Электронные компоненты №10/2009

содержание

№10/2009 РЫНОК 7 RFMD. Приоритеты в России 8 Силовая электроника — ключевая технология российской промышленности 10 События рынка

31 Стив Петтис, Пит Зайсел Воспроизводимое измерение искажений, связанных с нелинейными свойствами широкополосных систем связи 34 Екатерина Самкова Как снизить потребление сети беспроводных датчиков

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 Галина Гайкович О возможностях использования беспроводных высокоскоростных сверхширокополосных аппаратно-программных систем для промышленной автоматики 20 Рик Нельсон Выбор радиочастотного ключа — нелегкая задача 24 Джим Дэвис Надёжность и энергопотребление встраиваемых беспроводных приложений 27 Ю Уилки Влияние канальных эффектов на характеристики систем MIMО

36 Питер Фур Отслеживание ресурсов на предприятии

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА 40 Александр Григорьев Решения компании NXP для энергосберегающих систем освещения 45 Антон Булдыгин Мощные светодиодные приборы

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 50 Анатолий Белоус, Виталий Солодуха, Виталий Сокол, Валентин Сякерский Методы защиты от эффекта Миллера при схемотехническом проектировании биполярных микросхем

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ 54 Виктор Ежов Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования и тестирования. Часть 2

журнал для разработчиков

11 Игорь Алексеев Некоторые методы ослабления шумов и электромагнитных помех

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; Иван Покровский; 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; Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.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» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.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 со­гла­ сия 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 12.10.2009 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13.

электронные компоненты

www. elcp.ru

58 Виктор Охрименко PLC-технологии. Часть 1

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ и DSP 63 Макс Домейка Оценка производительности многоядерных процессоров. Часть 1 67 Алексей Бумагин, Алексей Гондарь, Михаил Куляс, Александр Руткевич, Владимир Стешенко, Аль-Мехди Тайлеб, Григорий Шишкин Обзор современных самосинхронных микропроцессоров содержание

4

70 Виктор Ежов Cortex-A9 MPCore: производительность настольного компьютера, энергопотребление мобильного устройства

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 72 Евгений Силкин Автономные инверторы напряжения с квазирезонансной коммутацией для систем промышленной автоматики, электротехнологий и связи

www. elcp.ru

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 77 Эффективный режим ЧИМ для 6-МГц импульсного понижающего преобразователя TPS62620

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА 81 Майк Пенг Ли Джиттер, шум и целостность сигнала в высокоскоростных системах коммуникации

ПОСЛЕ РАБОТЫ 86 Семён Галкин Двухканальный усилитель мощности звуковых частот класса D 88 Юрген Штанидер Нетускнеющий светодиодный фонарь 91 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 1 0 / 2 0 0 9 E LEC TRO N IC COM PO N E NTS #10 20 09

7 RFMD. Priorities in Russia 8 Power Electronics as a Key Technology of the Russian Industry 10 MARKET EVENTS

DESIGN and DEVELOPMENT 11 Igor Alexeev Methods of Electrical Noise Mitigation

WIRELESS TECHNOLOGIES 14 Galina Gaikovich Wireless Ultra Wide Band Systems for Industrial Automation 20 Rick Nelson RF Switching Options: The Right Fit Might Come with a Loss 24 Jim Davis Reliability vs. Power in Embedded Wireless Applications. What Datasheets Don't Say 27 Yu Wilkie Understanding the Impact of Channel Effects on MIMO System Performance 31 Steve Pettis and Pete Thysell Repeatable Characterization of Distortion Caused by Nonlinearities in Wideband Communication Systems 34 Ekaterina Samkova How to Design a Low Power Wireless Sensor Network 36 Peter Fuhr Asset Tracking in Industrial Settings

LIGHTING and OPTOELECTRONICS

NETWORKS and INTERFACES 54 Victor Ezhov HDMI and DisplayPort Interfaces: Design and Testing. Part 2 58 Victor Okhrimenko PLC Technologies. Part 1

MCU and DSP 63 Max Domeika Evaluating the Performance of Multi-Core Processors. Part 1 67 Alexey Bumagin, Alexey Gondar, Mikhail Kulyas, Alexander Rutkevich, Vladimir Steshenko, Ali-Mehdi Taileb and Grigory Shishkin Reviewing Self-Synchronizing Microprocessors 70 Victor Ezhov Cortex-A9 MPCore: PC Performance and Power Consumption of Mobile Device

POWER SUPPLIES 72 Evgeny Silkin Stand-Alone Voltage Inverter with QuasiResonance Switching for Industrial Automation and Telecommunications

POWER ICs 77 Efficient Pulse Frequency Modulation Mode for 6MHz Switching Converter

THEORY and PRACTICE 81 Mike Peng Li Jitter, Noise, and Signal Integrity at High-Speed: A Tutorial

AT LEISURE

40 Alexander Grigoriev NXP Solutions for Power-Saving Lighting Systems

86 Semyon Galkin Dual-Channel Class D Audio Power Amplifier

45 Anton Buldygin Powerful LED Devices

88 Jürgen Stannieder Undimmable LED Torch

ANALOG 50 Anatoly Belous, Anatoly Silin, Vitaly Sokol and Valentin Syakersky Protection Methods from Miller Effect when Designing Bipolar ICs

91 NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

электронные компоненты №10 2009

5 содержание

MARKET

Компании:

производители, дистрибьюторы, поставщики

4-я обл. IR/Компэл, ЗАО 2 Microchip Technology Corp.

25 OncQue 21 Texas Instruments 35 Treston

53 Александер Электрик Дон, ООО 33 Аргуссофт 61 Гранит-ВТ, ЗАО Спб 2-я обл., 41, 79 Компэл, ЗАО 87 Мастер Кит 51 Миландр, ЗАО 15 МТ-Систем, ООО

6

71 Неон, ООО содержание

4 Резонит, ООО 69 Реом СПб, ЗАО 47 Светотроника 3-я обл. Симметрон, ЗАО 9 Синтез Микроэлектроника, ЗАО 57 СМП, ООО 29 УнивесалПрибор, ООО 37 Электроконнект, ООО 29 Элитан, ЗАО 1 Элтех, ООО

www. elcp.ru

RFMD. Приоритеты в России Компания RF Microdevices (RFMD) — известный мировой производитель ВЧ-компонентов для мобильной связи — начала активное продвижение на российском рынке. Особенности продукции RFMD и перспективы ее применения в России мы обсудили с Дэниэлом Годсиффом, региональным менеджером RFMD в Европе и России.

— О дизайн-центрах компании хотелось бы поговорить подробнее: сколько их, где расположены, какой объем доходов в относительном исчислении расходуется на их финансирование?

— По итогам финансового года (на конец марта 2008 г.) финансирова­ ние наших дизайн-центров составило около 19% общего объема доходов от продаж. Несколько дизайн-центров находится в США, два — в Европе и один — в Азии.

— Каково положение компании RFMD на мировом рынке? В какой группе продукции она занимает лидирующие позиции, а где ощущается сильная конкуренция?

— Поскольку RFMD ориентирует­ ся одновременно на разные рынки, то едва ли можно точно определить долю компании в каждом рыночном сегменте. Вместе с тем у нас есть уве­ ренность, что RFMD — «номер один» в мобильных применениях. Кроме того, мы занимаем достаточно силь­

ные позиции в области ВЧ-усилителей общего назначения, генераторов сиг­ нала, беспроводных сетей передачи данных, усилителей для кабельного телевидения.

— Могли бы Вы назвать самых сильных конкурентов вашей компании на российском рынке? Каким образом будет осуществляться техническая поддержка потребителей?

— Наши ближайшие конкуренты в России — это M/A-COM и Hittite, которые представляют продукцию в схожих сегментах рынка. Тем не менее в номенклатуре RFMD есть большое количество продуктов, которых лише­ ны наши конкуренты. Мы убеждены, что наша линейка компонентов, боль­ шая по размерам как в количествен­ ном, так и в качественном (например, благодаря технологии GaN) отноше­ ниях выгодно отличает RFMD от дру­ гих производителей и обеспечивает преимущества для конечных потре­ бителей. В России продукцию RFMD представляет наш официальный дис­ трибьютор, компания «Макро Групп», с которой мы работаем по продвиже­ нию ключевых позиций в основных сегментах рынка, развитию проектов и поддержке заказчиков. В нашем европейском подразделении также есть группа инженеров технической поддержки, которая готова оказать необходимую техническую помощь инженерам.

— Разработаны ли в компании собственные стандарты контроля качества, или продукция производится в соответствии со стандартами ISO? — Производственные процессы и вся продукция RFMD соответствуют необходимым отраслевым стандартам, таким как ISO, а также специальным требованиям, предъявляемым к произ­ водству ВЧ-компонентов. В некоторых случаях мы устанавливаем особенные требования к конкретным изделиям, как правило, если возможности заказ­ чика оправдывают наши затраты.

— Есть ли в компании приоритетные направления развития или все направления ее деятельности равноценны?

— RFMD вынуждена постоянно пересматривать свои приоритеты и

стратегические планы, что обуслов­ лено высокой динамикой и соревно­ вательным характером тех рынков, для которых мы создаем продукцию. Основная наша цель — укрепление и расширение лидерских позиций в области производства ВЧ-компонентов и полупровод­никовых структур.

— Насколько важны для компании услуги фаундри? Каков их удельный вес в общем объеме оборота компании?

— Одно из наших последних наме­ рений по открытию производства полу­ проводниковых GaN-пластин на про­ дажу вызвано, прежде всего, желанием приблизить как можно большее число наших заказчиков к нитрид-галиевой технологии и, тем самым, способство­ вать её распространению. Мы уверены, что эта технология обеспечивает мно­ жество преимуществ для самых разных применений. Это новая для нас область деятельности, но она оценивается нами как весьма перспективная.

— Как компания адаптирует компоненты под стандарты различных стран, например под WiMax в России?

— Стандартам беспроводной связи и техническим требованиям в нашей компании уделяется самое пристальное внимание. Мы тесно взаимодействуем с поставщиками и потребителями чип­ сетов, чтобы обеспечивать совмести­ мость систем у наших заказчиков. Если в стране определен стандарт, отличный от общепринятого в мире, с чем мы действительно порой сталки­ ваемся, RFMD благодаря взаимодей­ ствию с заказчиками вырабатывает специальное решение для данного рынка. Опять же, это происходит в том случае, если того требуют весомые бизнес-проекты. Беседовал Леонид Чанов

электронные компоненты №10 2009

7 рынок

— Г-н Годсифф, для начала давайте представим компанию RF Microdevices, рассказав о ее специализации, структуре, численности персонала.

— В структуре компании RF Mic­ro­ de­v ices есть два основных подразде­ ления: Cellular Products Group (CPG) — радиочастотные компоненты для сотовой связи и Multi-Market Products Group (MPG) — ВЧ-компоненты широ­ кого спектра применения. В области производства радиочастотных ком­ понентов для сотовой связи RFMD традиционно занимает лидирующие позиции. Второе подразделение ком­ пании ориентировано более чем на 20 различных рыночных применений. Компания производит усилители для кабельного телевидения, базовых станций, инфраструктуру для сотовых сетей и многое другое. Штат компа­ нии насчитывает более 4 тыс. сотруд­ ников. Главный офис расположен в Гринзборо (США), и там же находится фабрика по производству полупрово­ дниковых пластин. RFMD располагает также производственными мощностя­ ми в Китае. Многочисленные предста­ вительства компании и центры раз­ работок имеются в разных регионах США, Европы и Азии.

Силовая электроника — ключевая технология российской промышленности XXI в. С 1 по 3 декабря 2009 г. в Москве в Конгресс-центре ЦМТ (Центра Международной торговли) пройдет 6-я Международная выставка «Силовая Электроника и Энергетика». Выставка проводится при поддержке Министерства образования и науки, Министерства промышленности, Федерального фонда развития электронной промышленности, ОАО «Российская Электроника» и Правительства Москвы.

8

Выставки по праву называют «зеркалом рынка». Именно здесь собираются специалисты, чтобы оценить ситуацию, быть в курсе событий, посмотреть, что делают конкуренты, узнать мнения экспертов, найти точку опоры для принятия правильных решений. Среди большого числа возможностей у выставок есть одно главное преимущество: именно здесь могут встретиться лицом к лицу ведущие производители, поставщики товаров и услуг, конечные потребители, представители государственных организаций, профессиональных и деловых изданий. Установлено, что выставочные контакты на 34% увеличивают так называемое «намерение купить» (рurchase intent) и являются наиболее эффективным инструментом сбыта. Поэтому даже в непростое время ведущие проекты не теряют своей значимости, а напротив — укрепляют позиции. Более 100 российских и зарубежных компаний примут участие в выставке «Силовая Электроника и Энергетика-2009», среди них: «Электровыпрямитель», ГК «Симметрон», «Нюкон», «Компэл», Infineon Technologies, «ЭФО», Semikron, Mitsubishi Electric Europe, «ЦПМК РУСТЭЛ», «Апекс», Sirio Electronics, «Новые Технологии», «ЮЕ Интернейшнл», «Пауэр Смарт Системс», «Прософт», «Платан Компонентс», «Вест-Эл», Semelab, «Ай-Джи-БиТи Электроникс», «Аргуссофт Компани», «Радиоэлком», «Азимут ИТЦ» и многие другие. В этом году запланированы также экспозиции предприятий радиоэлектронного комплекса России, национального стенда Китая и Тайваньской Ассоциации TEEMA, которая была учреждена в 1948 г. в интересах тайваньской электрической и электронной промышленности, сопутствующих отраслей, а также заказчиков и правительства Тайваня. В рамках деловой программы «Силовой Электроники и Энергетики-2009» впервые пройдет Международная специализированная конференция «Силовая электроника — ключевая технология российской промышленности XXI в». Цели мероприятия: – создание открытого информационного пространства для исследования тенденций применения силовой электроники в различных отраслях промышленности в современных экономических условиях; – создание условий для выявления и продвижения инновационных разработок, направленных на уменьшение затрат производственных процессов в период выхода из кризиса; – содействие укреплению делового сотрудничества, способствующего привлечению российских и иностранных инвестиций в развитие российской промышленности. Формат мероприятия: – круглый стол производителей компонентов силовой электроники и микроэлектроники; – обучающие семинары и презентации компанийучастниц выставки;

WWW.ELCP.RU

– пленарное заседание в рамках конференции; – специализированные сеты-заседания по применению силовой электроники (электропривод, источники питания, электротранспорт, РЖД, индукционный нагрев, малая энергетика, мощные приводы в нефтегазовой отрасли); – бизнес-диалог в рамках конференции, где будут организованы встречи производителей и поставщиков компонентов силовой электроники с представителями дизайнцентров, инженерами промышленных производств, ответственных за внедрение и разработки технологий. К участию в конференции приглашены представители органов исполнительной власти субъектов РФ в области развития промышленности, руководители крупнейших промышленных предприятий России, стран дальнего и ближнего зарубежья, представители отраслевых ассоциаций и СМИ. «Силовая Электроника и Энергетика» наряду с выставками «ЭкспоЭлектроника» и «ЭлектронТехЭкспо», ежегодно проводимыми компанией «Примэкспо» в апреле, является одним из шагов на пути реализации Федеральной целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008—2015 гг.». Организаторы выставки, компании «Примэкспо» и ITE, постоянно поддерживают своих участников, поэтому в 2009 г. разработаны специальные бонусные программы и предусмотрены консультации для каждой компании с целью эффективного участия в проекте. По вопросам участия в выставке и конференции обращайтесь, пожалуйста, в оргкомитет: тел: +7 (812) 380 6003/07 факс: +7 (812) 380 6001/00 E-mail: power@primexpo.ru Следите за подготовкой форума по новостям на нашем сайте: www.powerelectronics.ru.

События рынка

| В Москве прошла конференция «Гражданская электроника России: стратегия возрождения» | 1 октября 2009 г. в Москве прошла экспертная конференция «Гражданская электроника России: стратегия возрождения» (CIV EL-2009), в которой приняли участие руководители, ведущие специалисты, эксперты из отечественных и зарубежных компаний. Организаторами конференции выступили: экспертная группа «Гатчинский центр наноэлектроники», АНО «Институт физико-технической информатики», НП «Агентство научных и деловых коммуникаций» РАН. Форум прошел при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Российской Академии наук, Государственной Думы РФ. Были рассмотрены следующие вопросы: – проблемы законодательного обеспечения ускоренного развития электроники и приборостроения; – массированная инкубация малых инженерных компаний в специализированных технопарках и свободных экономических зонах; – полупроводниковые технологии и производство СБИС нанометровых норм; – развитие фаблесс-инженерии и проектировочных компаний СБИС; – развитие системной инженерии, моделирование и программное обеспечение встраиваемой электроники и изделий приборостроения; – подготовка кадров для электронной индустрии и инструментальные САПР; – компонентная база российских суперкомпьютеров; – проблемы потребительской электроники. На заключительном круглом столе было принято решение о подготовке процедуры регистрации Ассоциации отечест­ венных разработчиков электроники (как аппаратуры, так и современной элементной базы), а также решено было проводить форум «Гражданская электроника России» ежегодно. www.russianelectronics.ru | Осторожно! Преобразователи AIMTEC подделывают! | В условиях экономического кризиса некоторые потребители стремятся использовать любую возможность, чтобы купить электронные компоненты по максимально низким ценам. При этом их не останавливает даже сомнительность происхождения приобретаемых изделий и неофициальность каналов поставок. В результате потребители рискуют потратить деньги на низкосортные подделки. Например, за этот год было официально зарегистрировано несколько случаев приобретения контрафактной продукции DC/DC-преобразователей AIMTEC. «Мы должны предупредить покупающих такие преобразователи клиентов, что они принимают на себя все риски по качеству и надежности, связанные с использованием контрафактной продукции» — заявил Владимир Серафимов, Президент AIMTEC Inc. Поскольку отличить оригинальную продукцию от поддельной по внешнему виду бывает достаточно трудно (см. фото: слева — оригинальный DC/ DC-преобразователь Aimtec, справа — поддельный), то многие заказчики и не подозревают, что они приобрели подделку. Оригинальные компоненты AIMTEC можно приобрести только у официальных дистрибьюторов и их официальных партнеров. Одним из официальных дистрибьюторов Aimtec в России является компания «ЭЛТЕХ». Компания AIMTEC настоятельно рекомендует приобретать ее продукцию только у официальных дистрибьюторов и предупреждает, что на изделия, полученные по «серым» каналам, не распространяется гарантия компании. www.eltech.spb.ru

новос ти

10

| ISuppli: складские запасы ИС снизились до приемлемого уровня | В соответствии с выводами iSuppli Corp., мировые запасы полупроводников уменьшились до приемлемого уровня в течение четырех кварталов непрерывного снижения, что создало условия для восстановления резервов и роста объемов продаж во второй половине этого года. По данным этого аналитического агентства, после снижения на 2,2% и 6,6% в III и IV кв. 2008 г., мировые запасы полупроводников упали на 15,1% в I кв. и на 1,5% во II кв. текущего года. Карло Сирьелло (Carlo Ciriello), финансовый аналитик iSuppli, отметил, что падение спроса в первой половине 2009 г. побудило производителей полупроводников оперативно снизить загрузку мощностей и цены на кристаллы. В других сегментах рынка электронных компонентов складские запасы также уменьшились. По прогнозам iSuppli, во второй половине текущего года запасы увеличатся незначительно, вслед за ростом доходов мировой индустрии полупроводников. После падения на 18,8% в I кв. и последовавшего увеличения на 7,1% во II кв. доходы мирового рынка полупроводников вырастут во второй половине года в соответствии с финансовыми показателями Intel Corp. и других производителей кристаллов. Таким образом, доходы мирового полупроводникового рынка увеличатся на 10,4% в III кв. и на 4,9% — в IV кв. Некоторые аналитики прогнозируют более скорое восстановление во второй половине текущего года. Например, Билл МакКлин (Bill McClean), президент IC Insights Inc., предсказывает 18-% рост, по сравнению с первой половиной 2009 г. По оценкам iSuppli, складские запасы полупроводников увеличатся на 5,5% в III кв. и на 1% — к концу года. «Несмотря на оптимистические настроения, корпорации с тревогой ожидают результатов второй половины года, отмечая неуверенный характер спроса. Руководству компаний следует осторожно балансировать между ростом цен и сохранением своей доли на рынке», — считает Сирьелло. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ОСЛАБЛЕНИЯ ШУМОВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ Игорь Алексеев, технический консультант, ИД «Электроника» В статье подробно рассматриваются причины возникновения шумов и помех, приводятся рекомендации по их уменьшению. Указываются коэффициенты ослабления шумов для различных методов экранирования и скрутки. Приведены рекомендации и указаны стандарты по прокладке кабелей.

SNR = 10 log(S/N). В инженерной практике величина SNR = 20 дБ считается плохим показателем, пригодным лишь для систем с невысокими требованиями к качеству функционирования. Значение SNR = 60 дБ вполне приемлемо в большинстве случаев. Но при измерении слаботочных сигналов эта величина должна быть еще больше.

В системах связи и для цифровых схем наиболее приемлемым показателем эффективности канала является интенсивность ошибочных битов BER (Bit Error Rate). Этот коэффициент показывает соотношение между успешно переданными и ошибочными битами. Например, величина 10 –6 означает, что один бит на миллион был ошибочным, и свидетельствует в целом о плохой работе системы связи с высокой скоростью передачи данных. Следует учесть, что если ошибочный бит находится в служебном байте, то это может привести к потере всего кадра. Значение BER = 10 –12 считается очень хорошим. В промышленных системах с невысокими требованиями к передаче данных вполне приемлема величина BER равная 10 –4. SNR и BER взаимосвязаны (см. рис. 1). Большинство систем связи обеспечивает достаточно хорошие показатели BER при SNR выше 20 дБ. Источники возникновения шумов

Строго говоря, любая электрическая система, даже простейшая, и электрические соединения являются источниками шумов. На рисунке 2 показан механизм возникновения заземляющего контура, приводящего к появлению шумов. Два устройства обработки данных, изображенные в верхнем правом углу схемы, подключены к точкам А и Б заземляющей системы. Между этими устройствами имеется кабель связи, экран которого подключен к корпусам блоков. Ток утечки в системе заземления между точками А и Б приводит к падению шумового напряжения между ними, которое, в свою очередь, может вызвать ток через экранирующую оплетку, распространяющийся в виде шума по проводникам кабеля связи. Особенно внимательно надо отнестись к контуру заземления, если в непосредственной близости от системы расположены электрические дви-

гатели. В этом случае любой переходный процесс в электродвигателях, в том числе и пуск, приводит к резкому изменению тока в их обмотках. Через паразитные емкости между обмоткой и заземленным корпусом электродвигателя всплески тока в виде помех попадают в контур заземления. В тех случаях, когда две или более электрические схемы используют общие проводники, между различными цепями может возникать паразитная гальваническая связь, обусловленная тем, что сигнальный ток от одной цепи течет в обратном направлении по общему проводнику, вызывая напряжение рассогласования на заземляющей шине и воздействуя на все другие сигналы. Напряжение рассогласования обусловлено тем, что обратная шина имеет некоторое значение емкости, индуктивности и сопротивления (см. рис. 3). Для устранения нежелательного эффекта используют балансную схему с раздельными обратными проводами для каждого отдельного сигнала. Паразитные емкости, существующие практически между всеми близко расположенными проводниками и компонентами системы, порождают электростатические или емкостные помехи. Существуют следующие четыре метода снижения шума, обусловленного электростатической связью: 1) экранирование сигнальных проводов;

Рис. 1. Взаимосвязь между интенсивностью ошибочных битов и отношением сигнала к шуму

1

Здесь и далее под шумом будем понимать суммарный шум от внешних и внутренних источников.

электронные компоненты №10 2009

11 Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

Введение

Шумы и помехи в электрических схемах условно можно разделить на внутренние и внешние. К внутренним отнесем: – тепловой шум; – дробовой шум; – фликкер-шум или шум типа 1/f; – шум, вызванный несовершенством электрической схемы и неидеальностью ее элементов. К внешним шумам отнесем следующие виды помех: – электростатические помехи и грозы; – электромагнитные помехи от работающих поблизости электроустановок. Сюда же причислим и наводки от рядом проходящих кабелей; – радиопомехи. Внутренние шумы довольно подробно рассмотрены в [1]. Отметим лишь, что тепловой шум, зависящий от величины резисторов, которые являются основными источниками этого вида шума, и дробовой шум, зависящий от величины тока, уменьшить невозможно. Кондуктивные и радиопомехи, возникающие при работе электронного оборудования, частично рассмотрены в [2]. В данной статье мы остановимся более подробно на вопросах экранирования и заземления. Для оценки величины шума 1 используется параметр SNR (signal to noise ratio), характеризующий отношение величины сигнала S к величине шума — N:

Рис. 2. Заземляющие контуры в электрораспределительных сетях здания

например, 85% покрытия, коэффициент экранирования равен примерно 100, или 20 дБ, т.е. C3 и C4 составляют около 1/100 величины C1 или C2. В случае низкоимпедансного многослойного экрана этот коэффициент может достигать значения 35 дБ, или 3000. Паразитная магнитная или индуктивная связь между компонентами системы также порождает шум. Его величина зависит от следующих параметров: – величины тока; – частоты тока; – площади охвата сигнальными проводами, через которую проходит магнитный поток; – расстояния от источника шума до сигнальных проводов. Наиболее простой метод снижения шумового напряжения при индуктивной связи заключается в скрутке сигнальных проводников. Из-за того, что

Рис. 3. Гальваническая связь

Рис. 4. Экран, позволяющий минимизировать электростатическую связь

Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

12

площадь каждой петли уменьшается, сквозь нее проходит меньший магнитный поток, и, следовательно, индуцируется меньшее шумовое напряжение. Кроме того, индуцируемое в той или иной петле шумовое напряжение нейтрализует шум в каждой последующей петле. Таким образом, четное количество петель позволяет нейтрализовать в них помехи. При этом предполагается, что шумовое напряжение индуцируется с равной амплитудой в каждом из сигнальных проводов. Для подавления такого рода помех также используется экранирование, но в этом случае экран должен быть сконструирован из магнитного материала, например, из стали с высокой магнитной проницаемостью. Применение экранов для защиты от электростатических и магнитных помех довольно подробно рассмотрено в [2].

2) удаление сигнальных проводов от источника шума; 3) уменьшение амплитуды шумового напряжения (и, возможно, его частоты); 4) скрутка сигнальных проводов. Если выполнить рекомендации пунктов 2 и 3 не удается, следует прибегнуть к экранированию. Пример экранирования сигнальных проводов показан на рисунке 4. Импеданс экрана должен быть меньше, чем у сигнальных проводов. Для того чтобы уменьшить величину тока, протекающего между экраном и проводами через емкости С3 и С4, следует выровнять их потенциалы, заземлив сигнальный провод вместе с экраном в одной точке. Еще раз подчеркнем, что экран должен быть изготовлен из материала с низким импедансом, например, из алюминия или меди. При неплотной медной оплетке, обеспечивающей,

www.elcp.ru

Рис. 5. Конструкция экранированного двухобмоточного трансформатора

нальной цепи отличать полезный сигнал от шума. Например, физический стандарт передачи данных RS-232E предусмотрен для кабелей с высокой чувствительностью, а 1000-В 200-А кабель переменного тока имеет низкую чувствительность. Кратко перечислим параметры четырех уровней чувствительности, определяемых стандартом IEEE 518:1982.

1. Уровень 1 — высокая. К этой категории относятся аналоговые сигналы менее 50 В и цифровые сигналы менее 15 В; цифровые логические шины и телефонные сети; кабели для передачи данных.

2. Уровень 2 — средняя. К этой категории относятся аналоговые сигналы более 50 В и коммутационные цепи.

3. Уровень 3 — низкая. К этой категории относятся коммутационные и аналоговые сигналы более 50 В; токи менее 20 А.

4. Уровень 4 — силовая. К этой категории относятся напряжения в диапазоне 0...1000 В и токи 20...800 А; цепи как переменного, так и постоянного токов. Стандарт IEEE 518 также предусматривает три разных варианта расчета расстояния между кабелями разной чувствительности. В случае если один кабель имеет высокую чувствительность, а чувствительность другого изменяется, требуемое расстояние определяется следующим образом.

– Оба кабеля находятся в отдельном лотке: - уровень 1 — уровень 2…30 мм; - уровень 1 — уровень 3…160 мм; - уровень 1 — уровень 4…670 мм.

– Один кабель находится в лотке, другой — в трубе: - уровень 1 — уровень 2…30 мм;

- уровень 1 — уровень 3…110 мм; - уровень 1 — уровень 4…460 мм.

– Оба кабеля находятся в отдельной трубе: - уровень 1 — уровень 2…30 мм; - уровень 1 — уровень 3…80 мм; - уровень 1 — уровень 4…310 мм. Развязывающий трансформатор может существенно снизить шумы в системе, но необходимо использовать экран между первичной и вторичной обмотками (см. рис. 5). Экран выполняется, как правило, из меди. Из рисунка 5 видно, что ВЧ-импульс проходит на землю через емкость, образуемую первичной обмоткой (слева) и заземленным экраном. Помимо экрана, магнитный сердечник, нейтральный провод вторичной обмотки и заземляющий провод электронного оборудования соединены с шиной земли, которая, в свою очередь, соединена с землей источника питания. Важно также, чтобы провод к первичной и провод от вторичной обмоток развязывающего трансформатора проходили по раздельным лоткам/трубам. Если этого не сделать, межкабельные емкости могут свести на нет назначение трансформатора. Более подробно методы прокладки и заземления кабелей описаны в [3]. ЛИТЕРАТУРА 1. Геннадий Денисов. Измерение слабо­ точных сигналов//Электронные компонен­ ты, 2009, №3, с. 32—36.

2. Геннадий Денисов. Элек­тро­маг­нит­ ные помехи//Электронные компоненты, 2009, №8, с. 12—16.

3. G. Vijayaraghavan, Mark Brown, Mal­ colm Barnes. Electrical noise and mitigation// www.industrialcontroldesignline.com.

События рынка

| Продажи полупроводников в августе 2009 г. выросли на 5% | Американская ассоциация Semiconductor Industry Association (SIA) сообщила о мировых продажах полупроводников в августе 2009 г. в размере 19,1 млрд долл. Продажи возросли по сравнению с предыдущим месяцем на 5%, когда оборот составлял 18,2 млрд долл. В августе оборот был на 16,1% ниже, чем в том же месяце предыдущего 2008 г. (22,7 млрд долл.). www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

13 Ра з ра б о т к а и к о н с т р у и р о в а н и е

Количественно охарактеризуем некоторые способы борьбы с помехами [3]. Использование материала с низким сопротивлением в качестве покрытия для сигнальных кабелей считается вполне приемлемым методом экранирования от электростатической связи. Медная оплетка с 85-% покрытием кабеля позволяет снизить шум в 100 раз, а алюминиевая оплетка с майларовой пленкой, используемая для заземляющего провода, — в 6 000 раз. Скрутка проводов для снижения индуктивной связи позволяет уменьшить (относительно проводов без скрутки) шум в диапазоне от 14 : 1 (четырехдюймовый шаг свивки кабеля) до 141 : 1 (однодюймовый шаг). Для сравнения, использование прямых проводов в стальной трубе позволяет снизить шум лишь в 22 раза. Для очень чувствительных цепей с высокими уровнями магнитной и электростатической связи применяются коаксиальные кабели, а также кабели с двойным экранированием. При этом внешний экран следует заземлять в нескольких точках, чтобы свести к минимуму количество контуров с циркулирующим ВЧ-током. Расстояние между точками должно быть менее 1/8 длины волны радиопомех. Кабельный короб используется для ослабления влияния электрического и магнитного полей. Ниже приводятся стандартные значения коэффициентов экранирования на частоте 60 Гц для магнитных и на 100 кГц — для электрических полей.

– Алюминиевая труба диаметром 5 см и толщиной стенок 0,391 см: магнитные поля — 1,5 : 1; электрические поля — 8000 : 1.

– Оцинкованная стальная труба диаметром 5 см и толщиной стенок 0,391 см: магнитные поля — 40 : 1; электрические поля — 2000 : 1. Для тех случаев, когда используется большое количество кабелей с разными по величине напряжениями и токами, был разработан стандарт IEEE 518:1982. В нем указаны расстояния между проводниками для различных классов кабелей. Существуют четыре категории чувствительности кабелей. Чувствительность в данном контексте означает способность сиг-

О возможностях использования беспроводных высокоскоростных сверхширокополосных аппаратно-программных систем для промышленной автоматики Галина Гайкович, член ISA, эксперт секции «Промышленные сети» IEC (МЭК), ведущий инженер, Институт проблем передачи информации им. Харкевича РАН Предлагаемая статья является продолжением целого цикла статей, посвященных применению беспроводных устройств для промышленной автоматики, в которой автор пытается дать обоснование применения беспроводных высокоскоростных сверхширокополосных (СШП) аппаратно-программных систем универсального назначения в свете таких популярных концепций как «умный дом» и «полностью автоматизированное кибернетическое производство».

Беспроводные технологии

14

В настоящее время существует большое разнообразие беспроводных сетей, которые в зависимости от скорости, дальности и области применения можно классифицировать следующим образом: – беспроводные персональные сети (WPAN или Wireless Personal Area Networks), представляющие собой пикосети, например Bluetooth; – беспроводные локальные сети (WLAN или Wireless Local Area Networks), т.е. микросоты, например Wi-Fi; – беспроводные сети масштаба города (WMAN, или Wireless Metropolitan Area Networks), т.е. макросоты, например WiMAX, MBWA или 3GPP (сотовая мобильная связь Европы, США и Азиатско-Тихоокеанского региона; – сети регионального и межрегионального плана (WAN или Wide Area Networks), включающие в себя магистральную беспроводную связь между городами и регионами, а также спутниковую связь [1,2,3]. Особый интерес представляют собой беспроводные персональные сети WPAN c радиусом действия от нескольких до десятков метров. Характерной особенностью WPAN является их относительно невысокое энергопотребление. Как известно, использование автономных источников электропитания для аппаратных средств беспроводной персональной сети позволяет отнести их к классу мобильных с ограниченным радиусом действия. В зависимости от назначения, персональные сети WPAN могут быть использованы как для беспроводного объединения отдельных устройств между собой

www.elcp.ru

(включая компьютерную, бытовую и оргтехнику), так и для соединения устройств друг с другом в пикосети для обмена информацией с сетями более высокого уровня, например интернет. Персональные сети могут быть созданы на базе различных технологий, например: Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4), 6loWPAN, WiMedia/MBOA UWB (UltraWideBand) стандарта ECMA ( на базе IEEE802.15.3a) или DS-UWB Forum стандарта IEEE802.15.3a. Особое место занимают беспроводные сенсорные сети на базе WPAN, основное назначение которых заключается в оценке состояния физической среды посредством беспроводных датчиковсенсоров (путем измерения температуры, давления, влажности, уровня радиации и т.д.), а также пересылка команд от центрального узла управления для приведения в действие исполнительных механизмов или пусковых устройств по беспроводной инфраструктуре. Востребованность беспроводных сенсорных сетей на рынке беспроводных технологий тесно связана с концепцией интеллектуализации различных объектов: домов, офисов и производственных помещений, в которых современный городской человек проводит до 90% своего времени, а также с концепцией создания кибернетических производств (полностью автоматизированных), первоочередной задачей которых является внедрение беспроводных технологий на уровне АСУ ТП [4, 5]. Создание комплексной автоматизации вышеперечисленных объектов возможно за счет интеграции микроэлектроники,

кибернетики и использования новых принципов беспроводной связи. Т.е. интегральные системы управления объектами представляют собой результат слияния различных технологий, внедрения новых стандартов, включая разработку новой беспроводной коммуникационной инфраструктуры автоматизированных сетей, новейшие достижения в которой должны позволить человечеству реализовать максимум комфорта, экономичности и безопасности дома и на работе. Что касается концепции «умного дома», то в последнее время такие беспроводные технологии как Home RF (Shared Wireless Access Protocol — SWAP) и Bluetooth пришли на смену хорошо известным проводным решениям LonWork и HomePNA, завоевав свою нишу на рынке коммуникаций для домашней автоматизации [4]. Однако сетевой протокол управления «умным домом» должен учитывать характеристику сетевого трафика, быть гибким, надежным и простым в применении. Пользователь должен иметь возможность задействовать различные топологии для устройств беспроводной сети (точка-точка, звезда и mesh). Последние достижения в области высокоточных технологий (в том числе и наноэлектроники), решающих вопросы миниатюризации датчиков, а также в области беспроводных технологий сделали возможным создание самоорганизующихся беспроводных сенсорных ячеистых (mesh) сетей домашнего, офисного и промышленного применения. Способность к «самоорганизации» в беспроводные сенсорные инфраструктуры с топологией mesh существенно

Беспроводные технологии

16

облегчает монтаж и настройку беспроводных сенсорных сетей при введении их в эксплуатацию, а также гарантирует «живучесть» беспроводной системы при отказе отдельных элементов сети, способствуя, в том числе, увеличению зоны покрытия сенсоров в труднодоступных участках и местах. Современные беспроводные сенсорные mesh-сети домашнего, офисного и промышленного применения представлены такими технологиями как ZigBee (их прежние названия HomeRF lite, Firefly и RF-EasyLink), WHart и ISA 100.11a. Следует сразу отметить, что технология ZigBee (как более дешевая) применима для домашней и офисной автоматизации, в то время как WHart, ISA 100.11a (как дорогостоящие) предназначены для сетей промышленной автоматики. Это объясняется тем, что интеллектуализация жилых и офисных помещений призвана обеспечить максимум комфорта для человека с минимумом финансовых затрат на разработку сенсорных сетей, в то время как концепция создания кибернетических производств, где роботы или исполнительные механизмы должны функционировать в совершенно иных условиях (повышенного давления и влажности или несовместимого с жизнью человека уровня радиации, а также с повышенными требованиями к целостности передаваемой информации), требует совершенно иных финансовых затрат [4, 5, 6, 7]. Все вышеперечисленные технологии представлены разными протоколами верхнего уровня модели OSI. Однако все стеки протоколов этих технологий разработаны на базе единого стандарта LR WPAN IEEE802.15.4, который описывает протоколы нижнего уровня (PHY и MAC) модели OSI для беспроводных персональных сетей со скоростью передачи до 250 Кбит/с [8]. Это вполне приемлемо для передачи данных по низкоскоростным домашним, офисным или промышленным сетям. Но к промышленным сетям, в зависимости от их применения, предъявляются специальные требования в виде ограничения на время задержки передачи информационного сигнала (Тз) от конечного узла к центральному узлу управления. Так, в сетях промышленной автоматики категории 5-1 Тз должно составлять менее 100 мc. Поэтому в беспроводных сетях промышленного назначения на MAC-уровне используется TDMA вместо CDMA/CA , а на PHY-уровне — channel или Frequency hopping (CH or FH) [7]. Однако скорости 250 Кбит/с стандарта IEEE 802.15.4 явно недостаточно для специальных сетей заводской промышленной автоматики с требованиями к задержке Tз менее 10 мс, не говоря уже о пересылке больших объемов мультимедийной информации, даже если такую

www.elcp.ru

услугу предоставлять по такой же сети отдельно. Наиболее подходящей технологией беспроводного доступа, обеспечивающей высокоскоростной обмен информацией по радиоканалу между устройствами беспроводной персональной сети с малыми энергопотреблением, является сверхширокополосная технология (СШП), или UWB (Ultra WideBand). По сравнению с беспроводными сетями ZigBee или Bluetooth, она обладает высокой пропускной способностью (Direct Sequence UWB (DS UWB) — 1320 Mбит/с с радиусом 2 м, MultiBand UWB (MB UWB) — 480 Мбит/с c радиусом 3 м) и идеально подходит для пересылки информации по высокоскоростной беспроводной персональной сети, в том числе для передачи высококачественных мультимедийных сообщений, а также для пересылки данных со специальными требованиями к задержке Тз сети, состоящей из большого количества узлов. В принципе, технология СШП связи не является новой, разработки в этой области ведутся давно. Еще в 2005 г. комитет IEEE 802.15 ввел на рассмотрение два проекта UWB, где и были предложены два варианта технологий: DS-UWB и MB UWB, которые впоследствии нашли свое отражение в стандарте IEEE802.15.4а и, соответственно, в документе ECMA-368 Общества WiMedia Alliance, который был принят в дальнейшем за основу в виде международного стандарта ISO/IEC 26907:2007 [9,10]. Над разработкой радиочипов UWB работают такие компании как Intel (совмещение в одном чипе технологий WiMedia и USB 2.0), WISAIR (MB UWB OFDM), Motorola (DS UWB), Freescale — дочернее предприятие Motorola (MB-UWB и DS-UWB) и др. [11,12,13]. Особый интерес заслуживают идеи, касающиеся применения технологии DS-UWB компании Motorola, которая предлагает использовать весь диапазон 3,1…10,6 ГГц (отметим, что это всего 7 каналов для CEPT из 15 возможных каналов для FCC) как единое целое, что и позволит достичь высокой пропускной способности до 1 Гбит/с, но, к сожалению, с радиусом действия лишь до 3 м. Федеральная комиссия по связи США (Federal Communications Commission — FCC) определяет UWB-сигнал как любой сигнал, принадлежащий спектральному диапазону 3,1…10,6 ГГц и имеющий ширину спектра более 500 МГц. Что касается использования частотного диапазона в России, то согласно Регламенту РФ, национальная таблица радиочастот сейчас максимально приближена к Европейской (т.е. к CEPT), которая определяет использование следующих полос под UWB: 3,1…4,8 ГГц и 6,0…8,5 ГГц. Следовательно, под DS-UWB в России возможно использование всех 4 полос

диапазона 3,25…4,75 ГГц и 5 полос диапазона 6,0…8,5 ГГц из 11 возможных. В свою очередь, под MB UWB можно использовать 7 полос из 14 возможных (диапазонов с 1 по 3 и с 7 по 10). А если учитывать, что для высокоскоростной передачи информации на большие расстояния необходимо использование лишь нижнего диапазона частот (3,1...4,7 ГГц) из-за сильных затуханий сигналов в верхнем диапазоне частот, то в Европе и России для высокоскоростной передачи информации следует использовать всего 3 полосы технологии MB UWB или 4 полосы под DS UWB. На территории России и Европы все чаще применяется технология DS UWB (9 полос) по сравнению с MB UWB (7 полос) и MB UWB OFDM (3 полосы), или ведется поиск иного варианта частотного диапазона, например в области 60 ГГц, который может применяться в любом регионе без ограничений. По этой причине результаты усилий рабочей группы IEEE802.15.3c, где была изложена концепция использования 60-ГГц диапазона, оказались в сфере пристального внимания профессионалов. Разработки в данном направлении ведутся и российскими специалистами в области создания нового поколения сверхвысокоскоростных беспроводных mesh-сетей частотного диапазона 60 ГГц. Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы: следует обратить пристальное внимание на технологии DS- и MB-UWB OFDM, отдавая предпочтение DS UWB в частотном диапазоне 3,1…4,7 ГГц, или использовать другой частный диапазон, например 60 ГГц. Патент РФ «Шлюз-маршрутизатор беспроводной сенсорной сети» — большой задел в России для создания архитектуры СШП беспроводных сетей универсального применения [14]. Следует особо отметить большой комплексный проект беспроводных стандартов комитета ISA 100.XX, где в состав рабочих групп входят представители России. Комитет ISA уже давно сделал первые шаги в сторону создания единой инфраструктуры разнообразных беспроводных сетей промышленной автоматики и крупных производственных комплексов, взяв под контроль также сложную задачу создания общего интерфейса беспроводной транспортной сети (BACKHAUL) для разнотипных беспроводных сетей промышленного применения, не забыв и про UWB (см. рис. 1) [15]. При создании новых принципов организации и построения сверхвысокоскоростных самоорганизующихся систем связи универсального назначения следовало бы взять за основу проект беспроводного стандарта для сетей промышленной автоматики ISA 100.11а,

окончательный вариант которого комитет ISA планирует утвердить в конце 2009 г., также готовящийся для передачи в международную электротехническую комиссию (IEC) с последующим его утверждением в качестве международного беспроводного стандарта. Почему все же ISA 100.11a, а не ZIGBee?

Стандарт ISA100.11a, в отличие от ZigBee (или даже такого продвинутого стандарта как Whart), является универсальным, т.е. может быть также распространен и на беспроводные сети домашнего и офисного применения, которые как раз подпадают под категорию 4—5 беспроводных сетей промышленного применения. Однако следует учитывать и тот факт, что по технологии ZigBee выпущен целый ассортимент инструментальных наборов для проектирования беспроводных сенсорных сетей, которые включают в себя радиомодули стандарта IEEE802.15.4 различных компаний-разработчиков: Telegesis, Ember, Freescale, Dust, Texas Instruments и др. Альянс ZigBee также одобрил применение технологии UWB стандарта IEEE802.15.4a для промышленных приложений. В настоящее время представители общества ZigBee пытаются также сотрудничать с комитетом ISA100. Но найдет ли Zigbee-технология свое место среди семейства беспроводных стандартов ISA 100, пока не ясно. Ясно лишь одно, что ZigBee завоевала значимое место в мире беспровод-

ных технологий персональных сетей WPAN, но претендовать на универсальность (по совокупности для домашнего, офисного и промышленного применения) она не сможет.

ZigBee в ISA определена как отдельная технология, которая подпадает лишь под категорию 5-4 промышленного применения. Она также учтена рабочей группой, занимающейся проектом стандарта ISA 100.15 (BACKHAUL) «Общий интерфейс беспроводной транспортной сети для разнотипных беспроводных сетей промышленного применения» (см. рис. 1). Основным преимуществом стандарта ISA 100.11a является, прежде всего, идея создания единой беспроводной инфраструктуры, которая представляет собой множество беспроводных сенсорных сетей, объединенных в единое пространство без ограничения общего числа узлов. При этом учтена возможность ее адаптации к любому типу проводных промышленных сетей, например: Can, Asi, Modbus, Device Net Foundation FieldBus, ProfiBus, Hart и др. Совместными усилиями рабочей группы проекта стандарта ISA100.11.a, состоящей из представителей разных стран мира (включая Россию) был создан единый подход по формированию основных принципов построения беспроводных систем связи универсального назначения с возможностью разбиения беспроводных сетей с повышенным количеством узлов на такое количество подсетей и с таким количеством узлов, чтобы обеспе-

чить требуемую пропускную способность и необходимую задержку распространения информационного сигнала Тз каждой подсети в отдельности. А это, в свою очередь, позволяет улучшить качество сервиса QoS при использовании мультимедийных сообщений, если возникнет такая необходимость, для их применения в промышленных сетях в будущем. Т.е. идеология стандарта ISA 100.11а является наиболее подходящей по сравнению с ZigBee и т.д. Использование стандарта ISA100 11a в качестве базового, где уже учтена DS-UWB-технология (IEEE802.15.4а), позволит создать беспроводные СШП-системы связи и интеллектуальные сенсорные сети универсального применения, превосходящие существующие мировые аналоги, например NISA 100.11a [16]. Однако не исключена возможность использования в будущем стандарта IEEE802.15.3a (MB UWB OFDM) или даже IEEE802.15.3c (с использованием 60 ГГцдиапазона) [18]. Беспроводная интеллектуальная сеть по варианту ISA, общая архитектура которой представлена на рисунке 2, должна состоять из следующих узлов: – аппаратно-программных уст­ ройств беспроводной сети с ограниченной функцией маршрутизатора и с возможностью подключения сенсоров и исполнительных механизмов; – шлюза G беспроводной сети c функцией инкапсуляции, декапсуляции и конвертации передающейся информации (использование патента) с выходом в

Беспроводные технологии

17

Рис. 1. Этапы работы комитета ISA по созданию универсального семейства беспроводных стандартов промышленной автоматики

электронные компоненты №10 2009

Ethernet или RS-485. Шлюз является узлом, ответственным за пересылку информации между элементами беспроводной сети и веб-интерфейсом прикладного уровня системы мониторинга на многофункциональном ПК, выполняющей также функции управления всей системой и ее безопасностью; – системы управления (Network manager), реализующей управление с хранением общей таблицы маршрутизации и адресации элементов беспроводной сети посредством универсального идентификатора EUI (16—64-разрядного), в зависимости от количества узлов в сети (возможно также использование IPv6-адресации с помощью протокола 6loWPAN), включая веб-интерфейс. Алгоритм маршрутизации беспроводной СШП mesh-сети следует реализовать на базе принципа «многие к одному», или many-to-one. В результате широковещательной рассылки от центрального узла управления (Network manager) все узлы с ограниченной функцией маршрутизатора должны иметь дополнительную память для хранения нескольких оптимальных маршрутов к центральному узлу. Все решения по управлению элементами сети, распределением ее ресурсов, а также управлению политикой безопасности сети принимаются этим узлом;

– системы безопасности, которую следует реализовать на сетевом уровне. Для защиты от несанкционированного доступа она должна быть построена на симметричном ключе [18]. Для объединения нескольких беспроводных сетей в единую беспроводную инфраструктуру с повышенным содержанием узлов (или разбиения большой сети с повышенным количеством узлов на несколько подсетей с целью увеличения пропускной способности каждой подсети в отдельности, а также уменьшения пересылки информационного сигнала Тз от конечного узла к центральному узлу управления), автором статьи предлагается использование дополнительных беспроводных магистральных маршрутизаторов (согласно стандарту ISA). Магистральные маршрутизаторы и беспроводной шлюз можно выполнить на одной аппаратной платформе. Узел беспроводной СШП-сети, схематично представленный на рисунке 3, должен включать в себя: – модуль с ядром микропроцессора, например ARM, AVR (Atmel), PIC (Microship) c RISC-подобной архитектурой или на базе Intel 8051 гарвардской архитектуры (Atmel, Maxim, IC, SiLab, TI, NXP);

Рис. 2. Архитектура беспроводной интеллектуальной сети топологии mesh универсального назначения

Беспроводные технологии

18

Рис. 3. Варинат интегральной компоновки узла беспроводной СШП сети, состоящего из радиомодуля в виде СНК и процессорного модуля с типовым окружением

www.elcp.ru

– AES-криптопроцессор; – флэш-память для хранения стека протокола, например, ISA100.11a и программы пользователя; – периферийный модуль: а) с аналоговым входом и выходом и АЦП для подключения сенсоров и исполнительных механизмов; б) c несколькими цифровыми входами-выходами для подключения сенсоров и исполнительных механизмов; в) встроенного порта USB (2.0 с поддержкой до 12 Мбит/с) для загрузки управляющей программы; – блока ОЗУ; – радиомодуля с поддержкой стандарта UWB IEEE 802.15.4a (или ECMA IEEE802.15.3a). Радиомодуль, как правило, представляет собой приемникпередатчик и контроллер (в виде сопроцессора стандарта UWB). Все вышеперечисленные модули на языке САПР представляют собой сложные функциональные блоки (СФ), которые по результату проектирования САПР могут быть выполнены в виде СБИС (каждый СФ-блок в отдельности) или по совокупности в виде системы на кристалле (СнК). Как известно, средства САПР для разработки СБИС и СнК представлены такими компаниями как CADENCE DESIGN SYSTEMS, SYNOPSIS, Mentor Graphics и др. Следует отметить, что разработка узла беспроводной СШП сети виде СнК с целью его миниатюризации — это главный вопрос цены проектирования. Реализация СнК в виде специализированной ASIC требует значительных финансовых затрат. Изготовление опытной партии специализированных СБИС по технологии 0,13…0,18 мкм стоит несколько сотен тысяч долларов, а по технологии 0,09 мкм — свыше миллиона долларов. При этом опыт разработки СнК показывает, что только в 25% проектов первоначально полученные опытные образцы соответствуют заданным требованиям [19] Любой СФ-блок (в частности, аналоговая часть приемников-передатчиков радиомодуля UWB-технологии) представляет собой уже существующую библиотеку верхнего уровня САПР или пополняемую за счет новых разработок СФ, являющимися в настоящее время объектами интеллектуальной собственности IP (Intellectual Property). В этой связи широко распространена практика разработки отдельных СФ-блоков для их последующего представления на рынок проектирования СБИС или СнК. СФ-блоки для их последующего применения САПР могут быть представлены в виде: – топологических фрагментов, которые непосредственно реализованы в физической структуре кристалла (аппаратно реализованные блоки);

Рис. 4. Блок-схема передатчика аппаратной части радиомодуля MB UWB OFDM

1/2 и длиной кодового ограничения 7 (декодер Витерби), узла чередования битов и фазовой модуляции QPSK, блока преобразователя Фурье с окном в 128 точек (100 используются под передачу данных), аналого-цифрового преобразователя и ФНЧ генератора несущей. В настоящее время в ООО «Нанохаос», в МБСТУ им. Баумана, Санкт-Петер­ бургском политехническом университете, а также в ИППИ РАН ведутся научно-экспериментальные исследования, которые направлены на создание беспроводных СШП, защищенных от несанкционированного доступа, мультиканальных средств связи со скоростями передачи до 100 Мбит/с и малым потреблением электроэнергии, а также самоорганизующихся систем связи и интеллектуальных сенсорных сетей домашнего, офисного и промышленного применений. Полученные результаты и разработанные методы могут быть востребованы научно-исследовательскими организациями и фирмами-производителями, занимающимися проектированием САПР БИС и СнК для беспроводных сетей с высокой пропускной (до 100 Мбит/с) способностью и ограниченным радиусом действия (до 100 м). Литература 1. Гайкович Г.Ф. Обзор беспроводных технологий для современных мобильных устройств связи//Электронные компонен­ ты, 2007, №1, с. 65—75.

2. Вишневский В.М.,Портной С., Шахно­ вич И. Энциклопедия Wi-MAX. Путь к 4G. — М, Техносфера , 2009 , 469 с.

3. Вишневский В.В. и др. Широкополосные беспроводные сети передачи информа­ ции. — М, Техносфера, 2005 , 592 с.

4. Барсуков В.С. Новые технологии интеллектуальных объектов: комфорт плюс безопасность, Специальная техни­ ка №4, 2004//st.ess.ru/publications/4_2004 / barsukov/barsukov.htm.

5. Гайкович Г.Ф. Беспроводная связь в сетях промышленной автоматики// Электронные компоненты, 2007, № 10, с. 87—92.

6. V. Vishnevsky, G. Gaykovich/ Wireless Sensor Networks in Industrial Automation Systems/ Вишневский В.М., Гайкович Г.Ф. Беспроводные сенсорные сети в систе­ мах промышленной автоматике//

Электроника, 2008, №1//www.electronics.ru/ issue/2008/1.

7. Гайкович Г.Ф. Новые беспроводные стандарты для сетей промышленной автоматики//Электронные компоненты, 2008, № 2, с.75—79.

8. IEEE Standard for Information technology.

Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Revision of 802.15.4-2003, July 2006, //ieeexplore.ieee.org, //standards.ieee.org/ getieee802/802.15.html 9. IEEE Standard for Information technology.

Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for LowRate Wireless Personal Area Networks (WPANs) Amendent 1: Add Alternate PHYs, 2007, http:// standards.ieee.org/getieee802/802.15.html 10. ECMA368 или ISO/IEC 26907:2007 — Information technology — Telecommuni­cations and information exchange between systems — High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard.

11. Широкополосный беспроводный кон­ троллер Intel Wireless UWB Link 1480 MAC, //www.vsesmi.ru/news/140739/ 12. Wisair и Intel считают, что UWB готов к внедрению, //www.traintech.ru/ru/ newsitem.php?id=5176.

13. Freescale nabs UWB design win, backs USB 2.0, //www.commsdesign.com/news/tech_ beat/showArticle.jhtml?articleID=164902887.

14. Вишневский В.М., Гайкович Г.Ф., Куприяхина С. Н. и др. Патент на полезную модель, класс HO4L 12/56, номер: № 71 495. (Решение о выдаче патента от 29.10.2007 на полезную модель, по заявке 2007137787/22 от 12/10/2007) «Шлюз-маршрутизатор бес­ проводной сенсорной сети».

15 Гайкович Г.Ф. Стандартизация в обла­ сти промышленных сетей. Развитие беспро­ водных стандартов для АСУ ТП//Электронные Компоненты, 2009, № 1, с. 48—53.

16. Development kit компании NIVIS, //www.nivis.com.

17. Park C and T.S Pappapart «Short- range wireless communications for next- generation networks: UWB, 60 Ghz and ZigBee» IEEE Wireless communications, v.14, p 70—78, 2007.

18. Беззатеев С.В. Особенности инфор­ мационной безопасности в беспроводных сетях. — Санкт-Петербургский государ­ ственный университет.

19. Шагурин И. Система на кристалле. Особенности реализации//Электронные компоненты, 2009, № 1, с. 37—39.

20. www.mathworks.com.

электронные компоненты №10 2009

19 Беспроводные технологии

– моделей на языке описания аппаратуры, например: VERILOG (VERILOG AMS для смешанного моделирования аналоговых цифровых схем) или VHDL (является базовым при описании вычислительных систем). Такая модель средствами САПР может быть реализована в виде топологии с последующей реализацией на кристалле (программнореализованные блоки). Аппаратно-программные части радио­­ модуля (контроллер и приемникипередатчики) стандарта UWB, представляющие собой СФ-блоки, могут быть реализованы в виде модели на языке описания специализированной программы (например, VERILOG) как программнореализованный модуль (программный продукт) для последующего использования в библиотеке САПР СБИС и СнК. На начальном этапе проектирования, как правило, уточняется набор спецификаций аппаратной части (приемниковпередатчиков) и аппаратно-программной части (контроллера) радиомодуля узла беспроводной СШП-сети. Так, спецификация аппаратной части, состоящей из аналоговой и цифровой части приемников-передатчиков должна содержать: – выполняемые функции или, если необходимо, алгоритм обработки информации, который затем должен быть представлен в виде RTL-кода; – внешний интерфейс к другим блокам (контакты, шины, протоколы); – интерфейс с ПО (регистры); – временные параметры; – быстродействие; – особенности физического уровня кристалла (площадь кристалла, потребляемая мощность). В настоящее время для написания исполняемых спецификаций используют, как правило, языки С, С++. Разработанная спецификация аппаратной и аппаратно-программной части узла беспроводной сети является ТЗ на разработку следующего этапа проектирования. На начальной стадии проектирования создается высокоуровневая поведенческая модель аппаратной части приемников-передатчиков и аппаратнопрограммной части контроллера радиомодуля виде математической модели (например, в формате программных пакетов MATLAB/Simulink [20]), которая затем будет использована в качестве эталонной для верификации проекта следующего этапа (при создании модели на языке описания аппаратуры, например, VERILOG). Так, поведенческая модель системы (передатчика аппаратной части радиомодуля MB UWB) представляет собой блок-схему (см. рис. 4), состоящую из скремблера, узла сверхточного кодирования с базовым темпом кодирования

Выбор радиочастотного ключа — нелегкая задача Рик Нельсон (Rick Nelson), главный редактор, журнал EDN

В статье описаны различные типы РЧ-ключей, приведены расчетные соотношения. Указаны достоинства и недостатки каждой технологии. Также рассмотрены основные электрические характеристики ключей.

Проблема разделения РЧ- и СВЧсигналов возникает во всех системах, от миниатюрных широкополосных мобильных устройств до крупногабаритного измерительного РЧ-оборудо­ вания. Существует много технологий изготовления ключей, например КНИ, МЭМС, ключи на объемном кремнии и традиционные альтернативы: pinструктуры, транзисторы на основе арсенида галлия (GaAs) или электромеханические ключи. Твердотельные и МЭМС-ключи занимают меньше места, а их срок службы гораздо больше, чем у электромагнитных. Кроме того, в отличие от ИС на основе арсенида галлия, устройства КНИ и МЭМС проще согласуются с другими элементами схемы. При выборе типа ключа также необходимо учесть работу с постоянным или низкочастотным сигналом. Так, электромеханические ключи и полевые транзисторы проводят НЧ, а pin-диоды и ключи на основе МЭМС — обычно нет [1]. Попробуем разобраться, в каких случаях следует отдать предпочтение той или иной технологии. Однако сначала остановимся на основных характеристиках ключей. Основные характеристики

Беспроводные технологии

20

Одной из важнейших характеристик является быстродействие ключа. При работе на максимальной частоте он по-прежнему должен проводить сигнал. Границы диапазона работы усилителя определяются частотами, при которых коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ. В случае ключа этим критерием воспользоваться, к сожалению, нельзя, поскольку на полосу пропускания ключа влияют и другие параметры, в т.ч. характеристическое сопротивление, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), перекрестные помехи и изоляция [2]. Рассмотрим их более подробно. Обычно разработчики пользуются моделью сосредоточенных элементов, когда линия передачи представляет-

www.elcp.ru

ся в виде бесконечно повторяющихся последовательных ячеек с идеальным соединением между ними (см. рис. 1). Каждая ячейка образована последовательно включенными сопротивлением R и индуктивностью L и параллельно включенными проводимостью G и емкостью C. Импедансы ключа и линии передачи должны быть равны. Отсюда характеристическое сопротивление ключа выражается в виде: . При нулевом сопротивлении и проводимости формула упрощается: . Независимо от типа ключа его характеристическое сопротивление должно быть согласовано с сопротивлением схемы, чтобы сигнал не отражался. Коэффициент отражения является аналогом s11 в матрице S-параметров. Он учитывается при вычислении КСВН. На КСВН также влияет тип ключа — поглощающий или отражающий. В ключах поглощающего типа есть шунтирующий резистор, подключенный к земле. Он обеспечивает хорошее согласование импедансов и минимальный КСВН независимо от положения ключа. Ключи отражающего типа используются в таких схемах, в которых КСВН не имеет большого значения, а импеданс контролируется специальными цепями [3]. Вносимые ключом потери можно выразить через мощность сигнала (1) или через S-параметры (2): .

(1)

.

(2)

Из выражения (2) видно, что вносимые потери носят фундаментальный характер и не зависят от согласования. Знаменатель в (2) показывает, что отраженный сигнал вычитается из входного нормализованного. Величина вносимых потерь имеет большое значение. Если потери слишком велики, то сигнал, проходя через ключ, сильно ослабляется. Соответственно, требуется дополнительное усиление на выходе, что усложняет схему и ухудшает ее линейность. Перекрестные помехи — величина сигнала, которая возникает между активным и расположенным рядом пассивным ключом. Утечка тока ключа — сигнальный ток, который ключ проводит в разомкнутом состоянии. Влияние этих эффектов проиллюстрировано на рисунке 2. Линейность

Рассмотрим параметры, характеризующие линейность ключа: однодецибельная точка компрессии и IP3 (точка пересечения третьего порядка). Для нахождения точки компрессии необходимо подать на вход сигнал с изменяющейся мощностью. Когда выходной сигнал отклонится на 1 дБ от ожидаемого уровня, то точка компрессии достигнута. Точка пересечения третьего порядка обычно лежит в мнимой области и определяется экстраполяцией. В точке IP3 мощность гармоники третьего порядка равна уровню основного выходного сигнала [4]. Самые лучшие характеристики имеют электромеханические ключи,

Рис. 1. Модель линии передачи с сосредоточенными элементами

International Microwave Symposium) RF Micro Devices представила новое семейство ключей на основе PHEMT GaAs транзисторов RF302х, работающих на частоте 6 ГГц. Симметричные однополюсные двухпозиционные ключи RF3021 и RF3025 имеют высокую изоляцию; симметричные SPDT ключи RF3023 и RF3024 характеризуются малыми вносимыми потерями и средней изоляцией. В этом году компания Skyworks Solutions представила трехпозиционный (SP3T — single-pole/three-throw) антенный ключ Sky13317-373LF на основе PHEMT транзистора GaAs, который работает в полосе частот 0,1…6 ГГц. Недавно корпорация Hittite Mic­ro­ wave представила четырехпозиционный (SP4T — single-pole/four-throw) неотражающий переключающий модуль HMC-C071, исполненный на монолитной СВЧ ИС, и предназначенный для наземных станций спутниковой связи, а также военных, аэрокосмических, оптоволоконных и широкополосных испытательных систем, работающих в диапазоне 0...20 ГГц. Ключи на основе арсенида галлия имеют недостаток — к ним необходимо подключать внешние блокирующие конденсаторы, которые иногда сложно разместить на плате [6].

а)

б)

Ключи на объемном кремнии

в) Рис. 2. Влияние нежелательных эффектов на работу ключа: а) рассогласование импедансов; б) вносимые ключом потери; в) плохая изоляция

Беспроводные технологии

22

PIN-диоды и ключи на транзисторах GaAs. Но и они не лишены недостатков. Например, электромеханические ключи имеют большие размеры и могут занимать слишком много места

на печатной плате. С другой стороны, PIN-диоды — компактные устройства, устойчивые к большим токам и напряжениям. Однако они не проводят низкочастотные сигналы в силу наличия в их структуре между слоями p- и n-области с высоким сопротивлением [5]. Кроме того, для правильной работы им требуется внешняя схема смещения. Причем, чем больше ток смещения, тем меньше вносимые ключом потери. Это затрудняет использование PIN-ключей в устройствах с питанием от батарей. Ключи на основе GaAs

Рис. 3. Схема ключа ADG918

www.elcp.ru

Транзисторы на основе арсенида галлия остаются популярными на протяжении многих лет. Они выпускаются такими фирмами как NEC, RF Micro Devices, Skyworks Solutions и др. В июне на международном симпозиуме по СВЧ-технологиям (June

Компания Analog Devices представила семейство ADG9XX ключей на объемном кремнии с частотой работы до 1 ГГц (см. рис. 3), предназначенные для использования в промышленном, экспериментальном и медицинском оборудовании [7]. У этих устройств есть ряд достоинств — они имеют малый размер, и для них не требуются блокирующие конденсаторы. Напряжение питания в зависимости от модели варьируется от 1,65 до 2,75 В, а ток потребления составляет менее 1 мкА. На частоте 1 ГГц вносимые потери составляют 0,8 дБ, а изоляция — 43 дБ. Точка компрессии 1 дБ достигается при 17 дБм. Кроме того, входы ADG9XX ТТЛ-совместимы, что упрощает их интеграцию и расположение на плате. Устройства проходят испытания на электростатический разряд, выдерживая 1 кВ на РЧ-выводах и 2 кВ на остальных. Ключи выпускаются как поглощающего, так и отражающего типа. По сравнению с другими типами, ключи на объемном кремнии имеют небольшую полосу пропускания и самую высокую мощность переключения. Как правило, такие требования предъявляются в дешевых системах, для которых стоимость ключей на основе объемного кремния оказывается слишком высокой. Ключи занимают площадь около

9 мм2 и не требуют подключения внешних ИС. Технология МЭМС

Если в приложении требуется более высокое быстродействие, чем могут обеспечить ключи на объемном кремнии, следует обратить внимание на технологию МЭМС. Например, ключ 2SMES-01 компании Omron, схема которого изображена на рисунке 4, работает на частоте до 10 ГГц. Изоляция 2SMES-01 составляет 30 дБ, а вносимые потери достигают 1 дБ. В то же время его потребление не превышает 10 мкВт. Это всего 0,01% от потребления электромеханического ключа. МЭМС-ключи предназначены для приложений с большой пропускной способностью. По данным Omron, ключ 2SMES-01 выдерживает более 1 млрд циклов. Он состоит из двух нормально открытых кремниевых однополюсных однопозиционных ключей размером 5,2×3,0×1,8 мм, образующих нормально открытый однопозиционный переключатель с одним или двумя полюсами.

Рис. 4. Схема МЭМС-ключа 2SMES-01

Технология КНИ

Рис. 5. Схема ключа для радиочастотных передатчиков

хотя предпочтение отдает объемному кремнию. Заключение

Мы рассмотрели основные типы ключей, их достоинства и недостатки. Технологии не стоят на месте, и с каждым годом появляется все больше новых решений. Каждое из них подходит для определенного круга приложений. Однако вряд ли есть или будет универсальный ключ, не имеющий недостатков. Задача разработчика заключается в тщательном выборе подходящего для конкретной схемы ключа. Литература

1. “Microwave switches”. Micro­ waves-101 Microwave Encyclopedia

2. Rowe, Martin. “Get to know RF switch specifications”. Test & Measurement World, October 2007 3. Corrigan, Theresa. “Ask the Application Engineer-34: Wideband CMOS Switches”.

Analog Dialogue, October 2004, Analog Devices.

4. Kundert, Ken “Accurate and Rapid Measurement of IP2 and IP3”. The Designer's Guide Community, May 2002.

5. The PIN Diode Circuit Designers' Handbook. Microsemi Corp, 1998.

6. “RF Switch Performance Advantages of UltraCMOS Technology over GaAs Tech­ nology”. Application Note AN18, Peregrine Semiconductor, 2007.

7. Corrigan, Theresa. “ADG9xx Wideband CMOS Switches: Frequently Asked Questions”.

Application Note AN-952, Analog Devices, 2008.

События рынка

| Spoerle и Sasco становятся Arrow | С 1 октября 2009 г. прекратили существование торговые марки Spoerle и Sasco, вместо них появилось название Arrow. В это предприятие вошли портфели обеих торговых марок, принадлежащих компании Arrow Central Europe GmbH. Офисы Spoerle и Sasco в Германии объединились. Управляющим предприятия со штаб-квартирой в Дрейехе остался Эрик Шук (Eric Schuck). На канале продаж Arrow Advantage для клиентов, приобретающих партии малого и среднего размера, эти изменения не отразились. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

23 Беспроводные технологии

Компания Peregrine Semiconductor изготавливает транзисторные ключи по технологии UltraCMOS SOS. Как и МЭМСключи, они предназначены для приложений с большой пропускной способностью, например цифровое ТВ, проводные и спутниковые телевизионные приставки, игровые консоли, сотовая связь и др. Для радиочастотных передатчиков компания выпускает ключи со встроенными сверхтонкими КМОПтранзисторами, ФАПЧ и предварительным делителем частоты (см. рис. 5), то есть они уже содержат большую часть сигнального тракта. Особый интерес и перспективы на рынке имеют девятипозиционные ключи для многополосных телефонов. Для приложений, требующих высокого быстродействия, компания Peregrine предлагает двухпозиционные однополюсные ключи PE42552 с рабочей частотой до 7,5 ГГц, точкой компрессии 34,5 дБм и вносимыми потерями 0,65 дБ при частоте 3 ГГц. Для этой модели разработан семиразрядный цифровой ступенчатый аттенюатор РЕ43703. Компания Pelegrine работает над другими технологиями, в т.ч. МЭМС,

Надёжность и энергопотребление встраиваемых беспроводных приложений Джим Дэвис (Jim Davis), ст. инженер по сбыту продукции, Cypress Semiconductor Типовое измерение энергопотребления компонентов беспроводной системы с целью оптимального выбора не даёт разработчику полного представления о том, насколько хорошо в том или ином решении минимизирован расход энергии. В статье обсуждается вопрос о том, как, повысив надёжность системы, снизить потребляемую мощность. Статья представляет собой перевод [1].

Беспроводные технологии

24

Беспроводные встраиваемые системы находят всё большее применение в промышленности, коммерции, в решениях по автоматизации домов, а также в потребительской, медицинской и даже сельскохозяйственной технике. Энергопотребление является важным, а во многих случаях и определяющим требованием этих приложений с низкой скоростью передачи данных. Измерение потребляемой энергии встраиваемой беспроводной системой не сводится к суммированию расхода мощности каждой из её частей. Несмотря на то, что этот типовой метод применялся при выборе и сравнении компонентов для конкретного приложения, он не годится для реальной оценки того, как эти компоненты будут взаимодействовать и работать как единая система. В каждом конкретном случае необходимо понять, как беспроводное решение способствует минимизации энергопотребления. Часто пренебрегаемым, но важным параметром системы является надёжность, которая способствует снижению мощности, потребляемой беспроводной системой. В этом смысле надёжность определяется как мера способности приложения передавать данные из точки А в точку Б с первой же попытки. В статье обсуждается вопрос о том, как связаны надёжность и потребляемая мощность встраиваемых беспроводных приложений, а также как оптимизировать эти характеристики. Связь между надёжностью и энергопотреблением

Наиболее дорогостоящей частью, если говорить о потреблении энергии, в большинстве встраиваемых беспроводных приложений является блок приёмопередатчика. В настоящее время на рынке предлагается множество компонентов приёмопередатчика, которые имеют схожие значения номиналь-

www.elcp.ru

ной мощности в диапазоне 20...30 мА. Однако если разработчик остановит свой выбор на компонентах с самым низким значением номинальной мощности, он рискует обойти вниманием более важный параметр — надёжность. Чем же он так важен? Для маломощного приложения, в котором на учёте каждый микроампер или миллиампер, надёжность является единственным наиболее важным параметром, определяющим то, насколько часто система будет находиться в активном состоянии и состоянии пониженного потребления (режиме сна). Таким образом, чем выше надёжность, тем ниже расходуемая энергия. Идеальная беспроводная система передаёт набор данных из точки А в Б один раз и с максимально возможной скоростью. Разумеется, ни одна система не функционирует так всё время: из-за помех или недостаточно сильного сигнала, который требуется передать в отдалённые пункты, ей приходится повторно передавать данные. Беспроводные системы имеют следующие специальные характеристики, позволяющие определить надёжность: используемый ВЧ-диапазон связи; чувствительность приёмника, измеряемая как отношение мощности в децибелах к 1 мВт, дБм; выходная мощность сигнала, дБм; возможность быстрой перестройки ВЧ, позволяющая избежать помех в ВЧ-диапазоне и функционально зависяющая от размера ВЧ-канала и количества доступных каналов, и, наконец, помехозащищённость — способность поддерживать связь в заданном канале несмотря на помехи (т.н. эффективность кодирования, дБм). Используемый ВЧ-спектр зависит от окружающей среды в силу физической природы волн и является одной из переменных в уравнении надёжности. Чем ниже частота волны, тем больше её длина и меньше степень поглощения материалами, обычно при-

меняемыми в производстве, например жидкостями и железобетоном. Радиодиапазон и его использование регулируется правительством, чтобы свести к минимуму взаимодействие сигналов с другими беспроводными сетями. Лишь некоторая часть спектра зарезервирована на основе международных соглашений для нелицензированного использования — это т.н. индустриальный, научный и медицинский диапазон (ISM — Industrial, Scientific, Medical), занимающий полосу частот от 2400 до 2483,5 МГц в США и Европе и от 2471 до 2497 МГц в Японии. На этой частоте волны малой длины быстро поглощаются существующей окружающей средой промышленных сетей, что заставляет разработчиков обратиться к другим параметрам для измерения надёжности системы. Чувствительность приёмника, выходную мощность и помехозащищённость можно измерять совокупно, используя более важный показатель надёжности — энергетический потенциал линии связи. Таким образом, чем больше эти три составляющие, тем выше энергетический потенциал линии связи и тем меньше на беспроводную систему влияют эффект поглощения и помехи, а значит, выше надёжность. Чувствительность приёмника и выходная мощность являются дискриминаторами на компонентном уровне, которые можно легко оценить и сравнить. Помехозащищённость способствует повышению живучести беспроводного приёмопередатчика. Одной из часто применяемых технологий в настоящее время, позволяющих улучшить эту функцию, является модуляция DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum — расширение спектра методом прямой последовательности).

DSSS-модуляция — метод прямого исправления ошибок в передающемся сигнале, сводящий к минимуму потери

Рис. 1. Расширение спектра методом прямой последовательности (DSSS)

Рис. 2. Переключение каналов

Беспроводные технологии

26

данных из-за наложения сигналов. В частности, метод DSSS кодирует набор данных в поток битов большего размера на основе псевдослучайного кода, используемого передатчиком и приёмником. Например, на рисунке 1 8 битов данных кодируются в 32 элементарных посылки , т.е. 4 посылки эквивалентны 1 биту. Затем эти посылки модулируются в ВЧ-сигнал и передаются. Приёмник демодулирует их из принятого сигнала и реверсирует DSSS-схему кодирования. Даже несмотря на ошибки при демодуляции, вызванные шумом сигнала или наложением, имеется возможность восстановить изначальные данные. Наконец, возможность быстрой перестройки ВЧ позволяет повысить надёжность за счёт скачкообразной перестройки частоты или перемещения в пределах ВЧ-спектра, чтобы избежать помех. Чем большей свободой обладает решение, тем лучше оно приспособлено для работы в незанятом другими источниками сигналов спектре и меньше подвержено влиянию помех. К числу технологий быстрой подстройки частоты, применяемых в настоящее время, относятся псевдослучайные или алгоритмические схемы перехода, которые позволяют непрерывно перемещаться по спектру, сводя к минимуму помехи, а также интеллектуальные схемы перехода только в случае необходимости (см. рис. 2). С точки зрения обеспечения надёжности, недостаток первой схемы быстрой перестройки состоит в непреднамеренных перескоках на участки ВЧ-спектра с большим уровнем шума, тогда как в интеллектуальных системах обнаруживается тихий участок, и переходы прекращаются. Независимо от применяемой схемы, быстрая перестройка ВЧ в равной мере является

www.elcp.ru

функцией используемого ВЧ-спектра и размера канала. В зависимости от используемого ВЧ-спектра, имеется большее или меньшее пространство для манёвра. Например, системы, работающие на меньших частотах, имеют меньшее пространство из-за ограничений на распределение частот. У 2,4-ГГц решений ширина доступного спектра составляет около 100 МГц, в то время как у 900-МГц эта ширина приблизительно равна 26 МГц. Размер канала — ещё один главный фактор при определении возможности быстрой ВЧ-перестройки: чем меньше этот размер и больше пространство для перестройки в данном спектре, тем лучше эта возможность, а также способность избежать помех и настроиться на требуемую частоту между двумя источниками помех. Например, беспроводные 2,4-ГГц решения на основе стандарта 802.15.4, как правило, имеют ширину полосы 5 МГц и только 16 доступных каналов, тогда как у решений с шириной полосы 1 МГц обычно доступны 80 каналов, что обеспечивает большую возможность совершить перескок и избежать помех. Следовательно, надёжность качественно представляет собой сумму энергетического потенциала линии связи и возможности быстрой перестройки частоты по отношению к используемому ВЧ-спектру. Чем больше этот потенциал и выше способность перестройки частоты, тем надёжнее то или иное беспроводное решение в одном и том же частотном диапазоне. Несмотря на то, что некая система может быть оптимизирована для определённой окружающей среды, например функционировать на низкой частоте на заводе с большим числом водопроводных труб, эта система проиграет решению с более высокими рабочими частотами из-за того, что у него энергетический потенциал линии связи и возможность быстрой перестройки частоты повышены до максимального значения. Таким образом, при сравнении беспроводных решений необходимо, в конце концов, сравнивать методы, позволяющие максимально увеличить время сна системы и снизить дорогостоящие энергорасходы. Оптимизация надёжности и энергоэффективности

Ещё одним важным фактором расчёта встраиваемых беспроводных систем является энергоэффективность — мера по минимизации потребления мощности: чем выше эта эффективность, тем меньше расходуемая энергия. Высоконадёжная система, находящаяся большее время в спящем режиме, обладает большей энергоэффективностью, чем та, которая меньше расходует

энергии на приём и передачу сигнала, но обладает меньшей надёжностью, т.к. реже находится в спящем режиме. Следовательно, надёжность является главным показателем того, насколько действительно энергоэффективна система. Механизмы обеспечения надёжности и энергоэффективности в своей совокупности позволяют максимально снизить расход энергии. Помимо них существуют и другие методы увеличения энергоэффективности, минимально сказывающиеся на надёжности системы. К их числу относятся такие режимы системы как активный канал и управление энергопотреблением, которые управляют динамическими скоростями передачи данных и уровнями выходной мощности. Решение, в котором расходуемая впустую выходная мощность понижается до такого минимального значения, при котором ещё обеспечивается связь, не только надёжное, но и энергоэффективное. Новизна этих хорошо известных энергосберегающих технологий в том, что они действительно минимизируют потребление энергии системой. Заключение

Таким образом, надёжность является главным показателем того, насколько решение энергоэффективно и как его можно оптимизировать, чтобы максимально увеличить время пребывания системы в режиме сна и свести к минимуму время активного состояния. Наконец, в статье ясно показано, как стандартные методы сравнения технических характеристик компонентов не работают при учёте таких функций системного уровня как энергоэффективность и надёжность. Несмотря на то, что измерение расхода энергии компонентами системы является стандартным методом сравнения беспроводных решений, разработчики не получают полного представления о том, насколько эффективно конкретное решение минимизирует расход энергии системой. Например, высоконадёжная система, которая большую часть времени проводит в режиме сна, обладает большей энергоэффективностью, чем те системы, которые затрачивают меньше мощности на приём-передачу сигнала, но отличаются меньшей надёжностью. Так происходит потому, что эти системы меньшее время находятся в режиме спячки и больше времени затрачивают на повторную передачу сигнала, т.е. больше пребывают в активном режиме. Литература 1. Jim Davis, Reliability vs. power in embedded wireless applications: What datasheets don't say//www.cypress.com/?rID=35401.

Влияние канальных эффектов на характеристики систем MIMO Ю Уилки, менеджер по обеспечению жизненного цикла платформы Agilent PXB, Agilent Technologies

Для реализации преимуществ MIMO в беспроводной связи требуется весьма точное тестирование компонентов и систем MIMO в реальных условиях. Специально созданные с этой целью приборы обеспечивают идеальное инженерное решение, предоставляя быстрый, точный и масштабируемый способ воспроизведения реальных условий и каналов, и позволяют имитировать замирание сигналов MIMO в реальном времени. ляет разработчикам в полном объеме оценить и устранить негативные канальные эффекты, которые могут возникнуть при эксплуатации системы. Немного теории

Чтобы лучше понять проблемы, порождаемые корреляционными эффектами, рассмотрим назначение систем MIMO и как они работают. В системах беспроводной связи многоантенные системы обладают преимуществами благодаря пространственным характеристикам радиоканала, которые обусловлены размещением отдельных антенн в среде с ярко выраженным эффектом многолучевого распространения. Для создания нескольких независимых путей распространения сигнала, которые можно восстановить в приемнике, MIMO использует несколько трактов приема и передачи, как на стороне передатчика, так и на стороне приемника. В названии MIMO термины Input («вход») и Output («выход») относятся к радиоканалу между антеннами. Улучшение характеристик достигается за счет одновременной отправки сигнала в радиоканал одновременно несколькими передатчиками , а затем комбинация этих сигналов одновре-

менно принимается несколькими приемниками. На рисунке 1 показано несколько базовых конфигураций, используемых для связи передатчиков и приемников в беспроводных системах. Это системы SISO (один вход, один выход), SIMO (один вход, несколько выходов), MISO (несколько входов, один выход) и MIMO (несколько входов, несколько выходов). Цветные стрелки на рисунке 1 указывают различные пути распространения многолучевого сигнала между двумя антеннами (в т.ч. по линии прямой видимости LOS (Line of Sight), если таковая существует); в эти пути включены и траccы многолучевых сигналов, возникающих в результате отражения, рассеяния и дифракции на окружающих объектах. В системе MIMO 2×2 каждая передающая антенна имеет два выделенных канала передачи, а каждая приемная антенна — два объединенных канала приема. Возможны и другие конфигурации MIMO, использующие объединение антенных пар, например 3×3 или 4×4. Можно даже скомпоновать систему MIMO с неравным числом приемных и передающих антенн. Применение систем MIMO

Системы MIMO могут использоваться либо для подавления эффектов

27 Беспроводные технологии

Технологии множественного приема/передачи (Multiple-Input MultipleOutput, MIMO), действительно, способствуют повышению скорости передачи данных и росту эффективности использования спектра. Поскольку коммерческие системы беспроводной связи работают в условиях ярко выраженного многолучевого распространения, они существенно выиграют от применения антенных систем MIMO с соответствующими характеристиками. Благодаря тому, что MIMO обладает возможностью существенно улучшить работу беспроводных систем, многие комитеты стандартизации уже приняли эту технологию или рассматривают возможность ее применения. Несмотря на свою привлекательность, технология MIMO очень сложна, и ее использование в системах беспроводной связи вызывает специфические трудности при тестировании и измерениях. Одна из них связана с радиоканалом и эффектами корреляции в канале, например потерями в тракте передачи и замиранием при многолучевом распространении. В беспроводной связи ключевым фактором, определяющим характеристики системы, является радиоканал. Чтобы обеспечить многопотоковую передачу в одном частотно-временном пространстве, необходимо гарантировать существенные различия радиоканалов в каждом канале связи. Поэтому при оптимизации характеристик MIMO необходимо хорошо понимать эффект корреляции между каналами, для изучения которого требуются средства точного тестирования компонентов (например, приемников) и систем MIMO в реальных условиях и на реальных каналах. К сожалению, проведение таких испытаний в «реальной» беспроводной среде неэффективно и непрактично из-за высокой чувствительности канала и необходимости обеспечить достаточный уровень мобильности. Специализированное оборудование, способное решить эти задачи, позво-

Рис. 1. Цветными стрелками показаны конфигурации каналов для систем SISO, SIMO, MISO и MIMO (2×2)

электронные компоненты №10 2009

Рис. 2. Упрощенная блок-схема пространственно-временного кодирования Аламоути, где h0 и h1 — канальные коэффициенты; S0, S1… — символы передаваемой последовательности и ( )* — комплексно-сопряженное число. В этой системе за каждый символьный период одновременно через две антенны передаются два разных символа

Беспроводные технологии

28

замирания сигнала, либо для повышения пропускной способности. В общем случае различают три типа многоантенных систем: с пространственным разнесением, пространственным мультиплексированием и с формированием диаграммы направленности. Пространственное разнесение — метод, повышающий эффективность по мощности за счет максимального сокращения повторных передач. При этом используются такие методы как разнесение задержки, пространственно-временное блочное кодирование (Space-Time Block Codes, STBC) и пространственно-временное решетчатое кодирование (Space-Time Trellis Codes, STTC). В среде с ярко выраженными эффектами многолучевого распространения мощность сигнала в радиоканале изменяется очень быстро и по времени, и в зависимости от длины пути распространения. Сильное ослабление мощности сигнала на стороне приемника называют многолучевым замиранием. Для подавления этого эффекта часто используется разнесение антенн. Разнесение антенн позволяет компенсировать замирание за счет сложения нескольких копий одного и того же сигнала двух или более каналов, замирания в которых происходят независимо друг от друга. Например, в системе SIMO разнесение приемных антенн улучшает характеристики системы, если приемник оптимально объединяет сигналы от нескольких антенн так, чтобы амплитуда результирующего сигнала обладала меньшими колебаниями по сравнению с амплитудой сигнала любой отдельной антенны. Разнесение, называемое также кратностью разнесения и равное числу приемных антенн в системах SIMO, характеризуется числом каналов с независимым замиранием. Важно отметить, что если каналы с замиранием не являются независимыми, разнесение антенн не улучшит характеристик системы. В последнее время областью активных исследований становится разнесение передающих антенн, применяемое в системах MISO. Если каналы между каждой передающей и единственной приемной антеннами имеют независящие друг от друга характеристики

www.elcp.ru

замирания, то кратность разнесения равна числу передающих антенн. Если передатчик предварительно не настроен на требуемые характеристики канала, то получить выигрыш при приеме можно, но только используя специально сформированные при передаче сигналы. Одной из популярных технологий многоантенной передачи, привлекшей в последнее время внимание, является пространственно-временное кодирование (Space Time Coding, STC). По этой технологии одни и те же данные передаются через обе антенны, но со сдвигом по времени, что повышает вероятность успешного восстановления данных при приеме. Эта технология использует эффективное кодирование данных — как пространственное, так и временное. Упрощенная блок-схема системы STC с применением пространственновременного кодирования Аламоути показана на рисунке 2. В этой системе за каждый символьный период одновременно через две антенны передаются два разных символа. Следует заметить, что технология разнесения STC повышает не скорость передачи данных, а качество сигнала. Показанная на рисунке 2 последовательность использует кодирование в пространстве и по времени (пространственно-временное кодирование). Возможно также кодирование в пространственной и частотной областях. В этом случае вместо двух последовательных символов могут использоваться две несущие частоты (пространственно-частотное кодирование). Разнесение каналов по технологии MIMO представляет собой комбинацию описанного выше разнесения передачи и разнесенного приема. Кратность разнесения в этом случае равна произведению числа приемных и передающих антенн (при условии наличия каналов с независимым замиранием между каждой парой приемных и передающих антенн). Пространственное мультиплексирование — это метод одновременной передачи независимых потоков данных через разные антенны для повышения эффективной скорости передачи. Пространственное мультиплексирова-

ние позволяет повысить скорость передачи, используя при этом ту же полосу частот и мощность, что и традиционная система SISO. Теоретически, пропускная способность линейно зависит от числа используемых приемных и передающих антенных пар. В конфигурациях с неравным числом приемных и передающих антенн пропускная способность пропорциональна меньшему из них. Кроме того, пространственное мультиплексирование может применяться в многопользовательском методе доступа, известном как SDMA (Space Division Multiple Access — множественный доступ с пространственным разделением каналов). Предположим, что два мобильных абонента передают сигналы по одному и тому же радиоканалу. Оба сигнала приходят на базовую станцию, оборудованную двумя антеннами, где они разделяются с помощью пространственного мультиплексирования. Пропускная способность такой системы растет пропорционально либо числу антенн базовой станции, либо количеству мобильных абонентов, в зависимости оттого, какое из значений окажется меньше. И хотя отдельные абоненты не ощущают прироста пропускной способности, провайдер оказывается в выигрыше за счет увеличения числа пользователей в той же зоне обслуживания. Эта технология доступа определена в профиле Wave 2 стандарта WiMAX и получила название UL-CSM (Uplink Collaborative Spatial Multiplexing — совместное пространственное мультиплексирование в восходящем канале). Пространственное мультиплексирование может повысить скорость передачи лишь в том случае, если среда передачи обладает ярко выраженными условиями многолучевого распространения, т.к. при этом снижается корреляция между каналами и становится возможным восстановление данных в приемнике. При высокой корреляции каналов характеристики пространственного мультиплексирования быстро ухудшаются. Формирование диаграммы направленности — метод, при котором передатчик использует предварительно заданную информацию о канале. В традиционных системах с формированием диаграммы направленности один и тот же сигнал или символ данных одновременно передается в каждый тракт каждым антенным элементом, причем со своим комплексно взвешенным коэффициентом (по амплитуде и/или фазе), настраивая тем самым антенную решетку на оптимальное отношение сигнал/шум в радиоканале. Если формирование диаграммы направленности оптимизировано для

29

электронные компоненты №10 2009

Рис. 3. Тестер приемников MIMO Agilent N5106A обеспечивает до 4 генераторов модулирующего сигнала и 8 имитаторов замирания, что позволяет тестировать системы MIMO вплоть до схемы 4×2. С помощью исполняемой в нем программы создания сигналов Agilent Signal Studio формируются сигналы новейших стандартов

пространственного разнесения или пространственного мультиплексирования, каждый антенный элемент одновременно передает взвешенную комбинацию двух символов данных. Эта технология формирования диаграммы направленности требует от передатчика предварительного «знания» характеристик канала, которую он использует для построения матриц диаграммы направленности (предискажений) в виде фильтров предварительной и последующей коррекции в приемнике и передатчике. Так достигается выигрыш в пропускной способности. Однако в этом случае может потребоваться измерение состояния канала приемником и отправка этой информации передатчику. Оценка задачи

Беспроводные технологии

30

Поскольку радиоканал является неотъемлемой частью систем MIMO, полное понимание любых эффектов, способных отрицательно воздействовать на него, играет очень важную роль. Пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование могут существенно улучшить характеристики канала, но лишь в том случае, если пространственные соотношения выбраны так, чтобы выгодно использовать свойства ярко выраженного многолучевого распространения. В случае пространственного разнесения выигрыш при использовании STC зависит от кратности разнесения канала. Чтобы кратность разнесения равнялась произведению чисел приемных и передающих антенн, каждый канал между каждой парой антенн (приемная–передающая) должен обладать независимыми параметрами замирания. Напротив, высокая корреляция каналов между парами приемных/передающих антенн делает выигрыш от разнесения весьма незначительным. Каналы со слабой корреляцией требуются и в системах MIMO с пространственным мультиплексированием. Хорошее разделение разных простран-

www.elcp.ru

Рис. 4. Упрощенная блок-схема тестирования приемника MIMO 2×2 с помощью тестера приемников MIMO Agilent N5106A PXB

ственных потоков возможно лишь в случае благоприятных характеристик каналов. Для этого зачастую требуется специальное расположение передающих и приемных антенн, обеспечивающее низкую корреляцию каналов между антенными парами. Ослабление влияния канальных эффектов

Хотя такие технические методы как пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование открывают широкие возможности улучшения характеристик при наличии канальных эффектов, они не полностью решают эту проблему. Для ее решения могут использоваться разные подходы. Например, в типовой конфигурации MIMO 2×2 для моделирования четырех независимых каналов, существующих между парами передающих и приемных антенн, можно использовать два отдельных эмулятора канала SIMO. Но эмуляторы каналов SIMO не обеспечивают требуемой корреляции между каналами MIMO. В то же время для проверки характеристик системы MIMO важна реальная степень корреляции. В этой ситуации инженеры могут предпринять попытку провести испытания в «реальной» беспроводной среде, однако такой канал слишком чувствителен, не обеспечивает управляемость и воспроизводимость тестов. Данный подход едва ли осуществим и в тех ситуациях, когда требуется провести испытания при разных условиях распространения или протестировать мобильность. Имеется возможность использовать программный эмулятор реалистичных каналов MIMO, но такой тест чрезвычайно длителен и не позволяет получать результаты в реальном времени, хотя и способен дать некоторую оценку корректности работы радиочастотного тракта и модулирующих функций. Лучшее решение этих проблем — использовать специализированные приборы, способные эмулировать реалистичные каналы MIMO. Такие эмуляторы каналов как тестер приемников MIMO N5106A PXB, воспроизводящий реальные условия работы MIMO с помощью мощной цифровой

обработки сигнала, позволяют быстро выявлять проблемы на ранних этапах проектирования, отладки и проверки оборудования (см. рис. 3). Кроме того, у эмулятора канала есть существенные преимущества: он может генерировать вполне жизненные сценарии замирания, включая корреляцию пути и канала, вдобавок он быстро калибруется, да и стоит сравнительно недорого. На рисунке 4 показана упрощенная схема тестирования приемника MIMO 2×2. Прибор подключен к двум генераторам РЧ-сигналов для повышающего преобразования частоты. Встроенные в него генераторы модулирующих сигналов формируют соответствующие стандартам сигналы, например WiMAX, LTE и WLAN. Эти генераторы легко подключить к имитаторам канального замирания с помощью графического программного интерфейса пользователя. Каждый имитатор замирания конфигурируется индивидуально, в соответствии со стандартной моделью замирания (например, для WiMAX ITU Pedestrian B — модель В для пешехода, пользующегося сетью WiMAX). Можно использовать и специальную модель с разными путями распространения и условиями замирания. Встроенная в прибор функция автоматической калибровки мощности существенно ускоряет построение схемы тестирования по сравнению с применением автономных имитаторов замирания. Заключение

Таким образом, с помощью тестера приемников MIMO можно не только выявлять проблемы на ранних этапах проектирования, но и свести к минимуму погрешности проектирования, уменьшить время и стоимость настройки оборудования, сборку лабораторной измерительной системы, а также обеспечить максимальную производительность и масштабируемость в соответствии с будущими потребностями. В результате такое специализированное контрольно-измерительное оборудование быстро превращается в необходимый инструмент исследователя и разработчика, занятого проектированием и интеграцией компонентов и систем MIMO.

Воспроизводимое измерение искажений, связанных с нелинейными свойствами широкополосных систем связи Стив Петтис, инженер по развитию рынка, Agilent Technologies Пит Зайсел, инженер-конструктор, Agilent Technologies Развитие методов цифровой модуляции и обработки сигналов позволяет использовать коммерческие и военные системы связи для передачи данных со все возрастающей скоростью. Однако по мере увеличения объемов данных, передаваемых во все более широкой полосе частот, снижается качество передачи сигнала, что связано с искажениями, возникающими из-за нелинейности системы передачи. Для оценки нелинейных свойств систем используется метод коэффициента мощности шума (КМШ). В отличие от аналоговых методов, цифровые методы измерения позволяют выполнять легко воспроизводимые точные измерения. Кроме того, цифровой метод ускоряет тестирование и существенно снижает его стоимость.

Исследование типов искажений

В современных системах связи существуют две основные причины возникновения нелинейных искажений. Одна из них связана с нелинейной зависимостью амплитудно-частотной характеристики от уровня входного сигнала. Другая причина связана с неравномерной зависимостью фазовой характеристики от частоты входного сигнала. В широкополосных системах эти эффекты могут порождать четыре типа искажений: гармонические искажения; искажения, обусловленные перекрестной модуляцией; фазовые и интермодуляционные искажения. И хотя каждое из них имеет свой источ-

ник, все они влияют на входной сигнал. Это приводит к появлению на выходе широкополосного устройства, схемы или системы гармонических или негармонических паразитных составляющих. В присутствии широкополосного сигнала (или большого числа узкополосных сигналов), например в широкополосных или многоканальных системах, все эти механизмы вносят вклад в интермодуляционные искажения. Поскольку эти искажения шумоподобного сигнала снижают отношение сигнал/шум и увеличивают коэффициент битовых ошибок (BER), они являются основным недостатком широкополосных систем. Шумоподобный характер широкополосных сигналов вызывает проблемы потому, что результирующие шумоподобные искажения

ухудшают характеристики системы в широком диапазоне частот. Эти эффекты подчеркивают важность измерения интермодуляционных искажений в широкополосных системах. Существует несколько способов измерения интермодуляционных искажений, но, к сожалению, разные подходы могут дать сильно отличающиеся результаты. Измерение интермодуляционных искажений

Простой воспроизводимый подход заключается в применении двухтонального интермодуляционного метода третьего порядка, известного как IP3. Этот метод измеряет искажения третьего порядка, вызванные нелинейными элементами.

Характеристики воздействующих сигналов по методу КМШ Восемь ключевых параметров, определяющих эффективность воздействующего сигнала КМШ: – средняя мощность; – полоса сигнала; – ширина просечки; – форма спектра в полосе пропускания; – статистические характеристики шума; – пиковое значение шумового сигнала; – плотность вероятности (PDF); – комплементарная интегральная функция распределения (CCDF). Созданный цифровыми методами синтетический шум обладает требуемыми характеристиками как во временной, так и в частотной области. Во временной области шум имеет конечный период повторения и воспроизводимую зависимость амплитуды от времени. В частотной области шум имеет конечный спектр. Он также обладает ограниченным разнесением спектральных линий, которое эквивалентно обратной величине от периода повторения во временной области. Правильный выбор генератора сигналов и анализатора спектра зависит от измеряемой полосы. Потребуется также программное обеспечение, способное создавать широкополосные многотональные сигналы и загружать их в совместимый генератор сигналов.

электронные компоненты №10 2009

31 Беспроводные технологии

Одним из факторов, позволяющих выполнять успешные и воспроизводимые измерения КМШ, является применение детерминированных воздействий, имитирующих шумоподобную природу реальных широкополосных сигналов. Сигналы такого типа воздействуют на коммуникационный канал примерно так же, как и реальные сигналы, выявляя нелинейность и помогая разработчику обеспечить надежную работу системы в реальных условиях. Для создания воздействующих сигналов, позволяющих выполнять достоверные измерения, применяют генераторы сигналов произвольной формы (ГСПФ), позволяющие точно контролировать ключевые параметры воздействия.

Рис. 1. Просечка в спектре входного сигнала помогает выявить нелинейности тестируемого устройства.

Рис. 2. Для расчета КМШ используются спектральные составляющие, уменьшающие глубину просечки в выходном сигнале

Рис. 3. Для создания воздействующего сигнала с требуемыми характеристиками при выполнении измерений по методу КМШ используется векторный генератор сигналов и генератор сигналов произвольной формы

Беспроводные технологии

32

Применение узкополосных (например, двухтональных) воздействующих сигналов имеет два основных недостатка: неудобство и несовершенство. Неудобство заключается в том, что широкополосное измерение приходится составлять из длинной последовательности двухтональных тестов. Это отнимает очень много времени. Несовершенство же заключается в

том, что узкополосные воздействующие сигналы не похожи на реальные сигналы. В результате поведение тестируемой схемы, устройства или системы отличается от поведения в реальных условиях. Кроме того, этот метод не дает достаточного объема данных для определения BER. В отличие от этого, метод КМШ использует широкополосные воздействующие сигналы и создает большие пиковые значения, которые нагружают или «высвечивают» коммуникационный канал точно так же, как и реальные сигналы. Этот метод позволяет очень точно воспроизвести интермодуляционные эффекты, связанные с наличием нескольких несущих, и оценить величину BER в условиях «реального трафика». Первое применение метод КМШ нашел еще в 1950-х гг., и в настоящее время он выступает в роли критерия качества для оценки характеристик усилителей мощности, передатчиков и приемников, использующих полупроводниковые приборы или лампы бегущей волны. Для применения метода КМШ необходим источник сигнала, способный генерировать аддитивный белый гауссов (AGWN) или узкополосный гауссов шум (NBGN). Такие сигналы можно генерировать аналоговыми или цифровыми методами. В любом случае характеристики воздействующих сигналов влияют на качество результатов измерения. Для измерения КМШ используемый сигнал AGWN или NBGN должен иметь просечку, из которой удалена часть частотного спектра (см. рис. 1). Этот сигнал подается на тестируемое устройство, и результирующий выходной сигнал измеряется анализатором спектра или сигналов. Любая нелинейность тестируемого устройства вызывает появление спектральных составляющих в соответствующей просечке выходного сигнала (см. рис. 2). Рассчитанное значение КМШ представляет собой отношение средней мощности в просечке к средней мощности в эквивалентной полезной полосе входного сигнала.

Таблица 1. Зависимость воспроизводимости результатов КМШ от времени тестирования

Число усреднений Полоса мощности, кГц Число точек Полоса видеофильтра, кГц Минимальный КМШ Максимальный КМШ Средний КМШ Стандартное отклонение Время тестирования, с

www.elcp.ru

Группа 1 64 (ср. кв., экспоненциальное) 200 401 24 38,71 39,99 39,43 0,23 2,5

Группа 2 256 (ср. кв., экспоненциальное) 200 401 24 39,11 39,72 39,40 0,10 12

Группа 3 64 (ср. кв., экспоненциальное) 300 1601 5,9 39,53 39,98 39,74 0,073 3,5

Сравнение методов и результатов

Хотя разные аналоговые и цифровые методы дают эквивалентные результаты, анализ показал, что цифровые методы лучше в смысле воспроизводимости результатов и скорости тестирования. Эти преимущества важны как в лабораторных условиях, так и в условиях производства. Аналоговый метод использует в качестве воздействующего сигнала белый шум. Сигнал белого шума является непрерывным, и форма его спектра определяется фильтрами, которые используются для ограничения полосы. В результате получение воспроизводимых результатов для разных тестируемых устройств или испытательных систем весьма затруднено. Отчасти эта проблема решается путем увеличения периода усреднения в измерительном приемнике, но это приводит к увеличению общего времени измерения. В отличие от этого, цифровой метод использует для генерации воздействующих сигналов ГСПФ, что создает более детерминированные условия, чем белый шум (см. рис. 3). Необходимый воздействующий сигнал содержит серию равноотстоящих дискретных тональных сигналов со случайными фазовыми сдвигами. Наиболее подходящие ГСПФ позволяют создавать сигналы, точно воспроизводящие полезный трафик системы и в то же время обеспечивающие воспроизводимость измерения. Для этого ГСПФ должен обеспечивать управление ключевыми параметрами воздействующего сигнала: числом спектральных линий и расстоянием между ними, общей формой спектра, глубиной и шириной просечки (рекомендуется 1—10% от общей полосы шумового сигнала) и такими статистическими характеристиками как комплементарная интегральная функция распределения (CCDF). Цифровой метод обладает тремя важными преимуществами. Во-первых, это точность: поскольку КМШ является относительным измерением, он позволяет избавиться от многих погрешностей. Базовая точность измерения определяется динамической точностью анализатора спектра или сигналов, который используется для измерения выходного спектра тестируемого устройства. Два других преимущества заключаются в воспроизводимости результатов и сокращении времени тестирования. В таблице 1 показаны три группы измерений, выполненные с различными параметрами. Во всех случаях КМШ демонстрирует стабильные результаты с очень малым стандартным отклонением. Время измерения

меняется, но основным определяющим фактором является число усреднений. Отсюда следует, что основным компромиссом метода КМШ является зависимость необходимой стабильности показаний от ожидаемой производительности испытательной системы. Заглядывая в будущее

По мере развития методов цифровой модуляции и обработки сигналов, скорости передачи данных в коммерческих и военных широкополосных системах будут постоянно возрастать.

Литература 1. «Улучшенные методы измерения искажений в широкополосных устройствах», рекомендации по применению компании Agilent, публикация №5989-9880EN. 2. «Определение параметров сигналов с цифровой модуляцией по кривым CCDF»,

рекомендации по применению компании Agilent, публикация №5968-6875EN. 3. «Применение ПО Agilent Signal Studio для измерения по методу коэффициента мощности шума», технический обзор компании Agilent, публикация №5988-9161EN. 4. «Коэффициент мощности шума: теория и применение», Стан Сунахан, ведущий инженер-системотехник; компания Lockheed Martin Missiles & Space, Саннивейл, Калифорния; 20-я международная конференция и выставка по спутниковым системам связи AIAA, 12—15 мая 2002 г., Монреаль, Квебек, Канада.

События рынка

| В Зеленограде — 90 нм | Госкорпорация «Роснано» и АФК «Система» подписали инвестиционный договор о создании серийного производства интегральных схем с проектными нормами 90 нм на пластинах диаметром 200 мм. Проект будет реализован на производственной базе с использованием инфраструктуры завода «Микрон», входящего в состав ОАО «Ситроникс», крупнейшим акционером которого является АФК «Система». Технологическим партнером проекта выступает компания STMicroelectronics, которая передала лицензию на производство «Микрону». Продукция будет предназначена для развивающихся массовых рынков в области цифрового телевидения, ГЛОНАСС/GPSнавигации, систем автоматизации производства, автомобильной электроники и смарт-карт с высокой степенью защиты. Общий объем финансирования проекта составит 16,5 млрд руб., при этом объём инвестиций «Роснано» составит 6,5 млрд руб. На эту же сумму «Микрон» вносит оборудование — чистую комнату и инфраструктурное оборудование. В настоящее время «Ситроникс» производит микросхемы размером 0,18 мкм. Производство микросхем по проектным нормам 90 нм стартует после 2011 г. Зеленоградский «Ангстрем» также объявил, что научно-технический совет «Роснано» рекомендовал правлению Госкорпорации профинансировать инвестиционный проект ОАО «Ангстрем-Т» по созданию производства с проектными нормами 90 нм. Для его реализации необходимо 190 млн евро, при этом в 2008 г. «Ангстрему» уже удалось привлечь кредит в размере 815 млн евро от Внешэкономбанка для финансирования производства чипов с размером 130 нм, которое по планам должно стартовать в 2013 г. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

33 Беспроводные технологии

Перспективные системы на основе LTE и WiMAX™ будут стимулировать расширение полосы и улучшение характеристик, что приведет к дальнейшему росту значимости измерений по методу КМШ.

Как снизить потребление сети беспроводных датчиков Екатерина Самкова, научный редактор, «ИД Электроника» В статье рассматриваются факторы, влияющие на потребление беспроводных датчиков, и возможные методы экономии энергии в беспроводных сетях. Беспроводные технологии используются не только для связи людей между собой или людей с компьютерами. Появляется новый вид связи — между электронными устройствами. За рубежом он получил название «третья волна беспроводных систем». Примером сети третьей волны является система «умный дом», когда в помещении расположено множество датчиков и исполнительных устройств, которыми в отсутствие хозяина управляет сервер. Развитие подобных систем сдерживает высокое потребление энергии современными беспроводными устройствами. Задача инженеров заключается не только в уменьшении потребляемого тока, но и в применении других подходов, например перехода на специализированные связные ИС, что позволило бы сэкономить до 65% потребляемой мощности. Методы снижения потребления

Большинство современных систем с низким потреблением строится на основе центрального процессора (ЦП). В таких системах для управления приемопередатчиками нужен дополнительный микроконтроллер (МК), который

постоянно находится в активном режиме. Это неэкономично. Более эффективный подход основан на использовании коммуникационного, или связного, МК, позволяющего осуществлять обмен данными независимо от ЦП. В этом случае ЦП переходит в активный режим только тогда, когда необходимо произвести обработку данных. Дальнейшая оптимизация достигается путем использования аппаратного планировщика и схемы синхронизации внутри чипа. Планировщик периодически переводит приемопередатчик в активный режим, чтобы посмотреть, имеются ли данные для отправки или приема. При отсутствии таковых он возвращается в спящий режим. Если данные есть, планировщик дает команду включения микроконтроллеру. Синхронное включение и отключение устройств помогает снизить мощность потребления в развитых сетях, когда между узлами существует несколько путей распространения. Одно из главных отличий сети датчиков от других беспроводных сетей заключается в том, что датчики могут пересылать сообщения, полученные от других узлов сети. Данный прием назы-

Беспроводные технологии

34

вается маршрутизацией или ретрансляцией. Это эффективный и надежный способ создания такой развитой инфраструктуры, которая невозможна в случае одиночной беспроводной связи. Чтобы узел переслал полученное от другого узла сообщение, он должен находиться в активном состоянии и режиме приема. К сожалению, это очень энергоемкий режим. Более правильное решение — применять маршрутизацию только среди тех узлов, которые всегда находятся в активном режиме. Тогда другие устройства, которые большую часть времени находятся в спящем режиме, не участвуют в маршрутизации. Обычно это конечные устройства, расположенные в начале и конце передающей линии. Заметим, что рассмотренный принцип подходит не для всех систем. Например, он годится для системы освещения, но неприменим для систем обнаружения утечки газа. В системах с синхронным включением ретрансляционные узлы большую часть времени находятся в спящем режиме, что позволяет существенно снизить потребление. Принцип пересылки сообщений в таких сетях показан на рисунке 1. После пробуждения устройство сразу обнаруживает сообщения от соседей и пересылает его. Можно сказать, что доставка сообщения будет производиться в спящем режиме. Изложенные методы позволяют снизить энергопотребление настолько, что система сможет работать без батарейного источника питания, используя только полученную из окружающей среды энергию. Факторы, влияющие на потребление

Рис. 1. Эффективная передача сообщений с применением синхронного включения и отключения устройств

www.elcp.ru

Для наиболее эффективного расхода энергии устройством разработчик должен учесть следующие факторы.

1. Пиковое значение тока. Это важный параметр, который необходимо учитывать при проектировании. При внимательном изучении графика потребления становится видно, что мощность потребления резко увеличивается при активизации отдельных блоков. Для сглаживания этого эффек-

Стандарты связи

Существует несколько стандартов беспроводной передачи данных. Все они имеют разное назначение, поэтому к выбору стандарта для той или иной сети следует отнестись внимательно. Рассмортим самые распространенные интерфейсы: Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee. Стандарт Wi-Fi появился как замена проводному Ethernet. Он обеспечивает высокую скорость обмена на небольших расстояниях. Устройства Wi-Fi потребляют много энергии, чтобы обеспечить требуемое быстродействие. С расстоянием и при наличии преград скорость передачи резко снижается.

Bluetooth разработан для мобильных устройств и используется для подключения беспроводных наушников или сотового телефона к навигатору GPS или ПК. Скорость передачи по Bluetooth составляет примерно 1 Мбит/с. Этого достаточно для передачи голоса, но на порядок ниже, чем по Wi-Fi. Однако и потребление ниже, поскольку рассчитано на питание от аккумулятора телефона. Длина линии при обмене по Bluetooth небольшая, учитывая, что телефон обычно располагается в непосредственной близости от ПК или наушников. В сети датчиков требования совсем другие, в т.ч. и по энергопотреблению. Датчики зачастую работают в течение

нескольких лет от батарейки величиной с монету или от энергии, преобразованной из окружающей среды. Аккумулятор не перезаряжается, как в мобильнике или ПК. Объединяющая датчики сеть предъявляет особые требования по надежности и дальности связи. В отличие от других видов сетей, она обычно имеет большое количество узлов. С другой стороны, скорость передачи в ней не так критична, поскольку объем передаваемых данных невелик. Для беспроводных приемопередатчиков основным и, возможно, единственным стандартом является IEEE 802.15.4 (ZigBee). Предпринимались попытки использовать Bluetooth или Wi-Fi вместо ZigBee, но они не увенчались успехом, поскольку архитектура этих сетей не подходит для обеспечения связи между датчиками. Bluetooth и Wi-Fi приходилось использовать в нестандартном для них режиме, подстраивая параметры под 802.15.4.

Литература 1. Cees Links. ZigBee based wireless networks improve safety.

2. Cees Links. A communications controller centric transceiver chip design architecture enables the third wave of wireless.

3. Wim De Kimpe. How to design a low power wireless sensor network.

35 Беспроводные технологии

та следует избегать одновременного включения или выключения нескольких блоков.

2. Своевременное отключение питания. Когда батарея практически разряжена, устройство не может правильно функционировать. В схеме необходимо предусмотреть блок детектирования разряда батареи, чтобы до наступления полного разряда успеть проинформировать другие устройства о скором отключении и завершить все текущие операции.

3. Ток в спящем режиме. Обычно разработчики стремятся к тому, чтобы ток потребления при обмене данными был минимальным, забывая о потреблении системы в спящем режиме. Ток утечки может составлять десятки мкА, однако для систем, беспрерывно работающих в течение нескольких лет, это довольно много.

4. Время включения. При использовании принципа отключения неиспользуемых блоков необходимо обеспечить быстрый возврат устройств в активное состояние. При «пробуждении» блока или модуля сначала устанавливается стабилизатор напряжения, включаются тактовые генераторы и цифровые схемы. Все эти операции должны производиться в определенном порядке как можно быстрее, чтобы на процесс включения затрачивалось как можно меньше энергии.

электронные компоненты №10 2009

Отслеживание ресурсов на предприятии Питер Фур (Peter Fuhr), член состава руководителей ISA100.21, Apprion Статья посвящена методам отслеживания объектов и ресурсов в промышленной среде. Описаны проблемы, связанные с тяжелыми условиями на предприятии, и некоторые способы их решения. Рассмотрены основные беспроводные стандарты, использующиеся для мониторинга ресурсов. Прежде чем перейти к рассмотрению промышленных систем мониторинга ресурсов в масштабе реального времени, необходимо представить условия, в которых они работают. В погоне за прибылью производители стараются повысить эффективность производства. Для этого необходимо оптимально распределить людские ресурсы и автоматические системы, а также учитывать материалы, которые применяются на производстве. Изначально системы управления, которые следили за ресурсами, ограничивались радиочастотными идентификационными метками (RFID — radio frequency identification). Была большая база меток и считыватели, которые указывали на место, где данная метка была обнаружена в последний раз. Сейчас эти системы переросли в системы реального времени (СРВ), которые могут полностью проследить весь путь объекта. В настоящее время в СРВ применяются различные беспроводные технологии, причем некоторые из них развиваются очень быстро, обновляясь ежемесячно. Рассмотрим шесть базовых технологий: RFID, GPS, частотно-линейную модуляцию, RSSI, RuBee и UWB.

Влияние большинства перечисленных факторов можно рассчитать, однако это довольно трудоемкий процесс. Для облегчения задачи разработчика в сети Интернет доступны бесплатные программные средства учета основных факторов (например, по адресу [2]), поэтому мы не будем на них останавливаться. Основной параметр, характеризующий качество канала — это отношение сигнал-шум, или количество ошибочных битов в посылке (BER — bit error rate). При расчете системы после определения рабочей частоты и мощности сигналов необходимо проверить качество канала. У разработчика есть много вариантов оптимизации канала связи и производительности системы. Во-первых, можно попробовать изменить один или несколько параметров сигнала (амплитуда, частота, фаза) или вид модуляции. Во-вторых, для улучшения BER применяют корректирующие коды или протоколы с подтверждением. У каждого метода есть свои достоинства и недостатки, поэтому нельзя выбрать универсальный. Перейдем к рассмотрению беспроводных стандартов, наиболее значимых и распространенных в промышленных сетях.

RFID

Системы радиочастотной идентификации включают в себя считыватели, РЧ-метки и базу, содержащую номера всех меток (см. рис. 1). Считыватели являются неотъемлемым элементом системы, поскольку они получают данные с меток и распознают их, сверяя с базой. Считыватели — это устройства, аналогичные электронным ключам на дверях. В системах RFID используются частоты 125 кГц ... 245 ГГц, не требующие лицензирования. Такой широкий диапазон позволяет варьировать параметры системы и получать такие характеристики, которые нужны в данном приложении. Например, если система отслеживает скот, то лучше использовать частоты, близкие к 125 кГц, а не 2,4 ГГц, поскольку низкие частоты ослабляются животными меньше в силу поглощающих свойств живых тканей. С другой стороны, полоса пропускания, соответствующая 125 кГц, гораздо меньше, чем соответствующая более высоким частотам, поэтому скорость передачи данных относительно низкая. Кроме того, чем меньше частота, тем больше должна быть антенна. Достоинств у систем отслеживания на основе RFID много. Во-первых, метки могут быть пассивными, полу-

Промышленная среда

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

36

На производстве условия работы и РЧ фон тяжелы как нигде в другом месте. Количество отражающих и поглощающих поверхностей на заводах, в этих лабиринтах из металла, настолько велико, что сигнал очень быстро ослабляется, вследствие отражений возникает многолучевость распространения, беспроводные устройства начинают работать в условиях непрямой видимости. Все это накладывает отпечаток на производительности, надежности и долговечности компонентов, составляющих СРВ. Следует также учитывать, что все материалы поглощают волны по-разному. Кроме того, сигналы могут дополнительно ослабляться из-за погодных условий (осадки, испарения, туман).

www.elcp.ru

Рис. 1. Структура системы радиочастотной идентификации

Рис. 2. Отслеживание ресурсов с помощью локальной сети предприятия

После налаживания системы RFID следующим шагом следует подключить ее к сети, обслуживающей территорию предприятия, чтобы у персонала всегда был доступ к базе и программе мониторинга через точки

доступа Wi-Fi или проводные сети. Еще более очевидны преимущества такого подхода из рисунка 2. Считанная информация по сети может сразу направляться на обработку или в систему сбора данных. Кроме того,

37 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

активными и активными, т.е. содержать микропроцессор. Пассивные метки самые простые, они не имеют аккумулятора и работают от энергии, полученной от опрашивающего сигнала. При этом расстояние между меткой и считывателем не должно превышать один метр. Если метка оснащена встроенным источником питания и содержит передатчик, то расстояние до считывателя может быть увеличено до 100 м. Во многих случаях это крайне важно, особенно если отслеживаемые объекты распределены на большой территории или не имеют прямого доступа к считывателям. Активные метки обычно содержат модуль памяти и процессор, что позволяет вести статистический учет и передавать больше данных. Недостатком активных меток является более высокие эксплуатационные расходы, связанные с заменой аккумуляторов и пр. Самые простые системы радиочастотной идентификации не позволяют выявить точные координаты объекта. Они показывают, какой из считывателей последним был ближе всего к данному объекту. Соответственно, чем больше в системе считывателей, тем больше пространственное разрешение и точнее определяется местоположение объекта.

электронные компоненты №10 2009

но в передатчик спустя время 2t. Этот промежуток времени вычисляется по изменению частоты t = f 2 – f1/2a. Таким образом, система упрощается за счет отсутствия временных счетчиков. Принимая, что скорость распространения сигнала равна С, можно найти радиус, на котором находится объект от считывателя. Для определения точных координат объекта необходимо знать расстояния до нескольких считывателей, либо расположение объекта относительно других передатчиков. Точность определения координат с помощью частотно-линейной модуляции составляет единицы см, а расстояния между считывателями могут достигать нескольких десятков метров. Инфраструктура и сеть связи в этом случае такая же, как и для RFID (см. рис. 2).

RSSI Рис. 3. Вычисление местоположения объекта/ресурса с помощью нескольких точек доступа

считыватели могут быть встроены в точки доступа, что упростит поддержание системы в рабочем состоянии и снизит ее стоимость.

GPS

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

38

Отслеживание ресурсов с помощью глобальной системы навигации — весьма перспективный метод, учитывая практически повсеместное распространение карманных GPSустройств и автомобильных навигаторов. Для слежения за объектом необходимо определить его начальные координаты и время обнаружения. Они вычисляются с помощью данных, полученных по крайней мере от четырех спутников. К сожалению, условия на промышленном предприятии часто не позволяют воспользоваться навигацией, поскольку в зоне видимости может не оказаться четырех спутников, либо на данной территории в силу тех или иных причин сигнал многократно отражается, что затрудняет вычисление координат. Сигналы с неограниченным правом доступа передаются на частоте 1,575 ГГц. Она не пропускается такими промышленными материалами, как сталь. Кроме того, на открытой местности сигналы с этой частотой быстро ослабляются из-за деревьев. Следовательно, прецизионный навигационный сигнал в лесу или на засаженных улицах оказывается ненадежным. Если к этому добавить сложности, связанные с обнаружением меток то

www.elcp.ru

внутри здания, то становится ясно, что GPS имеет смысл использовать не везде. С другой стороны, есть ряд корректирующих методик, позволяющих повысить качество определения координат. В некоторых случаях они позволяют полноценно использовать систему GPS для отслеживания объектов вне зданий. Частотно-линейная модуляция

Некоторое время назад от промышленного сообщества поступила просьба разработать простой метод обнаружения местоположения и считывания данных от беспроводных полевых передатчиков. Хотя целесообразность этого предложения все еще обсуждается, разработчики внедряют проект ISA 100.11а и беспроводной стандарт 802.15.4а (Wireless Hart), которые обеспечивают необходимые для полевых условий функциональные возможности. Принцип работы устройств 802.15.4а основан на изменении центральной частоты передачи линейным образом. Выходной сигнал начинается с одной частоты, но со временем она меняется в соответствии с уравнением (3): F(t) = F0 + a · t,

(3)

где F0 — начальная частота, а — скорость нарастания частоты. Производительность системы легко найти по аналогии с РЛС с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией. Пусть передатчик посылает сигнал с частотой f1 в момент t1. Отразившись, сигнал приходит обрат-

Рассмотрим метод определения расстояния до объекта через амплитуду принятого сигнала. Будем считать, что изменение амплитуды сигнала прямо пропорционально квадрату пройденного расстояния от объекта до считывателя. Чем больше расстояние, тем слабее сигнал (зависимость ~1/r2). Метод RSSI подразумевает, что все другие параметры сигнала не меняются, а любое изменение обусловлено дальностью. Зная исходную амплитуду сигнала, легко найти расстояние. Достоинство этого подхода заключается в том, что обработка данных очень простая, поэтому производится прямо в точке доступа или считывателе. Итак, расстояние известно. Необходимо определить угол. Как и в предыдущем подходе, для определения точных координат требуется несколько точек доступа (ТД) или считывателей (см. рис. 3). Метод RSSI может использоваться с различными беспроводными технологиями и на разных частотах. Однако в зависимости от рабочей частоты будут получены разные результаты. Заметим также, что лучше, если станции будут передавать слабый сигнал, но их самих будет больше. Измерения, основанные только на амплитуде принятого сигнала довольно ненадежны, поскольку любое изменение или пульсация будет трактоваться как изменение расстояния. На самом деле причиной может быть все что угодно, например, уменьшение передаваемой мощности, спад чувствительности приемника, препятствие. Недостатком RSSI также является отсутствие единицы измерения. Дело в том, что нельзя установить единое

соответствие между, скажем, изменением мощности на 1 мВт и пройденным расстоянием для всех беспроводных устройств различных производителей. Каждый производитель использует произвольную шкалу параметров. Хотя метод RSSI не очень подходит для отслеживания передвижения объектов в режиме реального времени, он весьма полезен для Wi-Fi устройств. Например, чем больше RSSI, тем больше скорость передачи данных. Многие производители включают амплитуду принятого сигнала в отслеживаемые параметры. Когда она ниже какого-то порога, устройство считает канал свободным и начинает передачу.

Рис. 4. Когерентный способ детектирования

RuBee

UWB — сверхширокополосная передача

Последняя разновидность беспроводных систем, которую мы рассмо-

Рис. 5. Некогерентный способ детектирования

трим, характеризуется ультраширокой полосой пропускания (UWB — ultrawide bandwidth). Это одна из самых лучших технологий для систем реального времени. Она применяется, например, в адаптивных приемных системах. В устройствах стандарта IEEE 802.15.3 технология UWB используется для передачи данных с высокой скоростью. Устройства, использующие UWB, не описываются каким-то одним стандартом, их работа основана на наборе протоколов связи. Расширенный диапазон передачи позволяет передавать сложные и длинные сообщения. В то же время многолучевость распространения и поглощаемость сигналов остаются на низком уровне. Рассмотрим принцип использования расширенного спектра частот. Система периодически посылает короткие импульсы, которые позволяют обнаружить объект с большой точностью (импульс длительностью 1 нс соответствует 33 см). Чем короче временной импульс, тем больше пространственное разрешение. Есть два основных класса приема и распознавания импульсов: когерентный и некогерентный. В обоих случаях посылается короткий по времени импульс с соответствующей ему полосой частот. Когерентное детектирование (см. рис. 4) имеет самое высокое пространственное разрешение, меньше

метра. Обнаружение объекта, как и в других случаях, происходит с применением считывателей. Для лучшей работы за время одного пробега метка должна быть видна нескольким станциям (считывателям). Базовые станции неподвижны и соединены проводной сетью. При использовании некогерентного способа детектирования анализируется не каждый временной импульс, а усредненный. Этот метод проще и дешевле, однако имеет ограниченное разрешение (см. рис 5). Главное достоинство сверхширокополосной передачи заключается в использовании широкой полосы частот. В зависимости от региона границы диапазона могут сдвигаться, но ориентировочно это 3...10 ГГц. Используя сверхширокополосную связь в СРВ, можно объединить достоинства импульсных РЛС с преимуществами коротких импульсов. Такие системы имеют высокое разрешение и в то же время отсутствие взаимной интерференции и многолучевости распространения сигнала, которые присущи узкополосным передачам.

Литература 1. Peter Fuhr. Asset Tracking in Industrial Settings—A Review of Wireless Technologies.

2. http://huizen.deds.nl/~pa0hoo/helix_ wifi/linkbudgetcalc/wlan_budgetcalc.html.

3. http://www.rubee.com/.

электронные компоненты №10 2009

39 БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Следующая технология называется RuBee, или стандарт IEEE P1902. Она основана на использовании длинных волн. Несущий сигнал имеет частоту 135 кГц. Эта технология известна уже давно и описывалась много раз, например в материалах [3], поэтому мы не будем рассматривать ее подробно. В технологии RuBee используются низкие частоты, что снижает стоимость системы (по сравнению с РЧ-метками) и увеличивает срок службы аккумуляторов. Как и в случае РЧ-меток, в карточку можно вшить статические ОЗУ, сенсоры и ЖКИ. Единственный недостаток стандарта IEEE P1902 заключается в том, что скорость передачи данных никогда не может превышать 9600 бод, а чаще всего обмен происходит со скоростью 1200 бод. Метод адресации и передачи данных в RuBee не такой, как в RFID. Обычно каждой РЧ-метке присваивается серийный номер длиной 128 бит (номер партии, какие-то параметры). На сервере хранится большая база номеров. В RuBee эта информация размещается на упаковке. Для современных систем RFID такой подход оказывается слишком дорогим, поскольку требует наличие EEPROM. Метки RuBee, наоборот, используют статическое ОЗУ. При этом ОЗУ и аккумулятор вместе обходятся дешевле, чем EEPROM. За счет ОЗУ метки RuBee могут иметь как адрес IPv4, так и IPv6 (в системах с роутером). Каждая метка становится web-сервером, имеющим адрес IPv6 и адрес подсети. Таким образом, через сеть Интернет можно найти любую метку RuBee по всему миру. Из-за такой доступности и масштабности во многих СРВ используется именно RuBee.

Решения компании NXP для энергосберегающих систем освещения Александр Григорьев, бренд-менеджер «Компэл» по продукции NXP Из суммарного объема производимой в мире электроэнергии затраты на освещение жилых и промышленных помещений составляют около 20%. Не удивительно, что в условиях роста цен на электроэнергию правительства, компании и частные потребители всего мира стали искать энергосберегающие альтернативы традиционно используемым лампам накаливания. Компания NXP была одной из первых, кто осознал значимость энергосберегающего освещения и работает на этом рынке более 15 лет. В статье рассматриваются основные решения компании с использованием различных технологий энергосберегающего освещения. Основные энергосберегающие технологии в области освещения

40

Традиционным источником искусственного света является лампа накаливания. В ней используется эффект нагревания нити накаливания при протекании через нее электрического тока. Температура вольфрамовой нити после включения тока резко возрастает, и нить начинает излучать. Однако только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная ее часть приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы необходимо повышать температуру нити накала, которая, в свою очередь, ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. КПД ламп накаливания достигает при температуре около 3400°C своего максимального значения — 15%. При практически достижимых температурах в 2700°C КПД составляет 5%. Срок службы лампы накаливания составляет примерно 1000 ч. Итак, основные недостатки ламп накаливания: – низкая световая отдача; – относительно малый срок службы; – резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения; – цветовая температура лежит в пределах 2300—2900 K, что придает свету желтоватый оттенок. Альтернативные энергосберегающие источники света в той или иной мере свободны от этих недостатков. Однако продолжительная история существования ламп накаливания побуждает сравнивать новые решения с уже традиционными лампами. Перечислим основные достоинства последних: – малая стоимость; – небольшие размеры; – отсутствие пускорегулирующей аппаратуры; – отсутствие токсичных компонентов и, как следствие, необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации; – возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе; – отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе. Тем не менее в связи с экономией электроэнергии во многих странах введен или планируется ввод запрета на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью стимулирования замены их на энергосберегающие лампы. В качестве альтернативы предлагаются три основные технологии:

WWW.ELCP.RU

– люминесцентные лампы (по конструктивному исполнению — компактные и трубчатые); – газоразрядные лампы высокой эффективности; – полупроводниковые (светодиодные) источники света. Не вдаваясь в детали, кратко рассмотрим эти технологии. Люминесцентная лампа относится к газоразрядным источникам света. При работе между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, возникает низкотемпературный дуговой электрический разряд. Лампа заполнена инертным газом и парами ртути, и проходящий ток приводит к появлению ультрафиолетового излучения. Оно невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое, поглощая ультрафиолет, излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора, можно менять оттенок свечения лампы. С точки зрения электротехники, люминесцентная лампа — устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением, поэтому ее непосредственное подключение к электрической сети невозможно — лампа быстро выйдет из строя. Чтобы предотвратить это, лампы подключают через специальное устройство — электромагнитный или электронный балласт. Срок службы может до 20 раз превышать этот показатель для ламп накаливания при условии электропитания достаточного качества, хорошего балласта и соблюдения ограничений по числу включений/выключений. Из современных люминесцентных ламп в настоящее время популярны компактные и высокочастотные трубчатые. Компактные люминесцентные лампы (Compact Fluorescent Lamp — CFL). Появившиеся в начале 1980-х гг., эти «изогнутые» лампы получили большое распространение в жилых, офисных и производственных помещениях всего мира. Компактные люминесцентные лампы стали дальнейшим развитием первых колбовых люминесцентных ламп, заменив магнитные балласты электронными. Таким образом, были до минимума снижены эффекты мерцания и медленного включения, характерные для предыдущих поколений люминесцентных ламп. Световая отдача (отношение светового потока к потребляемой мощности) этих ламп в 3—5 раз выше ламп накаливания той же мощности. Высокочастотные трубчатые люминесцентные лампы (High Frequency Tube Lamp — HFTL). Эти устройства оявились в 1990-х гг. (не путать со старыми низкочастотными

лампами). Они используют ВЧ-балласты, что улучшает их характеристики по сравнению с компактными лампами за счет нескольких факторов. Лампы имеют более высокий КПД, выделяют меньше тепла, потребляют меньшую мощность и очень быстро включаются. Лампы HFTL работают от высоких напряжений (до 600 В) и нагреваются всего на несколько градусов выше температуры окружающей среды. Таким образом, они могут использоваться в тех приложениях, где «горячие» лампы принципиально не применяются. Газоразрядные лампы высокой эффективности (High Intensity Discharge — HID). Эти устройства представляют собой разновидность галогенных ламп. Принцип действия — электрический разряд в парах металлов (ртуть, натрий, ксенон). Подразделяются на разрядные лампы высокого и низкого давления. Излучаемый ими свет намного ярче света стандартных галогенных ламп. Они потребляют меньшую мощность и наиболее близко соответствуют естественному дневному свету. Светоотдача ламп HID примерно в шесть-восемь раз выше, чем у ламп накаливания. Разрядные лампы также более эффективны, чем стандартные галогенные, поскольку их срок службы, в среднем, в три-пять раз дольше. Требуют пускорегулирующей аппаратуры и зажигающего устройства. Светодиодное освещение (Solid State Lighting — SSL). Полупроводниковые источники света используют светоизлучающие диоды вместо электрических нитей накаливания или газа как источника излучения. Светодиодные лампы и светильники очень надежны — они не критичны к вибрациям и ударным нагрузкам, а также исключительно долговечны. Они формируют искусственный свет с цветовой температурой, изменяющейся в широких пределах. Полупроводниковое освещение — также хорошее решение для уличной рекламы, архитектурной и ландшафтной подсветки.

Микросхемы компании NXP для управления энергосберегающими лампами

Компания NXP предлагает ряд интегральных схем как для управления газоразрядными лампами высокой эффективности (UBA2032, UBA2035, UBA2036 и UBA2037), так и для управления люминесцентными лампами (UBA2014, UBA2021 и UBA2024). Рассмотрим подробнее применение микросхемы UBA2024 в качестве электронного балласта компактной люминесцентной лампы. Данная микросхема является наиболее простой в применении и требует минимума внешних компонентов. На рисунке 1 приведена типовая схема ее включения. Эта микросхема (как и все перечисленные выше) не требует внешнего низковольтного источника питания. Высоковольтное напряжение питания микросхемы HV формируется после выпрямления сетевого напряжения переменного тока. Низковольтное постоянное напряжение V DD = 12 В, необходимое для питания внутренних схем, формируется внутри микросхемы. Основной ее функцией является формирование циклограммы включения люминесцентной лампы, типовой вариант которой приведен на рисунке 2. Циклограмма включения люминесцентной лампы состоит из трех последовательных этапов: – предварительный прогрев нитей катода; – режим поджига; – режим запуска. При появлении сетевого напряжения, на входе HV формируется высоковольтное напряжение и, как следствие, низковольтное напряжение на выходе VDD. Как только низковольтное напряжение превысит некоторое пороговое значение, начинается предварительный прогрев катода. При этом начинает работать внутренняя

электронные компоненты №10 2009

41

Рис. 1. Схема включения UBA2024

– регулируемый ток нагрева; – регулируемая мощность лампы; – защита от перегревания лампы при повышенном напряжении сети. Микросхема использует внешние транзисторы полумостовой схемы. Трубчатые люминесцентные лампы имеют алгоритм включения, аналогичный компактным лампам, но схема управления должна обеспечивать дополнительные требования защиты лампы и балласта в случае аварийного режима. С этой точки зрения предпочтительнее использовать микросхемы UBA2014 и UBA2021. Разрядные лампы высокой эффективности управляются, в отличие от люминесцентных, не полумостовой, а полной мостовой схемой. В микросхемах компании NXP используются решения только с внешними MOSFETтранзисторами. На рисунке 3 в качестве примера приведена типовая схема включения микросхемы UBA2032 для управления разрядной лампой высокой эффективности. Рис. 2. Циклограмма включения люминесцентной лампы

42

полумостовая схема, и на выходе OSC генерируется прямоугольное напряжение. Напряжение между электродами лампы начинает расти. Начальная частота сигнала на выходе OSC примерно в 2,5 раза превышает номинальную, выдерживается в течение некоторого времени, а затем плавно снижается. По мере приближения к резонансной частоте напряжение между электродами лампы начинает расти быстрее и при переходе через частоту резонанса достигает максимума. Лампа зажигается. Частота фиксируется на текущем значении, и выдерживается некоторая пауза, в течение которой напряжение на лампе продолжает превышать номинальное. За это время она окончательно включается, после чего частота плавно снижается до номинального значения, значение которой (обычно около 50 кГц) задается внешней RC-цепочкой. Кратко рассмотрим отличительные особенности остальных микросхем. Интегральная схема UBA2014: – регулируемое значение номинальной частоты; – регулируемая длительность предварительного нагрева и поджига; – регулируемый ток нагрева; – автоматическое определение неисправности лампы или ее отсутствия; – однократная попытка пуска; – регулируемая мощность лампы. Транзисторы полумостовой схемы, в отличие от UBA2024, внешние, что позволяет использовать микросхему для построения балластов ламп различной мощности. Интегральная схема UBA2021: – регулируемое значение номинальной частоты; – регулируемая длительность предварительного нагрева и поджига;

WWW.ELCP.RU

Решения компании NXP для систем светодиодного освещения

В качестве основного решения для светодиодного освещения компания NXP предлагает ряд контроллеров импульсных источников питания (Switched Mode Power Supply — SMPS), а именно: микросхемы SSL2101, SSL1522, SSL1523 и SSL1623, предназначенные для управления светодиодами суммарной мощностью до 15 Вт, и контроллер SSL1750 со встроенным корректором коэффициента мощности для управления светодиодными модулями мощностью до 250 Вт. Типовое включение SSL2101 по обратноходовой (flyback) схеме AC/DC-преобразователя приведено на рисунке 4. Данные микросхемы, в первую очередь, ориентированы на т.н. светодиодные лампы–светильники со стандартным цоколем (Е27, Е14, MR16 и т.д.), предназначенные для прямой замены ламп накаливания и галогенных ламп. При этом драйвер устанавливается в объеме цоколя, а светодиодный модуль либо устанавливается в традиционную колбу, либо ему придается подобная по форме открытая конструкция. Оптимальная мощность светодиодного модуля — 9…15 Вт (3—5 светодиодов по 3 Вт), что соответствует световому потоку ламп накаливания мощностью 60…75 Вт. Основные достоинства подобной схемы следующие.

– Входами схемы является только сеть переменного тока. Все установки обеспечиваются внешними резисторами и конденсаторами.

– Световой поток стабилизирован (датчик тока светодиодного модуля связан по цепи обратной связи с входом управления яркостью) и не зависит от колебаний сети и бросков тока.

– Светодиодная лампа с подобным драйвером может работать практически с любым внешним диммером (регулятором яркости), датчиком присутствия и подоб-

Рис. 3. Схема включения UBA2032

Рис. 4. Включение SSL2101 по обратноходовой схеме

ными им устройствами, которые выполнены по симисторной или транзисторной схемам.

– Микросхема имеет встроенные средства защиты от перегревания кристалла и короткого замыкания нагрузки. Предполагаемая область применения контроллера SSL1750 несколько иная — уличное и тоннельное освещение, прожекторы архитектурной и ландшафтной подсветки, иными словами, светильники, световой поток которых эквивалентен 500…1000 Вт ламп накаливания. Помимо контроллеров SMPS компания NXP предлагает схемы управления светодиодной подсветкой — в частности, микросхему UBA3070, типовое включение которой представлено на рисунке 5. Микросхема позволяет управлять длинной цепочкой последовательно включенных светодиодов, запитанных от внешнего высоковольтного (до 650 В) постоянного напряжения. Отметим также, что несколько идентичных цепочек можно включить параллельно друг другу.

43

Рис. 5. Схема включения UBA3070

электронные компоненты №10 2009

Питание самой микросхемы осуществляется от независимого источника 12 В. Дополнительный вход ШИМ повзоляет плавно управлять яркостью всего светодиодного модуля. Основной областью применения является управление светодиодными источниками света в рекламном освещении, подсветке торговых залов и прилавков, светодиодные светофоры и дорожные знаки, другие указатели. Заключение

Мы рассмотрели основные решения компании NXP в области энергосберегающего освещения. Подведем итоги. Люминесцентные лампы при всей своей привлекательности в отношении светоотдачи обладают следующим рядом существенных недостатков, на которые нельзя не обращать внимание.

– Необходимость утилизации, поскольку они содержат ядовитое вещество — ртуть.

– При существующем качестве отечественного сетевого питания реальный срок службы заметно отличается от заявленного. Поскольку они значительно дороже традиционных ламп накаливания, эффект от экономии электроэнергии может быть сведен на нет.

– Спектр излучения этих ламп линейчатый, т.е. в видимой части он состоит из 5—7 достаточно узких полос. Это приводит к неправильной цветопередаче и, как следствие, к повышенной утомляемости глаз. Разрядные лампы высокой эффективности в силу своих конструктивных особенностей будут широко использоваться в уличном (и, возможно, в промышленном) освещении, но перспективы их применения в освещении жилых и офисных помещений сомнительны. Светодиодное освещение лишено многих перечисленных недостатков. Из достоинств можно выделить следующие.

44

– Реально длительный срок службы, что дает экономию не только за счет снижения энергопотребления, но и за счет снижения эксплуатационных затрат.

– Отсутствие ядовитых и токсичных веществ.

– Непрерывный спектр излучения, отсутствие значительного ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Имеется, правда, существенный недостаток — цена. Однако, во-первых, за последние годы происходит быстрый непрерывный рост светоотдачи. В настоящее время светодиоды по этому параметру практически сравнялись с люминесцентными лампами. Во-вторых, непрерывно снижается стоимость. И, весьма вероятно, что через несколько лет цена светодиодных светильников покажется вполне приемлемой. По крайней мере, из всех направлений энергосберегающего освещения существенные прорывы обещают только светодиоды.

Литература 1. NXP channel programs. New: Industrial program featuring energy-efficient lighting// Документ компании NXP ‘Channel Focus Issue 4, 2008’.

2. Join the ‘green’ lighting revolution// Документ компании NXP 75016205.pdf.

3. UBA2024 — Half-bridge power IC for CFL lamps// NXP product data sheet.

4. UBA2032 — Full bridge driver IC// Philips product specification.

5. SSL2101 — SMPS IC for dimmable LED lighting// NXP product data sheet.

6. SSL1750 — SMPS control IC for LED drivers// NXP product data sheet.

7. UBA3070 — LED backlight driver IC// NXP product data sheet.

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

| Франция перейдет на электромобили | Французское правительство обнародовало планы по инвестированию 1,5 млрд евро на создание инфраструктуры для электромобилей и автомобилей с гибридным двигателем. По ожиданиям властей, к 2020 г. по дорогам Франции будут ездить 2 млн таких авто. Деньги, выделяемые правительством, пойдут на исследования, изготовление аккумуляторов, разработку безвредных для окружающей среды автомобилей, а также на создание сети станций подзарядки аккумуляторов по всей стране. В настоящее время во Франции насчитывается около 30 млн автомобилей, и только несколько тысяч из них ездят на электричестве. Согласно оценкам правительства, к 2020 г. доля электрических и гибридных автомобилей может достичь 16%, а еще через пять лет — 27% от общего количества автомобилей. Для перехода на новый вид двигателей необходимо создать сеть станций подзарядки. Планируется, что к 2015 г. их будет построено около миллиона, причем 90% будут расположены в частных домах, остальные — на парковках и вблизи дорог. К 2020 г. сеть зарядных станций расширится до 4 млн станций, то есть на один автомобиль будет приходиться две станции. Среди концернов, которые станут выпускать электромобили, называют Renault, Peugeot и Daimler. Ранее о намерении выпускать электромобили заявляли и другие компании, например Nissan и Toyota. Что касается последней, то она выпустит гибридную версию Auris уже в середине следующего года. www.russianelectronics.ru

| Крыша из солнечных батарей | Компания Dow Chemical предложила новую линию фотогальванических солнечных элементов в форме плоской кровельной плитки (гонт), которые устанавливаются на крыше дома наряду с привычными гонтовыми покрытиями. Первые партии новых батарей появятся в середине 2010 г., а массовый выпуск запланирован на 2011 г. Накопленная батареями энергия будет напрямую поступать в дом. Это экономичное, долговечное и простое в эксплуатации решение. Новаторская технология основана на недорогих тонкопленочных фотогальванических ячейках CIGS. Ее преимуществом является простота установки: кровельщики будут монтировать солнечные элементы вместе с новым покрытием. Для этого не потребуется специальной переподготовки работников. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Мощные светодиодные приборы Антон Булдыгин, инженер, «Светотроника»

В статье рассмотрены общие вопросы, полезные для разработчиков полупроводниковых систем освещения и светильников. Обсуждена тема бининга: как правильно сформулировать требование к заказу на СИД поставщику; о чём полезно помнить при разработке систем освещения с большим количеством СИД; возможные проблемы некачественно изготовленных СИД. Рассмотрен вопрос световой отдачи СИД в рабочих условиях, а также особенности использования морально устаревших и мультикристальных СИД. Рынок полупроводниковой светотехники развивается сегодня гигантскими темпами. Широчайшие возможности, которые предоставляет светодиод, открывают огромное поле для его применения. На рынке постоянно появляются новые игроки, интегрирующие его в новые интересные области. Известно, что производство приборов на СИД, как правило, связано с разработкой, т.к. практически не существует типовых или универсальных решений. Однако применение светодиода зачастую превращается в проблему для инженеров, которые ещё не сталкивались с разработкой осветительной техники на полупроводниках. Дело в том, что у полупроводниковых источников света есть своя, ни с чем не сравнимая специфика разработки. Проводить параллели между светодиодами и лампами различных типов совершенно несправедливо. Отличия между этими источниками света очень велики. Различаются и световые потоки, и способы питания, и пространственное распределение силы света, и спектры излучения, и функциональные возможности. Светодиод — это, прежде всего, электронный компонент и только потом — источник света. Разрабатывая систему на базе СИД, следует учитывать его режимы работы и уметь правильно подобрать условия. В противном случае на стадии макетирования полученные параметры не будут иметь ничего общего с расчётными. Наша компания, по сути, является средним звеном между производителями светодиодов и производителями светотехники. Ежемесячно мы отрабатываем десятки запросов, связанных с применением, режимами работы и выбором светодиодов. Самый беглый анализ этих запросов позволил выделить несколько наиболее распространённых тем, вызывающих затруднения при проектировании. Эти темы и стали предметом данной статьи.

1. Бининг

Проблема понимания вопроса бининга периодически возникает даже в работе с опытными производителями световых приборов. Именно поэтому будет правильно разъяснить все связанные с этим вопросом тонкости. Сам по себе бининг возник как более дешёвая альтернатива производства, суть которой в том, чтобы произвести изделия без жёсткого контроля параметров, а затем рассортировать их по корзинам (bin). Итак, BIN — это некоторый набор изделий с минимальным разбросом того или иного параметра. Применительно к светодиодам различают два основных типа наборов — бины по мощности светового потока и бины по цветовой температуре, или координатам цветности. Первая группа не вызывает вопросов: есть заявленный световой поток, которому соответствует определённое наименование в номенклатуре изделий. В отношении координат цветности или цветовой температуры всё несколько сложнее — зачастую возникает путаница между понятиями KIT и BIN. Внесём ясность в различие между ними. В отличие от BIN, KIT — это набор изделий, ото-

бранный по схожим параметрам бинов. Например, когда говорят о «тёплом», «натуральном» или «холодном» белом цвете светодиода, то подразумевают именно KIT, т.к. внутри «натурального белого» кита есть десяток или более бинов с цветовой температурой близкой по координатам к 4200 К для чёрного тела. То же справедливо и для других оттенков белого. Наглядно это можно представить себе, взглянув на рисунок 1. Киты на нём выделены разными цветами, а по секторам распределены бины. Практика показывает, что для разработки систем с большим количеством светодиодов оптимально использовать один бин либо два-три соседних для каждого отдельного изделия. В противном случае разница оттенков может быть видна на глаз (см. рис. 2). Наверное, не стоит говорить о том, что сдать такую работу заказчику будет непросто.

Рис. 1. Система бининга в колориметрических координатах

45

Рис. 2. Неравномерность цветовой температуры светодиодов в готовых изделиях

электронные компоненты №10 2009

46

Для одноцветных светодиодов ситуация с бинами та же, что и для белых: название цвета — это кит, внутри которого имеется некоторое количество бинов. В данном случае определяющим фактором являются координаты цветности. Системы бининга у разных производителей неодинаковы, поэтому если в проекте существуют требования, связанные с равномерностью цвета или оттенков, необходимо оценить, насколько они строгие. И только после этого следует принимать решение в пользу того или иного производителя. Стоит заметить, что заказчик, как правило, не знаком со светотехническими проблемами. Цена, которую предлагают азиатские производители светодиодов, может показаться ему очень привлекательной, но по точности бининга азиатские светодиоды существенно уступают ведущим европейским и американским производителям. А ответственность за решение всегда полностью лежит на разработчике, который должен умело балансировать между ценой и качеством. Упомянув вопрос цены и качества светодиода, связанный с его колориметрическими характеристиками, хотелось бы остановиться ещё на одной проблеме, а именно на распределении цветовой температуры белых СИД или λ максимума цветных СИД внутри пятна рассеяния. Таким недостатком обладают очень многие недорогие изделия. Особенно ярко эффект выражен при использовании светодиода в паре с вторичной оптикой. Это пятно рассеяния получается из-за халатного и дешёвого способа нанесения люминофора на кристалл, при котором длина хода луча внутри люминофора в разных секторах получается различной. Очевидно, что в качественном производстве такая практика отсутствует, и толщина слоя контролируется в допустимых пределах. Поэтому пятно рассеяния у светодиодов ведущих мировых лидеров не имеет цветных артефактов и выглядит равномерно. Символы наименования бина указываются в т.н. CATкоде, который практически не доступен потребителю. Следовательно, при формировании запроса необходимо указать, насколько критичен разброс цветовой температуры, а подбор бина или набора бинов доверить поставщику. Следует помнить, что если претензии к точности выбора цветовой температуры не сформулированы, поставляемая партия может содержать светодиоды с заметным на глаз разбросом цвета. При работе с бинингом нужно помнить и о том, что всегда имеется возможность подобрать бин под проект. Очевидно, что стоимость подобранного под заказ бина может быть выше стоимости случайного складского набора. Для того чтобы уравновесить стоимость этой услуги, разумно воспользоваться проектной регистрацией. В России эта практика совершенно необоснованно не развита, а ведь она позволяет существенно снизить стоимость изделия без потери в качестве и защитить свой проект от конкурентов. Такую услугу могут предоставить все официальные дистрибьюторы, перекупщики же стараются о ней умолчать.

2. Эффективность светодиода в рабочем режиме

Одним из самых важных параметров светодиода является его эффективность. Уже далеко позади остался психологический барьер в 100 лм/Вт, уже многие производителей перешагнули через значение 110 лм/Вт, уже анонсированы 136 лм/Вт (www.cree.com/press/ press_detail.asp?i=1241094842732). Этот оптимистичный фон настолько ощутимо добавил уверенности некоторым разработчикам, что реальная оценка эффективности сместилась на второй план. Между тем, проблема

WWW.ELCP.RU

от этого меньше не стала. Дело в том, что световая отдача — параметр весьма неоднозначный. Как и в любом другом полупроводнике, процесс p-n-перехода в светодиоде в значительной степени зависит от его температуры. Известно, что при повышении температуры полупроводника ширина запрещённой зоны сокращается. А вместе с ней сокращается и расстояние между уровнем проводимости и примесным уровнем. Электрон начинает испускать меньшую энергию, следовательно, энергия фотона уменьшается. Излучение смещается в «синюю» зону, одновременно падает мощность светового потока. От температуры зависит износ люминофора и, как следствие, время жизни всего светодиода. Вот почему, проектируя полупроводниковый источник света, необходимо начинать именно с термического расчёта, результат которого станет отправной точкой для расчёта светотехнического. К сожалению, очень часто всё происходит с точностью до наоборот. В итоге появляются риски изменения конструкции, переразводки печатных плат, перерасходов и т.д. Возможно, в каких-то случаях это и оправдано, но не лучше ли быть последовательным и учесть рабочий режим ещё на стадии расчётов? Давайте посмотрим, как это сделать. Во-первых, следует открыть техническое описание светодиода и внимательно изучить условия, при которых был получен заявленный параметр эффективности. Как уже было сказано, он в большой степени зависит от ряда факторов, которые некоторые производители указывают лукаво. В самых распространённых случаях заявляется значение светового потока при температуре кристалла 25°С. Очевидно, что это условие невыполнимо. Температура на кристалле мощного светодиода редко падает ниже 43...45°С при идеальных температурных условиях, токе в 350 мА и одном светодиоде на плате. На практике заявленные «бархатные» условия достижимы редко, а реальная температура кристалла может достигать даже 100...110°С. Логично предположить, что в рабочих условиях светодиод даст некоторую «просадку» по световому потоку, для оценки которой и необходимо выполнить температурный расчёт. Во избежание его усложнения для примера мы рассмотрим систему с одним светодиодом. Очевидно, что важнейшим параметром следует считать критическую температуру кристалла, которую можно записать как Ткр. = То.с. + Р · Rобщ., где То.с. — температура окружающей среды; Р — мощность светодиода; Rобщ. — общее температурное сопротивление системы. В свою очередь, Р = I 0 · U 0, где I0 — рабочий ток светодиода; U0 — падение напряжения на светодиоде.

Rобщ. является суммой температурных сопротивлений: Rобщ. = Rк.к. + Rк.п. + Rп.р. + Rр.с., где Rк.к. — термосопротивление на переходе кристалл — корпус светодиода, указываемое в паспорте светодиода; Rк.п. — сопротивление на переходе корпус свето­диода – пла­та ≈ 1...3°С; Rп.р. — термосопротивление на переходе плата–радиатор ≈ 1...4°С; Rр.с. — термосопротивление на переходе радиатор — окружающая среда. Последнее рассчитывается исходя из параметров предельной температуры кристалла Tкр.мах (указывается в паспорте на светодиод) и максимальной температуры окружающей среды То.с.мах.

При выборе температуры окружающей среды следует учитывать, что температура внутри любого, даже перфорированного корпуса будет выше. Если радиатор рассчитан на работу во внешнюю среду или функцию радиатора выполняет корпус, температуру окружающей среды следует выбирать максимально возможную для условий эксплуатации изделия. Тогда Rр.с. = (Tкр.мах — То.с.мах — Rк.п. · Р — Rп.р. · Робщ.)/Робщ. Рассчитав величину Rр.с., следует подобрать радиатор с паспортным значением термосопротивления меньшим или равным расчётному. Отмечу, что приведённый расчёт достоверен только для одного светодиода. В случае, когда их больше, следует принимать сопротивления кристалл/корпус и корпус/плата как сопротивления в параллельном включении. Отмечу, что этот расчёт носит исключительно оценочный характер, точно определить температурный режим кристалла можно с помощью более сложных расчётов. По полученному значению температуры кристалла определим «просадку». Для этого перейдём к графику зависимости светового потока от температуры кристалла. Такой график, как правило, содержится в любом техническом описании светодиода. Именно по нему следует определять реальную световую отдачу, полученную в рабочей точке температур. Построив проекцию с оси температур на кривую и далее на ось светового потока, получим значение поправочного коэффициента. Легко убедиться, что коэффициент, на который следует умножать заявленную мощность светового потока, в рабочих условиях редко превышает 0,94. Стоит ли говорить, что у различных светодиодов кривая зависимости lm/°C имеет различный наклон. Таким образом, для разных

условий более выигрышным может оказаться и вполне неожиданный вариант. Проделав такой расчёт для номенклатуры некоторых производителей, можно получить объективную картину эффективности светодиодов для рабочих условий. Имеется ещё один важный коэффициент — допустимый разброс значения светового потока внутри бина. Как правило, его значение не превышает ±6—8%. Во избежание неприятных сюрпризов на стадии макетирования, при расчёте предпочтительно учитывать именно просадку. Возможно, закладывать максимальный заявленный производителем параметр просадки и не слишком практично, но для иллюстрации это допустимо. Масла в огонь добавляет и тот факт, что не все производители светодиодов указывают значение этого разброса, хотя параметр этот присутствует у всех без исключения. Перейдём от слов к практике. Пример 1. Итак, для проекта мы выбрали светодиод с номинальным световым выходом BIN 100...103 лм. Рядом с таблицей видим условия, при которых получен заявленный световой поток. Рассчитываем температуру кристалла в рабочих условиях. При температуре окружающей среды Tо.с. = 35°С и температурном сопротивлении радиатора R = 7°С/Вт она приблизительно равна 52°С. Обратимся к графику зависимости светового потока от температуры (см. рис. 3). Проводим прямую из точки 52°С до пересечения с кривой характеристики и из точки пересечения — к оси светового потока. Полученное значение Kt = 0,93. Заявленное производителем значение разброса мощности светового потока определено в пределах ∆ = ±7%. Подведём итоги: Фр. = Ф · Kt · ∆ = 103 · 0,93 · 0,93 = 89,09 лм. Пример 2. Выбираем BIN с номинальным световым выходом 100...105 лм уже у другого производителя. Во избежание разночтений остановимся на значении потока 103 лм. Рассчитываем температуру кристалла в рабочих условиях. При равных с первым примером условиях она составляет 52°С. Определяем по графику значение Kt = 0,98 (см. рис. 4). Заявленное значение разброса мощности светового потока составляет ± 6,5%. Подведём итоги: Фр. = Ф · Kt · ∆ = 103 · 0,98 · 0,935 = 94,37 лм.

48

Рис. 3. Зависимость светового потока испускаемого светодиодом от температуры кристалла (пример 1)

Рис. 4. Зависимость светового потока испускаемого светодиодом от температуры кристалла (пример 2)

WWW.ELCP.RU

Выше были получены наиболее характерные значения для монокристальных светодиодов. Для мультикристальных светодиодов значение просадки может достигать 20—25%. Какие ещё возможности может дать термический расчёт? Для цветных светодиодов он позволит оценить смещение λ мах от температуры. Но, что важнее, он позволяет более точно прогнозировать срок наработки системы на 25% падения мощности светового потока. Выполнить такой расчёт, не обладая дополнительными данными, весьма затруднительно. К счастью, имеется и другой путь — запросить эти сведения напрямую у производителя. Как правило, такой сервис предоставляют в качестве опции для проектной регистрации, но в некоторых случаях дистрибьютор может выдать эту информацию по запросу. Однако хотелось бы подчеркнуть, что такие данные не носят характер гарантии от производителя. Более того, ни один производитель светодиодов не даёт каких-либо гарантий на время жизни своего изделия, т.к. он, в свою очередь, не имеет

гарантий на работу этого изделия в оптимальных условиях.

3. Современные светодиоды

Ещё одно наблюдение, которым хотелось бы поделиться, связано с большим количеством запросов на устаревшие или неэффективные модели светодиодов. Оправдать это явление аргументом в пользу низкой цены сложно потому, что стоимость таких решений, как правило, достаточно высока. Первые могут быть сняты с производства и активно потребляться на вторичном рынке, притом стоимость их со временем возрастает. Вторые же не являются популярными позициями, их производство ограничено и цена, как следствие, высока. Желание применять светодиод с максимальным значением светового потока, как правило, приводит только к неуспешным решениям, поскольку большинство таких светодиодов в реальных условиях оказывается не в состоянии работать эффективно. Эту закономерность читатель может проверить самостоятельно на интересующих его моделях СИД, а автор, по понятным причинам, ограничится анонимными примерами. Одним из лидеров таких запросов совершенно неожиданно стал белый светодиод со световым потоком 210 лм при номинальном токе в 1 А. Однако даже в довольно щадящих условиях этот СИД при номинальном токе имеет температуру кристалла около 70°С. При этом световой поток падает до 191 лм, а световая отдача составляет лишь 57,4 лм/Вт.

Поставим в равные с ним условия другой светодиод того же производителя с эффективностью 100 лм/Вт, способный работать при плотности тока 1 А. Температура на кристалле поднимается до 76°С, световой выход падает до 68,5 лм/Вт. При мощности 3,34 Вт световой поток, соответственно, составляет 220 лм. Разница в 29 лм с одного светодиода — существенный выигрыш. Стоимость этих двух моделей практически одинакова. Выбрав более низкий бин для второго типа светодиодов, мы получим те же 190 лм, сэкономив около 0,5—0,7 долл. на каждом светодиоде. Достаточно осторожно следует относиться и к применению мультикристальных светодиодов. В данном случае проблема отвода тепла становится острее, т.к. несколько источников тепла находится на сравнительно малой площади. Просадка по температуре в зависимости от модели и производителя может достигать 20%, а при плотности тока до 700 мА — выше 25%. При этом световая отдача самых лучших представителей мультикристальных СИД в рабочих условиях редко превышает 65...72 лм/Вт, а их стоимость может ощутимо превышать стоимость нескольких светодиодов, сопоставимых по сумме световых потоков. Безусловно, существуют задачи, решить которые другим путем невозможно, однако в любом случае следует правильно оценивать альтернативные решения, которые вполне могут оказаться более выгодными по практическим или экономическим показателям.

НОВОСТИ СВЕТОТЕХНИКИ

| Доходы рынка OLED вырастут до 7,1 млрд долл. к 2016 г. | Согласно недавно вышедшему докладу Quarterly OLED Shipment and Forecast Report, подготовленному аналитической компанией DisplaySearch (www.displaysearch.com), объем рынка OLED-дисплеев вырастет с 0,6 млрд долл. в 2008 г. до 7,1 млрд долл. к 2016 г. при годовом темпе роста с учетом сложных процентов (CAGR) равным 36%. DisplaySearch также сообщила о том, что в I кв. 2009 г. доходы от продажи активных матриц для AMOLED-дисплеев впервые превысили продажи пассивных матриц PMOLED. Заметный рост доходов от продаж AMOLED-матриц можно объяснить возросшими объемами отгрузок AMOLEDдисплеев для мобильных телефонов, широко разрекламированных компаниями Nokia, Samsung Electronics и Sony Ericsson в первой половине 2009 г. В этом году уже было выпущено более 10 моделей сотовых аппаратов с AMOLED-дисплеями. Технология PMOLED обеспечила лидерство в продажах на рынке OLED-дисплеев, способствуя высоким объемам отгрузок. Однако они существенно снизились в I кв. 2009 г. из-за относительно небольшой востребованности в MP3-плеерах и мобильных телефонах. Производители OLED-дисплеев намереваются производить в этом году ТВ-панели размерами более 11 дюймов. Компания LG Display, которая в настоящее время занята массовым производством AMOLED-панелей небольшого размера, заявила о запуске массового производства 15-дюймовых AMOLED-панелей в конце текущего года.

LG Electronics также сообщила о продажах 15-дюймовых ТВ с OLED-панелями в будущий отпускной сезон. www.russianelectronics.ru

НОВОСТИ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

49

| Рынок инверторов — луч света во мгле | В докладе аналитической компании IMS Research (www.imsresearch.com) сообщается, что объем мирового рынка инверторов для систем преобразования солнечной энергии удвоился в 2008 г., достигнув 2,4 млрд долл. Анализ показал, что ряд компаний, традиционно специализировавшихся на ИБП, источниках питания и электроприводах, стал успешно работать на рынке инверторов для фотоэлектрических систем. По прогнозам IMS Research, мировая база поставщиков этого типа инверторов существенно изменится в течение нескольких лет, причем на этом быстро растущем рынке появится много новых компаний. Таких поставщиков ИБП, источников питания и приводов как Delta Electronics, Siemens, Riello UPS и Elettronica Santerno привлекли высокие темпы роста и валовая маржа на рынке инверторов для фотоэлектрических систем. Эти компании сумели быстро наладить отвечающее растущему спросу производство и получить значительную долю локальных рынков, а также утвердиться в статусе авторитетных глобальных поставщиков. Сэм Уилкинсон (Sam Wilkinson), аналитик и один из авторов исследования World Market for PV Inverters, отметил, что сходство между предшествующими технологиями и инверторами для систем преобразования солнечной энергии позволило поставщикам применить свой опыт разработки, а также задействовать уже имеющиеся каналы продаж и относительно большие производственные мощности, чтобы быстро и успешно выйти на новый рынок. По мнению этого аналитика, возможности роста существуют почти во всех направлениях рынка, однако многие поставщики стали работать в сегменте трехфазных 100- (и выше) кВт инверторов, где в ближайшие пять лет ожидается рост на 25%. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

Методы защиты от эффекта Миллера при схемотехническом проектировании биполярных микросхем Анатолий Белоус, зам. директора, НТЦ «Белмикросистемы» НПО «Интеграл», ВИТАЛИЙ СОЛОДУХА, генеральный директор НПО «Интеграл», Виталий Сокол, зав. кафедрой микро- и наноэлектроники БГУИР, Валентин Сякерский, директор НТЦ «Белмикросистемы» НПО «Интеграл»

Эффект Миллера по-прежнему остается серьезной проблемой в различных электронных устройствах и системах, где выходы одной микросхемы подключаются к физической линии связи, к которой также подключаются входы других микросхем, участвующих в передаче и обработке информации. Этот эффект снижает помехоустойчивость и ухудшает надежностные характеристики микросхем. В статье рассматриваются практические рекомендации, схемотехнические решения и методы защиты выходных каскадов биполярных микросхем от токов Миллера.

А н а л о го в ы е м и к ро с х е м ы

50

Разработчики радиоэлектронных устройств, использующие современную быстродействующую элементную базу, хорошо знакомы с проблемами, которые до сих пор преподносят им т.н. эффект Миллера. Хотя впервые этот паразитный эффект теоретически был обнаружен и описан более сорока лет назад [1], он до сих пор является «головной болью» как для разработчиков микросхем, так и для проектировщиков различных электронных устройств и систем, где выходы одной микросхемы подключаются к физической линии связи (металлизированный проводник на плате или проводная линия), к которой также подключаются входы других микросхем, участвующих в процессе передачи и обработки информации. Этот эффект носит универсальный характер — он проявляется как в биполярных, так и в КМОП- и БиКМОПмикросхемах, поскольку его следстви-

ем является увеличение выходной емкости оконечного транзистора при его выключении из-за наличия положительной обратной связи с его выхода на вход. Кроме очевидного негативного воздействия на производительность электронного устройства (снижение быстродействия), эффект Миллера снижает помехоустойчивость и ухудшает надежностные характеристики микросхем, а при воздействии ионизирующих излучений поведение микросхемы с неподавленным эффектом Миллера становится непредсказуемым. Прежде чем рассматривать отдельные схемотехнические методы борьбы с этим эффектом, целесообразно кратко напомнить его суть. Рассмотрим данный эффек т на примере биполярного n-р-nтранзистора, показанного на рисунке 1а. Значение выходной емкости транзистора можно определить из выражения [2]:

(1)

,

где QO — величина накопленного на емкости заряда; IO=IK+IC, UO — выходные ток и напряжение; t — время; IK — ток, втекающий в коллектор транзистора; IC — ток, протекающий через эквивалентную емкость коллекторного перехода СK. Полагая, что весь ток IC попадает в базу транзистора и пренебрегая входной емкостью транзистора, запишем выражение для нагрузочного тока в следующем виде: ,

(2)

где β — коэффициент усиления тока базы n-р-n-транзистора. Значение коллекторного тока IC определяется выражением: .

(3)

Таким образом, из (1)—(3) получаем: . (4)

а)

б)

Рис. 1. Эквивалентная схема для расчета емкости Миллера (а) и зависимость выходной емкости от сопротивления базы RB (б)

www.elcp.ru

Из выражения (4) следует, что эффективное значение выходной емкости транзистора приблизительно в β раз превышает значение собственной

емкости коллектора. Для типовых значений β = 30 ÷ 150 видно, что эффект значительно увеличивает выходную емкость СO транзистора и ухудшает его динамические свойства. Основным способом ослабления этого эффекта является создание цепей в базе n-р-n-транзистора, ответвляющих в общую шину емкостной ток обратной связи IC резистор RВ (см. рис. 1а). В этом случае выражение для выходного тока транзистора принимает вид:

Тогда выражение трансформируется в следующий вид: (6) Для крайнего случая RВ →∞, (режим оборванной базы, когда весь ток ic попадает в базу транзистора): .

(7)

С другой стороны, при значениях (8) значение выходной емкости СО будет равно собственной емкости коллекторного перехода (СО = СК). Поскольку в диапазоне 0<RВ<RВO транзистор выключен, весь ток IC ответвляется в шину 0 В, и выходная емкость СО = СК практически не изменяется (см. рис. 1б). Аналогичным образом можно получить выражения для оценки выходной емкости и МОП-транзисторов КМОП БИС. В любом случае, конкретные численные значения эквивалентного сопротивления цепи базы необходимо выбирать из требуемого быстродействия, т.к. его снижение, уменьшающее эффективную выходную емкость, одновременно ухудшает времена включения/выключения транзистора. Конечно, пример с резистором в цепи базы RВ является достаточно грубым, но в целом правильно указывает направление исследований путей подавления эффекта Миллера в конкретных микросхемах, независимо от типа технологии и их конструктивносхемотехнического базиса. Ниже представлено описание ряда конкретных схемотехнических способов защиты от токов Миллера, используемых разработчиками НПО «Интеграл» для проектирования выходных каскадов биполярных ТТЛШ-микросхем. Прежде всего следует отметить, что эффект Миллера имеет место как в динамическом, так и в статическом

Рис. 2. Схема выходного каскада ТТЛШ ИС с емкостью Миллера (а) и диаграммы выходных напряжений U0 (б) и тока IOH

режимах работы микросхем, и, соответственно, разработчик при выборе конкретного способа должен учитывать особенности работы проектируемой микросхемы в конкретном устройстве, что для него будет более актуальным. Как уже отмечалось, паразитный эффект Миллера в значительной степени влияет на быстродействие выходных каскадов ТТЛШ ИС в динамическом режиме. На рисунке 2а изображена электрическая схема стандартного выходного каскада. Допустим, что он переключается из состояния низкого уровня в высокий. При этом транзистор VT1 закрывается, и входная емкость транзистора VT4 разряжается через резистор R4, что вызывает возрастание выходного напряжения U0. Поскольку выходной транзистор VT4 обладает значительной емкостью перехода коллектор-база СVT4, то при изменении выходного напряжения U0 через эту емкость течет емкостной ток, определяемый выражением: .

(9)

Этот ток создает на резисторе R4 падение напряжения: ,

(10)

которое поддерживает выходной транзистор VT4 в открытом состоянии и увеличивает значение его выходного тока, что эквивалентно увеличению выходной емкости транзистора VT4 (емкости Миллера ) в βN раз: (11) Это, в свою очередь, увеличивает длительность перехода выходного напряжения U0 в состояние высокого уровня (см. кривую 1 на риc. 2б). Поскольку степень влияния эффекта Миллера определяется значением сопротивления резистора R4 в базе выходного транзистора VT4, основным методом защиты от динамического тока Миллера является создание низкоомных цепей отвода емкостного тока

IС в базе выходного транзистора VT4. Для устранения этого эффекта необходимо использовать управляемые транзисторные цепи, включаемые при переходе выходного каскада в состояние высокого уровня. Так, в схеме на рисунке 3а [3] введена дополнительная цепь из транзистора VT6, резисторов R2, R7, диодов VD1, VD2, VDS. Во включенном состоянии выходного каскада транзистор VT6 закрыт и на работу транзистора VT4 не влияет, т.к. открытый транзистор VT1 через диод VDS перехватывает ток резистора R1. При выключении каскада напряжение на коллекторе транзистора VT1 возрастает, что приводит к запиранию диода Шотки VDS и отпиранию транзистора VT6, который отводит емкостной ток Миллера транзистора VT4 в общую шину 0V и удерживает напряжение небольшого значения на базе транзистора VT4 в выключенном состоянии. При этом длительность фронта выключения выходного сигнала τLH резко снижается (см. кривую 2 на рис. 2б). Недостатком таких схем является то, что они потребляют мощность в выключенном состоянии, что увеличивает общую мощность потребления каскада. По результатам анализа литературы можно предложить ряд схем, использующих емкостные компоненты и функционирующих только в момент выключения выходного каскада. Электрическая схема с цепью такого типа приведена на рисунке 3б [4] и содержит транзистор VT6 с диодом Шоттки VDS, представляющий собой схему отвода тока Миллера, резистор R5 и диод VD, управляющие цепью защиты. При этом p-n-диод VD используется в качестве емкости, что видно из рисунка. При переходе в статическое выключенное состояние емкостной ток диода IC резко падает, и транзистор VT6 отключается. Применение в схемах выходных каскадов транзисторов p-n-p-типа (см. рис. 3в) позволяет создать схему защиты от «динамического» тока Миллера, где n-p-n-транзистор VT5 формирует цепь отвода тока Миллера выходного

электронные компоненты №9 2009

51 А н а л о го в ы е м и к ро с х е м ы

. (5)

Рис. 3. Рекомендуемые схемы выходных каскадов ТТЛШ ИС с защитой от «динамического» тока Миллера: а) с диодно-транзисторной цепью, управляемой коллектором фазоразделительного транзистора; б) с динамическим управлением по выходу ЭС; в) с динамическим управлением p-n-p-транзистором; г) с динамическим управлением с коллектора фазоразделительного транзистора

А н а л о го в ы е м и к ро с х е м ы

52

Рис. 4. Схема, поясняющая механизм возникновения тока Миллера в стандартном выходном каскаде типа ТС, находящемся в статическом состоянии (а) и схема выходного каскада с защитой от «статического» тока Миллера (б)

транзистора VТ4, а p-n-p-транзистор VT6 представляет собой управляющую цепь защиты. Во включенном состоянии выходной транзистор VT4 открыт, а выходной транзистор VTЗ закрыт,

www.elcp.ru

поэтому ток эмиттера транзистора VT6 близок к нулю и цепь защиты отключена. При переходе каскада из включенного состояния в выключенное по цепи эмиттера транзисторов VT2, VT3

протекает ток, управляющий зарядом емкости нагрузки CL и выходной емкости C0. Это вызывает отпирание p-np-транзисторов VT6 и VT5; последний отводит в общую шину 0V возникающий в этот момент ток Миллера выходного транзистора VT4. При возрастании выходного напряжения до установившегося высокого уровня UOH транзисторы VT2, VTЗ закрываются, что приводит к отключению p-n-p-транзистора VT6 и отключению цепи защиты выходного каскада. На рисунке 3г представлено более сложное схемотехническое решение выходного каскада с защитой от динамических токов Миллера. Цепь защиты включает транзистор VT6, диоды Шоттки VDS5, VDS6 и диод VD, используемый в качества интегральной емкости. Основное отличие данной схемы заключается в управлении цепью защиты по изменению уровня напряжения на коллекторе фазоразделительного транзистора, что при соответствующем компьютерном моделировании работы каскада позволяет оптимально совместить по времени моменты максимального отпирания транзистора цепи отвода тока Миллера и пикового значения тока Миллера. При переходе каскада в установившееся состояние высокого уровня ток через диод резко падает, что приводит к быстрому отключению схемы защиты. В отличие от описанного эффекта, проявляющегося в динамическом режиме работы выходного каскада, эффект Миллера может проявляться и в статическом режиме работы. На рисунке 4а приведена схема выходного каскада, подключенного к шине передачи сигналов и находящегося в «третьем состоянии». Поскольку к шине могут быть подключены другие передатчики (DN) и приемники (R1—R N) сигналов, то при передаче сигналов по шине DN в выходной цепи передатчика сигналов R1 (транзистор VT4) может протекать емкостный ток IС, пропорциональный емкости коллектор-база CКБ транзистора VT4. Этот ток, протекая через резистор R3, создаст на нем падение напряжения, которое может привести к приоткрыванию выходного транзистора VT4 и увеличению выходного тока передатчика сигналов D1, что эквивалентно увеличению выходной емкости СО каскада передатчика в β раз и неизбежно приведет к ухудшению условий передачи сигналов по шине В. Для устранения этого эффекта в выходных каскадах наших микросхем часто используют управляющие транзисторные цепи, создающие низкоомную цепь отвода тока Миллера выходного транзистора VT4 в «третьем» состоянии.

менно включается и цепь отвода тока Миллера, содержащая транзисторы VT5—VT7 и отводящая ток Миллера выходного транзистора VT4 в общий вывод 0V. Таким образом, рассмотренные в этой статье практические рекомендации, схемотехнические решения и методы защиты выходных каскадов биполярных микросхем от токов Миллера, основанные на введении в их электрические схемы низкоомных цепей нейтрализации этих токов, могут быть полезны разработчикам и потребителям быстродействующих и надежных микросхем.

ЛИТЕРАТУРА 1. Berger H.H., Wiedman S.K./IEEE Solid State Circuits, 1974, vol.SC-9, #5, p.212.

2. Белоус А.И., Силин А.В., Пономарь В.Н. Схемотехника биполярных микросхем для высокопроизводительных систем обработки информации. — Минск: — Тарпей, 1998. — С. 154—157.

3. Белоус А.И., Журба В.М., Подрубный О.В. Микропроцессорный комплект БИС для цифровой обработки сигналов. — М.:Радио и связь, 1992, С. 250—253.

4. Белоус А.И., Блинков О.В., Силин А.В. Биполярные микросхемы для интерфейсов систем автоматического управления — Л.: Машиностроение, 1990, С. 251.

Новости беспроводных технологий

| Минкомсвязи делает ставку на WiMAX | Минкомсвязи предлагает развернуть в 62 регионах России сети WiMAX, работающие в диапазоне 2,3…2,4 ГГц. По прогнозам рабочей группы президентской комиссии по модернизации экономики, через три года количество отечественных пользователей мобильного и фиксированного широкополосного доступа в интернет сравняется, а каждый пятый абонент ШПД будет пользоваться сетями WiMAX. В конце октября министр связи и массовых коммуникаций Игорь Щёголев, возглавляющий рабочую группу, представит на заседании комиссии пилотный проект создания WiMAX-сетей на основе российского оборудования. Проект предполагает до конца 2012 г. развернуть их на территории 40 регионов, где уже имеется доступный частотный ресурс. Для этого потребуется 30 млрд руб. инвестиций. Еще в 22 регионах, где продолжается «расчистка» радиочастотного спектра, строительство начнется после 2012 г. и обойдется в 16,5 млрд руб. Если в конце 2012 г. к беспроводному ШПД через WiMAX будут подключены 12 млн абонентов, то в последующие три года к ним присоединятся еще 5 млн человек, считают в Минкомсвязи. Конкурс на частоты в диапазоне 2,3…2,4 ГГц на территориях 40 регионов будет объявлен в декабре 2009 — феврале 2010 гг. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №9 2009

53 А н а л о го в ы е м и к ро с х е м ы

Рекомендуемая для практического применения электрическая схема выходного каскада типа «три состояния» с защитой от «статического» тока Миллера приведена на рисунке 4б. При подаче на управляющий вход ЕN сигнала высокого уровня диоды Шотки VDS1, VDS2 и транзистор VT7 закрыты, и каскад функционирует как обычный элемент типа «активный выход». При подаче низкого уровня сигнала на вход EN диоды Шотки VDS1, VDS2 открываются, напряжение на базе транзисторов VT1—VT3 падает, что приводит к переходу выхода элемента в «третье состояние». Однако при этом одновре-

Интерфейсы HDMI и DisplayPort: вопросы проектирования и тестирования. Часть 2 Виктор Ежов, ИД «Электроника» Во второй части статьи представлен анализ распространенных отказов при тестировании HDMI-устройств и рассмотрены особенности новой версии стандарта HDMI 1.4. Приведен сравнительный анализ интерфейсов HDMI и DisplayPort и рассмотрены методы тестирования устройств DisplayPort. Анализ распространенных отказов при тестировании устройств на соответствие стандарту HDMI

Все разрабатываемые HDMIустройства должны пройти тест на соответствие стандарту HDMI (HDMI Compliance Test — HDMI CT). Почти все устройства, включая ТВ-приставки и DVD-плееры, испытывают сбои во время первого тестирования. Большинство сбоев связано со схемой и топологией печатной платы. Иногда требуются некоторые особые установки для того, чтобы успешно пройти HDMI CT. Например, возможно потребуется отключить или, наоборот, включить защиту HDCP на устройстве-источнике сигнала. Для разработчиков и производителей HDMIустройств весьма важно ясно понимать спецификацию стандарта HDMI и тестов на соответствие этому стандарту для создания HDMI-совместимого продукта. Ниже приведены наиболее распространенные виды сбоев при тестировании HDMI-устройств и рекомендации по решению возникших проблем. Тест EDID

Сети и интерфейсы

54

Устройство-источник должно поддерживать спецификацию Enhanced DDC. Это означает, что источник должен быть способен считывать информацию EDID (Extended Display Identification Data — данные о поддержки дисплеев с расширенной системой идентификации), следующую после 256-го байта, с использованием сегментного указателя 0x60. Большую часть времени для EDID используется только 256 байт, однако, тест HDMI CT требует проверки способности системы считывать 4 блока (128 байт/блок), т.е.

512 байт. Поэтому для успешного проведения теста важно правильно установить сегментный указатель.

5-В питание HDMI-передатчика

Некоторые разработчики включают последовательно резистор или диод

www.elcp.ru

для того, чтобы ограничить ток 5-В выхода. HDMI CT требует, чтобы в процессе тестирования HDMI-передатчика потребление тока от 5-В источника питания было на уровне 55 мА. Это может вызвать сбой, т.к. по условиям тестирования выходное напряжение питания должно быть в диапазоне 4,8…5,3 В. При подсоединении 10-Ом резистора к выводу 5 В выходное напряжение падает до 4,45 В, что вызывает сбой. Тест линии DDC/CEC HDMI-передатчика

Важно правильно подсоединить линию CEC — вывод 13 HDMI-разъема. Если в системе не предусмотрена поддержка функции CEC, разработчики могут оставить эту линию неподключенной. Иногда линию CEC подключают к порту ввода/вывода общего назначения микросхемы обработки видеосигнала, чтобы впоследствии иметь возможность модернизации устройства. Разработчики должны убедиться, что это соединение отвечает критериям теста HDMI CT, в том числе максимальная емкость линии DDC составляет менее 100 пФ. Поддержка требуемого видеоформата устройства-источника

Спецификация HDMI требует, чтобы все HDMI-источники поддерживали один из следующих форматов: 640×480p/59,94/60 Гц, 720×480p/59,94/60 Гц или 720×576p/50 Гц. Другое требование при проектировании HDMI-источника, которое иногда игнорируют, состоит в том, что если любой из портов YPbPr или другой цифровой порт несжатого видео на источнике может поддерживать следующие форматы, то HDMI-порты на том же источнике должны также поддерживать их: – 1280×720p/59,94/60 Гц, – 1920×1080i/59,94/60 Гц, – 720×480p/59,94/60 Гц, – 1280×720p/50 Гц,

– 1920×1080i/50 Гц, – 720×576p/50 Гц. Совместимость между HDMIисточником и DVI-приемником

Спецификация HDMI требует, чтобы все HDMI-источники были совместимы с приемными устройствами, которые соответствуют спецификации DVI 1.0. Когда HDMI-источник подсоединяется к DVI-приемнику, он должен отвечать следующим требованиям: – видео передается в формате RGB, – защитные полосы видеочастот не передаются, – островки данных не передаются. Когда устройство-источник детектирует подключение приемника сигнала, он должен определить, что приемник — это DVI-устройство. Между тем, источник будет проверять, содержат ли данные EDID источника расширение CEA, и содержит ли расширение CEA данные VSDB (Vendor-Specific Data Block — определяемый производителем блок данных) подходящей длины. Если оба условия выполняются, то источник определит, что подключенный приемник — это DVI-устройство. Тест EDID HDMI-приемника

Частота отказов в этом тесте чрезвычайно высока. Поэтому разработчики должны ознакомиться с требованиями EDID самых последних спецификаций HDMI. Ниже приведены некоторые распространенные ошибки, которые могут вызвать сбой.

– В первых 128 байтах EDID должны быть предусмотрены заголовки Monitor Range Limit Header и Monitor Name Header. Оба заголовка имеют длину 18 байт. Если любой из них короче 18 байт, то он заполняется числами 0×20 и завершается числом 0×A0.

– Несоответствие поддерживаемых видеоформатов между Short Video Descriptor (SVD) в EDID и Capabilities Declaration Form (CDF). Любые форматы,

Дифференциальное сопротивление линии TMDS HDMI-приемника

Значительное число устройств не проходит этот тест, хотя большинство разработчиков осведомлено о требованиях к входному дифференциальному сопротивлению. В основном, системы испытывают сбои при этом тесте из-за большой паразитной емкости входной защиты устройства от электростатического разряда или фильтра электромагнитных помех. Это один из тестов, в которых топология системной печатной платы влияет на результат тестирования. Разработчикам нужно заново спроектировать печатную плату в случае отказа, что влияет на сроки выпуска продукта. Емкость и напряжение на линии DDC/ CEC HDMI-приемника

Это один из тестов, которые наиболее часто не выдерживают HDMIустройства из-за высокой емкости MOSFET, используемых для преобразования уровня напряжения. Для того чтобы избежать сбой, рекомендуется использовать MOSFET на линии DDC с величиной емкостей Ciss и Coss на уровне не более 10 пФ. Соединение линии CEC HDMI-приемника

В том случае, когда HDMI-системы имеют много HDMI-входов, спецификация требует, чтобы линии CEC от всех HDMI-входов и единственного HDMIвыхода были соединены между собой. Согласно условиям теста, сопротивление этого соединения должно быть не более 5 Ом. Даже если системы не поддерживают CEC, все входные линии CEC должны быть соединены.

больше 0 В и меньше 0,4 В. Наиболее простое решение этой проблемы заключается в подсоединении резистора 1 кОм последовательно с выводом HPD. Простая схема ключа показана на рисунке 1б. Ее функция — управление выводом HPD и информирование источника о готовности приемника или о моменте перезапуска определенных действий, таких как идентификация HDCP. Это значительно улучшает совместимость системы.

Новая версия стандарта HDMI 1.4

Беспроводные повторители становятся все более широко распространенными. Организация HDMI Licensing LLC, ответственная за лицензирование стандарта HDMI, выпустила руководство для тестирования этого типа беспроводных устройств. Если беспроводные повторители поддерживают HDCP, то эти устройства должны быть протестированы как HDMI-повторители. Если эти устройства не поддерживают HDCP, то они могут быть протестированы как повторители или как независимые приемники и передатчики.

В мае 2009 г. организацией HDMI Licensing была представлена очередная версия интерфейса — HDMI 1.4. В [7] размещена полная спецификация данного стандарта.

HDMI 1.4 отличается от предшествующих версий несколькими существенными нововведениями. Прежде всего, добавлен двунаправленный канал Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбит/с, появилась поддержка видео высокого разрешения 4К/2К, а также возможность передачи 3D-видеосигнала. Среди прочих усовершенствований — реверсивный звуковой канал, расширенная цветовая гамма Adobe RGB и новый упрощенный разъем Micro HDMI. Благодаря поддержке Ethernetканала (HDMI Ethernet Channel — HEC) появилась возможность передавать через единый кабель видео, звуковые и данные по сетевому протоколу. Кроме того, HDMI 1.4 позволяет объединять бытовую технику (например, телевизор, AV-усилитель и проигрыватель Blu-ray) в сеть, в которой одно устройство, подключенное к интернету, может передавать данные остальным устройствам. В результате пропадает необходимость в маршрутизаторах, дополнительных кабелях и сложной коммутации. Реверсивный (обратный) аудиоканал (ARC) обеспечивает передачу цифрового звукового сигнала S/PDIF (AAC, Dolby Digital и т.д.) по одному кабелю в обоих направлениях. Например, если телевизор подключен одним кабелем к BD/DVDпроигрывателю через AV-усилитель, то для воспроизведения звука с телевизионного тюнера через усилитель необходимо использовать еще один кабель. В случае с реверсивным каналом такая необходимость отсутствует — аудиосигналы передаются в обоих направлениях через один кабель. Стандарт HDMI 1.4 обеспечивает передачу 3D-видеосигнала нескольких типов с разрешением до 1080p. Кроме того, пропускная способность интерфейса позволяет передавать видео высокого разрешения 4K×2K с разре-

а)

б)

Поддержка формата видео HDMIприемника

Одним из распространенных отказов данного теста является ситуация, когда некоторые системы не отвечают тем требованиям, что все HDMI-приемники должны принимать формат видео 640×480p/59,94/60 Гц. 60-Гц системы должны поддерживать входной формат 720×480p/59,94/60 Гц, а 50-Гц системы — 720×576p/50 Гц. Многие разработчики игнорируют требование о поддержке видеоформата 640×480p. Другими распространенными отказами при данном тесте являются меньшие допуски на отклонение частоты синхронизации видео. Для 50-Гц систем допустимые отклонения частоты определены в диапазоне 49,75…50,25 Гц (50 Гц ±0,5%). Для 59,94…60-Гц систем диапазон допустимой частоты синхронизации: 59,64…60,3 Гц (59,94 Гц –0,5%…60 Гц +0,5%). Новые требования для тестирования беспроводных повторителей

Выходное напряжение HPD HDMI-при­ емника

Некоторые потребители использовали схему, показанную на рисунке 1а, для того, чтобы задействовать напряжение 5 В от HDMI-разъема и напряжение VCC для питания HPD. Это нарушает следующее условие: когда на 5-В HDMI-входе устанавливается напряжение 0 В, напряжение HPD должно быть

55 Сети и интерфейсы

объявленные в CDF, должны также быть перечислены в SVD. Для того, чтобы упростить проект, разработчики соединяют 5-В HDMIвход с выводом HPD HDMI-приемника через резистор 1 кОм. В таких схемах память EEPROM не может быть считана, и напряжение вывода HPD может быть оставлено высоким, когда система переходит в дежурный режим или питание отключено. Это вызывает сбой теста HDMI CT, т.к. требуется доступ к данным EDID и их можно считать, когда вывод HPD находится под высоким потенциалом даже в дежурном режиме или при отсутствии питания.

Рис. 1. Схема управления выходным напряжением HPD

электронные компоненты №10 2009

шениями 3840×2160 точек (24/25/30 Гц) и 4096×2160 точек (30 Гц). Данным стандартом поддерживаются дополнительные цветовые профили, применяемые в цифровых фотоаппаратах, которые расширяют цветовую гамму — sYCC601, Adobe RGB, и AdobeYCC601. Благодаря этому обеспечивается максимальная совместимость фотокамер с дисплеями высокой четкости. Стандартом предусмотрен также новый миниатюрный разъем Micro HDMI, который будет использоваться наряду со стандартным и разъемом Mini HDMI. 19-контактный разъем предназначен для подключения таких портативных устройств как видео- и фотокамеры, мультимедийные плееры и другие устройства. При этом сохраняется возможность передачи видеосигнала с разрешением до 1080p и прочие стандартные функции интерфейса HDMI. Кроме того, стандарт HDMI 1.4 предусматривает специальный вариант разъема HDMI с защелкой для использования в автомобильных аудиовидеосистемах. Такой разъем имеет повышенную устойчивость к вибрации, теплу и шуму.

DisplayPort — альтернатива HDMI для PC-приложений

Сети и интерфейсы

56

Несмотря на то, что HDMI стал фактически стандартным интерфейсом для современных ТВ-панелей, медиаплееров, игровых консолей и фото/видеокамер, более 180 фирм по производству компьютеров и потребительской электроники активно поддерживают другой цифровой стандарт передачи аудио/ видеосигналов — DisplayPort. Такие промышленные гиганты отрасли как HP, Dell, Intel и AMD уделяют развитию этого стандарта все больше внимания. С чем это связано? Поддержка различных видео- и аудиоформатов обеспечила широкое распространение интерфейса HDMI в приложениях, связанных с передачей цифровых аудио/видеоданных на ТВ-панели высокой четкости (HDTV). Однако HDMI не является универсальным средством для всех типов соеди-

Рис. 2. Блок-схема интерфейса DisplayPort

www.elcp.ru

нения источника и приемника аудио/ видеоинформации. Преимущества его использования в PC-технологиях, особенно в высококачественных дисплеях, не так очевидны из-за трех факторов: стоимости, полосы пропускания и возможности создания внутренних соединений в системе. Лицензионные сборы, которые ведут к повышению цены на устройства с интерфейсом HDMI, делают его применение низкорентабельным при производстве недорогих и крупносерийных продуктов, например компьютерных дисплеев. Внешний тактовый сигнал, который используется в HDMI, ограничивает полосу пропускания и возможность масштабирования пропускной способности системы. Кроме того, HDMI-интерфейс не предназначен для создания соединений между чипами системы, что требует применения дополнительных решений и увеличивает сложность и стоимость устройства. Компьютерные мониторы уже сегодня значительно превышают характеристики HDTV по разрешению и количеству отображаемых цветов. Так как возможности компьютерных дисплеев постоянно увеличиваются, возникла необходимость в создании доступного, открытого и масштабируемого цифрового интерфейса. Спецификация стандарта Display Port 1.1, которая была введена организацией Video Electronics Standards Association (VESA), определяет масштабируемый цифровой интерфейс для дисплеев с возможностью защиты данных для широкого использования в бизнесе, на предприятии и в приложениях потребительской электроники. Этот безлицензионный и бесплатный интерфейс предназначен преимущественно для связи между компьютером и дисплеем или компьютером и домашним театром. Интерфейс DisplayPort разработан для поддержки как внутренней (между чипами устройства), так и внешней (между устройствами) цифровой связи.

DisplayPort также подходит для передачи аудио/видеоданных высокого разрешения между источником и при-

емником (например, между проигрывателем оптических дисков и ТВ-панелью высокой четкости). Видеосигнал интерфейса DisplayPort не совместим с интерфейсами DVI (Digital Visual Interface) или HDMI, однако разъем DisplayPort способен пропускать эти сигналы. В то время как DVI и HDMI требуют отдельных тактовых сигналов, в стандарте DisplayPort сигнал синхронизации встроен в сигнал данных. Функционально DisplayPort поддерживает до четырех линий для передачи данных со скоростью 1,62 или 2,7 Гбит/с каждая. Суммарная скорость передачи данных при использовании четырех линий, соответственно, достигает 10,8 Гбит/с, что примерно в два раза быстрее по сравнению с DVI с тем же количеством проводников. Основной канал передачи реализует микропакетную архитектуру, которая поддерживает переменную глубину цвета, частоту обновления и разрешение монитора. Поддерживаются режимы с глубиной цвета 6—6 бит на цветовой канал. Использование 1, 2 или 4 линий обеспечивает масштабируемость интерфейса в зависимости от требуемой скорости передачи данных. Дополнительный двунаправленный канал, предназначенный для передачи команд и управляющей информации, работает на скорости 1 Мбит/с и используется для обслуживания работы основного канала, а также для передачи сигналов VESA EDID и VESA MCCS. В будущем планируется существенно расширить пропускную способность этой линии, что позволит сделать DisplayPort интерактивным интерфейсом, к которому можно будет подключать всевозможную периферию — от микрофонов и веб-камер до акустических систем и USB-хабов. Все данные будут передаваться через единственный кабель. Стандарт предусматривает коррекцию ошибок в передаваемых данных при длине кабеля до 15 м. На рисунке 2 показана блок-схема интерфейса DisplayPort. Максимальное разрешение в версии DisplayPort 1.1 не намного больше, чем у DVI Dual Link — 2560×2048 пикселов при 60 Гц (8-битная глубина цветности для каждого цветового канала), однако при этом предусмотрена поддержка 10-битной глубины цветового канала при разрешении 2560×1600 точек, а также 12-битной глубины в режимах высокой четкости 1080p/96 Гц и 1080p/120 Гц при работе с четырьмя линиями, чего в DVI Dual Link не предусмотрено. Для передачи видеосигнала с разрешением 1680×1050 точек, частотой 60 Гц и глубиной канала 6 бит достаточно всего одной линии.

Тестирование устройств DisplayPort на соответствие требованиям стандарта

Тестирование на соответствие требованиям спецификации DisplayPort включает проверку источника, приемника и кабеля. Существует 17 тестов для устройств-источников DisplayPort, 12 из которых требуются для проверки соответствия спецификации DisplayPort. Эти тесты включают измерение амплитуды, скорости передачи данных, фазового сдвига сигналов, проверку синхронизации широкополосного сигнала, измерения по глазковой диаграмме и др. Проблемой для разработчика является большое число условий, которые должны быть соблюдены во время тестирования устройстваисточника DisplayPort — в общей сложности 28. Существуют 7 тестов кабеля DisplayPort, 5 из которых требуются для проверки соответствия стандарту. Эти тесты включают измерения фазового сдвига, полного сопротивления, вносимых потерь, потерь на отражение и др. Несмотря на то, что имеется только один тест приемника DisplayPort — измерение джиттера — он весьма сложен. Разработчики должны подтвердить на наихудшем из допустимых сигналов, что приемник получает данные с приемлемым коэффициентом битовых ошибок (bit error ratio — BER). Процедура тестирования устройств DisplayPort сама по себе не трудна, однако занимает много времени и, следовательно, требует денежных затрат. Проведение тестов в различных режимах вручную является довольно утомительным процессом и, кроме того, снижает надежность полученных результатов. Поэтому оптимальным способом является использование специализированного программного обеспечения, которое позволяет не только автоматизировать процесс измерений, но и проводить анализ полученных данных.

Рис. 3. Разъем интерфейса DisplayPort

по мере развития дисплейных панелей (повышение разрешения, глубины цвета и частоты развертки). При проектировании устройств, использующих интерфейсы HDMI и DisplayPort, разработчику необходимо следовать правилам проектирования высокоскоростных схем. Эти правила позволят минимизировать электромагнитные помехи и обеспечат целостность сигнала. Кроме того, для защиты микросхем высокоскоростных интерфейсов от переходных процессов и электростатического разряда следует тщательно выбирать устройства, которые обеспечивают требования спецификации по дифференциальному сопротивлению и паразитной емкости сигнальных линий. Анализ наиболее распространенных видов отказов при тестировании интерфейсов на соответствие спецификации HDMI позволит сократить время проектирования и подготовки к производству HDMI-продуктов. В связи с разработкой версии HDMI 1.4 соперничество двух интерфейсов продлится некоторое время, и на рынке будут присутствовать как HDMI-, так и DisplayPort-совместимые устройства. Но, несмотря на нынешнее широкое распространение стандарта HDMT в цифровом мире, в будущем он не сможет конкурировать с DisplayPort. Литература 1. Sophie Hou. ESD protection for HDMI 1.3//www.embedded. com/201201480?cid=NL_embedded.

2. Thomas Kugelstadt. The HDMI Design Guide to highspeed PCB design in HDTV receiver applications//www.embedded. com/202803500?pgno=1.

3. Brett Li, Lie Dou. Analysis of common failures of HDMI CT//www. embedded.com/207001362?pgno=1.

4. Raj Nair. Gaining insight into the secrets of HDMI//www.embedded. com/196901535?cid=NL_embedded.

5. Randy White. Is it time to reconsider DisplayPort?//www.embedded. com/212903143?pgno=1.

6. Deirdre Mathelin. HDMI V1.4: New Opportunities for Active Cables with Embedded RM1689.

7. www.hdmi.org.

57 Сети и интерфейсы

В спецификации DisplayPort второй версии появится поддержка куда более высоких разрешений, к примеру, 3840×2400 точек при 60 Гц с 8-битной глубиной цвета каждого цветового канала.

DisplayPort имеет возможность защиты контента от копирования по технологии HDCP, применяемой для HDMI, и по собственной технологии DPCP (DisplayPort Content Protection), разработанной компанией AMD и использующей 128-битное AES-кодирование. Однако пока технология DPCP не получила распространения. На текущий момент DisplayPort поддерживает максимальную скорость передачи данных 10,8 Гбит/с и WQXGA-разрешение (2560×1600). Помимо внешнего подключения, стандарт DisplayPort предусматривает и применение в качестве внутреннего интерфейса для мониторов и дисплейных панелей ноутбуков. DisplayPort дает возможность увеличить уровень интеграции в дисплейных панелях, исключив лишнее преобразование сигналов при переходе от внешнего к внутреннему интерфейсу. Кроме того, спецификация DisplayPort определяет компактный, удобный для пользователя внешний разъем с фиксатором для обеспечения надежного подсоединения длинного кабеля. Разъем оптимизирован для использования в тонких ноутбуках. На графических картах допускается размещение до четырех разъемов DisplayPort. Разъемы DisplayPort имеют 20 контактов с шагом 0,5 мм (см. рис. 3).

Заключение

В то время как интерфейс HDMI ориентирован, в первую очередь, на применение в устройствах электроники бытового назначения, таких как ТВ-панели высокой четкости, домашние кинотеатры, плееры оптических дисков и т.д., DisplayPort представляет интерес для производителей компьютеров, где новый открытый и расширяемый стандарт предусматривает возможность дальнейшей модернизации

электронные компоненты №10 2009

PLC-технологии. Часть 1 Виктор Охрименко, нач. отд., Государственный НИЦ прикладной информатики Системы управления и мониторинга становятся все более интеллектуальными и разветвленными, требуя все большую пропускную способность каналов связи. В последнее время широкое распространение получают новые виды информационного обмена, используемые в устройствах домашней автоматики, компьютерных сетях малых и домашних офисов, в распределенных системах охранной, пожарной и иной сигнализации, которые также нуждаются в развитой инфраструктуре сети и интеллектуальных средствах взаимодействия. В статье обсуждаются преимущества и недостатки некоторых технологий передачи данных по электросетям. ВВЕДЕНИЕ

Сети и интерфейсы

58

Неизменный интерес к средствам передачи информации по промышленным и бытовым электросетям обусловлен, прежде всего, возрастающей потребностью в сравнительно недорогих средствах связи массового применения. Идея передачи данных по электрической сети появилась в 1930-х гг. Первые системы передачи данных по линиям электросети, т.н. PLC-системы (Power Line Communication), появились более 70 лет назад. В основном они использовались для сигнализации в энергосистемах и на железных дорогах и имели очень низкую скорость передачи данных. В конце ХХ столетия ряд компаний реализовал первые большие проекты в этой области. Однако в процессе эксплуатации были выявлены серьезные проблемы. Работа электротранспорта, многочисленных электродвигателей и бытовых приборов вызывала в незащищенных от высокочастотных излучений проводах помехи, которые приводили к резкому снижению достоверности передачи данных. К тому же, провода электросети начали действовать как антенны радиоретрансляторов, излучая, по сути, весь трафик в эфир. Стремительное развитие альтернативных способов организации широкополосной передачи данных, к примеру, технологии DSL (Digital Subscriber Line) и, соответственно, массовый выход на рынок кабельных модемов, поставили под сомнение коммерческую привлекательность PLC-систем. Неоднородность среды передачи данных, отсутствие соответствующей элементной базы и единого стандарта привели к тому, что в тот период PLC-технология не получила должного коммерческого применения. По сути, только в начале текущего столетия технология передачи данных по электросети стала получать широкое развитие и распространение [1—8]. Особенно большой интерес к возможности передачи информации по электросети появился с развитием

www.elcp.ru

интернета. Корпоративные пользователи зачастую могут позволить себе подключение с использованием дорогостоящих технологий, однако для подавляющего большинства домашних пользователей, которых значительно больше, это едва ли приемлемо. Качественный сдвиг в развитии PLC-технологии произошел на рубеже XX–XXI вв. благодаря идее организации «последней мили» с помощью широкополосного доступа по электросети.

PLC — сравнительно новая телекоммуникационная технология, по сути, семейство технологий связи, основанных на использовании в качестве физической среды для высокоскоростного обмена информацией силовые электросети.

PLC — собирательный термин, включающий все возможные варианты передачи данных по электрической сети. Достижения PLC-технологии обусловлены появлением соответствующей элементной базы, в т.ч. сигнальных процессоров, с использованием которых были реализованы сложные способы модуляции сигнала, что и позволило, в конечном счете, увеличить достоверность передачи информации. В качестве альтернативы PLCтехнологии и электрическим проводам можно назвать технологию хDSL, беспроводный доступ (Wi-Fi), спутниковую связь и др., а также коаксиальные телевизионные и оптоволоконные кабели. При выборе технологии определяющую роль играет фактор экономический — средства связи должны быть недорогими и повсеместно доступными. Чтобы в полной мере оценить возможности и преимущества PLCтехнологии, сначала ознакомимся с характеристиками и основными техническими параметрами существующих проводных (табл. 1) и беспроводных (табл. 2, 3) систем высокоскоростной передачи данных [1—3]. Линии электропередачи как физическая среда совмещают преимущества как проводных, так и беспро-

водных средств передачи данных. Пользователям почти всегда доступен сравнительно быстрый и надежный канал связи, разветвленный по всему зданию. Поскольку передача данных осуществляется по проводам относительно небольшой длины, задержки в линии небольшие, и при передаче видео- и аудиопотоков, а также при оказании интерактивных информационных услуг обмен данными происходит в режиме, близком к режиму реального времени [2]. Бесспорно, беспроводные сети имеют множество преимуществ. В отличие от электросетей, они не нуждаются в проводах и могут излучать широкополосный сигнал во всем пространстве здания. Однако связь через эфир менее стабильна и плохо защищена от помех. Кроме того, зачастую пропускная способность канала ограничена, поэтому в случае беспроводной сети редко удается добиться одновременной передачи нескольких потоков (видео, аудио и данных) с хорошим качеством. Еще одна проблема — ограниченная зона покрытия, которая в большой степени зависит как от размеров, так и конфигурации помещения, а также от свойств строительных материалов, из которых возведено здание. Расширить зону покрытия в некоторых случаях можно с помощью дополнительной PLC-сети.

PLC-технология наиболее конкурентоспособна среди проводных и беспроводных технологий для создания локальных компьютерных сетей (особенно домашних). Инфраструктуры проложенных электросетей достаточно для организации сети во всем здании, а высокая пропускная способность (до 200 Мбит/с) потенциально удовлетворяет требования современных мультимедийных приложений. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

В настоящее время создано и эксплуатируется большое число высокоскоростных магистральных информа-

ционных сетей, однако возможность подключение к ним конечных потребителей в ряде случаев все еще остается проблемной. Большинство подключений осуществляется путем прокладки кабеля от высокоскоростной линии до офиса или квартиры пользователя. В силу ряда причин прокладка кабеля может оказаться крайне нежелательной или даже невозможной. Например, это происходит в случае небольших фирм, часто меняющих арендуемые помещения. Поскольку необходимость подключения к интернету стала неотъемлемой частью ведения бизнеса многих компаний, весьма привлекательна возможность использовать уже имеющуюся в каждом здании электропроводку. При этом каждая электрическая розетка может стать точкой подключения к глобальной сети — требуется лишь PLC-модем. Электрические сети подразделяются на три класса: высоковольтные (100 кВ и более), линии среднего напряжения (4...50 кВ) и низковольтные (до 0,4 кВ). Структура сетей энергоснабжения и области применения PLC-технологии приведены на рисунке 1.

PLC-технология открывает новые возможности реализации концепции «умного дома», в котором вся бытовая электроника объединена в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть — идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающими от сети 110/220 В. Встроенные в различные приборы специализированные микросхемы могут обеспечить возможность приема/передачи данных через электро-

Рис. 1. Структура сетей электропередач и области применения PLC-технологии

сеть, а также обмен данными через интернет, что стимулирует появление новых бытовых приборов: интернет-пылесоса, интернет-холодильника, интернетстиральной машины и т.д. (другой вопрос, зачем и кому это необходимо). Кроме того, можно также организовать передачу данных датчиков охранной сигнализации, аудиоданных, расширить и продлить телефонные линии и т.д.

PLC-технология может найти применение в распределенных системах управления и учета в цехах; в системах жизнеобеспечения зданий (лифтах, системах кондиционирования и вентиляции и т.д.); системах складского хранения; средствах учета потребления электроэнергии, воды, газа, тепла; системах охранной и пожарной сигнализации в дачных поселках, гаражных кооперативах и т.д. Фактически информационную сеть можно развернуть на любом участке, где уже имеются линии электроснабжения. PLC-технология может успешно использоваться в сред-

ствах домашней автоматики для управления бытовыми приборами. Особый интерес вызывает возможность совместного использования технологии PLC с другими широкополосными технологиями передачи данных, например PLC + WiMAX, PLC + WLAN, PLC + xDSL, PLC + Satellite, PLC + UMTS и т.д. Пример использования комбинированной технологии Satellite + PLC приведен на рис. 2 [1]. В данном случае связь с поставщиком интернет-услуг осуществляется через спутник. Данные принимаются на наземную приемную станцию, а в помещениях здания используется PLC-сеть. ПРОБЛЕМЫ

Сложность организации связи по линиям электросети заключается в том, что существующие электросети изначально не предназначались для передачи данных. Они отличаются высоким уровнем помех и большим затуханием высокочастотного сигнала, а также тем,

Таблица 1. Основные параметры проводных технологий

Диапазон рабочих частот, МГц (полоса частот/канал, МГц/канал) Пропускная способность, Мбит/с (расстояние, км) Максимальное расстояние, км Параметры развертывания Преимущества Недостатки

Технология HFC 5...1000, (6...8)

ADSL

VDSL до 1,1

ADSL2+

PLC

FTTH

до 2,2

1...30

1000

США: 3...4, 200, пиковая, Канада: до 10, 1,5 (5,4)...12 (0,3) 13 (1,3)...52 (0,3) 7,5 (2,7)...26 (0,3) для узла 1 Гбит/канал Великобритания: 1...8, сети: 2...4 Франция: до 100 100 3 (10...50 кВ); 5,4 1,3 2,7 20 (с использованием усилителей) 0,2 (0,22...0,38 кВ) Просто при наличии ТВ-кабеля. Большие проЛегко. Не требуется Большие затраты при создании Просто при наличии точек подключения блемы при пропрокладка кабеля новой сети кладке кабеля Можно использовать существуНаличие разветвлен- Очень широкий Возможность использования уже существующих точек подключения ющие сети кабельного ТВ ной инфраструктуры диапазон частот Ограниченная пропускная Скорость передачи в большой степени зависит от расстояния. Отсутствие единого Большие затраты способность. Асимметричность стандарта при создании сети Асимметричность

HFC (Hybrid Fiber Coaxial Cable — комбинированная оптокоаксиальная кабельная система). Используется в технологии широкополосного доступа к телекоммуникационным сетям.

ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия). Технология высокоскоростной передачи данных по обычным телефонным линиям. Канал связи асимметричен, т.е. скорость потока данных к абоненту больше, чем в обратном направлении.

VDSL (Very high bit-rate Digital Subscriber Line — высокоскоростная цифровая абонентская линия).

ADSL2+ (ITU G.992.5). Улучшенный вариант ADSL. PLC (Power Line Communication). Технология, основанная на использовании электросети в качестве физической среды для высокоскоростного обмена информацией.

FTTH (Fiber To The Home — сеть с доведением оптического кабеля до пользователя). Технология использования волоконно-оптической связи в быту.

электронные компоненты №10 2009

59 Сети и интерфейсы

Наименование параметра

Рис. 2. Пример использования комбинированной технологии Satellite + PLC

что параметры линии, зачастую постоянные для традиционных физических сред передачи данных, существенно изменяются во времени в зависимости от текущей нагрузки. Проложенные в большинстве случаев с нарушениями норм неэкранированные, разделенные трансформаторами, с большими помехами, возникающими в результате работы многочисленных энергопотребителей, силовые линии электрической сети относятся к одной

из наихудших сред для надежной передачи данных. Еще одна проблема — низкое качество и изношенность электропроводки в многоквартирных домах старой постройки. До недавнего времени в этих зданиях использовались алюминиевые провода, которые обладают меньшей электропроводностью по сравнению с медными. Кроме того, скрутки проводов, которые часто имеются в домашней проводке, также негативно влияют на прохождение сигнала. Поэтому к технологии PLC лучше приспособлены здания новой постройки, в которых зачастую применяются медные провода и современные технологии их соединения и подключения. На достоверность передачи данных очень большое влияние оказывают помехи от различных электроприборов, ламп дневного освещения и т.д., создающих помехи в проводах. Наиболее сильно влияние импульсных помех, возникающих при работе электродвигателей, сварочного оборудования и СВЧ-печей. Однако надежные методы

кодирования и шифрования данных, применяемые в современных PLCтехнологиях, обеспечивают не только высокий уровень достоверности при передаче информации, но и ее защиту от несанкционированного доступа. Кроме того, при организации связи должна быть обеспечена электромагнитная совместимость, т.е. необходимо снижать побочные электромагнитные излучения, возникающие в процессе передачи данных. Во многом ориентация PLCтехнологии на применение в малых и домашних офисах (Small Office/Home Office — SOHO) обусловлена не только простотой реализации и мобильностью устройств на ее базе, но и тем, что эта технология наиболее эффективна только на участке т.н. «последней мили». Скорость передачи данных резко снижается при увеличении расстояния. Далее мы рассмотрим характеристики некоторых разработанных еще в прошлом веке и используемых по настоящее время PLC-технологий —

Таблица 2. Основные параметры беспроводных технологий Наименование Радиорелейные параметра линии Диапазон рабочих частот, ГГц Пропускная способность, Мбит/с. Максимальное расстояние, км Параметры развертывания

Сети и интерфейсы

60

2; 4; 6; 21,3...23,6; >40

Технология MMDS

FSO

WiFi

WiMAX

28...31

2,1...2,7

Инфракрасный диапазон (ТГц)

2,4; 5,7

2.11; 10-66

10

2500

2/11/54

70

155

2

100

4

0,1

50

1000...36000

Зависит от разветвленности сети

Просто для LANсетей

Просто, следует учитывать NLOS

Просто, большие затраты

Просто

155 5

Спутниковая связь 1,5...3,5; 3,7...6,4; 11,7...12,7; 17,3...17,8; 20... 30

LMDS

4

Сложно. Работает только в зоне прямой видимости

3G 1,92...1,98; 2,11...2,17

LMDS (Local Multipoint Distribution Service — локальная многоточечная распределенная служба). Используется в системах беспроводной связи.

MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service — многоканальная многоточечная распределенная служба).

FSO (Free Space Optics). Технология связи в ИК-диапазоне в зоне прямой видимости.

Wi-Fi (Wireless Fidelity). Пакет стандартов беспроводной связи IEEE 802.11х.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microware Access). Технология универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для устройств разного класса. Используется как синоним стандарта IEEE 802.16а (802.16-2004.

3G (Third-Generation). Системы цифровой мобильной связи третьего поколения.

LAN (Local Area Network — локальная сеть).

NLOS (Non Line-Of-Sight — вне зоны прямой видимости). Под этим термином подразумеваются методы, обеспечивающие при определенных условиях прием данных вне зоны прямой видимости [3]. Таблица 3. Преимущества и недостатки беспроводных систем высокоскоростной передачи данных Наименование Радиорелейные линии LMDS MMDS

Недостатки Связь в режиме точка-точка только в зоне прямой видимости, зависимость от погодных Быстрый монтаж и установка условий Многоточечная связь, большая пропускная способность Связь в зоне прямой видимости, отсутствие стандарта Многоточечная связь, большое расстояние, поддержка NLOS Низкая пропускная способность, отсутствие стандарта Связь в режиме точка-точка, большая зависимость от погодных условий FSO Низкая стоимость монтажа, нелицензируемый диапазон частот (дождь, пыль, снег, туман, смог) WiFi Интернет-совместимый стандарт Основное использование — сетевые приложения Реальная скорость обмена данными — 2 Мбит/с, расстояние связи с использованием методов WiMAX Поддержка NLOS NLOS — 1...2 км Большая зона покрытия, возможность использования для Спутниковая связь Большие затраты, ограниченная пропускная способность для абонента большого числа приложений Использование мобильных терминалов и существующей 3G Дороговизна, ограниченное число приложений инфраструктуры ячеек сети

www.elcp.ru

Преимущества

Networks,

ТЕХНОЛОГИИ И СТАНДАРТЫ

Существует несколько вариантов классификации PLC-систем. Во-первых, технологии передачи данных по электросетям принято разделять на широкополосные (Broadband over Power Lines) и узкополосные (Narrowband over Power Lines). Широкополосные системы (со скоростью 1...200 Мбит/c) ориентированы на системы высокоскоростного доступа к интернету, на создание домашних компьютерных сетей, а также на приложения, требующие высокоскоростного обмена данными: потоковое видео, системы видеоконференцсвязи, цифровой телефонии и т.д. Узкополосные (низкоскоростные) системы ориентированы на использование в средствах домашней автоматики, в управлении простейшими бытовыми приборами и т.д. В этом случае достаточно значительно меньшей пропускной способности канала (0,1...100 Кбит/с). Для конечного пользователя более близка классификация по назначению, по сути, по области применения. Используется также классификация PLC-систем по типу используемых линий электропередачи. Технология X-10 была разработана еще в 1978 г. с участием одноименной компании X-10 (www.x10.com) и предназначалась для реализации дистанционного управления простейшими бытовыми приборами. Для передачи цифровых данных в этой технологии используется амплитудно-частотная манипуляция [4—6]. Предусматривается передача радиоимпульсов с частотой заполнения 120 кГц, генерируемых в моменты перехода переменного напряжения частотой 50/60 Гц через нуль (при этом скорость передачи данных на физическом уровне составляет 50/60 бит/с). Такая схема кодирования выбрана не случайно, поскольку при нулевом значении напряжения, как правило, уровень помех уменьшается, а также снижается влияние других устройств, подключенных к электросети. Данные кодируются следующим образом: двоичной 1 соответствует передача радиоимпульса в течение интервала 1 мс, а двоичному 0 — отсутствие радиоимпульса (см. рис. 3). Данные формируются в паке-

ты длиной 11 бит. Для использования в технологии X-10 была разработана специальная система команд управления простейшими устройствами, работающими от электрической сети, — ON, OFF, DIM, BRIGHT, ALL LIGHTS ON и ALL UNITS OFF. В настоящее время контроллеры и адаптеры, использующие эту технологию для управления бытовыми приборами, выпускаются многими компаниями США и Европы (www.x10.com и www.x-10europe.com). Стандарт CEBus (Consumer Electronic Bus — шина потребительской электроники) был утвержден в сентябре 1992 г. и продвигается Альянсом электронной промышленности EIA (Electronic Industries Alliance), объединяющим производителей электронного оборудования с целью разработки единых электрических и функциональных спецификаций интерфейсного оборудования (www.eia.org, www.eigroup. org). В стандарте CEBus предусмотрена передача данных с использованием проводов бытовой электросети, витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная передача в радиоили инфракрасном диапазоне частот. Скорость обмена данными не зависит от выбранной среды передачи данных и составляет 7,5 Кбит/с (среднее значение). В стандарте CEBus был использован метод передачи данных с расширением спектра (Spread Spectrum — SS), предложенный и использовавшийся компанией Intellon в ее первых разработках. Стандарт CEBus (EIA-600) включает протоколы прикладного (EIA-721), сетевого, канального и физического уровней эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection). Протокол прикладного уровня описывает порядок функционирования различных устройств и набор типовых команд, включающий команды VOLUME UP, FAST FORWARD, REWIND, PAUSE, SKIP, TEMPERATURE UP или DOWN 1 DEGREE и т.д. Протокол сетевого уровня формирует пакеты данных, содержащие информацию об адресах источника и приемника. Для предотвращения коллизий на канальном уровне задействован механизм CSMA/ CDCR (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection and Resolution). На физическом уровне используется технология SS-модуляции, предусматрива-

Рис. 3. Пример формирования сигнала для трехфазной сети

ющая передачу данных в полосе частот 100...400 кГц. Для кодирования данных (на временных интервалах 100 мкс) передается частотно-модулированный сигнал (при этом используется линейный закон модуляции, начальная частота 100, конечная — 400 кГц). Данные формируются в пакеты, причем длина пакета не регламентируется, однако минимальный размер составляет 64 бит. Американская компания Adaptive Networks для реализации одноименной технологии разработала набор микросхем для построения PLC-сетей, включающий ИМС AN1000 (со средней пропускней способностью 100 Кбит/с), AN192 (19,2 Кбит/с) и AN48 (4,8 Кбит/с) [7]. Микросхемы AN1000/AN192 осуществляют передачу данных по электросети в частотном диапазоне до 450 кГц в соответствии с нормативами комиссии FCC (Federal Communication Commission). Чтобы удовлетворить требования стандартов, действующих в европейских энергосистемах, в таких приложениях как автоматическая регистрация показаний счетчиков, автоматизация и мониторинг распределенных объектов была разработана микросхема AN48, рассчитанная на передачу данных в диапазоне 9...95 кГц. В этой технологии был реализован механизм обнаружения и исправления ошибок, оптимизированный для существующих электросетей, а также предусмотрены интерфейсы к стандартным прикладным протоколам. Стандарт LonWorks, принятый институтом ANSI (American National Standards Institute) в 1999 г., ориентирован на использование в распределенных системах автоматизации зданий, транспортных сетях, системах автоматизации промышленных предприятий [8]. В

электронные компоненты №10 2009

61 Сети и интерфейсы

Х-10, CEBus, Adaptive LonWorks и т.д.

качестве физической среды передачи в технологии LonWorks предусмотрено использование электропроводки, витой пары, коаксиального кабеля или радиоканала. LonWorks базируется на применении технологии узкополосной передачи данных. В ней реализованы улучшенная цифровая обработка сигналов, эффективный механизм коррекции ошибок и оригинальный алгоритм выбора альтернативных несущих частот. Максимальная скорость передачи данных в сети LonWorks составляет 1,25 Мбит/с. Стандартный размер пересылаемого пакета данных — 10—14 байт, но возможна передача пакетов и большей длины. Скорость передачи данных в большой степени зависит от среды передачи. Протокол LonTalk, лежащий в основе технологии LonWorks, обеспечивает возможность создания сетей с практически неограниченным числом узлов и ориентирован на решение задач автоматизации, когда необходимы высокие надежность и скорость передачи данных. Узлами сети LonWorks могут быть датчики температуры и освещенности, различные исполнительные механизмы, контроллеры систем кондиционирования/вентиляции и т.д. Протокол LonTalk включает семь уровней эталонной модели протоколов передачи данных OSI. Устройства, созданные на базе платформы LonWorks, широко применяется при управлении промышленным оборудованием, в системах освещения городских улиц, системах отопления и кондиционирования воздуха, интеллектуальных приборах измерения и учета электроэнергии, системах контроля и управления движением поездов, системах безопасности, пожарной сигнализации и пожаротушения.

Сети и интерфейсы

62

ПРОИЗВОДИТЕЛИ

В настоящее время компания Echelon Corporation (www.echelon. com) предлагает компоненты и законченные решения для построения сетей на базе усовершенствованной технологии LonWorks 2.0. Ключевым компонентом новой технологии является высокоскоростной процессор Neuron 5000 с тактовой частотой до 80 МГц [8]. Для реализации технологий LonWorks/LonWorks 2.0 при построении сетей с использованием разных каналов связи, в т.ч. и электропроводки, компания Echelon Corporation выпускает ряд электронных компонентов: – приемопередатчики серии PL 3120/3150/3170, содержащие 8-разрядное процессорное ядро Neuron с тактовой частотой 10...20 МГц; – универсальные приемопередатчики серии Free Topology Smart Transceivers — FT 3120/FT 3150; – новые усовершенствованные приемопередатчики с улучшенными параметрами FT 5000, содержащие процессорное ядро Neuron с тактовой частотой 40 МГц и имеющие увеличенный до 64 Кбайт объем RAM-памяти. Рассмотренные технологии (Х-10, CEBus, Adaptive Networks, LonWorks) — далеко не единственные пакеты существующих PLC-спецификаций. Помимо них имеются и другие, разработанные сравнительно недавно широкополосные и узкополосные технологии, поддерживаемые европейскими и международными ассоциациями и альянсами: – HomePlug Powerline Alliance; – UPA (Universal Powerline Association); – HD-PLC (High-Definition Powerline Communications).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Широкое распространение низковольтных электрических сетей 0,22...0,38 кВ, отсутствие необходимости проведения дорогостоящих работ по строительству траншей и пробивке стен для прокладки кабелей стимулируют повышенный интерес к этим сетям как к среде передачи данных. Потенциальные преимущества передачи данных по проводам электросети огромны. Фактически сеть может быть развернута на любом участке, на котором имеются линии электроснабжения, но особенно привлекательна эта технология для домашних сетей и небольших офисов. Более полную информацию о рассмотренных PLC-технологиях см. в [1—8].

Литература 1. White Paper: Comparison of Access Technologies. — OPERA Consortium, 2009 (www.ist-opera.org).

2. Pablo Gagliardo. Take advantage of power line communications in nextgen home networking & IPTV designs. — CommsDesign.

2009 (http://www.commsdesign.com/article/ printableArticle.jhtml?articleID=217300850).

3. WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments. — WIMAX forum (www. wimaxforum.org/technology/downloads/ WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf).

4. X-10 Communications Protocol and Power Line Interface PSC04&PSC05 (ftp://ftp. x10.com/pub/manuals/technicalnote.pdf).

5. www.x10pro.com.

6. w w w . s m a r t h o m e u s a . c o m / i n f o / x10theory.

7. www.adaptivenetworks.com.

8. FT 5000 Smart Transceivers/Neuron® 5000 Technical Overview. — Echelon. 2009 (www.echelon.com).

НОВОСТИ ДИСПЛЕЕВ

| Sony работает над сверхтонкими OLED-Vaio, Reader и Walkman | На прошедшей в Японии выставке CEATEC

JAPAN 2009 Sony продемонстрировала сверхтонкие гибкие OLED-панели. Технология органических светоизлучающих диодов была представлена в виде прототипов электронных устройств с экранами толщиной 0,2 мм. Среди них — ноутбук Vaio, электронная книга и браслет Walkman. OLED-дисплеи имеют большой потенциал развития и, помимо прочих преимуществ, обладают практически неограниченным углом обзора, энергоэффективностью, быстрым временем реакции и не требуют дополнительного оборудования для подсветки. Ранние попытки изготовить прозрачный и гибкий OLED-дисплей наталкивались на проблемы с разрешением и искажением изображения, когда устройство подвергалось механической нагрузке. Sony не первый год занимается внедрением технологии: телевизор с экраном на органических диодах демонстрировался на выставке потребительской электроники CES в 2008 г. в Лас-Вегасе, а аудиоплеер с 0,2-мм дисплеем — в нынешнем году. Обращаются к OLED и другие гиганты индустрии, например Samsung и LG. Устройства, показанные на шоу CEATEC (Combined Exhibition of Advanced Technologies — Объединенная выставка передовой электроники), находятся на стадии концептов, и никакой информации о возможной дате выхода их на рынок не было предоставлено. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

Оценка производительности многоядерных процессоров. Часть 1 Макс Домейка (Max Domeika), специалист по программному обеспечению, Intel

В статье представлен обзор широко распространенных тестов, используемых для оценки производительности одноядерных и многоядерных процессоров. Описаны особенности тестов для проверки энергоэффективности процессорных систем. Статья представляет собой сокращенный перевод работы [1].

Программные пакеты для тестирования одноядерных процессоров

Ряд тестовых пакетов для оценки производительности одноядерных процессоров доступны разработчикам встраиваемых систем. Широко исполь­ зуются следующие пакеты тестов (бенчмарков) для одноядерных процес­ соров: EEMBC Benchmark Suites, BDTI Benchmark Suites, а также SPEC CPU2000 и CPU2006. Консорциум по тестированию встра­ иваемых микропроцессоров EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) разработал пакеты, вклю­ чающие алгоритмы и приложения, которые разделены на категории по областям применения и используются на рынке встраиваемых систем. Тесты EEMBC предназначены для различных сегментов рынка и включа­ ют следующие пакеты: Automotive 1.1, Consumer 1.1, Digital Entertainment 1.0,

Networking 2.0, Network Storage, Office Automation 2.0, Telecom 1.1. Пакеты EEMBC хорошо подходят для оценки производительности широкого спектра встраиваемых процессоров и обладают необходимой гибкостью, т.е. позволяют получить результаты уже на ранних этапах цикла разработки систе­ мы благодаря использованию функцио­ нальных симуляторов. Тесты можно адаптировать для про­ верки как отдельных процессоров, так и системы в целом с помощью ком­ мерческих ОС. Разделение тестов по сегментам рынка позволяет получить специфическую информацию для опре­ деленного приложения. Например, производитель процес­ сора для автомобильного сегмента рынка может выбрать тестовый пакет Automotive 1.1 для оценки показателей качества, принятых в данной области, в частности, для определения време­ ни выполнения системой задания. В тестах процессоров для сетевых при­ ложений используется показатель производительности NetMark, и по этому показателю сравниваются про­ цессоры разных производителей этого сегмента рынка. Кроме того, пакеты предоставляют информацию о размере кода каждого теста, что полезно при выборе опти­ мального соотношения между степе­ нью оптимизации и размером кода. Опубликование результатов тестирова­ ния требует сертификации со стороны EEMBC, которая включает проверку и воспроизведение теста, что обеспечи­ вает надежность полученных данных. Это особенно важно, когда тестовый код оптимизирован для реализации максимальных возможностей процес­ сорной системы. Доступ к тестовому пакету требует формального членства в консорциуме, академической или ком­ мерческой лицензии. Дополнительную информацию можно найти на сайте www.embc.org.

Тестовые пакеты компании BDTI (Berkeley Design Technology, Inc.) ори­ ентированы на приложения в области цифровой обработки сигнала, такие как обработка видео и телекоммуника­ ции. Ценной особенностью этих паке­ тов является то, что они применимы к чрезвычайно широкому спектру про­ цессорных архитектур и, кроме того, позволяют сравнивать разные классы процессоров. Тесты BDTI определяют функцио­ нальные характеристики и нагрузку на процессор, требуемую для выполнения теста, но не определяют способ конкрет­ ной реализации теста. Пользователь имеет возможность гибко выбирать для тестирования те функциональные параметры процессора, которые опре­ деляют работу приложения. Результаты тестирования, получен­ ные пользователем, затем независимо проверяются и сертифицируются BDTI. Разработчики встраиваемых систем получают исходный код для ключевых функциональных элементов и обычно модифицируют код с целью улучшения производительности как путем оптими­ зации программы (например, исполь­ зуя встроенные модули), так и путем передачи части задания сопроцессору. Информация о тестовых пакетах BDTI доступна на сайте www.BDTI.com. Тестовые пакеты компании SPEC (Standard Performance Evaluation Cor­ po­ration) CPU2006 подразделяются на CINT2006 и CFP2006, которые ориенти­ рованы на приложения, использующие целочисленные вычисления и вычис­ ления с плавающей запятой, соответ­ ственно. Для разработчиков встраи­ ваемых систем лучше подходит пакет CINT2006, чем CFP2006; однако часть тестов CFP2006 может быть полезна для тех, кто специализируется на обработ­ ке изображения и речи с использова­ нием языков C и C++. Пакет CINT2006 включает в себя 9 тестов на C и 3 теста на C ++ и охватывает такие области

электронные компоненты №10 2009

63 Микроконтроллеры и DSP

Выбор подходящего для конкрет­ ного встраиваемого приложения многоядерного процессора пред­ ставляет собой сложную задачу. Недостаточно полагаться на данные производителя, потому что во мно­ гих случаях результаты тестирова­ ния процессора, представленные вендором, получены на определен­ ных платформах или приложениях и нет гарантии, что разрабатываемая система будет иметь такую же произ­ водительность. Следовательно, важно ясно пред­ ставлять себе сильные и слабые сторо­ ны широко распространенных тесто­ вых пакетов, которые используются для проверки производительности процес­ сорных систем. Кроме того, в послед­ нее время большое внимание уделяет­ ся повышению энергоэффективности, в связи с чем были разработаны тестовые пакеты для измерения потребляемой мощности системы.

применения как сжатие, оптимизация, искусственный интеллект и программ­ ные инструменты. Для встраиваемых многоядерных процессоров системные требования достаточно жесткие: не менее 1 Гбит основной памяти и не менее 8 Гбит дискового пространства. Набор тестов SPEC CPU2006 (и более ранних SPEC CPU2000) охватывает различные типы приложений. Из-за широкой известности и откры­ тости данных, полученных с помощью этих тестов, возможно создание моде­ ли, которая способна помочь сделать оценку производительности прило­ жения на новых процессорных ядрах до того, как будут доступны на рынке новые процессоры. Информацию о тестах SPEC можно найти на сайте www.spec.org. Тесты для многоядерных процессоров

Микроконтроллеры и DSP

64

В последнее время тесты для одно­ ядерных процессоров стали широко доступны, однако тесты для провер­ ки производительности встраиваемых многоядерных процессоров довольно немногочисленны. В число популярных тестовых пакетов для многоядерных процессоров входят: SPEC CPU2006 rate (CPU2000 rate), EEMBC MultiBench, BDTI Benchmark Suites и SPEC OMP. Тесты SPEC CPU2006 позволяют сделать оценку производительности многоядерных процессоров по «объ­ емному» показателю (rate), который отражает пропускную способность процессора при выполнении одновре­ менно нескольких задач. Пакет SPEC CPU2006 rate выполняет тестирова­ ние многоядерного процессора путем одновременного запуска нескольких копий одного и того же теста. Число запущенных копий теста опре­ деляется испытателем, однако обычно устанавливается равным числу процес­ сорных ядер в системе. В пакете SPEC CPU2006 rate применяется прозрачная методика тестирования, однако она не обеспечивает проверку процессо­ ра при типовой загрузке, ведь скорее всего не слишком много пользователей будут запускать множество копий одно­ го и того же приложения с одинаковым набором данных одновременно.

EEMBC MultiBench — это набор муль­ тиконтекстных тестов на базе приложе­ ний для рынка встраиваемых систем. В этом пакете реализована концепция не зависящей от платформы тестовой программы, называемой Multi-InstanceTest Harness (MITH), которая может быть портирована в различные встраивае­ мые системы, некоторые из которых могут не поддерживать стандартную потоковую модель, например, POSIX или работу под ОС COTS.

www.elcp.ru

Ключевое преимущество MITH заключается в создании разнообразных заданий (или загрузок) для процессора из определяемых заранее рабочих эле­ ментов. Можно выделить следующие виды заданий для тестирования.

1. Единичная копия рабочего эле­ мента (подобно тесту SPEC CPU2006 rate).

2. Множество копий одного и того же рабочего элемента, когда каждая копия обрабатывает разный набор дан­ ных. Создается среда, подобная таким встраиваемым приложениям как мно­ гоканальная VoIP-система.

3. Множественные рабочие эле­ менты исполняются параллельно. Эму­ ли­рование сложных систем, поддер­ живающих практически бесконечное число рабочих элементов. Примерами такой системы могут быть приложения для видеоконференций, одновременно выполняющие алгоритмы кодирования и декодирования и осуществляющие поддержку сетевых протоколов (TCP), обновления изображений (jpeg) и музыкального сопровождения (MP3).

4. Копии многопотоковых рабочих элементов. Алгоритмы, предназначен­ ные для ускорения обработки единич­ ного набора данных. Например, при H.264-кодировании возможно исполь­ зование каждого ядра для обработки отдельных кадров. Как говорилось ранее, тестовые пакеты BDTI Benchmark Suites разра­ ботаны для весьма широкого спектра процессоров, включая одноядерные и многоядерные, а также для FPGA. Благодаря своей гибкости, тесты BDTI были реализованы при проверке мно­ гоядерных процессоров. Для многоядерных процессорных систем особенно полезны тесты для проверки телекоммуникационных систем BDTI Communications Benchmark (OFDM) и тесты для видеосистем BDTI Video Encoder and Decoder Benchmarks. В соответствии со своей философией широких пределов применения тестов, BDTI не требует использования пото­ ков или каких-либо других особен­ ных подходов в реализации системы. Специалист сам выбирает наилучший метод реализации тестового пакета BDTI для данного процессора. Тест SPEC OMP выпущен в июне 2001 г. и основан на приложениях тестового пакета SPEC CPU2000, которые модифи­ цированы с помощью директив OpenMP. Тест выполняет оценку симметричных мультипроцессорных систем (SMPсистем) и содержит два набора данных: SPEC OMPM2001 и SPEC OMPL2001. Пакет SPEC OMPM2001 использует уменьшенный, по сравнению с SPEC OMPL2001, набор данных и подходит для оценки производительности мно­ гоядерных процессоров небольшой

мощности и мультипроцессоров. Тесты SPEC OMP не рекомендуется исполь­ зовать для проверки встраиваемых приложений. Этот пакет ориентирован на область высокопроизводительных вычислений и вычислений с плаваю­ щей точкой. Только 2 из 11 приложений в OMPM2001 написаны на C, осталь­ ные — на Фортране. Тесты для проверки энергоэффективности системы

В связи с повышенным вниманием к энергоэффективности встраиваемых систем, возникла необходимость в соз­ дании тестов для оценки мощности, потребляемой процессорами, и систе­ мы в целом. В настоящее время, подоб­ но тестам для многоядерных систем, эта область является менее зрелой, чем тесты для одноядерных процессоров. Только два тестовых пакета (EEMBC EnergyBench и BDTI Benchmark Suites) можно рассматривать в настоящее время в качестве промышленных стандартов для сегмента встраивае­ мых систем. Можно использовать и другие программные инструменты и тесты, однако они в меньшей степе­ ни подходят для этой области. Чаще всего для проверки энергоэффектив­ ности встраиваемых систем использу­ ются четыре тестовых пакета: EEMBC EnergyBench, Battery Life Tool Kit (BLTK), BDTI Benchmark Suites и MobileMark. Тестовый пакет EEMBC EnergyBench использует одноядерные и многоядер­ ные тесты EEMBC benchmarks и допол­ няет их измерениями потребляемой мощности, что обеспечивает одновре­ менную проверку производительности и энергоэффективности. Этот тестовый пакет рассматрива­ ет измеряемую систему как состоящую из хост-системы, целевой системы, устройства сбора данных, экраниро­ ванного кабеля и разъемов. Во время выполнения тестирования на системной плате контролируется несколько шин питания, и выводят­ ся данные об энергии (в Дж/цикл) и средней мощности потребления (в Вт). Организация EEMBC предлагает серти­ фикацию и оценку энергоэффктивно­ сти системы по параметру Energymark. Пакет EEMBC Energybench использует для отображения результатов измере­ ний программный инструмент LabVIEW компании National Instruments. При сертификации используется оборудование для расчета среднего количества энергии, потребляемой за каждый цикл измерения. Для получе­ ния стабильного и надежного резуль­ тата тестирования потребляемая мощ­ ность измеряется многократно. Следует отметить, что реальные результаты измерения потребляемой

мощности существенно различаются в зависимости от типа теста даже для встраиваемой платформы. При сравнении результатов измере­ ния потребляемой мощности на мак­ симальной и пропорционально умень­ шенной частоте работы процессора, с включением или отключением таких блоков процессора как программный кэш и устройство вычислений с пла­ вающей точкой можно сделать инте­ ресные наблюдения. Например, при выполнении теста basefp на частоте 208 МГц с включен­ ным кэшем и блоком вычислений с плавающей точкой энергопотребление практически совпадает с энергопотре­ блением того же процессора, работа­ ющего на частоте 13 МГц, и намного меньше, чем когда эти блоки отключе­ ны. Следовательно, при определенных условиях функционирования энерго­ эффективность процессора может быть выше при работе на максимальной частоте со всеми включенными функ­ циональными блоками.

BLTK — это набор скриптов и про­ грамм, который позволяет контроли­ ровать потребляемую мощность Linuxсистем с батарейным питанием. Этот набор инструментов оценивает энерго­

потребление системы при выполнении ряда приложений с помощью встроен­ ных измерительных средств при раз­ личной степени заряда батареи. Так как энергоемкость батареи известна, можно оценить среднее потребление мощности по длитель­ ности работы приложения до полного разряда батареи. Следует сказать, что разработчики BLTK особо подчеркива­ ют, что этот тест не является стандарт­ ным тестом для отрасли. Однако возможности этого инстру­ ментального набора позволяют поль­ зователям оценивать ряд параметров разрабатываемой встраиваемой систе­ мы и их влияние на энергопотребление, например, использование приводов жесткого диска на различных скоро­ стях и применение в системе большего числа процессорных ядер. Тестовый пакет BDTI Benchmark довольно часто используется для опре­ деления и измерения энергоэффектив­ ности процессора. Для получения обо­ снованной оценки энергопотребления в этом пакете поддерживается опреде­ ленный набор условий тестирования. Как часть процесса сертифика­ ции BDTI детально воспроизводит условия измерений энергопотребле­

ния, использованные производите­ лем при тестировании процессора. Например, для оценки энергэффек­ тивности широкого спектра одноя­ дерных процессоров использовались тесты для DSP-систем BDTI DSP Kernel Benchmarks. Тест для оценки срока службы акку­ муляторов ноутбуков MobileMark 2005 компании BAPCo состоит из ряда задач (или загрузок), типичных для данного сегмента рынка, включая такие прило­ жения как воспроизведение DVD, поиск информации в интернете и офисные приложения. Основным показателем, который определяет тестовый пакет, является срок службы аккумулятора. Подобно BLTK, процесс тестирования требует полного заряда батареи, затем выпол­ няются тестовые задания до полного разряда батареи. Выходным показате­ лем теста является время в минутах. Это тест работает под управлением Windows, что ограничивает его приме­ нение в системах, использующих дру­ гие ОС. Литература 1. Max Domeika. Evaluating the per­for­ man­ce of multi-core processors

НОВОСТИ БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

| WiMAX потеснит LTE | К 2014 г. беспроводным широкополосным доступом WiMAX будут пользоваться более 75 млн абонентов. Маркетинговая компания Maravedis провела исследование, согласно которому WiMAX завоюет рынок 4G и потеснит технологии LTE за счет более раннего выхода на рынок. Согласно приводимым данным, в 2008 г. было продано около 2,2 млн абонентских устройств WiMAX. По оценкам, к концу 2014 г. эти цифры увеличатся до 75 млн. Технологии WiMAX и LTE — конкуренты на рынке технологий 4G. Однако по результатам опроса компания пришла к выводу, что операторы сетей 3G, которые составляют целевую группу потребителей LTE, не готовы к переходу на эти технологии. Скорее всего, LTE-устройства появятся на рынке не ранее 2012 г. Несмотря на их несомненные преимущества перед WiMAX, LTE-устройства слишком сильно отличаются от устройств 3G, что играет на руку распространению WiMAX. Среди других выводов, к которым пришла Maravedis, можно выделить следующие.

– Доля корейских и тайваньских ODM-производителей абонентского оборудования в 2008 г. составила 60% рынка.

– Доля абонентов, использующих стандарт 802.16e-2005, достигнет максимума в 2012 г. Скорее всего, широкополосный доступ (ШПД) будет осуществляться через мобильные устройства с беспроводным модемом.

– Лидерами на рынке беспроводного ШПД являются Alcatel-Lucent, Alvarion, Motorola и Samsung.

– В конце 2008 г. объем продаж оборудования WiMAX оценивался в 2 млрд долл. В конце 2014 г. этот показатель удвоится.

– Доход от предоставления компаниями услуг по ШПД к 2014 г. составит 15 млрд долл.

65

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| Японцы создали самый миниатюрный 40-нм чип памяти DDR3 SDRAM плотностью 2 Гбит | Японская компания Elpida объявила о завершении разработки самого миниатюрного в мире чипа памяти DDR3 SDRAM с плотностью 2 Гбит. Он изготовлен по нормам 40 нм, а благодаря его размерам разработчикам удалось повысить объем продукции, получаемой из одной кремниевой пластины, на 44%, по сравнению с предыдущим поколением 50-нм чипов DDR3 SDRAM. При этом для памяти DDR3, работающей на частоте 1600 МГц и имеющей полосу пропускания 1,6 Гбит/с, выход качественных чипов достигает 100%. Кроме того, компактные 40-нм чипы являются энергосберегающими решениями. Их энергопотребление на две трети меньше, чем у 50-нм чипов DDR3 DRAM от Elpida. При этом новые чипы способны работать при напряжении в 1,2; 1,35 или 1,5 В. Выпуск первых образцов 40-нм чипа памяти DDR3 SDRAM с плотностью 2 Гбит начнется в ноябре, а массовое производство таких решений Elpida обещает наладить к концу текущего года. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

Микроконтроллеры и DSP

www.russianelectronics.ru

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ САМОСИНХРОННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ Алексей Бумагин, канд. техн. наук, нач. сектора, ФГУП «РНИИКП» Алексей Гондарь, инженер, ФГУП «РНИИКП» Михаил Куляс, инженер, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Александр Руткевич, ген. директор, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Владимир Стешенко, канд. техн. наук, нач. отд. проектирования СБИС, ФГУП «РНИИКП» Аль-Мехди Тайлеб, инженер, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» Григорий Шишкин, рук. проектов, ЗАО «Ди Эс Технолоджи» .

Статья посвящена обзору самосинхронных микропроцессоров начиная с первых лабораторных разработок и заканчивая современными системами на кристалле, используемыми в коммерческих приложениях. Основные преимущества данных устройств по сравнению с классическими синхронными — низкое энергопотребление, пониженный уровень электромагнитные помех, компактное размещение на кристалле. Авторы уверены, что благодаря перечисленным свойствам, будущее вычислителей, применяемых в бортовых, портативных системах, а также в медицинской технике — за самосинхронными микропроцессорами. преимуществ по сравнению с традиционными. Архитектура, построенная на самосинхронной логике, становится схемотехнически проще. Многие компании, в том числе Intel, IBM и Motorola, проводили исследования в области асинхронных вычислений. К этому подталкивали трудности, связанные с необходимостью обеспечить распространение общего тактового сигнала в ультрабольших интегральных схемах. Первый самосинхронный процессор был разработал профессором Элэйном Мартином в Калифорнийском технологическом институте [10], а сама идея принадлежит одному из создателей компьютерной графики Айвану Сазерланду, написавшему первую статью о нетактируемой логике. В 1990 г. в Университете Манчестера в Англии по этому направлению была создана рабочая группа, а в 1994 г. был разработан первый самосинхронный чип Amulet1 для сотовых телефонов [9] (рис. 1а),

содержащий 60 тыс. транзисторов, по кремниевой технологии 1,0 мкм с использованием 2 слоев металлизации. Для коммуникаций внутри ядра процессора, основанного на микроархитектуре Сазэрлэнда [5], использовался двухфазный протокол передачи данных. Микропроцессор выполнял набор команд процессора ARM 6 за исключением умножения с накоплением. Внешний двухфазный протокол c трудом сочетался с блоками сторонних производителей. Производительность процессора составляла примерно половину от ARM6, изготовленного с использованием того же самого технического процесса и аналогичной энергетической эффективностью (MIPS/W). На смену ему в 1996 г. был разработан процессор Amulet2e [1], топология которого изображена на рисунке 1б, совместимый с полным набором команд ARM 7. Помимо центрального ядра, процессор содержал синхрон-

а)

б)

Рис. 1. Топология микропроцессоров Калифорнийского технологического института: а) Amulet1; б) Amulet2e

электронные компоненты №10 2009

67 Микроконтроллеры и DSP

Самосинхронный процессор — это цифровое вычислительное устройство, не требующее центрального генератора тактовой частоты и цепей, поддерживающих распространение общего внешнего тактового сигнала. Такие процессоры расходуют меньше энергии по сравнению с синхронными. При проектировании внутренних функциональных блоков самосинхронных процессоров отпадает потребность в их синхронизации между собой. Для связи используется единый протокол: запрос–ответ с квитированием, так называемый четырехфазный самосинхронный интерфейс [10]. В результате функциональные блоки легче интегрируются в системы на кристалле (СнК). Периферийные модули — оперативная память, интерфейсные блоки, вычислители — также строятся по самосинхронному принципу. Если на вход функциональных блоков не поступают данные, вычисления не производятся. При этом блоки потребляют минимальную энергию, необходимую для сохранения переключательной способности транзисторов для выхода из спящего режима. В результате оптимизировано распределение производительности и энергопотребления при выполнении последовательности задач, что объясняется возможностью управления напряжением питания ядра и отсутствием внешнего тактового сигнала. Помимо указанных, самосинхронные процессоры обладают рядом других

Рис. 2. Топология микропроцессора TITAC-2

Рис. 3. Топология микропроцессора ASPRO-216

ную кэш-память и гибкий внешний интерфейс, позволяющий подключать внешние функциональные блоки. Были добавлены такие возможности как прогнозирование ветвления для увеличения скорости вычислений. Внутри ядра микропроцессора использовался двухфазный протокол передачи данных. Amulet2e реализовывался на 450 тыс. транзисторов (главным образом, в кэш-памяти) по кремниевой технологии 0,5 мкм с

Микроконтроллеры и DSP

68

Рис. 4. Функциональная схема процессора ARM 996HS

www.elcp.ru

использованием 3-х слоев металлизации. Производительность Amulet2e была приблизительно в три раза выше, чем у Amulet1, но составляла только половину от производительности аналогичного синхронного микропроцессора. Процессор Amulet3i, разработанный в 2000 г. [2], совместимый с системой команд ARM9, предназначался для работы в составе СнК и не являлся автономным устройством. Кристалл процессора был разработан по кремниевой технологии 0,35 мкм с 3 слоями металлизации и содержал приблизительно 80 тыс. транзисторов. Устройство включало центральный процессор, 8 Кбайт двухпортовой RAM, 16 Кбайт ROM, диспетчер прямого доступа к памяти и интерфейс внешней памяти/тестирования, объединенные с помощью асинхронной шины MARBLE. Amulet3i обладал той же производительностью, что и современный синхронный микропроцессор на основе ARM 9, но выигрывал в энергопотреблении. Ядро было использовано в СнК DRACO (DECT Radio Communications Controller), предназначенной для применения в телекоммуникациях. Известно еще несколько примеров реализации самосинхронных процессорных устройств. Калифорнийский технический университет создал два чипа: Caltech (1989) [3], ставший первым самостоятельным самосинхронным 16-битным RISC-процессором, и MiniMIPS [4], выполненный по архитектуре R3000. Оба устройства были разработаны с использованием технологии кодирования, не чувствительного к задержкам,

в то время как в процессорах Amulet использовалась технология связанных данных. Данная методика позволила получить высокопроизводительное устройство, которое однако не имело преимуществ в энергопотреблении перед синхронными аналогами. Другой микропроцессор, TITAC-2, был разработан Токийским университетом в 1997 г. [6] (см. рис. 2) и основан на архитектуре R2000. В устройстве, в отличие от разработок, рассмотренных выше, использовалась технология, нечувствительная к квазизадержкам. В процессе проектирования использовалась ручная трассировка кристалла. Из DSP-процессоров известен также ASPRO-216, разработанный в 1998 г. в Гренобле (см. рис. 3). Все упомянутые выше устройства являлись опытными образцами, не получившими коммерческого применения. В 1998 г. с использованием системы синтеза «Танграм» собственной разработки научно-исследовательской лабораторией Philips был создан асинхронный микроконтроллер на базе системы команд 80C51 [8], впоследствии применяемый в пейджерах, где низкое энергопотребление и электромагнитная совместимость выступают на первом месте. Микропроцессор Sharp DDMP (DataDriven Media Processor) [7], созданный в 1997 г., был специально предназначен для мультимедийных приложений и содержал множество параллельных блоков обработки сигналов. В устройстве использованы преимущества асинхронных устройств. В настоящее время наиболее широкое распространение получили микропроцессоры семейства ARM, первым самосинхронным устройством коммерческого назначения из которого стал ARM996HS, созданный в 2006 г. совместно компаниями ARM Ltd и Handshake Solutions, являющейся подразделением Royal Philips Electronics. Предыдущие версии процессора обладали следующими недостатками: низкая производительность, сложность программирования и проблема взаимодействия с существующими микросхемами памяти и периферийными шинами. Изначально процессор предназначен для автомобильных, медицинских и встроенных приложений, благодаря чрезвычайно низкому расходу энергии и низкому уровню электромагнитных помех без снижения производительности. ARM 996HS — первый промышленно выпускаемый асинхронный процессор для использования в составе отказоустойчивых и быстродействующих устройств. Функциональная схема процессора представлена на рисунке 4.

Литература 1. S.B. Furber, J.D. Garside, P. Riocreux, S. Temple, P. Day, J. Liu, and N.C. Paver. AMULET2e: An asynchronous embedded cont­roller.

Proceedings of the IEEE, 87(2):243-256, February 1999.

2. J.D. Garside, W.J. Bainbridge, A. Bardsley, D.A. Edwards, S.B. Furber, J. Liu, D.W. Lloyd, S. Mohammadi, J.S. Pepper, O. Pelin, S. Temple, and J.V. Woods. AMULET31 — an asynchronous system-on-chip. In Proc.

International Symposium on Advanced Research in Asynchronous Circuits and Systems, pages 162-175. IEEE Computer Society Press, April 2000.

3. AJ. Marin, S.M. Burns, T. K. Lee, D. Bor­ko­vic, and PJ. Hazewindus.

The design of an asynchronous microprocessor. In Charles L. Seiz, editor, Advanced Research in VLSI, pages 351-373. MIT Press, 1989.

4. AJ. Marin, A. Lines, R. Manohar, M. Ny­srom, P. Penzes, R. Southworth, U.V. Cum­mings, and T.-K. Lee. The design of an asyn­chro­nous MIPS R3000. In Proceedings of the 17h Conference on Advanced Research in VLSI, pages 164-181. MIT Press, September 1997.

5. I.E. Sutherland. Micropipelines. Commu­nications of the ACM, 32(6):720-738, June 1989.

6. A. Takamura, M. Kuwako, M. Imai, T. Fujii, M. Ozawa, I. Fukasaku, Y. Ueno, and T. Nanya. TITAC-2: An asynchronous 32-bit microprocessor based on scalable-delay-insensitive model. In Proc. International Conf.

Computer Design (ICCD'97), pages 288-294. MIT Press, October 1997.

7. H. Terada, S. Miyaa, and M. Iwaa. DDMPs: Self-timed superpipelined data-driven multimedia processors. Proceedings of the IEEE, 87(2):282-296, February 1999.

8. H. van Gageldonk, D. Baumann, C.H. van Berkel, D. Gloor, A. Peeers, and G. Segmann. An asynchronous low-power 80c51 microcontroller. In Proc. International Symposium on Advanced Research in Asynchronous

Circuits and Systems, pages 96-107. IEEE Computer Society Press, April 1998.

9. J.V. Woods, P. Day, S.B. Furber, J.D. Garside, N.C. Paver, and S. Temple. AMULET1: An asynchronous ARM processor. IEEE Transactions on Computers, 46(4):385-398, April 1997.

10. http://chernykh.net/content/view/431/638.

НОВОСТИ ДИСПЛЕЕВ

| Mitsubishi показала 155-дюймовый OLEDдисплей | На прошедшей в Японии выставке CEATEC JAPAN 2009 Mitsubishi Electric продемонстрировала 155-дюймовый дисплей (393,7 см), в котором используются органические светоизлучающие диоды. Их яркость в 3—4 раза выше, чем обычных ЖК-телевизоров. Размер пиксела панели — около 3 мм. Цифра кажется огромной, ведь в среднестатистических ЖК-мониторах это значение варьируется в пределах 0,25×0,25…0,5×0,5 мм. Посетители отметили, что изображение выглядело приемлемо на расстоянии 2 м. Разработка Mitsubishi — не исключение в этом плане: для крупноформатных ЖК-панелей 4-мм и даже 6-мм пикселы являются нормой. Одна из причин, почему производители увеличивают размер точек, заключается в слишком высокой стоимости решений с огромным количеством диодов. Согласно заявлению компании, ее технология позволяет создавать дисплеи с высоким разрешением и небольшой стоимостью, по сравнению с ЖК-устройствами. Показанный на CEATEC экран составлен из 720 элементов, включающих по четыре OLED-панели размером 96×96 мм с 256 пикселами. В каждом из них имеются RGB-субпикселы в виде полосок. У нового продукта Mitsubishi — пассивная матрица. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

69 Микроконтроллеры и DSP

Устройство включает в себя асинхронное 32-битовое ядро RISC-архитектуры ARMv5TE с набором команд Thumb®, блок защиты памяти MPU, аппаратный делитель, шину Dual AMBA AHB-Lite, быстрый 32-битный MAC, стандартные синхронные интерфейсы. В архитектуре процессора используются самосинхронизирующиеся цепи, разработанные компанией Philips, которые ранее были использованы в смарт-картах, пейджинговых устройствах, мобильных телефонах. Отсутствие внешнего источника синхронизации позволяет делать процессоры более устойчивыми к радиопомехам. В СнК процессор ARM 996HS позволяет простую интеграцию периферийных устройств и может использоваться как в синхронных, так и в асинхронных проектах. Инженеры могут разрабатывать для него программные приложения, используя стандартные библиотеки программирования, например ARM Metro для низкопотребляющих устройств, с помощью существующих инструментов САПР с низкими временными и финансовыми затратами. В настоящее время процессор ARM996HS доступен всем желающим для лицензирования. Средства разработки приложений для процессора — семейство САПР ARM RealView DEVELOP, включая пакеты RealView Development Suite, RealView ICE и RealView Trace. Разработчики также могут использовать библиотеки ARM Metro — для приложений с низким энергопотреблением и ARM Advantagе — для высокопроизводительных применений. Для широкого внедрения самосинхронных процессоров необходимо не менее пяти лет, поскольку для них пока что существует очень мало инструментальных средств, а главное, — требуются радикальные изменения в идеологии проектирования как аппаратных средств, так и программного обеспечения. Однако постепенный переход к использованию самосинхронных цифровых устройств уже намечается. В 1997 г. корпорация Intel создала совместимый с процессором Pentium асинхронный тестовый кристалл, который был в три раза производительнее и потреблял вдвое меньше энергии. В 1998 г. фирма Philips выпустила асинхронный процессор для коммуникационного применения. В 2001 г. в процессоре Intel Pentium IV были частично реализованы элементы самосинхронной логики.

Cortex-A9 MPCore: производительность настольного компьютера, энергопотребление мобильного устройства Виктор Ежов, ИД «Электроника» 17 сентября 2009 г. на Второй Международной конференции ARM Developers Forum в Москве компания ARM представила свою новую разработку — двухядерный процессор Cortex-A9 MPCore, тактовая частота которого достигает 2 ГГц. Новый процессор будет доступен для потребителей в IV квартале 2009 г., а первые устройства на его основе, возможно, появятся уже в I квартале 2010 г. Статья подготовлена по презентации компании ARM на конференции ARM Developers Forum’2009.

Микроконтроллеры и DSP

70

В настоящее время на рынке все более ужесточаются требования к производительности процессоров для оборудования, работающего в тяжелых тепловых условиях, а также для портативных устройств с батарейным питанием. Признанный лидер в разработке процессоров для мобильных продуктов — компания ARM, стремится расширить территорию устройств с малым энергопотреблением на новые сегменты рынка. Одноядерный вариант процессора Cortex-A9 уже широко используется в электронных устройствах, включая, например, смартфоны Apple iPhone 3GS и Palm Pre. Двухядерный процессор Cortex-A9 MPCore за счет увеличения производительности должен найти применение в более требовательных устройствах — смартбуках и нетбуках. Компания ARM предлагает два варианта реализации процессора Cortex-A9 MPCore, один из которых оптимизирован по производительности, а другой — по потребляемой мощности. Первый вариант процессора с тактовой частотой до 2 ГГц предназначен для применения в серверах, принтерах, сетевых и других устройствах, требующих высокой производительности. Оптимизированный по потребляемой мощности вариант Cortex-A9 MPCore, который работает на частоте 800…1000 МГц, планируется использовать в мобильных коммуникаторах, смартбуках и других устройствах потребительской электроники.

www.elcp.ru

При этом мощность, потребляемая оптимизированным по скорости процессором, не превысит 1,9 Вт, а оптимизированным по энергопотреблению — 0,5 Вт. Оба варианта реализации устройcтва рассчитаны на выпуск по 40-нм технологическому процессу компании TSMC (40G), с возможностью поддержки процесса с малыми утечками (40GL). Процессор будет предлагаться разработчикам в виде топологических блоков, которые могут быть интегрированы в проектируемые системы на кристалле. Общая площадь оптимизированного по скорости топологического блока составляет 6,7 мм 2, а по энергопотреблению — 4,9 мм2. Конфигурация процессора включает шесть независимых по питанию областей, что позволяет повысить энергэффективность системы. Питание отдельных блоков процессора (например, NEON, блока отладки и др.) может быть отключено, когда они не используются, что позволяет минимизировать общее энергопотребление системы. Наборы топологических блоков будут включать элементы, необходимые для поддержки систем с симметричной многопроцессорной обработкой (SMP-систем). В процессоре применены компоненты с поддержкой системной шины AMBA, что позволяет максимально увеличить пропускную скорость системы при оптимальном энергопотреблении. Каждый вариант реализации Cortex-A9

поддерживает технологию отладки и трассировки CoreSight™ Program Trace Macrocell (PTM), которая позволяет контролировать ход выполнения программ, максимально оптимизировать код и выполнять анализ производительности. В процессоре предусмотрен модуль обработки операций с плавающей запятой и технология NEON™ для более эффективной работы с мультимедийными и графическими приложениями. Процессор включает 32-Кбайт кэшпамять программ и данных первого уровня для каждого процессорного ядра и 128-Кбайт…8-Мбайт кэш-память второго уровня с контроллером AMBA AXI. Усовершенствованный шинный интерфейс способен поддерживать скорость обмена данными до 32 Гбит/с. Все IP-блоки двух вариантов реализации процессора будут поставляться вместе с необходимыми для их поддержки скриптами, библиотеками и другими компонентами, что обеспечивает их непосредственную интеграцию в систему-на-кристалле. Для более эффективной разработки и уменьшения риска при проектировании конечного продукта компания ARM предлагает также IP-платформу для построения на базе Cortex-A9 полной системы, а также различные инструменты разработки AMBAсовместимых устройств. Консультационный центр компании ARM предоставляет партнерам компании помощь при интеграции IP-блоков процессора Cortex-A9 в систему-на-

Рис. 1. Абсолютная производительность процессоров по результатам теста CoreMark

кристалле с целью реализации максимальной производительности, уменьшения рисков и сокращения времени разработки. На рисунке 1 показаны результаты оценки производительности с помощью теста CoreMark двух вариантов реализации процессора Cortex-A9 MPCore в сравнении с процессорами Intel Atom N270 и ARM1176. Разработка двухядерного варианта процессора Cortex-A9 открыла перспективу создания нового класса платформ, на базе которых могут быть разработаны новые приложения и решения. Сочетание высокой производительности и малой потребляемой мощности этого процессора позволит в скором времени существенно изменить функциональные возможности многих устройств, присутствующих сегодня на рынке.

Новости технологий

| Через 100 лет прекратится рост скорости компьютеров? | Физики установили предел скорости вычислений, преодолеть который невозможно, как и превысить скорость света. Если прогресс продолжится в том же темпе, потолок будет достигнут менее чем через сотню лет. Гордон Мур предсказал 45 лет назад, что количество транзисторов в чипах будет удваиваться приблизительно каждые два года. Похожее пророчество сделал Алан Тьюринг в 1950 г., согласно которому на следующем стыке тысячелетий компьютеры будут иметь память с миллиардом слов. Неизменный процесс уменьшения габаритов электронных элементов приведёт физиков к необходимости искать пути кодирования единиц информации на отдельных частицах. Меньше в микроэлектронном мире означает быстрее, но Лев Левитин и Томмасо Тоффоли из Бостонского университета в Массачусетсе видят границу скорости вычислений вне зависимости от размеров компонентов. Они считают, что через 75—80 лет наступит так называемый квантовый предел и ни одна система не преодолеет его. При этом не имеет значения её физическая природа или реализация, алгоритм расчётов, аппаратное или программное обеспечение. Этот предел отражает абсолютный закон природы, наподобие скорости света. Доцент электрической инженерии и компьютерных наук в Массачусетском технологическом институте Скотт Ааронсон считает 75 лет чрезмерно оптимистичным сроком, а более реальной цифрой — 20 лет. В ранние 1980-е гг. Левитин выделил элементарную квантовую операцию, самое базовое действие, которое может выполнить квантовый компьютер. В статье издания Physical Review Letters Левитин и Тоффоли представили уравнение минимального времени для осуществления этой операции, устанавливающее предельную скорость для любых возможных компьютеров. Учёные рассчитали, что на каждую единицу энергии идеальная квантовая машина обеспечит в десять квадриллионов (1016) раз больше операций в секунду, чем самый производительный из сегодняшних процессоров. Квантовые компьютеры, в отличие от электронных, не должны считаться с шумом — изменяющиеся характеристики проводников и температура могут создавать помехи. Преодоление этой преграды на пути к квантовым вычислениям, безусловно, займёт время и исследовательские ресурсы. При уменьшении расстояния между компонентами обнаруживается, что процессоры скорее нагреваются, чем становятся быстрее. Вместе со сложностями перехода на более прецизионные техпроцессы это вызывает тенденцию выпуска двух- и четырёхъядерных ЦП. Возможно, однажды потребность в огромном количестве вычислений заставит учёных обратиться к компьютерам с суперпроводниками и соответствующими рабочими температурами, стремящимися к абсолютному нулю. Но даже тогда, говорят Левитин и Тоффоли, фундаментальный лимит останется нерушим. Теория, которая разрешает неограниченную скорость вычислений, говорит об ошибочном понимании этого мира. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

71 Микроконтроллеры и DSP

Автономные инверторы напряжения с квазирезонансной коммутацией для систем промышленной автоматики, электротехнологий и связи Евгений Силкин, к.т.н. с.н.с., ген. директор, ЗАО ЭЛСИ Квазирезонансная коммутация (КРК) вентилей в инверторах напряжения позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот, повышает надежность и улучшает электромагнитную совместимость систем электропитания и управления с сетью и нагрузкой [1]. Новые мостовые (full-bridge) инверторы напряжения с КРК имеют более простые силовые схемы, и в них обеспечивается высокая симметрия нагрузок вентилей. Для новых схем применимы все известные способы регулирования и импульсной модуляции, в т.ч. односторонней или двусторонней однократной и многократной двухполярной релейно-импульсной модуляции (РИМ). Инвертор напряжения с КРК первого вида, изображенный на рисунке 1, был предложен в 1985 г. и впервые серийно применен в системах электропитания индукционных нагревательных установок малой мощности [2, 3]. За прошедшие почти четверть века этот инвертор стал основой для разработки широкого клас-

Рис. 1. Схема автономного мостового однофазного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией первого вида

И с точ н и к и то к а

72

са устройств (от четвертьмостовой до трехфазной мостовой [4, 5] схем, а также различных вариантов несимметричных и многоуровневых схем). Схема первого вида сегодня широко используется для управления индукционных нагревателей различного назначения, в преобразователях для сварки, в источниках электропи-

Рис. 2. Схема автономного мостового однофазного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией второго вида

www.elcp.ru

тания систем промышленной автоматики, телекоммуникаций, плазмохимических установок [6—18]. Ряд производителей электронных компонентов для классического инвертора напряжения с КРК разработал и выпускает специальные силовые вентили и системы регулирования в интегральном исполнении [18—20]. Инвертор напряжения первого вида имеет известные преимущества и недостатки [21, 22]. Не останавливаясь на них, отметим, что для однофазной мостовой симметричной схемы необходимы четыре формирующих (снабберных) конденсатора С1…С4. Как правило, эти дополнительные элементы совместно с собственными емкостями обеспечивают заданные траектории переключений управляемых и неуправляемых вентилей (VT1…VT4, VD1…VD4) в инверторе. Если величины общих емкостей, например, по причине технологических разбросов различаются, то возникает асимметрия токов в плечах моста инвертора на интервалах перезаряда формирующих конденсаторов С1…С4. Эта асимметрия может привести, в частности, к переходу отдельных вентилей (VT1…VT4) в режим «жесткой» коммутации и является одной из причин отказов. Классический инвертор напряжения с КРК обладает, таким образом, сравнительно сложной силовой схемой, что снижает технологичность конструкций реальных устройств на его основе, и при работе для него возможна асимметрия токов в смежных плечах моста. На рисунке 2 приведена схема нового инвертора напряжения с КРК второго вида [23, 24]. Для схемы вто-

(1)

Таким образом, резонансная частота ω параллельного контура, образованного цепью нагрузки (R, L) и снабберным конденсатором С, в инверторе напряжения с КРК должна быть значительно выше выходной частоты ω ω >> ω .

где R — активное сопротивление результирующей нагрузки Z или эквивалентное активное сопротивление в последовательной схеме ее замещения (активно-индуктивная нагрузка Z); L — индуктивность дросселя формирующей цепи диагонали переменного тока или последовательной схемы замещения активно-индуктивной нагрузки Z; С — величина емкости формирующего (снабберного) конденсатора, который подключен параллельно нагрузке Z; I0 — максимальный ток управляемого вентиля (VT1…VT4) на периоде выходной частоты Т. Определим Т выходного сигнала (период выходной частоты инвертора) как (2) где ω — угловая частота управления инвертором. Параметры элементов схемы инвертора напряжения с КРК связаны соотношением (3) что соответствует колебательному (или резонансному) характеру процесса перезаряда формирующего конденсатора С на интервале паузы ς. Интервал паузы ς — это интервал выключенного состояния всех вентилей VT1…VT4, VD1…VD4 инвертора. В общем случае интервал паузы ς в инверторе напряжения по приведенной схеме (из условия физической реализуемости) должен удовлетворять очевидному неравенству .

(4)

Интервал ς представляет собой фактически интервал переключения вентилей, или интервал коммутации. При малой относительной длительности временного интервала коммутации (и, соответственно, угла коммутации s), по сравнению с установленным периодом выходного сигнала Т (2π в радианах), т.е. при выполнении условия

(6)

Это не означает, что при меньших значениях отношения (6) (частоты ω и ω сравнимы) параллельные инверторы рисунка 2, а также классический инвертор (см. рис. 1) перестают быть работоспособными. Их характеристики лишь определенным образом модифицируются. Инвертор при сравнимых частотах ω и ω по характеру электромагнитных процессов становится близким согласованному инвертору за счет увеличения импеданса эквивалентной цепи питания. Режим согласованного инвертора в настоящей статье не рассматривается. Отметим, что анализируемый режим работы (параллельного инвертора напряжения с КРК) реализуется только в устройствах на полностью управляемых вентилях или их аналогах. Период Т выходного сигнала инвертора напряжения с КРК состоит из двух полупериодов. Каждый полупериод включает два интервала: проводимости вентильных ячейки и паузы ς. Электромагнитные процессы в течение полупериодов полного цикла Т протекают аналогично. Отличия заключаются только в противоположных (на разных полупериодах) направлениях напряжений и токов элементов и наборах номеров коммутируемых вентилей (VT1, VT4, VD1, VD4 и VT2, VT3, VD2, VD3, соответственно). Интервал проводимости вентильной ячейки состоит из интервалов проводимости встречнопараллельного диода VD1…VD4 и управляемого вентиля VT1…VT4. Диоды (VD1…VD4) начинают проводить ток после окончания интервала паузы ς. Для принятых на рис. 2 обозначений встречно-параллельные диоды VD1, VD4 включаются в момент, когда напряжение uC на формирующем конденсаторе С становится равным напряжению Е источника питания инвертора. Ток iZ через нагрузку Z (т.е. через R, L) вначале имеет условно положительное направление (протекает справа налево по схеме рисунка 2). При включении диодов VD1, VD4 ток iZ в диагонали переменного тока инвертора и нагрузке (R, L) выражается зависимостью

(5)

(7)

характеристики автономного инвертора можно считать соответствующими характеристикам инвертора напряжения.

Ток iD диодов VD1, VD4 быстро нарастает до тока iZ нагрузки Z. Однако коммутационные потери во встречно-

s = 2πς /Т<<2π

электронные компоненты №10 2009

73 И с точ н и к и то к а

рого вида требуется только один формирующий конденсатор С. Характер электромагнитных процессов в новом инверторе подобен электромагнитным процессам в классическом инверторе. При этом максимальное напряжение на формирующем конденсаторе С в схеме второго вида также равно напряжению источника питания Е инвертора, а максимальный ток для одинакового режима только в два раза выше. Следовательно, суммарная (расчетная) установленная мощность дополнительных емкостных элементов в новом инверторе напряжения с КРК в два раза меньше, чем в классической схеме. Асимметрия токов плеч моста в инверторе второго вида практически исключена. В общем случае в автономных инверторах при управлении по методам РИМ момент включения (выключения) очередного управляемого вентиля определяется электромагнитными процессами в силовой схеме, как в релейных системах, а момент выключения (включения) синхронизируется с опорным временным сигналом, как в системах с импульсной модуляцией (односторонняя РИМ), или оба момента (включения и выключения) определяются электромагнитными процессами (двухсторонняя РИМ). В инверторах напряжения с КРК возможно применение однократной и многократной двухполярной РИМ. Многократная однополярная РИМ в таких инверторах не реализуется, т.к. в этом случае не обеспечиваются необходимые начальные условия для коммутаций вентилей. Основным режимом работы инверторов напряжения с КРК все-таки следует считать режим однократной односторонней РИМ, хотя достаточно часто применяется и метод фазового (внутримостового) регулирования. При фазовом регулировании возникает асимметрия нагрузок вентилей разных групп (VT1, VT3, VD1, VD3 и VT2, VT4, VD2, VD4), а также возможен переход от режима КРК к «жесткой» коммутации, в первую очередь для управляемых вентилей отстающей группы. Для иллюстрации качественного характера электромагнитных процессов в мостовом инверторе напряжения c КРК и однократной односторонней РИМ рассмотрим электромагнитные процессы при работе на активную (результирующая реакция формирующей цепи в диагонали переменного тока имеет активно-индуктивный характер за счет дополнительного дросселя либо трансформатора) или на наиболее распространенную активно-индуктивную нагрузку. Введем следующие обозначения:

параллельных диодах VD1, VD4 малы, т.к. напряжение (uD) на них в момент включения равно нулю

чении ток iT транзисторов VT1, VT4 максимален и выражается как (16)

(8) Ток iC через формирующий конденсатор C после включения диодов VD1, VD4 не протекает, т.е.

(9) Напряжения uR на активном сопротивлении R и uL на индуктивности дросселя L формирующей цепи, соответственно, определяются как (10) Напряжения uC на формирующем конденсаторе C и uZ на нагрузке Z равны напряжению питания E инвертора (11) Т.к. управляемые вентили и диоды в ячейках включены встречнопараллельно, то выполняется равенство

инвертора Е, а напряжения на вентильных ячейках с транзисторами, которые должны вступить в работу, спадают от максимального значения Е до нулевого (в конце интервала ς ):

На интервале проводимости вентилей VT1, VT4 (или VT2, VT3 на следующем полупериоде) также выполняется соотношение (11), поэтому коммутационные потери в управляемых вентилях VT1, VT4 минимальны. В интервале паузы ς (для условно положительного тока iZ нагрузки) напряжения uC на формирующем конденсаторе С и uZ на нагрузке Z изменяются в диапазоне –Е...Е по закону

(17)

(22)

Для напряжений u1…u4 в интервале паузы ς (при обозначениях рисунка 2) выполняются очевидные соотношения:

Напряжения uR на активном сопротивлении R и uL на индуктивности дросселя L формирующей цепи определяются из зависимостей:

(23)

В конце интервала ς имеем: (18)

(12) где uT — мгновенное напряжение на соответствующем управляемом вентиле VT1…VT4. Напряжение на управляемых вентилях VT2, VT3 (для непроводящих ячеек) при работе диодов VD1, VD4 равно напряжению источника питания Е uT(t) = E.

(13)

(19)

В параллельном инверторе напряжения с КРК всегда выполняется условие

Т.к. емкость формирующего конденсатора С сравнительно небольшая, увеличение тока iZ нагрузки Z (и iC) относительно величины тока I0 незначительное. Ток iZ в нагрузке Z достигает своего максимального значения IZ в момент времени τ, соответствующий полному разряду формирующего конденсатора С

(14)

И с точ н и к и то к а

74

Токи iZ в нагрузке Z и iC через формирующий конденсатор С вначале несколько увеличиваются относительно тока I0, а затем уменьшаются от максимального значения IZ по колебательному закону в соответствии с выражением

где u1…u4 — мгновенные напряжения на вентильных ячейках. В момент времени α ток iD встречных диодов VD1, VD4 становится равным нулю, формируются сигналы управления и включаются очередные транзисторы VT1, VT4. Ток iZ через нагрузку Z изменяет направление на противоположное (условно отрицательное). Интервал задержки α включения транзисторов VT1, VT4 относительно фронта опорного временного сигнала РИМ равен (15) Транзисторы VT1, VT4 выключаются по срезу опорного временного сигнала РИМ в момент времени Т/2. При выклю-

www.elcp.ru

(20) При этом значение максимального тока IZ (21) Для анализируемого инвертора на интервале паузы ς мгновенные напряжения u1…u4 вентильных ячеек ранее выключившихся транзисторов нарастают по колебательному закону от нулевого значения до максимального, равного напряжению источника питания

(24)

Таким образом, в новом параллельном инверторе напряжения с КРК и управлением по методу РИМ включение транзисторов VT1…VT4 осуществляется при нулевых значениях тока iT и напряжения uT, а выключение — при нулевом значении напряжения uT на них. Максимальное напряжение на вентильных ячейках u1…u4 равно напряжению источника питания инвертора E, а максимальный ток I0 через транзисторы VT1…VT4 протекает в момент их выключения. Диоды VD1…VD4 включаются на максимальный ток iZ(ς) при нулевом напряжении uD, а выключаются при нулевом токе iD и нулевом напряжении uD на них. Режим коммутации при нулевом напряжении обозначается как ZVS (zero voltage switching), а при нулевом токе — ZCS (zero current switching). Для удобства представления режимы параллельного инвертора напряжения с КРК и РИМ при коммутациях управляемых VT1…VT4 и неуправляемых вентилей VD1…VD4 сведены в таблицу 1. На рисунке 3 приведены осциллограммы токов и напряжений на элементах инвертора.

На первой осциллограмме даны мгновенные токи (i T, i D) через вентильные ячейки и напряжение (u Z ) на нагрузке (Z). Напряжение u Z на нагрузке Z имеет квазисинусоидальную форму с высоким содержанием первой гармоники. Гармонический состав выходного напряжения u Z зависит от относительной длительности паузы ς. Эффективное (действующее) значение UZ выходного напряжения для параллельного инвертора с учетом (4) находится в диапазоне (25) Соответственно, коэффициент амплитуды к А кривой выходного напряжения uZ удовлетворяет неравенству (26)

Рис. 3. Осциллограммы сигналов в схеме инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией

Рис. 4. Схема автономного мостового однофазного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией третьего вида

торы. Таким образом, упростить конструкцию преобразователей по схеме классического инвертора первого вида на практике не удается. Вместе с тем, заметим, что в некоторых случаях может потребоваться реализация «комбинированной» схемы

параллельного инвертора напряжения третьего вида с КРК, которая представлена на рисунке 4. В таком инверторе величины емкостей С1…С4 шунтирующих вентильные ячейки снабберных конденсаторов С1…С4, можно значительно уменьшить.

Таблица 1. Режимы коммутации вентилей Коммутация вентилей Транзисторы Диоды

Включение ZVS

Выключение ZCS

ZVS

ZVS ZVS

ZCS

электронные компоненты №10 2009

75 И с точ н и к и то к а

Значение для коэффициента амплитуды к А чисто синусоидальной кривой, как известно, равно . При возрастании интервала паузы ς эффективное выходное напряжение UZ инвертора уменьшается. Однако форма кривой напряжения uZ с ростом ς приближается к синусоидальной. На второй осциллограмме приведены кривые мгновенных значений выходного напряжения uZ и тока iZ. Уровень первой гармоники выходного тока iZ, как видно, достаточно высок. На третьей осциллограмме изображены мгновенные токи (iT, iD) и напряжения на вентильных ячейках u1…u4. Осциллограммы рисунка 3 наглядно иллюстрируют работу устройства в режиме инвертора напряжения с КРК. Недостатком нового параллельного инвертора напряжения с КРК, аналогичного классическому инвертору, является необходимость запуска устройства одновременно с подачей напряжения питания. Только в этом случае сохраняются условия для «мягкого» переключения управляемых вентилей VT1…VT4 во всех режимах работы, включая пусковые. Как уже отмечалось, новый инвертор имеет определенные преимущества перед классическим инвертором напряжения с КРК первого вида, что расширяет области его применения. Можно предположить, что в классическом инверторе в качестве снабберных емкостей С1…С4 легко использовать только собственные емкости вентилей VT1…VT4. Это позволило бы существенно упростить конструкцию устройств на основе классического инвертора первого вида. Однако в практических случаях собственных емкостей вентилей VT1…VT4, как правило, недостаточно. Поэтому параллельно вентильным ячейкам в реальных устройствах всегда включают дополнительные конденса-

Инвертор, выполненный по схеме этого рисунка, работает аналогично инверторам по схемам рисунков 1, 2. Преимущества новых инверторов напряжения с КРК параллельного типа гарантируют в будущем их широкое практическое применение, как это было ранее со схемой инвертора напряжения первого вида. ЛИТЕРАТУРА 1. Силкин Е.М. Релейно-импульсное управление в инверторах тока и напряжения с квазирезонансной коммутацией//Тез. докл. межд. науч. технич. конф., посвящ. методам и средствам управления технологическими процессами, 25—27 октября 1999 г. — Саранск, 1999. — С. 282—284.

2. Дзлиев С.В., Силкин Е.М. Обзор, статические преобразователи частоты, силовые полупроводниковые приборы, схемотехника, способы управления, конструирование, промышленные образцы// Отчет о НИР, гос. рег. № 0188.0013747, инв. № 366N6. — Л., 1988. — 114 с.

3. Силкин Е.М., Дзлиев С.В., Тазихин С.Н. Разработка индукционных электроплит// Тез. докл. науч. технич. конф., посвящ. научным основам создания энергосберегающей техники и технологий, 27—29 ноября 1990 г. — М., 1990. — С. 259—261.

4. П. 2210152 РФ, МКИ Н02 Н7/122. Инвертор напряжения/ Е.М.Силкин//Б.И. — 2003. — № 22.

5. Силкин Е.М. Способ управления транзисторным преобразователем частоты для асинхронного двигателя//Тез. докл. межд. науч. технич. конф., посвящ. автоматизированному электроприводу (АЭП-2001), 12—14 сентября 2001 г. — Нижний Новгород, 2001. — С. 131—133.

И с точ н и к и то к а

76

6. П. 2031534 РФ, МКИ Н02 М5/45. Преобразователь переменного тока для питания индуктора/Е.М.Силкин//Б.И. — 1995. — № 8.

7. Силкин Е.М. Транзисторные ВЧ-генераторы для электротехнологии// Тез. докл. 2 межд. науч. технич. конф., посвящ. электромеханике и электротехнологии, 1—5 октября 1996 г. — Симферополь, 1996. — С. 103—105.

8. Полищук А. Схемотехника современных мощных источников электропитания для телекоммуникационного оборудования и систем промышленной автоматики// Силовая электроника. — 2005. — № 2. — С. 70—74.

9. Петров С. Перспективная схемотехника сварочных инверторов// Современная электроника. — 2009. — № 1. — С. 36—45.

10. Бардин А.И. Инверторное сварочное оборудование// Тез. докл. науч. технич. конф., посвящ. силовой электронике, 5—6 июня 2008 г. — М., 2008. — С. 93—95.

11. Jovanovic M. Zero voltage switching technique in high-frequency of-line converters// IEEE Proceedings of APEC, 1988.

12. Mecke H., Fischer W., Werter F. Soft switching inverter power source for arc welding//EPE`97 Conf. — Trondheim, 1997. — pp. 4333—4337 13. Jang Y., Jovanovic V. A new HWW ZVS full-bridge converter// Power Electronics Laboratory. Delta Products Corporation, Р.O. Вox 12173, 5101 Davis Drive, Research Triangle Park. — 2006. — No. 27109.

14. Redl R., Balogh L., Nathan O. A novel soft switching full-bridge DC/DC converter// PESC’90 Record, 1990.

15. Frohleke N., Schniedermann M. Enhanced analysis and design issues of a 3-level DC/DC converter with zero voltage and zero current switching//9th European conf. on power

electronics and applications (EPE’01), August 2001. — Graz, Austria, 2001. — pp. 1—10.

16. Силкин Е.М., Кузьмин А.Ф. Системы управления с транзисторными преобразователями для промышленных озонаторов большой мощности//Электротехника. — 2001. — № 5. — С. 42—46.

17 Саро Л., Дирбергер К., Редл Р. Поведение высоковольтных MOSFET-транзисторов в преобразователях с мягким переключением: анализ и повышение надежности// Компоненты и технологии. — 2006. — № 4. — С. 136–144.

18. International Rectifier. Catalogue СА05 — 10\2001. — Moscow: International Rectifier, 2001.

19. Башкиров В.И. Оптимизированные МОП-транзисторы для инверторов с жесткими и мягкими режимами переключения// Электротехника. — 2002. — № 12. — С. 10—14.

20. Andreycak B. Phase shifted, zero voltage transition design considerations and the UC3875 PWM controller. — Unitrode Application. — Note U-136A. 21. Силкин Е. Применение нулевых схем инверторов тока с квазирезонансной коммутацией// Силовая электроника. — 2005. — № 3. — С. 84—88.

22. Силкин Е. Преобразователь для индукционного нагрева концов заготовок под пластическую деформацию и обьемноповерхностной закалки шлицевых валов// Силовая электроника. — 2008. — № 3. — С. 126—132.

23. П. 0072802, РФ, МКИ Н02 М 7/5387. Инвертор напряжения/Е.М.Силкин//Б.И. — 2008. — №12.

24. З. 2008130766, РФ, МКИ Н02 М 5/458. Способ управления параллельным инвертором напряжения/Е.М.Силкин//Б.И. — 2008. — №18.

События рынка

| Эксперты отрасли об инициативе ЕС по поддержанию чип-индустрии | На состоявшейся недавно выставке Semicon Europa горячо обсуждался доклад ЕС, в котором информационные и коммуникационные технологии были признаны ключевыми. Участники круглого стола с одобрением восприняли выводы доклада Комиссии ЕС, в которых наряду с другими направлениями развитие полупроводниковой отрасли было названо ключевым стратегическим интересом Европы. Такая положительная реакция участников объясняется не столько потому, что на индустрию прольется золотой дождь, но и благодаря признанию ее важной роли, учитывая, что европейская полупроводниковая промышленность год за годом теряет свою долю на мировом рынке. Для восстановления утраченной привлекательности европейских компаний для инвесторов Энрико Вилла (Enrico Villa), председатель комиссии по реализации научно-исследовательской программы Medea+, ст. советник высшего руководства компании STMicroelectronics, предложил меры, которые должны принять все заинтересованные стороны. По его мнению, Европе требуется единая промышленная политика, которая в настоящее время отсутствует. Так например, 70-% разница в рентабельности инвестиций (ROI) между западными и азиатскими странами в области производства чипов объясняется различиями в налогообложении, т.е. экономической политикой этих государств. Дженс Дрюс (Jens Drews), директор отдела по работе с государственными органами, Globalfoundries, рассказал о той поддержке, которую его компания получила от руководства шт. Нью-Йорк, где в настоящее время строится новая фабрика. Руководство штата продемонстрировало желание создать экосистему для чип-индустрии, доказав на деле, что государственная воля является важной составляющей инвестиций и решений на местном уровне. По мнению Энрико Виллы, другими перспективными направлениями активности европейской полупроводниковой промышленности являются системы возобновляемой энергии, а также электронные средства для пожилых людей. Хайнц Кундерт (Heinz Kundert), президент европейского отделения SEMI, обратил внимание участников дискуссии на другой аспект проблемы: ЕС не скупится на инвестиции, но они не доходят по назначению, процедура принятия решений слишком затянута, отсутствует единое видение, и потому требуется комплексное решение этих вопросов. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

Эффективный режим ЧИМ для 6-МГц импульсного понижающего преобразователя TPS62620 Инженер, компания Texas Instruments Развитие электроники идет в направлении постоянного расширения функционала при одновременном уменьшении размеров устройств, что стимулирует инновации в достижении этих целей. Новый понижающий преобразователь TPS62620 производства компании Texas Instruments предназначен для решения этих проблем. Он работает на частоте 6 МГц в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяя использовать миниатюрные внешние компоненты также в высокоэффективном режиме частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).

Архитектура ЧИМ, применяемая в устройстве TPS62620, представляет собой одноимпульсную схему (см. рис. 1). Энергия подается на выходной фильтр посредством одного импульса тока индуктора каждый раз, когда напряжение в контуре обратной связи падает ниже опорного напряжения. Частотно-импульсная модуляция работает следующим образом: выходной конденсатор разряжается через нагрузку преобразователя, пока напряжение в контуре обратной связи не понизится относительно опорного напряжения. В этой точке компаратор запускает моностабильный мультивибратор, который на заданное время переводит выходной p-МОП-транзистор в открытое состояние и позволяет расти току индуктора. В конце рабочей фазы p-МОП-транзистора ток индуктора достигает пиковой величины, а выходной n-МОП-транзистор открывается и способствует уменьшению тока индуктора, со временем достигающего нуля. Этот момент определяется по изменению направления тока компаратором, который и завершает фазу ЧИМ, включая высокий импеданс выходного каскада, а также позволяя выходному конденсатору снова разряжаться через нагрузку преобразователя. Чем больше нагрузка, тем быстрее разряжается выходной конденсатор и, следовательно, тем быстрее начинается новый импульс ЧИМ. Частота ЧИМ возрастает с увеличением нагрузки, пока импульсы не сольются друг с другом, что является одним из условий входа в режим ШИМ. Эта архитектура очень эффективна, поскольку сокращает емкостные потери

и потери на переключение, связанные с коммутацией выходного переключателя: выходные переключатели открываются и запираются всего один раз в течение цикла. Очевидно, что для получения максимального КПД частота ЧИМ должна быть сведена к минимуму. При этом до максимума возрастает энергия, передаваемая в каждом цикле на выходной конденсатор, и наводится больший пиковый ток, но это достигается за счет большей пульсирующей компоненты выходного напряжения. Поэтому необходимо найти компромисс между величиной КПД и пульсирующей компоненты выходного напряжения. Обычно устройство TPS62620 имеет пульсирующую компоненту выходного напряжения 15 мВ при использовании эффективной выходной емкости 2,2 мкФ, что соответствует пиковому току индуктора 300 мА.

нии и в первом приближении может быть записано следующим образом: ,

где K' равно произведению подвижности электронов и поверхностной емкости оксидного слоя затвора; VGS — напряжение затвор-исток; V T — пороговое напряжение; L — длина затвора, а W — ширина затвора полевого транзистора. Из этих двух определений видно, что резистивные потери обратно пропорциональны параметру W, т.е. ширине затвора полевого транзистора. Емкостные потери можно представить следующим образом: ,

Оптимизация ширины затвора силового переключателя

Чтобы обеспечить максимальный КПД, для импульсов тока в каждом индукторе и для заданной амплитуды импульсов существует оптимальный способ выбора ширины затворов полевых транзисторов, используемых для коммутации тока. При таком оптимальном размере сводятся к минимуму как резистивные потери на открытых полевых транзисторах, так и емкостные потери, возникающие вследствие необходимости заряжать и разряжать затворы полевых транзисторов. Резистивные потери можно представить следующим образом:

где Cgate — это электрическая емкость затвора полевого транзистора; VGS —

Pres = Rdson · I2.

Rdson представляет собой сопротивление переключателя в открытом состоя-

Рис. 1. Концепция одноимпульсного режима ЧИМ, применяемая в устройстве TPS62620

электронные компоненты №10 2009

77 м икрос хемы с и л овой элек тро ник и

Эффективный рабочий режим ЧИМ

Рис. 2. Оптимизация выходной мощности устройства TPS62620 в зависимости от ширины затвора полевого транзистора. Кривые потерь для переключающих транзисторов n-МОП и p-МОП (красные линии на графиках) при заданных значениях ширины затвора имеют минимумы, в которых емкостные потери (розовые линии) равны резистивным потерям (синие линии). Эти оптимальные значения ширины и применяются в разработках

Рис. 3. КПД устройства TPS62620 находится на самом современном уровне

напряжение затвор-исток, а f — рабочая частота в режиме ЧИМ.

Cgate представляет собой следующую функцию от W, ширины затвора полевого транзистора:

ми крос х емы си л овой эл ек т ро ни ки

78

Cgate = Cox · W · L , где Cox — это поверхностная электрическая емкость оксидного слоя затвора; L — длина затвора, а W — ширина затвора полевого транзистора. На основании двух предыдущих уравнений можно сделать вывод, что емкостные потери пропорциональны ширине затвора полевого транзистора. Емкостные и резистивные потери — это два механизма потерь, являющиеся функцией ширины затвора полевого транзистора, тогда как полные потери мощности, зависящие от размера полевого транзистора, можно определить следующим образом: ,

www.elcp.ru

Рис. 4. Отклик устройства TPS62620 при медленном изменении нагрузки. Заметно явление гистерезиса, когда вход в ЧИМ происходит при нагрузке 150 мА, а выход из ЧИМ происходит при нагрузке 100 мА, что обеспечивает хорошую помехоустойчивость в переходном режиме

Рис. 5. Типичное поведение переходной характеристики устройства TPS62620

где С1 и С2 представляют собой два коэффициента, которые не зависят от параметра W. Это функция второго порядка относительно W; в ее точке минимума потери на полевом транзисторе минимальны, а общий КПД преобразователя достигает максимума (см. рис. 2 и 3). Следует заметить, что С1 и С 2 являются функциями пикового тока в режиме ЧИМ, поэтому такое оптимальное соотношение соблюдается только для этого заданного пикового тока индуктора. В применении к устройству TPS62620 параметры оптимизации вычислены для пиковой величины пульсирующей компоненты тока в режиме ЧИМ, т.е.

300 мА.

режим ЧИМ, когда изменяется направление тока индуктора в ШИМ. Система выходит из ЧИМ, когда импульсы в ЧИМ сливаются. Для заданной комбинации входного и выходного напряжения, обычно 3,6 и 1,8 В, пульсирующая компонента тока в режиме ШИМ поддерживается на уровне приблизительно 200 мА (см. рис. 4). Система входит в режим ЧИМ, когда нагрузка преобразователя становится равной половине величины пульсирующей компоненты тока, т.е.

100 мА. Пульсирующая компонента тока индуктора в режиме ЧИМ обычно также фиксирована на уровне 300 мА. При слиянии импульсов нагрузка, поддерживающаяся в режиме ЧИМ, равна половине величины пульсирующей компоненты тока, т.е. 150 мА. Благодаря этим двум различным пороговым значениям для входа и для выхода система демонстрирует величину гистерезиса приблизитель-

Вход/выход и гистерезис для режима ЧИМ

В устройстве TPS62620 реализован автоматический переход между режимами ЧИМ и ШИМ. Система входит в

но 50 мА при входе в режим ЧИМ и при выходе из него, что обеспечивает хорошую помехоустойчивость и предотвращает нежелательное переключение системы между двумя режимами. Переходная характеристика

Чтобы не жертвовать переходной характеристикой нагрузки преобразователя, в системе реализовано второе условие выхода из режима ЧИМ. Когда внутренний компаратор обнаруживает, что выходное напряжение ниже опорного после импуль-

са ЧИМ, система переходит в режим ШИМ. Таким образом, если нагрузка возрастает быстро и передаваемой в импульсе ЧИМ энергии недостаточно для того, чтобы снова сделать выходное напряжение выше опорного, система мгновенно обнаружит переходные колебания нагрузки и переключится в ШИМ, чтобы быстрее привести выходное напряжение в регулируемые пределы. Устройство TPS62620 демонстрирует лучшее в своем классе поведение переходной характеристики нагрузки в режиме ЧИМ.

Заключение

Устройство TPS62620, новый 6-МГц высокоэффективный преобразователь компании Texas Instruments, характеризуется оптимизированным автоматическим рабочим режимом ЧИМ/ ШИМ и наличием входного/выходного гистерезиса для ЧИМ, что обеспечивает высокую эффективность этого режима без ухудшения переходной характеристики нагрузки. Поэтому устройство TPS62620 является идеальным вариантом выбора для приложений, в которых критически важны размеры решения и КПД при низкой нагрузке.

События рынка

| Infineon инвестирует 15 млн евро в производство кремниевых пластин | После значительного спада, который испытала вся электронная промышленность в начале этого года, производитель полупроводников Infineon продолжил свой рост. Компания планирует расширить производственную линию в Дрездене. Для увеличения объема производства Infineon намеревается инвестировать 10 млн евро в оборудование. Рейнхард Плосс (Reinhard Ploss), исполнительный вице-президент компании, заявил о полной загрузке мощностей дрезденского производства. Несмотря на то, что Infineon до сих пор не пояснила, в производство какой продукции будут направлены инвестиции, представитель компании сообщил, что они завершатся к началу 2010 г., а мощности развернутся в течение I кв. 2010 г. Компания считает необходимым увеличить производство чипов для автомобильной электроники, смарт-карт и систем безопасности. Кроме того, представитель компании заявил о высоком спросе на продукцию для беспроводной связи. На дрезденском заводе, где в настоящее время трудятся 1800 служащих, появится около 70 рабочих мест. По словам представителя компании, эти действия согласуются со стратегией Infineon работать по fabless-модели с нормами проектирования 65 нм и ниже, т.к. в Дрездене компания производит микроконтроллеры по большим нормам. www.russianelectronics.ru

м икрос хемы си л овой эл ек т ро ники

80

| Дискуссия на выставке Semicon Europa выявила высокую загруженность производства | Согласно недавним статистическим оценкам, европейскую полупроводниковую промышленность ожидает медленное, но устойчивое восстановление. Прошедшая в Дрездене выставка Semicon Europa показала, что в некоторых областях этой индустрии восстановление идет гораздо быстрее. Во время дискуссии на тему «Производство полупроводников в Европе» стало очевидно, что, по крайней мере, дрезденское производство набирает хорошие темпы роста. Например, компания Infineon сообщила о полной загрузке производственных мощностей после заметного спада в I кв. текущего года. В первую очередь, значительно вырос спрос на кристаллы для беспроводных систем, тогда как сегмент автомобильной электроники пока восстанавливается медленно. Компания Globalfoundries, еще один крупный дрезденский производитель, тоже видит неплохие перспективы развития. Производитель оборудования для выпуска полупроводников — компания Aixtron AG — заявила о том, что ожидается необычайно высокий рост светодиодной светотехники, в частности, в области приложений для подсветки. Возможность второй волны кризиса была отвергнута всеми участниками дискуссии, в т.ч. компанией STMicroelectronics, тогда как Aixtron уточнила, что ближайшие два-три года станут многообещающими. Оптимизм, прозвучавший в словах участников дискуссии, несколько контрастировал с недавно опубликованной инициативой ЕС по привлечению большего объема инвестиций в исследования и разработку для повышения конкурентоспособности отрасли. Все участники дискуссии одобрили эту меру, отметив, что она требует дифференцированного подхода, в частности, в отношении внутреннего производства и аутсорсинга. Еще одной темой дискуссии стал переход на производство 450-мм пластин. Несмотря на его относительную неактуальность, обсуждение было достаточно живым — в основном преобладали скептические настроения. www.russianelectronics.ru

НОВОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

| Каждый пятый ватт — из ветра | Согласно исследованию, проведенному Национальной лабораторией им. Лоуренса в Беркли (Калифорния), к 2030 г. доля получаемой от ветра энергии в США увеличится в 10 раз и достигнет 20%. В 2008 г. правительство США инвестировало в развитие ветряных источников энергии 16 млрд долл. Таким образом, уже четвертый год подряд США сохраняют за собой позицию мирового лидера по внедрению ветряных источников энергии. В отчете лаборатории проанализированы динамика развития ветряных двигателей, стоимость ввода в эксплуатацию и КПД. Все показатели также сравниваются с показателями классических источников энергии. По данным за 2008 г., в США было произведено более 1,5 ГВт ветряной энергии. В текущем году суммарная мощность ветряных турбин увеличится до 4,4…6,8 ГВт. www.russianelectronics.ru

www.elcp.ru

Джиттер, шум и целостность сигнала в высокоскоростных системах коммуникации Майк Пенг Ли (Mike Peng Li), технический директор, Wavecrest В статье освещены базовые концепции и определения понятий джиттера, шума, целостности сигнала и частоты битовых ошибок в высокоскоростных системах коммуникации. Обсуждаются виды джиттера и шума, а также механизмы и причины их возникновения. Приведена методология статистического описания джиттера и шума в системе. Статья представляет собой сокращенный перевод работы [1]. В зависимости от типа среды, исполь­ зуемой для передачи и приема сиг­ нала, системы коммуникации подраз­ деляются на три основные категории: оптоволоконные, проводные (с медным проводом) и беспроводные. Ширина полосы пропускания этих систем обыч­ но составляет от нескольких ТГц для оптоволокна до нескольких ГГц для медного провода. Оптоволокно наиболее часто ис­п оль­з уется для протяженных (бо­лее 1 км) и высокоскоростных (до 100 Гбит/с на канал) систем связи. Мед­ ный провод используется на средних расстояниях (менее 1 км) и средних или высоких скоростях передачи (от 1 Мбит/с до нескольких Гбит/с на канал). Беспроводная связь использу­ ется на средних расстояниях (около 1 км) при средней скорости передачи (до 100 Мбит/с). Выбор среды распро­ странения в основном определяется стоимостью и требованиям к системе. Ясно, что оптоволокно имеет наиболее широкую собственную полосу пропу­ скания, поэтому оно может обеспечить наивысшую скорость передачи сигнала по одному каналу.

(радиочастотной) системы — мощ­ ность. Отклонение амплитуды сигнала ΔA называется амплитудой шума (или шумом), а отклонение времени Δt — временным джиттером (или джитте­ ром). Влияние временного джиттера и амплитудного шума на систему не сим­ метрично. Амплитудный шум является постоянной функцией и может влиять на характеристики системы постоянно. Временной джиттер воздействует на систему, только когда происходит пере­ ход фронта сигнала. Целостность сигнала определяется, в общем случае, как любое отклонение сигнала от идеальной формы. Таким образом, целостность сигнала связана как с амплитудным шумом, так и с вре­ менным джиттером. Однако некоторые характеристики целостности сигна­ ла, такие как отрицательные и поло­ жительные выбросы и «звон» сигнала, не могут быть полностью определены через джиттер и шум (см. рис. 2).

Как джиттер и шум влияют на характеристики системы? Механизм битовых ошибок

Влияние временного джиттера и амплитудного шума можно лучше всего оценить с точки зрения при­ емника коммуникационной системы. Приемник осуществляет выборку вход­ ного импульса в момент времени ts при пороговом напряжении vs, как показа­ но на рис. 3. В идеальном случае прием­ ник дискретизирует цифровые данные

Рис. 1. Идеальный и реальный цифровой сигнал

81

В передаваемом и принимаемом сигнале всегда содержится шум. Шум — это фактически любой нежелательный сигнал, который добавляется к идеаль­ ному сигналу. Идеальный цифровой сигнал представляет собой трепецеи­ дальный импульс. При наличии шума идеальный сигнал искажается, как показано на рисунке 1. Отклонение сигнала с шумами от идеального можно увидеть по двум показателям: по времени и по ампли­ туде. Амплитудой цифрового сигна­ ла для системы на основе медного провода является напряжение, а для оптоволоконной или беспроводной

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

Что такое джиттер, шум и целостность сигнала?

Рис. 2. Важные характеристики целостности сигнала

а)

б)

Рис. 3. Дискретизация приемником входных данных: а) сигнал логической «1», б) сигнал логического «0»

электронные компоненты №10 2009

по центру входного импульса. В этом случае, когда для порогового времени для нарастающего и спадающего фрон­ та сигнала удовлетворяются условия tr < ts < tf и V1 > vs, система детектирует сигнал логической «1», и данные прини­ маются корректно (см. рис. 3а). При наличии джиттера и шума нарас­ тающий и спадающий фронт могут сдвигаться вдоль временной оси, а уро­ вень напряжения может перемещаться вдоль оси амплитуды. В этом случае условия корректного детектирования бита для данного момента выборки и порогового напряжения могут не выполняться, что приводит к битовой ошибке, т.е. логическая «1» считывается как логический «0». Нарушение этих условий дискретизации может приве­ сти к трем вариантам считывания логи­ ческой «1».

– Время пересечения нарастающе­ го фронта отстает от момента выборки, или t f > ts.

– Время пересечения падающего фронта опережает момент выборки, или tf < ts.

– Напряжение логической «1» мень­ ше напряжения выборки vs, или V1 < vs. Для случая считывания сигнала логического «0» (см. рис. 3б) усло­ вия корректного считывания выгля­ дят следующим образом: tr < ts < t f и V0 < vs. Варианты нарушения правиль­ ного считывания логического «0» ана­ логичны считыванию логической «1». Однако для напряжения логического «0» условия нарушения считывания ста­ новятся следующими: V0 > vs. Частота битовых ошибок

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

82

Так как цифровая система передает и принимает множество битов данных за какой-либо промежуток времени, работа системы в целом может быть описана с помощью скорости появле­ ния битовых ошибок, а именно отно­ шения ошибочных битов Nf к обще­ му количеству принятых битов N. Это отношение называется частотой бито­ вых ошибок (bit error rate — BER), или коэффициентом битовых ошибок.

BER — это базовый показатель каче­ ства коммуникационной системы. При скоростях передачи данных порядка нескольких Гбит/с величина BER для

Рис. 4. Преобразование амплитудного шума во временной джиттер согласно модели линейной теории искажения

www.elcp.ru

большинства коммуникационных стан­ дартов, таких как Fibre Channel (FC), Gigabit Ethernet, SONET и PCI Express, должна быть не более 10 –12. Большая величина BER ухудшает эффектив­ ность сети или канала и увеличивает время ожидания системы. Величина 10 –12 означает, что среди 1012 принятых и переданных битов допускается лишь один бит ошибки. Ясно, что величи­ на BER зависит от скорости передачи данных, джиттера и шума в коммуни­ кационной системе. Из определения BER следует, что BER — это статисти­ ческий показатель, поэтому для его анализа можно применить статистику Пуассона. Источники временного джиттера, амплитудного шума и нарушения целостности сигнала

Джиттер и шум — это отклонения от идеального сигнала. Их вызывает мно­ жество причин. По физической природе источники шума и джиттера в коммуни­ кационной системе можно разделить на два больших класса: собственные и несобственные. Собственные источни­ ки связаны с физическими свойствами электронов и дырок в полупроводни­ ковых приборах, несобственные — с конфигурацией системы, поэтому они могут быть устранены из системы. Собственный шум и джиттер

Собственный шум, в основном, вызывается случайным поведением и флуктуациями электронов и дырок электронных и оптических приборов, используемых в схемах. Собственный шум можно минимизировать, однако его нельзя совсем исключить из при­ бора или системы. Следовательно, этот тип шума определяет базовые ограни­ чения на характеристики системы, ее динамический диапазон. Собственные шумы электронно-оптических прибо­ ров обычно включают тепловой шум, дробовой шум и фликкер-шум. Тепловой шум

Тепловой шум вызывается случай­ ным характером движения носителей заряда в условиях теплового равно­ весия. Кинетическая энергия этих флуктуирующих случайным образом носителей заряда пропорциональна их температуре и среднеквадратич­ ной скорости. Спектральная плот­ ность мощности теплового шума про­ порциональна температуре. Тепловой шум устанавливает ограничение на величину отношения сигнал-шум, так как он присутствует во всех электрон­ ных и оптических приборах, имеющих ненулевую абсолютную температуру. Тепловой шум иногда называют шумом Джонсона или шумом Найквиста.

Дробовой шум

Дробовой шум генерируется пото­ ком квантованных носителей в потен­ циальном барьере со случайным временем генерации или простран­ ственным распределением. Другими словами, дробовой шум обусловлен случайными флуктуациями потока носителей. Впервые дробовой шум был изучен в вакуумном диоде, а позднее был обнаружен также в p-n-переходе полупроводникового транзистора. Дробовой шум прямо пропорционален постоянному току смещения, а также заряду носителя. Обычно в полупрово­ дниковых приборах величина дробо­ вого шума превышает величину тепло­ вого шума. Фликкер-шум

Фликкер-шум — это явление, при котором спектральная плотность мощ­ ности шума обратно пропорциональна частоте в широком частотном диапа­ зоне. Фликкер-шум можно обнаружить во всех активных приборах и некото­ рых пассивных компонентах, таких как углеродные резисторы. Для генерации фликкер-шума необходим постоянный ток. В настоящее время нет общепри­ нятой теории, объясняющей причины и механизм фликкер-шума. Поэтому исследования фликер-шумов по боль­ шей части эмпирические. Было обна­ ружено, что спектральная плотность мощности фликкер-шума пропорцио­ нальна 1/f α, где α равна примерно 1. По этой причине фликкер-шум также называют 1/f-шум. Преобразование шума во временной джиттер

Шум обычно описывается с помощью физических величин или параметров. В коммуникационных, компьютерных и электронных системах этими величи­ нами могут быть напряжение, ток или мощность. Мы используем общий тер­ мин «амплитуда» для представления этих физических величин. Принимая, что амплитудный шум ΔA(t) накладыва­ ется на амплитуду сигнала A0(t), так что суммарный сигнал A(t) = A0(t)+ ΔA(t), соответствующий временной джиттер можно оценить согласно линейной тео­ рии искажения малого сигнала в виде следующего уравнения: , где k = (dA0(t)/dt) — наклон, или ско­ рость нарастания сигнала. Это линей­ ное преобразование амплитудного шума во временной джиттер показано на рисунке 4. Можно увидеть, что для амплитуд­ ного шума ΔA соответствующий вре­ менной джиттер уменьшается при увеличении наклона, и наоборот. Для

Несобственный шум и джиттер

Несобственный шум и джиттер представляют собой отклонения от идеальности, связанные с системой. Другими словами, эти виды джитте­ ра и шума можно контролировать или устранять с помощью соответ­ ствующих мероприятий по улучше­ нию характеристик системы. Обычно встречаются следующие типы шумов и джиттера, связанные с системой: периодическая модуляция (фазовая, амплитудная или частотная), искаже­ ние рабочего цикла, межсимвольная интерференция, перекрестные поме­ хи, нежелательная интерференция, как например электромагнитные помехи из-за радиации, а также отражения, вызванные несогласованностью среды распространения сигнала. В следую­ щих разделах рассматриваются источ­ ники таких помех и их причины. Периодический шум и джиттер

Периодический шум или джиттер — это вид сигнала помехи, который повто­ ряется через определенный промежу­ ток времени. Математически он может быть описан с помощью следующего уравнения: , где T0 — период, t — время, ф0 — фаза периодического сигнала. Период T0 и частота f0 связаны соот­ ношением T0 = 1/f0. Хотя все используе­ мые в уравнении обозначения связаны с временным джиттером, аналогичные рассуждения могут быть применимы и к амплитудному шуму. Периодическая частотная функция может быть получе­ на с помощью преобразования Фурье. Периодический джиттер может быть вызван различными меха­ низмами модуляции, такими как амплитудная, частотная и фазовая модуляции. Кроме того, функция модуляции может иметь различную форму. Типичными формами модуля­ ции являются синусоидальная, треу­ гольная и пилообразная. Совершенно ясно, что периодический амплитуд­ ный шум вызывает периодический временной джиттер с амплитудой, обратно пропорциональной накло­ ну, или скорости нарастания фронта сигнала. В компьютерных системах периодический шум/джиттер может быть вызван такими причинами как влияние импульсного источника питания, широкополосного тактово­ го сигнала и периодических электро­ магнитных помех.

Искажение рабочего цикла

Искажение рабочего цикла опреде­ ляется как отклонение рабочего цикла от нормальной величины. Рабочий цикл представляет собой отношение длительности импульса к его периоду. Большинство тактовых сигналов имеет номинальное значение рабоче­ го цикла 50%. Поэтому более длинный или более короткий импульс могут вызывать искажение рабочего цикла. Это искажение может быть обуслов­ лено отклонением ширины импуль­ са или периода либо и тем, и другим одновременно. Кроме того, изменение ширины импульса может возникнуть из-за отклонения опорного уровня сиг­ нала. Другим механизмом появления искажения рабочего цикла является задержка распространения, когда так­ товый сигнал формируется из фронтов нарастания и спада двух тактовых сиг­ налов с вдвое более низкой частотой, у которых различное время распро­ странения. Межсимвольная интерференция

Межсимвольная интерференция связана с сигналом данных; тактовый сигнал не имеет этого вида помех по определению. Сигнал данных может сохранять свою амплитуду для несколь­ ких периодов без перехода фронта, в то время как тактовый сигнал меня­ ет свою амплитуду во время каждого периода. Представление данных для систем цифровых коммуникаций зави­ сит от схемы кодировки, принятой в этой системе. Важным параметром циф­ ровой схемы кодирования является рас­ стояние между соседними переходами, которое определяется как максималь­ ная длина последовательных «1» и «0» в пределах кодовой комбинации. Эта длина определяет наименьшую частоту спектра передаваемых данных и, сле­ довательно, устанавливает частотный диапазон для тестирования системы. Оптоволоконный стандарт SONET, рас­ считанный для применения на большие дистанции, использует схему защиты кода и может иметь довольно длинное расстояние между соседними перехо­ дами (например, 23 или 31) и, следова­ тельно, сравнительно низкочастотный спектр. Коммуникационные стандар­

ты для небольших расстояний, такие как Fibre Channel или Gigabit Ethernet, используют блочный код (например, кодировку 8B10B), который имеет более короткое расстояние между соседними переходами (например, 5) и сравни­ тельно более высокочастотный спектр. В среде с потерями предыдущий бит может вызвать отклонение как длитель­ ности фронта, так и амплитуды от иде­ альных значений. В коммуникационных системах на основе медного провода это объясняется эффектом «памяти» электронных приборов. Одним из таких эффектов является емкостной эффект. Из-за него каждое переключение сиг­ нала имеет ограниченное время заряда или разряда. Если сигнал переключит­ ся так, что следующее переключение произойдет до того, как предыдущее достигло требуемого уровня, отклоне­ ние времени и амплитуды происходит в текущем бите. Эффект межсимвольной интерференции проиллюстрирован на рисунке 5. Любое увеличение длительности импульса (или расширение) вызывает эффект межсимвольной интерферен­ ции. Поэтому следует ожидать этот эффект также и в оптоволоконной системе коммуникации. Для много­ модового оптоволокна механизм рас­ ширения называется модовой диспер­ сией. Разное время распространения волн в многмодовом оптоволокне вызывает расширение импульса на другом конце оптоволокна. Для одномодового опто­ волокна доминирующим механизмом расширения являются дисперсионные эффекты, включая хроматическую и поляризационную дисперсии. На рисун­ ке 6 показаны дисперсионные эффекты в оптоволокне. Перекрестные помехи в системе с медными проводами

Перекрестные помехи — это по существу явление интерференции. Они в основном встречаются в систе­ ме с несколькими каналами, в кото­ рых сигналы могут воздействовать друг на друга. Для системы на осно­ ве медных проводов перекрестные помехи вызываются электромагнит­ ным взаимодействием. Для интеграль­

Рис. 5. Временной и амплитудный эффект межсимвольной интерференции

электронные компоненты №10 2009

83 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

уменьшения джиттера цифрового сиг­ нала в системе это означает умень­ шение времени нарастания и спада импульса.

перекрестные помехи вызывают ампли­ тудный шум на передаваемом сигнале и, следовательно, временной джиттер, в свою очередь ухудшающий произво­ дительность системы. Количественное описание джиттера и шума Рис. 6. Эффекты межсимвольной интерференции в оптоволоконном канале связи

Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

84

ных схем, в которых геометрические размеры и расстояние между прово­ дниками довольно мало, доминирую­ щим механизмом является емкостная связь. Когда происходит переключе­ ние сигнала на одном канале, часть энергии этого сигнала переходит в соседний или перекрывающий канал из-за емкостной связи, что вызывает отклонение уровня сигнала на этом канале. Для схемы на уровне печат­ ной платы, где геометрия сравни­ тельно велика, одинаково важны как емкостная, так и индуктивная связь. Индуктивная связь подчиняется зако­ ну Ленца, согласно которому изме­ нение магнитного поля генерирует электрическое поле, которое связано с электрическим зарядом, вызываю­ щим изменение напряжения. В общем случае, эффект пере­ крестных помех можно смоделиро­ вать как флуктуации напряжения, или шум. Однако эти помехи могут непосредственно влиять и на джит­ тер. Когда две линии передачи имеют емкостную связь и происходит одно­ временное переключение цифро­ вых сигналов на двух линиях вблизи одного из их концов, фронт сигна­ лов на другом конце увеличивает­ ся, если переключение сигналов на двух линиях происходит синфазно (при одинаковой полярности), или уменьшается, если переключение происходит в противофазе (противо­ положная полярность). Помеху по напряжению из-за емкостной связи можно рассчитать согласно следующему уравнению: , где Zv — импеданс линии, которая была подвергнута воздействию поме­ хи; Cm — взаимная емкость линий; dVd/dt — производная по времени напряжения, приложенного к воздей­ ствующей линии. Для помехи по напряжению из-за индуктивной связи: , где Zd — импеданс приводной линии; Lm — взаимная индуктивность линий; dId/dt и dVd/dt — производные по вре­

www.elcp.ru

мени тока и напряжения драйвера, соответственно. Можно заметить, что напряжение перекрестных помех пропорциональ­ но скорости нарастания напряжения или тока. С увеличением скорости передачи данных или частоты перед­ ний фронт цифрового сигнала стано­ вится меньше. Следовательно, ско­ рость нарастания сигнала и шум из-за перекрестных помех увеличиваются. Как было сказано выше, временной джиттер, обусловленный перекрест­ ными помехами, можно оценить по скорости нарастания сигнала в конце линии. Перекрестные помехи в оптоволоконной системе

Перекрестные помехи могут также появляться в оптоволоконных систе­ мах, особенно в многоканальных систе­ мах, например там, где используется мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing — WDM). В WDM-системах и WDM-системах повышенной плотно­ сти (Dense WDM — DWDM) перекрест­ ные помехи могут проявляться через линейные и нелинейные эффекты. Линейные эффекты связаны с утечкой энергии фотонов с соседних каналов, которые имеют различные длины волн, в оптических фильтрах или демульти­ плексорах. К нелинейным эффектам относятся следующие.

– Вынужденное комбинационное рассеяние (Stimulated Raman Scat­ter­ ing — SRS), при котором каналы с корот­ кой волной могут усиливать каналы с длинной волной в широком диапазоне длин волн.

– Вынужденное рассеяние Ман­ дель­штама-Бриллюэна (Stimulated Bril­ louin Scattering — SBS), при котором каналы с короткой волной могут усили­ вать каналы с длинной волной в узком диапазоне длин волн.

– Четырехволновое смешение (Four-wave mixing — FWM), при котором новая волна или сигнал, или четвертая волна, генерируется, когда три длины волны трех WDM-каналов удовлетворя­ ют определенному соотношению. Подобно перекрестным помехам в медном проводе, оптоволоконные

Полный размах и среднеквадратичная величина джиттера

На протяжении многих лет джит­ тер количественно определялся по величине полного размаха и/или по среднеквадратичному отклонению. В настоящее время стало ясно, что такой подход не совсем правомерен. При наличии случайного и неограничен­ ного джиттера или шума (такого как тепловой или дробовой шум), ожидае­ мая величина полного размаха являет­ ся монотонно возрастающей функци­ ей размера статистической выборки. Полный размах — полезный параметр для ограниченных, но не для произ­ вольных значений джиттера или шума. Подобные проблемы происходят и при расчете среднеквадратичного отклонения. Для более точного количественного определения статистического распреде­ ления джиттера и шума нужно исполь­ зовать функцию плотности распреде­ ления вероятности (Probability Density Function — PDF) и связанные с ней компо­ ненты. Такой подход не только дает общее описание статистического процесса воз­ никновения джиттера и шума, но также позволяет выявлять их причины. Описание джиттера и шума с помощью PDF

Джиттер или шум является сложным статистическим сигналом и, следова­ тельно, может иметь много связанных с ним компонентов. Далее будем рас­ сматривать джиттер, однако аналогич­ ный подход применим к шуму. В общем случае, джиттер можно разделить на два компонента: детерминированный (Deterministic Jitter — DJ) и случайный (Random Jitter — RJ). Амплитуда DJ огра­ ничена, а RJ — неограниченна и имеет гауссово распределение. Детерминированный джиттер можно разделить на периодический джиттер; джиттер, зависимый от данных, и ограниченный некоррелированный джиттер. Джиттер, зависимый от дан­ ных, вызывается комбинацией искаже­ ния рабочего цикла и межсимвольной интерференции. Причинами ограни­ ченного некоррелированного джитте­ ра могут быть перекрестные помехи. Случайный джиттер может быть как единичным, так и множественным гауссовым. Каждый компонент джит­ тера имеет свои корневые причины и характеристики. Например, причиной

Рис. 7. Блок-диаграмма системы с последовательным каналом передачи

Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика типовой ФАПЧ

Рис. 9. Блок-схема эмуляции джиттера со стороны приемника системы последовательной передачи данных

Рис. 10. Амплитудно-частотная характеристика джиттера со стороны приемника после разностной функции

Передаточная функция джиттера при последовательной передаче данных

При последовательной переда­ че данных тактовый сигнал встроен в поток битов. На стороне приемни­ ка этот тактовый сигнал должен быть восстановлен с помощью специ­ ального устройства восстановления синхронизации, в качестве которого обычно используется схема ФАПЧ. Хорошо известно, что ФАПЧ имеет определенную частотную характери­ стику. Следовательно, когда приемник использует восстановленный тактовый сигнал для синхронизации принимае­ мых данных, изменение джиттера со стороны приемника подчиняется этой частотной характеристике. На рисун­ ке 7 показана блок-схема типовой системы с последовательным каналом передачи, включающей передатчик

(Tx), среду передачи, или канал, и при­ емник (Rx). ФАПЧ обычно имеет низкочастот­ ную характеристику Hl(f), показанную на рисунке 8. Приемник последовательных дан­ ных коммуникационной системы «видит» джиттер данных, которые син­ хронизируются восстановленным так­ товым сигналом. Следовательно, для эмуляции джиттера нужна разностная функция между тактовым сигналом и данными, как показано на рисунке 9. Так как устройство восстановления синхронизации (или ФАПЧ) имеет низ­ кочастотную передаточную функцию Hl(f), джиттер имеет высокочастотную передаточную функцию Hh(f), как пока­ зано на рисунке 10. При этом Hl(s) + + Hh(s) = 1, где s — это комплексная частота.

Исходя из высокочастотной переда­ точной функции джиттера, показанной на рисунке 10, видно, что приемник более эффективно способен отсле­ живать низкочастотный джиттер при частотах f < fc. На рисунке 11 показана маска допустимых значений джитте­ ра для передаточной функции рисун­ ка 10. Заметим, что наклон линии на рисун­ ках 10 и 11 имеет одинаковую величину, но противоположную полярность на частотах f < fc. Маска допустимых зна­ чений определяет минимальную вели­ чину джиттера, которую должен обе­ спечивать приемник, в зависимости от частоты передачи данных. Литература 1. Mike Peng Li. Jitter, Noise, and Signal Integrity at High-Speed: A Tutorial.

85 Т Е О Р И Я И П РА К Т И К А

детерминированного джиттера может быть среда с ограниченной полосой пропускания, отражения, перекрест­ ные помехи, электромагнитные поме­ хи, помехи по земле, периодическая модуляция или зависимость от коди­ ровки данных. Источниками случайно­ го джиттера могут быть тепловой шум, дробовой шум, фликер-шум, случайная модуляция или нестационарная интер­ ференция. Большинство компонентов шума аналогично рассмотренным компонен­ там джиттера, за исключением искаже­ ния рабочего цикла. Аналогичные ком­ поненты джиттера и шума могут или не могут быть взаимосвязаны.

Рис. 11. Маска допустимых значений джиттера приемника, соответствующая передаточной функции рисунка 10

электронные компоненты №10 2009

Двухканальный усилитель мощности звуковых частот класса D Семен Галкин, технический консультант, «Мастер Кит» В статье описаны характеристики, особенности и принцип работы двухканального усилителя мощности BM2073. Приведены рекомендации по конструкционному исполнению устройства. Многие радиолюбители конструируют линейные усилители мощности звуковых частот (УМЗЧ) с выходными каскадами, работающими в режимах AB, реже A или B. Однако подобные устройства, как правило, имеют большие габариты и низкий КПД. Более качественными и экономичными являются УМ класса D, основанные на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Цифровая обработка сигналов исключает возможность появления искажений и шумов в предварительных трактах обработки сигнала, упрощает и облегчает всевозможные линейные преобразования без использования механических регулировочных элементов, а также расширяет функциональность усилителя. Предлагаемый усилитель BM2073 (см. рис. 1) отличается большим количеством подключаемых каналов усиления и наличием цифрового входа. Описание работы

Усилитель поставляется в виде одноплатного стереомодуля с интегрированным модулятором сигналов TAS5086 и двухканальным оконечным усилителем TAS5162 мощностью до 2×210 Вт (на нагрузке 6 Ом). Дополнительно к нему можно подключить до четырех оконечных усилителей BM2071 мощностью 310 Вт.

п о с л е ра б о т ы

86

Рис. 1. Общий вид устройства

www.elcp.ru

Подключение цифрового источника звука, например персонального компьютера или DVD-проигрывателя, осуществляется через интерфейс S/PDIF («тюльпан»). Усилитель содержит сигнальный процессор (U12), микроконтроллер (U15), преобразователи напряжения (U5, U6 и U14), АЦП (U2, U3 и U4), тактовый генератор (U1), входной усилитель сигнала S/PDIF (U8), декодер S/PDIF (U7), мультиплексор сигналов I2S (U9), выходной стерео ШИМ-усилитель (U13); пассивный ФНЧ (L3—L6, C86, C87), а также согласующие логические схемы (U10 и U11) для подключения дополнительных усилителей ЗЧ BM2071. Принципиальную электрическую схему устройства можно найти в [3]. Для питания усилителя необходим источник питания с выходным напряжением 14,5…50 В. Чем выше напряжение питания, тем больше будет выходная мощность (см. рис. 2). Отметим, что при сопротивлении нагрузки 4 Ом максимальное напряжение питания не должно превышать 38,5 В во избежание перегрузки выходных каскадов усилителя. Аналоговый звуковой сигнал амплитудой не более 1,5 В преобразуется в АЦП (U2, U3 и U4) в цифровой формат I2S и подается на мультиплексор (U9).

Сигнальный процессор TAS5086 (U12), управляемый микроконтроллером U15, преобразует шестиканальный входной сигнал из формата I2S в выходные ШИМсигналы с частотой 384 кГц и индексом модуляции 96,1%. Процессор позволяет производить регулировку общей громкости в пределах –100...24 дБ, реализовать режим MUTE и мультиплексировать входные сигналы в зависимости от выбранного источника. Цифровой вход усилителя предназначен для приема только стереосигнала, поэтому в TAS5084 каналы 1 и 2 в режиме работы S/PDIF дублируются на выходы каналов 3 и 5, 4 и 6, соответственно. В режиме «аналоговый вход» все шесть каналов после АЦП независимо друг от друга проходят обработку в сигнальном процессоре и далее в формате ШИМ-сигналов передаются на оконечные усилители. На плате устройства размещен только один двухканальный оконечный усилитель TAS5162 мощностью до 2×210 Вт, усиливающий сигналы каналов 1 и 2. Дополнительные каналы реализуются подключением звуковых усилителей BM2071. Управление режимом работы усилителя и соответствующая индикация расположенными на плате светодиодами VD3 и VD4 осуществляется с помощью микроконтроллера U15. В режиме «вход S/PDIF» VD3 светит красным цветом. При выключении усилителя

Рис. 2. Зависимость выходной мощности PO от дейст­вующего значения напряжения питания PVDD

Параметр Значение Сопротивление нагрузки, Ом 4 (Uп.макс = 38,5 В)...8 Макс. выходная мощность каналов 1 и 2, Вт (при Rн=6 Ом, Кги=10%) 210 Диапазон регулировки громкости, дБ –100…24 Сопротивление регулятора громкости, кОм 1...100 Напряжение питания, В 14,5...50 Номинальное входное напряжение, В 1 Цифровой вход S/PDIF Есть Частота дискретизации, кГц 28…105 Входное сопротивление, Ом 75 Входное напряжение, В 0,15...5 Номинальный уровень выходных ШИМ-сигналов (PWM_P, PWM_N), В 3,3 Уровень входных/выходных логических сигналов управления (OTW, SD, RESET – TTL-совместимые), В 3,3 Частота дискретизации входного звукового сигнала, кГц 96 Частота ШИМ, кГц 384 Динамический диапазон, дБ ≥104 Общие гармонические искажения + шум (Uпит = 50 В, Rн = 6 Ом, F = 1 кГц, Pвых = 160 Вт), % 0,2 Мощность выхода вентилятора 12 В × 0,2 А Ток потребления усилителя в ждущем режиме не более, мА 50 Габаритные размеры печатной платы, мм 84×152

внешней кнопкой выключения On/Off загорается светодиод VD4. По умолчанию при первой подаче напряжения питания усилитель автоматически переходит в режим «аналоговый вход». При этом уровень усиления выставляется номинальным — 0 дБ. Для полноценной работы усилителя предусмотрено подключение внешних схем управления и индикации.

В схеме также предусмотрена защита от перегрузок и перегрева. Конструкция

Конструктивно усилитель выполнен на двусторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. К устройству можно подключить следующие кнопки управления: кнопку выключения (On/Off), кнопку приглуше-

ния звука (MUTE), регулировку громкости (Volume+ и Volume-), кнопку выбора источника сигнала (Digital/Analog). Подключив к основной плате четыре дополнительных блока BM2071, можно реализовать шестиканальный УМЗЧ для домашнего кинотеатра. Для его питания мы рекомендуем использовать импульсные источники питания PW4873B ( 48 В, 7,3 А). Узнать более подробную информацию об усилителе звука BМ2073 и о магазинах, где его можно приобрести, можно на сайте компании (www.masterkit.ru), а получить техническую консультацию — по электронной почте: infomk@masterkit.ru или тел.: (495) 234-77-66. Литература: 1. Четырехканальный цифровой звуковой процессор с УМЗЧ класса D мощностью до 4х315 Вт//Радиохобби, №5(59)/октябрь 2007.

2. Современный HI-FI-аудиоусилитель на базе блоков МАСТЕР КИТ//Новости электроники, №20(46)/ 2007.

3. BM2073 — 2-канальный усилитель звуковых частот (2×210 Вт)// www.masterkit.ru/main/set.php?num=1275.

4. BM2072 — Цифровой усилитель D-класса мощностью 315 Вт c цифровым процессором звука (базовый одноканальный комплект//www.masterkit.ru/main/set. php?num=1144.

электронные компоненты №10 2009

87 п о с л е ра б о т ы

Таблица 1. Технические характеристики

Нетускнеющий светодиодный фонарь Юрген Штанидер (Jürgen Stannieder), журнал Elektor

Яркость лампочного или светодиодного фонаря зависит от разряда батареи. В статье предлагается схема, обеспечивающая одинаковую яркость светодиодов, которая не зависит от уровня разряда батареи. Традиционные ручные фонари с лампами накаливания имеют ряд недостатков. Избавиться от них довольно просто — надо заменить лампы накаливания более эффективными светодиодами, имеющими размер всего 5 мм и мощность 70 мВт. Существуют более яркие белые светодиоды мощностью 1 Вт, однако они пока довольно дороги. К сожалению, просто заменить лампу светодиодом не получится. Для работы фонаря с постоянной яркостью ток через светодиод также следует поддерживать постоянным. Предлагаемая в данной статье схема (см. рис. 1) обеспечивает это условие. Импульсный стабилизатор уменьшает потери и одновременно поддерживает постоянный уровень светового потока при уменьшении напряжения питания. Во-вторых, регулируемый источник постоянного тока поддерживает стабильные условия работы светодиодов. Основа предлагаемой схемы — импульсный регулятор напряжения LM2577T-ADJ, который преобразует входное напряжение 4,8 В в выходное 10…12 В. Схема питается от 4 аккумуляторов NiMH, подключенных последовательно. Напряжение 10…12 В используется для питания трех последовательно включенных белых светодиодов.

п о с л е ра б о т ы

88

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема

www.elcp.ru

Микросхема IC2 состоит из двух операционных усилителей (ОУ), один из которых (IC2А) образует регулируемый источник тока, а другой (IC2В) выключает светодиод, когда напряжение питания становится ниже порогового уровня. Стабилитрон D2 обеспечивает напряжение 2,7 В. Оно используется для формирования опорного напряжения источника тока (задается делителем R9 и P3) и для задания порога минимального напряжения, при котором отключается светодиод. В последнем случае напряжение стабилитрона сравнивается с напряжением батарей, поступающим на вход IC2В с потенциометра Р2. Отметим, что схема все еще будет потреблять несколько миллиампер, поэтому порог отключения питания лучше установить на уровне 1 В для каждого аккумулятора. В нашей схеме четыре аккумулятора, поэтому Р2 следует настроить так, чтобы светодиоды отключались при уменьшении напряжения питания до 4 В. Диапазон регулировки Р2 обеспечивает напряжение примерно 3...10 В. Для схемы, изображенной на рисунке 1, подходит напряжение 3…6 В. Диапазон регулировки P3 позволяет менять ток через резисторы R12—R15 в пределах 0...0,5 А. Рабочий ток светодиода мощностью 1 Вт обычно равен

350 мА. Таким образом, на включенных параллельно резисторах обратной связи падение напряжения составляет 88 мВ. В случае если на входах ОУ LM358 будет нулевое напряжение, то на выходе — 0,6 В. Следовательно, даже при минимальном значении Р3 через светодиоды будет протекать ток величиной несколько миллиампер. В лаборатории Elektor было измерено, что при напряжении питания 4,8 В ток через светодиоды равен 0,35 А, и аккумуляторов емкостью 2000 мА∙ч хватит на два часа непрерывной работы. КПД схемы составляет 82% при питании от четырех аккумуляторов и 89% — от пяти. Подключение готовой схемы не составляет труда. Используя источник переменного напряжения, установите выходное напряжение на уровне 4,8 В. Подсоедините светодиоды последовательно к аноду и катоду К1 и отрегулируйте потенциометр Р1 так, чтобы напряжение между анодом и землей было равно 12 В. Далее с помощью Р3 необходимо отрегулировать ток через резисторы R12—R15 так, чтобы падение напряжения на них составило 88 мВ. Для оптимальной эффективности можно уменьшить напряжение питания с помощью Р1. Однако при этом следует убедиться, что падение напряжения через рези-

сторы R12—R15 не снизилось, т.е. ток не изменился. В завершение осталось настроить потенциометр Р2 так, чтобы светодиоды отключились при снижении напряжения питания до 4 В. Значение Р2 не должно быть слишком большим, чтобы диоды полностью выключались и не светили. Печатная плата показана на рисунке 2, а перечень элементов — в таблице 1. По вопросам приобретения образцов или сотрудничества с Elektor обращайтесь к Антону Денисову, anton@elcp.ru, тел.: 741-77-01.

Рис. 2. Печатная плата

Таблица 1. Перечень элементов

Конденсаторы Индуктивности Диоды Прочее

R1, R3 = 2,2 кОм; R2 = 22 кОм; R4, R5, R6 = 1 кОм; R7, R9 = 100 кОм; R8 = 3,9 МОм; R10 = 4,7 кОм; R11 = 560 Ом; R12, R13, R14, R15 = 1 Ом; P1, P2 = 10 кОм; P3 = 5 кОм C1 = 330 нФ (MKT, с шагом выводов 5 или 7,5 мм); C2 = 47 мкФ (25 В, с радиальными выводами с шагом 2,5 мм, макс. диам. 8,5 мм); C3, C4, C9 = 100 нФ (керамические, с шагом выводов 5 мм); C5, C6 = 470 мкФ (16 В, с радиальными выводами с шагом 2,5 мм, макс. диам. 8,5 мм); C7 = 10 мкФ (63 В, с радиальными выводами с шагом 2,5 мм, макс. диам. 6,5 мм); C8 = 100 пФ (керамический, с шагом выводов 5 мм) L1 = 100 мкГн (цилиндрическая катушка) Рекомендуемые компоненты: 5800-101 (Bourns), B82111EC25 (Epcos) или MESC-101 (Fastron) D1 = 1N5822; D2 – стабилитрон (2,7 В, 0,5 Вт); D3 = 1N4148 T1 = BD139; IC1 = LM2577T-ADJ (корпус TO-220-5); IC2 = LM358 (DIP-8); K1 = колодка с двумя клеммами с шагом выводов 5 мм; S1 = однополюсный переключатель BT1 = батарея из четырех аккумуляторов 3 светодиода мощностью 1 Вт

Обзор журнала Elektor №9, 2009 Тема сентябрьского номера Elektor — автомобильные технологии. Особое внимание уделено различным устройствам передвижения, аккумуляторам для них и всевозможным советам и хитростям, позволяющим продлить их срок службы. Рубрика технологий посвящена типам источников питания для электромобилей и гибридных авто. Согласно приведенным расчетам, наиболее перспективным источником питания для электромобилей станут литиевые аккумуляторы, поскольку они имеют самый высокий КПД. По оценкам мировых производителей, наибольшее распространение «зеленые» автомобили получат в первую очередь в Китае и Индии, где уже в текущем году было продано несколько миллионов скутеров и велосипедов с электрическим двигателем. В статье рассмотрены характеристики различных типов аккумуляторов, а также описаны особенности их изготовления и тестирования. В продолжение автомобильной тематики читателям предлагается статья, посвященная улучшенной модели анализатора OBD2 для встроенной самодиагностики состояния автомобиля (отслеживание таких показателей как количество оборотов в секунду, выброс газов, температура двигателя и т.д.). Карманный анализатор с ЖК-дисплеем построен на ядре ARM Cortex-M3 с использованием открытых интерфейсов пользователя. Он очень удобен, поскольку не требует подключения к ноутбуку. Питание анализатора берется с источника +12 В. Определение неисправности производится внутри модуля, после чего информация выдается на ЖКИ в понятном виде. Если причина неисправности не может быть установлена, OBD2 покажет сообщение Malfunction, сигнализирующее о том, что требуется дальнейшая более тщательная диагностика. Не только автолюбителям, но и велосипедистам будет полезен карманный GPS Datalogger — USB-устройство, запоминающее пройденный путь и отображающее его на картах GoogleEarth. Во время движения Datalogger записывает координаты передвижения, а при подключении к компьютеру с помощью прилагаемого ПО связывает их с картами GoogleEarth. В отличие от стандартных навигаторов и трекеров, у пользователя есть доступ ко всем инструментам GoogleEarth, а также возможность показывать и комментировать свои передвижения в глобальной сети в режиме реального времени. Также Elektor знакомит читателей со своей последней разработкой, необычным самобалансирующимся устройством передвижения — Wheelie. Оно похоже на самокат, но колеса расположены на одной оси. Несмотря на внешнюю неустойчивость, двухколесная конструкция прекрасно держит баланс и не дает человеку падать. В статьях описан принцип работы Wheelie, а также дано подробное руководство по его сборке и изготовлению аккумулятора. Вниманию разработчиков приложений на микроконтроллерах предлагается отладочный набор, состоящий из 32-разрядного МК R32C111 фирмы Renesas,

OLED-дисплея, а также реализованных интерфейсов I2S, SD и различных открытых интерфейсов пользователя. Набор предназначен для отладки приложений как средней, так и высокой сложности. В качестве примера в статье рассматривается реализация двухканального осциллографа. В журнале появилась новая постоянная рубрика E-LABs Inside («В лаборатории Elektor»), посвященная работе лаборатории Elektor. В ней инженеры рассказывают, о проблемах, с которыми они сталкиваются, и найденных решениях, дают рекомендации и советы читателям, а также отвечают на вопросы, присланные в редакцию. В этом номере они делятся советами по двусторонней пайке компонентов в печи, а также рассказывают об испытаниях осциллографа DLM2054 стоимостью 12 тыс. евро, которые им удалось провести. В рубрике также можно узнать о том, как сделать простой и недорогой мобильный телефон, предназначенный исключительно для звонков и обмена сообщениями. Кроме того, в номере представлен универсальный индикатор степени заряда/ разряда батареи. Изначально устройство было разработано для контроля разряда солнечных батарей, однако оно подходит для всех типов аккумуляторов. Нетематическая часть журнала посвящена следующим устройствам: счетчик радиоактивных распадов, самодельные электронные шахматы. В ней также опубликовано очередное продолжение курса по языку С. В рубрике «Ретроника» можно познакомиться с устройством радиоприемника 1962 г. выпуска, который работает в течение уже 47 лет. Автор предлагает заглянуть внутрь раритета и проследить, много ли изменилось в принципе построения приемников за полвека.

Анонс следующего выпуска журнала Elektor Тема октябрьского номера Elektor — «Акустика». В рубрике «Технологии» рассматриваются основные принципы построения направленных акустических систем. В тематической части номера представлено несколько вариантов звуковых усилителей мощности, среди которых можно найти УМ на основе МК, ламповый усилитель и др., а также устройство, позволяющее оценить индивидуальный диапазон слуха человека. В рубрике «Рынок» приводится сравнительный обзор 10 распространенных моделей наушников с шумоподавлением. Кроме того, из номера можно узнать, как сделать светодиодную клавиатуру, устройство, определяющее наклон автомобиля, а также познакомиться с прародителем операционных усилителей. Вниманию туристов и парапланеристов предлагается статья о барометрическом измерителе высоты.

электронные компоненты №10 2009

89 п о с л е ра б о т ы

Резисторы

90

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| Сбои ОЗУ | Наблюдения за десятками тысяч серверов Google, проводившиеся в течение 2,5 лет, показали, что частота ошибок в модулях памяти превышает в сотни и тысячи раз общепринятые представления о возможной интенсивности сбоев данного типа. В среднем на один модуль DIMM пришлось 3751 корректируемых ошибок в течение года. В исследовании рассматривались разнообразные платформы от множества производителей, а также различные типы динамической памяти, включая DDR1, DDR2 и FB-DIMM. В серверах Google применяется память со схемами коррекции ошибок (Error Correcting Code — ECC), которая обеспечивает исправление одиночных ошибок и регистрацию двойных. И в том, и в другом случае имеется возможность фиксировать информацию об их появлении. В пользовательских системах, за редким исключением, применяется память без ECC, поэтому сбои в DIMM могут сопровождаться разнообразнейшими эффектами и разрушением данных, но при этом непосредственного указания на первоисточник неприятностей пользователь не получит. Отражение сложившихся представлений о надежности памяти можно найти в старом документе FAQ сайта AnandTech с данными компании IBM, указывающей вероятность проявления ошибок в модуле 128 Мбайт PC100 SDRAM на уровне одной в месяц, и Micron, заявляющей об одной ошибке в течение полугода. Проведенные Google исследования заставляют пересмотреть столь неоправданные надежды по поводу надежности динамической памяти. И все же некоторые аспекты исследования можно трактовать оптимистично, например: – было обнаружено, что температурные условия слабо влияют на интенсивность проявления ошибок и, следовательно, героические усилия по охлаждению модулей в общем случае не требуются; – большая плотность компоновки DRAM в более современных типах памяти не сопровождается пропорциональным ростом ошибок; – нет существенных различий по надежности между модулями различных типов (DDR1, DDR2 или FB-DIMM) или между модулями от различных производителей. Следовательно, можно выбирать более выгодные по цене варианты (по меньшей мере, среди модулей с ECC); – в среднем только 8% DIMM подвержены ошибкам в течение года. Меньше модулей — меньше проблем, и это утешительные новости для владельцев систем с небольшим объемом памяти. Исследование выявило большую интенсивность проявления ошибок на системных платах определенных моделей, вне зависимости от производителей DIMM. Это означает, что некоторые платы реализованы неудачно, с точки зрения влияния электромагнитных излучений их компонентов. Наконец, полученные результаты развеивают сомнения в целесообразности памяти с ECC в серверах и дают повод всерьез задуматься о переходе на ее массовое применение в пользовательских системах. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Новые компоненты на российском рынке АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

2-осевой гироскоп; GPS-часть построена на чипсете SiRF Star III. Leadtek Research Inc. www.leadtek.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО Новый драйвер International Rectifier для автомобильных применений

Компания International Rectifier анонсировала новый 150-В драйвер верхнего плеча AUIRS2016S для автомобильных применений.

AUIRS2016S — высоковольтный драйвер верхнего плеча для управления мощными силовыми MOSFET с функцией внутреннего перезаряда Vs-to-GND. Выходной каскад устройства представляет собой вы­ход­ ной буфер, рассчитанный на импульсный ток 250 мА. Уст­рой­ство может быть использовано для управления n-канальным MOSFET как драйвер верхнего плеча на напряжение до 150 В. Устройство соответствует нормам RoHS. Краткая техническая информация приведена в таблице. Наименование Корпус VOUT, В AUIRS2016S SOIC-8 4,4…20

IO+ & IO-, А 0,25

Ton/off, нс 150

DTON/DTOFF 70 нс/6 мкс

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Новые приемники со встроенным инерциальным блоком от Leadtek

Образцы GPS-приемников компании Leadtek со встроенным инерциальным датчиком, анонсированные весной 2009 г., теперь стали доступны для заказа со склада производителя. Сущность инерциальной навигации состоит в определении ускорения объекта и его угловых скоростей с помощью установленных на движущемся объекте приборов и устройств, а по этим данным — местоположения (координат) этого объекта, его курса, скорости, пройденного пути и др. Это осуществляется с помощью: – датчиков линейного ускорения (акселерометров); – гироскопических устройств, воспроизводящих на объекте систему отсчета и позволяющих определять углы поворота объекта; – вычислительных устройств, которые по ускорениям (путем их интегрирования) находят скорость объекта, его координаты и др. параметры движения. Использование подобного решения совместно с GPS позволяет избегать разрывов в получении навигационных данных от приемников GPS, а также помогает получить гладкий трек даже при движении в городском каньоне. Линейка продуктов Leadtek со встроенными датчиками ускорения и гироскопами представлена 3-мя модулями: – LR9925 — инерциальный блок, содержит встроенный 3-осевой датчик ускорения и 3-осевой гироскоп; – LR9050 — GPS-приемник со встроенным инерциальным блоком, содержит 3-осевой датчик ускорения и 2-осевой гироскоп; GPS-часть построена на чипсете MTK MT3329; – LR9550 — GPS-приемник со встроенным инерциальным блоком, содержит 3-осевой датчик ускорения и

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Новый Large Can DirectFET® MOSFET от International Rectifier

Компания International Rectifier анонсировала новый DirectFET® MOSFET IRF6718 с самым низким сопротивлением открытого канала RDS(on). Новое 25-В устройство оптимизировано для применения в качестве DC-переключателей следующих типов: активный O-Ring (силовая схема соединения ИЛИ источников питания), Hot Swap (горячая замена без отключения электропитания и прекращения работы) и E-Fuse (электронный предохранитель). Особенностью IRF6718 является корпусирование кристалла транзистора по технологии последнего поколения Large Can DirectFET. Данная технология позволила получить чрезвычайно низкое значение сопротивления открытого канала RDS(on) — 0,5 мОм (типовое значение при напряжении 10 В), а также уменьшить на 60% занимаемую на плате площадь и на 85% высоту корпуса по сравнению с D2PAK. Новая технология корпусирования кристалла позволяет значительно уменьшить потери проводимости транзисторов DirectFET за счет того, что отсутствует разварка кристалла, не используется пластмассовый корпус, достигается максимальное соотношение площади кристалла к площади корпуса и значительно улучшается тепловая эффективность всей системы.

IRF6718 имеет улучшенную область безопасной работы с возможностью Hot Swap и E-Fuse. Устройство соответствует нормам RoHS. Основные технические характеристики транзистора представлены в таблице. Наиме­ нование IRF6718 IRF6717 IRF6713

RDS(on) (тип., RDS(on) (тип., при 10 В), при 4,5 В), мОм мОм 0,5 1,0 0,95 1,6 2,2 3,5

Размеры RDS(on) (тип., ID (при корпуса, при 10 В), TA = 25ºC), А мм×мм мОм x мм2 ±20 61 7 x 9,1 31,9 ±20 38 4,9 x 6,3 29,3 ±20 22 3,8 x 4,8 40,1

VGS, В

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

Новые 150- и 200-В MOSFET для промышленных приложений от International Rectifier

Компания International Rectifier анонсировала новые MOSFET серии IRFB46xx и IRFS46xx на 150

электронные компоненты №10 2009

91

и 200 В с ультранизким значением заряда затвора Qg для промышленных приложений. Новые MOSFET-транзисторы предназначены для таких приложений как источники питания типа Switch Mode Power Supplies (SMPS), источники бесперебойного питания (UPS), инверторы и драйверы электродвигателей постоянного тока. Данные приборы оптимизированы для схемных решений, где требуется высокая скорость переключения и важны малые потери в режиме переключения. У новых MOSFET, рассчитанных на напряжение 150 В, значение Qg на 59% ниже, а у 200-В на 33% ниже, чем у конкурирующих производителей. Новые MOSFET серий IRFB46xx и IRFS46xx имеют самую выгодную рыночную цену и доступны в корпусах TO-220, D2-PAK, TO-262, D-PAK и I-PAK. Приборы соответствуют нормам RoHS. Краткая техническая информация приведена в таблице. Наимено­вание IRFB4615PBF IRFS4615PBF IRFSL4615PBF IRFB4620PBF IRFS4620PBF IRFSL4620PBF

Корпус Напряжение, В ID, A RDS(on) (макс.), мОм Qg, нК TO-220 150 35 39 26 D2-PAK 150 35 39 26 TO-262 150 35 39 26 TO-220 200 25 72,5 25 D2-PAK 200 25 72,5 25 TO-262 200 25 72,5 25

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

Новые Benchmark MOSFET для промышленных приложений от International Rectifier

92

Компания International Rectifier анонсировала новые MOSFET на 30 В с ультранизким значением заряда затвора Qg для промышленных приложений. Новые Benchmark (эталонные в своем классе) MOSFET предназначены для применения в источниках бесперебойного питания (UPS), высокоэффективных низковольтных DC/DC-пре­о б­разо­в а­телях, приложениях типа O-Ring (силовая схема соединения ИЛИ источников питания), источниках питания для серверов и сетевых рабочих станций. Новые устройства сочетают в себе высокие эксплуатационные характеристики и производительность и имеют привлекательную, низкую стоимость. Новые MOSFET представляют собой прямую улучшенную замену существующих 30-В MOSFET в корпусе TO-220 и являются развитием линейки Benchmark MOSFET компании International Rectifier. Данные MOSFET выполнены в корпусе TO-220AB и соответствуют нормам RoHS. Краткая техническая информация представлена в таблице.

ID, A R , мОм Qg Qgd Наи­ме­но­ва­ V , DS(on) (тип.), (тип.), Корпус BRDSS при при при при ние В нК 4,5 В 10 В TC = 25°C TC = 100°C нК IRLB8721PbF 4,5 8,7 62 44 7,6 3,4 IRLB8743PbF IRLB8748PbF

TO-220AB

30

IRLB3813PbF International Rectifier www.irf.com

4,2

3,2

150

110

36

13

6,8

4,8

92

65

15

5,9

2,6

1,95

260

190

57

19

Дополнительная информация: см. «Компэл», ЗАО

WWW.ELCP.RU

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Высокоэффективный 15-Вт преобразователь с малым энергопотреблением на микросхеме TOP254EN от Power Integrations

Схема преобразователя основана на микросхеме TOP245EN компании Power Integrations в обратноходовой топологии. Устройство компактно, работает от универсального диапазона входного напряжения и обладает высокой энергетической эффективностью. Схема основана на микросхеме TOP245EN, которая включает в себя высоковольтный силовой MOSFET-ключ и ШИМконтроллер. Работа на частоте 133 кГц позволяет уменьшить габариты моточных изделий и увеличивает КПД. Кроме того, работа на высокой частоте никак не сказывается на уровне ЭМИ, так как в микросхемах Power Integrations применена технология снижения ЭМИ — Frequency Jitter. Диапазон рабочих температур преобразователя составляет 0…40˚C. В схеме применена тепловая защита. Основные параметры преобразователя: – диапазон входного напряжения 90…265 В AC; – выходное напряжение 6 В; – выходной ток 2,5 A. Особенности устройства: – малое число компонентов; – очень низкое энергопотребление в режиме «без нагрузки» (не более 140 мВт при 230 В AC) – высокий КПД в активном режиме (не менее 80%); – высокая энергетическая эффективность в режимах standby и sleep; – интеллектуальная тепловая защита с автовосстановлением; – используется низкопрофильный корпус Power Integrations — eSIP. Применение: зарядно-питающее устройство. Преобразователь отвечает стандартам: по ЭМИ — CISPR22B/EN55022B , по безопасности — IEC950/UL1950 Class II. Power Integrations www.powerint.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

1-Вт DC/DC-преоб­разо­ва­ тели с изоляцией 12 кВ от Mornsun

Компания Mornsun предлагает DC/DC-пре­об­ра­зователи серии YBxxxxD-1W (YAxxxxD-1W). Преобразователи с выходной мощностью 1 Вт выполнены в компактном корпусе (37,0×23,0×15,0 мм) со стандартным промышленным расположением выводов. Диапазон входных напряжений 12 В ±10%. Рабочий температурный диапазон –40…85°С, прочность изоляции вход/ выход 12 кВ (в течение 1 мин). Преобразователи имеют выход 12 В (YB1212D-1W), ±12 В (YA1212D-1W) и снабжены защитой от короткого замыкания. Достоинством данной серии является высокая прочность изоляции.

Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО

Новые DC/DC-преобразователи для монтажа в отверстия печатной платы от Murata-PS

Новая серия миниатюрных неизолированных DC/DC-преобра­зова­те­ лей от Mornsun

Компания Mornsun расширила свой модельный ряд миниатюрными DC/DC-преобразователями. Новые преобразователи с выходными токами 1000 мА имеют корпус SIP3 (11,5×10,2×7,55 мм) для монтажа на печатную плату в отверстия, рабочий температурный диапазон –40…85°С, без гальванической развязки вход/выход. Серия K78xxM-1000 рассчитана на входной диапазон напряжений до 20 В DC и один стабилизированный выход (3,3 и 5 В DC). Стандартное расположение выводов совпадает с аналогичными преобразователями, предназначенными для pin-topin-замены линейных стабилизаторов популярной серии 78SR. Преобразователи имеют стабилизированный выход и снабжены защитой от короткого замыкания и перегрева. Серию K78xxM-1000 отличает низкий уровень шумов на выходе (в полосе 20 МГц не более 35 мВ (размах)) и очень высокий КПД (до 93%). Собственный ток потребления не превышает 7 мА. Отличительной особенностью серии являются малые габариты.

Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО Семейство преобразователей мощностью 240 Вт от Ericsson

Компания Ericsson представляет первый преобразователь мощностью 240 Вт форм-фактора 1/8 brick с широким диапазоном входных напряжений и цифровым интерфейсом для удобного управления и мониторинга. Силовые модули BMR 454 способны обеспечить на выходе мощность в два раза большую, чем у большинства преобразователей данного класса, обладают широким диапазоном входных напряжений 36…75 В и регулируемым выходным напряжением с малым допуском. КПД модуля составляет 95%, интерфейс управления — PMBus. Модуль может быть использован как промежуточный шинный преобразователь (IBC) или как традиционный DC/DC-преобразователь. Преобразователь может применяться в таких устройствах как жесткие диски, системы вентилирования, телекоммуникационное оборудование с напряжением питания 48 В (базовые станции, серверы, маршрутизаторы, системы широкополосного доступа). Модуль может быть использован для улучшения параметров энергетической эффективности устройства, так как в процессе работы его выходные параметры точно подстраиваются под потребности нагрузки. Выходное напряжение модуля можно установить в диапазоне 8,1…13,2 В с допус­ ком ±2%. Благодаря плотности мощности более чем 18 Вт/см2 и pin-to-pin-совместимости с ранней моделью BMR453, разработчики могут без труда использовать его при модернизации ранее спроектированных устройств. КПД модуля при входном напряжении 53 В, выходном напряжении 12 В на полной нагрузке 20 А составляет 95%. Напряжение изоляции вход/выход составляет 1500 В DC. Ключевые особенности BMR 454: – промышленный стандарт Eighth-brick (58,4×22,7×10,2 мм); – время наработки на отказ 1,13 млн ч; – сертификат производителя ISO 9001/14001; – совместим с PMBus Revision 1.1.

Ericsson www.ericsson.com

Дополнительная информация: см. «Макро Групп», ЗАО

Компания Murata Power Solutions занимает первое место в мире по производству DC/DC-преобразователей. В этом году в серийное производство запущены новые серии преобразователей. Данные компоненты имеют конкурентные цены и доступны для заказа. Преимущества серии UEI перед конкурентами: – выше надежность (MTBF от 2 000 000 до 4 100 000 ч против 70 000 ч у основного конкурента); – более компактные размеры, что позволяет уменьшить площадь печатной платы; – лучшие температурные характеристики (из-за отсутствия корпуса); – выше КПД. Основные технические характеристики приведены в таблице. Внешний вид

Рабочий диапазон температур –40…85°С Мощ­ Изо­ля­ Вход, Выход, Особенности Серия ность, ция, В В DC В DC Вт DC Совместимы по расположению выводов 2000 или 9…36, 3,3, 5, UEI15 15 с TEN15WI, 2250 18…75 12, 15 TON15WI, THN15WI (TRACO) Совместимы по расположе2000 или 9…36, 3,3, 5, нию выводов UEI30 30 2250 18…75 12, 15 с TEN30WI, TEN30WIN, (TRACO) Совместимы по расположе2000 или 9…36, 3,3, 5, UEI50-60 50, 60 нию выводов 2250 18…75 12, 15 с TEN40WI (TRACO) Совместимы 3,3, 5, по расположе12, 15 нию выводов с TEN5WI (TRACO)

NCS6C

6

1500

9…36, 18…75

NDS6C

6

1500

Совместимы 5, 12, 15, по расположе18…36 ±5, ±12, нию выводов с ±15 TEN5 (TRACO)

Murata-PS www.murata-ps.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Новый драйвер XPhase от International Rectifier

Компания International Rectifier анонсировала новый драйвер XPhase с независимой функцией энергосбережения IR3527. Устройство предназначено для таких применений как многофазные понижающие преобразователи с низким энерго­потреблением. Устройство содержит интегрированный драйвер верхнего и нижнего плеча с ограничительным (Boot­strap) диодом. Выходное напряжение преобразователя не превышает 5,1 В.

электронные компоненты №10 2009

93

Кроме того, устройство содержим ШИМ-регулятор с автокалибровкой (автоподстройкой) и усилитель сигнала датчика тока. Устройство соответствует нормам RoHS. Краткая техническая информация представлена в таблице. Наименование

Корпус

Метод изме- PSI совмести- IH Source/ IL Source/ Sink, А Sink, А рения тока мость

IR3527

MLPQ-24 (4×4 мм)

Inductor DCR

Да

2/2

2/4

International Rectifier www.irf.com

Дополнительная информация: см. «Компэл», ЗАО

МК И DSP

Новое семейство коммуникационных процессоров от Freescale

Компания Freescale Semiconductor выпустила новое семейство коммуникационных процессоров QorIQ на ядре e500 Power Architecture, выполненных по технологии 45 нм. Применение данной технологии позволило существенно сократить потребляемую мощность и избавить разработчиков от необходимости установки вентиляторных систем охлаждения. Например, двухядерный процессор семейства P2020 с поддержкой трех 1-Гбайт Ethernet-портов, PCI express и памяти DDR3 на частоте 1,2 ГГц с производительностью 2,4 MIPS/МГц будет потреблять менее 8 Вт. Данное семейство процессоров может найти применение в робототехнике, беспроводных маршрутизаторах, телекоммуникационном оборудовании, бортовых компьютерах, в навигационных комплексах. Процессоры поддерживаются операционными системами Linux, QNX, Green Hills, Wind River. Сравнительные характеристики по процессорам приведены в таблице.

94

Процессорное ядро Кэш L2 DDR I/F 10/100/1000 Ethernet (с IEEE® 1588v2) TDM PCI Express® 1.0a Serial RapidIO® 1.2 USB 2.0 Карты памяти Другие интерфейсы Корпус

P1011 P1020 P2010 P2020 e500, до Dual e500, до e500, до 1200 МГц Dual e500, до 800 MГц 32K I/D 800 MГц 32K I/D 32K I/D 1200 МГц 32K I/D 256 Кбайт 512 Кбайт DDR2/3, 32-бит DDR2/3, 32-/64-бит 3 w/(2) SGMII Да 2 контроллера с 4 SerDes – 2

– 3 контроллера с 4 SerDes 2×1 или 1×4 1

SD/MMC SPI, 2xI2C, DUART 689 TePBGAI

Freescale Semiconductor www.freescale.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

СВЕТОТЕХНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА Сверхтонкий многокристальный светодиод от Cree

Новая серия светодиодов MX-6 компании Cree разработана специально для применения в линейных системах освещения. Светодиоды этой серии будут доступны в вариантах теплого и холодного белого цветов свечения. Типовое значение силы тока составляет 300 мА. При этом достигается световой поток 100 лм при светоотдаче 101 лм/Вт для холодного белого цвета свечения и световой

WWW.ELCP.RU

поток 80 лм при светоотдаче 81 лм/Вт для теплого белого цвета свечения. Максимально допустимое значение силы тока составляет 350 мА. Светодиоды новой серии размещаются в корпусе прямоугольной формы для поверхностного монтажа с тепловым сопротивлением 5…8°С/Вт, что в сочетании с высокой предельной температурой p-n-перехода 150°С позволяет их успешно использовать при токах, близких к максимальным. Светодиоды MX-6 предназначены для применения в ли­ней­ных системах освещения, приборах интерьерного и де­ко­ративного освещения, изделиях, заменяющих трубчатые люминесцентные, направленные и всенаправленные лампы и других областях.

Cree, Inc. www.cree.com

Дополнительная информация: см. «Компэл», ЗАО XP-G — новая серия светодиодов компании Cree

Семейство светодиодов XP компании Cree получило свое дальнейшее развитие в новой серии XP-G. При этом были достигнуты рекордные показатели световой эффективности 128 лм/Вт (при токе 350 мА) и величины излучаемого светового потока 335 лм (при токе 1000 мА).

В сравнении с предыдущей разработкой компании, в светодиодах серии XP-G получен значительный выигрыш по основным параметрам: увеличение светового потока составило 35%, а светоотдачи — 44%. При использовании светодиода с подобными характеристиками становится возможным уменьшить габариты конечного устройства, количество применяемых источников света, элементов вторичной оптики и пр. Новинка с успехом найдет применение в таких областях светотехники как системы наружного освещения (уменьшение стоимости этих систем может быть достигнуто за счет уменьшения числа используемых светодиодов и оптики), портативные источники света и автономные системы освещения.

Cree, Inc. www.cree.com

Дополнительная информация: см. «Компэл», ЗАО Новые хроматические решения компании Cree — серии светодиодов MC-E Color и XP-E Color

Компания Cree представляет серии светодиодов MC-E Color и XP-E Color.

Светодиод MC-E Color выполнен в малогабаритном кор­ пусе размером 7×9 мм и содержит 4 кристалла — красно­го, зеленого, синего и белого цветов свечения. Каждый крис­ талл прибора электрически изолирован; светодиод в целом имеет рекордно низкое тепловое сопротивление 3°С/Вт и при максимальном токе 700 мА на кристалл световой поток достигает 500 лм. Объединение кристаллов разных цветов в одном корпусе позволяет снизить затраты на использование дополнительных компонентов, облагородить, смягчить и сделать более равномерным синтез цветовых атмосфер. Серия XP-E Color представлена 6-ю цветами свечения, имеет высокие показатели по световому потоку и выполнена в ультракомпактном корпусе размером 3,5×3,5 мм. Данный продукт может применяться в архитектурной подсветке зданий (статической и цветодинамической), в системах общего назначения (в том числе с RGB-эф­ф ектами), в специальной светосигнальной аппаратуре.

Cree, Inc. www.cree.com

Дополнительная информация: см. «Компэл», ЗАО

International Rectifier www.irf.com Дополнительная информация: см. Представительство IR Интернешнл Холдинг, Инк. в России, странах СНГ и Балтии

«Компэл»», ЗАО 115114, Москва, ул. Дербеневская, д. 1, под. 28, офис 202 Тел.: +7 (495) 995-09-01 Факс: +7 (495) 995-09-02 msk@compel.ru www.compel.ru «Макро Групп», ЗАО 196105, С.-Петербург, ул. Свеаборгская, 12 Тел.: (812) 370-6070 Факс: (812) 370-5030 anton.khokhlov@macrogroup.ru sales@macrogroup.ru, support@macrogroup.ru www.macrogroup.ru «ЭКО», ООО 107553, Москва, ул. Б. Черкизовская, 20, стр. 1, оф. 307 Тел.: (499) 161-9183 electron@e-co.ru www.e-co.ru «Элтех», ООО 198035, С.-Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: (812) 635-50-60 Факс: (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

Новости ГЛОНАСС

| Еще три года, и нам уже нечего будет ловить... | Объем финансирования ФЦП «Глобальная навигационная система», осуществляемой за счет средств федерального бюджета, составляет 12 млрд руб., которые требуется освоить за период 2002—2011 гг. Но помогут ли вливания огромных средств сделать ГЛОНАСС зрячей? По мнению Михаила Фадеева, независимого эксперта по спутниковым навигационным системам, систематические сбои в работе ГЛОНАСС — обычное явление, которое однако никак не сказывается на рядовых потребителях, т.к. сигнал ГЛОНАСС дублируется GPS. До сих пор не создано ни одного приемника ГЛОНАСС, который по своим техническим характеристикам был бы эквивалентен приемникам GPS по количеству потребителей, размерам и цене. Чип ГЛОНАСС в 10 раз больше чипа GPS. Соответственно, выше и энергопотребление первого. GPS-приемник продают уже за 7 долл., а совмещенный ГЛОНАСС-GPS — за 60 долл. Чтобы технология реально работала и сама себя кормила, ее следует выпускать на широкий рынок, которого у ГЛОНАСС нет. Нет и открытых правил игры, понятных рынку, на котором работает несколько компаний, пытающихся что-то сделать по навязанным сверху правилам. Эксперт убежден, что у нашей страны есть в запасе максимум три-четыре года, т.к. через четыре года появится Европейская ГАЛИЛЕО, а затем — китайская система навигации. И тогда такая ГЛОНАСС точно станет никому не нужна. В январе 2009 г. разразился скандал в мэрии Саратова. Тогда городу было выделено 4,5 млн руб. на установку ГЛОНАСС на городских автобусах. Однако по назначению были потрачены лишь 600 тыс. руб., а на «сэкономленные» средства чиновники приобрели четыре «Форда» для гаража саратовской администрации. www.russianelectronics.ru

95

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| GlobalFoundries поможет в выпуске ARM Cortex-A9 по технологии 28 нм | Компании ARM и GlobalFoundries объявили о заключении соглашения о сотрудничестве. Результатом его должна стать разработка следующего поколения продуктов СнК и их поставки заказчикам. Первыми плодами такого партнерства должны стать СнК, основанные на процессоре ARM Cortex-A9 и изготовленные по технологии Gate First HKMG (High-K Metal Gate), удовлетворяющей нормам 28 нм. Применение этой технологии станет оптимальным выбором для высокопроизводительного процесса с минимальными потерями мощности. Председатель правления ARM Уоррен Ист (Warren East), комментируя это соглашение, заявил, что данное партнерство отражает стратегию объединения процессорной архитектуры и физических IP-блоков ARM с технологией мирового класса в производстве полупроводников. Обязательство GlobalFoundries предоставить для выпуска лучших в своем классе продуктов СнК самые передовые технологии делает эту компанию идеальным партнером для внедрения 28-нм норм в производство ARM-процессоров. Согласно последним заявлениям GlobalFoundries, компания должна приступить к производству 28-нм энергоэффективных чипов в I кв. 2011 г. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №10 2009

НОВОСТИ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

| КнИ появится на рынке цифровой электроники | ARM представила испытательный чип на базе КнИ, потребляющий на 40% меньше энергии, чем те же ИС, изготовленные на объемном кремнии. Компании ARM и Soitec совместно разработали испытательный чип по технологии КнИ (кремний на изоляторе, SoI) с нормами 45 нм. Чип потребляет на 40% меньше энергии, чем аналогичные ИС, выполненные по классической технологии. Кроме того, схема при выполнении по технологии КнИ будет занимать на 7% меньше площади, чем при изготовлении по технологии объемного кремния. Основа нового чипа — ядро ARM 1176. Согласно результатам испытаний, технология КнИ представляет собой перспективную альтернативу классическому процессу изготовления чипов, особенно когда речь идет о малопотребляющих процессорах для быстродействующих портативных устройств. Это не все достоинства технологии КнИ. Частота работы устройств, изготовленных на ее основе, в среднем на 20% выше, чем тех же схем, полученных по традиционной технологии. По мнению представителей компании IBM, результаты проведенных ARM и Soitec испытаний показали преимущества технологии КнИ 6-го поколения по нормам 45 нм. Оценка расхода энергии с помощью ARM-процессора открывает возможности переноса КнИ на рынок цифровой бытовой электроники. www.russianelectronics.ru

События рынка

| Nordic Semiconductor и Rutronik расширили дистрибьюторский договор | В расширенный вариант франчайзингового дистрибьюторского договора между Nordic Semiconductor и Rutronik вошло 28 европейских стран. Это соглашение распространяется на все 2,4-ГГц трансиверы диапазона ISM (частоты для промышленных, научных и медицинских организаций), в т.ч. трансивер для беспроводных сетей nRF24AP2 с поддержкой ANT и ANT+, а также радиостанции, работающие до 1 ГГц (433, 868 и 915 МГц) со всеми необходимыми средствами разработки. По словам Рето Вэчтера (Reto Wachter), линейного руководителя отдела продукции Nordic Semiconductor в Rutronik, вслед за состоявшимся соглашением последовал ряд заказов от компаний из стран, вошедших в договор. Гейр Лэнжлэнд (Geir Langeland), директор отдела продаж и маркетинга, Nordic Semiconductor, считает, что от этой сделки выиграют не только Rutronik и Nordic, но и — что более важно — все европейские потребители, работающие с этими компаниями в данном сегменте рынка. www.russianelectronics.ru

| Аналитики IC Insights заявили о V-образном восстановлении рынка | По мнению аналитической компании IC Insights Inc., основанного на ежеквартальных показателях и на объемах отгрузок, кривая роста рынка полупроводниковых устройств в 2009 г. имеет классическую V-образную форму. После рекордного за последние 30 лет двухквартального падения рынка показатели роста во II и III кв. 2009 г. были самыми высокими за тот же 30-летний период. Согласно отчету IC Insights, ежеквартальные отгрузки снизились с максимального значения 44,1 млрд ед. в III кв. 2008 г. до 34,9 млрд ед. в IV кв. 2008 г. и до 28,0 млрд ед. в I кв. 2009 г. Это падение произошло не только в результате оптимизации эффективности цепочек поставок в соответствии с уменьшением спроса, но и паники, которую испытали производители электроники, зачастую чрезмерно сокращавшие складские запасы. Во II кв. 2009 г. произошел отскок до значения 35,2 млрд ед. Ожидается, что в III кв. 2009 г. этот показатель составит 41,5 млрд ед., а в IV кв. 2009 г. рост слегка уменьшится за счет сезонных причин, достигнув значения 40,9 млрд ед. продукции. Суммарный объем отгрузок в 2009 г. достигнет уровня второй половины 2007 г. Таким образом, опасения о W-образной кривой роста не подтверждаются. www.russianelectronics.ru

96

Новости датчиков

| Аналитики подсчитали: в 2012 г. будет выпущено 2 млрд датчиков изображения | По подсчетам аналитиков компании iSuppli, в 2009 г. объем поставок датчиков изображения составит 1,3 млрд ед. В это число включены датчики типа CCD и CMOS. За три года поставки вырастут на 50% и в 2012 г. в мире выпустят 2 млрд датчиков изображения. Хотя начало массового производства датчиков изображения обусловлено увеличением спроса на фотоаппараты и видеокамеры, в настоящее время основными потребителями датчиков являются производители сотовых телефонов. В будущем году более миллиарда датчиков будут изготовлены именно для этой категории устройств. Между тем, быстро растут и новые области применения датчиков. Например, поставки для систем автомобильной электроники должны в ближайшие несколько лет утроиться — с 4,2 млн в текущем году до 14,6 млн в 2013 г. Среди других растущих областей применения можно назвать оборудование для видеосвязи, веб-камеры и охранные системы. В то же время, по оценке аналитиков, в сегменте датчиков изображения для фотокамер наблюдается застой. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU