. Интеграл плавления (I2t). 6. Максимальный ток повреждения цепи. 7. Соответствие стандартам. 8. Механические параметры.

ТИПЫ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Быстродействующие предохранители срабатывают, как только превышается их номинальный ток. Такая скорость необходима при эксплуатации чувствительной электронной техники и многих преобразователей. Эти предохранители, как правило, применяются в активных нагрузках с малыми уровнями пускового тока. Предохранители с задержкой времени срабатывают только в случае токовых перегрузок, длящихся ограниченное время, и, как правило, предназначены для защиты индуктивных и емкостных нагрузок от большого пускового тока при подаче питания. Задержка позволяет предотвратить предохранитель от бесполезного срабатывания. Этот тип устройств выдерживает большие броски тока, чем быстродействующие предохранители, и с успехом применяются для защиты входа DC/DC-преобразователей, т.к. в большинстве преобразователей имеется входная емкость, через которую протекает ток высокой амплитуды при начальной зарядке. Если внутренняя цепь преобразователя не выдерживает условий перегрузки, предохранитель препятствует возникновению огня или других разрушительных последствий. Большинство DC/DC-преобразователей защищено от

НОМИНАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Предохранители нормируются по постоянному или переменному напряжению, при котором они могут безопасно использоваться. Предохранитель, установленный в цепь переменного тока (АС), характеризуется иначе, чем в цепи постоянного тока (DC). В цепи АС амплитуда напряжения 50–60 раз в секунду проходит через нулевой потенциал, что препятствует возникновению дуги, образующейся при расплавлении плавкого элемента и образовании зазора. В цепях постоянного тока появление дуги исключить сложнее. Как правило, номинальное напряжение предохранителя переменного тока совпадает с напряжением сети — 110, 220, 415 В и т.д. Это значит, что предохранитель можно использовать при указанных напряжениях и он прошел испытания при значениях, по крайней мере, на 15% выше номинального. Если указано номинальное постоянное напряжение, то оно является максимальным и не должно быть превышено при эксплуатации. Другими словами, номинальное напряжение предохранителя должно быть равно или выше напряжения, максимально допустимого в системе. Предохранители нечувствительны к изменению напряжения в диапазоне номинальных значений, поэтому выбор

номинального напряжения жестко связан с вопросом безопасности системы. Предохранители могут работать при любом напряжении ниже или равном номинальному значению. НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК

Хотя у некоторых источников питания выходной ток регулируется, DC/ DC-преобразователи выдают постоянную мощность. Это значит, что при падении входного напряжения входной ток увеличивается таким образом, чтобы произведение P = V∙I осталось постоянным. Минимальный номинальный ток предохранителя определяется максимальным входным током DC/DC-преобразователя. Как правило, максимальное потребление тока происходит при максимальной выходной нагрузке и минимальном входном напряжении. Максимальная величина входного тока определяется из выражения ,

(1)

где POUT(MAX) — максимальная выходная мощность DC/DC-преобразователя; VIN(MIN) — минимальное входное напряжение DC/DC-преобразователя; КПД — эффективность DC/DC-преоб ра зователя при POUT(MAX) и VIN(MIN) (указана в спецификации). Чтобы предотвратить разрушение компонентов преобразователя, номинальный ток предохранителя выбирается с большим запасом так, чтобы предохранитель срабатывал не в установившемся режиме, а при перегрузке или коротком замыкании. Как правило, из этих соображений выбирается предохранитель, который выдерживает ток, превышающий максимальный входной ток в установившемся режиме на 150–200%, при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении сети. ТОК РАЗРЫВА

Номинальное значение тока плавления предохранителя определяется

Электронные компоненты №6 2011

51 ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Предохранители служат двум основным целям. 1. Защита компонентов, оборудования и людей от риска возникновения пожара и электрического удара. 2. Изоляция подсистем от основной системы. Существуют два типа перегрузки по току: 1) избыточная нагрузка, при которой протекающий по цепи ток превышает ее пропускную способность; 2) короткое замыкание, или выброс тока. Независимо от типа перегрузки характеристики предохранителей рассчитываются таким образом, чтобы эти коммутационные устройства были самым слабым звеном цепи.

Рис. 1. Типичная кривая температурного ухода параметров

максимальным током при номинальном напряжении, когда это устройство надежно срабатывает. Эта величина должна превышать максимальный ток короткого замыкания цепи. Номинальные значения тока плавления для переменного и постоянного токов различаются, и перед выбором предохранителя рекомендуется посмотреть его техническое описание. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ УХОД ПАРАМЕТРОВ

Если предохранитель используется при окружающей температуре, которая превышает стандартное значение 23°C, номинальный ток этого коммутационного устройства следует повысить. И, наоборот, при окружающей температуре ниже 23°C используются предохранители с меньшим значением номинального тока. На рисунке 1 показана типичная кривая ухудшения параметров предохранителя. Номинальный ток предохранителя определяется из выражения ,

(2)

где IINPUT(MAX) — ток, определяемый уравнением (1), или DC/DC-преобразователя; K TEMP — температурный уход параметров, определяемый из рисунка 1. Наименьшее подходящее номинальное значение тока рассчитывается путем округления полученной величины до ближайшего более высокого значения тока, указанного в спецификации. ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Таблица 1. Коэффициент импульса тока для твердотельных предохранителей Кол-во бросков тока 1–100000

Коэффициент импульса 1,25

Таблица 2. Коэффициент импульса тока для проволочных предохранителей Кол-во бросков тока

Коэффициент импульса

100 1000 10000 100000

2,1 2,6 3,4 4,5

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ИНТЕГРАЛ ПЛАВЛЕНИЯ

Максимальный пусковой ток DC/ DC-преобразователя, как правило, значительно выше тока в установившемся режиме. Кроме того, периодические броски тока могут оказаться достаточно большими, чтобы разогреть вставку предохранителя. И, хотя она не расплавляется, эти токи вызывают тепловое воздействие на элемент. Периодические расширения и сжатия плавкого элемента могут привести к возникновению механической усталости и преждевременному отказу. При выборе предохранителя необходимо учитывать суммарную величину расплавления. Эта величина I2t представляет собой тепловую энергию, необходимую для расплавления конкретной вставки. Значение I2t определяется конструкцией этого элемента, его материалом и площадью поперечного сечения. Задача разработчика в том, чтобы выбрать предохранитель с таким минимальным значением I2t, которое превышает энергию импульса пускового тока. В этом случае предохранитель не сработает в условиях переходного процесса. Для надежной работы системы с требуемым числом циклов включения требуется выполнить следующее условие: I2t(Fuse) = I2t(Pulse)∙Fp, (3) где I2t(Fuse) — суммарное значение энергии расплавления предохранителя; I2t(Pulse) — энергия импульса тока; Fp — коэффициент импульса (зависящий от конструкции плавкого элемента, см. табл. 1, 2). Величина I2t(Fuse) указывается в технической спецификации предохранителя. Рекомендуется использовать минимальное или номинальное, а не максимальное значение интеграла плавления из уравнения (3). МАКСИМАЛЬНЫЙ ТОК ПОВРЕЖДЕНИЯ ЦЕПИ

При выборе предохранителя следует также обратить внимание на пусковые токи и нестационарные условия нагрузки. При подаче питания на DC/ DC-пре об ра зователь конденсаторы на его входе должны быть заряжены.

Время зарядки конденсаторов от тока I = V/R, поступающего на входы преобразователя с типового источника питания, составляет менее 10 мс. При этом входное напряжение V скачкообразно изменяется, а R определяется сопротивлением разводки, сопротивлением источника тока при включении и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) входных конденсаторов преобразователя. В DC/DC-преобразователях крупного размера часто используется большой конденсатор с очень низким значением ESR. Пусковой ток в этих случаях оказывает существенное воздействие на работу предохранителя. Выбор правильного размера этого устройства позволит пусковым токам проходить через него, не вызывая оплавления и не разрушая плавкий элемент в процессе эксплуатации. При расчете энергии токового импульса следует, в первую очередь, определить его величину и продолжительность. Наиболее правильным способом определения параметров импульса является измерение этого тока в приложении при минимальном и максимальном напряжениях. Следует заметить, что значения интеграла плавления I2t необходимо рассчитывать при максимальных значениях тока и времени импульса. Например, если ток в установившемся режиме максимален на стороне низкого напряжения, к значению этого тока следует прибавить наброс нестационарной нагрузки, чтобы установить пиковую величину тока в условиях функционирования преобразователя. Однако пусковой ток, как правило, максимален при максимальном входном напряжении. Интеграл плавления I2t необходимо оценивать по максимальному значению, чтобы предохранитель не перегорел при «нормальных» рабочих условиях. Коэффициент импульса зависит от конструкции плавкого элемента (см. табл. 1, 2). Запатентованная твердотельная конструкция, используемая в серии предохранителей R 0603FA, 3216FF, CC12H и CC06 компании Cooper Bussmann, обеспечивает периодическую работу и хорошие температурные характеристики этих устройств, позволяя существенно снизить ложные срабатывания. Кроме того, эти предохранители небольшого размера защищают от непредвиденных бросков тока со стороны системы, а жесткая конструкция позволяет уменьшить перегрев предохранителей от повторных бросков, которые могут вызвать срабатывание устройств при небольших токах. Проволочная конструкция у предохранителей 3216TD и новой серии

S505H, а также многих традиционных трубчатых предохранителей обеспечивает защиту от высоких пусковых токов. Проволочная технология позволяет создавать небольшие предохранители, не жертвуя показателем I2t, диапазонами рабочей температуры или напряжения. Использование предохранителей с надежной возможностью защиты от всплесков пускового тока означает меньшую частоту срабатывания этих устройств.

Требования североамериканского стандарта UL/CSA, а также европейских стандартов IEC для устройств, предохраняющих от перегрузки по току, существенно разные в отношении кривых зависимости тока от времени. Предохранители стандарта UL должны срабатывать при токе, равном 135% от номинального значения, тогда как в соответствии с IEC это значение выше — 150%. Требования UL и IEC к физическим размерам и используемым материалам предохранителей одинаковы. Однако предохранители, изготовленные по разным стандартам, взаимно незаменяемы. Время оплавления их элементов и срабатывания отличаются при воздействии тока одной амплитуды. При выборе предохранителя, который удовлетворяет требованиям системы и стандарту, необходимо учесть следующее. – Номинальный ток предохранителя не должен превышать значения, используемого при безопасном тестировании DC/DС-преобразователя, защиту которого требуется обеспечить. – Предохранитель устанавливается на незаземленную сторону схемы, чтобы обеспечить бесперебойное заземление в случае срабатывания предохранителя. – Входные проводники цепи и заземления шасси могут проводить ток, который в 1,5 раза превышает номинальный ток предохранителя. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

В электронных схемах применяется большое количество предохранителей разных физических размеров. Самая распространенная конструкция — цилиндрическая размерами 5×15 мм, 5×20 мм и 6,3×32 мм. Цилиндрические предохранители устанавливаются в пружинные держатели с аксиальными выводами для пайки на плату. Сверхминиатюрные предохранители используются в том случае, если пространство на плате ограничено. В таких случаях выполняется монтаж этих устройств в сквозные отверстия платы или поверхностный монтаж.

Рис. 2. Размещение предохранителей в схеме типового DC/DC-преобразователя

Стандартными размерами корпуса для предохранителей под поверхностный монтаж являются 0402 (1005), 0603 (1608), 1206 (3216), 6125 и 1025. ТИПОВОЕ РАЗМЕЩЕНИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

Правила техники безопасности требуют использования предохранителей для защиты источников питания переменного тока и защиты против любого катастрофического отказа конденсаторов во входном фильтре, модуля с ККМ, выходных конденсаторов или DC/DC-преобразователей, где размещение предохранителя F1 (см. рис. 2) является стандартным. Он устанавливается рядом со входом таким образом, чтобы все остальные компоненты находились дальше по цепи и были защищены. Повышающий модуль с ККМ, как правило, не имеет защиты от перегрузки по току. Если на выходе этого блока происходит короткое замыкание, в нем не срабатывает устройство по отключению питания. Таким образом, предохранитель F1 во входной цепи переменного тока защищает этот модуль. Несмотря на защиту предохранителя в первичной цепи, расположенные далее по схеме предохранители постоянного тока F2 и F3 (см. рис. 2) ограничивают мощность, поступающую от накопительных конденсаторов, и предотвращают катастрофический отказ DC/DC-преобразователей. При отказе одного из преобразователей другой продолжает работу. Предохранители F2 и F3 обеспечивают дополнительные преимущества при разработке схемы на рисунке 2. Так, у каждого из преобразователей имеется отдельное питание, а модуль с ККМ может работать на внешнюю нагрузку. Помимо того, что предохранители облегчают тестирование различных силовых участков схемы при разработке устройства, они помогают выполнять поиск и устранение неисправностей в производстве и в ремонте. Предохранитель F1 на рисунке 2 обеспечивает защиту в первичной цепи

трансформатора от перегрузки по току. В этом случае рекомендуется использовать предохранители, нормированные по сетевому напряжению, которое, как правило, составляет 125/250 В AC. В качестве F1 можно использовать следующие компоненты: – SR-5/SS-5 с радиальными выводами; – быстродействующий предохранитель S501-2-R; – керамические трубчатые предохранители C310T с аксиальными выводами (см. рис. 3), размерами 3,6×10 мм и с задержкой времени. Предохранители F2 и F3, которые обеспечивают защиту во вторичной цепи трансформатора, должны быть нормированы по напряжению 400 В DC или выше. В качестве F2 и F3 можно использовать следующие компоненты: – PC-Tron (до 2,5 А) (см. рис. 4); – серия S505H: 400 В DC/500–600 В AC, с задержкой времени и размерами 5×20 (см. рис. 5).

Рис. 3. Серия компактных предохранителей C310T

Рис. 4. Предохранители PC-Tron на 2,5 A

Рис. 5. Серия предохранителей S505H с задержкой времени

Электронные компоненты №6 2011

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТАМ

ОПТИМИЗАЦИЯ ДРОССЕЛЕЙ ДЛЯ СХЕМ ККМ ЧАРЛЬЗ УАЙЛЬД (CHARLES WILD), Precision, Inc. Европейский Союз признал важность задачи увеличения коэффициента мощности и разработал стандарты, способствующие ее решению. В ближайшей перспективе схема коррекции коэффициента мощности (ККМ) будет востребована практически во всех приложениях. Оптимальный выбор дросселей для цепей ККМ связан с взаимоисключающими требованиями. В статье даются практические рекомендации по выбору этих компонентов, в т.ч. с помощью интерактивного калькулятора PL Product — разработки компании Precision.

Чрезмерное потребление электричества и невысокая эффективность компонентов более недопустимы. Повышение коэффициента мощности позволит увеличить полный электрический КПД системы и снизить ее потребление. До сих пор большинство применявшихся в схемах ККМ дросселей разрабатывалось под заказ, и потому их стоимость была высока, а время выхода на рынок — продолжительным. Применение интерактивных инструментов разработки для выбора характеристик компонентов позволяет установить оптимальный коэффициент мощности для стандартных дросселей. Решение проблем, связанных с выбором коэффициента мощности, происходит разными путями. Однако не во всех случаях схема ККМ позволяет найти верное решение. Непонимание того, что представляет собой коэффициент мощности и какова его роль, может привести к неэффективному решению. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Коэффициент мощности (КМ) — мера того, насколько эффективно используется электрическая энергия. Этот показатель равен отношению активной и кажущейся мощности. Кажущаяся мощность является функцией полного импеданса (Z) цепи и векторной суммы активной и реактивной мощностей. На рисунке 1 показаны векторные соотношения между этими параметрами. Активную мощность определяют диссипативные элементы — как пра-

Рис. 1. Векторное представление мощностей цепи переменного тока

WWW.ELCOMDESIGN.RU

вило, сопротивления (R), тогда как реактивную мощность — реактивные элементы цепи (Х) (конденсаторы и катушки индуктивности). Поскольку кажущаяся мощность представляет собой произведение напряжения цепи на ток (без сдвига фаз между ними), она измеряется в единицах В∙А. Коэффициент мощности — реальный показатель эффективность потребления мощности цепи. В цепях, состоящих только из резистивных элементов, КМ равен 1. Корректор мощности цепей, в которых присутствуют емкостные или индуктивные элементы, ниже единицы. Из двух цепей, потребляющих одинаковое количество активной мощности, в цепи с меньшим КМ циркулируют большие токи за счет того, что энергия накопителя в нагрузке возвращается в источник питания. Эти большие токи приводят к более высоким потерям и снижению суммарного КПД. Цепь с меньшим КМ характеризуется большей кажущейся мощностью и большими потерями при той же активной мощности. Коррекция коэффициента мощности позволяет увеличить его в цепи переменного тока путем добавления равной и противоположной нагрузки, нейтрализующей реактивное сопротивление цепи. Конденсаторы и дроссели добавляются таким образом, чтобы снизить индуктивные или емкостные составляющие нагрузки. Емкостное реактивное сопротивление нейтрализуется лишь за счет индуктивной составляющей, и наоборот. В результате сложения противоположных реактивных сопротивлений суммарный импеданс цепи становится равным ее общему сопротивлению. Другими словами, значения активной и кажущейся мощностей выравниваются, а КМ увеличивается до единицы. Еще одной причиной, по которой необходима коррекция коэффициента мощности, являются требования международных стандартов, в первую

очередь, те из них, которые регламентируют использование оборудования в европейских странах. Европейский Союз установил ограничения на гармонические токи, которые могут появляться в цепях переменного тока импульсных источников питания. Стандарт EN61000-3-2 определяет применение источников тока с входной мощностью равной 75 Вт и выше при токах до 16 А. Источники питания с цепями ККМ, удовлетворяющие стандарту EN61000-3-2, характеризуются большими КМ величиной 0,97 и выше. Большинство производителей микросхем в настоящее время использует «готовые» дроссели в выпускаемой продукции, которые не соответствуют требованиям схем ККМ, или дорогостоящие дроссели, изготовленные на заказ. ВЫБОР МАТЕРИАЛА СЕРДЕЧНИКА

Дроссель, или элемент с реактивным сопротивлением, является пассивным электрическим компонентом, который накапливает энергию магнитного поля, созданного проходящим электрическим током. Способность дросселя запасать энергию магнитного поля определяется его индуктивностью. Как правило, дроссель представляет собой проводник в форме катушки, витки которой создают большое магнитное поле внутри нее в соответствии с законом Ампера. По закону Фарадея изменяющееся во времени магнитное поле приводит к возникновению напряжения, которое согласно закону Ленца препятствует изменению тока, породившего это напряжение. Дроссели используются в составе фильтров в источниках питания или для блокировки сигналов переменного тока. Почти все типы дросселей применяются в схемах ККМ, но в этой публикации мы остановимся только на тороидальных дросселях. Эти компоненты обеспечивают лучшие характе-

Таблица 1. Рекомендации по выбору магнитного сердечника Характеристики

Подмагничивание за счет постоянной составляющей

Потери AC

Наименьшая стоимость

Наилучшие

High Flux

Ферритовый с зазором

High Flux

Kool Mμ

Лучшие

XFlux

MPP

Железный порошок

Kool Mμ

High Flux MPP

Мягкое насыщение* Термостабильность

Лучшие

Слоистый кремнистый чугун Слоистый аморфный металл

Kool Mμ

MPP

Плохие

Слоистый аморфный металл

XFlux

Iron Powder

Таблица 2. Диапазон рабочих частот магнитных материалов Материал сердечника Диапазон частот High Flux до 50 кГц MPP до 200 кГц Kool Mμ до 200 кГц Железный порошок до 25 кГц Слоистый кремнистый чугун до 10 кГц Феррит с зазором 20 Гц...2 МГц Слоистый аморфный металл 10...100 кГц XFlux до 25 кГц

Рис. 2. Тороидальный дроссель с улучшенными монтажными характеристиками

Kool Mμ

ристики, чем другие типы дросселей. Тороидальные устройства имеют меньший объем, вес и генерируют меньше электромагнитных помех. Теплообмен намотки тороидального дросселя с окружающей средой более эффективен за счет того, что охлаждается пропорционально большая поверхность проводников. Тороидальная конструкция позволяет почти полностью избавиться от магнитного поля вне катушки, что снижает электромагнитные помехи относительно других дросселей равной номинальной мощности. Однослойная намотка витков на полный оборот вокруг сердечника обеспечивает хорошую индуктивную связь между витками и меньшую индуктивность рассеяния. Тороидальные дроссели применяются в любом приложении, некритичном к форме этого компонента. Сердечники тороидальных дросселей выполняются из разных материалов: кремнистой стали, железоникелевых сплавов, молибденопермаллоевого и железного порошков, ферритов и т.д. Изготавливаютс я также тороидальные дроссели с воздушными сер-

дечниками. Каждый сердечник из таких материалов как Kool mμ, сендаст, Hi Flux, молибден-пермаллой и XFlux обеспечивает уникальное решение по частоте, допустимой мощности и подмагничиванию. В таблице 1 даны основные рекомендации по выбору материала сердечника. Еще одним критерием выбора материала сердечника является диапазон рабочих частот этого материала. При определении рабочей частоты ищется компромисс между потерями и материалами сердечника и обмотки. Расчеты показывают, что сердечник работает вплоть до 300—400 кГц, но после 125 кГц его параметры ухудшаются. В таблице 2 приведены рекомендации относительно максимальной рабочей частоты для нескольких материалов сердечника. В идеальном случае дроссель должен быть небольшим и недорогостоящим. Однако при этом не должны пострадать его надежность или

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Рис. 3. Характеристики ККМ-дросселя

Электронные компоненты №6 2011

Рис. 4. Ожидаемая кривая пульсаций тока выбранного дросселя

основные характеристики. Сердечник должен иметь относительно низкую проницаемость, чтобы избежать подмагничивания постоянным током. Если в материале с высокой проницаемостью имеется зазор, следует учесть его расположение и возникающие потери. Чаще всего в этих случаях вместо феррита используются такие материалы с распределенным зазором как железный порошок, MPP, сендаст, KoolMμ. Монтаж тороидального дросселя упростился благодаря стандартизации держателей и методов установки. В зависимости от размера тороида для упрочения монтажа используются также эпоксидная смола, винты и крепления. Разработчик имеет возможность установить дроссель в вертикальном или горизонтальном положениях в зависимости от свободного пространства на плате или в корпусе. Например, при горизонтальной установке тороид занимает слишком большое место на плате, тогда как в некоторых других приложениях вертикальный монтаж этого компонента невозможен из-за ограничений по высоте. На рисунке 2 показан тороидальный дроссель с

улучшенными монтажными характеристиками. Одной из причин сложного проектирования цепей ККМ является необходимость понимания инженером рабочих характеристик дросселя и его влияние на цепь ККМ при изменении критериев построения цепи. Выбор дросселя по-прежнему зависит от рабочего режима, диапазона частот, максимальной выходной мощности, КПД, максимального и минимального значений переменного напряжения, выходного напряжения и тока пульсаций. Как правило, наиболее важным фактором, определяющим окончательный выбор, является размер и стоимость дросселя, а не оптимальные параметры дросселя. Разработчик должен балансировать между различными и подчас противоположными требованиями. В таком случае выбирается приоритетная характеристика. Несколько компаний разработало стандартные дроссели, предназначенные для ККМ источников питания. Например, линейка ККМ-дросселей одной компании основана на методе работы в режиме непрерывной про-

водимости CCM (continuous conduction mode) с рабочей частотой 100 кГц, КПД = 92%, VIN = 85...265 В, VOUT = 385 В. При этом был стандартизован не только собственно дроссель, но и его процесс выбора. На Форуме APEC 2010 компания Precision представила свою разработку — интерактивный инструмент PL Product, позволяющий начинающим инженерам ускорить оценку и выбор дросселей, которые используются в ККМ-цепях. Как правило, ККМ-дроссели выбираются с учетом ряда параметров схемы, т.е. минимального напряжения цепи, частоты переключения, тока пульсаций, выходного постоянного напряжения и т.д. С одной стороны, такой подход оптимизирует выбор дросселя, а, с другой, он затрудняет понимание взаимосвязи и поиск компромисса между параметрами цепи и дросселя. Инструмент PL Product позволяет обойти эти трудности путем разделения выходной мощности и индуктивности, определяющих ток пульсаций в ККМсхеме. С помощью этого инструмента инженер делает оптимальный выбор, не вникая в противоречивые проблемы. На рисунке 3 представлены характеристики выбираемого дросселя. На рисунке 4 смоделирована кривая пульсаций тока выбранного дросселя. Инженеры компании Precision разработали также интерактивный калькулятор PL Product (http://pfc.precision-inc. com) — программное обеспечение, с помощью которого разработчик определяет характеристики ККМ-дросселей в заданном диапазоне выходной мощности. Использование подобных инструментов и промышленных стандартов на дроссели поможет снизить стоимость решений и будет способствовать повышению КПД системы. ЛИТЕРАТУРА 1. D. Michael Shields. A Practical Approach to Boost CCM Power Factor Corrector Design. 2. Welly Chou. PL product tool.

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

56 НОВОСТИ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ | НАЧИНАЮЩАЯ КОМПАНИЯ ЗАЯВИЛА ОБ АЛЬТЕРНАТИВЕ NFC | Компания Naratte разработала метод отправки информации с помощью ультразвука. Данная технология представляет собой альтернативу NFC компании NXP, т.к. может использоваться в системах мобильных платежей. Новая технология носит название Zoosh. Naratte заявила, что обработчик транзакций SparkBase уже применяет Zoosh в приложении PayCloud. Другие приложения, которые находятся в процессе разработки, включают платежи с телефона на телефон, с телефона на точку продажи, цифровые талоны, Bluetooth-контакт и т.д. К настоящему времени число проектов с применением NFC увеличилось многократно, однако большинство из них еще не вышло из пилотной стадии. Развитие этого направления сдерживает нехватка устройств, оснащенных специальными кристаллами. Технология Zoosh предлагает альтернативу, которая, сохраняя преимущества NFC, позволяет использовать уже присутствующие на рынке устройства после обновления их программного обеспечения. Zoosh основана на использовании ультразвука, который человеческое ухо не воспринимает, а также алгоритмов собственной разработки компании. Звук воспроизводится как стандартный MP3-файл на ограниченном расстоянии с использованием уникального ID. www.elcomdesign.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

НИЗКОИНДУКТИВНЫЕ РАЗВЯЗЫВАЮЩИЕ КОНДЕНСАТОРЫ ИРЖИ ПЕРНИЦКИЙ (JIŘI PERNICKY), AVX Marketing

Требования современных систем вынуждают разработчиков повышать вычислительную мощь процессоров. При этом необходимо, чтобы компоненты имели небольшие размеры, вес и характеризовались малым потреблением. Чтобы допустимый уровень пульсаций питающего напряжения был предельно мал, в цепях питания применяются сглаживающие конденсаторы с очень низкой индуктивностью. Такую индуктивность обеспечивают новые конденсаторы LGA-типа.

НЕМНОГО ИСТОРИИ

За последние 10—12 лет развязывающие конденсаторы претерпели эволюцию, превратившись из многослойных керамических конденсаторов (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC) в низкоиндуктивные чипконденсаторы (Low Inductance Chip Capacitors, LICC), затем в многовыводные конденсаторы с встречногребенчатой структурой (Inter-Digital Capacitors, IDC), низкоиндуктивные конденсаторные матрицы (Low Inductance Capacitor Arrays, LICA) и, наконец, в конденсаторы с матрицей контактных площадок (Land Grid Arrays LGA) (см. рис. 1). Необходимость усовершенствования конденсаторов диктовалась требованиями низкоиндуктивных систем питания, скорость переключения которых увеличивалась наряду с плотностью транзисторов в процессорах. Развязывающий низкоиндуктивный конденсатор перезаряжается с высокой скоростью, обеспечивая очень высокую эффективность сглаживания. Конденсаторы с малой величиной ESL

позволяют снизить импеданс схемы при работе на высоких частотах. Они обеспечивают хорошую АЧХ вносимых потерь в высокоскоростных линиях передачи, несмотря на выоскую плотность данных, обрабатываемых современными процессорами. Кроме того, низкоиндуктивные конденсаторы настолько хорошо снижают шум, что количество этих компонентов резко снижается. Такое уменьшение числа развязывающих конденсаторов экономит занимаемое на плате место и уменьшает ее вес, а надежность системы повышается. ИНДУКТИВНОСТЬ РАЗВЯЗЫВАЮЩЕГО КОНДЕНСАТОРА

Индуктивность конденсатора появляется из-за взаимодействия полей магнитных потоков, возникающих при

протекании электрического тока через устройство на плате. Токовую петлю образуют не только внутренние электроды многослойного конденсатора и контакты, но и шины питания, сквозные отверстия, монтажные площадки и кромка припоя на подложке или корпусе (см. рис. 2). МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ИНДУКТИВНОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Известны два простых метода снижения ESL конденсатора: 1) уменьшение токовой петли; 2) использование нескольких петель для уменьшения суммарной индуктивности. Эти методы отчасти связаны друг с другом, если учесть, что токовая петля имеет третье измерение, перпендикулярное ее плоскости. Для уменьшения ESL эта петля минимизиру-

57 Рис. 1. Эволюция развязывающих конденсаторов с малой индуктивностью

Рис. 2. Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) многослойного керамического конденсатора обусловлена токовой петлей (LH × LW) между платой и конденсатором

Рис. 3. У копланарных чип-конденсаторов (LICC) индуктивность меньше, чем у многовыводных (MLCC) компонентов из-за меньшей токовой петли и большей длины

Электронные компоненты №6 2011

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Использование развязывающих конденсаторов с малой индуктивностью является предпочтительным решением по сравнению с выбором стандартных керамических конденсаторов. Первые из этих компонентов позволяют сэкономить занимаемое на плате место, снизить ее вес и повысить суммарную надежность системы. Первые низкоиндуктивные конденсаторы быстро нашли применение для развязки в электронных системах спутников и космических кораблей. В настоящее время эти конденсаторы используются во многих быстродействующих цепях, обеспечивающих высокоскоростную передачу и обработку видеоинформации.

Рис. 4. Разделение электродов на секции чередующейся полярности позволяет уменьшить ESL по сравнению с чип-конденсаторами LICC

Рис. 5. В конденсаторах LGA используется вертикальная конструкция электродов ESL, благодаря чему достигается очень низкая ESL

тродов изменена на вертикальную. При этом выводы располагаются на нижней поверхности устройства, что позволяет сигналам напрямую поступать в монтажную плату. Для обеспечения низкой индуктивности конденсаторов LGA применяются уже рассмотренные методы, а также используется другая конфигурация внутренних электродов, что позволяет существенно уменьшить площадь петель по сравнению с другими решениями. Благодаря новой структуре электродов и выводов индуктивность 2-выводных конденсаторов LGA с относительно простой конструкцией не превышает индуктивности многовыводных компонентов IDC (см. рис. 6). Низкоиндуктивные конденсаторы LGA легко устанавливаются на печатную плату, обеспечивая оптимальную индуктивность. КОНДЕНСАТОРЫ LICA

Рис. 6. У конденсаторов 0306 2T-LGA на 1 мкФ выводы имеют упрощенную конструкцию, сходную с конфигурацией устройств типа LICC

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

ется. Одновременно ее составляющая вдоль длины конденсатора максимально увеличивается. В результате были разработаны низкоиндуктивные чипконденсаторы LICC, у которых эффективная токовая петля имеет меньшую площадь, чем у многовыводных конденсаторов MLCC при тем же размере корпуса, а индуктивность ниже в 3—4 раза. Суть второго метода снижения индуктивности развязывающего конденсатора ясна при сравнении компонентов LICC и IDC. Как видно из рисунка 4, длинные выводы конденсаторов LICC можно разделить на секции чередующейся полярности, в результате чего в устройстве IDC образуется несколько параллельных токовых петель малой площади. Сосредоточенная индуктивность 8-выводного конденсатора IDC примерно в три раза меньше, чем у LICC с корпусом того же размера. Далее индуктивность IDC понижается путем увеличения выводных контактов на любой из четырех сторон компонента, желательно с меньшим шагом. Такая конструкция была получена за счет совершенствования метода образования параллельных петель небольшой площади. Наконец, для определенного типа конденсатора

WWW.ELCOMDESIGN.RU

(MLCC, LICC или IDC) с заданным числом выводов индуктивность снижается при уменьшении размеров корпуса компонента, величина которого напрямую связана с площадью токовой петли. В итоге эволюции низкоиндуктивных развязывающих конденсаторов от многослойных керамических компонентов до устройств с встречногребенчатой структурой и малым размером корпуса усложнилась конфигурация выводов, и произошло нежелательное уменьшение максимально допустимой емкости. При решении проблем изготовления таких конденсаторов и монтажа их на плату представилась возможность усовершенствовать эти компоненты. КОНДЕНСАТОРЫ С МАТРИЦЕЙ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК

У всех указанных выше конденсаторов имеются схожие особенности. Во-первых, внутренние электроды этих компонентов после монтажа ориентированы горизонтально, т.е. параллельно подложке. Во-вторых, электрические сигналы поступают и покидают эти устройства через выводы на боковой поверхности конденсатора. В конденсаторе новой конструкции (LGA) конфигурация внутренних элек-

Низкоиндуктивные конденсаторные матрицы LICA считаются лучшим выбором для развязки в высокопроизводительных полупроводниковых устройств. В LICA используются шариковые выводы С4 в свинцовом и бессвинцовом исполнениях. Вертикальные электроды, а также токовая петля минимальной площади обеспечивают высокие характеристики практически во всех приложениях по развязке. ВЫВОДЫ

Низкоиндуктивные конденсаторы были усовершенствованы, главным образом, за счет новых технологий производства выводов. Данные технологии позволяют устранить токовые петли в развязывающих конденсаторах. При этом разводка печатной платы должна быть оптимизирована таким образом, чтобы после монтажа конденсаторов на плату у них сохранилась низкая индуктивность. Низкоиндуктивные конденсаторы применяются во многих быстродействующих системах, число которых постоянно увеличивается. Способность этих компонентов понизить импеданс земляного слоя платы позволяет уменьшить излучаемые помехи. Кроме того, низкоиндуктивные конденсаторы позволяют уменьшить число выводов, вес системы и сложность монтажа, повысив тем самым надежность решения.

ЛИТЕРАТУРА 1. Jiři Pernicky. Low Inductance Capacitors used in Mil — ASIC Decoupling//www. electronicscomponentsworld.com.

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ | ПАНЕЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР СЕРИИ MPC С ДИАГОНАЛЬЮ 42 ДЮЙМА | Компания Avalue представила новую модель панельного компьютера — MPC-42W5-A1R. Основные преимущества MPC-42W5-A1R — большой экран c диагональю 42 дюйма (107 см) и разрешением 1920×1080, производительный двухъядерный процессор компании Intel, высокопроизводительная видеоподсистема, сетевой адаптер Gigabit Ethernet. Всё это позволяет компьютеру получать по сети Ethernet и воспроизводить на экране рекламную видеоинформацию в формате HD. Безвентиляторная система охлаждения повышает надёжность работы устройства и позволяет эксплуатировать этот компьютер в неблагоприятных условиях (запылённость, влажность). MPC-42W5-A1R рекомендуется для использования в качестве рекламноинформационных устройств в: – местах регулировки транспортных и людских потоков (аэропорты, вокзалы, метро); – университетах и колледжах; – офисах компаний; – учреждениях здравоохранения и медицинского обслуживания; – правительственных учреждениях; – финансовых организациях (банки, страховые компании, налоговые инспекции); – центрах обслуживания населения (почтовые отделения, паспортные столы); – музеях; – конгресс-центрах; – торговых центрах, сетевых магазинах; – развлекательных центрах; – сетях платежных терминалов и банкоматов; – спортивных комплексах и стадионах; – сетях заправочных станций; – рекламе на транспорте; – сетях торговых автоматов; – отелях, гостиницах. Основные технические характеристики компьютера MPC-42W5-A1R: – размеры экрана: 42”, 16:9; – разрешение экрана: 1920×1080; – яркость экрана: 450 кд/м²; – процессор: Intel Atom Dual Core D525, 1,8 ГГц; – оперативная память: 1 Гбайт, дополнительно устанавливается до 3 Гбайт; – Интерфейсы: 1×CF, 1×COM, 2×USB, 1×Mini-PCIe, модуль WiFi 802.11 n/g/b (опция); – безвентиляторное охлаждение; – крепление VESA; – напряжение питания: AC 110 ~ 220 В/DC 24 В Всю информацию, а также рекомендации по применению можно получить в любом из наших офисов или обратившись к нам по электронной почте. ЭЛТЕХ, ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

| МОБИЛЬНАЯ ПЛАТФОРМА INTEL CLOVER TRAIL ВЫЙДЕТ В 2012 г. | Корпорация Intel, как сообщают веб-источники, намерена приурочить анонс мобильной платформы следующего поколения Clover Trail к выходу операционной системы Windows 8. Главной составляющей Clover Trail станет процессор Cloverview с ядром Atom, выполненный по 32-нанометровой технологии. Чип характеризуется небольшим энергопотреблением, благодаря чему обеспечивает автономную работу гаджетов от аккумуляторной батареи довольно продолжительное время. Платформа Clover Trail послужит основой для планшетов, трансформируемых нетбуков и тонких лэптопов. Ожидается, что в сегменте мобильных устройств процессоры Cloverview будут конкурировать с системами на чипе с архитектурой ARM. Точные сроки анонса Clover Trail пока не называются. Скорее всего, платформа дебютирует во второй половине 2012 г., поскольку именно на этот период намечена презентация Windows 8. www.elcomdesign.ru | «РОСНАНО» ДОКУПИЛО 7,2% «ОПТОГАНА» | Акциями ЗАО «Оптоган» — разработчика и производителя осветительной техники на основе светодиодов — владеют также ОАО «Республиканская инвестиционная компания» и группа «ОНЭКСИМ». В совокупности с уже имеющимися акциями доля «Роснано» выросла с 17,7% до 24,999872%. Общий объем инвестиций в проект создания производства светодиодных чипов и светотехники на основе нанотехнологий составил 3,3 млрд руб. Ожидается, что объем выручки компании в 2013 г. составит около 6 млрд руб. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №6 2011

НОВОС ТИ

СОБЫТИЯ РЫНКА

ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ В НОВЫХ ГИБРИДНЫХ КОНДЕНСАТОРАХ ВЫШЕ НА 115% CЭМ ДЭВИС (SAM DAVIS), главный редактор, PET В статье рассматриваются основные параметры и области применения гибридных конденсаторов, изготовленных по технологии EDLC (Electric Double-Layer Capacitor — конденсатор с двойным электрическим слоем) и литиево-ионной технологии.

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Разработанные компанией Ioxus гибридные конденсаторы схожи с литиево-ионными батареями. Но если батареи допускают лишь несколько тысяч циклов зарядки/разрядки, то у конденсаторов Ioxus этот показатель превышает 20 тыс. циклов. Гибридные конденсаторы накапливают заряд на поверхности, а не внутри электродов, как это происходит у батарей. Плотность энергии гибридных конденсаторов превышает аналогичный показатель стандартных ультраконденсаторов на 85–115%. Гибридные конденсаторы характеризуются большей мощностью, чем литиево-ионные батареи, но накапливают меньший заряд. У гибридных конденсаторов имеются и другие преимущества перед стандартными ультраконденсаторами, плотность которых достигает 12,8 Вт∙ч/ кг. У гибридного конденсатора возможность накопления энергии выше, а питание приложений с его помощью осуществляется быстрее и эффективнее. Гибридные конденсаторы Ioxus (см. рис. 1) заряжаются от напряжения 1,0– 2,3 В DC. Максимальная мощность этих устройств достигает 5 кВт∙ч/кг, тогда как у мощных батарей этот показатель не превышает 3 кВт∙ч/кг. Еще одно преимущество гибридных конденсаторов Ioxus в том, что их диапазон рабочих температур составляет –25…60°C. При –25°C гибридный конденсатор теряет только 5% энергии, тогда как батарея — 50% и более. Гибридные ультраконденсаторы на 90–95% эффективнее, чем батареи. Компания Ioxus совместно с Университетом Бингемтона работает над увеличением плотности энергии гибридных конденсаторов. Эта компания приступила к разработке ячеек, которые способны накапливать значительно большую энергию, чем это позволяют устройства на базе технологии EDLC. Новый гибридный ультраконденсатор с большим сроком службы, расширенным температурном диапазоном и высокой плотностью энергии

WWW.ELCOMDESIGN.RU

предназначен для приложений автомобильной электроники, резервных запоминающих устройств, светодиодной подсветки и т.д. В системах автомобильной электроники гибридные конденсаторы используются для кратковременного запаса энергии для запоминающих устройств, а также в системе автоматического открытия/закрытия дверных окон. Благодаря более продолжительному сроку службы гибридные конденсаторы можно использовать вместо батарей в ноутбуках. Эти конденсаторы позволят открыть окна в помещениях или дверные замки в случае аварии в энергосети. Гибридные конденсаторы Ioxus заряжаются так же быстро, как и разряжаются, что позволяет быстро удовлетворить потребность устройств в питании большим зарядом. В зависимости от размера ячейки ток зарядки может достигать 8 А. Гибридные конденсаторы применяются в лампах-вспышках; светодиодных приложениях; запоминающих устройствах; переносном ручном инструменте; солнечных зарядных устройствах; системах неэлектрофицированного освещения; автомобильной электронике.

Особенности гибридных конденсаторов: – высокая плотность энергии; – высокая плотность мощности; – низкое внутреннее сопротивление (ESR); – срок службы — 10 лет; – большое количество циклов (>20 тыс.); – совместимость по стандарту RoHS. ТИПИЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

К числу многих приложений технологии EDLC относится питание свето-

Рис. 1. Гибридные конденсаторы Ioxus на 220, 800 и 1000 Ф

Таблица 1. Параметры гибридных конденсаторов Параметры Диапазон рабочих температур Диапазон температуры хранения Номинальное напряжение Импульсное напряжение Допуск на отклонение емкости Количество циклов (25°С, Vr) Срок службы

Долговечность

Срок годности при хранении

Значения –25…60°С –30…70°С 2,3 В DC 2,5 В DC ±10% Более 20 тыс. циклов при 25°С в диапазоне 0,5Vr… Vr Уменьшение ΔC < 30%, увеличение ESR < 200% Более 10 лет при 25°С, Vr Уменьшение ΔC < 30%, увеличение ESR < 200% Более 1000 ч при 60°С, Vr Изменение емкости В пределах 30% от указанной начальной величины Внутреннее сопротивление ESR В пределах 200% от указанной начальной величины Более 1000 ч при 70°С без нагрузки (0 В DC) Изменение емкости В пределах 30% от указанной начальной величины Внутреннее сопротивление ESR В пределах 200% от указанной начальной величины

Рис. 2. Накопленный в гибридном конденсаторе заряд обеспечивает энергией импульсный источник питания, от которого работает светодиодная лампа

диодных светильников, энергоэффективность которых выше, чем у ламп накаливания. Например, гибридный конденсатор может с успехом использоваться для питания светодиодных ламп-вспышек, которые обеспечивают большую яркость и срок службы, чем

схожие галогеновые лампы, потребляя меньше 1/3 энергии этих ламп. Производители светодиодных устройств могут устанавливать гибридный конденсатор в лампы-вспышки, поскольку его срок службы равен их ресурсу или даже превосходит его.

Кроме того, эти конденсаторы не требуют замены батареями и быстро перезаряжаются, в отличие от традиционных источников питания. По сравнению с никелево-кадмиевыми или литиевоионными батареями гибридные конденсаторы служат в 20 раз дольше и в 60 раз быстрее перезаряжаются. На рисунке 2 представлена схема питания светодиодной вспышки от гибридного конденсатора. Его начального заряда достаточно для питания светодиода в течение нескольких минут. В таблице 1 представлены характеристики гибридных конденсаторов.

СОБЫТИЯ РЫНКА | НЕТБУКИ ПО-ПРЕЖНЕМУ ПОЛЬЗУЮТСЯ СПРОСОМ | Нетбуки пользуются примерно тем же спросом, что и планшетные ПК, — такой вывод сделали аналитики ABI Research. Опрос 1142 пользователей, проведенный в марте этого года компанией ABI Research, показал, что нетбуки и мультимедийные планшеты имеют примерно одинаковую популярность. Около 25% респондентов испытывают острую необходимость приобрести нетбук. Аналогичные желания в отношении планшетов испытывают 27% опрошенных. Около половины респондентов заявило о том, что «не очень» или «совсем не желают» приобретать планшетный ПК. Наиболее часто упоминаемая причина тому — отсутствие потребности (60% всех ответов). Планшетные ПК, в первую очередь, предназначены для проведения досуга, и, согласно этому опросу, 82% респондентов собираются пользоваться почтой; 71% — веб-обозревателем; 57% — просматривать ТВ и загружать фильмы; 56% намереваются общаться в социальных сетях; 55% — играть в игры. Приобретение нетбуков и планшетов, вероятно, увеличит жизненный цикл персональных компьютеров за счет меньшего спроса на настольные ПК и ноутбуки, — считают аналитики ABI. Эта компания проводила схожий опрос в 2009 г., когда уровень интереса к нетбукам был выше. Похоже, с тех пор сценарий использования этих устройств изменился с рабочих приложений на потребление развлекательного контента. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №6 2011

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Высокоэффективное охлаждение в ограниченном пространстве Компания Murata разработала компактное низкопрофильное охлаждающее устройство, которое способно нагнетать воздух под высоким давлением и предназначено для замены вентиляторов в компактном оборудовании или для местного охлаждения элементов системы.

Рис. 1. Микровоздуходув компании Murata: внешний вид (вверху) и вид в разрезе, на котором показан поток воздуха, протекающего через устройство (внизу)

62 а)

б) Рис. 2. Зависимость расхода воздуха от давления на выходе микровоздуходува при нормальных условиях эксплуатации, в том числе при трех значениях рабочего напряжения (при частоте 25 кГц)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Технологии управления тепловыми режимами приобретают все большее значение по мере уменьшения размеров электронного оборудования. Так как устройства потребительской электроники становятся все более компактными, рассеивание тепла происходит во все сокращающемся объеме воздуха внутри корпуса. В то же время, сокращение физического объема пространства дополнительно ограничивает размеры самих охлаждающих устройств. Поэтому в настоящее время перед разработчиками электроники встала проблема предельных возможностей традиционных технологий охлаждения, таких как громоздкие вентиляторы постоянного тока. Для того, чтобы обеспечить требования новых разработок, компания Murata создала миниатюрное устройство охлаждения, которое позволяет заменить вентиляторы в компактном электронном оборудовании, — пьезоэлектрический микровоздуходув, который входит в состав растущей линейки микромеханотронных устройств. Микровоздуходув, показанный на рисунке 1, имеет размеры 20×20 мм, а высота его профиля (без сопла) составляет всего 1,85 мм. Устройство имеет пьезоэлектрическую диафрагму, которая колеблется в вертикальном направлении при приложении синусоидального напряжения, нагнетая и выталкивая воздух из устройства через расположенное вверху сопло. Диафрагма способна создавать поток воздуха со скоростью до 0,8 л/мин и давлении до 1,5 кПа при нормальных условиях эксплуатации (при работе устройства от переменного напряжения с размахом 15 В на частоте 25 кГц). На рисунке 2a приведена зависимость расхода воздуха от давления на выходе устройства при различных рабочих условия. На рисунке 2б приведена фотография микровоздуходува в действии, а также изображение потока воздуха, зафиксированного при данных условиях. Воздуходув способен создавать высокое давление воздуха, поэтому его можно использовать в качестве воздушного насоса, а его высокая скорость воздушного потока означает, что он идеально подходит для местного охлаждения и рассеивания тепла от конкретных устройств или сильно нагревающихся областей в системе. В потребительском электронном устройстве даже можно при необходимости использовать несколько микровоздуходувов для индивидуального охлаждения каждой микросхемы. Поскольку пьезоэлектрическая диафрагма потребляет весьма небольшой ток, микровоздуходув оказывается достаточно эффективным, чтобы его можно было использовать на нескольких участках, даже в устройствах с батарейным питанием. Микровоздуходув можно сконфигурировать для работы в двух режимах. Если сопло устройства направить на компонент или область, которые необходимо охладить, то имеется возможность либо обдувать подложку прохладным воздухом (с температурой окружающей среды), либо отводить от подложки нагретый воздух, который затем можно отвести из корпуса. Примеры обеих конфигураций

показаны на рисунке 3. В режиме обдува точечное охлаждение достигается за счет высокой скорости воздушного потока — всю систему можно охладить наружным воздухом. Режим отвода теплого воздуха можно использовать, когда на печатной плате имеется определенная сильно нагретая область, которую нужно интенсивно охлаждать. Этот режим может обеспечить эффект вентиляции, если объем воздуха достаточно мал. В качестве примера применения данной технологии компания Murata провела испытания микровоздуходува, установив его на модуле памяти. DRAM-модуль был оснащен обычными радиаторами, а микровоздуходув использовался для дополнительного принудительного охлаждения. Для того, чтобы закрепить микровоздуходув, было изготовлено специальное приспособление с высотой профиля 2,4 мм. Общая высота профиля крепежного приспособления вместе с микровоздуходувом составила всего 4,25 мм, что отвечает требованиям по условиям применения этого устройства в ограниченном пространстве. На рисунке 4 показана схема этого эксперимента. Испытания проводились на открытом воздухе, а не в условиях ограниченного пространства корпуса, чтобы обеспечить точное измерение температуры с помощью термовидеокамеры. Результаты этого эксперимента показаны на рисунке 5. Слева приведено распределение температуры поверхности радиатора DRAM-модуля при отключенном микровоздуходуве, а справа — при работающем микровоздуходуве. Как видно из рисунка, разница в температуре поверхности составила 17K. Зная, что DRAM-модуль рассеивает мощность 6,8 Вт, можно рассчитать разницу теплового сопротивления радиатора при отключенном и работающем микровоздуходуве. Тепловое сопротивление радиатора без дополнительного охлаждения составило 6,3 К/Вт, а при работающем микровоздуходуве — 3,8 К/Вт, т.е. была получено существенное снижение температуры — около 40%. Данный пьезоэлектрический микровоздуходув можно использовать для принудительного охлаждения в ограниченном пространстве в потребительской, промышленной и автомобильной электронике. В потребительских приложениях микровоздуходувы найдут применение для охлаждения ПЗС-датчиков изображения компактных видеокамер и микросхем процессоров, в частности графических и центральных процессоров. В промышленных приложениях, помимо точечного охлаждения микросхем, микровоздуходув можно также успешно применять для охлаждения источников питания. В современных автомобилях его можно использовать для охлаждения светодиодных фар. Еще одной сферой применения микровоздуходува, как в потребительских, так и промышленных приложениях, является охлаждение подсветки LCD-панелей.

Рис. 3. Микровоздуходув в режимах обдува и отвода тепла. На рисунке зеленым цветом показана печатная плата с охлаждаемой микросхемой (обозначена желтым цветом) внутри компактного корпуса (обозначен серым цветом)

Рис. 4. Схема эксперимента по применению микровоздуходува

Рис. 5. Результаты эксперимента по применению микровоздуходува

Микровоздуходув можно также использовать в качестве воздушного насоса, компрессора для промышленного оборудования или аккумуляторов и просто для удаления пыли. Среди прочих применений можно назвать насосы для аквариумов и ионизаторы. Используя подобную технологию, компания Murata в настоящее время разрабатывает жидкостный насос (микронасос), который найдет применение в приложениях на базе топливных элементов.

СОБЫТИЯ РЫНКА | APPLE И NORDIC ПРИСОЕДИНЯЮТСЯ К ГРУППЕ BLUETOOTH SIG | Компании Apple и Nordic присоединились к Bluetooth SIG как раз в период роста конкуренции среди беспроводных технологий с малым потреблением. Bluetooth все в большей мере соперничает с рядом имеющихся и новых беспроводных технологий малого радиуса действия. К ним относятся NFC (near ﬁeld communications), Zigbee Smart Energy Proﬁle, версии Wi-Fi с низким энергопотреблением и технологии фирменной разработки — например, новая ультразвуковая технология компании Naratte. По словам Майкла Фоли (Michael Foley), исполнительного директора Bluetooth SIG, перед этой организацией стоит амбициозная цель — поставить на рынок 5 млрд устройств в 2015 г. Присоединение компаний Apple и Nordic поможет Bluetooth SIG преуспеть в новых сегментах рынка. Интерес группы Bluetooth к мобильным устройствам вызван тем, что они начинают использоваться в качестве хабов, на которые поступают сигналы с датчиков, регистрирующих шаги, ритм сердечной активности, кровяное давление и уровень сахара, а также окружающую температуру и объем потребляемой энергии. Опыт Apple в создании платформ и Nordic в разработке датчиков позволят группе Bluetooth совершить переход на новые технологии. Nordic выпускает беспроводные кристаллы, работающие на небольших расстояниях в диапазоне частот 433 МГц...2,4 ГГц, в т.ч. те устройства, которые используют стандарт ANT+ и Bluetooth Low Energy. Присоединение Apple и Nordic было утверждено в результате единогласного голосования нынешнего совета директоров организации, в который входят представители компаний Intel, Motorola, Lenovo, Nokia, Microsoft, Ericsson AB и Toshiba. www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №6 2011

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ. ЧАСТЬ 2 ГАЛИНА ГАЙКОВИЧ, член ISA, эксперт IEC, вед. специалист, ИППИ РАН

Данная статья является продолжением предыдущей публикации (см. ЭК5), посвященной беспроводным низкоскоростным ZigBee- и скоростным Zigbee-подобным технологиям в промышленности. Они используются для передачи речи в составе единой системы беспроводной транспортной среды стандарта ISA100.15. В статье рассмотрены форматы сжатия речи, наиболее широко применяемые в беспроводных скоростных сетях WLAN (на примере Wi-Fi), а также даны рекомендации по использованию алгоритмов кодирования в беспроводных сенсорных сетях (БСС).

ФОРМАТЫ СЖАТИЯ РЕЧИ И ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ VOWIP

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В предыдущей статье отмечалось, что технология передачи голоса VoIP может работать в любой физической среде, представленной не только витой парой (традиционный Ethernet), телефонными проводами, но и беспроводными соединениями (Wi-Fi Ethernet). Совершенно очевидно, что и БСС с использованием низкоскоростных ZigBee- и скоростных ZigBee-подобных технологий — не исключение из общего правила. В данном случае важно другое — чтобы выбранная физическая среда БСС использовалась под IP или ему подобный протокол. На сегодняшний день организация голоса VoIP посредством скоростных WLAN (в виде Wi-Fi, стандарт IEEE802.11b/g) по протоколам RTP/UDP/ IP/Wi-Fi Ethernet является удачной альтернативой не только традиционным телефонным сетям, но и беспроводной сотовой связи, поскольку организация телефонных переговоров через WLAN и интернет существенно снижает их стоимость [2, 5]. Для скоростной телефонии Wi-Fi наиболее популярными стали кодеки с форматами сжатия G711 (PCM) и G729 (CELP), что вполне соответствует рекомендациям ITU-Т [5]. Использование алгоритмов низкоэффективного кодирования PCM (по А- и m-законам) с высоким качеством речи MOS и низким энергопотреблением, безусловно, оправдано на случай, если оно обеспечивает речевым каналам гарантированную пропускную способность. Это стало возможным как за счет повышения скорости передачи (Vперед.)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

по беспроводным сетям Wi-Fi, так и за счет нововведений согласно стандарту IEEE802.11e, в котором как раз и были учтены все меры по обеспечению качества услуг QoS, в т.ч. на случай передачи речевой информации [2]. Применение высокоэффективного алгоритма кодирования CELP формата сжатия G729 (G729.1) для Wi-Fiтелефонии позволяет передавать речь хорошего качества по сети с негарантированной пропускной способностью. Однако это стало возможным за счет использования высокопроизводительных микроконтроллеров, позволяющих выполнить преобразование речевой информации со скоростью исполнения набора инструкций (35,6 MIPS [кодирование] и 9,5 MIPS [декодирование]), т.е. за счет микроконтроллеров с повышенным энергопотреблением, что в итоге привело к уменьшению срока службы батареек. В свою очередь, БСС с использованием низкоскоростных ZigBee- и скоростных ZigBee-подобных технологий представляет собой пакетную сеть с негарантированной пропускной способностью с Vперед. = 250 Кбит/с; 1 Мбит/с; 2,5 Мбит/с. Следовательно, для передачи речи посредством такой беспроводной транспортной среды, скорее всего, придется использовать эффективные кодеки. Для получения дополнительных эффектов по качеству речи MOS (например, хорошо различимой речи) предпочтительнее применять широкополосные эффективные кодеки форматов сжатия G722 (алгоритм кодирования ADPCM) или G722.1 (алгоритм трансформированного кодирования) (см. табл. 3). По этому пути пошли российские разработчики, кото-

рые применили не скоростную ZigBeeподобную технологию на базе стандарта IEEE802.15.4, а технологию пониженного энергопотребления (см. табл. 4). Однако реализация таких алгоритмов под силу лишь высокопроизводительным микроконтроллерам (~60 MIPS: CortexM3, ARM9), специальным цифровым процессорам типа DSP TI (5–13 MIPS) или контроллерам, имеющим встроенные DSP-инструкции. Основные параметры формата сжатия G722.1 приведены в таблице 5 на основании данных, представленных официальным разработчиком SIREN (Polycom Inc.). Поскольку передача данных по БCC (аналогично протоколу Н323 по рекомендациям ITU-T) осуществляется на основе коммутации пакетов по сети с негарантированной пропускной способностью (протокол H.323 согласно рекомендациям ITU-T), то и в данном случае возможна передача речевой информации по технологии VoIP. Для этого потребуется упрощение RTP/ UDP/IP-подобных протоколов, а также использования протокола 6LoWPAN вместо IP, специально разработанного для ZigBee) [8, 9]. Такое упрощение необходимо в связи с тем, что ZiGBee или ZigBeeподобные технологии были ориентированы на беспроводные сенсорные сети, т.е. на передачу данных в виде коротких пакетов. Длина общего пакета на физическом уровне PHY составляет 127 октетов. Полезная длина пакета payload для передачи речи окажется еще меньше (с учетом того, что 21 байт используется для криптозащиты AES, 4 байта — для протокола RTP (с его упрощением) и 4 байта — для 6LoWPAN) — не более ~50–70 байт. В случае примене-

передачи по сети его длительность должна быть выбрана в соответствии с зарегистрированным в IONA алгоритмом кодирования, либо ее следует учесть в RTP-протоколе в случае нестандартной длины. В противном случае ее необходимо установить в соответствии с выбранным алгоритмом. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ И СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

Если передача речевой информации осуществляется в виде непрерывного аудиопотока, то узел беспроводной сети, от которого ведется передача голоса, все время находится в активном состоянии. При этом речь о режиме сна не идет. Но снижение энергопотребления беспроводной системы в целом возможно либо за счет узлов в неактивном состоянии, либо за счет узлов, которые не задействованы на ретрансляцию сообщений по выбранному маршруту. Если попытаться использовать специфику самой речи, которая помимо фазы формирования звуков состоит из фаз длительного молчания или пауз между словами, то, чтобы в эти моменты не нагружать беспроводную сеть пустыми пакетами, не несущими полезной информации, рационально использовать дополнительное сервисное приложение, а именно, детектор речевой активности VAD (Voice Activity Detector), прерывистую передачу DTX (Discontinuous Transmission) и генера-

тор комфортного шума CNG (Comfort Noise Generator). Детектор VAD предназначен для оценки энергии входного сигнала и, если она превышает некоторый порог, активизирует передачу, а по сигналу DTX осуществляется запрет на передачу пакетов от кодека по беспроводной сети в тот момент, когда VAD обнаруживает период молчания. Некоторые наиболее совершенные кодеки (широкополосные с форматом сжатия G722.2) не прекращают передачу полностью, а переходят в режим передачи гораздо меньшего объема информации. Это необходимо для того, чтобы декодер на удаленном конце мог восстановить реальный фоновый шум. Принцип действия простейших кодеков основан, как правило, на прекращении передачи в период молчания, а декодер на приемном конце самостоятельно генерирует шум с минимальным уровнем, отмеченным в период речевой активности. Применение таких механизмов передачи как VAD/DTX/CNG позволяет микроконтроллеру в период неактивности речи переключиться на выполнение иных сервисных задач (например, на управление беспроводной сетью или переход в режим сна). Перечисленные функции снижают загруженность беспроводной сети и существенно влияют на эффективность использования полосы пропускания радиоканалов (экономия составляет около 60%). Однако применение этих функций сопряжено с введением дополнительного программ-

Таблица 5. Основные параметры стандарта G.722.1 и производительность в MIPS разных процессоров Параметры Частота дискретизации Скорость кодирования Полоса частот Размер аудиокадра Алгоритмическая задержка RAM ROM для расположения таблиц MIPS-соотношение между кодированием/декодированием и декодером Процессор TI TMS320C50

Значение 16 кГц 16, 24, 32 Кбит/с (16 Кбит/с дополнение Polycom Inc. standard) 50 Гц…7 кГц 20 мс 40 мс < 7,5 Кбайт ~ 20 Кбайт

TriMedia TM 1300

4 (2 + 2) (выполнение инструкций с плавающей точкой)

TI TMS320C31

9,25 (4,51 + 4,51) (выполнение инструкций с плавающей точкой)

1:1 MIPS (кодирование + декодирование) 13,9 (6,95 + 6,95) (выполнение инструкций с фиксированной точкой)

Таблица 6. Задержка накопления для узкополосных и широкополосных кодеков согласно IONA Стандарт ITU-T G.726 G.728 G.729 G.722 G.722.1 G.722.2

Алгоритм кодирования ADPCM LD-CELP CS-ACELP Sub-Band ADPCM Transform Coding Algebraic Code Excited Linear Prediction (ACELP)

Требуемая полоса пропу- Задержка накоплескания, Кбит/с ния, мс 16; 24; 32; 40 0,125 16 2,5 8 10 48; 56;64 0,125 24/32/48 20 6,60—23,85

Электронные компоненты №6 2011

65 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ния стандарта G711 при длительности кадра в 32 мс необходима длина пакета в 256 байт, что несовместимо со стандартом IEEE802.15.4. Поэтому для увеличения полезной длины payload, а также с целью повышения эффективности использования пакета на PHY многие фирмы (например, Texas Instruments использует 256 байт) пошли даже по пути отступления от стандартных рекомендаций по IEEE802.15.4. Следует отметить, что стандартом IEEE802.15.4 не предусмотрена не только фрагментация, но и возможность объединения с помощью 1 фрейма нескольких кадров кодированной речевой информации на случай их малой (менее 50 байт) длины. Также установлено [10], что БСС с использованием низкоскоростной ZigBee-технологии (Vперед. = 250 Кбит/с) позволяют передавать пользовательскую информацию (в данном случае речевую) с конечной суммарной скоростью передачи ~30 Кбит/с. Чтобы организовать 3 речевых пакетных потока с помощью стандартной низкоскоростной технологии ZigBee, понадобятся высокоэффективные кодеки Vкодир. < 10 Кбит/с (стандарт G722.2, см. табл. 3) либо придется отступать от стандарта IEEE802.15.4, увеличивая Vперед. хотя бы до 1 Мбит/с (на примере CaLab). Наиболее подходящей в этом плане является БСС с использованием скоростной ZigBee-подобной технология на базе IEEE802.15.4a (с Vперед. до 2,5 Мбит/с) [1]. Такая скоростная беспроводная сеть позволяет использовать эффективные широкополосные кодеки стандартов G722.1 (24 Кбит/с; 32 Кбит/с; 48 Кбит/с) и G722 (Vкодир.: 48 Кбит/с; 56 Кбит/с; 64 Кбит/с). Алгоритмы кодирования ADPCM формата сжатия G722 используют метод сэмпла, а MLT и ACELP — стандарты G722.1 (G722.1C) и метод кадра G722.2. Алгоритмы, основанные на кадре кодирования (в отличие от сэмпла), осуществляют преобразования поблочно, т.е. преобразуют блок оцифрованного речевого сигнала (в байтах или словах) одной фиксированной длины в блок сжатой речевой информации (в байтах) другой фиксированной длины, или т.н. кадр. Несколько таких кадров можно объединять в один пакет, если это предусмотрено протоколом. Длительность речевого кадра на выходе кодека может составлять 5—40 мс (см. табл. 6). При сэмплировании обработка оцифрованной речевой информации осуществляется по сэмплам (0,125мс), которые также собираются в кадр определенной длительности (32 мс на примере G711, G726). Для дальнейшей пакетизации сжатого речевого кадра с использованием протоколов RTP/UDP/IP (по технологии VoIP) с целью последующей

ного обеспечения, а, следовательно, с дополнительной нагрузкой на микроконтроллер. Так, например, использование VAD в стандарте G711 повышает требования к производительности микропроцессора (см. табл. 3). ФАКТОРЫ КАЧЕСТВА РЕЧИ

Выше говорилось, что передача речевой информации по беспроводным сетям с пакетной коммутацией сопряжена с определенными трудностями, которые возникают в т.ч. в связи с задержками при формировании кадров и их передаче по сети. Согласно рекомендации ITU-T стандарта G.114 общая задержка по сети (Тзадер.) становится ощутимой, если в одностороннем порядке она составляет более 150—200 мс. Общую задержку при передаче речевой информации по беспроводной сети можно представить в виде следующих компонентов: Tзадер. = Tзадер. накопления + + Тобраб. алгоритма + Тформ. пакета + + Tзадер. узла + Tзадер. сети + джиттер. Рассмотрим каждый из них. Задержка накопления. Величина Tзадер. накопления определяется размером кадра выбранного кодека (его длительностью в мс). Величина задержки накопления равна длительности кадра выбранного кодека. Так, для стандарта G722 .1 она составляет 20 мс (см. табл. 6). Поскольку на момент обработки алгоритмом текущего блока сэмплов недопустима потеря последующего блока, необходимо использовать два попеременно работающих буфера для временного накопления оцифрованной речевой информации. Задержка кодирования, или время обработки алгоритма. Чтобы не вносить дополнительную задержку за счет процесса кодирования, следует подобрать микроконтроллер такой производительности (в MIPS), чтобы выполнялось условие

66 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Тобраб. алгоритма ≤ Tзадер. накопления. Желательно, чтобы задержка кодирования была как можно меньше. Например, при использовании формата сжатия G722.1 она составляет 20 мс из-за сложности алгоритма. Это означает, что процессор занят исключительно обработкой потока речевой информации. В таблице 5 отражено суммарное время кодирования и декодирования (20 + 20 мс), а также приведен перечень цифровых процессоров, рекомендуемых компанией Polycom с указанием их производительности. Следует добавить, что для исполнения такого алгоритма кодирования + декодирования АRM-процессорами от них

WWW.ELCOMDESIGN.RU

потребуется большая производительность (~60 MIPS) и энергопотребление. Если стандарт G722.1 предназначен для организации аудиопотока, то формат сжатия G722.2 предназначен, в первую очередь, для передачи речи по беспроводным сетям 3G. Tобраб. алгоритма намного меньше Тзадер. накопления и составляет 5 мс. Задержка формирования пакета. Эта задержка вызвана процессом подготовки речевых кадров (как информационных единиц протокола, который имеет такую возможность). Например, в одном пакете c целью эффективного использования payload (полезной длины по стандарту IEEE802.15.4) могут быть собраны пять речевых кадров (размером в 10 байт для Vкодир. = 8 Кбит/с), полученных в результате преобразования по стандарту G.729. Это приводит к тому, что задержка пакета составит 50, а не 10 мс, как если бы в нем передавался 1 кадр. Чтобы соблюсти рекомендации стандарта IEE802.15.4 на Vкодир. = 32 Кбит/с в случае с G722.1, придется использовать 1 кадр. В данном случае задержка формирования пакета не учитывается. Задержка узла связана с пакетизацией речевого кадра по протоколам RTP/UDP/IP (по технологии VoIP) или им подобным с целью дальнейшей передачи по беспроводной сети. Так, для ZigBee-сети на базе IEEE802.15.4 Тзадер. узла составляет 5–6 мс, в то время как для ZigBee-подобной сети на базе IEEE802.15.4 — 1,5–2 мс [10]. Разумеется, эта задержка невелика, но при большом количестве узлов в беспроводных сетях она также может оказать влияние на общую задержку. Сетевая задержка, или Тзадер. сети + + джиттер буфера. Тзадер. возникает при передаче пакетов по сети и зависит от используемых в сети радиоканалов и протоколов передачи, а также от приемных буферов для удаления джиттера. Такая задержка существенна в сетях, состоящих из 10 узлов и выше (более 100 мс), и занимает значительную часть от общей задержки при топологиях mesh и shared [10]. Следует также отметить, что возникновение джиттера в приемном буфере может существенно увеличить задержку сети, если не будут приняты дополнительные меры по его устранению. По определению, джиттер равен разнице во времени между поступлениями пакетов в приемный буфер, которая возникает в силу разной задержки при передаче пакетов по беспроводной сети. Чтобы воспроизведение речи было непрерывным, необходимо предусмотреть меры по удалению джиттера. Эта процедура заключается в объединении пакетов и удержании их в буфере, чтобы обеспечить своевременную

доставку самых «медленных» пакетов и позволить им занять соответствующее место в последовательности. Задача намного облегчается, если прописан определенный маршрут передачи пакетов каждого источника речевой информации в отдельности. Так или иначе, это приводит к дополнительной задержке. Таким образом, две противоречивые цели уменьшения сетевой задержки и удаления джиттера приводят к созданию различных схем оптимизации размера приемного буфера. Итак, чтобы обеспечить гарантированное качество речевой связи MOS, в беспроводной сети используются либо оптимальные алгоритмы маршрутизации для минимизации сетевых задержек, либо сетью следует управлять таким образом, чтобы обеспечивалась минимальная задержка и джиттер. При передаче сообщений по беспроводным сетям с пакетной коммутацией нередко случаются потери отдельных пакетов. Это явление возникает вследствие искажения пакетов в канале радиосвязи за счет интерференции или помех. Для решения таких проблем применяются следующие подходы. – Замена потерянного пакета предыдущим успешно принятым пакетом. Этот подход применим, когда количество потерянных пакетов невелико (до 5%). – Передача избыточной информации. В этом случае вместе с пакетом n+1 посылается и предыдущий пакет n. Однако при этом подходе полоса пропускания используется нерационально, и возрастает Vперед. по беспроводной сети. ВЫВОДЫ

Беспроводные системы связи с использованием низкоскоростных ZigBee- и скоростных UWB (ZigBeeподобных) технологий, которым в соответствии с промышленным стандартом ISA 100.15 отведена вполне определенная роль по решению специальных задач, можно рассматривать как беспроводную транспортную среду для передачи речевой информации на малых расстояниях. Их неоспоримое преимущество по сравнению с мобильными беспроводными системами сотовой связи, Wi-Fi или Bluetooth — небольшая мощность излучения Рвых., а также малое энергопотребление. Таким образом, при использовании средств преобразования речевого сигнала для передачи речи по БСС необходимо, прежде всего, оптимизировать их энергопотребление, исходя из требований к качеству речи MOS/Vкодир. на заданной скорости с учетом степени сложности алгоритма. Для минимизации энергопотребления используется режим сна с учетом

механизмов VAD/DTX/CNG. Поскольку ZigBee- и ZigBee-подобные беспроводные сети представляют собой пакетные сети с негарантированной пропускной способностью, в них применяются лишь эффективные кодеки, при использовании которых энергопотребление узлов неизбежно увеличивается. Наилучшим вариантом энергосбережения является российская разработка (ИРЭ РАН) скоростной СШП ZigBее-подобной сети (Vпередачи = 2,5 Мбит/с) с использованием прямохаотических импульсов [1]. Такая беспроводная транспортная среда позволяет передать речевую информацию высокого качества с использованием не только эффективного кодирования (формат сжатия G722.2 (VAD/DTX/ CNG) или G722.1), но и низкоэффективного кодирования (формат сжатия G722). ЛИТЕРАТУРА 1. А.С. Дмитриев, Е.В. Ефремова и др. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. №10. С.1278—1289. 2. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные технологии и их применение в промышленности. Передача речевой информации через WPAN. Электронные компоненты. №12. С. 57. 2010.

3. М.Ф. Бондаренко, А.В. Работягов, С.В. Щепковский. Современные методы кодирования речевого сигнала. Бионика интеллекта. 2 (69). С. 106—114. 2008. 4. ГОСТ Р 51061-97. Системы низкоскоростной передачи речи по цифровым каналам//www.polyset.ru/GOST/all-doc/GOST/ GOST-R-51061-97. 5. D-Link. Introduction to Voice over Wireless WLAN (VoWLAN). 6. Г.Ф. Гайкович. Беспроводные технологии и их применение промышленности. Сосуществование разных радиосистем. Электронные компоненты. №10. С. 21. 2010. 7. А. Сафонов. Использование микроконтроллеров Microchip в задачах воспроизведения звука. Компоненты и технологии. №2. С. 28–30. 2004. 8. 6LoWPAN IPv6 over Low power WPAN (6lowpan)//www.ietf.org/download/id-abstract.txt. 9. В.Е. Дементьев, Д.А. Капустин. Разработка и исследование протоколов повышенной надежности передачи данных в сетях ZigBee. Передача голоса в сетях ZigBee//www.confpubs.ru/nfs_2010.php?id=32. 10. Analysis of Audio Streaming Capability of ZigBee Networks 2. Publications | HiPEAC. 11. RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control//http://tools. ietf.org/html/rfc1890.

СОБЫТИЯ РЫНКА | CROCUS НАЛАДИТ СЕРИЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО MRAM | Crocus Technology, поставщик магнитных ОЗУ, объявил о разработке т.н. технологии MLU (Magnetic Logic Unit — магнитный логический блок), которая является адаптацией TAS (Thermally Assisted Magnetic Switching — магнитное переключение с тепловой поддержкой) для доступа к памяти. Новая технология обеспечивает возможность реализации NAND-подобной памяти в MRAM и ассоциативной памяти. Новинка расширит рынок приложений магнитной памяти для хранения данных, безопасной коммерческой деятельности и связи, сетевых вычислений, автомобильной электроники и промышленной техники. Однако Crocus не сказала о том, когда по этой технологии начнется производство, и какие типоразмеры ЗУ будут выпускаться. Для приложений памяти с высокой плотностью MLU открывает путь создания NAND-подобных конфигураций. При этом MLU NAND характеризуется в 2–4 раза большей плотностью, чем стандартная магнитная память, а также обеспечивает полный произвольный доступ. Технологию MLU можно использовать в одном из трех режимов (NAND, NOR или XOR), установив исходный уровень намагничивания в ячейке MRAM. В памяти MLU XOR реализованы функции сравнения и шифрования, которые препятствуют взлому смарт-карт, кредитных и sim-карт, а также NFC-устройств. MLU XOR поддерживает функции поиска и сравнения, необходимые для сетевой маршрутизации. Ее плотность как максимум в 50 раз превышает плотность стандартных поисковых процессоров, изготовленных по технологии КМОП. Кроме того, все конфигурации MLU безопасно эксплуатируются при температурах до 200°С. MLU изготавливается с помощью отлаженного техпроцесса Crocus. В настоящее время эта компания планирует запустить массовое производство MLU-продукции по норме 130 нм на фабрике Tower Semiconductor, а также на российском предприятии Crocus Nano Electronics на нормах 90, 65, 45 нм и ниже. Ожидается, что этот завод начнет работать через пару лет и будет расположен либо в Зеленограде, либо в Калининградской области.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

www.elcomdesign.ru

Электронные компоненты №6 2011

МИКРОСХЕМА РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ IZ2805 АНАТОЛИЙ БЕЛОУС, д.т.н., проф., зам. директора по научно-технической работе, филиал НТЦ «Белмикросистемы», ОАО «Интеграл» ВИКТОР ЗАЙЦЕВ, инженер, филиал НТЦ, «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл» АЛЕКСАНДР КОЛБ, инженер, филиал НТЦ, «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл»

В статье представлена микросхема радиочастотной идентификации — IZ2805, которая по функциональному назначению соответствует зарубежному аналогу — микросхеме RI-TRP-W9QL компании Texas Instruments. IZ2805 предназначена для использования в приложениях с рабочей частотой 134,2 кГц с функцией чтения и записи данных и поддержкой обмена. Область применения: идентификация домашних, сельскохозяйственных животных, системы защиты от подделок.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСХЕМЫ IZ2805:

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

– бесконтактная передача данных и питания; – частота операционного поля 134,2 кГц; – хранение информации в памяти при отключенном напряжении питания; – объем ЭСППЗУ 80 бит; – количество циклов стирания/ записи ячеек памяти — 100 тыс.; – температурный диапазон: –45…85ºС. Микросхема имеет три внешних вывода, при подключении к ним катушки индуктивности (антенны), резонансного конденсатора и накопительного конденсатора, обеспечивающего «питание» микросхемы (см. рис. 1), получим транспондер: L — приемная катушка индуктивностью 2,5 мГн; C1 — резонансный конденсатор емкостью 456 пФ ± 5%; C2 — зарядный конденсатор емкостью 110 нФ ± 5%. Транспондер, попадая в поле считывающего устройства, принимает от него сигнал на свою антенну, микросхема выпрямляет его и запасает энергию во внешнем накопительном конденсаторе. Время заряда накопительного конденсатора: 15–50 мс. После выполнения фазы зарядки считыватель может передать команду транспондеру. После снятия сигнала несущей частоты от считывателя, транспондер начинает сам передавать ответ считывателю. Способ передачи ответа — частотная манипуляция (FSK) на частотах 134,2 и 123,2 кГц. Микросхема в ответе выдает данные, хранящиеся в накопителе ЭСППЗУ, и может работать при выключении поля считывателя. Синхронизация ее рабо-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ты осуществляется путем выделения тактовых синхроимпульсов из поля во время выдачи ответа. Передача команд и данных от считывающего устройства к транспондеру осуществляется методом 100%-й амплитудной модуляции несущей частоты. Информация об объекте идентификации представляет собой двоичный код, который может быть записан на заводе-изготовителе или запрограммирован пользователем. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА IZ2805

Архитектура микросхемы состоит из трех основных блоков: RF-интерфейса, блока управления и блока ЭСППЗУ. Блок-схема IZ2805 представлена на рисунке 1. RF-интерфейс содержит, в свою очередь, 8 блоков разного функционального назначения. Выпрямитель напряжения предназначен для получения постоянного напряжения питания путем выпрямления переменного синусоидального напряжения, наведенного во входном параллельном колебательном контуре.

Рис. 1. Блок-схема IZ2805

Регенератор колебаний формирует и поддерживает автоколебания в контуре во время выдачи данных транспондером. Схема сброса по питанию необходима для генерации сигнала сброса при включении питания. Сигнал сброса снимается, когда напряжение питания превысит уровень, при котором схема начинает стабильно работать. Ограничитель напряжения не позволяет превысить максимально допустимое значение напряжения для этой микросхемы. Блок опорного напряжения формирует уровни питания для работы остальных блоков в процессе выдачи ответа. Его применение в данной схеме объясняется тем, что во время выдачи ответа напряжение питания все время изменяется, происходит разряд накопительного конденсатора, расход энергии на поддержку автоколебаний, работу цифрового блока управления и блока ЭСППЗУ. Блок экстракции тактового сигнала выделяет синхросигнал из колебаний в контуре во время выдачи ответа.

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ

Микросхема может быть использована для построения транспондеров двух типов: с функцией «только чтение» и с функцией «чтение/запись». Обе версии используют 80-битную память ЭСППЗУ для хранения идентификационных данных. Версия с функцией «только чтение» программируется изготовителем микросхем в процессе производства и тестирования, и данные в памяти не могут быть изменены пользователем в процессе эксплуатации. Версия с функцией «чтение/запись» может использоваться для многократного программирования пользователем. Микросхема может работать в двух основных режимах: режиме чтения и режиме записи и программирования данных. РЕЖИМ ЧТЕНИЯ

В микросхеме используется принцип последовательной передачи, разделяющий фазу заряда питания и режим последовательной выдачи данных. Во время фазы заряда питания считывающее устройство генерирует электромагнитное поле на частоте 134,2 кГц. Индуцированное на внешней антенне переменное напряжение выпрямляется, и происходит зарядка накопительной емкости. Время заряда зависит от таких факторов как тип антенны, расстояние между антенной считывателя и антенной транспондера, скорость перемещения транспондера относительно антенны считывателя. Время зависит также от излучаемой мощности (это зависит от страны использования транспондера), условий окружающей среды. Типовое время заряда зарядного конденсатора составляет 50 мс. Транспондер обнаруживает окончание фазы заряда питания, и начинает передавать ридеру свои данные посредством частотной манипуляции рабочей частоты, при этом используется энергия, накопленная на заряд-

ном конденсаторе, рабочая частота восстанавливается и поддерживается за счет схемы регенератора колебаний в контур. Считыватель принимает данные от транспондера, декодирует и передает их через один из стандартных интерфейсов на центральный компьютер, который проверяет и идентифицирует принятые данные. Данные представляют собой последовательность, состоящую из «пачек» импульсов. Одна «пачка» импульсов соответствует одному биту данных и представляет собой: – 16 периодов частоты 134,2 кГц при передаче бита «0»; – 16 периодов частоты 123,2 кГц при передаче бита «1». Поскольку биты «0» и «1» передаются с использованием разных частот, то, соответственно, они имеют и разную длительность. Типовое значение длительности передачи единичного бита составляет 130 мкс, нулевого бита — 119 мкс. Продолжительность ответа транспондера (фазы чтения данных) зависит от количества передаваемых нулей и единиц в ответе, но в любом случае ответ не превышает 20 мс. По окончании фазы чтения микросхема формирует сигнал разряда накопительного конденсатора. После этого считыватель может инициировать очередной запрос транспондеру. Фаза заряда питания и фаза чтения данных транспондера представлены на рисунке 2. Принцип частотной манипуляции при чтении бит данных «0» и «1» продемонстрирован на рисунке 3.

же функцией приведен в таблице 1. В группах младший бит (LSB) всегда передается первым, старший бит (MSB) — последним. В общей посылке первыми передаются 16 начальных бит, все они равны нулю или «0000h». Стартовый и стоповый байты имеют одинаковое значение «7Eh» или «01111110» двоичное. 80 бит данных, расположенных между стартовым и стоповым байтами программируются в процессе производства и не могут быть изменены пользователем. Первыми передаются 64 бита идентификационных данных (уникальный идентификатор), затем 16 бит данных ВСС или контрольная сумма, представляющая собой циклический избыточный код. Образующий полином, используемый для генерации циклического избыточного кода, имеет вид P(x) = x16 +x12 + x5 + 1. После стопового байта передаются 16 конечных бит, все они равны нулю или «0000h». 15 из этих конеч-

ФОРМАТ ДАННЫХ В РЕЖИМЕ ЧТЕНИЯ ТРАНСПОНДЕРА С ФУНКЦИЕЙ «ТОЛЬКО ЧТЕНИЕ»

В режиме только чтение транспондер передает считывающему устройству посылку из 128 бит. Формат посылки включает следующие группы данных: – начальные биты; – стартовый байт; – 64 бита идентификационных данных; – 16 бит контрольной суммы по идентификационным данным; – стоповый байт; – конечные биты. Общая последовательность посылки для транспондера с функцией «только чтение» показана на рисунке 4, а формат данных транспондера с этой

Рис. 2. Фаза заряда питания и чтения транспондера

Рис. 3. Принцип частотной манипуляции при выдаче ответа

Рис. 4. Последовательность выдачи данных транспондером с функцией «только чтение»

Электронные компоненты №6 2011

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Модулятор позволяет передавать данные считывающему устройству посредством частотной модуляции несущей частоты. Демодулятор формирует огибающую входных импульсов, поступающих на входы схемы. Блок управления обрабатывает принимаемые микросхемой команды и формирует внутренние сигналы управления. Блок формирования высокого напряжения преобразует выпрямленное напряжение питания в напряжение программирования 16—18 В, необходимое для операций записи данных в ЭСППЗУ. Накопитель ЭСППЗУ состоит из 80 бит и предназначен для хранения 64-битного идентификационного кода и 16-битного циклического избыточного кода, формирующего контрольную сумму по 64-битному идентификационному коду.

(уникальный идентификатор), затем 16 бит данных ВСС или контрольная сумма, представляющая собой циклический избыточный код. Образующий полином, используемый для генерации циклического избыточного кода, имеет вид P(x) = x16 + x12 + x5 + 1. После стопового байта передаются 16 дополнительных бит (конечные биты). Эти биты повторяют младшие 16 бит идентификационных данных. 15 из этих конечных бит, начиная с младшего, должны контролироваться ридером. Во время передачи 128-го бита (последнего из 16 конечных бит) микросхема завершает передачу данных, формируя разряд своего зарядного конденсатора.

Рис. 5. Последовательность чтения данных для транспондера с функцией «чтение/запись»

РЕЖИМ ЗАПИСИ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ ДАННЫХ

Рис. 6. Общая последовательность программирования памяти транспондера

ных бит, начиная с младшего, должны контролироваться ридером. Во время передачи 128-го бита (последнего из 16 конечных бит) микросхема завершает передачу данных, формируя разряд своего зарядного конденсатора. ФОРМАТ ДАННЫХ В РЕЖИМЕ ЧТЕНИЯ ТРАНСПОНДЕРА С ФУНКЦИЕЙ «ЧТЕНИЕ/ЗАПИСЬ»

Разные стартовые байты, стоповые байты и конечные биты используются для транспондеров с функцией «только чтение» и с функцией «чтение/ запись», позволяя ридеру гарантированно различать их между собой. Последовательность выдачи данных

транспондером с функцией «чтение/ запись» в режиме чтения показана на рисунке 5, а соответствующий формат ответа транспондера приведен в таблице 2. В группах младший бит (LSB) всегда передается первым, старший бит (MSB) — последним. В общей посылке первыми передаются 16 начальных бит, все они равны нулю или «0000h». Стартовый и стоповый байты имеют одинаковое значение «Feh» или «11111110» двоичное. 80 бит данных, расположенных между стартовым и стоповым байтами, могут быть запрограммированы пользователем. Первыми передаются 64 бита идентификационных данных

Версия с функцией «чтение/запись» допускает многократное программирование памяти транспондера пользователем. Новые данные могут быть запрограммированы в память следующим образом. После фазы заряда транспондер переходит в фазу записи данных, при условии, что считыватель начинает модулировать электромагнитное поле своей антенны переключением передатчика в режим включения и выключения, формируя паузы в следовании несущей частоты. Индекс модуляции амплитуды в паузах составляет 100%. Длительность паузы, передаваемой считывателем при записи, определяет, какой бит передается — нулевой («0») или единичный («1»). Частота импульсов в пачке равна 134,2 кГц. Общая последовательность выполнения программирования памяти транспондера показана на рисунке 6.

Таблица 1. Формат данных транспондера с функцией «только чтение» Описание групп данных Количество бит в группе

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Шестнадцатеричное значение данных MSB . . . . . . . . . . . . LSB

Начальные биты

Стартовый байт

Данные для чтения

yyyyxxxxxxxxxxxxxxxx

Примечание

0000

Стоповый байт

Конечные биты

0000

Общее количество бит в посылке

128

—

x: идентификационные данные (64 бита) y: данные BCC (16 бит)

—

Таблица 2. Формат выдачи данных транспондера с функцией «чтение/запись» Описание групп данных

Количество бит в группе

Шестнадцатеричное значение данных

Начальные биты

0000

MSB . . . . . . . . . . . . LSB

Стартовый байт

Данные для чтения

yyyyxxxxxxxxxxxxxxxx

Стоповый байт

Конечные биты

xxxx

Общее количество бит в посылке

128

—

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Примечание

x: идентификационные данные (64 бита) y: данные «BCC» (16 бит)

—

Таблица 3. Последовательность данных для программирования памяти транспондера Количество бит в группе

Шестнадцатеричное значение данных MSB . . . . . . . . LSB

Длительность передачи, мс

Ключ записи

ВВ

Пароль записи

ЕВ

Данные для записи

yyyyxxxxxxxxxxxxxxxx

160

Кадр записи

0300

Общее количество бит

112

—

224

В фазе записи данных транспондер декодирует биты данных, посланные считывателем, и последовательно принимает их в 80-битный сдвиговый регистр. После передачи всех бит данных, которые должны быть запрограммированы в памяти транспондера, считыватель инициирует фазу программирования, длительностью 15 мс. В этой фазе транспондер вырабатывает внутреннее напряжение программирования, и все 80 бит данных сдвигового регистра одновременно программируются в ЭСППЗУ. По окончании фазы программирования считыватель останавливает генерацию электромагнитного поля, и транспондер переходит в фазу чтения, передавая считывателю запрограммированные данные. Считыватель принимает данные и проверяет их правильность. На рисунке 7 представлена функция записи, демонстрирующая выходной радиочастотный сигнал передатчика и входной радиочастотный сигнал транспондера. Последовательность передачи данных на транспондер в режиме записи и программирования представлена на рисунке 8. Для программирования данных в память транспондера с функцией «чтение/запись» пользователь должен подать последовательность данных, приведенную в таблице 3. Для всех групп данных, подаваемых на микросхему в режиме «запись», младший бит (LSB) всегда передается первым, старший бит (MSB) — последним. Первая группа данных «Ключ записи», состоящая из 8 бит со значением «BBh» или «10111011» двоичным, и вторая группа данных «Пароль записи», состоящая из 8 бит со значением «EBh» или «11101011» двоичным, инициируют микросхему на прием 80 бит данных для записи. Данные для записи могут определяться пользователем. Рекомендуется разбивать их на 64 бита идентификационных данных, передаваемых первыми, и 16 бит данных защиты (контрольная сумма BCC по идентификационным данным). Для формиро-

вания данных защиты рекомендуется использовать алгоритм генерации циклического избыточного кода CRC с образующим полиномом P(x) = x16 + x12 + x 5 + 1, начальное состояние сдвигового регистра полинома «0000h». Завершает последовательность группа данных «Кадр записи» из 16 бит со значением «0300h» или «00000011 00000000» двоичное. Программирование данных выполняется, если: – ключ записи и пароль записи получены; – формат данных для записи имеет корректное число бит; – формат кадра записи получен; – сила радиочастотного поля считывателя достаточно высока для генерации надежного напряжения программирования. В течение фазы чтения, следующей после окончания фазы программирования, транспондер возвращает запрограммированные данные считывателю. Если эти данные отличаются от данных для записи, то программирование считается неуспешным. Если считыватель получил правильные данные (контрольная сумма верная), то он должен сравнить принятые идентификационные данные с посланными им до этого идентификационными данными для записи, чтобы убедиться, что данные для записи не были случайно изменены в процессе передачи. Сам транспондер не контролирует правильности полученных данных для записи. Если считыватель получил неправильные

Примечание

x:идентификационные данные (64 бита) y: данные BCC(16 бит) —

Рис. 7. Принцип заряда питания, записи, программирования и чтения данных, показывающий напряжения на антенне ридера и антенне транспондера: Фаза заряда — постоянный выходной сигнал от передатчика; Фаза записи — модуляция ширины импульса выходного сигнала передатчика; Фаза программирования — постоянный выходной сигнал от передатчика; Фаза чтения — частотная модуляция на резонансном контуре транспондера

данные, то он инициирует повторное программирование. Микросхема IZ2805 может использоваться для идентификации домашних и сельскохозяйственных животных, в системах защиты от подделки товаров, системах контроля доступа в помещения и сооружения, а также в автомобильных охранных системах.

Рис. 8. Последовательность передачи данных на транспондер в режиме записи и программирования

Электронные компоненты №6 2011

71 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Описание групп данных

CompactPCI Serial — последовательная архитектура вместо параллельной Спецификация CompactPCI Serial (PICMG CompactPCI-S.0) пришла на смену спецификации CompactPCI. Эта самостоятельная система, построенная исключительно на последовательной архитектуре, обеспечивает скорость передачи данных до 32 Гб/с, поэтому ширина полосы потока данных стала еще больше, чем в CompactPCI.

гурации с девятью слотами, куда вошли один системный и восемь периферийных слотов. Это позволяет использовать спецификацию в разнообразных приложениях. Существуют различные версии объединительной платы, причем PCIe, USB и S-ATA на всех платах имеют исполнение Single Star. Одна версия имеет исполнение Single Star для Gigabit Ethernet, другая оснащена кабельной разводкой Full Mesh в области GbE, что позволяет использовать ее, например, для создания процессорных платформ или кластеров. Обе представленные версии доступны с портом Rear I/O и без него. МЕХАНИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ И ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ

Рис. 1. Система CompactPCI Serial

ПЛАВНЫЙ ПЕРЕХОД

Чтобы избежать слишком большого различия с CompactPCI, для базовой спецификации CompactPCI была создана подспецификация CompactPCI PlusIO (PICMG 2.30), обеспечивающая плавный переход. В CompactPCI PlusIO используется стандартная разводка выводов на разъеме P2 32-разрядного системного слота CompactPCI, для которого предназначены четыре новые последовательные шины: PCIe, GbE, S-ATA и USB. Это позволяет конструировать гибридные системы для CompactPCI и CompactPCI Serial (см. рис.1). Системные компоненты, например, медленные платы I/O, могут оставаться на CompactPCI. Однако специальные платы, которым требуется один из новых протоколов или более высокая пропускная способность, нужно перенастроить для новой технологии.

ОБЪЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ПЛАТЫ ДЛЯ COMPACTPCI SERIAL И ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ

Компания Schroff разработала объединительные платы и целые системы для обеих спецификаций. Можно использовать, например, гибридные восьмислотовые объединительные платы, которые включают три периферийных слота CompactPCI, один системный слот CompactPCI PlusIO и четыре периферийных слота CompactPCI Serial. Эти объединительные платы представлены в двух версиях: с портом Rear I/O или без него на слотах CompactPCI Serial. По строению эти платы представляют собой максимальную конфигурацию для гибридных систем и поэтому могут использоваться во всевозможных приложениях. Другие объединительные платы с меньшим количеством слотов (например, с пятью) еще разрабатываются. Для CompactPCI Serial компания Schroff разработала также объединительную плату в максимальной конфи-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Механическая конструкция систем CompactPCI Serial соответствует восьмислотовой системе CompactPCI 3+1 от Schroff со встроенной вентиляторной полкой высотой 1 U. Благодаря объединительной плате в этих системах имеется достаточно места для установки до девяти печатных плат высотой 3 U. Системный слот расположен с левой стороны. В системах можно использовать также платы центрального процессора двойной ширины, не внося никаких конструктивных изменений. Кроме того, в спецификациях предусмотрено достаточно места для установки, например, жестких дисков. В задней части имеется монтажное пространство для печатных плат Rear-I/O. По заказу предоставляются блоки питания двух типов. 19“ блок питания (3 U, 8 HP, 160 HP) с выходной мощностью 250 Вт и сетевым входом IEC с обратной стороны для приборов, не подверженных нагреву, имеет даже меньшие допуски для предельных значений тока, напряжения и т.д., чем предписывает спецификация. Это обеспечивает очевидные преимущества, в особенности при использовании процессоров Multicore. Для индивидуальных приложений блок питания доступен также в исполнении на 48 В. В качестве экономичной альтернативы можно установить блок питания из новой серии ATX компании Schroff. Выдвижная вентиляторная полка с функцией горячей замены, установленная под отсеком для плат, обеспечивает оптимальный теплоотвод из системы. Она может быть дополнительно оснащена плоским фильтром. В зависимости от установленного блока питания в вентиляторной полке могут находиться два или три вентилятора, которые можно быстро сменить. Schroff GmbH Waldemar Ruf (Вольдемар Руф) Langenalber Straße 96-100 D-75334 Straubenhardt Тел.: +49 (0) 70 82 794-4734 Факс: +49 (0) 70 82 794-597 www.schroff.ru waldemar.ruf@pentair.com

Цифровые датчики освещенности MAX44007 и MAX44009 компании Maxim АЛЕКСАНДР ГУБА, к.т.н., руководитель направления «Датчики», группа компаний «Симметрон»

Задачи управления освещенностью входят в число наиболее актуальных в современной светотехнике. Это связано с такими глобальными тенденциями как стремление к повышению энергоэффективности, рост производства портативных устройств на базе ЖКИ, интеллектуальных систем безопасности, неуклонная популяризация систем типа «умный дом». Грамотное использование этих систем позволяет не только обеспечить комфортные условия освещения для работы и отдыха, но и принести весьма ощутимый экономический эффект от внедрения.

Действительно, применение подобных систем на предприятиях позволяет экономить внушительные средства за счет рационального расхода электроэнергии на освещение прилегающих территорий, помещений и рабочих мест. В индустриальных применениях и на транспорте регулировка яркости подсветки элементов визуальной индикации и управления помогает операторам эффективно выполнять свои основные обязанности. Интересным примером использования систем регулировки освещенности являются портативные устройства, в которых решаются задачи повышения срока службы автономных источников питания за счет меньшего энергопотребления при подсветке экранов. Не менее массовым рынком являются бытовые системы управления освещением, к которым относятся системы комнатного освещения, индивидуальные бытовые светильники и др. Независимо от того, будет применяться подобная система для регулировки уровня освещенности на улице или для управления яркостью подсветки экрана ультрапортативного мультимедийного проигрывателя, разработчик вынужден решить ряд непростых практических задач. Для того чтобы разобраться в данной проблеме, рассмотрим упрощенную структурную схему системы управления уровнем освещенности с использованием операционных усилителей (ОУ) (см. рис. 1). На этом рисунке датчик представляет собой фоточувствительный элемент — первичный преобразователь (например, фотодиод, фоторезистор, фототранзистор и др.), сигнал на выходе которого зависит от уровня освещенности. Операционный усилитель используется для нормирования входных сигналов с датчика, способ включения которого зависит от типа используемого фотодатчика. Например, для фотодиодов различают фотогальванический режим работы (с генерацией фотоэдс) или фотодиодный режим (с приложенным внешним напряжением смещения) и др. Сигнал с датчика преобразовывается с помощью АЦП и обрабатывается микроконтроллером или микропроцессором системы. Цифровые управляющие воздействия (иногда и аналоговые) с микроконтроллера, как правило, подаются на драйвер, генерирующий ШИМ-сигнал для управления источником света. На рисунке 2 представлена схема включения фотодиода для работы в фотогальваническом режиме [1]. На ней первый каскад на ОУ предназначен для преобразования величины тока в напряжение, а второй используется для организации дополнительного каскада усиления [2]. В качестве ОУ с малой величиной входного тока и низким

уровнем шумов могут быть использованы MAX4489 [3], MAX9636 и др. [4]. Несмотря на кажущуюся простоту схемотехнического решения, оно может быть использовано для построения недорогих систем с невысокими требованиями к основным параметрам и имеет некоторые недостатки. Известно, что особенности человеческого восприятия видимой части спектра отличаются от характеристик распространенных фотодатчиков (см. рис. 3). Данный эффект связан с тем, что спектральные характеристики большинства фоточувствительных элементов простираются как в инфракрасном (ИК), так и в ультрафиолетовом (УФ) диапазонах. Чувствительность фотодатчика к ИК- или УФ- излучению может привести к ложным срабатываниям или к ошибкам в измерениях при многоуровневой регулировке. Различие спектральных составов источников света (например, в спектре излучения обычных ламп накаливания содержится больше ИК излучения, чем в спектре флуоресцентных ламп), лишает практического смысла предварительную калибровку при изготовлении. Данное утверждение особенно справедливо для любых мобильных устройств, предназначенных для работы в условиях различной освещенности от разных источников. Одним из путей решения проблемы является использование двух фотодиодов, один из которых работает в видимом спектре с захватом ИК-диапазона, а второй — только в ИК-диапазоне. Это позволяет учесть характеристики обоих фотодатчиков и вычислить уровень освещенности в видимом диапазоне. К сожалению, устройство потребует дополнительного места на печатной плате и высокой повторяемости характеристик используемых фотодиодов

Рис. 1. Структурная схема системы управления уровнем освещенности

Рис. 2. Схема включения фотодиода в фотогальваническом режиме

Электронные компоненты №6 2011

до степени, достаточной для устранения инфракрасной составляющей спектра. Одной из проблем при производстве окажется влияние отклонений в конструкции, зависящих от места установки фотодатчика на плате, расстояния между фотодатчиком и защитным стеклом — светофильтром, его характеристик и других факторов. Если к перечисленному добавить разброс параметров датчиков в пределах серии, ошибка в измерениях достигнет 50%, что может вызвать ложные срабатывания и, в конечном итоге, приведет к выпуску некачественного продукта [1]. Среди источников ошибок особое место занимают защитные экраны, тонированные и темные светофильтры, которые часто встречаются в портативных устройствах. Это создает множество проблем, поскольку светофильтры искажают характеристики различных источников света, которые имеют отличные друг от друга спектральные характеристики излучения [5]. Другим распространенным требованием к системам измерения уровня освещенности является наличие широкого динамического диапазона, который необходим для обеспечения работы в условиях различного уровня освещенности — от прямого солнечного света до полной темноты с большим числом градации яркости в границах данного диапазона. Учитывая насущные потребности в данной области, компания Maxim Integrated Products представила в 2011 г. цифровые датчики освещенности MAX44007 [6] и MAX44009 [7] , которые позволяют устранить все указанные недостатки. Разработанные с использованием собственной BiCMOS-технологии, они содержат два оптических датчика, АЦП и другие функциональные узлы в миниатюрном корпусе 2×2×0,6 мм. Интеграция этих функций обеспечивает лучшие в своей области показатели производительности и функциональные воз-

можности при существенной экономии пространства на печатной плате. MAX4007 и MAX44009 потребляют в 100 раз меньше ближайших аналогов, значительно расширяя срок службы автономных источников питания. Наличие функции прерывания позволяет непрерывно контролировать уровень светового потока и формировать сигнал прерывания для микроконтроллера системы при превышении заданных порогов. Эта функциональная особенность улучшает показатели энергосбережения устройства за счет меньшей интенсивности передачи данных по интерфейсу I2C (см. рис. 4). Основные преимущества:

– широкий 22-разрядный динамический диапазон 0,025–104444 лк (MAX44007) и 0,045–188000 лк (MAX44009); – миниатюрный корпус: UTDFN-Opto; – диапазон питающих напряжений: Vcc = 1,7...3,6 В; – рабочий ток потребления: Icc = 0,65 мкА; – диапазон рабочих температур: –40...85°С; – повышенная чувствительность для совместной работы с темными светофильтрами. Технология BiCMOS компании Maxim обеспечивает интеграцию двух фотодиодов для подавления УФ- и ИК-составляющих. Это позволяет имитировать оптические свойства человеческого глаза и точно измерять видимый свет в различных условиях внешней среды. Расширенные алгоритмы цифровой обработки сигналов позволяют корректировать любые изменения спектра у источников света, обеспечивая предельно точную характеристику освещенности. Время интегрирования встроенного АЦП изменяется в диапазоне 6,25—800 мс. По умолчанию время интегрирования составляет 100 мс, что обеспечивает надежное подавление помех частотой 50/60 Гц. Применение законченного решения для измерения уровня освещенности на основе MAX44007 или MAX44009 позволяет снизить ошибки, связанные с особенностями конструкции и используемыми светофильтрами до уровня менее 15%. Цифровой интерфейс для передачи данных обеспечивает высокую помехозащищенность и позволяет дополнительно снизить погрешности измерений при передаче данных на большие расстояния. Высокая чувствительность MAX44007 и MAX44009 и два оптических датчика, работающие в разных спектральных диапазонах, позволяет использовать их совместно с темными защитными экранами и светофильтрами, т.к. разработчик может учесть их характеристики для обеспечения высокой точности и чувствительности (до 0,025 лк). Основные области применения:

Рис. 3. Кривая чувствительности человеческого глаза и типовая характеристика фотодиода

Рис. 4. Структурная схема MAX44007

WWW.ELCOMDESIGN.RU

– цифровое управление подсветкой; – портативные устройства; – системы безопасности; – планшетные ПК/ноутбуки; – телевизоры/проекторы/дисплеи. Недорогие датчики освещенности MAX44007 и MAX44009 имеют встроенный блок усиления c функцией автоматической регулировки для выбора оптимального диапазона измерений. Данная возможность избавляет разработчиков от трудоемкого процесса ручного программирования устройства и высвобождает ресурсы системного микроконтроллера или процессора. Экстремально широкий диапазон измерений, который для MAX44009 составляет 0,045—188000 лк, обеспечивает динамический диапазон более 4000000:1. На рисунке 5 представлена типовая схема включения MAX44007. Передача данных на микроконтроллер и конфигурирование устройства осуществляется по интерфейсу I2C. Использованы стандартные номиналы подтягивающих резисторов величиной 10 кОм. Конденсатор обвязки источника питания номиналом 1 мкФ необходимо рас-

полагать как можно ближе к выводу Vcc MAX44007. Схема включения и принцип конфигурирования MAX44009 не имеют существенных отличий. Цифровые датчики MAX44007 и MAX44009 разработаны с учетом жестких требований к энергопотреблению. ИС отличаются сверхнизким рабочим током величиной 0,65 мкА, что ниже тока в режиме Power Down у многих аналогичных продуктов. Диапазон питающих напряжений составляет 1,7...3,6 В. Потребляя 1,1 мкВт, решения Maxim для измерения уровня освещенности обеспечивают более чем 100-кратное энергосбережение по сравнению с ближайшим аналогом (124 мкВт). Преимуществом устройств является возможность использования общего низковольтного источника напряжением 1,8 В для питания как основных функциональных узлов, так и интерфейса I2C. Это свойство сокращает энергопотребление и упрощает разработку, поскольку требует использования единого источника питающего напряжения. Микросхемы MAX44007 и MAX44009 поставляются в бессвинцовом 6-выводном корпусе UTDFN-Opto-EP размерами 2×2×0,6 мм. Более подробную информацию на русском языке см. на www.symmetron.ru и максим-ис.рф. ЛИТЕРАТУРА 1. I. Veygman. A Simple Implementation of LCD Brightness Control Using the MAX44009 Ambient-Light Sensor. Application Note 4913, 21.01.2011. www.maxim-ic.com. 2. Amplifiers and comparators. Product Guide. Edition 27, July 2010. www.maxim-ic.com.

Рис. 5. Типовая схема включения MAX44007 3. MAX4489: SOT23, Low-Noise, Low-Distortion, Wide-Band, Railto-Rail Op Amps. Technical Datasheet. Rev.5, 07.2010. www.maximic.com. 4. MAX9636: 3V/5V Low-Power, Low-Noise, CMOS, Rail-to-Rail I/O Op Amps. Technical Datasheet. Rev.2, 01.2011. www.maxim-ic.com. 5. P. Holenarsipur, A. Mehta, S. Hsu. Optimize the MAX44007 Ambient Light Sensor for Use in Applications with Black Glass. Application Note 4871, 23.12.2010. www.maxim-ic.com. 6. MAX44007: Low-Power Digital Ambient Light Sensor with Enhanced Sensitivity. Technical Datasheet. Rev.0, 01.2011. www. maxim-ic.com. 7. MAX44009: Industry's Lowest-Power Digital Ambient Light Sensor. Technical Datasheet. Rev.0, 01.2011. www.maxim-ic.com.

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ | ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ СО ВСТРОЕННЫМ ДАТЧИКОМ ХОЛЛА MX887 ОТ КОМПАНИИ CLARE | Представляем вашему вниманию микропотребляющие переключатели с датчиком Холла MX887D и MX887P от компании Clare (входит в корпорацию IXYS). Переключатели со встроенным датчиком Холла с успехом заменяют механические переключатели и переключатели на основе герконовых реле. При этом у них отсутствуют такие недостатки механических переключателей как, например, дребезг или залипание контактов. Кроме того, они имеют меньшее потребление энергии и большее количество срабатываний (из-за отсутствия механических контактов). Переключатели MX887D и MX887P содержат следующие узлы: – датчик Холла; – усилитель; – компенсатор смещения, который устраняет ошибки сигнала, возникшие в результате механических воздействий на датчик Холла; – триггер-фиксатор; – выходной каскад: на MOSFET с открытым стоком у модели MX887D или двухтактной схемой на MOSFET у модели MX887P. Краткие технические характеристики MX887D и MX887P: – напряжение питания: 2,5…5,5 В; – ток потребления — не более 2 мА во включенном состоянии и не более 8 мкА в выключенном состоянии; – срабатывание: –60/60 Гс; – выключение: –6/6 Гс; – ток нагрузки: 5 мА; – диапазон рабочей температуры: –40…85°С. Переключатели производятся в миниатюрном корпусе TSOT-23 и поставляются в лентах по 3000 шт. Области применения: – переносная аппаратура; – системы контроля доступа и охраны (открытие дверей, крышек и т.д.); – бытовая электроника (холодильники, плиты, микроволновые печи и т.д.); – автомобильная аппаратура.

Более подробную информацию можно получить в компании «ЭЛТЕХ»: ixys@eltech.spb.ru или на сайте производителя: www.clare.com/home/pdfs.nsf/www/MX887D.pdf/$ﬁle/MX887D.pdf www.clare.com/home/pdfs.nsf/www/MX887P.pdf/$ﬁle/MX887P.pdf Компания «Элтех» предоставляет образцы для макетирования. ЭЛТЕХ, ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Tektronix — наивысшая производительность АНДРЕЙ САВКИН, специалист отдела измерительного оборудования и промышленной мебели, ООО «УниверсалПрибор» В статье представлены осциллографы реального времени Tektronix — новейшие контрольно-измерительные приборы, позволяющие значительно сократить время разработки различных устройств. На фоне растущего темпа инноваций, появления новых протоколов и стандартов передачи данных, «покорения» новых частот, инженеры все больше вынуждены полагаться на контрольно-измерительные приборы, которые являются их основным орудием труда. Качественные приборы способны значительно сократить время разработки того или иного устройства, а также помочь найти и решить возникающие при этом проблемы. В настоящее время наиболее совершенными приборами для разработчиков являются осциллографы Tektronix серии DPO7000C и DPO/DSA/MSO70000C. В начале 2011 г. эти серии были обновлены. Теперь эти семейства приборов охватывают частотный диапазон 500 МГц…20 ГГц. Кроме того, компания Tektronix заявила о расширенной поддержке протокола MIPI (интерфейс процессора для мобильных устройств) для спецификаций CSI-2 и DSI альянса MIPI®. Осциллографы серии DPO7000C (см. рис. 1) имеют полосу пропускания до 3,5 ГГц, максимальную частоту дискретизации 40 Гвыб/с для одного канала и предоставляют инженерам эффективные средства отладки, объединенные с аналитическими функциями для множества приложений в одном осциллографе. Это эффективные решения для анализа сигналов последовательных шин, позволяющие разработчикам сфокусироваться на решении конструкторских задач на каждом этапе отладки — от выявления проблемы до ее регистрации и поиска в длинных записях при помощи запатентованной технологии Wave Inspector®, с последующим анализом и определением причин ее возникновения. С помощью таких средств как измерение джиттера в одно касание удается автоматизировать даже самые сложные измерительные процедуры. Система запуска Pinpoint® компании Tektronix обеспечивает максимальную гибкость, допуская более 1400 комбинаций, что позволяет разобраться практически в любой анализируемой проблеме. Построенная на кремниево-германиевой (SiGe) технологии для обеспечения очень высокой чувствительности срабатывания с низким уровнем собственного джиттера система Pinpoint позволяет захватывать глитчи с минимальной длительностью. Данная система предоставляет полный набор различных типов запуска по двум событиям А и В, позволяет осуществлять логическую оценку для контроля времени поиска этих событий и сброс системы запуска после определенного периода времени, что обеспечивает возможность захвата событий даже в самых сложных сигналах. Другие осциллографы обычно предоставляют не более 20 комбинаций запуска, тогда как возможности системы Pinpoint превосходят 1400 комбинаций. Уровень джиттера расширенной системы запуска составляет <100 фс. Такая стабильность точки срабатывания позволяет использовать ее в качестве опорной точки измерения. Стоит упомянуть и о технологии цифрового люминофора DPX, используемой в осциллографах 7000 и 70000 серии, а также в осциллографах некоторых младших серий. Эта технология позволяет быстрее оценить функционирование исследуемого устройства благодаря высокой скорости захвата более 250 тыс. осциллограмм в секунду (см. рис. 2) и обеспечивает высокую вероятность обнаружения редко возникающих,

но достаточно распространенных в цифровых системах сбоев: вырожденных импульсов (рантов), глитчей, а также нарушение синхронизации и многое другое. Осциллограммы накладываются друг на друга, при этом точки осциллограмм имеют цветовую кодировку, которая зависит от частоты появления. Это позволяет быстро и наглядно выделить события, которые происходят сравнительно часто, или напротив — отметить редко возникающие аномалии. В осциллографах серии DPO7000C можно установить бесконечную или переменную продолжительность послесвечения, что позволяет определить, насколько часто проявляет себя та или иная аномалия. Приборы новых серий выпускаются с новейшей 64-разрядной операционной системой Microsoft Windows 7, которая упрощает взаимодействие с сетями передачи данных, облегчает работу и экономит время. Кроме того, эти осциллографы используют более быстродействующую вычислительную платформу, позволяющую ускорить выполнение операций — например, измерение джиттера ПО DPOJET (см. рис. 3) происходит почти в 3 раза быстрее. Осциллографы поддерживают спецификацию LXI Класса C, что упрощает их интеграцию в автоматизированные измерительные системы. ПО DPOJET обеспечивает наивысшую чувствительность и точность при работе с осциллографами реального времени. Серия DPO7000C предлагает наиболее полные средства анализа последовательных шин с возможностью декодиро-

Рис. 1. Осциллограф DPO7104C

Рис. 2. Технология цифрового люминофора в осциллографах серии DPO7000C обеспечивает скорость захвата более 250 тыс. осциллограмм в секунду и отображение сигналов с градацией интенсивности цвета в реальном времени

Электронные компоненты №6 2011

вания, поиска и запуска по сигналам наиболее популярных шин, включая I2C, SPI, RS-232/422/485/UART, USB 2.0, MIPI CSI-2 и DSI. Специализированные программные решения позволяют проводить тестирование на соответствие требованиям физического уровня стандартов MIPI® D-PHY, Ethernet и USB 2.0, а также измерять и анализировать параметры джиттера, синхронизации, глазковой диаграммы, мощности, данных шины памяти DDR (см. рис. 4) и широкополосных РЧ-сигналов.

Рис. 3. ПО DPOJET для анализа джиттера и построения глазковых диаграмм упрощает обнаружение причин и следствий нарушения целостности сигнала и возникновения джиттера

Рис. 4. Анализ шины памяти DDR3

Рис. 5. Осциллограф DSA72004С

Рис. 6. Осциллограф MSO72004С

WWW.ELCOMDESIGN.RU

ПО SignalVu™, предназначенное для векторного анализа сигналов, позволяет проводить проверку при разработке широкополосных устройств и измерять параметры широкополосных спектральных событий. Возможности анализа сигналов, предоставляемые анализаторами спектра Tektronix, вкупе с возможностями широкополосного захвата цифровых осциллографов Tektronix позволяют измерять параметры сложных модулирующих сигналов. В одном приборе объединены функции векторного анализатора сигналов, анализатора спектра и широчайшие возможности системы запуска цифрового осциллографа. Какие бы проблемы ни стояли перед разработчиком — проверка широкополосных радиолокационных систем, высокоскоростных спутниковых каналов передачи данных или средств связи со скачкообразной перестройкой частоты — ПО векторного анализатора сигналов SignalVu™ ускорит их решение благодаря возможности представления изменяющихся во времени характеристик широкополосных сигналов. «Старшим братом» серии DPO7000C является серия осциллографов DPO/DSA/MSO70000C (см. рис. 5). Высокопроизводительные осциллографы с полосой более 4 ГГц используются для измерения характеристик высокоскоростных последовательных шин, широкополосных радаров, скоростных оптических коммуникационных систем, высокопроизводительных встроенных систем и для приложений в области физики высоких энергий. С ростом скорости передачи данных важнейшим фактором становится обеспечиваемый измерительной системой запас точности. Имея непревзойденную возможность 5-кратной передискретизации, осциллографы серии DPO/ DSA/MSO70000C обеспечивают характеристики и целостность сигнала, необходимые для проверки соответствия разработок техническим условиям. Другие особенности включают новую, более мощную вычислительную платформу и более стабильный задающий генератор, идеально подходящий для измерения параметров РЛС. В современных РЛС используется частотная и фазовая модуляция импульсов, улучшающая разрешение РЛС по расстоянию и расширяющая возможности идентификации целей. Основой надежной работы системы является поддержание одинаковых параметров модуляции от импульса к импульсу. Лучшими приборами для измерения импульсов РЛС являются осциллографы, но для точной синхронизации во время захвата длинных последовательностей им необходим стабильный задающий генератор. Осциллографы серии DPO/DSA/MSO70000C отвечают этому требованию благодаря новому высокостабильному задающему генератору, который характеризуется меньшим долговременным джиттером и большей стабильностью фазы и частоты. Функции измерения фазы и частоты в ПО SignalVu предоставляют разработчикам радиостанций и РЛС с быстро перестраиваемой частотой возможность точного измерения характеристик системы. Высокопроизводительные осциллографы компании Tektronix характеризуются полосой и частотой дискретизации 100 Гвыб/с, необходимыми для отладки последовательных шин со скоростями передачи до 12 Гбит/с во всех каналах одновременно, что идеально подходит для многоканальных приложений, включая DDR, DisplayPort, PCI Express Gen3, USB2.0, HDMI, SATA, Ethernet и др. В 2010 г. серия приборов MSO70000 (см. рис. 6) удостоилась приза «Best in Test» и стала самым производительным в отрасли семейством осциллографов смешанных сигналов, имеющим 20 измерительных каналов (4 аналоговых и 16 цифровых) с верхней границей аналоговой полосы 4...20 ГГц. MSO70000C сочетает отличное отображение сигнала и временные характеристики высококачественного логического анализатора с аналоговой точностью и разнообразными возможностями подключения высокопроизводительного осциллографа реального времени.

ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПИТАНИЕМ ПРИХОДИТ НА СМЕНУ АНАЛОГОВОМУ ДЗЯНИС ЛУКАШЕВИЧ (DZIANIS LUKASHEVICH), инженер по применению, Intersil Corp. Основными преимуществами цифрового источника управления питанием по сравнению с аналоговым являются его гибкость и быстрая адаптация к постоянно изменяющимся требованиям, техническим и окружающим условиям. Но несмотря на это цифровое управление питанием все еще не нашло широкого применения, и многие разработчики и инженеры сомневаются в целесообразности перехода от аналогового электропитания к цифровому из-за высокой трудоемкости и затрат. Цель статьи — показать необоснованность этих опасений и представить основные преимущества цифрового метода. ПРЕИМУЩЕСТВА ЦИФРОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ

Прежде всего, возникает вопрос — стоит ли вообще переходить от аналоговых методов управления питанием к цифровым? Простейший ответ на этот вопрос — в долгосрочной перспективе другого выбора у нас просто нет. Мы давно уже не можем отмахнуться от того факта, что окружающий мир все более оцифровывается. Цифровое телевидение, цифровое радиовещание и цифровая связь приходят на смену своим аналоговым видам, настал черед и цифрового питания.

Современные технологии с малыми топологическими уровнями предполагают малые напряжения при относительно высоких плотностях тока. При всем этом должен быть гарантирован высокий КПД. К тому же, новые типы нагрузок, например, сверхъяркие светоизлучающие диоды, характеризующиеся высокой эффективностью прямого преобразования электрической энергии в световую и высоким быстродействием, предъявляют особые требования к источникам управления питанием. Все более мощные процессоры и специализированные

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Рис. 1. Цифровой преобразователь напряжения на основе ZL2106 от Intersil Zilker Labs

WWW.ELCOMDESIGN.RU

интегральные схемы (ИС) потребляют все большие токи в короткие промежутки времени, после чего переходят в режим экономии. При этом отклонение входных и выходных напряжений должно оставаться во все более узких рамках. Такие компоненты как DSP или FPGA требуют очень точных и сложных временных диаграмм при синхронизации и определенной последовательности включения и выключения преобразователей, локализованных к нагрузке. Все эти причины, которые усиливаются постоянным давлением с коммерческой стороны, заставляют

разработчиков постоянно находиться в поиске новых и лучших методов электропитания. Вместе с тем эти причины совершенно не обязывают нас переходить к цифровым контроллерам. Однако при попытке удовлетворить все эти требования аналоговые контроллеры быстро достигают предела своих возможностей, что диктуется, например, жесткими техническими условиями, используемой технологией, внутренней архитектурой и параметрами внешних компонентов. Какие-либо изменения в схемотехнике вызывают определенные трудности, например, аналоговый котроллер с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) не может изменить свои характеристики сам по себе, т.к. его режим работы задается обычно внешними компонентами на печатной плате. Любая модификация требует времени — от трех месяцев до одного года и, конечно же, связанных с ней затрат, зачастую превышающих изначальный бюджет. Применение дополнительных внешних компонентов приводит к потере времени, дополнительным трудозатратам, большей занимаемой площади и более высокой вероятности отказа в работе. В то же время цифровое исполнение схемы с заданными параметрами может быть осуществлено гораздо проще и с меньшими затратами по сравнению с ее аналоговым исполнением. Простоту схемотехники источника цифрового управления питанием удачно демонстрирует пример синхронного понижающего преобразователя с высокой интеграцией ZL2106 (см. рис. 1) от компании Intersil, управляемого через I2Cинтерфейс и требующего минимального количества внешних элементов. Казалось бы, проще не бывает! Однако цифровые гибридные интегральные схемы (ГИС) ZL9101M, или так называемые цифровые модули, являются функционально завершенными источниками управления питанием и требуют при проектировании лишь нескольких конденсаторов для фильтрации. Такие модули имеют малые габариты — 15×15×3,5 мм, высокий КПД — до 95% и могут выдавать ток до 15 А. Характерным примером того, как быстро аналоговая система может

управляемом напряжением или током. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки. Цифровое решение позволяет без промедления и дополнительных затрат переключаться между различными архитектурами и тем самым оптимально реагировать на резкие и внезапные броски тока в нагрузке, в то время как аналоговые источники управления питанием являются оптимальным решением для одной определенной точки работы, но нагрузка, как известно, редко остается неизменной. – Точность регулировки. Как правило, допустимое отклонение определяется напряжением, потребляемым током, импедансом нагрузки и окружающей температурой. Цифровые котроллеры позволяют не только осуществлять мониторинг выходных токов, напряжений и окружающей температуры, но и производить непосредственную подстройку цепи обратной связи в зависимости от нагрузки, температуры, тока и напряжения. Например, ZL200401 Intersil обеспечивает уникальную точность напряжения на выходе ±0,2% в заданной рабочей точке в промышленном диапазоне температур. – Стабильность. Как уже было сказано, стабильность аналогового источника управления питанием в заданной полосе частот обеспечивается схемой

В цифровых контроллерах коэффициенты полиномов передаточной функции H(z) рекурсивного фильтра записываются в регистр или память и могут принимать любые положительные или отрицательные значения, чем существенно облегчают синтез схемы компенсации для разработчика. Если сравнить производительность цифрового и аналогового источников управления питанием, подразумевая одинаковые внешние элементы в узле мощности — одинаковые МОПтранзисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, то разница, на первый взгляд, будет небольшой, т.к. рабочие характеристики источника управления питанием задаются внешними элементами. Но и контроллер сам по себе оказывает огромное влияние на производительность системы. Ниже представлены некоторые сравнительные примеры поведения цифровых и аналоговых схем с учетом определенных параметров и характеристик. – Переходная характеристика. Здесь имеются существенные отличия между различными архитектурами в зависимости от того, идет речь о контроллере

компенсации. Цифровой контроллер имеет прямой доступ к коэффициентам полиномов передаточной функции, хранящихся в его регистре, тогда как нули и полюса цепи компенсации в аналоговом источнике питания жестко заданы внешними компонентами (см. рис. 2). Современные цифровые контроллеры могут автоматически подстраивать передаточную функцию в режиме работы и, тем самым, самоадаптироваться к постоянным изменениям, например, к изменению рабочей точки или нагрузки. Аналоговые контроллеры не характеризуются гибкостью цифровых решений в данном случае и существенно уступают им в этом. – Диагностика ошибок. Цифровые контроллеры имеют исчерпывающие возможности диагностики ошибок и контроля режима работы. Каждая ошибка и сбой могут быть распознаны, а последующая реакция системы может быть предварительно запрограммирована и позже изменена, например, в зависимости от выходных напряжений и токов; в то время как в аналоговом источнике управления питанием система защиты от пере-

Электронные компоненты №6 2011

81 И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Рис. 2. Схема компенсации 3-го типа

достичь пределов своих возможностей, является проектирование и расчет схемы компенсации. В высокоэффективном регуляторе, управляемом напряжением, ШИМ-контроллер, МОПформирователь и/или транзистор, катушка индуктивности, выходной конденсатор и сопротивление нагрузки образуют один реальный ноль и два комплексно-сопряженных полюса в передаточной характеристике замкнутой цепи, что в неблагоприятном случае приводит к нестабильной работе всей системы. В таких регуляторах очень часто используется схема компенсации 3-го типа (см. рис. 2) для того, чтобы достичь желаемой амплитуды и фазы в переходной характеристике источника напряжения и тем самым обеспечить необходимую стабильность, а также скорректировать полосу пропускания на высоких частотах. Соответствующая пара комплексносопряженных нулей в передаточной функции схемы компенсации 3-го типа могла бы скомпенсировать эти два нежелательных комплексно-сопряженных полюса выходной LC-цепи, но, к сожалению, схема компенсации 3-го типа состоит из резисторов и конденсаторов и вследствие этого имеет лишь реальные нули в передаточной характеристике:

Рис. 3. Цифровые контроллеры от Intersil Zilker Labs характеризуются высоким КПД во всем заявленном диапазоне выходных напряжений и токов

грузок по току или предохранения от недонапряжения обычно задана внешними элементами, впаянными в печатную плату. – Коэффициент полезного действия. Многие внутренние параметры контроллера, такие как частота переключения, пауза неперекрытия, ток затвора выходных МОП-транзисторов и эмуляция диода оказывают существенное влияние на КПД (см. рис. 3). Аналоговый источник питания работает оптимально в очень узком диапазоне входных и выходных токов и напряжений, тогда как цифровые алгоритмы позволяют оптимизировать внутренние параметры источника питания для каждой точки во всем заявленном диа-

пазоне работы. Например, для малых и больших токов, отдаваемых в нагрузку соответственно ночью и днем, требуются различные установки с целью обеспечения наиболее благоприятной точки работы. – Надежность. Сведение количества внешних элементов и токопроводящих дорожек на печатной плате к минимуму, и кроме этого, гибкие возможности системы диагностики ошибок и сбоев позволяют значительно повысить надежность источника управления питанием. Оптимальный КПД гарантирует меньший нагрев и более долгий срок службы компонентов. – Трудозатраты на разработку. Управление цифровым контроллером

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Рис 4. Функциональная схема адаптивного контроллера Intersil Ziler Labs ZL2008

WWW.ELCOMDESIGN.RU

и его программирование посредством I2C делает его применение весьма привлекательным для инженеровпрограммистов, обычно не имеющих обширных профессиональных знаний в аналоговой электронике. На сегодня существуют алгоритмы, способные распознавать внешнее окружение цифрового контроллера и автоматически рассчитывать параметры внутренней схемы компенсации, записывая их в регистр или в ЭП-ПЗУ (электронно-перепрограммируемое ПЗУ). Все это существенно уменьшает время разработки. Цифровые контроллеры имеют, как правило, более высокий уровень интеграции, чем аналоговые. Конечно, сам по себе более высокий уровень интеграции не означает более высокой гибкости, эффективности и возможности использования одного и того же типа котроллера для различных разработок и требований. На рынке существуют аналоговые контроллеры с интегрированной схемой компенсации, программируемыми параметрами для плавного запуска или фиксированной схемой защиты от перегрузок по току. Однако в цифровом контроллере все эти параметры хранятся в регистре и/или в ЭП-ПЗУ и могут быть быстро изменены в любое время — таким образом обеспечивается непрерывный оптимальный режим работы. Запись в регистр осуществляется посредством установки потенциалов

Рис. 5. КПД схемы, изображенной на рисунке 4, при различных выходных напряжениях и токах

на определенных выводах микросхемы (VCC, GND, OPEN) программирования через I2C или при помощи программных средств с графическим интерфейсом пользователя, которые обычно предоставляются бесплатно (например, PowerNavigator от Intersil Zilker Labs). Это существенное преимущество цифрового решения позволяет сэкономить время на разработку и исключает риск повреждения печатной платы при многократной отладке. ЦИФРОВЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ОТ INTERSIL ZILKER LABS

Intersil Zilker Labs предлагает универсальные высокопроизводительные цифровые контроллеры и регуляторы постоянного тока с высоким уровнем интеграции [1]. Некоторые новейшие ИС и их важные параметры обобщены в таблице 1. В линейке от Intersil есть также синхронные понижающие формирователи тока ZL1505 для выходных МОП-транзисторов в узле мощности, которые предназначены для совместной работы с ZL2004 и ZL8100.

Что же находится внутри цифрового контроллера? Функциональная схема ZL2008 (см. рис. 4) демонстрирует принцип работы адаптивного контроллера, имеющего трехслойную архитектуру — Hardware, Firmware и Software. Запатентованная технология от Intersil Zilker Labs позволяет конфигурировать внутреннюю схему компенсации (состоящую из АЦП, сглаживающего фильтра, компенсатора на базе рекурсивного фильтра, сумматора и вычитателя) при помощи напряжений на выводах микросхемы FC(0,1) или через I2C-интерфейс блока коммуникации. Кроме того, внутри ИС находятся микроконтроллер для регулировки питания, ЭП-ПЗУ, цифровой ШИМ-модулятор, формирователь тока для внешних МОП-транзисторов, датчики выходного напряжения и тока, датчик температуры, блок синхронизации с ФАПЧ и цифровой источник опорного напряжения (REFCN+DAC). Цепь нелинейного отклика отвечает за переходную характеристику и существенно уменьшает время отклика при бросках тока в нагрузке, гарантируя отклонение

выходного напряжения от номинального не более чем на 1%. Микроконтроллер может производить непрерывный контроль входного напряжения, напряжения и тока на выходе, внутренней и внешней (при помощи внешнего диода на выводе XTEMP) температуры и передавать текущее состояние системы разработчику через I2C. Связь между различными ИС при перераспределении тока, синхронизации и установке порядка включения и выключения осуществляется через DDC (Digital-DC) шину. Многие внутренние параметры задаются как через конфигурацию на выводах микросхемы, например, вывод SS (Soft Start) для плавного пуска, так и при помощи I2C-интерфейса. Например, программные средства с графическим интерфейсом пользователя — Zilker Power Navigator, CompZL и т.д. — сущест венно облегчают конфигурацию контроллеров [1]. Адаптивные алгоритмы (сокращение времени неперекрытия между верхним и нижним МОПтранзисторами, эмуляция диода для уменьшения обратного тока в катушке индуктивности, контроль частоты переключения) обеспечивают оптимальную производительность источника управления питанием при произвольных нагрузках. КПД для схемы, изображенной на рисунке 4, при различных выходных напряжениях и токах представлен на рисунке 5. Так, функция эмуляции диода отключает нижний МОП-транзистор при малых токах в нагрузке и на холостом ходу, и тем самым существенно уменьшает потери в катушке. В аналоговых контроллерах в режиме холостого хода без эмуляции диода потери при рассеивании приводят к экстремальному нагреванию катушки. При больших токах очень важно, чтобы верхний и нижний выходные транзисторы не

Таблица 1. Цифровые контроллеры и преобразователи от Intersil Zilker Labs

ZL2008 Адаптивный цифровой контроллер с конфигурируемой компенсацией и перераспределением тока ZL6100 Адаптивный цифровой контроллер с перераспределением тока ZL6105 Адаптивный цифровой контроллер с автокомпенсацией и перераспределением тока ZL8100 Адаптивный цифровой контроллер с перераспределением тока ZL2103 Цифровой синхронный понижающий преобразователь ZL2106 Цифровой синхронный понижающий преобразователь ZL9101M Цифровой понижающий модуль с перераспределением тока

Maкс. Iout, A

Vin, В

Vout, В

>40

3,0…14

0,54…5,5

1,4

формирователи тока

>40

3,0…14

0,54…5,5

1,4

формирователи тока

>40

3,0…14

0,54…5,5

1,4

формирователи тока

>40

4,5…14

0,54…4,0

1,4

–

4,5…14

0,54…5,5

1,2

4,5…14

0,54…5,5

1,0

5…14

0,6…4,0

0,614

Maкс. Fsw, МГц Выходной силовой каскад

формирователи тока, МОП-транзисторы формирователи тока, МОП-транзисторы формирователи тока, МОП-транзисторы, индуктивность

Электронные компоненты №6 2011

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

Описание контроллера

Рис 6. Пример комплексной системы обеспечения электропитанием (а) и временная диаграмма (б)

И С Т О Ч Н И К И П И ТА Н И Я

находились одновременно в одном и том же — проводящем или закрытом состоянии. Находясь в одном и том же состоянии даже несколько наносекунд, оба транзистора бесполезно увеличивают рабочий цикл, и тем самым уменьшают КПД источника управления питанием, а при больших выходных токах могут выйти из строя. ZL2008 осуществляет автоматическую подстройку времени неперекрытия выходных транзисторов в зависимости от импеданса нагрузки, температуры, отклонений величин компонентов от номинальных значений и т.д. Коэффициенты передаточной функции схемы компенсации устанавливаются посредством конфигурации выводов микросхемы FC0 и FC1 или через I2C. Программа CompZL [1] является очень удобным визуальным средством для расчета требуемых параметров схемы компенсации и ее проверки на стабильность. КЛЮЧЕВЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЦИФРОВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ

– Уникальная гибкость, универсальность и простота в использовании ведут к уменьшению затрат и времени на разработку. Цифровые контроллеры имеют высокую степень интеграции при малых размерах и требуют минимального количества внешних пассивных и активных компонентов. К тому же, отклонения параметров внешних элементов от номинальных величин могут быть учтены и скоррек-

WWW.ELCOMDESIGN.RU

тированы цифровыми контроллерами. – Реальные резисторы и конденсаторы имеют положительную величину. Цифровой мир не знает этого ограничения, что создает существенное преимущество при проектировании схемы компенсации. Например, цифровой рекурсивный фильтр делает возможным создание источника питания управляемого напряжением для высокодобротных цепей нагрузки, тогда как это почти невозможно реализовать на аналоговой базе. – Аналоговые источники электропитания оптимально функционируют в очень узкой области или в одной рабочей точке. Цифровые решения позволяют изменять почти все параметры непосредственно в режиме работы. Алгоритм автокомпенсации производит коррекцию параметров схемы компенсации за несколько миллисекунд, автоматически подстраиваясь к нагрузке. Автокомпенсация может производиться многократно в заданный промежуток времени, и таким образом цифровой источник управления питанием самоадаптируется к постоянно изменяющейся нагрузке, непрерывно обеспечивая наиболее благоприятную рабочую точку. – Цифровые источники питания допускают дистанционное управление и отладку при помощи систем слежения за режимом работы и диагностики ошибок и сбоев, что существенно экономит время простоя. Используя цифровой интерфейс, например I2C, параметры конфигурации могут быть

заданы и изменены очень быстро и в любое время. Возможности цифровых ШИМконтроллеров превосходят потребности простейших источников управления питанием, и их более высокая стоимость не всегда окупается. Основные преимущества цифровых контроллеров проявляются, прежде всего, в комплексных высокоэффективных системах электропитания, где необходимы дистанционное управление, сложные временные диаграммы, синхронизация, отслеживание выходного напряжения и определенная последовательность при включении и выключении (см. рис. 6 а, б). Потребители, предъявляющие высокие требования к источнику электропитания, едва ли смогут найти такой аналоговый контроллер, который обходился бы без дополнительных и вспомогательных цепей. В этом случае нужно делать выбор в пользу цифрового контроллера. Кроме того, себестоимость такого комплексного решения будет в любом случае ниже себестоимости его аналогового варианта. Чтобы идти в ногу со временем, необходимо уже сейчас серьезно задуматься о цифровом управлении питанием. Иначе соответствовать новым, все более жестким требованиям к источниками управления питанием просто невозможно.

ЛИТЕРАТУРА 1. www.intersil.com/zilkerlabs/.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРОВ ВИКТОР ОХРИМЕНКО, технический консультант, НПФ VD MAIS В статье рассмотрены принципы работы и технические характеристики интегральных схем (ИС), предназначенных для зарядки литиево-ионных аккумуляторов. В отличие от простых функционально несложных микросхем зарядки, в этих ИС используются технологии динамического управления зарядным током аккумулятора, что позволяет снизить требования к предназначенным для зарядки сетевым адаптерам и более эффективно их использовать. Рассмотрены интеллектуальные микросхемы зарядки аккумуляторов, выпускаемые Linear Technology, Maxim Integrated Products и Texas Instruments.

ВВЕДЕНИЕ

На рисунке 2 приведена ставшая классической схема подключения функционально несложных ИС зарядки к аккумулятору и нагрузке. Ряд компаний выпускают несколько типов подобных ИС, среди них микросхемы MAX1811. Устройство зарядки отличается простотой и низкой стоимостью, однако непосредственное подключение аккумулятора к нагрузке может вызвать ряд проблем. В данной конфигурации ток

ICHG распределяется между нагрузкой и собственно аккумулятором, вследствие чего снижается эффективность процесса зарядки. Более того, при подключении неисправного, либо полностью или же значительно разряженного аккумулятора (к примеру, до 3 В и менее), работа устройства не гарантируется (а зачастую просто прекращается). Малый ток, который генерируется ИС на предварительном этапе зарядки (до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет порога 3,2 В), не может обеспечить требуемого на этом этапе тока зарядки аккумулятора, поскольку часть его ответвляется в нагрузку (ISYS). Снижение тока через аккумулятор увеличивает длительность предварительного этапа зарядки, и этот период может затянуться настолько, что превысит запрограммированное на него время. Не исключена также ситуация, при которой ток ISYS может превысить ICHG, в этом случае неизбежна дальнейшая разрядка аккумулятора. Основной недостаток схемы непосредственного подключения контроллера зарядки одновременно к нагрузке и аккумулятору — снижение надежности, поскольку устройство (система) может прекратить работу при глубоко разряженном аккумуляторе. Чтобы избежать этих проблем, существует довольно простой выход — разделить пути протекания тока зарядки аккумулятора и нагрузки. Для технологии,

Рис. 1. График зависимости тока зарядки от напряжения на аккумуляторе

обеспечивающей независимые пути протекания токов, компания Maxim предложила использовать термин Smart Power Selector, Linear Technology — PowerPath Power Managers и PowerPath Technology, а Texas Instruments — PPM (Power-Path Management). Микросхемы MAX8844/5, MAX8819 MAX8877А/С и некоторые другие ИС, выпускаемые компанией Maxim, поддерживают технологию Smart Power Selector. Упрощенная структура системы, поддерживающая технологию разделения путей протекания тока нагрузки и зарядки аккумулятора, приведена на рисунке 3. Транзистор VT1 или полностью открыт, или используется в цепи линейного регулятора выходного напряжения VOUT (к примеру, 4,4 В). Таким образом, транзистор VT1 обеспечивает прямое прохождение тока от сетевого адаптера к нагрузке. Транзистор VT2 обеспечивает подключение к нагрузке аккумулятора. Если мощность адаптера ограничена, и он не может обеспечить суммарный ток ISYS + ICHGBAT (что случается при применении недорогих адаптеров), следует предусмотреть возможность ограничения входного тока на уровне допустимого, что можно осуществить только за счет снижения тока зарядки аккумулятора, поскольку ограничение тока через нагрузку недопустимо. Возможны два метода управления током зарядки и, как следствие, под-

Рис. 2. Классическая схема подключения контроллера зарядки к аккумулятору и нагрузке

Электронные компоненты №6 2011

85 МИ КРО С Х ЕМЫ СИ Л ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

В портативных устройствах (ноутбуках, мобильных телефонах, КПК и т.д.) часто используются Li-Ion (литиевоионные) аккумуляторы. Они заряжаются в комбинированном режиме. Сначала, если аккумулятор разряжен до напряжения ниже 3,0 В, осуществляется предварительная зарядка током небольшой величины, равным, как правило, 10% от максимального тока зарядки. После того как напряжение на аккумуляторе достигнет 3,0–3,2 В, происходит зарядка постоянным током (величиной 0,2–1 емкости аккумулятора) до напряжения 4,1–4,2 В (в зависимости от типа аккумулятора и рекомендаций его производителя), а далее зарядка продолжается при постоянном напряжении (см. рис. 1). При снижении тока зарядки примерно до 5–10% максимального тока процесс зарядки аккумулятора прекращается.

Рис. 3. Структура, поддерживающая технологию разделения токов нагрузки и зарядки

Рис. 4. Структура контроллера зарядки с использованием технологии DPM

Рис. 5. Структура контроллера зарядки с использованием технологии DPPM

МИ КРО С Х ЕМЫ СИЛ ОВОЙ Э Л ЕК ТРОНИК И

держания напряжения на нагрузке в допустимых границах, обеспечивающих работоспособность системы. В первом случае осуществляется контроль суммарного тока потребления, что достигается измерением падения напряжения на низкоомном резисторе RSNS, устанавливаемом на входе ИС зарядки (см. рис. 4). Если достигнут заранее заданный порог, снижается ток зарядки аккумулятора, а напряжение на нагрузке поддерживается неизменным. Для этого метода управления током зарядки компания Texas Instruments предложила термин DPM (Dynamic Power Management). Во втором методе осуществляется мониторинг напряжения на нагрузке (VOUT) и, если его уровень уменьшается ниже запрограммированного порога (VDPPM_OUT), что, как правило, связано с ограниченными возможностями сетевого адаптера или порта USB, от которого также часто осуществляется подзарядка, то происходит пропорциональное снижение тока зарядки аккумулятора. Эта технология известна под названием

WWW.ELCOMDESIGN.RU

DPPM (Dynamic power-path management). Структура, в которой реализована технологию DPPM, приведена на рисунке 5. ТЕХНОЛОГИЯ SMART POWER SELECTOR

В микросхеме MAX8877 (Maxim) реализована технология регулирования тока зарядки, основанная на мониторинге входного тока. Встроенный в микросхему MOSFET-транзистор с сопротивлением открытого канала RDS = 40 мОм используется для подключения аккумулятора к нагрузке. Если при подключенном сетевом и/или USB-адаптере ток в нагрузке ниже запрограммированного входного тока (т.е. тока ограничения), микросхема MAX8877 обеспечивает зарядку аккумулятора остаточным током (ICHG_BAT = II N – ISYS) [3]. При отсутствии аккумулятора питание нагрузки осуществляется от одного из адаптеров, при отсутствии адаптеров — от аккумулятора. Если ток в нагрузке превышает максимальный ток адаптера, аккумулятор

подключается к нагрузке, обеспечивая тем самым дополнительный ток через нагрузку. При этом прекращается зарядка аккумулятора, т.е. при пиковых нагрузках используется запасенная энергия аккумулятора, во всех других случаях осуществляется его зарядка. Ток ограничения по входу (до 2 А) и ток зарядки аккумулятора (до 1,5 А) устанавливаются внешними резисторами. Предусмотрена возможность автоматического выбора источника входного напряжения (USBпорта или сетевого адаптера) и на аппаратном уровне — тока ограничения (100/500 мА) через порт USB. В основном потери мощности (I2R) в микросхеме происходят в двух транзисторах: входном (с сопротивлением открытого канала RDS = 20 мОм) и транзисторе, обеспечивающем подключение аккумулятора к нагрузке (RDS = 40 мОм). Чтобы избежать перегрева микросхемы в MAX8877 предусмотрена защита от перегрева корпуса. Для этого при повышении температуры кристалла до 100°C значение тока ограничения снижается со скоростью 5%/°C. Если, несмотря на уменьшение тока зарядки, температура кристалла повышается до 120°C, то происходит отключение адаптеров от нагрузки и подключение к ней аккумулятора. Следует отметить, что система защиты микросхемы от перегрева работает независимо от системы мониторинга температуры аккумулятора, для чего используется встроенный в аккумулятор термистор. Микросхема MAX8677A выпускается в корпусе 24-TQFN-EP и имеет размеры 4×4 мм. При монтаже на однослойную печатную плату допустимая мощность рассеивания составляет 1,66 Вт (со снижением 20,8 мВт/°C при температуре выше 70°C), тепловое сопротивление 48°C/Вт. При монтаже на многослойную плату — 2,22 Вт (27,8 мВт/°C), тепловое сопротивление 36°C/Вт. ТЕХНОЛОГИЯ DPM

При использовании технологии DPM выбор адаптера можно производить, исходя из среднего, а не максимального тока потребления. Например, при использовании адаптера (IMAX = 1,5 А), среднем токе через нагрузку 0,5 А и максимальном зарядном токе аккумулятора 1 А, пиковые токовые нагрузки будут обеспечиваться за счет снижения тока зарядки аккумулятора. Это преимущество обеспечивается также и в рассматриваемой далее технологии DPPM. Напряжение на нагрузке остается почти постоянным, поскольку выход адаптера всегда подключен непосредственно к нагрузке, а изменение напряжения VOUT происходит только за счет падения напряжения (IVT1 ∙ RDS) на транзисторе VT1. Поскольку разница напряжений между входом и выходом контроллера зарядки

ТЕХНОЛОГИЯ DPPM

В системах с использованием технологии DPPM осуществляется мониторинг напряжения непосредственно на нагрузке. При уменьшении выходного напряжения до порога (VDPPM_OUT), что может быть вызвано малой нагрузочной способностью сетевого или USBадаптера, снижением напряжения в сети переменного тока, либо простым отключением адаптера, система регулирования, в первую очередь, уменьшает ток зарядки аккумулятора, чтобы сохранить суммарный ток на уровне, допустимом для адаптера. При больших пиковых нагрузках предусматривается также вариант подключения аккумулятора к нагрузке для поддержания энергоснабжения устройства. Все эти меры позволяют использовать недорогой адаптер. Диаграммы, поясняющие принцип работы устройства при выборе технологии DPPM, приведены на рисунке 6 на примере ИС bq2407x с использованием линейного регулятора. Чем меньше падение напряжения между входом и выходом ИС контроллера зарядки, тем выше КПД. Если порог установлен выше напряжения аккумулятора, то КПД больше, чем в случае, когда порог установлен ниже напряжения аккумулятора. Для снижения суммарной потребляемой микросхемой мощности (что автоматически приводит к повышению КПД) приходится уменьшать сопротивление открытого канала транзистора, контролирующего ток зарядки аккумулятора, что достигается соответствующим увеличением его размеров.

Рис. 6. Графики, поясняющие принцип работы технологии DPPM на примере ИС bq2407x

Преимущества технологии DPPM: – возможность использования недорогого адаптера; – улучшенная защита от снижения напряжения в сети переменного тока и при использовании недорогих маломощных адаптеров. Недостатки технологии DPPM: – кратковременные броски напряжения на нагрузке могут воздействовать на чувствительные цепи, к примеру, аудиоусилителя, что приводит к помехам (щелчкам в громкоговорителе); – КПД немного ниже по сравнению с технологией DPM и зависит от времени работы ИС в режиме DPPM. Для минимизации помех, вызванных скачками напряжения на нагрузке, следует как можно выше устанавливать порог (VDPPM_OUT). В таблице 1 приведены параметры некоторых ИС, поддерживающих технологию DPPM. ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ

Во всех рассматриваемых технологиях для поддержания уровня напряжения на нагрузке в допустимом диапазоне и, соответственно, для работоспособности подключенных приборов, приходится уменьшать ток зарядки аккумулятора. В микросхемах bq2403x, bq24070/1, bq24072/3/4/5, MAX8844/5, MAX8819 MAX8877А/С применяются линейные регуляторы с суммарным током до 2 А. В более мощных ИС, созданных на базе импульсных регуляторов напряжения bq2410x, bq24702/3/4/5, bq246хх, обеспечивается ток зарядки вплоть до 10 А (bq24610/17). В микросхемах TPS65800 и bq2403x, bq24070/1, bq24072/3/4/5

используется технология DPPM, в ИС bq2470х, bq24610/17 — DPM. Микросхемы зарядных устройств, содержащих линейные регуляторы, например, bq2403x/2407x выпускаются в корпусе 20-QFN и имеют размеры 3,5×4,5 мм. Допустимая мощность рассеивания до температуры корпуса 40°C составляет 1,81 Вт (со снижением 21 мВт/°C при температуре выше 40°C), тепловое сопротивление — 46,87°C/Вт. ИС MAX8677A (корпус 24-TQFN-EP) при монтаже на многослойную плату имеет допустимую мощность рассеивания 2,22 Вт. Обеспечить суммарный ток через миниатюрную микросхему (3,5×4,5 мм) более 2 А весьма проблематично, поскольку увеличивается и рассеиваемая ею мощность. При больших токах целесообразно использовать микросхемы, выполненные на основе импульсных регуляторов, и мощные ключи не интегрировать на кристалле микросхемы, а разместить снаружи. Примером таких ИС являются bq2461х и bq2470х. Возможные схемы подключения нагрузки и аккумулятора к контроллеру зарядки, созданному на базе импульсного регулятора с использованием внешних компонентов, приведены на рисунке 7. Когда адаптер подключен, энергоснабжение нагрузки осуществляется через ключи, выполненные на транзисторах VT1, VT2. В это время ключ VT3 разомкнут, и происходит зарядка аккумулятора. При отключении адаптера нагрузка питается от аккумулятора (ключ VT3 замкнут). Схему можно упростить, исключив транзистор VT2 или оба — VT1 и VT2 (см. рис. 7б). При исключении транзистора VT2 (а все

Электронные компоненты №6 2011

87 МИ КРО С Х ЕМЫ СИ Л ОВОЙ ЭЛ ЕК Т РОН ИКИ

незначительна, рассеиваемая мощность также невелика. Преимущества технологии DPM: – возможность использования недорогого адаптера; – напряжение на нагрузке постоянно; – достаточно высокий КПД. Если адаптер рассчитан на ток, меньший, чем запрограммированный порог предельного суммарного тока, то при пиковых нагрузках напряжение на выходе адаптера, и соответственно на нагрузке, будет уменьшаться. При снижении напряжения в сети переменного тока использование технологии DPM не предусматривает возможности уменьшения тока зарядки аккумулятора, что потенциально могло бы сохранить напряжение на нагрузке неизменным. Недостатки технологии DPM: – маломощный адаптер может вызвать сбои в работе системы; – отсутствие защитных мер при снижении напряжения в сети переменного тока. Ярким примером контроллера зарядки, в котором используется технология DPM, является ИС bq24610/17, обеспечивающая ток зарядки до 10 А.

а)

б)

Рис. 7. Возможные схемы подключения нагрузки и аккумулятора с использованием внешних компонентов

только ради снижения стоимости) схема сохраняет работоспособность. Однако в этом случае выход адаптера через защитный диод транзистора VT1 подключается непосредственно к нагрузке, что исключает защиту от возможной переполюсовки на входе. Для дальнейшего снижения стоимости можно заменить оба транзистора (VT1 и VT2) одним мощным диодом, однако при этом возможно снижение КПД на 5—15% (за счет падения напряжения на диоде), а кроме того эффект ударного возбуждения в цепях питания вследствие подключения адаптера может вызвать другие нежелательные последствия. Особенности альтернативных вариантов: – возможность обеспечения большого тока зарядки аккумулятора и тока через нагрузку; – независимое энергоснабжение нагрузки и аккумулятора позволяют производить качественную зарядку аккумулятора в непрерывном режиме, исключив вероятное и нежелательное циклическое переключение между режимами зарядки и ее завершением; – даже если аккумулятор полностью разряжен, испорчен или закорочен, напряжение на нагрузке поддерживается в определенных пределах до тех пор, пока подключен адаптер. Следует отметить, что схема, приведенная на рисунке 7а, — более сложная, а реализация устройств обходится МИ КРО С Х ЕМЫ СИЛ ОВОЙ Э Л ЕК ТРОНИК И

дороже, и кроме того диапазон изменения напряжения на нагрузке шире. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При использовании простых и недорогих сетевых адаптеров весьма проблематично одновременно обеспечить надежную работу устройства и быструю зарядку аккумулятора. Поэтому приходится чем-то жертвовать. По вполне понятным причинам жертвовать приходится аккумулятором. В случае применения простого и недорогого адаптера приходится использовать усовершенствованные технологии и, соответственно, специализированные ИС, которые хоть и обеспечивают нормальную работу устройства, но замедляют процесс зарядки аккумулятора. Применять рассмотренные ИС зарядки целесообразно в двух случаях: совместно с простыми и недорогими сетевыми адаптерами, а также в системах, где аккумулятор используется в качестве резервного источника питания, чтобы исключить ситуацию, при которой устройство оказывается неработоспособным из-за вышедшего из строя аккумулятора. При выборе топологии подключения аккумулятора к нагрузке следует принимать во внимание следующее. При непосредственном подключении аккумулятора к нагрузке и, соответственно, при отсутствии ключей на основе MOSFET-транзисторов, обеспечиваю-

Таблица 1. Параметры контроллеров зарядки, поддерживающих технологию DPPM Наименование Разделение пути протекания тока через нагрузку и тока зарядки аккумулятора Технология DPPM Защита от перегрева корпуса Защита от перенапряжения на входе Число входов Ток ограничения через порт USB, мА Программируемый таймер Максимальное входное напряжение, В Максимальный ток зарядки, А Выходное напряжение, В Тип корпуса (размеры, мм)

WWW.ELCOMDESIGN.RU

bq2403x

bq24070/1

bq24072/3/4/5

+ + + 2 100/500 + 18 1,5 4,4/6,0 20-QFN (3,5× 4,5)

+ + — 1 100/500 + 18 1,5 4,4/6,0 20-QFN (3,5× 4,5)

+ + + 1 100/500 + 28 1,0 VBAT…5,5 16-QFN (3,0×3,0)

щих это подключение, достигается максимальный КПД. Схема непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке отличается простотой, а сами устройства — более низкой стоимостью. Однако, если пиковый ток через нагрузку превышает 2,5 А, вряд ли можно рекомендовать эту топологию, поскольку может произойти зацикливание процедуры ограничения входного тока для тепловой защиты микросхемы. Если средний ток через нагрузку более 2 А, схема непосредственного подключения аккумулятора к нагрузке вообще становится малопригодной из-за перегрева кристалла контроллера зарядки. Кроме того, если средний ток через нагрузку составляет 1–2 А, необходимо учитывать, что в этом случае увеличивается и длительность зарядки аккумулятора. ЛИТЕРАТУРА 1. Dynamic Power-Path Management and Dynamic Power Management//Texas Instruments, 2007 (www.ti.com). 2. Improving battery safety, charging, and fuel gauging in portable media applications. Analog Applications Journal//Texas Instruments, 2009 (www.ti.com). 3. 1.5A Dual-Input USB/AC Adapter Charger and Smart Power Selector//Maxim Integrated Products, 2007 (www.maxim-ic.com). 4. Power-Path Li-Ion Charger Selection// Texas Instruments, 2008 (www.ti.com). 5. bq24030, bq24031, bq24032A, bq24035, bq24038. Single-Chip Charge and System Power-Path Management IC (bqTINY™)//Texas Instruments, 2009 (www.ti.com). 6. bq24070, bq24071. Single-Chip Li-Ion Charge and System Power-Path Management IC//Texas Instruments, 2009 (www.ti.com). 7. bq24610, bq24617. Stand-Alone Synchronous Switch-Mode Li-Ion or Li-Polymer Battery Charger with System Power Selector and Low Iq//Texas Instruments, 2009 (www.ti.com). 8. Implementations of Battery Charger and Power-Path Management System Using bq2410x/11x/12x (bqSWITCHER™)//Texas Instruments, 2006 (www.ti.com). 9. Battery Management Solutions. High Performance Analog ICs//Linear Technology (www.linear.com).

ВЫБОР ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ. С ЧЕГО НАЧАТЬ? ДЖЕЙМС БРАЙАНТ (JAMES BRYANT), инженер, Analog Devices

Источник опорного напряжения (ИОН) (реже — тока) является важнейшим элементом АЦП или ЦАП. От его точности и стабильности зависит точность всей системы. Многие преобразователи имеют встроенный ИОН. Рассмотрим вопросы, которые наиболее часто возникают при выборе ИОН.

Что такое стабилитрон со скрытым переходом и стабилитрон с напряжением запрещенной зоны? Это два самых распространенных прецизионных ИОНа, используемых в современных ИС. Стабилитрон с заглубленным (или скрытым) p-nпереходом характеризуется большей стабильностью и точностью. Это диод, сформированный под поверх-

ностным слоем кристалла и покрытый защитным диффузионным слоем, чтобы зона пробоя полностью лежала под поверхностью подложки (см. рис. 1). На поверхностном слое кремния сосредоточено больше примесей, дислокаций кристаллической решетки и механических напряжений. Они увеличивают шум и нестабильность полупроводникового устройства, поэтому стабилитрон со скрытым переходом более стабилен и меньше шумит. Напряжение пробоя стабилитрона составляет обычно около 5 В или более, ток потребления — несколько сотен мкА. ИОНы данного типа неприменимы в маломощных схемах и устройствах с низким напряжением питания. Для них предпочтительнее использовать стабилитроны с напря-

жением запрещенной зоны. В русскоязычной литературе они также называются источниками опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны, или ИОН с использованием напряжения ширины запрещенной зоны. Принцип работы заключается в том, что ИОН генерирует напряжение с положительным температурным коэффициентом, чтобы компенсировать отрицательный температурный дрейф напряжения V be транзистора. Результирующее напряжение оказывается численно равным напряжению запрещенной зоны кремния при нулевом температурном дрейфе. Для наглядности обратимся к рисунку 2. Площадь эмиттера Q2 в 8 раз больше площади эмиттера Q1. Транзисторы обеспечивают пропорциональный абсолютной темпера-

Рис. 1. Структура стабилитрона со скрытым переходом ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

Насколько качественным должен быть опорный сигнал? Это зависит от назначения устройства. При проведении абсолютных измерений точность преобразования определяется точностью опорного сигнала. Однако во многих системах важна не столько абсолютная точность, сколько стабильность или повторяемость. Например, монолитный ИОН на стабилитроне со скрытым переходом (ИС AD588 и AD688) имеет начальную точность 1 мВ на 10 В (0,01% или 100 ppm) и температурный дрейф 1,5 ppm/°C. Этой точности достаточно для 12-разрядной системы (1 МЗР = 244 ppm), но не для 14- или 16-разрядной системы. Хотя, если начальную ошибку привести к нулю, то такие ИОН можно использовать в 14- и 16-разрядных системах в ограниченном температурном диапазоне (1 МЗР = 61 ppm, что соответствует изменению температуры на 40°C в AD588 или AD688). Для увеличения абсолютной точности преобразователь необходимо «закалить» в термостатической печи, чтобы распределение тепла по кристаллу было равномерным, и откалибровать согласно стандарту. Иногда преобразователь должен иметь разрешение не меньше 12 разрядов, даже если в системе не требуется 12-разрядая абсолютная точность. В подобных случаях лучше применять менее точные и более дешевые ИОН на основе стабилитрона с напряжением запрещенной зоны.

Рис. 2. Принципиальная схема ИОН с напряжением запрещенной зоны

Электронные компоненты №6 2011

или если ток течет в неправильном направлении. Разъем «sense» должен быть подключен к выходной части буферного усилителя, желательно к выводу нагрузки.

Рис. 3. Получение отрицательного опорного сигнала

туре (PTAT) ток через резистор R1. Напряжение на резисторе R1 складывается с напряжением база-эмиттер V be транзистора Q1, усиливается и поступает на выход схемы. Это менее стабильный ИОН, однако его коэффициент температурного дрейфа не превышает 3 ppm/°C . Что еще необходимо учитывать? Для ИОН применимы все основные правила аналоговых схем. Итак, необходимо: – избегать перепадов напряжения на проводниках с высоким импедансом; – по возможности минимизировать шум на шине общей земли; – обеспечивать качественную развязку цепи питания. Следует также удостовериться в правильности подключения полярности, а также быть внимательными при работе с емкостными нагрузками.

ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

Какой ток должен обеспечивать ИОН? Как правило, ИОНы имеют внутренний буфер, а втекающий или вытекающий ток находится обычно в диапазоне 5…10 мА. Если ИОН используется в качестве системного или стоит на входе высокоскоростного параллельного АЦП, который имеет очень низкий импеданс, то этого достаточно. При токе 10 мА на сопротивлении 100 мОм падение напряжения составляет 1 мВ. Для некоторых схем это недопустимо. Такие ИОН как AD588 и AD688 имеют специализированные контакты на выходном выводе и выводе земли. Замыкая цепь ОС вокруг источников ошибки, эти контакты компенсируют падение напряжения. Они корректируют также отклонение коэффициента усиления и напряжения смещения, когда к усилителям с токовым буфером подключена большая нагрузка,

WWW.ELCOMDESIGN.RU

Что значит «ток течет в неправильном направлении»? Рассмотрим 5-В ИОН с напряжением питания равным 10 В. Если к выходу 5 В подключена заземленная нагрузка, то ток потечет на землю. Если резистор подключен к линии питания, то ток будет втекающим. Во многих ИОНах допускается любое направление тока, однако некоторые модели рассчитаны либо только на втекающий, либо только на вытекающий ток. Самый простой пример — использование ИОН с положительным выходным напряжением в качестве опорного отрицательного сигнала. Допустимое направление тока указано в документации. Существуют ли ИОНы с отрицательным напряжением? Большинс тво однополярных ИОН — положительные. Двухвыводные активные источники могут использоваться в любой полярности. Они используются так же, как и стабилитроны с напряжением запрещенной зоны. Выход источника положительного опорного напряжения можно использовать в качестве отрицательного опорного сигнала, если для данного источника втекающее направление тока разрешено. В этом случае выходной вывод подключается к земле, а вывод земли, напряжение на котором становится отрицательным, — к опорному выводу через резистор R S или источник постоянного тока (см. рис. 3). В общем случае на вывод положительного напряжения должен поступать положительный сигнал. Но некоторые схемы могут обеспечивать отрицательное напряжение на обоих выходах, для этого вывод положительного напряжения и выходной вывод вместе подключаются к земле. Сопротивление резистора R S подбирается так, чтобы возможные отклонения тока были в пределах допустимого. На что следует обращать внимание при работе с емкостными нагрузками? Во многих источниках на выходе стоит усилитель, стабильность которого может нарушаться при работе с большими емкостными нагрузками порядка нескольких мкФ и более.

В то же время для ослабления шума к ИОН рекомендуется подключать конденсаторы емкостью 1…10 нФ. Некоторые источники, например AD588, имеют вывод с шумоподавлением, к которому можно подключать большие емкости. Если микросхема имеет силоизмерительные выводы, то диапазон разрешенных емкостей регулируется с помощью контура ОС. Заметим, что даже если схема достаточно стабильна, использовать большие емкости не рекомендуется, поскольку они увеличивают время включения источника. Каково время установления ИОН? Как правило, требуется некоторое время для включения ИОН. Во многих источниках ток, протекающий через опорный элемент, поступает со стабилизированного выхода. Эта положительная ОС увеличивает стабильность по постоянному току, однако препятствует включению. Данный эффект устраняется схемотехнически, но время включения ИОН не равно нулю, а составляет 1...10 мс. Не во всех устройствах такая задержка допустима. Для прецизионных ИОН может потребоваться дополнительное время для температурной стабилизации, пока не будет достигнуто температурное равновесие на кристалле и не установятся смещения, вызванные изменением температуры. Эти эффекты описаны в документации и обычно не превышают нескольких секунд. Всегда ли использование внешнего прецизионного источника позволяет повысить точность преобразования? Не всегда. Например, АD674B, быстродействующий вариант классического AD574, имеет заводскую погрешность калибровки не более 0,25%, а точность при использовании внутреннего источника не хуже 100 мВ (1%). Поскольку 0,25% от 10 В = 25 мВ, то напряжение ПШ = 10,025 В. Полагая, что AD674B с внутренним ИОН, напряжение которого было на 1% выше (10,1 В), был откалиброван на заводе при напряжении ПШ, равном 10,000 В, получаем погрешность 1%. Если к АЦП подключен прецизионный ИОН, то напряжение ПШ равно 10,100 В, т.е. погрешность в 4 раза больше, чем указано в документации. ЛИТЕРАТУРА 1. Bryant J. Ask The Applications Engineer — 11//www.analog.com/library/ analogDialogue/Anniversary/11.html

Новые компоненты на российском рынке АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Сверхмалошумящий ОУ с компенсацией дрейфа от Analog Devices

Компания Analog Devices анонсировала сверхмалошумящий ОУ с компенсацией дрейфа — ADA4528. Этот усилитель был спроектирован специально для измерительных и медицинских систем, где имеются повышенные требования к температурному и временному дрейфу параметров. Его применение позволяет отказаться от калибровки приборов. Передовые решения, примененные в ОУ, обеспечили уровень шума всего 99 нВр-р в полосе 0,1…10 Гц, что на 26% ниже, чем у аналогичных изделий конкурентов, а также снизили потребляемую мощность до 40%. Это позволяет использовать ADA4528 совместно с 24-битными АЦП со скоростью преобразования до 150 кГц без потери точности преобразования. Усилитель найдет применение в промышленной, медицинской и весоизмерительной технике совместно с сенсорами и мостовыми датчиками. Основные характеристики ADA4528: – напряжение питания: ±1,1…±2,75 В или 2,2…5,5 В; – номинальный ток потребления: 1,5 мА; – коэффициент подавления синфазного сигнала: 135 дБ; ; – коэффициент плотности шума: 5,9 нВ – полоса рабочих частот: 4 МГц (при Ку = 1); – диапазон рабочих температур: -40…125°С; – тип корпуса: 8-MSOP. Микросхема производится серийно и поставляется без ограничений. Ознакомиться с более подробной информацией и заказать образцы усилителя ADA4528 можно, обратившись в любой из офисов ООО ЭЛТЕХ, по электронной почте или заполнив заявку на сайте компании. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ Высоковольтные MOSFET от Silan Microelectronics

Компания Silan Microelectronics представляет четвертое поколение высоковольтных MOSFET серии SVF, выпускаемых по собственной патентованной технологии F-cell. К примеру, SVF1N60 1 А/600 В имеет сопротивление канала менее 8 Ом, в отличии от предыдущего поколения транзисторов, которые имеют аналогичный показатель ~11 Ом. Ориентировочная стоимость транзисторов в России около 5 руб. У «флагманских» приборов Silan SVF8N80 и SVF12N65 сопротивление канала составляет около 1 Ом. Ориентировочная стоимость в России 18-25 руб. Мощные MOSFET являются ключевыми элементами современной силовой электроники. Они незаменимы в приложениях, где требуется быстрая коммутация больших токов и напряжений. Применение при изготовлении транзисторов различных технологий позволяет обе-

спечить широкий диапазон рабочих напряжений, токов, быстродействия и выбрать MOSFET с оптимальными параметрами. Рабочее напряжение транзисторов составляет от 400 до 900 В, ток от 1 до 18 А. Транзисторы поставляются в корпусах типа TO-92-3L, TO-220-3L, TO-220F-3L, TO-251-3L, TO-2522L и TO-3PN. На многие, широко распространенные MOSFET, можно подобрать аналоги Silan (см. табл.). Silan

Infineon

SVF1N60 (600В, 3А)

STD1NK60

FQD1N60

IRFR1N60A, IRFU1N60A

SVF3N60 (600В, 3А) SPP03N60S5

STD3NM60

FQP3N60C

IRFIBC30G

SVF7N60 (600В, 7А) SPD07N60S5

STD8NM60

FCPF7N60 IRFBC40APBF

SVF8N80F (800В, 8А)

STP10NK80

FQPF8N80

STP16N65

FQP12N60

BUZ305

SVF12N65 (650В, 12А) IPI60R250CP

ST Microelectronics Fairchild

Vishay/IR

IRFPC50PBF

По всеми вопросами можно обращаться к официальному дистрибьютору Silan в России и Болгарии ООО «НЕОН-ЭК». Silan Microelectronics www.silan.com

Дополнительная информация: см. «НЕОН-ЭК», ООО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Новый генератор сигналов произвольной формы от Agilent

Компания Agilent Technologies пополнила линейку генераторов сигналов произвольной формы новым широкополосным модульным прибором с частотой дискретизации 8 или 12 Гвыб./с и высоким разрешением. Новый генератор сигналов произвольной формы M8190A одновременно обеспечивает высокое разрешение и широкую полосу, обладая в то же время самым широким в отрасли динамическим диапазоном, свободным от паразитных составляющих, и очень малыми гармоническими искажениями. Такая функциональность позволяет разработчикам средств радиоэлектронного противодействия, радиолокационных и спутниковых систем выполнять надежные, воспроизводимые измерения и создавать высокореалистичные сигнальные сценарии для тестирования своих продуктов. Обладая разрешением до 14 битов, M8190A облегчает отделение сигналов от помех и позволяет более полно нагружать тестируемые устройства. Память прибора объемом 2 Гвыб позволяет создавать более длинные тестовые сценарии, обладающие большей реалистичностью. Основные характеристики M8190A: – 14-битное разрешение и полоса пропускания более 5 ГГц на канал одновременно; – возможность создания реалистичных сценариев за счет использования памяти на 2 Гвыб.; – меньший размер и масса системы, благодаря модульной конструкции формата AXIe. Высокие характеристики генератора M8190A достигаются за счет применения специальных ЦАП, разработанных в лаборатории компании Agilent. ЦАП, изготовленный с при-

Электронные компоненты №6 2011

менением технологии BiCMOS, может работать с частотой 8 Гвыб./с и разрешением 14 битов или с частотой 12 Гвыб./с и разрешением 12 битов. M8190A работает в модульной системе формата AXIe, предназначенной для высокопроизводительных измерительных приборов. Его можно использовать в 2-слотовых или 5-слотовых шасси. Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc.

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

Новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (СанктПетербург) представляет качественно новые высокочастотные малошумящие прецизионные кварцевые генераторы. ГК218-ТС — это миниатюрный термостатированный кварцевый генератор в корпусе 25×25×10 мм. Поставляется с частотами от 48 МГц до 1000 МГц. Характеризуется высокой температурной стабильностью частоты (до 5·10 –8) в широком интервале рабочих температур, высокой долговременной стабильностью частоты (до 2·10 –7 за год) и низким уровнем фазовых шумов: до –170 дБ/Гц для частоты 100 МГц при отстройке 100 кГц. ГК218-ТС имеет выходной сигнал SIN и напряжение питания 12 или 5 В. Характерной особенностью новой модели является малое время установления частоты — не более 60 с. Доступен вариант исполнения в корпусе с SMA разъемом. ОАО «Морион» заканчивает разработку кварцевого генератора ГК219-ТС с теми же габаритно-присоединительными размерами, как и у описанного выше ГК218-ТС. Обладая схожими электрическими характерис тиками, ГК219-ТС будет иметь существенно более высокую стойкость к внешним воздействующим факторам. Предназначен для специальных применений и будет поставляться в категории качества «ВП». Уникальные характеристики делают указанные генераторы эффективным решением для применения в различных типах радиолокационного оборудования, а также для любых видов синтезаторов частот. Дополнительная информация об этих и других новых приборах доступна на обновленном сайте www.морион.рф. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Syfer Technology www.syfer.com

Дополнительная информация: см. «Радиант-Элком», ЗАО

Agilent Technologies Inc. 115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр.1 Тел.: +7 (495) 797-3928 tmo_russia@agilent.com www.agilent.ru «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: +7 (812) 350-75-72, +7 (812) 350-9243 Факс: +7 (812) 350-72-90, +7 (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «НЕОН-ЭК», ООО 199178, С.-Петербург, ВО, 8-я линия, д.79 Тел./факс: (812) 335-00-65 www.e-neon.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ Фильтры на базе керамических конденсаторов для высокоскоростных схем от Syfer Technology

Компания Syfer Technology предлагает 3-выводные фильтры электромагнитных помех в конфигурации C серий E01 и E07 в компактных корпусах (вплоть до типоразмера 0603). Эти приборы предназначены

WWW.ELCOMDESIGN.RU

для фильтрации сигналов в высокоскоростных цифровых схемах, в частности, в автомобильных и коммуникационных приложениях. В фильтрах предусмотрены заземленные боковые выводы, что позволяет уменьшить длину каналов передачи шума. В результате, при фильтрации помех на сигнальной линии уменьшается индуктивность, по сравнению с обычными многослойными чип-конденсаторами (типа MLCC). При использовании фильтров в целях обеспечения электромагнитной совместимости, они эффективно блокируют излучение электромагнитных помех от высокоскоростных схем и не допускают распространение высокочастотного шума по шинам питания. В фильтрах указанных серий применяются диэлектрики типа C0G/NP0 и X7R, которые рассчитаны на номинальное напряжение от 25 до 200 В. Номинальные значения токов составляют 300 мА (для E01), а также 1 A и 2 A (для E07). Фильтры, рассчитанные на больший ток, идеально подходят для монтажа на шины питания печатных плат, что позволяет существенно снизить уровень высокочастотных помех. Фильтры серии E01, рассчитанные на более низкий ток (300 мА), соответствуют требованиям стандарта для автомобильных компонентов AEC-Q200. В зависимости от требуемой номинальной емкости и напряжения чип-конденсаторы предлагаются в корпусах типоразмеров от 0603 до 1806. Новейшие фильтры поставляются в корпусах типа 0603. Устройства предлагаются в диапазоне номиналов емкостей от 150 до 390 пФ (300 мА, диэлектрик C0G, 25 В) или от 2,7 до 12 нФ (1A, диэлектрик X7R, 50 В). Устройства серий E01 и E07 также доступны с выводами FlexiCap, разработанными компанией Syfer. Все стандартные версии фильтров соответствуют требованиям RoHS. Имеется возможность поставки фильтров с оловянно-свинцовым покрытием выводов для применения в высоконадежных приложениях, например в космической и аэрокосмической отрасли.

«Радиант-Элком», ЗАО 117246, Москва, Научный проезд, 8, стр. 1 Тел.: (495) 725-04-04 Факс: (495) 921-35-85 radiant@ranet.ru www.radiant.su ЭЛТЕХ, ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru