ek022020

12+

2/2020 (c. 6)

Дмитрий Боднарь, генеральный директор АО «Синтез Микроэлектроника»: роста электроники в России не будет

(c. 10)

Развенчание мифов об индуктивных датчиках положения, других компонентах и технологиях электроники

(c. 58)

Традиционные решения на ядрах Cortex-M4 и Cortex-M0 для беспроводных микроконтроллеров продолжают работать

РЕКЛАМА

•

•

РЕКЛАМА

•

www.microchip.com/FlexiblePower

содержание ЭК

№02/2020 РЫНОК 6 Дмитрий Боднарь Иллюзии заявленного роста экономики и электроники. Стоит ли ожидать его от «нового» правительства России?

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

ТОПОЛОГИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 18 Сергей Краснов Что нужно знать для успешного проектирования печатных плат

24 По материалам компании Murata Power Solutions DC/DC-преобразователи серии NPH от Murata Power Solutions

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ 26 Кармело де Мола О сетевых технологиях для транспорта и многом другом

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И ПРИБОРЫ 30 Брэд Фриден Сравнение методов цифрового понижающего преобразования частоты для систем электронного подавления

журнал для разработчиков

10 Андрей Пересадин Правда или вымысел? Часть 2

ИСТОЧНИКИ И МОДУЛИ ПИТАНИЯ

www. elcp.ru

редакционная коллегия: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распрост­ра­нение и подпис­ка: Марина Панова, Василий Рябишников; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35, тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by. Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по пе­риодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­сия ре­дак­ции. При пе­ре­ пе­чат­ке 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 катало­ гу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по пе­ чати. ПИ №77-17143. Издание зарегистрировано на Украине, свидетельство о государственной регистрации КВ№17602-6452 ПР. Дата выхода 17.02.2020 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 6000 экз. Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4.

электронные компоненты

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов редакторы: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов;

РЕКЛАМА

АЦП И ЦАП 38 Юрий Полегенко

68 Александр Кораблев Электролитические конденсаторы компании Panasonic

содержание

АЦП и ЦАП для современных приложений

4

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 46 Питер Фридрихс Высококачественные SiC MOSFET для силовой электроники 54 Андрей Ершов Полупроводниковые SiC-приборы

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРЫ 58 Георгий Воронцов Беспроводные микроконтроллеры

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 64 Дмитрий Никитин РЧ-фильтры на подложке нового типа

www.elcomdesign.ru

72 Илья Лазанов Использование МЭМС-коммутаторов в беспроводных устройствах с несколькими рабочими полосами 76 Иван Никанорин Направленные ответвители 80 Алексей Чистяков Дроссели компании Sumida 83 Никита Усачев Выбор матрицы РЧ-коммутаторов

СПРАВОЧНЫЕ СТРАНИЦЫ 86 Новинки месяца. Редакционный обзор 95 НОВЫЕ

КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 0 2 / 2 0 2 0

E L E C T R O N I C CO M P O N E N T S # 02 / 2020

MARKET 6 Dmitry Bodnar Illusions of Declared Economic and Electronics Growth. Should We Expect It from the "New" Russian Government?

ENGINEERING 10 Andrey Peresadin

DISCRETE POWER 46 Peter Friedrichs High-performance SiC MOSFET Technology for Power Electronics Design 54 Andrey Ershov Semiconductor SiC Devices

MICROCONTROLLERS and MICROPROCESSORS

Truth or Myth? Part 2

PCB LAYOUT 18 Sergey Krasnov What You Need to Know for Successful PCB Design

POWER SUPPLIES

NPH DC-DC Converters from Murata Power Solutions

NETWORKS and INTERFACES 26 Carmelo De Mola Automotive Networking and More

INSTRUMENTATION TOOLS 30 Brad Frieden Exploring the Tradeoffs between DDC Techniques Used in Digitizer-based Measurements during Radar/Electronic Attack System Validation

ADC and DAC 38 Yury Polegenko ADC and DAC for Modern Applications

PASSIVE 64 Dmitry Nikitin RF Filters on New Type Substrates 68 Alexander Korablev Panasonic’s Electrolytic Capacitors 72 Ilya Lazanov MEMS Switches for Wireless Multiband Devices 76 Ivan Nikanorin Directional Couplers 80 Alexey Chistyakov Sumida’s Chokes 83 Nikita Usachev RF Switch Matrix Selection Questions

REFERENCE PAGES 85 Newly-Designed Products.

Monthly Editorial Review 95 NEW

COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET электронные компоненты №02 2020

содержание

24 Based on Materials from Murata Power Solutions

58 George Vorontsov Wireless MCUs

5

Иллюзии заявленного роста экономики и электроники. Стоит ли ожидать его от «нового» правительства России? Дмитрий Боднарь, к.т.н., генеральный директор, АО «Синтез Микроэлектроника»

В январе текущего года президент России выступил с посланием Федеральному Собранию, затем произошла отставка, образование нового правительства, и вышла «Стратегия развития электронной промышленности РФ до 2030 года». Оценка этих событий показывает, что у каждого из них разные цели, но вопрос по ним один – какое из них раньше покажет свою неэффективность для страны?

рынок

Президентская стратегия – продление полномочий и усиление налогообложения при замороженной экономике

6

Когда в декабре прошлого года я отправлял в редакцию журнала «Электронные компоненты» статью «Полупроводниковая микроэлектроника – 2019 г.», во второй части которой рассматривались некоторые итоги российской микроэлектроники в 2019 г. [1], еще не было послания президента страны Федеральному Собранию и отставки кабинета министров. В качестве лейтмотива этой статьи было отмечено стремление власти к консервированию текущей ситуации в экономике, невозможность реформ и прорывов, а также ожидаемое усиление налогообложения с дозированным финансированием малообеспеченных слоев населения страны. Казалось бы, зачем вся эта информация образованным инженерам-электронщикам? Дело в том, что в нашей стране каждое положительное или отрицательное событие, как в сообщающихся сосудах, в разной степени отражается на экономике и жизни каждого. И электронная промышленность, которая не является самоокупаемой, – не исключение. К положительным событиям, например, можно отнести рост доходов в стране от продажи дорогой нефти, позволивших увеличить финансирование отрасли, а к отрицательным – растущую сырьевую зависимость, введение санкций и достигшую максимума долю военной электроники в структуре отрасли. Т. е. все, даже не относящиеся к электронике напрямую,

www.elcomdesign.ru

события в стране и мире влияют на нашу электронную промышленность, а одно и то же событие (рост доходов от нефти) на продолжительных интервалах времени парадоксальным образом можно отнести как к плюсам, так и минусам экономики. Именно эту мысль автор, инженер по образованию, и хочет донести до других инженеров. Послание президента, необъяснимая и непрогнозируемая отставка правительства повергли страну в ступор и спровоцировали большое количество комментариев и прогнозов, но с отсутствием вразумительных ответов на два вопроса: зачем это делать сейчас и почему так быстро? Практически все сошлись в одном ответе на главный вопрос, зачем это. Это нужно, чтобы продлить нахождение Путина во власти, даже если он не будет занимать формальный главный пост. Вся процедура имитации «всенародного» обсуждения поправок в Конституцию и смысл некоторых предложений «народа», включая представителей назначенного президентом коллектива по конституционным поправкам, могли бы вызвать улыбку, если бы не свидетельствовали о намерении властей быстро продавить предложенные президентом поправки, а саму процедуру обсуждения и голосования использовать как грубое «фанерное» прикрытие, построенное по известному принципу «и так сойдет». Пока мы очнемся, все уже будет принято, единогласно легализовано и формализовано действующей Госдумой при молчаливой отстраненности Конституционного

суда. А значит, отпадет жесткая необходимость в конституционном большинстве у «Единой России» в новой Госдуме, т. к. системная оппозиция сейчас проголосует как надо, а что будет через несколько лет, если экономика начнет заметно падать, – неизвестно. Что она и подтвердила, проголосовав без обсуждения и единогласно в Госдуме за поправки президента в первом чтении. Теперь президент в любой момент может объявить досрочные выборы. Но если с политическим аспектом предложенных президентом поправок в Конституцию РФ всем все понятно (сохранить Путина у власти на первых ролях независимо от названия должности), то экономическая стратегия президента (вначале написал «властей», но все ветви власти, включая премьер-министра, похоже, о грядущих изменениях до оглашения послания ничего не знали) разделилась на две части. В первой открытой части послания представлены декларации о социальных гарантиях, повышении минимального размера оплаты труда (МРОТ) и его формальном индексировании вместе с пенсиями. Президента не остановило даже понимание, что такие поправки должны прописываться и уже отразиться в законах, а не в Конституции, чем они ее обесценивают. Вторая скрытая стратегия предусматривает переход к усилению фискальной экономики, направленной на увеличение собираемости налогов и повышение налогооблагаемой базы. Именно с этим связано назначение премьер-министром экс-главы МНС Михаила Мишустина.

Скорее всего, в нашей стране в 2020– 2022 гг. следует ожидать роста налогов для юридических лиц (социальных налогов и налогов на прибыль, на «сверхдоходы» и т. д.) и физических лиц (НДФЛ, недвижимость, движимое имущество, налоги на «роскошь» и т. д.). Такую задачу члены правительства с симптомом «жадного бухгалтера» реализовать способны. Для этого им в помощь придаются министерство финансов и несменяемый блок силовых министерств, в котором даже для проформы не появилось ни одного нового лица, что не дает оснований считать это правительство новым. А все остальное – дымовая завеса и операция прикрытия для формальной юридической легализации продления и несменяемости нужных людей во власти. Открытым остается только вопрос – как и когда это будет конкретно реализовано? Стратегия развития электронной промышленности до 2030 г. – ориентир развития или инструмент целевого финансирования?

Образованным людям должно быть все понятно. Очевидно, что реального, а не бутафорского роста экономики и электронной промышленности в обозримом будущем ожидать не стоит, а денег на всех не хватит. Микроэлектроника не относится к приоритетным статьям экономики страны, хотя новый премьер-министр и подписал на следующий день после своего назначения (без всякого обсуждения с новым кабинетом министров и министром экономики) «Стратегию развития электронной промышленности РФ до 2030 года» [2]. Автор проанализировал некоторые основные разделы стратегии и сформулировал свои оценки, не претендуя, однако, на полноту и глубину анализа.

1. Раздел V, п. 1 «Цели и задачи стратегии» -- в стратегии обозначена цель – объем выручки отрасли должен составить 5,22 трлн руб. (84 млрд долл.). Это почти троекратный рост в сравнении с предыдущим периодом при доле гражданской продукции не менее 87,9%. Первый показатель является очень скромным, но даже он недостижим, т. к. не имеет под собой какойлибо основательной базы и задела для его реализации, разве что только при возможных неоднократных девальвациях рубля в ближайшее десятилетие правительство будет отчитываться по обесценивающейся стоимости нацвалюты. Этот показатель, запланированный на ближайшие 10 лет, ненамного превышает объем выручки компании Intel только за 2019 г. Еще одно замечание по экономиче-

ской эффективности объема выручки: сколько необходимо потратить средств для реализации стратегии, чтобы достичь этой цифры? Последующие разделы документа не дают на это ответов, но, по грубой оценке автора, потребуется в 5 раз больше средств. Доля гражданской продукции 87,8% могла бы вызвать зависть у многих, если бы не была фантасмагорической и ничем не обоснованной; -- п р и э т о м д о л я г р а ж д а н ско й электронной продукции, произведенной российскими предприятиями и использованной на внутреннем рынке электроники страны, должна достигнуть 57,4%. Следовательно, оставшиеся 42,6% гражданской продукции на нашем рынке – импортные. Конечно, 57,4% – хороший показатель с учетом того, что в настоящее время в гражданском сегменте – один импорт. Но непонятно, откуда взялся этот показатель, из чего состоит и за счет какой продукции будет достигнут. Чтобы добиться такого уровня, должны появиться новые отечественные продукты во всех сферах, конкурентные по цене и параметрам, а из программы это никак не вытекает; -- объем экспорта электронной продукции должен увеличиться до 12,02 млрд долл.; а это означает, как посчитал автор, что около 15% от всей произведенной в стране продукции должно отправляться на экспорт, что является хорошей, но нереализуемой целью, т. к. даже контуров и направлений такой продукции сейчас и в обозримом будущем не видно. Кроме того, для достижения конкурентоспособности электронной продукции по цене, что является одним из главных требований экспорта, необходимо массовое, а не мелкосерийное производство, тогда как низкие планируемые объемы выручки отрасли на ближайшие 10 лет явно этому противоречат. Можно, конечно, отчитаться единичными дорогими военными изделиями и вооружением, но тогда это уже из другой Стратегии; -- для достижения указанных целей по направлению «Средства производства» планируется обеспечить требуемую материально-техническую базу ключевых процессов разработки, производства и сервисного обслуживания. Составители программы не стали вкладывать в эту задачу нереальное создание только отечественных средств производства и, видимо, основной упор делают на импортное оборудование, прямо не упоминая об этом, что выглядит оправданным. Однако неясным остается вопрос, как при-

электронные компоненты №02 2020

рынок

Все попытки изобразить его эффективным менеджером по сбору налогов никак не отвечают на главный вопрос – каким способом новый премьер планирует оживить экономику и обеспечить декларируемый президентом страны очередной экономический прорыв? Кроме того, предыдущий background нового премьера и опыт его работы на всех должностях не демонстрируют таких способностей и заметных результатов в направлении форсирования экономического роста. Может, в кабинете министров появились другие кадры, способные реализовать «экономику роста»? Увы, мы таких специалистов тоже не наблюдаем. Хотя первый заместитель премьер-министра «государственник» Андрей Белоусов и курировал экономику в администрации президента и ранее в качестве министра экономики в правительстве Медведева, но известен он только как сторонник государственной экономики, госкорпораций и апологет скандального изъятия у компаний сверхдоходов (в его трактовке) для выполнения «майских указов» президента. Результаты его надзора мы видим в экономике в последние восемь лет, а исполнение этих указов провалено независимо от предложенной экспроприации. Так что нового первого вице-премьера с полным правом можно отнести к фискальным сторонникам методов работы самого премьер-министра, а не к креативным кризисным менеджерам форсированного экономического роста. Кто же будет курировать и управлять новым экономическим прорывом страны с темпами роста, превышающими мировой рост ВВП? А никто, поскольку в новом кабинете министров нет, не предусмотрено ни одного специалиста и управленца по этому профилю, а любой уважающий себя профессионал в этой сфере, понимая невыполнимость такой задачи в текущих условиях, дистанцируется от такого предложения, даже если бы оно последовало. Такая задача поставлена только декларативно. Скрытая же задача – удержать экономику на плаву без резкого провала, тем более что пессимистические сценарии начала мирового кризиса, отмеченные в упомянутой выше статье, похоже, начинают сбываться. Начавшаяся эпидемия коронавируса и ослабление экономики в Китае только приблизят его начало. Таким образом, фискальные методы налогообложения и изъятия денег у населения и субъектов бизнеса станут главными в «экономике роста» нового правительства. Конечно, в дополнение к неизменной ставке на углеводородные и сырьевые доходы, что уже зависит от конъюнктуры и цен мирового рынка, а не от нашего правительства. Но на мировой кризис и снижение цен на нефть можно многое что списать.

7

рынок

обретать за рубежом оборудование и материалы (особенно по новым и перспективным продуктам) при наличии экспортных ограничений на них и жестких санкций; -- в одних из самых важных направлений «Рынки и продукция» и «Экономическая эффективность» мы видим только общие слова – «обеспечить создание и вывод на рынки востребованной электронной продукции» и «увеличить добавленную стоимость электронной продукции». Ничего не сказано о достижении конкурентоспособности продукции на мировом рынке, с помощью которой достигается рост экспорта, востребованность и экономическая эффективность.

8

2. Раздел V, п. 2 «Мероприятия и целевые индикаторы реализации стратегии» -- в направлении «Научно-техническое развитие» составители добросовестно переписали все основные мировые текущие и перспективные технологии производства микроэлектроники и новых материалов. Видно, что авторы стратегии следят за техническими мировыми инновациями, но имеют слабое представление (или скрывают), сколько стоит самостоятельная разработка или закупка этих инноваций. Возникает еще один закономерный вопрос – а нужны ли нам глубокие самостоятельные компетенции во всем этом многообразии технологий и изделий? Даже самые продвинутые в микроэлектронике страны, включая США, Тайвань, Японию и Китай, не пытаются реализовать у себя все возможности, т. к. цена этого вопроса больше половины триллиона долларов, а международная кооперация и специализация намного эффективнее; -- в направлении «Средства производства» предусматривается создание кремниевых фаундри-фабрик с нормами 28 нм, 14–12 нм, 7–5 нм, а также фабрик по технологиям SiGe, GaN-on-SiC, InP, алмаза и т. д. и т. п. Похоже, что, вдохновившись новыми возможностями бизнес–модели фаундри на зарубежных фабриках, авторы стратегии не учли, что эта бизнес–модель очень конкурентная, инновационная и требует постоянного обновления и финансирования. На этот рынок сложно войти, но еще сложнее на нем удержаться даже крупным мировым игрокам (GlobalFoundries тому пример). Финансовые затраты ведущих мировых фаундри-компаний на передовые технологии превышают 20%

www.elcomdesign.ru

их бюджета. Например, конкурирующая с TSMC компания Samsung запланировала в этом 10‑летии потратить 116 млрд долл. только на развитие контрактного производства чипов. Опыт показывает, что в процессе работ эти расходы увеличиваются. Сравним этот показатель с объемом выручки 84 млрд долл. всей нашей отрасли в соответствии с предложенной Стратегией. Кроме того, если мы планируем рост экспорта до 12,02 млрд долл., то основным, скорее всего, должна быть модель OEM-бизнеса. В стране должны появиться свои компании типа Infineon, STM и т. д. с конкурентной полупроводниковой продукцией, а им потребуются современные производственные линии; об этом в стратегии ничего нет. Сложно представить себе превращение отечественного «Микрона» в полноценного конкурента Infineon; -- запланировано создание оборудования и модернизация линий для производства чипов по нормам 250–180 нм, 90–65 нм. Поскольку направления по созданию такого оборудования не конкретизированы, а отечественные возможности и компетенции по нему крайне ограничены, решение задачи может свестись к несложному российскому оборудованию для модернизации имеющихся линий «Микрона», «Ангстрема-Т» или кооперационными работами с китайскими компаниями. Отсутствие в этом пункте оборудования для декларируемых технологий 28 нм, 14–12 нм, 7–5 нм подтверждает, что по ним ставка делается на импортное оборудование, но возникает вопрос – кто нам поставит самое современное оборудование в условиях непрерывных санкций и мировой изоляции России? Готова ли наша страна резко поменять международную политику, и знает ли об этом президент?; -- тенденцию и желание максимально использовать зарубежный опыт подтверждают задачи направления «Кооперация», предусматривающие многократное расширение партнерства с иностранными компаниями. Однако и в этом случае имеется очевидное противоречие по санкциям; -- откровенно слабыми и непроработанными являются задачи направле ний «Ры нки и продукция» и «Экономическая эффективность». В этом разделе нет ничего конкретного, а только общие декларации и лозунги; стимулировать спрос на продукцию отрасли предполагается архаичным введением

квот на закупку изделий электроники российского производства с государственной поддержкой путем формирования производственных консорциумов. Очевидно, что составители стратегии плохо представляют себе, на какие рынки и продукцию нацелено решение задач Стратегии и как добиться экономической эффективности, особенно в условиях расширяющейся государственной экономики.

3. Раздел VI «Сценарии развития электронной промышленности» и раздел VII «Подходы к реализации Стратегии» не имеет смысла анализировать с учетом особенностей раздела VIII, касающегося финансирования.

4. Раздел VIII «Ресурсное обеспечение и источники финансирования стратегии» Этот раздел, который должен был быть наиболее важным в документе, перечеркнул даже то позитивное, что есть в стратегии, т. к. оказался абсолютно пустым и декларативным. Никаких конкретных финансовых средств на реализацию стратегии не предусмотрено, а финансирование будет по принципу «с миру по нитке». Источниками ресурсного обеспечения стратегии предусматриваются средства госбюджета, различных фондов, самих предприятий, частных инвесторов и иных участников, но без малейшей конкретики. Если бы этот раздел в полстраницы из 50‑страничного документа был в его начале, то дальше можно было не читать. Отсутствие конкретных показателей финансирования даже на ближайшие 2020–2022 гг. лишают эту Стратегию практической ценности. Сомнительна и выбранная тактика достижения цели, когда на первом этапе с помощью национальных проектов должен быть достигнут рост доли российских электронных продуктов на внутреннем рынке, после чего предполагается экспансия на международные рынки. Хотя в 2019 г. именно из-за неработающей модели национальных проектов электронные предприятия страны не только не получили финансирования на развитие новых продуктов, но столкнулись с резким падением объемов заказов на серийные продукты и оказались на «голодном пайке». Одной из причин отставки правительства как раз и являлся провал работы по национальным проектам, и президент неоднократно говорил, что люди не понимают и не верят в них. Новое правительство пока никак не обозначило, как оно будет исправлять этот провал. Стратегия даже предусматривает, ни много ни мало, «достижение лидирующих позиций

капитала и технологий, превалирование частных инвестиций при неизменной господдержке. Ни одно государство в мире за последние 50 лет не пыталось (и не смогло бы) развивать свою электронику в отрыве от мировой электроники и кооперации. Без этого в условиях текущей глобальной экономики любая стратегия в любой сфере деятельности бессильна. А мы, как и во времена СССР, пытаемся объять необъятное, не имея для этого ни возможностей, ни средств. К сожалению, наша страна вначале пыталась, но так и не смогла стать на путь открытой экономики, а с 2014 г. свернула с него в тупик, сама себе создала ловушку в виде «осажденной крепости» и теперь не знает, как из нее выбраться. Авторы Стратегии это прекрасно понимают и потому стыдливо прячут необходимость в международной кооперации внутри текста. А вдруг за десятилетие что-нибудь изменится! Но, в первую очередь, необходимо меняться нам, тогда и у стратегии появятся шансы. Пока же, как отмечают все коллеги, с которыми общался автор, у этой стратегии ноль шансов на реализацию. В равной мере, как и мало шансов на положительный результат для страны у нового правительства и президентских инициатив, которые могут дороже всего обойтись стране. Перспективы 2020 г.

Вероятнее всего, текущий год окажется самым сложным для нашей страны за последнее десятилетие. Падение мировой экономики, осложненное еще не завершившейся эпидемией коронавируса в Китае и его проблемами в отношениях с США, падение цен на нефть, неос лабевающие меж дународные санкции, очень негативно сказывающиеся на нашей экономике и электронике, растущая и раздражающая наши власти конкуренция американской сланцевой нефти и газа, война в Сирии и гибридные войны в Африке, начало судебного процесса в Голландии по сбитому «Боингу» с ожидаемыми многомиллиардными исками к нашей стране и с перспективами усиления санкций к России, продолжающиеся многомиллиардные судебные иски Украины и акционеров «Юкоса» к России, конфликт с Польшей и Белоруссией, международный допинговый скандал и судебное разбирательство в Швейцарии, непредсказуемые итоги выборов в США с возможной победой неудобных нашим властям демократов, финансирование за наш счет некоторых «независимых» государств и одиозных режимов, рост госсектора в ущерб частному бизнесу в нашей стране, недовольство нашего населения пенсионной реформой и постоянным многолетним

падением доходов, полное отсутствие у наших властей понимания, что дальше делать с экономикой являются очень неприятным фоном и далеко не полным перечнем неприятностей для политических и экономических перспектив нашей страны в текущем году. Все это обещает существенное снижение доходов страны с одновременным ростом расходов, что приведет к началу периода дефицита госбюджета. От этого наши власти, разбалованные большими продолжительными доходами от дорогой нефти, уже отвыкли. Отсюда и предложение президента страны по поправке в Конституцию о превалировании внутреннего законодательства над международным и назначение фискального правительства. Платить по международным искам не хочется, а если придется, то тихо и незаметно, ведь основанием для всех этих исков являются как раз предыдущие инициативы и действия президента Путина. Никаких оснований для ускоренного роста отечественной экономики нет, скорее наоборот. Возможно, поэтому президент, работая на опережение, устроил гонки с поправками к Конституции и создал новое фискальное правительство. В условиях, озвученных в послании президента бюджетных социальных трат и снижения доходов от экономики, придется на нее сокращать расходы. Значит, точно будет не до электронной промышленности и ее развития. К тому же, необходимо компенсировать списание долгов предприятиям ОПК, которое, как и прогнозировал автор в упомянутой выше статье, подписал президент уже после оглашения послания. Бесконечно это продолжаться не может, но власть пытается продлить такое положение, насколько получится. Иных способов для сохранения стабильности в ее понимании (а попросту застоя) она не знает. По мнению автора, именно поэтому все, что в январе было инициировано президентом и властями, пытаются сделать сейчас и быстро. Но у меня только один вопрос по всем этим событиям, включая появление Стратегии, – какое из них раньше покажет свою несостоятельность? Что-то мне подсказывает, это будет деятельность «нового» правительства. Литература 1. Дмитрий Боднарь. Полупроводниковая микроэлектроника – 2019 г. Часть 2. Российская политика берет верх над «угасающей» экономи­ кой. Электронные компоненты. 2017. № 1.

2. Стратегия развития электронной про­ мышленности Российской Федерации на пери­ од до 2030 г. Распоряжение Правительства РФ № 20‑Р от 17.01.2020 г.

P. S. Мнение редакции может не совпа­ дать с мнением автора.

электронные компоненты №02 2020

рынок

на перспективных рынках и обеспечение глобального технологического лидерства». И снова ничего не сказано, в каких конкретно областях рынков и технологий мы собираемся подвинуть зарубежных конкурентов и за счет каких преимуществ мы сможем этого добиться. В стратегии указаны даже ориентиры по самым современным и «модным» технологиям микроэлектроники, включая техпроцесс 5 нм. За рубежом на достижение такого уровня потрачены сотни миллиардов долларов. Даже если наша страна воспользуется методом президентского «цап–царап», озвученного им в ноябре на форуме «Россия зовет», только технологический рост по всем этим направлением потребует не менее 50 млрд долл. Столько же понадобится на создание самой конкурентной продукции и ее экспансии на внешние рынки. А создание конкурентной на мировом рынке продукции еще со времен СССР было самым слабым звеном нашей отрасли и таким и осталось. Наверное, поэтому в стратегии не указаны даже направления продукции для экспансии на мировые рынки. Если же под ними подразумевается вооружение, то причем в таком случае заявленная доля гражданской продукции величиной 87,8%? Кроме того, нельзя не учитывать свежую информацию, что Китай впервые подвинул Россию со второй строчки в мире по производству вооружения. Основной вывод по стратегии: это декларативный и нереализуемый документ с задачами и целями охватить все современные и перспективные достижения мировой электроники в области технологий и материалов на сотни миллиардов долларов, но без понимания рынков, продуктов и способов достижения конкурентоспособности и экономической эффективности. Отсутствие всякой конкретики в источниках финансирования заставляет вспомнить народную поговорку – «размах на рубль, а удар на копейку». Но, полагаю, эта стратегия станет обоснованием для многих людей и компаний для получения государственного финансирования. К большому сожалению, наши чиновники по-прежнему не хотят оценивать и реализовывать очень удачный исторический опыт азиатских государств (Тайваня, Южной Кореи, Сингапура, Китая и др.), буквально за 30 лет превративших этот регион в главный мировой рынок электроники. Именно грамотная многолетняя стратегия сочетания внутреннего растущего рынка электроники с международными инновациями, инвестициями и технологиями позволили добиться большого успеха. Их стратегия предусматривала международную кооперацию, открытость экономики, обязательное привлечение международного

9

Правда или вымысел? Часть 2. Андрей Пересадин, инженер Во второй части статьи (начало см. в [1]) рассматриваются некоторые распространенные предубеждения или ошибочные представления разработчиков относительно возможностей индуктивных датчиков положения [2], технологии PoE и архитектуры RISC–V.

Мифы об индуктивных датчиках положения

Техника и технологии

Для эффективного функционирования оборудования автоматизированных производств и автомобилей с автономным управлением требуется, чтобы автоматы с высокой точностью измеряли положение и параметры движущихся объектов. К достаточно большому числу способов определять положение объектов относится быстро развивающаяся технология с использованием индуктивных датчиков положения. Точность, помехо­ устойчивость и экономическая эффективность – лишь некоторые из преимуществ этой технологии. Мы рассмотрим некоторые заблуждения и неверные представления об этих устройствах, сравним их с датчиками Холла и магниторезистивными датчиками. Индуктивные датчики положения измеряют индуктивность. Индуктивные датчики не измеряют индуктивность. Работа этих устройств основана на взаимодействии магнитного поля катушки датчика и металла, который входит в состав объекта. Для точного определения возмущений в магнитном поле, вызванных этим объектом, используются хорошо известные

10

Рис. 2. Схема синхронного демодулятора

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Образец индуктивного датчика положения

свойства трансформатора с воздушным сердечником и закон Фарадея. Проще говоря, индуктивные датчики измеряют возмущение магнитного поля, обусловленное проводящим объектом (см. рис. 1). М а г н и т н о е п о л е ге н е р и руе тс я не постоянным магнитом, который применяется в датчиках Холла и магниторезистивных датчиках, а первичной обмоткой трансформатора. Две вторичные обмотки используются для детектирования этого поля. Металлический объект, помещенный в магнитное поле, индуцирует вихревые токи, которые

противодействуют полю. На поверхности металлического объекта напряженность поля равна нулю. Разнесенные друг от друга приемные катушки определяют разные значения напряжения. Положение объекта рассчитывается путем сравнения этих двух напряжений. Точность определения положения с помощью индуктивных датчиков невысока. Это в корне неверное утверждение, т. к. индуктивные датчики положения работают с очень высокой точностью и при высоких рабочих температурах

У индуктивных датчиков положения – высокая цена. Высокая эффективность индуктивных датчиков сочетается с разумной с тоимос тью. Ес ли датчикам Холла и магниторезистивным датчикам требуется постоянный магнит для обеспечения достаточно хорошей точности, то индуктивным датчикам необходимо только, чтобы объект был металличе-

ским, благодаря чему пользователь может сэкономить на цене магнита. И хотя площадь платы индуктивного датчика больше за счет его проводников, ее стоимость существенно ниже стоимости постоянного магнита. Таким образом, индуктивный датчик положения – более экономичное решение, чем приложения с датчиком Холла или магниторезистивным датчиком благодаря тому, что магнитное поле измеряется без помощи магнита. Индуктивные датчики положения чувствительны к внешнему магнитному полю. Со в р е м е н н ы е а в т о м а т ич е с к и е устройства генерируют еще больше паразитных магнитных полей, чем прежде, которые вызывают проблемы с использованием датчиков Холла и магнитных датчиков. В индуктивных датчиках положения применяется активная демодуляция для борьбы с этими паразитными полями. Величина потребляемого тока электромобилями следующего поколения достигает нескольких сотен ампер (см. рис. 3). Кроме того, большинство элек тромобилей оснащено более чем тремя бесщеточными электродвигателями постоянного тока (BLDC), электронными гидроусилителями руля и системами помощи при торможении. Все эти системы генерируют паразитное магнитное поле. Поскольку у него высокая скорость нарастания, ужесточаются требования к проведению испытаний на помехоустойчивость. В соответствии с действующими стандартами автомобильная электроника при прохождении испытаний на электромагнитную совместимость подвергается воздействию поля постоянного тока величиной 4 мТл, и потому ложные показания датчиков недопустимы. Преимущество индуктивных датчиков положения в том, что они устойчивы к этим помехам благодаря активной фильтрации только той частоты, которая требуется для измерений. Поскольку

Рис. 3. При работе мотора и протекании большого тока генерируются паразитные магнитные поля высокой напряженности

в этих датчиках не используются магнитные материалы, данные устройства не подвержены влиянию магнитного поля постоянного тока. Кроме того, описанный выше синхронный демодулятор отфильтровывает сигналы на других частотах, отличных от частоты возбуждения первичной обмотки. Такой принцип подавления не применим в датчиках Холла и магниторезистивных датчиках. Измерение положения с помощью индуктивных датчиков – новая технология. В индуктивных датчиках положения проводники печатной платы используются для определения положения объекта, а объектом измерения является металлический предмет. На самом деле, эта технология давно является общепринятой – лишь изменился способ измерения. Принцип работы линейного дифференциального трансформатора напряжения (LVDT) очень схож с принципом измерений индуктивного датчика положения. В этом трансформаторе первичная обмотка и две вторичные обмотки определяют положение металлической рукоятки в робототехнических приложениях. В индуктивных датчиках положения применяются во многом схожие методы, которые к тому же позволяют разместить проводники катушки на печатной плате. В магнитных вращающихся трансформаторах, представляющих собой разновидность LVDT-трансформатора, применяются те же методы. И в этом случае не трансформатор определяет положение металлического объекта, а индуктивный датчик с помощью проводников печатной платы. Для определения координат все три названных устройства измеряют соотношение между двумя напряжениями, индуцированными возмущенным магнитным полем проводящего элемента. Из-за дублирующего датчика объем занимаемого пространства удваивается. Критически важным автомобильным и промышленным приложениям часто необходима избыточность для обеспечения самого высокого уровня безопасности. Благодаря оптимизации слоев печатной платы и некоторым инновационным методам создания первичной обмотки сдвоенному датчику не требуется в два раза больше места на печатной плате по сравнению с одинарным устройством (см. рис. 4). Два гальванически изолированных датчика, свободно связанных с полем, совместно измеряют величину одного и того же магнитного поля. Вторичные обмотки соединены с двумя микросхемами, с которых

электронные компоненты №02 2020

Техника и технологии

превосходят другие магнитные датчики, применение которых в таких случаях затруднено. Показания индуктивных датчиков положения не зависят от нелинейных свойств постоянного магнита – они фиксируют только возмущение в генерируемом ими магнитном поле. Погрешность их измерения не превышает ±0,1% во всем диапазоне измерения при комнатной температуре. Погрешность не превышает ±0,3% при более высоких температурах и изменениях воздушного зазора между объектом и датчиком. Кроме того, для устранения вариаций температуры или минимизации этого эффекта применяется полноценный алгоритм. Например, индуктивный датчик положения возбуждает магнитное поле на частоте 1–6 МГц, используя для этого LC-генератор. Оба параметра могут меняться в зависимости от температуры, но это не влияет на точность определения положения. Дело в том, что приемные каналы вторичной обмотки используют синхронную демодуляцию (см. рис. 2), причем демодулятор управляется осциллятором первичной стороны. Этот дрейф не влияет на амплитуду принимаемых сигналов. В то же время металлические объекты, находящиеся рядом с датчиком, могут влиять на магнитное поле. В таких случаях требуется калибровка, которая, однако, не учитывает изменений температуры. Для устранения погрешностей вычислений и дискретизации применяются 13‑бит АЦП и 32‑бит процессоры, обеспечивающие 12‑бит разрешение на выходе в измеряемом диапазоне.

11

стве металлов с наилучшими проводящими свойствами применяется медь, алюминий или сталь.

Рис. 4. Решение с двумя датчиками

Техника и технологии

поступают два независимых сигнала о положении объекта, что повышает безопасность приложения.

12

Индуктивные датчики положения измеряют только небольшие линейные перемещения. Индуктивные датчики положения могут измерять линейные перемещения в достаточно широком диапазоне. Наилучшая точность достигается в тех случаях, когда длина датчика сопоставима с диапазоном измерений; при этом выходное разрешение может масштабироваться даже при измерении минимального расстояния. Длина датчика варьируется в диапазоне 5–600 мм и выше. Любые ограничения по длине должны соотноситься со способностью осциллятора генерировать корректный сигнал для резонансного LC-контура. Во всех случаях применяется один и тот же принцип работы: определяются изменения генерируемого магнитного поля. Измерение линейных перемещений – заметное преимущество этой технологии, а требуемая чувствительность достигается с помощью единого принципа измерения во многих используемых на практике диапазонах. В то же время для выполнения аналогичной задачи может потребоваться несколько мультиплексированных датчиков Холла, чтобы магнит перемещался из одного положения в другое. Перекрестное управление таким мультиплексированием достаточно сложное, а на результаты измерения может влиять изменение температуры. Индуктивный датчик не имеет таких недостатков и измеряет линейные перемещения в соответствии с требованиями приложений. Индуктивные датчики положения измеряют только линейные перемещения. Датчики этого типа могут измерять не только линейные, но и вращательные и дуговые перемещения с не меньшей

www.elcomdesign.ru

точностью при более высокой помехоустойчивости. Индуктивная технология применяется для измерения положения автомобильных педалей, воздушных и водяных клапанов, а также роторов. Например, 360‑градусный датчик положения ротора устроен как изогнутый линейный датчик с соединенными концами. Индуктивные датчики для измерения круговых перемещений – самые точные приборы благодаря тому, что генерируемое магнитное поле является очень однородным вдоль всех радиусов. Таким образом, эта технология обеспечивает измерение линейных, круговых и дуговых перемещений. Измеряемые объекты должны быть изготовлены из магнитного материала. Датчики рассматриваемого типа определяют изменения магнитного поля под влиянием перемещающегося металлического объекта, но в использовании магнитного материала нет необходимости. Все проводящие ток объекты вызывают появление вихревых токов, возмущающих магнитное поле (см. рис. 5). Чтобы увеличить расстояние, на котором определяется положение металлического объекта, а также уменьшить потребляемый ток, в каче-

Индуктивные датчики положения программируются внешними устройствами. В автомобилях часто применяются датчиковые модули, которые подключаются к блокам управления двигателем с помощью проводов. Как правило, к датчику подключаются провода питания и заземления, а также выходного контакта. Калибровка модуля с помощью силового вывода исключает необходимость в дополнительных подключениях к печатной плате с датчиком, что позволяет сэкономить расходы и проблемы сборки. Однако в некоторых встраиваемых приложениях датчик может программироваться с помощью внешнего микроконтроллера, например LX3302A от компании Microchip с помощью выводов GPIO. Разработчики не получают помощи от производителей компонентов. Не так давно для получения хороших результатов требовалось обладать хорошим опытом проектирования приложений с магнитными датчиками, доступом к самым современным средствам моделирования методом конечных элементов или большим терпением для реализации проекта методом проб и ошибок. В настоящее время производители ИС предоставляют клиентам демонстрационные платы и наборы, которые позволяют не только начать с разработки модели, но и выполнить полноценные симуляции проводников печатной платы. Некоторые вендоры даже предоставляют результаты симуляций с анализом погрешности датчика до этапа испытаний печатной платы. Мифы о PoE-технологии

В отношении технологии Power over Ethernet (PoE), обеспечивающей развер-

Рис. 5. Вихревые токи, наведенные в металлической структуре

тывание устройств без использования отдельного источника питания, тоже имеются заблуждения. Бывает, технологию связи Ethernet считают устаревшей, не учитывая того факта, что она повсеместно применяется. Эта технология будет востребована в сервисах связи 5G отчасти благодаря тому, что Power over Ethernet и ее самые последние версии предусматривают повышение мощности одного соединения до 90 Вт. Это заметное повышение мощности по сравнению с PoE предыдущих версий позволяет подключать более современные устройства без использования автономного источника питания. Несмотря на явные преимущества технологии, многие инженеры все еще недоверчиво относятся к ее применению. Мы постараемся развенчать несколько мифов относительно PoE. PoE-решения экономически неэффективны. Этот миф развенчать проще всего. Суть технологии в том, что один и тот же кабель используется для подачи питания и передачи данных. Кроме того, исключается необходимость в монтаже сетевой розетки рядом с оборудованием или запитываемым устройством (PD), т. к. все питание подается с помощью маршрутизатора или питающего оборудования (PSE) по Ethernet-кабелю. В результате экономятся не только расходы на кабель и его прокладку, но и на монтаж сетевой розетки. Добавление PD-устройств в имеющуюся инфраструктуру осуществляется намного проще и быстрее. Благодаря технологии PoE размещением соответствующего оборудования занимается сетевой менеджер, а не электрик или сотрудники отдела технического обслуживания. Благодаря высокой эффективности низковольтного преобразования и распределения энергии наряду с управлением подачей питания облегчается управление общей стоимостью эксплуатации, что в результате уменьшает количество используемой энергии. На рисунке 6 представлена типовая принципиальная схема Power over Ethernet.

Технология PoE имеет ограниченное применение. Это утверждение можно считать верным в отношении более ранних версий технологии, но самая последняя специ­ фикация IEEE 802.3bt повышает мощность PD-устройств до 90 Вт. Как известно, потребляемая мощность отдельных компонентов постоянно сокращается благодаря совершенствованию полупроводниковых технологий. В результате у PD-устройства появилась возможность получать более высокую мощность, а их энергопотребление уменьшилось. Следовательно, бюджет мощности приложений вырос, и необходимость в автономном питании отпала, что уменьшает стоимость проектирования, списка материалов и сертификации. Таким образом, можно сделать вывод о том, что PoE-технология стала отвечать требованиям большего числа приложений, чем прежде. Технология Gigabit Ethernet не применяется вместе с PoE. Вероятно, такое недопонимание возможностей PoEтехнологии появилось из-за того, что протоколы связи для передачи питания по проводам были несовершенны. К настоящему времени PoE-технология стала намного более зрелой. Питание поступает по проводам связи с использованием синфазного напряжения, прикладываемого к каждой паре проводников, а Ethernet-связь осуществляется по витой паре путем дифференциальной передачи сигналов. Питание на PD-устройства подается от средней точки на обмотке стандартного импульсного трансформатора Ethernet. Для реализации 10‑ и 100‑Мбит/с скоростей передачи данных PoE-технология предусматривает два метода. Первый из них заключается в передаче питания и данных по одним и тем же проводникам, а второй – в использовании с этой

Техника и технологии

PoE-решения трудно проектировать. Как это часто бывает, компании-поставщики должны предоставлять решения, отвечающие требованиям независимых регулирующих органов. В рассматриваемом случае необходимо предоставить исходные проекты с документацией

в соответствии с сертификационной программой PoE альянса Ethernet Alliance. Ряд независимых испытательных лабораторий может взять на себя задачу по обеспечению этих требований. Исходные проекты обеспечивают идеальную платформу проектирования, позволяя увеличить добавочную стоимость на прикладном уровне. Использование исходного проекта как основы для разработки PD-устройств по технологии PoE не только дает разработчикам надежную отправную точку, но и гарантирует совместимость этих устройств с любым PSEоборудованием, предлагаемым на рынке.

13

Рис. 6. Типовая принципиальная схема Power over Ethernet (PoE)

электронные компоненты №02 2020

Техника и технологии

целью отдельной витой пары. Поскольку для обеспечения скорости 1 Гбит/с все проводники используются для передачи данных, годится только первый упомянутый метод. Для обеспечения мощности 90 Вт стандарт IEEE 802.3bt требует, чтобы питание подавалось по всем витым парам в Ethernet-кабеле, а в технологии Gigabit Ethernet для передачи данных применяются все четыре витые пары. Следовательно, в полной мере обеспечивается не только 90‑Вт мощность, но и скорости Gigabit Ethernet с помощью Ethernet-кабеля, совместимого со стандартом IEEE 802.3bt.

14

Технология PoE непригодна для интернета вещей. Технология PoE появилась почти в то же время, что и интернет вещей (IoT). Однако на первых порах их нельзя было применять совместно друг с другом. В настоящее время несколько заметных тенденций свидетельствуют о том, что эти две технологии полностью сочетаются. Во ‑ первых , ожидаетс я, что чис ло оконечных IoTустройств будет расти ежегодно в течение, по крайней мере, ближайших пяти лет. К числу этих устройств относятся датчики и интеллектуальные исполнительные механизмы – сравнительно небольшие подключенные к интернету устройства с умеренным энергопотреблением. Многие популярные протоколы связи пытаются обеспечить прямую IP-адресуемость. Это значит, что связь будет устанавливаться с помощью локального шлюза, который, в свою очередь, станет подключаться к интернету с использованием проводного Ethernet-соединения. Добавить опцию PoE в шлюз можно без дополнительных затрат. Оконечным устройствам с беспроводным подключением необходимо питание, которое станет подаваться либо гальваническими батареями (что потребует их периодической замены), либо автономными источниками питания (и потому потребуются AC/DC-преобразователи). Применение PoE-технологии исключит необходимость в батареях и автономных источниках питания, а также в беспроводном подключении. Обеспечение безопасности интернета вещей становится все более насущной задачей, решение которой сопряжено с возможностью беспроводного подключения, поскольку единственным препятствием для связи с незащищенным оконечным устройством является его удаленность. В проводной Ethernet-связи вопрос о безопасности не стоит так остро, т. к. требуется физический доступ к оконечному устройству. Более того, наиболее распространенные протоколы беспроводной связи для интернета вещей работают в нелицензируемом диапазоне частот по вполне понятным причинам, в результате чего в нем имеются радиосигналы большой амплитуды. Несмотря на то, что протоколы хорошо справляются со своей задачей в этой части спектра, возникают проблемы с надежностью и стабильностью. Кроме того, рабочая мощность увеличивается из-за растущего числа отброшенных пакетов, которые требуется отправлять повторно. PoEтехнология не страдает от тех же проблем, обеспечивая намного более надежный и устойчивый канал связи. Рабочие режимы PoE-сетей позволяют уменьшить мощность потребления PD-устройств до очень малого уровня, прежде чем они отключатся от сети. Благодаря этому обеспечивается такой способ экономии энергии, который с трудом достигается в случае беспроводных оконечных устройств. Имеется проблема с энергией, рассеиваемой в кабеле. Идея передачи питания относительно высокой мощности по проводникам, изначально предназначенным для передачи данных, может вызвать проблемы с целостностью сигналов и рассеянием мощности. Не следует по старинке считать, что технология PoE – некое запоздалое изобретение, которое

www.elcomdesign.ru

с трудом вписывается в существующие приложения. Спе­ цификации IEEE 802.3 решили указанные проблемы. Например, спецификация IEEE 802.3 предусматривает, чтобы при мощности величиной 90 Вт в кабеле использовались все четыре витые пары. Однако максимальная длина кабеля в соответствии с этим стандартом составляет 100 м. При использовании только двух витых пар для подачи питания максимальное сопротивление шлейфа по постоянному току не должно превышать 12,5 Ом. Таким требованиям отвечают кабели Category 5 или выше. Таким образом, понятно, что рассеяние мощности не вызовет проблем, если соблюдены требования спецификации к кабелю. Новому стандарту требуется новое оборудование. Спецификация IEEE 802.3bt полностью обеспечивает обратную совместимость, как и большинство промышленных стандартов. Она совместима с IEEE 802.3af (12,95 Вт для PD-устройств) и IEEE 802.3at (25,50 Вт для PD-устройств). Чтобы обеспечить соответствие требованиям нового стандарта, нет необходимости менять все PSE-оборудование или PD-устройства в существующих сетях. Таким образом, в одной и той же сети допускается применение нескольких PoE-стандартов.

PD-устройствам понадобится изолированный источник питания. В некоторых случаях, не предусмотренных специфи­к ацией, могут потребоваться изолированные DC/DC-пре­о бразователи. Обычно так происходит, если отсутствует корпус, контакты открыты или невозможно обеспечить изоляцию выводов порта MDI от заземления. Если PD-устройство полностью защищено корпусом от прикосновений, допускается использование неизолированного DC/DC-преобразователя. Не существует однозначного ответа – все зависит от конкретного приложения. Например, в некоторых системах освещения предпочтительно использовать неизолированную топологию. Необходима дополнительная защита запитываемого устройства. Защита от бросков напряжения и тока требуется всем приложениям, и применение PoE-технологии не является исключением. Например, рекомендуется использовать ограничители переходного напряжения PD-устройств и их компонентов. Применение технологии PoE не увеличивает риск повреждения устройств при перенапряжениях, но следует учитывать, что эта технология не имеет собственной защиты. Таким образом, потребность в обеспечении защиты не выше, чем при использовании других способов энергоснабжения. Нельзя использовать устройства от разных производителей. Возможно, такое утверждение и справедливо в отношении некоторых беспроводных технологий на основе произвольных профилей, но стандарт IEEE 802.3bt был разработан с учетом требований к совместимости. Это значит, что любое PSE-оборудование работает с любым PD-устройством независимо от того, кто его изготовил. Такие компании как Sifos Technologies специализируются на разработке автоматизированного контрольно-измерительного оборудования для испытания PSE- и PD-устройств. Испытания на совместимость выполняют и сертифицированные лаборатории в соответствии с программой PoE альянса Ethernet Alliance.

PoE-технологию нельзя использовать вне Ethernet-сети. Это вполне понятное предположение, но на деле имеется возможность использовать PoE-связь только для подачи питания. Любое устройство, у которого потребляемая мощность не превышает 30 Вт и имеется правильный аппаратный интерфейс, может получать питание по Ethernet-кабелю и использовать его в любых целях, не подключаясь к PSE-оборудованию. При большей мощности требуется, чтобы это устройство отвечало требованиям стандарта связи PoE PSE. Несмотря на то, что технология PoE на самом деле не предназначена для такого сценария применения, у нее достаточно большой потенциал, который в дальнейшем будет совершенствоваться. Технологии обеспечения питания и передачи данных тесно связаны, особенно в случае интернета вещей.

PoE найдет свое применение и в сетях с устройствами нового поколения с более высокими скоростями передачи данных и уровнями безопасности. Способность обеспечивать питание мощностью величиной 90 Вт в сетях с гигабитными скоростями по одному кабелю, который монтируется сетевыми инженерами, создает новые возможности для всех вертикальных рынков. Мифы об архитектуре RISC–V ISA

RISC–V – еще одна процессорная структура. Основу архитектуры RISC–V составляет открытая фиксированная архитектура набора команд (ISA). При желании допускаются расширения списка команд, но ISA как основа остается неизменной. Таким образом, однажды написанное программное обеспечение постоянно работает на любом ядре RISC–V. Реализацию инновационных решений можно ускорить с помощью открытой архитектуры ISA. Компании имеют возможность оптимизировать и кастомизировать проект в соответствии со своими нуждами. RISC–V позволяет сделать аппаратное обеспечение открытым, как, например, операционная система Linux, которая в свое время сделала открытым ПО. Архитектура RISC–V не предназначена для промышленного применения. Многие корпорации применяют архитектуру RISC–V, чтобы монетизировать свои ядра. Поставщики IP-решений, к которым относятся компании Andes Technology, Codasip, Bluespec, и Cortus, предлагают ядра RISC–V для реализации в кремнии. У компании SiFive имеются лицензируемые IP-ядра, а также заказные полупроводники на основе RISC–V, включая 32‑бит RISC–V СнК. Компании Microsemi (см. рис. 7), Rumble Development и VectorBlox предлагают программные ядра

Нет ядер ПЛИС или интегрированных сред разработки для анализа архитектуры RISC–V. Компания Microsemi лидирует в этом направлении, предлагая ПЛИС, которые поддерживают ядра RISC–V, и интегрированную среду разработки (IDE) SoftConsole для проектирования и отладки RISC–V ISA на ПЛИС этой компании RTG4, IGLOO2 и PolarFire. Для анализа RISC–V также применяется виртуальная платформа Imperas с моделями архитектур 32‑ и 64‑бит RISC–V ISA, а также среда M*SDK для разработки ПО, отладки и тестирования на RISC–V. Эти модели также предоставляются на сайте Open Virtual Platforms. Кроме того, для анализа проекта RISC–V можно воспользоваться Arduinoсовместимой платой HiFive1 на основе RISC–V от компании SiFive. Для использования RISC–V требуется платная лицензия. Всем желающим ядро RISC–V предоставляется бесплатно – лицензионный сбор отсутствует. Например, многие программные ядра RISC–V можно бесплатно скачать с сайта GitHub компании Microsemi или с других сайтов. Использование в готовой коммерческой продукции торговой марки или логотипа RISC–V разрешается только после заключения лицензионного соглашения. Компании, разрабатывающие ядра RISC–V, должны совместно с клиентами использовать свои IP-решения. Лицензиаты не обязаны предоставлять лицензиару исключительную лицензию на IP-решения с архитектурой RISC–V ISA. Это значит, что разработчики могут бесплатно создавать собственные реализации для коммерческой эксплуатации или совместно использовать открытые реализации по своему усмотрению. Кроме того, к некоторым средствам программирования, поддерживающим архитектуру RISC–V, относятся специфические IP. Как правило, инструменты, например, компаний Antmicro и Imperas используют схожую программную лицензию университета Беркли; при этом не требуется версия IP для общего пользования. Быстродействие и эффективность процессоров RISC–V уступает аналогичным характеристикам процессоров x86 и ARM. Быстродействие процессоров и их эффек тивность полностью зависят от качества реализации, вк лючая микроархитектуру, схемное решение и использованный технологический процесс. Реализация RISC–V не должна быть менее эффективной по сравнению с x86 или ARM; по сути, модульный принцип построения RISC–V ISA позволяет создавать более эффективные решения, чем унаследованные ISA, например x86 или ARM. Поскольку архитектура RISC–V ISA является открытой, у каждого разработчика имеется разрешение на реализацию микроархитектуры для построения оптимизированных процессоров для своих приложений. Отсутствуют средства программирования для RISC–V. Поддержка архитектуры RISC–V была добавлена в наборы инструментов GNU/GCC и GNU/GDB в мае 2017 г. Инструменты низкоуровневой виртуальной машины (Level Virtual Machine, LLVM) также предоставляются на сайте RISC–V на странице средств программирования. Компания Antmicro предлагает для RISC–V симулятор набора команд ISS (Instruction Set Simulator). Компания QEMU тоже

электронные компоненты №02 2020

Техника и технологии

Несмотря на развитую экосистему и широкое применение RISC–V, заблуждения относительно этой архитектуры набора команд не позволяют компаниям полностью осознать ее преимущества. Многие компании пытаются найти свободное аппаратное обеспечение с открытой спецификацией и открытые программные средства в качестве альтернативы дорогостоящей архитектуре набора команд (instruction set architectures, ISA). RISC–V – свободная открытая и расширяемая ISA-архитектура, которая по-новому определяет универсальность, масштабируемость, наращиваемость и модульные принципы проектирования кристаллов. Однако далеко не все разработчики осознают преимущества этой архитектуры. В этом разделе мы обсудим некоторые наиболее распространенные заблуждения относительно RISC–V, чтобы лучше понять технологию, определяющую эту архитектуру, ее средства и требования, а также способы применения, позволяющие создать инновационные проекты и уменьшить расходы.

на основе RISC–V для ПЛИС. Например, на 5‑й конференции RISC–V демонстрировалась серийно выпускавшаяся видеокамера с ядром RISC–V в ПЛИС IGLOO2.

15

Техника и технологии

поддерживает RISC–V с помощью среды ISS. Компания Imperas создала полноценную среду разработки программного обеспечения M*SDK, а Microsemi выпустила интегрированную среду SoftConsole на основе Eclipse для разработки ПО. Компания SiFive предлагает бесплатную Eclipse-среду Freedom Studio.

16

Рис. 7. В состав ПЛИС IGLOO2 компании Microsemi входит IP-ядро RISC-V

www.elcomdesign.ru

Несколько ядер RISC–V не работают в одном приложении и с другим процессором. Ядра RISC–V и других процессоров могут вести себя схожим образом. Например, компания SiFive анонсировала многоядерное решение RISC–V на 32‑и 64‑бит ядрах. Ядро RISC–V применяется также в качестве микроконтроллера с крипто-

графическим процессором Athena TeraFire для реализации усовершенствованных функций безопасности. 32‑бит ядро RISC–V отвечает за конфигурацию типа безопасного обмена данными, которую процессор TeraFire реализует в ПЛИС PolarFire. Безопасность использования ядра RISC–V вызывает сомнения. При наличии уровня регистровых операций (RTL) IP-ядра, который основан на хорошо известной открытой специ­ фикации, его можно контролировать и анализировать, что обеспечивает безопасность приложения. При использовании программного ядра RISC–V для ПЛИС весь RTL-уровень можно проанализировать на безопасность. Это невозможно сделать при использовании закрытых процессорных архитектур, будь то процессоры с программными или аппаратными ядрами. Однако наверняка найдутся те, кто не согласится, что архитектуру RISC–V, таким образом, можно считать намного более безопасной, чем ядра ARM, Intel или любые другие программные ядра собственной разработки, у которых уровень RTL недоступен.

RISC–V не обеспечивает поддержку ОС Linux. Совсем наоборот – архитектура RISC–V поддерживает несколько разновидностей Linux, включая Yocto. Разработка RISC–V Linux основана на версии 4.6 ядра Linux, а пакет обновлений RISC–V будет включен в окно слияния ядра 4.14. Это значит, что RISC–V скоро станет главной платформой в Linux. В отличие от проприетарных ISA, открытость и готовая к совместному использованию архитектура RISC–V ISA облегчает компаниям координацию при осуществлении поддержки Linux и других операционных систем, расширяет возможности разработки ПО и позволяет сократить расходы.

Литература 1. Андрей Пересадин. Правда или вымысел? Часть 1//Электронные компоненты. № 12. 2019.

2. Mark Smith. 11 Myths about Inductive Position Sensors. Microchip Technology.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) стал победителем конкурсного отбора |

По результатам конкурса состоялось предоставление грантов на государственную поддержку программ деятельности лидирующих исследовательских центров (ЛИЦ) по тематике «Разработка единого цифрового платформенного решения, обеспечивающего эффективное проектирование и развертывание сетей радиодоступа, на основе гармонизированного с международным открытого стандарта связи нового поколения (5G)». Партнеры Сколтеха в этом проекте – компании «Элтекс» (ведущий российский производитель телекоммуникационного оборудования) и «Радио Гигабит» (один из крупнейших экспортеров отечественных беспроводных решений), а также Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР). Итогом работы ЛИЦ станет цифровое платформенное решение, обеспечивающее серийное создание и развертывание линейки базовых станций пятого поколения в парадигме OpenRAN. Выпуском оборудования займется «Элтекс». Заказчик разработки – Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации (Минкомсвязь России). Оператором отбора ЛИЦ в рамках национальной программы «Цифровая экономика РФ» выступает «Российская венчурная компания». На реализацию программы центра выделен грант 300 млн руб. Все разработанное оборудование станет поддерживать международные открытые протоколы OpenRAN. Задача ЛИЦ – дополнить стандарт с учетом специфики российского сегмента и способствовать его внедрению в качестве индустриального. Этот стандарт будет доступен всем отечественным производителям телекоммуникационного оборудования. В результате российские решения смогут выйти на рынки зарубежных стран и конкурировать с продукцией иностранных вендоров. Таким образом, в РФ появится защищенный от внешних санкций и иных факторов риска рынок оборудования для высокоскоростных беспроводных сетей. На нем будут на конкурентной основе предлагаться отдельные полностью совместимые функциональные элементы стека телекоммуникационного оборудования, разработанные разными компаниями.

Техника и технологии

Невозможно портировать RISC–V с ПЛИС на ASIC. Эмуляционные платформы нескольких IP-вендоров работают на ПЛИС. У компаний Codasip и SiFive имеются ПЛИС-прототипы ядер, которые портируются на заказные полупроводниковые устройства. Компания Microsemi как поставщик ПЛИС предоставляет RTL-уровни для программных ядер RISC–V. С помощью RTL упрощается портирование в ASIC, и исключается необходимость в лицензионных отчислениях.

www.russianelectronics.ru

17

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Разработки холдинга «Росэлектроника» для обеспечения безопасности |

www.russianelectronics.ru

Керамические конденсаторы до 100мкф Синфазныe дроссели на ток 10 А РЕКЛАМА

Эти разработки для промышленных производств были продемонстрированы делегации международной нефтесервисной компании «Шлюмберже». НПП «Алмаз» представило газоанализаторы контроля атмосферы на объектах, где образуются взрывоопасные смеси. Газоанализатор интегрируется в существующую на объекте систему безопасности и передает сигнал тревоги в случае превышения допустимых концентраций.

электронные компоненты №02 2020

Что нужно знать для успешного проектирования печатных плат Сергей Краснов, инженер

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

В статье рассматриваются некоторые важные вопросы проектирования двухслойных печатных плат, и даются проверенные практикой рекомендации. Кроме того, обсуждаются особенности анализа схем с сосредоточенными и распределенными элементами.

18

Многие потребительские изделия, микроконтроллеры и IoT-приложения построены на двухслойных печатных платах. Возможности дву хслойной печатной платы ограничены – как правило, на ней трудно осуществить разводку BGA-корпуса ПЛИС или выводов современного микроконтроллера. В этой статье мы обсудим правила проектирования для плат не самого высокого уровня. На рисунке 1 в качестве примера двухслойной печатной платы показана Arduino Uno – платформа для разработки на базе микроконтроллера ATmega.

Arduino Uno очень «живуча» – она всегда заработает, каким бы правилом проектирования вы ни воспользовались, что, к сожалению, расхолаживает разработчиков. Можно смело утверждать, что разработка на основе Arduino являет собой образец того, как не следует проектировать, чтобы затем не переделывать схему.

Рис. 1. Пример недорогой печатной платы Arduino Uno

Две проблемы, которые необходимо избежать

Схема определяет лишь используемые в ней компоненты и способ их соединения, но не позволяет установить целостность сигнала или питания. Межсоединения могут ухудшить рабочие характеристики изделия. К наиболее частым и сложным проблемам целостности сигналов и питания относятся перекрестные помехи, обусловленные взаимной индуктивностью между контурами сигнала и обратного тракта (помехи по земле) и коммутационный шум на шинах питания, вызванный в переходных процессах током большой амплитуды. На рисунке 2 показан результат измерения помехи по земле платы Arduino Uno при одновременном включении и выключении нескольких выходных каскадов цифровых микросхем. При физическом проектировании платы, включающем создание топологии, необходимо соблюдать основные правила проектирования, чтобы

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Результаты измерения помехи по земле на плате Arduino Uno при замыкании и размыкании нескольких ключей

уменьшить влияние этих двух проблем. Без тщательного анализа, который должен выполнять каждый инженер, можно только следовать некоторым общим рекомендациям, позволяющим уменьшить риск появления указанных проблем. Мы рассмотрим несколько рекомендаций, которые не гарантируют полный успех, но позволяют снизить риски возникновения отказов.

Совет 1. Ширина сигнального проводника должна быть равной 6 мил, ширина питающих проводников – 20 мил, а диаметр отверстий – 13 мил. Указанные размеры являются минимальными, и их может реализовать любой производитель при наименьшей цене. Выбор самых узких элементов обеспечивает самую высокую плот-

Совет 2. Располагайте компоненты, сигнальные и силовые тракты на слое 1, а обратный заземляющий тракт – на слое 2. Длину проводника, под которым имеется обратный тракт, можно выбрать сколь угодно большой, не ухудшив рабочие характеристики. Главное – использовать непрерывный обратный тракт под сигнальной линией. Проще всего это сделать, задействовав сплошной заземляющий нижний слой платы. Таким образом, верхний слой будет отведен под размещение всех компонентов, сигнального и силового трактов, что облегчит последующую отладк у при проверке сигнальных проводников. Кроме того, появляется возможность отличить сигнальные

Рис. 3. Образец испытательной платы для определения максимального тока, который могут пропускать проводники разной толщины

проводники от проводников питания по ширине линий. Совет 3. Размещайте компоненты и сигнальные проводники подальше друг от друга. Старайтесь размещать сигнальные проводники как можно дальше друг от друга во избежание перекрестных помех. У этих проводников – достаточно большой характеристический импеданс. Поскольку они находятся далеко от слоя с обратным током, между ними возникают перекрестные помехи. Чем меньше расстояние между соседними сигналами, тем эти помехи больше: например, при минимальном интервале перекрестная помеха на ближнем конце достигает 25%. Совет 4. Изоляционный промежуток для сигнальной линии на заземляющем слое должен быть узким. В противном случае в верхнем слое над зазором устанавливается перемычка. При проек тировании печатной платы следует стремиться к тому, чтобы импеданс обратного тракта каждой сигнальной линии был настолько мал, чтобы обеспечить низкую взаимную индуктивность между соседними парами обратных трактов. При трассировке сигнальной линии по заземляющему слою приходится создавать вокруг нее изоляционный промежуток. Сигнальные проводники, проходящие над этим зазором в обратном тракте, генерируют

перекрестные помехи, распространяющиеся на другие сигналы, которые пересекают зазор. Чтобы минимизировать помехи, следует делать зазоры небольшими, сузив, таким образом, тракт обратного тока. Если же этот зазор велик, в верхний слой добавляется обратный тракт, проходящий над зазором. На рисунке 4 приводятся примеры расположения зазоров в местах их пересечения с проводниками; для обратного тока в верхнем слое установлены перемычки. Совет 5. Устанавливайте развязывающие конденсаторы как можно ближе к выводу питания ИС так, чтобы по возможности минимизировать индуктивный контур. Рекомендуется использовать конденсатор в малом корпусе, выбрав максимальную емкость для этого типоразмера с номинальным напряжением, которое, по меньшей мере, в два раза больше предполагаемого напряжения шины питания. Как правило, в таких случаях применяется многослойный керамический конденсатор емкостью 22 мкФ. Величина его емкости зависит от тока, потребляемого развязываемыми компонентами. Согласно известному эмпирическому правилу, емкость 22 мкФ «справится» с током величиной 22 мА в переходном процесс при минимальном провале напряжения. Величина емкости не так важна, как минимизация индуктивных контуров

Рис. 4. При пересечениях зазоров и проводников используются перемычки для прохождения обратного тока над зазорами

электронные компоненты №02 2020

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

ность трассировки. Проводник шириной 1 мил (0,025 мм) проводит постоянный ток величиной 1 А; при этом его температ ура заметно не повышаетс я. Сопротивление такого проводника составляет 80 мОм/дюйм при толщине медного покрытия с удельной массой 1 унция/кв. фут. В большинстве приложений сопротивление проводника печатной платы является приемлемым, даже если его величина составляет 1 Ом. Поскольку длина рассматриваемого сигнального проводника составляет 12 дюймов, потери не играют существенной роли, пока ширина полосы пропускания не превысит 1 ГГц. Характеристический импеданс проводника шириной 6 мил при использовании стандартной двухслойной платы толщиной 62 мил достигает 150 Ом. Если длительность фронта достаточно мала или длина межсоединений настолько велика, что требуется согласование нагрузки, ее так же легко реализовать для 150‑Ом проводников, как и в случае с 50‑Ом проводниками, если проводники не выходят за пределы платы. При этом рассеяние мощности меньше, чем в случае с 50‑Ом проводниками. Попробуем установить, насколько большой ток может проходить по проводнику печатной платы, показанной на рисунке 3. По проводнику шириной 20 мил в медном покрытии с удельной массой 1 унция/кв. фу т может прохо дить постоянный ток величиной 3 А, не вызывая заметного повышения температуры. Последовательное сопротивление такого проводника составляет около 25 мОм/дюйм. Сопротивление силового проводника длиной 4 дюйма равно 0,1 Ом, что, как правило, считается незначительной величиной. Если требуется, чтобы по проводникам протекал ток до 10 А, их ширину следует увеличить до 100 мил.

19

непрерывные обратные тракты, не перекрывающие друг друга. Медная заливка большой площади между сигнальными проводниками часто становится причиной увеличения перекрестной помехи. Выводы

Рис. 5. Пример: а) корректного и б) некорректного размещения развязывающих конденсаторов на печатной плате

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

между выводами питания и земли ИС и развязывающими конденсаторами. Как правило, с этой целью конденсаторы, установленные как можно ближе к выводам микросхемы, используют короткие широкие проводники силового и заземляющего трактов. На рисунке 5 приведен пример корректного и некорректного использования нескольких конденсаторов в соответствии с этой рекомендацией.

20

Совет 6. На всех разъемах по возможности назначайте один обратный тракт каждому цифровому сигналу. Помехи по земле или коммутационный шум создают несколько сигналов, которые совместно используют один вывод для обратного тока. У многих разъемов – только один или два таких вывода с множеством переключающихся сигналов, в результате чего возникают помехи по земле. Например, у одного заземляющего вывода разъема платы Arduino – 13 цифровых вводов/выводов, которые могут переключаться. Совет 7. Не следуйте двум известным рекомендациям. К первой из них относится запрет на использование конденсаторов с разными емкостями 10 мкФ, 1 мкФ и 0,1 мкФ на каждом выводе питания. Мало того, что такое ограничение ничего не дает – в некоторых случаях из-за него возникают дополнительные проблемы. Если на плате имеется место для трех конденсаторов, установите их так, чтобы минимизировать контур индуктивности. Вторая рекомендация – никогда не использовать медную заливку. Такое ограничение тоже неэффективно и иногда создает ненужные проблемы. Вместо медной заливки используйте прово-

www.elcomdesign.ru

дники для слоя питания. Таким образом можно отслеживать силовые тракты при проверке подключений и отладке. Требование к обеспечению минимального контура индуктивности относится ко всем соответствующим компонентам, начиная с ИС и заканчивая развязывающими конденсаторами. Например, для тока величиной 10 А достаточно, чтобы ширина проводника составляла всего 100 мил. Что касается заливки для заземления, то для него рекомендуется использовать нижний слой платы с обратными трактами. В случае использования верхней медной заливки в качестве заземления может незаметно произойти разрыв импеданса в обратном тракте. Не следует думать, что добавление медной заливки, подключенной к заземляющему слою, позволяет уменьшить перекрестные помехи – для их минимизации достаточно обеспечить

С ледование этим прак тическим рекомендациям не гарантирует успеха, но позволяет уменьшить риск возникновения отказа из-за перекрестной помехи или шума на шине питания. В качестве примера следования этим советам на рисунке 6 представлена двухслойная плата Arduino с установленным микроконтроллером ATmega 32U4. Из этого рисунка видно, что в схеме реализованы все упомянутые рекомендации: 1. Ширина сигнальных проводников равна 6 мил, проводников питания – 20 мил, а диаметр сигнальных переходных отверстий – 13 мил.

2. На слое 1 (обозначен красным цветом) находятся компоненты, сигнальные и силовые проводники. На слое 2 (синим цветом) находится сплошной заземляющий слой.

3. Расстояние между сигнальными проводниками достаточно велико.

4. Ширина зазоров у сигнальных проводников в зазем ляющем с лое минимальная. Если же она велика, используются перемычки для обратного тока.

5. Развязывающие конденсаторы располагаются рядом с силовыми выводами, которые образуют малые контуры по питанию и заземлению.

6. В стандартный разъем Arduino добавлен внешний ряд заземляющих выводов.

7. Ни на одном слое нет медной заливки, и используется только одно значение развязывающего конденсатора.

Рис. 6. Двухслойная плата Arduino с микроконтроллером ATmega 32U4, реализованная в соответствии со всеми рекомендациями

Рис. 7. Линия передачи, состоящая из сегментов с последовательными элементами R-L-C-G Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами

Системы с сосредоточенными элементами описываются известными дифференциальными уравнениями, поскольку в силу малого размера этих систем (по сравнению с длиной волны) производными по координатам можно пренебречь и рассматривать только производные по времени. С другой стороны, в случае систем с распределенными параметрами требуется учитывать и производные по координатам, и производные по времени, т. е. решить частно-дифференциальные уравнения в частотной области. Линию передачи можно представить в виде бесконечно большого числа сегментов, в состав которых входят последовательные резистивные и индуктивные, а также шунтирующие емкостные и проводящие элементы (см. рис. 7). Из-за ограниченной скорости распространения в среде сигналу «неизвестно», какая нагрузка находится в конце линии передачи – он «видит» только ее импеданс, который должен быть согласован с импедансом генератора сигналов. Как формируется электромагнитное поле в линии передачи?

Ответ на этот вопрос нельзя получить даже в Google. По идее, электрическое поле образуется, когда к выходному каскаду ИС прикладывается напряжение. При его изменении возникает всплеск тока, который порождает магнитное поле. Заключенная в сигнале электромагнитная энергия передается со скоростью около половины скорости света (из-за ограничения, обусловленного диэлектрической средой) по линии передачи вдоль проводника. Эта энергия проникает в диэлектрик и рядом расположенные элементы, создавая распределенную систему из паразитных элементов. Электромагнитные поля не ограничиваются многослойной подложкой – в отсутствие соответствующих мер по их нейтрализации излучение становится причиной помех.

электронные компоненты №02 2020

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

Для проектирования двухслойных плат достаточно использовать модели схем с сосредоточенными параметрами. Это простой и удобный способ анализа. К сожалению, он не всегда годится. Рассмотрим примеры использования моделей с сосредоточенными и распределенными параметрами. Для упрощенного анализа электронных схем применяется модель с сосредоточенными параметрами. Эта методология предполагает, что параметры схемы, к которым относятся сопротивление, емкость и индуктивность, рассматриваются как идеализированные электрические компоненты, соединенные в цепь идеально проводящими проводами. При этом физическими размерами элементов можно пренебречь и независимой переменной является только время (протекающих в них процессов). Однако на практике это не всегда так. По мере повышения частоты импульсов и уменьшения длительности их фронтов эти элементы равномерно распределяются по подложке вдоль всей длины проводника. Медный проводник и соседствующие с ним диэлектрические материалы становятся линией передачи. Под влиянием поверхностного эффекта ВЧ-ток начинает протекать преимущественно в поверхностном слое, а на качество сигнала влияют зависящие от частоты потери. Проводник печатной платы становится распределенной системой с паразитной индуктивностью и емкостью, которая характеризуется временем задержки и рассеянными отражениями. Описываемое поведение проводника происходит в частотной области. В [1] показано, что импеданс определяется и во временной, и в частотной областях. Во временной области полное сопротивление резистора R определяется взаимосвязью между напряжением и током (законом Ома), а идеальный

конденсатор С – взаимосвязью между запасенным зарядом и напряжением на пластинах. В свою очередь, поведение индуктивности L определяется тем, как быстро изменяется во временной области ток, протекающий через дроссель. Три элемента R, L, C относятся к категории сосредоточенных компонентов схемы в том смысле, что их свойства можно локализовать в одной точке. Такой подход существенно отличается от свойств идеальной линии передачи, которая тоже состоит из этих трех элементов, но их параметры распределены равномерно по длине диэлектрического слоя. Модель с распределенными элементами применяется, если длина волны становится сопоставимой с физическими размерами схемы, что делает неприменимой модель с сосредоточенными параметрами. Модель с распределенными элементами используется на высоких частотах, когда длина волны становится короткой. Однако она также применяется в случае очень длинных низкочастотных линий передачи, к которым, например, относятся высоковольтные сети электропитания. В этой модели тремя основными элементами являются распределенная емкость, индуктивность и проводимость (G). Модель с сосредоточенными параметрами полностью перестает работать, если длина проводника становится больше четверти длины волны сигнала, распространяющегося по проводнику (что соответствует сдвигу фазы синусоидального сигнала на 90°). При этом не только значения, но и свойства компонентов становятся непредсказуемыми. В силу такой зависимости от длины волны модель с распределенными параметрами применяется, главным образом, на высоких частотах. Необходимо понимать, что термины «сосредоточенные» и «распределенные параметры» относятся к длине проводника относительно длины волны сигнала напряжения и токов, проходящих по проводнику.

21

На заметку

Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

Рис. 8. Анализ сосредоточенных и распределенных элементов линии передачи

22

Модель системы с распределенными параметрами обеспечивает более высокую точность, но сложнее модели с сосредоточенными параметрами. Выбор модели зависит от точности каж дого конкретного приложения, поскольку отсутствует четкая граница по частоте, определяющая использование той или иной модели, хотя на практике такой демаркационной областью является диапазон 100–500 МГц. Одно известное эмпирическое правило гласит, что проводники, длина которых превышает 0,1 длины волны, следует рассматривать как систему с распределенными элементами. Эта область определяется примерно тем участком, где две кривые начинают заметно расходиться (см. рис. 8). Модель с сосредоточенными элементами применяется на сравнительно более высоких частотах в тех случаях, если устройства имеют достаточно малые размеры и изготовлены с помощью соответствующих технологий. Размеры печатных плат со сквозными металлизированными отверстиями превышают размеры эквивалентных плат, собранных с использованием технологии поверхностного монтажа. Размеры гибридных ИС, в которых пас-

сивные элементы выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке и используются дискретные полупроводниковые электронные приборы, меньше, чем у аналогичного решения, собранного целиком из дискретных компонентов на печатной плате. Размеры монолитных ИС еще меньше. На достаточно высоких частотах микросхемы, в отличие от печатных плат, можно анализировать в виде модели с сосредоточенными параметрами. То же относится к некоторым радиочастотным устройствам. Выбор модели анализа особенно важен в случае мобильных устройств, поскольку размеры схем с сосредоточенными элементами, как правило, становятся все меньше. Для иллюстрации разницы между сосредоточенной и распределенной моделями для линии передачи мы сравниваем их на рисунке 8, где показана зависимость напряжения нагрузки от длины линии передачи без потерь. В зависимос ти от д лительнос ти фронта сигналов модель линии передачи с распределенными элементами начинает отклоняться от упрощенной модели сосредоточенных элементов в диапазоне 0,01–0,1 длины волны сигна-

• В модели с сосредоточенными элементами параметры схемы определяются идеализированными электрическими компонентами, соединенными в цепь идеально проводящими проводами. Считается, что размеры сосредоточенных элементов не влияют на происходящие в них физические процессы.

• По мере повышения частоты импульсов и уменьшения длительности их фронтов эти элементы равномерно распределяются по подложке вдоль всей длины проводника.

• Электромагнитная энергия проникает в диэлектрик и рядом расположенные элементы, создавая распределенную систему из паразитных элементов.

• На высоких частотах применяется модель с распределенными параметрами, когда длина волны становится сравнимой с физическими размерами схемы.

• Модель с сосредоточенными элементами полностью прекращает работать, если длина проводника начинает превышать четверть длины волны (что соответствует сдвигу фазы синусоидального сигнала на 90°).

• Модель системы с распределенными параметрами обеспечивает более высокую точность, но сложнее модели с сосредоточенными параметрами.

• Проводники, длина которых превышает 0,1 длины волны, следует рассматривать как систему с распределенными элементами.

• Модель с сосредоточенными элементами применяется для схем на сравнительно более высоких частотах в тех случаях, если устройства имеют достаточно малые размеры и изготовлены с помощью соответствующих технологий.

• Размеры схем с сосредоточенными элементами, как правило, становятся меньше.

• Модель линии передачи с распределенными элементами начинает отличаться от упрощенной модели сосредоточенных элементов при длине проводников в диапазоне 0,01–0,1 длины волны сигнала.

ла. В рассматриваемой симуляции импеданс нагрузки согласован с импедансом линии передачи, и потому отражениями можно пренебречь. Хотя модель с распределенными параметрами дает хорошее представление о характеристиках типовой НЧ линии передачи, на высоких частотах необходимо также учитывать потери в проводниках и диэлектриках. Литература 1. Сергей Краснов. Преимущества ана­ лиза в частотной области. Электронные компоненты. № 12. 2019.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| «МТС» и компания «БЕТАР» выпустят первый в России сертифицированный счетчик воды со встроенным модулем NB-IoT |

Производство счетчиков началось в январе 2020 г. Система будет интегрирована в платформу для управляющих компаний, которую МТС запустила в декабре 2019 г. Пользователи увидят показатели счетчиков в приложении VDome. Подключение счетчиков к сети позволяет собирать данные и выставлять счета автоматически. Поверочный интервал составляет шесть лет; в сети NB-IoT датчик проработает это время, не потребовав замены батареи. Счетчик, подключенный через сеть NB-IoT, работает даже там, где нет сетей 2G, 3G, 4G. Автоматический сбор показаний уменьшает количество споров с управляющей компанией. Система мониторинга МТС позволит снизить оплату на общедомовые нужды в среднем на 10% и контролировать недобросовестных плательщиков. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

DC/DC-преобразователи серии NPH от Murata Power Solutions По материалам компании Murata Power Solutions В типовом приложении DC/DC-преобразователям серии NPH для формирования заданного выходного напряжения требуется только входное напряжение постоянного тока с корректной полярностью. В эту продуктовую линейку входят преобразователи с управляющими выводами, расположенными на каждой стороне изолирующего барьера. Эти выводы программируются с помощью внешних устройств для реализации многих функций. В статье рассматриваются вопросы использования этих преобразователей и рекомендации, позволяющие полностью раскрыть их потенциал.

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

Регулировка напряжения

24

Регулировка входного напряжения на вторичной стороне позволяет осуществлять настройку выходного напряжения в допустимых пределах. Регулировка напряжения с помощью внешних компонентов, подк лючаемых к выводу ADJ, позволяет изменять выходное напряжение почти на 50%. Базовая схема регулировки состоит из потенциометра, работающего в диапазоне 10–100 кОм и подключенного к выходу. Ползунок потенциометра подключен к выводу ADJ (см. рис. 1). В зависимости от модели выходное напряжение можно уменьшить примерно на 15%, если ползунок находится на положительном выходе, или увеличить это напряжение на 24%, если он установлен на отрицательной шине. В любом случае, регулировка обеспечивается, по крайней мере, до уровня 10% от полной величины напряжения. Если требуется более точная регулировка, между ползунком и выводом устанавливается резистор. Например, сопротивление величиной 62 кОм ограничивает входное напряжение 3,3 В диапазоном ±5%. Для других напряжений соответствующими значениями являются 5 В:56 кОм, 12 В:100 кОм и 15 В:150 кОм. Установка напряжения

Выходное напряжение всех модулей задается на 100 мВ выше номинального значения для компенсации падения напряжения на проводниках схемы, чтобы, таким образом, уменьшить расчетные погрешности для наихудшего сценария. В случае версий Ei этот допуск можно изменить с помощью одного постоянного резистора, подключенного к регулирующему выводу.

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Регулировка напряжения

Режим останова

Для того чтобы перевести преобразователь в режим останова (shutdown), соответс твующий внешний вывод микросхемы соединяется с отрицательной шиной входного напряжения. В этом случае потребляемый ток окажется меньше 1 мА при номинальном напряжении питания. Величина напряжения не должна превышать 1,5 В, чтобы прекратить работу модуля и уменьшить небольшой входной ток. Преобразователь возобновит свою раб от у, е с ли о с тавить у прав л яю щий вывод разомкнутым или подать на него напряжение, величина которого близка к нормальному напряжению разомкнутой цепи. Как правило, эта величина равна 10 В. Заметим, однако, что преобразователь не станет отвечать требованиям спецификации до тех пор, пока ток стока на этом выводе достаточно велик. Если вывод для режима останова необходимо подключить к проводнику большой длины, рекомендуется использовать сглаживающий конденсатор во избежание ложных срабатываний. Можно также использовать обычный пассивный RC-фильтр. Рекомендуемая величина сопротивления – 1 кОм, емкости – 10 нФ. Несколько преобразователей серии NPH можно последовательно

соединить; при этом их управляющие выводы следует соединить друг с другом. Подстройка частоты

Если входное напряжение постоянного тока на первичной стороне отклонится от напряжения разомкну той цепи, рабочая частота преобразователя изменится примерно пропорционально напряжению. При напряжении 8,5 В DC на выводе SS типичное значение рабочей частоты составляет 300 кГц. Если оно увеличится до 15 В DC, коммутационная частота повысится до 510 кГц. Таким образом компенсируется изменение входного напряжения, и преобразователь продолжает работать в безопасной зоне. Отклонение, по меньшей мере, достигает –10…30%, а эффективность меняется гораздо значительнее. Заметим также, что если частота понижается, увеличивается пульсация выходного напряжения. Поскольку в рассматриваемой схеме не применяются большие электролитические конденсаторы, любое понижение частоты должно предусматривать увеличение пульсаций. В результате могут потребоваться внешние фильтры. Синхронизация

Частоту преобразователя можно синхронизовать с частотой внешнего

источника, для чего на вывод синхронизации подается задающий сигнал отрицательной полярности от внешнего источника синхронизации. Амплитуда управляющего сигнала, как правило, составляет 8–12 В, продолжительность импульса – 100–200 нс. Соответствующая схема состоит из КМОП-таймера (серии 7555 или TLC555), работающего в качестве генератора или формирователя импульсов. Его логический выход необходимо подключить через разделительный конденсатор емкостью 4,7 нФ к выводу преобразователя. Если частота синхронизации выше рабочей частоты преобразователя, можно изменить рабочую частоту. Пример применяемой на практике схемы показан на рисунке 2. Несколько преобразователей этого семейства синхронизуются с помощью одного и того же источника опорной частоты при условии, что этот сигнал буферизуется драйвером с соответствующей нагрузочной характеристикой. Например, если время нарастания импульса превышает 20 нс, синхронизация не достигается в заданном частотном диапазоне. Фильтрация

Настройка частоты R2 (5,6 кОм)

4 7

VR1 R1 (8,2 кОм) (470 Ом)

2 6 C1 (100 пФ, 16 В)

C3 (4,7 нФ, 25 В) SS

3

C4 (470 нФ, 16 В)

0V

8

D1(1N4148) 5

1 ZD1(BZX55CBV2)

C2 (10 нФ, 16 В)

0В

Рис. 2. Синхронизация 10 мкГн

100 мкГн DC

2,2 мкФ

2,2 мкФ

10 мкФ DC

1мГн

100 мкГн

10 нФ, 250 В AC, Y конденсатор 10 нФ, 250 В AC, Y конденсатор

Рис. 3. Рекомендуемая конфигурация для подавления шума

ко его применение ухудшает устойчивость. Таким образом, рекомендуется установить шунтирующий конденсатор на входных выводах преобразователя, чтобы он получал питание по проводникам с низким импедансом. Если фильтрация не требуется, устойчивость может у худшиться из-за индук тивности длинных проводников тракта питания. В таком случае на вход устанавливается развязывающий конденсатор. Электролитические конденсаторы лучше всех обеспечивают устойчивость. На рисунке 3 представлены рекомендуемая конфигурация, которая позволяет избавиться от негативного влияния трех указанных режимов. Значения компонентов и номинальные величины зависят от характеристик преобразователя и напряжения, а также от заданной шумовой характеристики. Значения, указанные на рисунке 3, соответствуют случаю применения 10‑Вт преобразователя 48/5 В. Подавление синфазных помех осуществляется синфазным дросселем в первичной цепи. Если его установить на выходе, регулировка ухудшится, и уменьшатся преимущества с учетом заданного размера, стоимости и потерь мощности. Излучаемый шум присутствует в виде магнитного и элек тростатического полей. Влияние второго из них нейтрализуется металлическим корпусом, который подключен к обратному тракту выхода – как правило, к точке с нулевым напряжением. Благодаря малому размеру модулей ни один из упомянутых видов шума не наблюдается.

Монтаж

Медный корпус соединен с выходным контак том (0 В). Необходимо уделить должное внимание проектированию печатной платы, на которую устанавливается преобразователь. Верхние боковые проводящие дорожки не должны контактировать с краем этого корпуса или с ферритовым сердечником, который виден с нижней стороны модуля. Защита

Абсолютные1 максимальные показатели в спецификации определяют условия, при которых может уменьшиться срок службы, но немедленное разрушение не произойдет. Речь идет о тех неизбежных или непреднамеренных случаях, когда номинальные значения превышены. Модуль оснащен защитой от широкого ряда нештатных режимов эксплуатации. В других случаях, когда отказ неизбежен, последующие факторы риска сведены к минимуму. В модуле нет встроенной защиты от подачи питания обратной полярности. Использование последовательно установленного диода в качестве превентивной меры вызовет недопустимые потери мощности базового изделия, но некоторые приложения позволяют применить внешний диод. В отсутствие защиты от обратной полярности при неправильной подаче питания возникает большой ток короткого замыкания, вызывающий отказ преобразователя.

1 Абсолютные максимумы определяют значения, выше которых может произойти разрушение. Длительное функционирование вне указанных условий эксплуатации не рекомендуется и может ухудшить надежность. Спецификация не определяет эффективность функционирования в таком случае.

электронные компоненты №02 2020

И с т о ч н и к и и м о д у л и п и та н и я

В составе преобразователя имеется выходной фильтр, которого достаточно для многих приложений. При необходимости обеспечить малый шум добавляются внешние фильтры. Как известно, DC/DC-преобразователь генерирует шум двух видов – излучаемый и кондуктивный. Существуют три разных режима кондуктивного шума: входной дифференциальный, выходной дифференциальный и синфазный. Синфазные помехи нельзя удалить фильтрацией только на входе или выходе. Первый уровень фильтрации реализуется путем установки конденсатора между общими шинами входа и выхода. Как правило, в шуме содержатся гармоники коммутационной частоты высокого порядка, пики которых появляются во внешних цепях. Номинальное напряжение этого конденсатора должно соответствовать заданной величине электрической прочности изоляции (изза широкого диапазона значений этого параметра и требуемой шумовой характеристики этот конденсатор не входит в состав рассматриваемого преобразователя). Пульсации на входе подавляются развязывающим конденсатором, емкость которого зависит от выходного импеданса источника первичного напряжения. Эти пульсации можно подавить и входным дросселем, одна-

10 В

25

О сетевых технологиях для транспорта и многом другом Кармело Де Мола (Carmelo De Mola), Microchip Technology

Сети и интерфейсы

В статье рассматривается сетевая технология INICnet от компании Microchip Technology. Особенностью технологии является возможность подключения к автомобильной сети Ethernet, что позволяет использовать другие специализированные сети на основе проприетарных разработок и решений, не предусматривающих возможности подключения к Ethernet.

26

Путешествуя на автомобилях, мы хотим комфорта, удобства, хорошо провес ти время, а так же безопасности и надежности. Автомобильная отрасль постоянно развивается, в т. ч. значительно улучшая информационноразвлекательные функции автомобиля. Если когда-то автомобили оснащались простыми радиоприемниками, то теперь развлекательные функции стали более разнообразными. В автомобиле используется несколько разных сетей, которые объединяют аудио-, видео-, другие электронные устройс тва и предс тавляют собой целые информационно -развлекательные комплексы. К последним разработкам за пределами информационно-развлекательной области относятся аудио-, акустические, голосовые приложения, системы шумоподавления (ANC), связи в автомобилях (ICC) и другие приложения, повышающие комфорт и безопасность путешествий. На сегодняшний день один из важных вопросов отрасли – как использовать инновации, соответствовать всем требованиям качества, безопасности, обеспечив экономичность решений и быстрый выход продукции на рынок? Этот вопрос сводится к области базовых сетевых технологий, отвечающим всем требованиям по функциональности и эксплуатации. Кроме того, необходимо учитывать все текущие изменения в системной архитектуре транспортных средств, начиная с архитектур для домашнего применения и заканчивая архитектурами регионального уровня, объединенными основной системой с высокой пропускной способностью. Успешное решение этой проблемы зак лючается в выборе правильной сетевой технологии для соединения информационно -разв лекательных и акустических систем, а также аудиоустройств с автомобилем.

www.elcomdesign.ru

Базовая архитектура автомобиля, как правило, основана на сети Ethernet. Поскольку и другие приложения подключаются к этой сети, необходимо создать т. н. монотехнологическ ую сеть, которая свяжет все бортовые сети (IVN) с автомобильной Ethernetсетью. Такой подход применяется и для связи устаревших аудиоприложений и приложений ранних версий с новыми постоянно появляющимися акустическими приложениями, приложениями по распознанию голоса и речи. Решения с использованием этого подхода предлагают многие компании. Существует даже специальный стандарт аудио- и видеосвязи (AVB), в котором определяются специальные требования по передаче аудио- и видеоданных по сетям Ethernet, включая требования по гарантированной пропускной способности и уровню задержки. Данный подход имеет и недостатки – аудио- и видеоданные необходимо предварительно обработать (пакетизировать) в источнике, а также повторно обрабатывать (извлечь) в приемнике, т. к. пакетно-ориентированные сети, к которым относится Ethernet, не способны передавать аудио- или видеод анные в их ис ходном ф ор мате. Последовательность и необходимость пред- и постобработки ведет к разработке сложного ПО для сетевых стеков, а также к увеличению стоимости микроконтроллеров, используемых для сетевых устройств. Некоторые применения, например системы активного подавления шумов или усиления звука мотора в салоне (ESE), сложны и дороги для реализации с помощью упомянутого подхода, т. к. механизмы AVB, необходимые для выполнения требования по уровню передачи данных, нуждаются в мощных процессорах и большом числе дополнительных программ.

Специалисты, обеспечивающие поддержку Ethernet, аргументируют свои предпочтения тем, что эта технология (включая Ethernet для транспортных средс тв) являетс я открытым с тандартом, который позволит сократить количество сетевых решений для автомобиля, а значит, упростить разработку и тестирование сетей. Этому также способствует рыночная конкуренция, большой опыт, развитые экосистемы. В то же время многие производители хотят избежать использования дополнительных аппаратных и программных средств, а также усилий по реализации потоковых Ethernet-приложений, и потому выбирают специализированные сети, охватывая тем самым широкий ряд всех современных аудио -, речевых, акустических и информационно-развлекательных приложений. Специализированные сети часто основаны на проприе­т арных разработках, что считается недостатком устройств и автомобилей многих производителей. Технология INICnet от Microchip Technology сочетает в себе преимущества специализированных сетей с возможностью беспрепятственного подключения к автомобильной сети Ethernet. Таким образом, у производителей появ ляетс я возможнос ть использовать все преимущества других существующих решений в одной сети и INICnet в своих информационно-развлекательных, акустических и голосовых приложениях. Технология INICnet соответствует стандарту ISO21806, который в настоящее время находится в разработке и появится к 2021 г. Поскольку стандарт определяет требования к уровню качества аудио- и видеоканалов с низким уровнем задержки (50–70 мкс), INICnet позволяет создавать приложения, чувствительные к задержке. Каналы

Рис. 1. Соединение между INICnet и магистральной сетью Ethernet автомобиля без использования шлюзов

На рисунке 1 иллюстрируются все преимущества технологии, с помощью которой можно легко подключить субдоменное аудиоустройство к магистральной сети Ethernet. Поддерживаются все протоколы высокого уровня – TCP, UDP, DoIP, которые можно использовать для выполнения различных функций, например для загрузки программного обеспече ния или запуска диагностики через Ethernet. Что касается всего стандартного ПО на основе Ethernet, предлагающегося на рынке, то оно совместимо с технологией INICnet, благодаря чему

уменьшаются риски, а так же время и затраты на внедрение приложе ний. Давайте подробнее рассмотрим преимущес тва технологии INICnet (см. рис. 1).

–– С помощью INICnet можно легко внедрять аудио-, голосовые и акустические приложения, т. к. INICnet поддерживает аудио - или виде од анны е в и с ход н о м ф ор м ате, не требуя пред- и постобработки мультимедийных данных, а инженерам не придется решать сложные задачи по преобразованию данных или сетевые задачи, которые отвле-

Сети и интерфейсы

полностью управляются через ИС с поддержкой INICnet или доступное ПО, так что инженерам не придется дополнительно разрабатывать устройства для обработки трафика сети. В технологии INICnet используются неэкранированные скрученные пары (UTP) или коаксиальные кабели. Поскольку каждый узел имеет собственный MAC-адрес, он полностью сочетается с Ethernet и поддерживает все функции, относящиеся к Ethernet, режимы адресации и размеры пакетов. Таким образом, INICnet полностью совмещается с Ethernet.

27

Рис. 2. Технологии INICnet в модели ISO/OSI

электронные компоненты №02 2020

Сети и интерфейсы

Рис. 3. Устройства INICnet от Microchip с масштабируемым интерфейсом, предназначенные для разных приложений

28

кают от разработки основного приложения.

–– Быс трое обновление прошивки в каждом устройстве INICnet может также осуществляться по беспроводной связи, например для решения проблемы с безопасностью или в целях улучшения функциональности, поскольку эта технология поддерживает оригинальные пакеты Ethernet и обеспечивает подключение к магистральной сети автомобиля через одно из устройств, например головное ус тройс тво системы.

–– Поскольку каждое INIC-устройство в сети INICnet имеет собственный MAC-адрес, нет необходимости для подключения INICnet к автомобильной системе использовать шлюзы в головном устройстве или в другой части сети. Технология INICnet обеспечивает две скорости передачи данных: 50 и 150 Мбит/с; при этом эффективность использования полосы пропускания составляет 95%. Оба варианта поддерживают и кольцевую топологию, и топологию вида «цепочка». Скорость 50 Мбит/с обеспечивается с помощью UTP-кабелей, а 150 Мбит/с – через коаксиальный кабель. При этом легко отделить Ethernet-каналы по технологии INICnet от более высоких слоев, т. к. технология покрывает только два первых слоя модели ISO/OSI (см. рис. 2). Следовательно, ПО для других сете-

www.elcomdesign.ru

вых технологий может легко использоваться с INICnet после обновления драйверов. На текущий момент с технологией INICnet могут применяться драйверы для платформ Linux, Android и QNX, что позволяет прозрачно интегрировать Ethernet-каналы на INICnet в уже существующие системы на основе IP, благодаря чему инженеры, работающие с проектами на базе INICnet, могут полностью заняться только разработкой своих приложений. На рис унке 3 рассматриваютс я устройства из семейства полностью масштабируемых специализированных продуктов Microchip, предназначенных для приложений с критичным сохранением низкого значения задержки, например д ля ANC, ус тройс тв д ля генерации звука мотора или гашения внешнего шума, устройств для вызова оперативных служб и т. д. Устройства предназначены для использования компаниями уровня Tier 1, поскольк у позволяют внедрить недорогие инновационные решения для клиентов. Допускается также конфигурация каждой INIC ИС в качестве ведущего или ведомого устройства. Устройства с технологией INICnet могут использоваться на любом участке сети и менять свой режим автоматически. Например, если сеть повреждена в случае аварии, у водителя автомобиля тем не менее имеется возможность вызвать ДПС и скорую помощь. Гибкость работы устройств INICnet позволяет исполь-

зовать их также для управления складом без дополнительных специальных управляющих сетевых устройств. Компания Microchip предоставляет унифицированные централизованные сетевые стеки UNICENS для инновационного управления сетевыми ресурсами и конфигурирования сетей INICnet.

UNICENS – бесплатное приложение с открытым исходным кодом, позволяющее конфигурировать всю сеть с помощью одного устройства. В результате появляется возможность реализовать устройства, которые не требуют использования микроконтроллеров, например микрофонные узлы. Сетевые узлы, которые работают только с Ethernetтрафиком, например умные антенны, не нуждаются в каком-либо сетевом ПО и потому могут использоваться с микроконтроллерами меньшего размера. Если умная антенна генерируют только оригинальные Ethernet-данные, то ее можно проектировать без микроконтроллера. Все остальные функции по управлению системой, например устройствами, могут поддерживаться уже имеющимися IP-стеками, например стеками SOME/IP или любыми другими системами дистанционного вызова процедуры (RPC). Преимущества технологии INICnet настолько очевидны, что многие компании уровня Tier 1 во всем мире уже оценили ее и присоединились к команде экспертов компании Microchip по разработке и внедрению INICnet.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| TTEthernet – стандарт бортовой сети космической станции NASA Lunar Gateway |

www.avdsys.ru/tttech

электронные компоненты №02 2020

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Окололунная космическая станция NASA Lunar Gateway стала уже третьим крупным космическим проектом, в котором в качестве стандарта бортовой сети выбрана технология Time-Triggered Ethernet – Ethernet с передачей по Временному Расписанию. В настоящее время TTEthernet является стандартом бортовой сети многоцелевого пилотируемого космического корабля Orion MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle) и европейской ракеты-носителя Ariane 6. Недавно сетевая технология TTEthernet была ратифицирована космическими агентствами NASA, ESA, CSA и JAXA в качестве стандарта IASIS (International Avionics System Interoperability Standards). Технология Time-Triggered Ethernet превращает обычный Ethernet в детерминированную сеть с гарантированным временем передачи данных между узлами сети. Это позволяет использовать Ethernet для построения распределенных систем управления «жесткого» реального времени. Технология TTEthernet разработана компанией TTTech (Австрия) и на сегодняшний день является открытым международным стандартом SAE AS6802. В отличие от офисной сети, распределенная система управления объектом (самолетом, космическим аппаратом, автомобилем, производственной линией) – это сеть заранее известной конфигурации узлов с заранее известной потребностью узлов в объемах исходящего и входящего трафика. Поэтому можно заранее спланировать по времени и объему и составить расписание передач между узлами так же, как составляется расписание, например, на железной дороге. Благодаря расписанию сеть становится на 100% детерминированной: доставка заданного объема данных между заданными узлами в запланированный интервал времени гарантирована. Компания TTTech разработала радиационно-стойкую элементную базу TTEthernet – микросхемы абонентского контроллера (end-system) и коммутатора (switch). Микросхемы TTEthernet поддерживают три класса сетевого трафика: высококритичный синхронный трафик с передачей по расписанию (стандарт SAE AS6802), среднекритичный асинхронный трафик с резервированием полосы пропускания (стандарт ARINC 664) и некритичный асинхронный трафик обычного Ethernet (стандарт IEEE 802.3). При этом асинхронные передачи данных Ethernet и ARINC 664 не влияют на расписание синхронных передач данных. Микросхемы абонентского контроллера и коммутатора поддерживают отказоустойчивые сетевые архитектуры с резервированием до трех каналов и скорости передачи 10, 100 и 1000 Мбит/с. Микросхемы выпускаются в 256‑контактом корпусе CQFP c квалификацией QML Level V для диапазона рабочих температур –55°…125°С. Параметры радиационной стойкости: устойчивость к воздействию накопленной дозы – 100 Крад (Si), устойчивость к одиночным сбоям (SEU) – до 60 МэВ/см2/мг, устойчивость к эффекту тиристорной защелки (latch-up immunity) – до 60 МэВ/см2/мг. В рамках европейского исследовательского проекта SEPHY (Space Ethernet PHYsical Layer Transceiver) завершена разработка микросхемы радиационно-стойкого трансивера 10/100 Мбит Ethernet. Трансивер SEPHY будет производиться в Европе и будет полупроводниковым компонентом, полностью свободным от экспортных ограничений США ITAR (International Traffic in Arms Regulations). На базе радиационно-стойких микросхем компания TTTech выпускает квалифицированные по стандартам ECSS (European Cooperation for Space Standardization) модули формата 3U cPCI 3х-портового абонентского контроллера и 12‑портового коммутатора TTEthernet. Оба модуля содержат интегрированный управляющий процессор LEON2 для мониторинга состояния сетевого элемента. Микросхемы и модули сопровождаются программным обеспечением для построения расписания передач данных, конфигурирования сетевых элементов и загрузки расписания в сетевые элементы. Дистрибьютор компании TTTech в России – компания АВД Системы, поставщик средств разработки программного обеспечения критически важных для безопасности сертифицируемых встраиваемых компьютерных систем.

29

Сравнение методов цифрового понижающего преобразования частоты для систем электронного подавления Брэд Фриден (Brad Frieden), Keysight Technologies

В статье на практических примерах описаны методы оцифровки и захвата сигналов, в т. ч. цифрового преобразования с понижением частоты с помощью широкополосных 8‑разрядных дигитайзеров. Кроме того, приводятся результаты испытаний, и даются рекомендации.

Измерительные средс тва и приборы

Введение

30

Возможность пилота уклониться от ракетной атаки исчисляется секундами, проходящими с момента обнаружения и идентификации вражеской ракеты до момента создания помехи самолетной системой активного радиоподавления. Уверенность разработчика в надежной работе системы активного радиоподавления основана, помимо прочего, на возможности захвата соответствующих ВЧ-сигналов с помощью измерительного оборудования с достаточным динамическим диапазоном, мгновенной полосой пропускания и временем захвата для проверки взаимодействия сигнала РЛС с сигналом помехи, выполняемой зачастую в лабораторных условиях. В статье описываются методы оцифровки сигналов, включая захват сигнала без обработки и несколько методов захвата с цифровым понижающим преобразованием частоты (DDC), а также оцениваются ключевые компромиссные решения по динамическому диапазону, полосе пропускания и времени захвата при выполнении важных контрольных измерений. Срыв строб-импульса дальности (RGPO)

Один из широко применяемых методов создания помехи называется срывом строб-импульса дальности (RGPO). Идея заключается в том, чтобы система активного радиоподавления, установленная на борту самолета, обнаруживала отслеживающие импульсы РЛС противника и отправляла в ответ импульсы помех. Целью в этом случае является противодействие РЛС в отслеживании расстояния до цели, что не позволит произвести прицельный пуск ракеты «земля–воздух». Если

ракета все же была запущена, то необходимо заставить РЛС прервать отслеживание расстояния так, чтобы ракета отклонилась от курса на цель и не причинила вреда самолету. Система RGPO генерирует мощные импульсы помех, которые в приемнике РЛС накладываются поверх отраженных сигналов. Затем эти ложные импульсы сдвигаются относительно реальных отраженных импульсов РЛС, вынуждая систему отслеживать импульсы помех, а не реальный отраженный от цели сигнал. После этого импульсы помех исчезают, и РЛС теряет информацию о расстоянии. Пример работы системы RGPO приведен на рисунке 1. Параметры РЛС ракеты класса «земля–воздух»

Проектируя систему активного радиоподавления RGPO, следует учитывать некоторые параметры РЛС ракеты «земля–воздух», которые необходимы для эффективного электронного противодействия. В число этих параметров входят: -- ширина спектра модуляции ЛЧМ-импульса; -- частота несущей, которую можно скачкообразно перестраивать; -- период повторения импульсов (PRI) – может применяться размытие; -- длительность импульса; -- мощность передатчика; -- коэффициент усиления антенны по линии визирования. Время полета ракеты и расстояние до цели могут значительно меняться в зависимости от конкретного сценария, но эти факторы тоже очень важны и должны учитываться. В качестве разумного приближения можно считать, что для прохождения 10 км ракете понадобится примерно 20 с. Именно этот сценарий и соответствующие измерения источника помех мы и будем рассматривать. Уровень отраженных сигналов в приемнике РЛС

Рис. 1. Мощные импульсы срыва строб-импульса дальности сдвигаются от слабых отраженных импульсов РЛС и затем исчезают

www.elcomdesign.ru

Важным этапом разработки системы RGPO является оценка предполагаемого уровня отраженных сигналов в приемнике РЛС и проектирование источника помех, который создает сигналы, превышающие по амплитуде этот уровень на 6–20 дБ. В открытых источниках приводятся примеры вывода уравнения дальности РЛС и применения его для расчета уровней мощности отраженных сигналов. В этих расчетах приходится учитывать множество факторов, но для облегчения расчета уровня мощности сигнала в дБм можно использовать некоторые упрощенные уравнения.

В данном случае мы рассмотрим сигнал, возникающий при удалении цели от РЛС на 10 км при частоте несущей 3 ГГц, а затем используем типичные значения других, приведенных ниже параметров, взятые из открытых источников или полученные из других примеров. Такие расчеты, выполненные на основе типичных значений параметров, дают уровни мощности на входе приемника РЛС в диапазоне –65…–45 дБм. Мощность отраженного сигнала

S = –103 + ERPR – 40lgR – 20lgF + 40lgσ + G, где S – мощность отраженного сигнала на входе приемника РЛС, дБм; ERPR – эффективная излучаемая мощность РЛС в сторону цели; R – расстояние от РЛС до цели, км; F – рабочая частота РЛС, МГц; σ – эффективная поверхность рассеяния цели, м2; G – коэффициент усиления основного лепестка антенны РЛС, дБ. Заметим, что приведенное уравнение содержит константу –103, которая объединяет несколько коэффициентов преобразования, позволяя вводить данные в наиболее удобных единицах измерения. Импульсы помех должны формироваться так, чтобы превышался уровень отраженного сигнала на входе приемника РЛС на 20 дБ. Если отраженный сигнал на входе приемника РЛС имеет мощность –65 дБм, то мощность импульсов помех должна составлять –45 дБм. Использование дигитайзера

Плотность шума, дБм/Гц = 20lg ((2,83VПИК–ПИК   VСКЗ/VСКЗ)/0,632VПИК–ПИК) – 10lg (полная полоса). Это очень удобно, поскольку такую «плотность шума» в полосе 1 Гц можно легко преобразовать в уровень шума для любой заданной полосы измерения. Плотность шума для трех различных моделей дигитайзера показана на рисунке 3. В нашем примере, где импульсы РЛС и источника помех имеют частоту несущей 3 ГГц и ширину спектра модуляции 40 МГц, для захвата сигнала можно использовать дигитайзер с полосой 4 ГГц. Поскольку необходимо измерять импульсы РЛС и импульсы помех, во избежание отсечки сигнала чувствительность следует выбрать так, чтобы входной диапазон превышал уровень импульсов помех –45 дБм. Это позволяет использовать полный размах сигнала 40 мВ с соответствующей плотностью шума –155,3 дБм/Гц. Сначала преобразуем это значение в шум, который присутствовал бы при использовании полосы 4 ГГц. Будем исходить из следующего соотношения: Шум, дБм (в полосе измерения) = = плотность шума + 10lg (полоса измерения).

Измерительные средс тва и приборы

Чтобы однозначно решить вопрос об использовании дигитайзера в ходе проверки источника помех, следует учесть компромиссы между выбором разных параметров системы, к которым относится полоса пропускания, чувствительность и время, в течение которого захватываются импульсы. В данном сценарии помимо частоты несущей 3 ГГц, сигналы РЛС и источника помех имеют линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) с шириной спектра 40 МГц, обладают длительностью 1 мкс, а период повторения импульсов (PRI) равен 10 кГц. При этом полезно наблюдать несколько циклов помех RGPO, когда ложные импульсы сдвигаются на величину строба дальности от реальных отраженных импульсов, а каждый цикл RGPO длится примерно 10 с. Таким образом, необходимо уметь захватывать, наблюдать и анализировать отраженные импульсы РЛС и импульсы помех в том виде, в котором они будут присутствовать на входе при-

емника РЛС в течение около 60 с. Полоса модуляции, длительность импульса, PRI и полное время захвата являются именно теми параметрами, которые определяют способность дигитайзера измерять такие импульсы. Давайте рассмотрим компромиссы, возникающие при использовании в таком измерении широкополосного 8‑разрядного дигитайзера. Дигитайзер, струк т урная схема которого показана на рисунке 2, обеспечивает полосу пропускания, частоту дискретизации и вычислительную мощность ПЛИС, необходимые для понижающего преобразования частоты. Варьируя упомянутые параметры, мы попробуем получить необходимый нам интервал захвата 60 с. Другим ключевым параметром дигитайзера является плотность шума и соответствующая чувствительность, которую можно получить при использовании разных моделей дигитайзеров и режимов захвата. Работая в полном диапазоне частот, каждая модель дигитайзера обладает определенным среднеквадратичным уровнем шума для каждого значения чувствительности. Эти среднеквадратичные уровни шума можно преобразовать в уровни мощности в дБм, а затем нормировать на измерительную полосу 1 Гц с помощью следующего уравнения:

31

Рис. 2. Структурная схема широкополосного 8-разрядного дигитайзера

электронные компоненты №02 2020

Измерительные средс тва и приборы

Рис. 3. Плотность шума для дигитайзеров с полосой пропускания 4, 8 и 13 ГГц

32

Пример При полном размахе 40 мВ в системе с полосой пропускания 4 ГГц в полной полосе: Шум, дБм (в полосе 4 ГГц) = –155,3 дБм + 10lg (4E+09) = = –155,3 дБм + 96 дБ = –59,3 дБм. Итак, в полной полосе 4 ГГц уровень шума превышает уровень отраженных импульсов РЛС –65 дБм. В этот момент в игру и вступает цифровое понижение частоты. Поскольку ширина спектра импульса ЛЧМ равна всего 40 МГц, можно использовать цифровое понижение частоты для сокращения полосы измерения до значения, немного превышающего полосу сигнала. 50 МГц вполне достаточно. Далее мы рассчитаем уровень шума в полосе измерения 50 МГц. При полном размахе 8 мВ в системе с полосой пропускания 4 ГГц при установленной полосе обзора 50 МГц: Шум, дБм (в полосе 50 МГц) = –155,3 дБм + 10lg (0,05E+09) = = –155,3 дБм + 76,9 дБ = –78,4 дБм. Теоретически шум станет меньше слабого отраженного сигнала РЛС с уровнем –65 дБм. Для доказательства этого факта можно выполнить измерение. Отраженные импульсы РЛС и импульсы помех моделируются с помощью генератора сигналов произвольной формы, выходные сигналы которого поступают на широкополосные входы I/Q векторного генератора сигналов; при этом выполняются измерения в полной полосе 4 ГГц, а затем в полосе 50 МГц. Оба измерения показаны на рисунке 4. Захват всех отраженных импульсов и импульсов помех в интервале 60 с

Эта возможность зависит от обстоятельств. Если использовать дигитайзер с полосой пропускания 4 ГГц и объемом памяти 30 Гбайт, работающий со скоростью 10 Гвыб/с, время захвата составит всего 3 с. Два ключевых способа позволяют увеличить продолжительность захвата импульсов – приме-

www.elcomdesign.ru

нение сегментированной памяти и цифрового понижающего преобразования частоты. Технология RGPO использует импульсы помех, которые сдвигаются относительно отраженных импульсов РЛС в течение примерно 10 с и затем исчезают на несколько секунд, пока РЛС снова не зафиксирует расстояние. Затем источник помех включается снова, уводя импульсы помех от отраженных импульсов РЛС. Используя режим захвата, или режим сегментированной памяти, в котором захват начинается по событию запуска и выполняется в течение фиксированного интервала времени, можно захватывать импульсы РЛС и импульсы помех в процессе их взаимодействия и отключать захват на длительный период времени в отсутствие импульсов в течение 100 мкс периода PRI. При частоте дискретизации 10 Гвыб/с с интервалом между выборками 100 пс и при наличии 15/16 от общего объема доступной памяти 32 Гбайт можно видеть, что: Число сегментов = = (30 Гбайт/10 Гвыб/с)/(12 мкс/сегмент) = 250000, время = 250000 сегментов ∙ 100 мкс PRI = 25 с. За 25 с можно увидеть пару циклов RGPO, но не желаемые 60 с взаимодействия. К тому же, в полной полосе 4 ГГц имеется проблема большого уровня шумов. На рисун­ке 5 показан захват с использованием сегментированной памяти с сегментами длиной 12 мкс, но с входными сигналами значительно большей амплитуды, чем представлялось, что типично для отраженных импульсов РЛС и импульсов помех. Если сигналы на входе приемника РЛС имеют типовые уровни, то шум дигитайзера скроет слабые отраженные сигналы РЛС. Однако теперь для сужения полосы можно использовать метод DDC реального времени, что не только уменьшает шум, но и существенно повышает степень утилизации памяти за счет сохранения данных I и Q с существенно меньшей частотой дискретизации по сравнению с исходной частотой 10 Гвыб/с.

В полосе захвата 4 ГГц видны только импульсы помех Отраженные импульсы с уровнем –65 дБм не видны, видны импульсы помех с уровнем –45 дБм

Запуск по выходному стробу генератора сигналов произвольной формы

Чтобы снизить шум, следует сузить полосу обзора с помощью метода DDC Для этого применяется ПО 89600A (на текущий момент – версия 89601B) VSA и импульсная опция BHQ Используется метод DDC с аппаратным ускорением

а)

В узкой полосе обзора видны и импульсы помех, и отраженные импульсы Отраженные импульсы с уровнем –65 дБм видны, видны и импульсы помех с уровнем –45 дБм

Более широкополосные сигналы должны иметь больший уровень

б) Полоса обзора = 50 МГц Рис. 4. В полосе 4 ГГц отраженные импульсы РЛС не видны (а), но они видны в полосе 50 МГц (б)

Мы хотим получить мгновенную полосу захвата 50 МГц (для захвата сигнала с шириной спектра 40 МГц). Данные, захваченные с частотой дискретизации 10 Гвыб/с, мгновенно обрабатываются в ПЛИС и преобразуются в данные I и Q с частотой дискретизации 62,5 Мвыб/с в каждом канале (125 Мвыб/с в сумме). В результате получаются пары значений I и Q, разнесенные по времени на 16 нс. Время захвата можно рассчитать, зная, что в методе DDC реального времени для хранения выборок I/Q доступна половина памяти дигитайзера: Время непрерывного захвата = = ((1/2) ∙ (32E+09 выборок))/125E6 выборок/с = 128 с.

Захват с помощью DDC реального времени с полосой 50 МГц и одним сегментом длиной 400 мс показан на рисунке 6. Новые РЛС используют импульсы ЛЧМ с более широким спектром. Если РЛС использует ЛЧМ шириной 450 МГц и полоса обзора соответствующим образом увеличивается, то время захвата уменьшается в пропорции 450 к 50, или примерно в 10 раз. В результате период захвата сокращается до 13 с. Используя метод DDC реального времени и сегментированную память, можно выполнить захват ВЧ-импульсов за требуемый период 60 с с мгновенной полосой до 488 МГц, что ограничивается, в первую очередь, вычислительной мощностью ПЛИС. На самом деле импульсы можно захватывать в течение 100 с:

электронные компоненты №02 2020

Измерительные средс тва и приборы

Чтобы рассмотреть импульсы ЛЧМ с полосой 40 МГц, полоса обзора была уменьшена до 50 МГц

33

Измерительные средс тва и приборы

Рис. 5. Захват без обработки с частотой дискретизации 10 Гвыб/с, выполненный сегментами по 12 мкс в полосе 4 ГГц

34

Рис. 6. Захват одного сегмента с помощью метода DDC реального времени с полосой 50 МГц

www.elcomdesign.ru

Поимпульсный расчет PRI – видна соответствующая работа RGPO

Режим PDW 100000 сегментов фиксированной длины 12 мкс Мгновенная полоса 488 МГц Все импульсы РЛС и помех, захваченные за 10 с

Значения PRI в диапазонах 3–10 мкс и 97–90 мкс, затем фиксированное значение 100 мкс Рис. 7. Проверенное правильное соотношение между импульсами РЛС и импульсами помех RGPO

Если PRI = 100 мкс, получим: Полное время захвата импульсов = = 1000000 сегментов ∙ 100 мкс/сегмент = 100 с.

Однако ничто не дается даром – в полосе обзора 488 МГц может оказаться трудно выделить слабые отраженные импульсы РЛС с уровнем –65 дБм из результирующего сильного шума. Измерение отраженных импульсов РЛС и импульсов помех показано на рисунке 7, где каждая пара импульсов РЛС/помех располагается в сегментах длительностью 12 мкс в интервале 10 с, а для проверки работы RGPO в течение этого времени на график нанесены также расчетные интервалы PRI. Для захвата всех импульсов за 10 с выбрано 100000

Таблица. Перечень примеров и компромиссных решений Режим захвата Непрерывная (входной полоса диапазон 0–4 ГГц) пропускания

Число сегментов, выбранная длительность сегмента

Время захвата импульсов во встроенную память

Применение с ПО VSA и со сборщиком дескрипторов импульсов

Уровень шума

Потоковая передача на RAID

без обработки

4 ГГц (макс.)

один фиксированный, макс. память

3с

да/нет

–59,3 дБм

да, 1,25 Гвыб/с без обработки, полоса 500 МГц

без обработки

4 ГГц (макс.)

много, фиксированные 12 мкс

25 с

да/нет

–59,3 дБм

да, 1,25 Гвыб/с без обработки, полоса 500 МГц

DDC реального времени

50 МГц

один фиксированный, макс. память

–78,3 дБм

да, можно настраиваться на центральную частоту и выбирать полосу обзора до 488 МГц; потоковая передача пар данных I/Q со скоростью 1,28 Гвыб/с

DDC реального времени

488 МГц (макс.)

один фиксированный, макс. память

13 с

нет/да

–68,4 дБм

да, можно настраиваться на центральную частоту и выбирать полосу обзора до 488 МГц, потоковая передача пар данных I/Q со скоростью 1,28 Гвыб/с

DDC реального времени

488 МГц (макс.)

много, фиксированные 12 мкс

100 с

нет/да

–68,4 дБм

да, можно настраиваться на центральную частоту и выбирать полосу обзора до 488 МГц; потоковая передача пар данных I/Q со скоростью 1,28 Гвыб/с

DDC с аппаратным ускорением*

50 МГц

один фиксированный, макс. память

128 с

да/да

–78,3 дБм

нет

DDC с аппаратным ускорением*

1 ГГц

много, фиксированные 12 мкс

50 с

да/да

–65,3 дБм

нет

128 с

нет/да

* Поддерживает диапазоны частот 0–8 ГГц и 0–13 ГГц в 2-канальных и 1-канальных моделях.

электронные компоненты №02 2020

Измерительные средс тва и приборы

Число сегментов = = (1/2 ∙ 32 Гбайт/1,25 Гвыб/с)/(12 мкс/сегмент) = = 12,8 с/(12 мкс/сегмент) = 1000000 сегментов.

35

сегментов (100000 ∙ 100 мкс PRI = 10 с). На рисунке показана диаграмма расчетных значений PRI, причем результирующая кривая PRI изменяется примерно в пределах 3–10 мкс в нижней части графика по мере того, как импульсы помех сдвигаются от импульсов РЛС. Затем, когда импульсы помех исчезают и остаются только импульсы РЛС, наблюдается фиксированный интервал PRI 100 мкс. Этот 10‑с период захвата начинается вскоре после того, как импульсы РЛС и помех расходятся на несколько мкс. Режим DDC реального времени имеет еще и то преимущество, что данные можно передавать потоком на внешний RAIDмассив, в результате чего время захвата ограничивается лишь объемом используемого RAID-массива. Применение метода DDC с аппаратным ускорением

Измерительные средс тва и приборы

Если спектр входных сигналов выходит за диапазон 0–4 ГГц 4‑канального дигитайзера, использование режима DDC все еще допускается в моделях с полосой пропускания 8 и 13 ГГц с использованием аппаратного ускорения. Кроме того, DDC с аппаратным ускорением можно использовать в приложениях, где требуются измерения с мгновенной полосой шире 488 МГц (доступных в DDC реального времени). DDC с аппаратным ускорением можно использовать в дигитайзерах с полосами 4, 8 и 13 ГГц, причем этот режим предусматривает и большие полосы обзора до 1,9; 3,9 и 7,8 ГГц, соответственно. Кроме того, DDC с аппаратным ускорением можно применять для ускорения обработки сигнала при использовании ПО VSA. Недостатком DDC с аппаратным ускорением является невозможность передачи потока данных на RAID-массив, что ограничивает запись выборок I/Q объемом памяти дигитайзера.

36

Выводы

Широкополосные 8 ‑разрядные дигитайзеры мог у т применяться для регистрации импульсов РЛС и помех в ходе проверки систем ак тивного радиоподавления, а также для измерения других сигналов, применяемых в РЭБ. При этом приходится идти на компромисс между полосой измерения и общим временем захвата импульсов РЛС и помех. Этот компромисс влияет на уровень шума, присутствующего в измерениях, который, в свою очередь, определяет возможность захвата и анализа низкоуровневых сигналов, например отраженных импульсов РЛС. Сводка описанных примеров и компромиссных решений приведена в таблице (захват отраженных импульсов РЛС с уровнем – 65 дБм и импульсов помех с уровнем –45 дБм; RGPO = 10 мкс; PRI = 100 мкс с помощью 4‑канального дигитайзера с полосой пропускания 4 ГГц). Комбинация метода DDC и сегментированной памяти играет очень важную роль в этих измерениях, выполняемых, как правило, в лабораторных условиях. Мы увидели, как применяются некоторые инструменты при разработке систем активного радиоподавления для измерения сигналов РЛС и источника помех, чтобы установить их взаимодействие в процессе срыва строб-импульса дальности. Режим RGPO – всего лишь один из примеров создания помех. Кроме него существует множество других методов электронного подавления и электронных атак, которые по-своему влияют на компромиссные решения, учитываемые в процессе измерений. Литература 1. David L. Adamy. EW104 EW against a New Generation of Threats.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Холдинг «Росэлектроника» разработал комплексное решение |

Это решение предназначено для использования беспилотного транспорта на промышленных объектах. Программноаппаратный комплекс обеспечивает автоматизированное управление транспортными средствами: электровозами, электромобилями, промышленными тележками, перевозящими грузы в цехах и складских зонах. Решение, разработанное специалистами НИИ программных средств холдинга «Росэлектроника», состоит из аппаратуры, которая устанавливается на беспилотный транспорт, и специального программного обеспечения. ПО в автоматическом режиме определяет положение объекта на местности, оценивает окружающую обстановку, распознает препятствия и контролирует движение транспортного средства на всем пути следования. Решение также осуществляет мониторинг технического состояния транспорта и аккумулирует всю информацию о его перемещениях и режимах эксплуатации, передавая информацию в единую систему управления. Устанавливаемое на транспорт оборудование создано на основе технологии позиционирования в режиме реального времени (Real-time Locating System, RTLS) и технологии интеллектуального зрения. Активная метка RTLS закрепляется на контролируемом транспортном средстве, а установленные на территории предприятия считыватели, получая от нее сигнал, вычисляют координаты объекта. Система интеллектуального зрения, обрабатывая изображения с установленных на транспортном средстве видеокамер, выявляет препятствия на пути, определяет выезд за пределы полосы движения, считывает дорожную разметку. www.russianelectronics.ru

СОБЫТИЯ РЫНКА

| IDC: в этом году на умные города будет потрачено 124 млрд долл. |

Специалисты аналитической компании IDC подготовили новый прогноз, посвященный теме умных городов. По оценке аналитиков, в текущем году глобальные расходы на инициативы в этой области достигнут 124 млрд долл. Это на 18,9% больше, чем в 2019 г. По данным IDC, 29% указанной суммы придется на 100 городов, которые выделяют на соответствующие проекты больше других. Вместе с тем, аналитики отмечают, что только 80 городов выделят больше чем по 100 млн долл., тогда как 70% всей суммы приходятся на города, которые потратят за год по 1 млн долл. или даже меньше. Если говорить об отдельных городах, лидером по инициативам в области умных городов в 2020 г. станет Сингапур. На втором месте – Токио, во многом благодаря Олимпиаде. Третье место аналитики отвели Нью-Йорку, а четвертое – Лондону. Больше всего средств (более трети) будет выделено на энергетические и инфраструктурные проекты. На втором месте – общественная безопасность с 18%, на третьем – умный транспорт, на который придется 14% всех расходов. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

АЦП и ЦАП для современных приложений Юрий Полегенко, инженер

В статье рассматриваются требования современных приложений к аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователям на примере систем для визуализации изображений, а также роль в высокоточных системах сбора данных источников опорного напряжения и проблемы их выбора.

АЦП и ЦАП

АЦП в приложениях по визуализации изображений

Визуализация изображений используется повсеместно. Например, к медицинским приложениям по визуализации относится магниторезонансная томография, ультразвуковое сканирование и рентгенологическое оборудование. Аппаратные средства визуализации работают с высокоточными данными, объемы которых возрастают по мере подк лючения ус тройс тв и сис тем друг к другу. Точность данных зависит от входного каскада, в который поступает сигнал с датчиков, и от возможности минимизировать обусловленную шумом нестабильность, прежде чем полученный сигнал станет цифровым. Проблема неустойчивости изображения отчасти вызвана использованием АЦП последовательного приближения (SAR) с дифференциальным входным сигналом. Этот преобразователь должен обладать высокой точностью, но если входной сигнал нестабилен из-за шума, на выходе АЦП тоже окажется помеха. Необходимо, чтобы ширина полосы аналогового шума системы и операци-

онного усилителя (ОУ) соответствовали полосе АЦП последовательного приближения. Сначала мы обсудим, как правильно подбирается комплементарный ОУ и высокоточный АЦП последовательного приближения. Далее мы покажем, как объединить два этих устройства, чтобы обеспечить 16‑бит отношение сигнала к шуму (С/Ш) и малый коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Для наглядности при обсуждении мы воспользуемся примерами из медицинской техники и АЦП компании Analog Devices. Требования к медицинской технике для визуализации изображений

Очевидно, что от корректно полученного результата медицинского обследования зависит способность врача верно оценить состояние здоровья пациента и верно назначить лечение. Высокоэффективное медицинское оборудование обеспечивает высокое качество изображения и полученных результатов. Надежная аппаратура с высокой чувствительностью позволяет быстрее

38

проводить диагностику, исключив необходимость в повторных испытаниях. На компонентном уровне усилители, АЦП, их реализация в аппаратуре определяет суммарный уровень чувствительности и качества изображения. В системах визуализации применяются 16‑бит АЦП, обеспечивающие требуемое разрешение выходного сигнала. При этом типовое значение С/Ш превышает 96 дБ, а суммарный КНИ – менее –107,5. В идеальном с лучае показатель С/Ш у АЦП последовательного приближения при синусоидальном сигнале полной шкалы определяется в виде 6,02n + 1,76 дБ, где n – количество бит преобразователя. КНИ представляет собой отношение среднеквадратичной суммы высших (начиная со второй) гармоник выходного сигнала к амплитуде идеального (без высших гармоник) входного сигнала. Требуемые рабочие харак терис тики дос тигаютс я с помощью ОУ ADA4945–1ACPZ-R2 от Analog Devices и АЦП последовательного приближения AD4003BCPZ-RL7 этой же компании (см. рис. 1). ADA4945–1ACPZ-R2 – малошумящий полностью дифференциальный высокоскоростной операционный усилитель с единичным усилением, который обеспечивает эффективное управление аналого-цифровыми преобразователями последовательного приближения с большим разрешением. Усилитель работает в широком диапазоне напряжения питания 3–10 В. У этого ОУ – низкое напряжение смещения, а шум составляет 1,8 нВ/√Гц при 100 кГц.

AD4003BCPZ-RL7–18‑бит АЦП с частотой выборки 2 Мвыб/с и дифференциальным входом. Типовое значение С/Ш составляет 100,5 дБ, КНИ = –123 дБ, а интегральная нелинейность (INL) = ±1,0 младшего значащего разряда (МЗР). Анализ шума системы

Рис. 1. Упрощенная схема сбора данных для построения изображений на основе ОУ ADA4945-1ACPZ-R2 и АЦП последовательного приближения AD4003BCPZ-RL7 от Analog Devices

www.elcomdesign.ru

Главная цель проектирования рассматриваемой высокоточной медицин-

Рис. 2. Для измерения шума в аналоговой области используется время и частота, а в цифровой области – децибелы

Шум ОУ В аналоговой области единицами измерения шума также являются среднеквадратичные значения (СКЗ) вольт, используемые для определения статистического среднего в заданной ширине полосы. Например, шум дифференциального входного напряжения АЦП ADA4945–1 составляет 5 нВ/√Гц при частоте 5 Гц и 1,8 нВ/√Гц при 100 кГц (см. рис. 3). Нам требуется получить статистическое среднее значение с учетом двух

участков шума на рисунке 3. Приведенное ко входу СКЗ фликер-шума определяется уравнением (1): , (1)

где С – плотность шума усилителя на частоте 1 Гц, а f 1 и f 2 определяют

ширину полосы фликер-шума. Как правило, f1 = 0,1 Гц. Для значений f1 = 0,1 Гц; f 2 = 1 кГц и С = 19 нВ/√Гц СКЗ шума усилителя ADA4945–1 в области 1/f составляет 57,66 нВ. Приведенный к входу широкополосный шум усилителя ADA4945–1 рассчитывается с помощью уравнения (2):

АЦП и ЦАП

ской техники состоит в обеспечении высокого отношения С/Ш. Чтобы его увеличить, следует выбрать малошумящие компоненты, а также повысить полный размах амплитуды сигнала (см. рис. 2). На рисунке 1 напряжение источника питания усилителя ADA4945–1 находится в достаточно широком диапазоне, чтобы обеспечить требуемый полный размах выходного сигнала 5 В для АЦП AD4003. Чтобы правильно выбрать соответствующие компоненты, следует определить суммарную величину мощности шума в сигнальной цепи. Заметим, что у графиков на рисунке 2 – разные единицы измерения. В аналоговой области шум измеряется в единицах В/√Гц, а в частотной – в дБ.

39

Рис. 3. График зависимости шума входного напряжения от частоты усилителя ADA4945-1 с участками фликер-шума (1/f) и широкополосного шума

электронные компоненты №02 2020

, (2) где e n – известный шум на заданной частоте в широкополосной области усилителя, а ШП – ширина полосы этого участка. При en = 1,8 нВ/√Гц, ШП = 1 кГц…4,42 МГц (между ОУ и АЦП установлен RC-фильтр с R = 200 Ом, С = 180 пФ) СКЗ шума в рассматриваемой области составляет 4,74 мкВ. Суммарная мощность шума в любой системе равна квадратному корню из суммы квадратов мощности шума отдельных составляющих. Суммарный приведенный к входу шум усилителя определяется уравнением (3): . (3)

При коэффициенте усиления рав­ном 1 суммарный приведенный к выходу шум от ADA4451 составляет 4,74 мкВ (СКЗ). Для расчета в аналоговой области с помощью уравнений (1–3) используются единицы напряжения и частоты. Преобразование аналогового напряжения в децибелы осуществляется с помощью уравнения (4): , (4)

АЦП и ЦАП

где КУ – коэффициент усиления; v f1: f2 – диапазон входного напряжения АЦП. При v f1: f2 = 9,5 В приведенное к выходу значение С/Ш усилителя ADA4451–2 равно 123 дБ.

40

образователя. Поскольку разрешение АЦП ADA4003 составляет 18 бит, идеальное значение для этого устройства равно 110 дБ. Однако, как мы убедимся далее, его фактическое значение С/Ш = 100,3 дБ. Частотный диапазон измерения БПФ АЦП составляет 0–fВЫБ./2, где fВЫБ. – частота выборки преобразователя (см. рис. 4). На этом рисунке самая большая амплитуда (А) – у входного сигнала преобразователя. Линия В определяет выходной шум от преобразователя с учетом шума дискретизации и собственных компонентов. Вторая амплитуда (С) соответствует гармонике HD5 – максимальному искажению величиной около –128 дБ. Все остальные искажения на частотах, кратных частоте входного сигнала (А), учитываются при определении суммарного значения КНИ. Комбинация С/Ш и КНИ определяет показатель SINAD Мерой качества сигнала является SINAD – сумма С/Ш и искажений (SINAD, или SNR+D). С этой целью применяется также показатель КНИ + шум. SINAD рассчитывается как комбинация С/Ш и КНИ, или отношение среднеквадратичной амплитуды основного входного сигнала к СКЗ всех других спектральных компонентов ниже значения f ВЫБ./2 (исключая нулевую частоту). Теоретически, минимальное значение SINAD равно идеальному значению С/Ш, или,02n + 1,76 дБ для АЦП последовательного приближения и конвейерного типа.

SINAD рассчитывается в единицах дБн, если абсолютная мощность основ-

ного сигнала используется в качестве эталонного значения, или в децибелах полной шкалы (dBFS), если мощность основного сигнала экстраполируется на весь диапазон измерений преобразователя.

SINAD – важный параметр в приложениях с использованием цифровых осциллографов, регистраторов сигналов, а также в схемах обработки геофизических данных изображений радаров, сонаров, анализаторов спектра, в видеотелекоммуникационных системах и широкополосных цифровых приемниках. Однако вернемся к системным требованиям при использовании 16‑бит АЦП. При таком разрешении величина С/Ш превышает 98 дБ, а КНИ меньше 107,5. Посмотрим, каким окажется показатель качества после сложения всех значений С/Ш, КНИ усилителя и погрешностей АЦП последовательного приближения. Суммарный шум сис темы определяется с помощью уравнения (5):

.

(5) В уравнении (5) нельзя складывать два среднеквадратичных значения в единицах дБ. Значения С/Ш, соответствующие усилителю и АЦП, преобразуются в линейное отношение, после чего складываются, а затем преобразуются в единицы дБ. Сумма искажений усилителя и АЦП определяет совокупное искажение системы согласно уравнению (6):

Искажения в усилителе Усилитель ADA4945–1 изготовлен с использованием комплементарного биполярного SiGe-процесса собственной разработки компании Analog Devices, благодаря чему обеспечивается малый уровень искажений. При входном диапазоне напряжения –VS… (VS – 1,3 В) искажение на второй гармонике (HD2) равно –133 дБ относительно несущей (дБн). Значения HD2 и HD3 равны –14 0 д Б н п р и 1 к Гц . Н а 10 0 к Гц HD2 = –133 дБн, а HD3 = –116 дБн. Шум АЦП последовательного приближения Расчет входного приведенного шума усилителя выполняется с учетом двух значений частоты – 1 Гц и 100 кГц. Величину С/Ш АЦП в единицах дБ можно получить из БПФ. Идеальное значение С/Ш АЦП последовательного приближения равно 6,02n + 1,76 дБ, где n – число битов пре-

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. БПФ сигнала усилителя ADA4003 используется для расчета значений С/Ш и КНИ АЦП

.

(6) Величина SINAD определяется уравнением (7): .

(7) Измеренные значения С/Ш и КНИ для комбинации усилителя ADA1945–1 и АЦП AD4003 на частотах сигнала 1 и 100 кГц отвечают требуемым значениям >98 дБ и КНИ < –107,5 (см. табл.). Из таблицы видно, что при 100 кГц АЦП еще способен работать с разрешением 16 бит, а значения С/Ш и КНИ начинают ухудшаться. Итак, совместное использование полностью дифференциального усилителя и 18‑бит АЦП последовательного приближения позволяет реализовать высокоточную 16‑бит схему для систем магнитной резонансной томографии, ультразвуковых сканеров и рентгенологического оборудования. Устройс тва ADA4945 –1 и AD 4 0 03 вполне хорошо подходят для использования в медицинском измерительном оборудовании в качестве компонентов, обеспечивающих малый шум и малые искажения. ИОН для высокоточного преобразования данных

Роль ИОН

По сути, источник опорного напряжения представляет собой устройство с шиной питания, общим (заземляющим выводом) и выводом для высокоточного напряжения (см. рис. 5). Если ИОН подобран некорректно или неправильно используется, выходной сигнал преобразователя становится недостоверным. После выбора подходящего ИОН с учетом номинального выходно го напряжения, требуемой точности и допусков, а также других параметров необходимо воспользоваться этим

Частота сигнала, кГц

Уровень сигнала, В (пик–пик)

С/Ш, дБ

КНИ, дБ

SINAD, дБ

1

9,5

98,5

–123,5

98,5

10

9,5

98,3

–117,0

98,2

100

9,1

96,3

–98,6

94,3

источником так, чтобы его параметры полностью отвечали требованиям приложения. Сигнал напряжения ИОН является тем эталоном, по которому АЦП оцифровывает входное напряжение. В случае с ЦАП стабильное и надежное напряжение источника позволяет преобразователю генерировать аналоговое выходное напряжение, полностью соответствующее входному цифровому коду. Выбор ИОН

Наиболее часто для построения твердотельных ИОН применяются три технологии: стабилитрон с углубленным переходом, стабильный транзисторный источник опорного напряжения V BE и конфигурация XFET от Analog Devices, в которой два полевых транзистора JFET с управляющим p‑n‑переходом (JFET) работают в паре. Выходные напряжения ИОН должны соответствовать разрешению преобразователей и отвечать требованиям системы. Например, многие ИОН выпускаются в виде семейства устройств с выходными напряжениями 2,048; 2,5; 3,0; 4,096 и 5,0 В. Устройства с выходным напряжением 2,048 и 4,096 В хорошо соответствуют разрешению преобразователей: например, ИОН с выходным напряжением 4,096 В, используемым 12‑бит преобразователем, составляет 1 мВ на МЗР. Точность исходного ИОН определяется либо в процентах, либо в единицах мВ. В некоторых приложениях она изменяется в широких пределах. Как правило, обеспечить и поддерживать более высокую точность – сложная задача; у типовых источников опорного напряжения максимальная погрешность составляет ±0,1% с учетом всех условий эксплуатации. Однако применение современного техпроцесса и соответствующей топологии позволило улучшить это значение. Например, исходная погрешность XFET ИОН ADR434 с выходным напряжением 4,096 В равна ±5 мВ (с суффиксом А) и ±1,5 мВ (с суффиксом В).

Во многих приложениях величина абсолютной точности не так важна, как стабильность ИОН и его стабильность при долгосрочной эксплуатации. Например, такие требования бывают у систем с последующей коррекцией оцифрованных данных или в случаях, когда абсолютное значение точности играет меньшую роль, чем сравнительные результаты и их изменения, которые зависят от стабильности ИОН. Таким образом, при выборе источника опорного напряжения необходимо установить, насколько величина абсолютной точности важна по сравнению с его стабильностью и как ее поддержать. Еще до этапа проектирования при анализе фактора стабильности следует установить, на какой период времени она требуется. Например, одно дело – обеспечить стабильность ИОН в системе сбора данных в процессе небольшого эксперимента, другое – стабильность при долгосрочном сборе информации. Внешние и внутренние ИОН

На этапе проектирования следует решить также вопрос о том, какой ИОН лучше выбрать – внутренний (собственный) или внешний. Например, АЦП AD7605–4BSTZ выпускается с собственным источником опорного напряжения, благодаря чему экономится занимаемое место на печатной плате и используется меньше внешних компонентов (см. рис. 6). Более того, техническое описание предоставляет полную информацию о точности встроенного в АЦП ИОН, поскольку параметры источника отчасти определяют характеристики самой микросхемы преобразователя. Поскольку внутренний источник опорного напряжения может не обеспечивать требуемых характеристик, большинство преобразователей работает с внешним ИОН. Заметим, что преобразователи, параметры которых в большой мере определяются специфическими требованиями малобюджетных прило-

Рис. 5. Базовая схема ИОН LT6656AIS6-2.5 от компании Analog Devices

электронные компоненты №02 2020

АЦП и ЦАП

Роль источников опорного напряжения (ИОН), используемых АЦП и ЦАП для оценки аналоговых входных и выходных сигналов, иногда недооценивается, и напрасно – ИОН помогает с высокой точностью осуществлять преобразование сигналов и данных, но только в тех случаях, если он правильно выбран и корректно применяется. Мы вкратце расс мотрим с хему и характеристики ИОН, а также опишем процесс выбора источника напряжения на примере устройств серии ADR43x от Analog Devices. Мы увидим, как применяются эти компоненты, позволяя раскрыть полный потенциал АЦП, ЦАП и проектируемой системы.

Таблица. Значения шума при совместном использовании усилителя ADA4945-1 и АЦП AD4003 по схеме на рисунке 1

41

АЦП и ЦАП

Рис. 6. Многие АЦП, в т.ч. 16-бит AD7605-4BSTZ, оснащены собственным ИОН

42

жений, могут оснащаться собственными источниками опорного напряжения, что исключает необходимость во внешнем ИОН. Как бы то ни было, считается, что использование любого внешнего ИОН лучше, чем внутреннего, т. к. параметры собственного источника отвечают только требованиям соответствующего преобразователя. Имеется еще одна причина сделать выбор в пользу внешнего ИОН, даже если внутренний источник является вполне подходящим. В тех схемах, где используется больше одной ИС преобразователя, отдельные внутренние источники опорного напряжения могут различаться друг от друга. В результате появляются расхождения, которые усложняют корреляцию данных и вызывают непоправимые ошибки. Исходя из этих соображений, рекомендуетс я в с лучае высокопроизводительных систем с несколькими преобразователями применять один совместно используемый внешний ИОН. При этом, однако, возникают некоторые опасения, касающиеся способности этого источника работать с несколькими преобразователями без ухудшения исходных параметров.

Рис. 7. Устройства серии ADR43x можно использовать в конфигурации схемы Кельвина с помощью внешнего ОУ

Поддержание рабочих параметров ИОН

Разработчикам необходимо не только знать значения исходной погрешности ИОН и допусков, но и решить проблемы, связанные с поддержанием рабочих параметров в разрешенных пределах. Рассмотрим подробнее эти проблемы.

www.elcomdesign.ru

Рис. 8. Зависимость плотности шума источника опорного напряжения ADR431BRZ-REEL7 от частоты при разных емкостных нагрузках

Рис. 9. Для использования ИОН ADR43x требуется всего лишь несколько внешних пассивных компонентов – два конденсатора на входе и один – на выходе

Рис. 10. ИОН ADR43x оснащен выводом 7, который можно использовать для компенсации внутреннего ОУ

АЦП и ЦАП

1. Проблемы с топологией, включая падение напряжения и шум Как и в случае с любым чувствительным аналоговым сигналом, даже если на выходе ИОН статическое напряжение, падение напряжения между выходом ИОН и преобразователем может быть достаточно велико и влиять на погрешность. Хотя в большинстве случаев у источников опорного напряжения ток нагрузки мал (порядка десятков мА), даже небольшой ток величиной 10 мА, прошедший через сопротивление 100 мОм, приводит к падению напряжения 1 мВ, что приводит к значительной ошибке. Серия ИОН ADR43x работает без таких ошибок за счет использования сопротивления в управляющем контуре внешнего ОУ в конфигурации подключения по схеме Кельвина (см. рис. 7). Усилитель измеряет напряжение на нагрузке, а управляющий конт ур побу ж дает выходное напряжение компенсировать ошибку в монтаже, обеспечив, таким образом, корректное значение напряжения на нагрузке. Внешний шум может также влиять на напряжение ИОН со стороны преобразователя, что обусловлено шумом нагрузки, помехами на земляной шине и шумом от плохо развязанных шин питания. Кроме того, у источников опорного напряжения имеется собственный низкочастотный (в диапазоне 0,1–10 Гц) и высокочастотный (10 Гц…25 кГц) шум. У высококачественных ИОН, например ADR43x, шумовое напряжение на низких частотах не превышает 3,5 мкВ (пик–пик), а шумовое ВЧ-напряжение достигает 200 мкВ в диапазоне 10 Гц…10 кГц. Сп ек т р а льна я п л от н о с т ь ш у м а устройства ADR431BRZ-REEL7 показана на рисунке 8. При разных емкостных нагрузках она примерно одинакова на частоте 1 кГц, затем начинает возрастать. При нулевой емкостной нагрузке эта характеристика остается плоской. Наиб оле е дейс твенный спо со б уменьшить шум способ заключается в установке простого RC-фильтра. Однако во многих ИОН применяются выходные усилители, которые становятся неустойчивыми при больших емкостных нагрузках. По этой причине установка конденсатора емкостью в несколько мкФ на выходе усилителя может создать новые проблемы, если ИОН не защищен от них. ИОН ADR43х допускает подключение RC-фильтра, если величина ВЧ-шума все еще превосходит требования конкретного проекта (см. рис. 9). У источника опорного напряжения ADR43x имеется внешний вывод, который обеспечивает доступ к внутреннему узлу компенсации. Этот вывод допускает установку RC-цепи в критическую точку схемы (см. рис. 10).

43 Рис. 11. ИОН ADR43x позволяет подобрать значения R и C, чтобы обеспечить требуемое подавление шума, не нарушив устойчивости выходного сигнала, что видно по частотной зависимости плотности шума для разных комбинаций RC-компонентов

Добавление RC-цепи позволяет компенсировать собственный ОУ и избежать возникновения неустойчивости. Значение емкости можно подобрать так, чтобы добиться приемлемого уровня шума (см. рис. 11).

2. Управление выходным напряжением, буферизация нагрузки и переходная характеристика Большинство ИОН оснащено собственным буфером, который служит

источником вытекающего и втекающего токов до 5 или 10 мА. Источники опорного напряжения серии ADR43x во многих случаях исключают необходимость во внешнем буфере для повышения тока благодаря относительно большому вытекающему току 30 мА (ном.) и большому втекающему току –20 мА (ном.). Кроме того, нагрузка на ИОН не всегд а яв ляе тс я по с тоянной – она меняетс я при перек лючениях АЦП или ЦАП. Буферизация сигнала

электронные компоненты №02 2020

ИОН – не сложная задача. Если сигнал не буферизуется, требуется рассмотреть переходную харак теристик у источника. В некоторых случаях между ИОН и преобразователем необходим внешний буфер, чтобы обеспечить управление нагрузками в переходных процессах. Характеристики буфера требуется учитывать при анализе ошибок в работе приложения.

АЦП и ЦАП

3. Кратковременная стабильность и температурный дрейф Выходной сигнал ИОН со временем испытывает дрейф, пока не установится температура активных цепей и кристалла. Время установления при включении для большинства ИОН, как правило, зависит от емкостной нагрузки, но на ADR431 с малой нагрузкой эта емкость оказывает минимальное воздействие (см. рис. 12–13). Технические описания определяют при заданной температуре исходную погрешность – она, как правило, отличается от величины погрешности при включении. Поскольку величина изменения выходного напряжения из-за температуры может легко превысить предельную величину погрешности системы, требуется исходить из соответствующего низкого значения дрейфа. Рабочие параметры семейства ADR43x указываются для работы в диапазоне –40…125°C; например, в случае использования ИОН ADR434A (4,096 В, исходная погрешность: ±5 мВ) этот коэффициент равен 10 ppm)/°C, а у других компонентов этого семейства – 3 ppm)/°C.

44

4. Долговременный дрейф, обусловленный старением, физической нагрузкой и корпусированием Дрейф часто вносит солидный вклад в исходную погрешность. Рассмотрим приложение, в котором требуется источник опорного напряжения с суммарной погрешностью ±0,1% в диапазоне рабочей температуры. В таком случае можно выбрать высококачественный ИОН с исходной погрешностью ±0,05% и очень малым температурным коэффициентом ±5 ppm/°C. Поскольку в диапазоне 25–125°C д р е йф, о бус л о в л е н н ы й т е м п е р а т урным коэффициентом, сос тавит 5 ppm/°C × 100°C = 500 ppm (0,05%), суммарная погрешность (исходная погрешность плюс погрешность из-за дрейфа) не превысит требуемой величины ±0,1%. В некоторых современных приложениях источники опорного напряжения помещаются в печи с контролируемой температурой, как это делается с термостатированными генераторами частоты, но в боль-

www.elcomdesign.ru

Рис. 12. Время установления при включении для ADR431 в отсутствие нагрузки составляет 8 мкс

Рис. 13. С нагрузкой 0,01 мкФ время установления при включении для ADR431 по-прежнему равно 8 мкс

шинстве случаев это нежелательно и непрактично. По мере уменьшения ис ходной погрешности исходный долговременный дрейф (LTD) становится все более важным фактором, влияющим на поддержание требуемой точности. Учет LTD – непростая задача для разработчика, поскольку этот параметр зависит также от особенностей техпроцессов и сценариев использования изделий, а не от тщательности проектирования и выбора подходящих компонентов. Нагрузка на корпус при сборке печатной платы – основная причина долговременного дрейфа. ИС в пластиковых корпусах незначительно меняют форму под воздействием высоких температур в про-

цессе пайки печатных плат, что, в свою очередь, оказывает влияние на кристалл ИОН. В р е зульт ат е в ы ход н о й си г н а л источника опорного напряжения меняется, пока не вернется к нормальному значению в течение нескольких часов, дней или даже недель. Степень изменений зависит от топологии, корпуса устройства, других факторов и, как правило, составляет несколько десятков ppm. Поскольк у кристалл ИОН и корпус «притираются» друг к другу в течение года, некоторые производители указывают значение дрейфа за этот период времени. В большинстве технических описаний на ИОН указываются типовые

значения долговременного дрей фа после первых 1000 ч эксплуатации. Например, в техописании серии устройств ADR43x типовое значение LTD сос тав ляет 4 0 ppm; при этом отмечается, что дрейф в последующие 1000 ч значительно уменьшается. Чтобы уменьшить обусловленный физической нагрузкой дрейф, плата с ИОН несколько раз подвергается термоциклированию в течение нескольких часов, благодаря чему устраняются внутренние напряжения. Еще одним решением рассматриваемой проблемы является использование ИОН в керамических корпусах, которые обладают большей устойчивостью, чем пластиковые, и деформируются в меньшей мере. Однако многие ИОН не выпускаются в таких корпусах. В то же время у ИОН самого последнего поколения, изготовленных в пластиковых корпусах, долговременный дрейф почти достигает значения LTD источников в керамических корпусах. Наконец, нельзя игнорировать воздействие переходных процессов на ИОН со стороны собственной шины питания. На поддержание точности выходного сигнала влияют не только вариации нагрузки, но и отсутствие пульсаций на шине питания. Высококачественный ИОН хорошо справляется с осла-

Рис. 14. Переходные процессы на шине питания ИОН могут отрицательно повлиять на его работу. Чтобы избежать этого, пульсации подавляются. Например, выходной сигнал ADR43x не меняется при просадке напряжения на шине питания величиной 500 мВ

блением пульсаций напряжения шины питания. У ADR431 ΔVOUT/ΔVIN составляет 5 мВ/ppm (тип.), а максимальное значение – 20 мВ/ppm в диапазоне входного напряжения 7–18 В (см. рис. 14).

Литература 1. Analog Devices, AN‑713, «The Effect of Long-Term Drift on Voltage References».

2. Analog Devices, Engineer Zone, «Trimming the ADR430».

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Холдинг «Росэлектроника» разработал интеллектуальную систему мониторинга |

www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №02 2020

АЦП и ЦАП

Система состоит из мультиспектральных оптических сенсоров для охраны промышленных и других объектов. Комплекс из 20 таких сенсоров способен эффективно заменить 300 камер видеонаблюдения. Разработка представлена на специализированной выставке для федеральных служб и коммерческих компаний, которая проходит в «Доме оптики» холдинга «Швабе». Система с технологиями искусственного интеллекта в автоматическом режиме обнаруживает, распознает и сопровождает одновременно не менее 30 объектов. В режиме реального времени она выполняет видеоаналитику и прогнозирование ситуаций, а также помогает операторам и другим должным лицам принять соответствующее решение. Система состоит из активного радиолокатора, который обнаруживает подвижные объекты и передает команды на оптические сенсоры, следящие за передвижением цели в видимом и инфракрасном диапазонах. В состав системы также могут входить тепловизоры с температурной чувствительностью менее 50 мК, благодаря чему мониторинг успешно осуществляется в условиях полной темноты. Эффективность новой разработки примерно в 15 раз выше, чем у традиционных систем видеонаблюдения: испытания показали, что 20 сенсоров могут заменить порядка 300 камер. Работы над проектом в составе Ростеха ведут предприятия дочернего холдинга «Росэлектроника» – Концерн «Вега» и челябинский радиозавод «Полет».

45

Высокоэффективные SiC MOSFET для силовой электроники Д-р Питер Фридрихс (Dr. Peter Friedrichs), Infineon Technologies

В настоящее время усилия разработчиков направлены на уменьшение величины сопротивления канала во включенном состоянии как основного параметра для реализации заданной технологии. Однако важно найти верный баланс между основными показателями эффективности силовых электронных полупроводниковых устройств, к которым относятся сопротивление канала и коммутационные потери, и дополнительными факторами, определяющими конструкцию этих устройств, например, надежностью.

Дискретные силовые компоненты

Принципы проектирования устройств

46

Успешная концепция построения устройства предусматривает определенную свободу выбора проектного решения в соответствии с потребностями каждого конкретного приложения; при этом исключаются какие-либо существенные изменения в процессе разработки и создания топологии. Однако ключевым показателем эффективности по-прежнему остается низкое сопротивление открытого канала выбранного устройства, зависящее от площади кристалла, а в идеальном случае этот показатель удачно сочетается с другими заданными параметрами. На рисунке 1 перечислено несколько важных параметров. Одним из наиболее важных критериев выбора является надежность устройства в заданных условиях эксплуатации проектируемой системы. Главное отличие карбидокремниевых (SiC) компонентов является возможность работы в электрических полях с намного более высокой напряженностью. Необходимо тщательно проанализировать соответствующие механизмы воздействий. Общим в них остается суммарное сопротивление устройства, которое определяется пос ледовательным соединением сопротивлений контактов на стоке и истоке, в т. ч. сопротивлениями высоколегированных зон вблизи контактов, каналов, области JFET и дрейфа (см. рис. 2). Заметим, что у высоковольтных кремниевых MOSFET зона дрейфа четко определяет суммарное сопротивление. У SiC-кристаллов проводимость этой области можно значительно повысить. Поскольку интерфейс SiC–SiO2 является ключевым элементом MOSFET, необходимо учесть следующие различия этих ключей от кремниевых аналогов:

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Необходим баланс между выбранными параметрами (правая часть весов) и рабочими характеристиками SiC MOSFET (слева)

Рис. 2. Схематическое изображение: а) DMOS SiC MOSFET; б) TMOS SiC MOSFET с вертикальной trenchструктурой, а также соответствующее расположение элементов, вносящих вклад в суммарное сопротивление

-- поверхностная плотность атомов SiC-структур на единицу площади больше, чем у Si-структур, что приводит к увеличению плотности свободных Si- и С‑связей; дефек-

ты, расположенные в слое окисла вблизи поверхности, могут образовывать энергетические уровни в запрещенной зоне, являющиеся ловушками для электронов [1];

а)

б)

Рис. 3. а) у типичной структуры планарного MOSFET (на схеме – половина ячейки) имеются две области, чувствительные к воздействию поля оксидного слоя; б) у типичной trench-структуры MOSFET (полячейки) чувствительность оксидного слоя к полю на уголках trench-структуры является критичной

Элек трическое поле высокой напряженности в открытом состоянии считается опаснее, поскольку отсутствуют механизмы, которые могли бы уменьшить его влияние ис ход я из заданной величины сопротивления открытого канала. У SiC-приборов компании Infineon низкое сопротивление RDS(ON) комбинируется с рабочим режимом, в котором оксидный слой эксплуатируется в хорошо известных безопасных условиях. В результате было решено отказаться от DMOS-технологии и заняться совершенствованием приборов с trench-структурами. Отказ от планарной поверхности с высокой плотностью дефектов в пользу поверхностей с более выгодными ориентациями обеспечивает малое сопротивление канала при невысокой напряженности поля. Эти граничные условия являются базовыми для переноса методологий обеспечения качества, разработанных для кремниевых силовых полупроводников, в целях повышения надежности промышленных и автомобильных приложений. Ячейки CoolSiC MOSFET были разработаны так, чтобы ограничить электрическое поле в оксидном слое затвора во включенном и выключенном состояниях (см. рис. 4). В то же время обеспечивается привлекательное значение сопротивления открытого канала транзисторов класса 1200 В даже в условиях массового производства при высоком уровне устойчивости и воспроизводимости. Малое сопротивление открытого канала гарантируется при управляющем напряжении VGS всего 15 В в сочетании с достаточно высоким пороговым напряжением VGS = 4,5 В (тип.). Эти параметры являются эталонными для карбидокремниевых транзисторов. К особенностям структуры данных приборов относится то, что ориентация канала совпадает с ориентацией кристаллической решетки путем самосовмещения затворов. В результате обеспечивается наибольшая подвижность носителей в канале и малый разброс пороговых значений

Рис. 4. Схематическое изображение структуры ячейки CoolSiC MOSFET

напряжения. Еще одной особенностью структуры являются глубокие p‑канавки, пересекающие trench-структуру МОП в центре, благодаря которым обеспечивается малый шаг между областями p+ и эффективная защита углового участка оксидного слоя. Статическая характеристика – работа в 1‑м квадранте

Ключевым параметром статической выходной характеристики MOSFET является суммарное сопротивление R DS(ON). Типовое сопротивление открытого канала транзистора CoolSiC MOSFET определяется при комнатной температуре и V GS = 15 В (см. рис. 5а). Пороговое напряжение VGS_TH зависит от физических параметров устройства и уменьшается с ростом температуры, как видно из рисунка 5б. Поскольку температурный коэффициент сопротивления открытого канала является положительным (см. рис. 5б) благодаря малой плотности дефектов в канале, устройства предназначены для соединения в параллельной конфи-

электронные компоненты №02 2020

Дискретные силовые компоненты

-- толщина термически выращенного оксидного слоя в значительной мере зависит от плоскости кристалла; -- SiC-кристаллы работают в электрическом поле стока намного большей напряженности в закрытом состоянии по сравнению с кремниевыми аналогами (МВ вместо кВ), в связи с чем требуется ограничить величину напряженности в оксидном слое затвора для обеспечения его надежной работы [2]. У TMOS-струк т ур критической является угловая зона канавки, а у DMOS-структур – центральная часть ячейки (см. рис. 3) -- для заданной величины электрического поля у SiC MOS-структур инжекция тока затвора в соответствии с моделью Фаулера – Нордгейма выше, чем у кремниевых приборов, за счет меньшей высоты барьера. Таким образом, электрическое поле на SiC-стороне интерфейса необходимо ограничить [3–4]. Упомянутые выше дефекты интерфейса в значительной степени ухудшают подвижность носителей в канале и вносят большой вклад в суммарное сопротивление открытого канала. Таким образом, преимущество SiC-приборов над кремниевыми аналогами в виде очень малого сопротивления зоны дрейфа становится не столь явным из-за большого влияния канала. Для преодоления этой дилеммы необходимо увеличить электрическое поле, приложенное к оксидному слою в открытом состоянии, использовать более высокое напряжение смещения между истоком и затвором (VGS) для включения транзистора или уменьшить и без того тонкий оксидный слой затвора. Величина приложенного электрического поля превышает значения, которые обычно применяются в кремниевых MOSFET (4–5 МВ/см, тогда как у кремниевых приборов эта величина не превышает 3 МВ/см). Такие высокие напряжения в оксидном слое в открытом состоянии ускоряют износ и ухудшают выявление оставшихся случайных дефектов в этом слое [1]. Учитывая эти обстоятельства, становится понятно, что у планарных SiC MOSFET – две чувствительные области, реагирующие на воздействие электрического поля на оксидный слой (см. рис. 3а). Во‑первых, это интерфейс между зоной дрейфа и оксидным слоем, где величина поля наибольшая; полевое воздействие на эту область оказывается в режиме обратного смещения. Во‑вторых, при открытом канале чувствительной областью является перекрытие между затвором и истоком.

47

а)

б)

Рис. 5. а) выходные характеристики CoolSiC MOSFET (45 мОм, 1200 В), измеренные при комнатной температуре и 175°C; б) зависимость RDS(ON) и VGS_TH от температуры

при более высоких уровнях этого напряжения благодаря растущему вкладу зоны дрейфа в суммарное сопротивление (см. рис. 6).

Дискретные силовые компоненты

Статическая характеристика – работа в 3‑м квадранте

48

Рис. 6. Качественные характеристики сопротивления открытых каналов Si и SiC MOSFET в зависимости от температуры перехода, а также влияние на них блокирующего напряжения

гурации. Это еще одно существенное отличие от DMOS-устройств – как правило, у них зависимость сопротивления от температуры выражена слабее за счет более высокой плотности дефектов в канале. На первый взгляд, технология DMOS выглядит привлекательной, однако с уменьшением сопротивления открытого канала начинает преобладать вк лад температурной зависимости дрейфовой зоны в суммарном сопротивлении открытого канала. Таким образом, поведение SiC MOSFET все больше будет напоминать кремниевые аналоги. Заметим, однако, что даже в нагретом состоянии фактическое значение температурного коэффициента транзистора SiC MOSFET оказалось бы ниже, чем у кремниевых приборов при том же блокирующем напряжении за счет более высокой абсолютной плотности легирующих примесей. Кроме того, температурная зависимость сопротивления открытого канала проявляется заметнее

www.elcomdesign.ru

В отличие от IGBT, MOSFET с вертикальной структурой, например CoolSiC, обладают проводимостью в режиме обратного смещения за счет внутреннего диода, который является практически обратным диодом. Однако благодаря широкой запрещенной зоне SiC-приборов величина напряжения в точке перегиба этого диода относительно высока (около 3 В), что при непрерывной работе приводит к большим

Рис. 7. Ампер-вольтная характеристика внутреннего диода 45-мОм транзистора CoolSiC MOSFET

потерям на проводимость. Чтобы этого не происходило, применяется хорошо известная схема синхронного выпрямления. Рассматриваемый диод работает в течение короткого мертвого времени в качестве диода, после чего канал снова включается, и возникает положительное напряжение VGS (как в режиме 1‑го квад­ ранта). Эта рабочая схема обеспечивает очень малые потери на проводимость в режиме 3‑го квадранта, поскольку отсутствует напряжение точки перегиба и обеспечивается то же значение сопротивления, что и в 1‑м квадранте. По сути, оно немного меньше, поскольку меньше влияние JFET благодаря отрицательной обратной связи по току. На рисунке 7 иллюстрируется работа в 3‑м квадранте (ампер-вольтная характеристика при разных напряжениях затвора). Заметим, что благодаря p‑n‑структуре диода можно в некоторой степени увеличить допустимую нагрузку по импульсному току по сравнению с режимом прямой проводимости. Динамическая характеристика

требуется использовать симметричную схему внутреннего модуля на основе полосковой линии, особенно в случае модулей с параллельно установленными кристаллами [5]. К числу корпусов для модулей, отвечающих упомянутым требованиям, относится платформа EASY от компании Infineon, и, соответственно, для дискретных компонентов – семейства корпусов TO247 и TO263–7. Харак терис тика заряда затвора у транзисторов CoolSiC MOSFET, как правило, отличается от типовой характеристики кремниевых силовых приборов. В частности, отсутствует хорошо выраженное плато Миллера (см. рис. 9а). Суммарный заряд затвора QTOT составляет, как правило, 75 нКл при ID = 30 A, VDS = 800 В, а RG = 3,3 кОм при VGS(OFF) = –5 В и VGS(ON) = 15 В. Во многих случаях может потребоваться регулировка скорости коммутации (dv/dt), чтобы, например, уменьшить колебания, вызванные переходными процессами. Одним из преимуществ MOSFET является простота регулировки крутизны характеристик с помощью затворного резистора. В сочетании с корректно подобранной схемой драйвера величина резистора в цепи затвора может оказаться разной для включения и выключения. На рисунке 9б представлена соответствующая регулировочная характеристика для 45‑мОм CoolSiC MOSFET класса 1200 В. На рисунке 10 показаны сигналы тока при коротком замыкании в случае с 45‑мОм CoolSiC MOSFET класса 1200 В в корпусах TO‑247 с четырьмя выводами и корпусах TO‑247 с тремя выводами при напряжении постоянного тока VDS = 800 В. Эти результаты свидетельствуют о значительном отличии этих приборов от транзисторов IGBT. Сначала ток стока быстро увеличивается и достигает пикового уровня. Благо-

Дискретные силовые компоненты

Поскольку SiC MOSFET является униполярным устройством, его динамическая характеристика в большой мере зависит от емкостей. У этого транзистора – небольшая обратная емкость затвор–сток CRSS по сравнению с входной емкостью C ISS , что хорошо для подавления паразитных эффектов при включении и позволяет предотвратить использование сложной схемы драйвера затвора при работе в полумостовой конфигурации. Многие компоненты CoolSiC MOSFET могут безопасно выключаться даже при нулевом напряжении на затворе, поскольку кроме хорошего отношения емкостей обеспечивается достаточно высокое пороговое напряжение. Зависимости суммарных емко-

стей транзисторов от температуры показаны на рисунке 8а. На рисунке 8б показана типовая зависимость коммутационных потерь в полумостовой топологии для транзисторов в корпусах TO‑247 с четырьмя выводами от тока стока. Энергия отключения EOFF только в незначительной мере зависит от нагрузочного тока, поскольку она определяется, главным образом, величиной емкостей, тогда как энергия включения EON увеличивается линейно при возрастании тока и, в основном, определяет суммарные потери E TOT. По состоянию на середину 2019 г. у транзисторов CoolSiC MOSFET была наименьшая величина EON среди коммерческих SiC MOSFET класса 1200 В. Значения EON и EOFF практически не зависят от температуры. Заметим, что конструкция корпуса оказывает большое влияние на коммутационные потери, главным образом, при включении. Особенно эффективным является использование вывода Кельвина, который отделяет ток управления от тока нагрузки, предотвращая влияние индуцированных петель обратной связи di/dt на сигнал затвора и повышение динамических потерь. По сути, необходимо только реализовать в определенных корпусах быстродействующие SiC-транзисторы с низкой емкостью и малым зарядом затвора. К основным требованиям к этим компонентам относятся хорошие тепловые характеристики. Хотя абсолютные значения потерь SiC MOSFET уменьшаются, плотность мощности возрастает из-за сокращения объема, что может привести к разогреву небольших областей и повышению температуры. Еще одним требованием является малая паразитная индуктивность, обеспечивающая управление высокими значениями di/dt, чтобы исключить появление опасных пиков напряжения. Наконец,

49

а)

б)

Рис. 8. а) типовые зависимости емкости 45-мОм транзистора CoolSiC MOSFET от напряжения сток–исток; б) соответствующие зависимости коммутационных потерь от тока стока (при VGS = 15/–5 В, RGext = 4,5 Ом; VDS = 800 В; T VJ =175°С)

электронные компоненты №02 2020

б)

а)

Дискретные силовые компоненты

Рис. 9. а) типовая зависимость заряда затвора у 45-мОм CoolSiC MOSFET класса 1200 В; б) регулирование частоты коммутации с помощью RG

даря быстрому включению с помощью контакта Кельвина ток транзистора в корпусе TO‑247 с четырьмя выводами нарастает быстрее, а самонагрев – меньше в самом начале короткого замыкания при пиковом токе выше 300 А, тогда как у компонентов в корпусах TO‑247 с тремя выводами пиковый ток меньше. Основная причина этого отличия – в отрицательной обратной связи, возникающей при изменении тока di/dt в результате приложенного напряжения VGS в случае транзисторов с тремя выводами. Поскольк у этот эффек т исключен в решении с контактом Кельвина, обеспечивающим более быструю коммутацию, ток достигает более высоких значений до начала насыщения при использовании транзисторов с четырьмя выводами.

Достигнув пикового значения, ток значительно уменьшается примерно до 150 А, что обусловлено уменьшением подвижности носителей и эффектом JFET; при этом температура возрастает, и возникает самонагрев. Результаты испытаний показали отличную устойчивость к сбоям – типовое значение длительности тока короткого замыкания составило 3 мкс у CoolSiC MOSFET в корпусе TO‑247 и силовых модулей (к настоящему времени этот показатель уменьшился до 2 мкс согласно требованиям соответствующих приложений). Как следует из технического описания транзистора CoolSiC MOSFET от Infineon, это первое устройство с гарантированной устойчивостью к короткому замыканию. Показатель лавинного пробоя новых транзисторов класса 650 В отвечает

требованиям целевых приложений. В целом, технология CoolSiC MOSFET обеспечивает высокую устойчивость в условиях лавинного пробоя: на рисунке 10б представлена типичная характеристика 1200‑В компонента. Вероятность отказов и надежность оксидного слоя затвора

Надежность и устойчивая работа транзисторов SiC MOSFET являются наиболее обсуждаемыми показателями помимо их быстродействия. Устойчивость определяется как способность противостоять внештатным стрессам, например как возможность работать в условиях короткого замыкания или больших импульсных токов. Надежность характеризует стабильность устройства

50

а)

б)

Рис. 10. а) типовая зависимость тока при коротком замыкании от времени и температуре 25°C; б) лавинный пробой 1200-В транзистора и выключение индуктивной нагрузки 3,85 мГн без схемы ограничения перенапряжения при 60 В

www.elcomdesign.ru

Рис. 11. Число отказов SiC MOSFET за приведенное полное время испытаний

ниевых МОП-транзисторов не превышал единицы при заданных условиях эксплуатации в промышленных приложениях (как в настоящее время у IGBTтранзисторов). Поскольку качество и свойства материалов SiO2 у SiC MOSFET и Si MOSFET почти идентичны, транзисторы Si MOSFET и SiC MOSFET с одинаковой площадью и толщиной оксидного слоя устойчивы к воздействию электрического поля в течение одинакового времени (т. е. у них – одинаковый срок службы). Разумеется, это утверждение справедливо, только если устройства не содержат примесей, способствующих образованию т. н. внешних дефектов. В отличие от Si MOSFET, у SiC MOSFET – намного более высокая плотность внешних дефектов в оксидном слое затвора. Отказы устройств с внешними дефектами происходят раньше, чем у бездефектных компонентов, которые выходят из строя намного позже в силу собственного износа. Как правило, отказы, характерные для таких изделий, случаются гораздо реже в нормальных условиях эксплуатации, если толщина оксидного слоя достаточно велика. Следовательно, показатель FIT для оксидного слоя в течение типового срока службы определяется исключительно внешними дефектами. Чтобы обеспечить достаточно высокую надежность оксидного слоя затвора карбидокремниевых MOSFET, необходимо уменьшить количество устройств с внешними дефектами, которое на текущий момент составляет 1%, до допустимого малого значения на момент отгрузки продукции заказчику (например, до 10 ppm). Одним из хорошо зарекомендовавших себя способов решения этой задачи является отбор с помощью приложенного электрического поля [2]. В процессе этого испытания затвор каждого транзистора подвергается стрессовому воздействию электриче-

ского поля. Это воздействие выбирается таким, чтобы устройства с критическими дефектами разрушились; при этом транзисторы без дефектов, вызванных примесями, или с некритичными дефектами не повреждаются. Устройства, не прошедшие этот испытание, отбраковываются. Таким образом, от потенциального риска ухудшения надежности можно избавиться, уменьшив процент выхода годных. Чтобы подвергнуть транзисторы такому воздействию, оксидный слой затвора должен иметь определенную минимальную толщину. Если она слишком мала, устройства не пройдут эти испытания в результате износа, а значения их порогового напряжения окажутся ниже, либо сократится подвижность носителей в канале. Следовательно, для эффективного контроля над дефектами оксидного слоя его номинальная толщина должна быть намного больше той, что требуется для обеспечения заданного собственного срока службы. К сожалению, чем толще этот слой, тем выше пороговое напряжение и меньше проводимость канала при заданном значении V GS(ON). Компромисс между показателем FIT и другими параметрами транзистора иллюстрируется на рисунке 12 и рассматривается в [6]. Компания Infineon потратила немало времени и средств на то, чтобы в самой полной мере установить надежность МОП-структуры, используемой в SiC MOSFET. Например, мы испытали надежность SiC MOSFET под нагрузкой в течение 100 дней при 150°C при разных положительных и отрицательных напряжениях смещения на затворе. Каждая испытанная группа состояла из 1000 шт. образцов. На рисунке 13 представлены результаты, полученные для разных условий воздействия на оксидный слой затвора. Видно, как улучшились показатели

электронные компоненты №02 2020

Дискретные силовые компоненты

в номинальных условиях эксплуатации в течение заданного срока службы приложения. Надежность устройства определяется дрейфом некоторых электрических параметров или катастрофическими отказами. Для количественной характеристики устойчивых отказов, как правило, применяется показатель FIT (Failure in Time), который устанавливает допустимое число устройств заданного типа, которые могут отказать за определенное время. На величину показателя FIT современных высокомощных кремниевых приборов, главным образом, влияет космическое излучение. В случае SiC-приборов необходимо учитывать надежность оксидного слоя затвора, на который оказывают воздействие электрические поля. Таким образом, как видно из рисунка 11, совокупный показатель FIT равен сумме значения FIT с учетом космического излучения и FIT с учетом надежности оксидного слоя. Для определения устойчивости к космическому излучению можно применить тот же подход, что и в случае с кремниевыми приборами. В таком случае значения FIT получают экспериментальным путем для определенного типа технологии. Они основаны на полученных результатах и требованиях конкретного приложения. Проект реализуется с учетом показателей FIT, как правило, путем оптимизации распределения электрического поля в зоне дрейфа. Чтобы уменьшить величину FIT оксидного слоя, необходима проверка, поскольку у SiC-транзисторов достаточно высока плотность дефектов по сравнению с кремниевыми аналогами (в случае кремниевых силовых ключей компании Infineon контроль над оксидным слоем способствует обеспечению требуемого качества). Усилия инженеров направлены на то, чтобы максимальный показатель FIT оксидного слоя затвора карбидокрем-

51

Дискретные силовые компоненты

Рис. 12. Влияние толщины оксидного слоя и напряжения затвора на вероятность отказов и сопротивление открытого канала RDS(ON) 650-В устройств

в результате финальной доработки. В исходных условиях обработки при напряжении смещения 30 В на затворе, которое в два раза превысило рекомендованное значение, отказало менее 10 устройств из 1000. В результате отбора это количество сократилось до одного при 30 В и стало нулевым при 25 и –15 В. Один отказ произошел по внешним причинам, но он не критичен, поскольку случился гораздо позже установленного в спецификации срока службы в условиях эксплуатации при номинальном напряжении смещения на затворе. Кроме того, очень важно в дополнение к тестированию в открытом состоянии провести испытания стрессовым воздействием в закрытом состоянии, т. к. величина напряженности электрического поля в SiC-приборах намного ближе к предельным показателям SiO2, чем в случае кремниевых силовых МОП-компонентов. Ключевой особен-

ностью конструкции является эффективное экранирование чувствительных участков оксидного слоя с помощью соответствующего введения глубоких p‑областей. Эффективность экранирования и в этом случае является компромиссом между сопротивлением открытого канала и надежностью. У trench MOSFET глубокие p‑области, образующие JFET-подобные структуры под каналом MOSFET, позволяют эффективно улучшить такое экранирование [7]. Эти структуры вносят свой вклад в величину сопротивления открытого канала, зависящий, главным образом, от расстояния и легирующих примесей между глубокими p‑областями. Данные структуры позволяют избежать деградации оксидного слоя или его пробоя в выключенном состоянии. Для проверки надежности CoolSiC MOSFET в выключенном состоянии мы испытали свыше 5000 SiC MOSFET класса 1200 В в течение 100 дней при 150°C,

52

Рис. 13. Определение вероятности отказов в открытом состоянии при разных условиях обработки

www.elcomdesign.ru

V GS = –5 В и V DS = 1000 В. Эти условия соответствуют самой критичной точке режима работы промышленных приложений. Дальнейшее ужесточение параметров испытаний очень затруднено из-за ограничений по напряжению стока относительно напряжения пробоя устройства. Проведение испытаний при более высоких напряжениях стока даже исказит результаты из-за большей вероятности других механизмов отказа, например из-за воздействия космического излучения. В результате ни одно из протестированных устройств не отказало при испытании их на надежность в выключенном состоянии. Поскольку устройства к ласса 650 В отвечают тем же расчетным критериям, что и 1200‑В транзисторы, разумно ожидать, что у них тот же уровень надежности. Выводы

Транзисторы CoolSiC MOSFET обладают самой лучшей коммутационной характеристикой и низкими суммарными потерями. Одним из отличительных преимуществ приборов этого типа является возможность их отключения при нулевом напряжении смещения на затворе, благодаря чему транзисторы CoolSiC считаются на текущий момент единственными нормально закрытыми устройствами. Литература 1. Z. Chbili, A. Matsuda, J. Chbili, J. T. Ryan, J. P. Campbell, M. Lahbabi, D. E. Ioannou, and K. P. Cheung. Modeling Early Breakdown Failures of Gate Oxide in SiC Power MOSFETs. IEEE Trans.

Electr. Dev. Vol. 63. No. 9. 2016.

2. J. Lutz, T. Aichinger and R. Rupp. Reliability Evaluation, in K. Suganuma (Ed.): Wide Bandgap Power Semiconductor Packaging: Materials, Components, and Reliability. Elsevier. 2018.

3. R. Singh, and A. R. Hefner. Reliability of SiC MOS devices. Solid-State Electronics. Vol. 48.

1717–1720. 2004.

4. K. Matocha. Challenges in SiC power MOSFET design. Solid-State Electronics. Vol. 52.

2008.

5. P. Friedrichs, R. Bayerer. SiC high power devices – challenges for assembly and thermal management. Mater. Sci. Forum. Vols. 740–742.

2013.

6. L. Beaurenaut, T. Aichinger, C. Schweikert and C. Strenger. Analysis of the trade-off between performance and reliability of a SiC power module in electric drive-train applications. Proc. EVS31 & EV TeC. Kobe.

Japan. 2018.

7. D . P e t e r s , T. B a s l e r, B . Z i p p e l i u s , T. Aichinger, W. Bergner, R. Esteve, D. Kueck and R. Siemieniec. The new CoolSiC Trench MOSFET Technology for Low Gate Oxide Stress and High Performance, Proc. PCIM. Nuremberg.

Germany. 2017.

РЕКЛАМА

Полупроводниковые SiC-приборы Андрей Ершов, инженер-разработчик

Дискретные силовые компоненты

В статье рассматриваются основные свойства карбидокремниевых полупроводниковых приборов. Приводятся примеры их применения. Акцент сделан на полевых транзисторах с p‑n‑переходом.

54

Преимущества карбидокремниевых (SiC) полупроводниковых приборов описаны довольно подробно, поэтому мы не будем на них останавливаться, но лишь упомянем главные из них: -- широкая запрещенная зона, позволяющая увеличить максимально допустимое напряжение; -- теплопроводность SiC в 3–3,5 раза выше, чем у кремния (Si); -- сопротивление канала на единицу площади RdsA у SiC заметно ниже, чем у Si. Благодаря этим свойствам в настояще е вр е м я вып уск аютс я Si C FE T с планарной и trench-струк т урами с максимально допустимым напряжением 650–1700 В. Можно утверждать, что SiC FET с номинальным напряжением до 1200 В безоговорочно выигрывают у IGBT по всем показателям. Номинальное напряжение 1200 В является граничным значением, начиная с которого потери на проводимость в IGBT при больших токах могут оказаться ниже, чем у SiC FET. Однако потери на коммутацию у IGBT в любом случае выше, чем у SiC FET. Недостатком SiC FET является относительно низкая подвижность носителей. В схемах с жесткой коммутацией SiC FET и SiC-диоды заметно выигрывают у кремниевых аналогов из-за меньших потерь, особенно при комму тации в режиме непрерывного тока за счет гораздо меньшего заряда обратного восстановления (Q RR) у SiC-диодов. В схемах с мягким переключением SiC FET выигрывают у кремниевых аналогов за счет меньшей величины общей емкости COSS, что позволяет увеличить рабочую частоту. За счет улучшения динамических свойств SiC FET можно увеличить скорость изменения напряжения до 100–200 В/нс, не меняя время жизни носителей заряда. Меньшее сопротивление отрытого канала RDS(ON) также играет на стороне SiC FET. Еще одним преимущес твом SiC FET является гораздо меньшая зависи м о с т ь п ор о го в о го напр я жени я затвора V TH от температуры. Эта особенность, а так же гораздо лучшая

www.elcomdesign.ru

теплопроводность и, следовательно, большая рассеиваемая мощность позволяет использовать данные приборы

в устройствах защиты электрических цепей от экстратоков и токов короткого замыкания. Особенно выгодно исполь-

Рис. 1. Схема каскода SiC JFET

Рис. 2. а) 650-В структуры Si MOSFET; б) GaN HEMT FET; в) низковольтный Trench Si MOSFET с Trench SiC JFET, составляющие каскод

Рис. 3. Интегрированный в один корпус полумостовой каскад SiC JFET и драйвер затвора

Рис. 4. Осциллограммы работы полумостовой схемы на рисунке 3

нарных MOSFET эта величина колеблется в пределах 2–4 мОм∙см2, а у SiC JFET компании UnitedSiC сопротивление RdsA удалось снизить до 0,75 мОм∙см2. Соответственно, уменьшились размеры кристалла (см. рис. 1) и, следовательно, его стоимость и паразитная емкость. У ключей GaN HEMT FET – отличные динамические характеристики, но эти ключи еще заметно дороже SiC-приборов. Улучшение рабочей частоты, уменьшение длительности фронтов приводит к появлению звона и увеличению длительности колебательного переходного процесса и, следовательно, к увеличению потерь. Уменьшить эти негативные последствия можно за счет уменьшения паразитных индуктив-

ностей и емкостей силового каскада. Наилучшим образом это достигается при интегрировании в одном корпусе драйвера затворов и силовых ключей. На рисунке 3 показан пример такой интеграции от компании Apex: полумостовой каскад, составленный из ключей SiC JFET с нормированным напряжением 1200 В и сопротивлением открытого канала RDS(ON) = 35 мОм, встроен в корпус с драйвером затворов. Размер корпуса: 32×29 мм. На рисунке 4 показаны осциллограммы работы этой полумостовой схемы. Как видно из рисунка, существенные перенапряжения не возн и к а ю т н и в п р о ц е ссе о т к р ы т и я , ни в процессе закрытия ключей; отсут-

Дискретные силовые компоненты

зование в этих случаях SiC JFET (полевые транзисторы с p‑n‑переходом) – у них минимальное сопротивление открытого канала RDS(ON) и отличная способность рассеивать энергию. Заметим, что SiC JFET несколько недооценены разработчиками. Компания UnitedSiC использует каскодную схему, в которой высоковольтный SiC JFET включен последовательно с быстрым низковольтным Si MOSFET. Схема каскода показана на рисунке 1: в одном корпусе установлены 25‑В SiC MOSFET и высоковольтный SiC JFET. В отличие от случаев, когда драйвер управляет затвором высоковольтного прибора, в каскодной схеме время коммутации ключа плохо управляется с помощью резистора затвора. Компания UnitedSiC предлагает ключи с разным временем коммутации, отрегулированном еще на этапе производства. Соединив последовательно пять подобных каскодов, в каждый из которых входит 1700‑В SiC JFET, компания получила полумостовой модуль с нормированным напряжением 6500 В и максимальным током 200 А. Устройство управляется напряжением 0–12 В. Из-за низкого заряда затвора Qg не требуются отдельные цепи для включении и выключения ключа, как это делается для управления IGBT или высоковольтными SiC MOSFET. На рисунке 2 схематично с соблюдением масштаба показаны 650 ‑В струк т уры кремниевого Si MOSFET с суперпереходом с вертикальным каналом GaN HEMT FET с боковым каналом и низковольтный Trench MOSFET с Trench SiC JFET, составляющие каскод (см. рис. 1). Касательно этих приборов на сегодняшний день справедливы следующие значения параметров. Сопротивление канала на единицу площади RdsA у GaN HEMT FET составляет 3–6 мОм∙см2, у SiC Trench MOSFET и пла-

55

Рис. 5. Схема суперкаскода

электронные компоненты №02 2020

Дискретные силовые компоненты

Таблица. Сопротивление канала на единицу площади RdsA у SiC Максимально Сопротивление канала допустимое на единицу площади напряжение, В RdsA, мОм

56

1700

3

3300

12

6500

50

10000

120

ствует и колебательный переходный процесс, обычно возникающий при коммутации. Увеличение максимального напряжения прибора достигается либо путем увеличения размера кристалла, либо с помощью последовательного соединения нескольких модулей. В таблице представлены значения сопротивления канала на единицу площади RdsA у SiC. Таким образом, чтобы получить к люч с максима льно допус тимым напряжением 6500 В и сопротивление RdsA = 12 мОм, требуется либо включить параллельно четыре кристалла на напряжение 6500 В, либо соединить последовательно четыре кристалла на напряжение 1700 В. Разумеется, последний вариант предпочтительнее – он гораздо экономичнее и обеспечивает лучшие параметры. Исходя из этих соображений, компания UnitedSiC создала суперкаскод, схема которого приведена на рисунке 5. Он состоит из четырех последовательно соединенных 1700‑В кристаллов SiC JFET. Заметим, что каскод управляется одним драйвером затвора. Конструктивное исполнение суперкаскода показа-

Рис. 6. Конструктив суперкаскода

но на рисунке 6. Аналогичное решение можно использовать и для построения высоковольтного ключа из SiC MOSFET, но при этом придется использовать четыре драйвера затвора с малым разбросом времени распространения сигнала. Помимо SiC MOSFET широко распространены SiC-диоды с нормированным обратным напряжением 650, 1200 и 1700 В. Их заряд обратного восстановления Q RR в SiC-диодах Шоттки заметно меньше, чем у кремниевых аналогов. Следовательно, существенно сократятся потери EON при жесткой коммутации в режимах непрерывного тока. Чтобы повысить стойкость SiC-диодов Шоттки к перенапряжениям, производители добавляют в диоды области с p‑n‑переходами, которые уменьшают утечки и повышают стойкость к перенапряжениям. В общем случае слабым местом всех SiC-диодов является плохая устойчивость к всплескам напряжения. Падение напряжения на них достигает 4–6 В, тогда как у кремниевых диодов

эта величина обычно не превышает 2–2,5 В. Учитывая, что размер кристалла SiC-диода невелик, всплески напряжения могут привести к перегреву. Устранить этот недостаток удается за счет использования более тонких пластин; при этом уменьшается падение напряжения на диоде, и уменьшатся тепловое сопротивление. Кроме того, используются более совершенные методы корпусирования в корпусах TO и DFN, позволяющие заметно уменьшить тепловое сопротивление «кристалл–корпус». Все эти меры обеспечили устойчивость SiC-диодов к 8–12‑кратным перегрузкам по току. В заключение заметим, что поводом для статьи послужил, на наш взгляд, некоторый перекос в профессиональных СМИ в сторону SiC MOSFET и практически полное невнимание к полевым транзисторам с p‑n‑переходом SiC JFET. Мы постарались очень кратко пояснить, отчего такое положение дел кажется нам несправедливым. Надеемся, читатели хотя бы отчасти разделят нашу точку зрения.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| МТС и Ericsson развернули первую в России промышленную 5G-зону частной сети LTE |

Сеть развернута на заводе «КАМАЗ» в Набережных Челнах. Технологии радиодоступа 5G и LTE будут способствовать оптимизации производства на предприятии и повышению его конкурентоспособности. Частная (private) беспроводная сеть, предназначенная для решения технологических задач, объединяет разные элементы производственной экосистемы предприятия в закрытый контур, обеспечивая повышенную безопасность и надежность. Частная сеть «КАМАЗа» одновременно поддерживает технологии 5G и LTE. На первом этапе на сети развернуты системы видеонаблюдения и групповой связи, защищенный доступ к локальным информационным ресурсам и VR/AR-решение. Агрегация несущих частот обеспечивает требуемые характеристики сети – во время тестирования максимальная скорость передачи данных в стандарте LTE достигла 46 Мбит/с, в стандарте 5G – 870 Мбит/с. Использование диапазона LTE 2100 МГц для передачи сигнальной информации сети 5G позволило существенно увеличить покрытие базовой станции 5G в диапазоне 28 ГГц. Сеть развернута с использованием оборудования Ericsson, включая цифровой модуль Ericsson Baseband 5216 и панельную антенну 2100 МГц, а также выносной радиомодуль Ericsson Radio 2219 2100 МГц, цифровой модуль Ericsson Baseband 6630 и приемопередатчик Ericsson AIR 5121 28000 МГц. В ходе тестирования скоростей передачи данных использовалось 5G-устройство от Sony, поддерживающее частоты миллиметрового диапазона. На устройство было установлено клиентское ПО Qualcomm. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

Беспроводные микроконтроллеры Георгий Воронцов, инженер

В статье рассматриваются беспроводные микроконтроллеры и модули компаний Dialog Semiconductor, Panasonic, TI и STMicroelectronics. Описанные микроконтроллеры базируются на хорошо известных и множество раз описанных процессорных ядрах ARM Cortex-M4, Cortex-M0, Cortex-M0+ и не имеют в своем составе уникальных периферийных модулей. Таким образом, основное внимание в статье уделяется режимам пониженного энергопотребления и радиомодулям.

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Введение

За последнее время появилось несколько новых моделей беспроводных микроконтроллеров (МК). Во всех этих МК используются хорошо известные процессорные ядра ARM Cortex-M4, ARM Cortex-M0 и ARM Cortex-M0+. Эти ядра неоднократно описаны в литературе, и мы не будем повторяться. Кроме того, не следует ожидать от беспроводных МК мощных вычислительных возможностей или специализированной высокоинтегрированной периферии, например, для векторного управления электроприводом. Основной акцент при создании подобных МК делается на приемопередатчик радиосигналов и гибкое управление питанием. Как правило, подобные МК не содержат каких-либо оригинальных модулей – в их состав входят узлы, традицион-

58

Рис. 1. Структурная схема МК DA14531

www.elcomdesign.ru

Словарь АТТ – протокол атрибутов AUX – вспомогательный домен GAP – профиль общего доступа GATT – профиль общих атрибутов HAL – уровень аппаратных абстракций LSE – внешний низкоскоростной осциллятор LSI – встроенный низкоскоростной осциллятор MSI – многоскоростной осциллятор RAT – радиотаймер RFC_DBELL – модуль связи между главным ЦП и радиомодулем SCE – контроллер датчиков SM – менеджер безопасных соединений TDC – преобразователь «время–код»

ные для любых микроконтроллеров, и потому мы не будем описывать их во всех подробностях. МК DA14531 компании Dialog Semiconductor

Модуль компании Panasonic PAN1780

Компания Panasonic, как обычно, выпустила очередной беспроводный модуль. Структурная схема модуля приведена на рисунке 2. Он поддерживает стандарт Bluetooth 5 Low Energy и обеспечивает скорость передачи данных 2 Мбит/с. На этот раз для создания модуля использовалась беспроводная система-на-кристалле nRF5340 от Nordic Semiconductor, к которой добавили на плату DC/DC-преобразователь, два осциллятора и чип-антенну. О СнК nRF5340 довольно подробно рассказано в [1], поэтому мы не будем повторяться, а ограничимся перечислением основных параметров модуля PAN1780: -- диапазон напряжения питания: 1,7–5,5 В; -- чувствительность приемника при скорости передачи данных 1 Мбит/с: –95 дБм; -- чувствительность приемника при скорости передачи данных 125 Кбит/с: –103 дБм; -- выходная мощность передатчика: –20… 4 дБм; -- ток потребления в режиме передачи при 0 дБм: 4,8 мА; -- ток потребления в режиме останова: 0,4 мкА; -- диапазон рабочих температур: –40…85°C. МК СС132х2, СС26х2 и CC3235sf компании TI

Компания продолжает расширять производственную линейку микроконтроллеров семейства SimpleLink. Рассмотрим несколько подробнее МК серии СС132х2 и СС26х2, а затем вкратце опишем особенности МК серии CC3235sf. Структурная схема микроконтроллеров серии СС132х2 и СС26х2 приве-

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Эта компания пошла по самому простому пути, задействовав одно-единственное ядро Cortex-M0+, и реализовала стандарт Bluetooth Low Energy 5.1. МК обеспечивает три BLE-соединения. Модуль BLE в МК поддерживает протокол L2CAP, безопасные соединения SM, профиль общих атрибутов GATT, профиль общего доступа GAP. Благодаря встроенному понижающе-повышающему DC/DC-преобразователю и LDOрегуляторам напряжение питания может изменяться в широком диапазоне. Структурная схема МК DA14531 приведена на рисунке 1. Перечислим основные параметры МК: -- частота тактирования: 16 МГц; -- емкость ОЗУ: 48 Кбайт; -- емкость ПЗУ: 144 Кбайт; -- время пробуждения радиомодуля: 35 мс; -- количество выводов порта общего назначения: 6 (корпус WLCSP17), 12 (корпус FCGQFN24); -- 2 таймера общего назначения; -- интерфейсы: -- 2× UART; -- SPI; -- I2C; -- 3‑осевой квадратурный декодер; -- контроллер клавиатуры; -- 4‑канальный 10‑бит АЦП; -- корпус: WLCSP17 (1,7×2,05×0,5 мм) или FCGQFN24 (2,2×3,0×0,4 мм). Модуль BLE тактируется частотой 8 или 16 МГц, а в режиме пониженного энергопотребления используется частота тактирования 32; 32,768 или 15 кГц. Допускается выключение питания модуля в режиме ожидания. Радиомодуль обеспечивает бюджет линии связи до 93 дБ. Чувствительность приемника составляет –90 дБм. Выходная мощность передатчика варьи-

руется в пределах –18…3 дБм. При передаче сигнала потребление МК возрастает до 3,5 мА, а при приеме – до 2,2 мА. Программируемый квадратурный декодер принимает, декодирует сигналы по всем трем осям X, Y и Z и применяется для создания интерфейса пользователя. Декодер может применяться для пробуждения МК при обнаружении сигнала движения по одной из осей. Цифровой фильтр в каждом канале помогает избежать ложных срабатываний.

59

Рис. 2. Структурная схема модуля PAN1780

электронные компоненты №02 2020

Микроконтроллеры и микропроцессоры

60

Рис. 3. Структурная схема МК серии СС132х2 и СС26х2

дена на рисунке 3. Как и в некоторых предыдущих моделях, в качестве процессорного ядра применяется Cortex-M4, а радиоподсистема базируется на ядре Cortex-M0. МК реализуют протоколы Thread, Zigbee, Bluetooth 5 Low Energy, IEEE 802.15.4g, IPv6 (6LoWPAN), Wi-SUN и проприетарные протоколы. Перечислим некоторые основные характеристики МК: -- диапазон напряжения питания: 1,8–3,6 В; -- энергопотребление: -- при выключенном радиомодуле: 3,3 мА (69 мкА/МГц);

www.elcomdesign.ru

------

-- при приеме сигнала: 6,9 мА; -- выходная мощность при передаче: 0 дБм: 7,4 мА; -- выходная мощность при передаче: 5 дБм: 9,7 мА; частота тактирования системного процессора Cortex-M4: 48 МГц; объем флэш-памяти команд: 352 Кбайт; объем ПЗУ (стеки протоколов и конфигурация): 256 Кбайт; объем ОЗУ: 80 Кбайт; объем кэш-памяти: 8 Кбайт;

Контроллер датчиков SCE не имеет доступа к периферийным модулям домена ЦП, флэш-памяти и регистрам. Подобное разделение позволяет домену ЦП переходить в разные режимы энергопотребления и выходить из них независимо от контроллера датчиков. В то же время ЦП через DMA имеет доступ ко всем без исключения модулям AUX. Контроллер SCE можно запрограммировать на выполнение задач в периодическом режиме работы или на асинхронный запуск по событиям на портах ввода/вывода. Ра дио м од уль б азируе тс я на пр оце ссорно м я др е Cortex-M0 и имеет в своем составе 2 блока ОЗУ размером 8 Кбайт и 4 Кбайт. В первом из них данные сохраняются в режимах пониженного энергопотребления, во втором данные не сохраняются. Процессор Cortex-M0 получает задачи на транзакцию данных от главного процессора Cortex-M4. В основном, эти запросы касаются передачи и приема данных по радиоканалу, но могут быть и задачи предварительной обработки данных. Для уменьшения ненужного трафика данных процессор Cortex-M0 имеет доступ к системному ОЗУ для чтения и записи данных, что позволяет снизить общее энергопотребление и время выполнения задачи. Если требуется обеспечить конфиденциальность протокола и аутентификацию, радиомодуль получает доступ к подсистеме безопасности и защиты данных. Связующим звеном между главным ЦП и радиомодулем служит модуль связи RFC_DBELL. Модуль содержит ряд специально выделенных в любом ОЗУ регистров и формирует прерывания для обоих процессоров. Заметим, что радиомодуль может находиться в активном режиме и при выключенном системном процессоре, но в этом случае все данные для передачи и задача должны находиться в радиомодуле. В противном случае системный процессор не должен выключаться. В процессе работы, когда оба процессора активны, Cortex-M0 для обновления задачи и загрузки данных формирует прерывание для системного процессора Cortex-M4. Всего можно сформировать четыре прерывания. Cortex-M4 может их маскировать. Процессоры Cortex-M4 и Cortex-M0 имеют общую область ОЗУ. Чтобы избежать конфликтов при одновременном обращении к памяти, необходимо установить правила обращения на уровне аппаратных абстракций HAL. В состав радиомодуля входит 32‑бит радиотаймер RAT с восемью каналами захвата/сравнения. Пять из них доступны только для Cortex-M0, а остальные три канала свободны для доступа системному процессору Cortex-M4. Частота тактирования таймера составляет 4 МГц. Буквально в двух словах опишем отличия МК CC3235sf от рассмотренных выше МК серии СС132х2 и СС26х2. Основное отличие заключается в том, что радиомодуль МК CC3235sf рассчитан на работу в полосе 2,4 и 5 ГГц, в то время как микроконтроллеры серии СС132х2 и СС26х2 предназначены для работы в полосе только 2,4 ГГц. Кроме того, в состав МК CC3235sf входит модуль 8‑бит параллельного интерфейса камеры. Из других отличий, на наш взгляд, наиболее важны следующие: -- частота тактирования системного процессора Cortex-M4: 80 МГц; -- объем флэш-памяти: до 1 Мбайт; -- интерфейс SPI, отсутствующий в МК серии СС132х2 и СС26х2; -- 802.11 a/b/g/n 2,4 ГГц и 5 ГГц. МК STM32WLEx и STM32WB50CG от STMicroelectronics

Как и в предыдущем случае, уделим основное внимание одному из МК, например STM32WLEx, а в заключение кратко упомянем основные отличия МК STM32WB50CG. Оба МК базируются на процессорном ядре Cortex-M4. Структурная

электронные компоненты №02 2020

Микроконтроллеры и микропроцессоры

-- интерфейсы: -- 2× UART; -- I2C; -- I2S; -- радиомодуль: -- чувствительность приемника: 100 дБ для 802. 15. 4 (2,4 ГГц); -- чувствительность приемника: 105 дБ для Bluetooth при 125 Кбит/с; -- выходная мощность передатчика: до 5 дБм; -- диапазон рабочей температуры: –40…85°C; -- корпус: VQFN‑48. Беспроводные МК нередко используются в приложениях с батарейным питанием, в которых требуется свести к минимуму энергопотребление. В таких приложениях МК может значительное время находиться в режимах пониженного энергопотребления, лишь на короткое время переходя в активный режим для сбора, обработки и передачи данных по радиоканалу. Следовательно, беспроводным МК необходимо иметь гибкую систему режимов пониженного энергопотребления. Уделим немного больше внимания системе питания. В состав МК входит встроенный DC/DC-преобразователь и LDO-регуляторы с цифровым управлением. Для удобства управления энергопотреблением все модули распределены по доменам. Каждый домен питается от своей шины питания и может индивидуально включаться или выключаться. В общей сложности реализованы четыре режима энергопотребления: -- активный режим; -- режим ожидания (Idle mode); -- режим временного останова (Standby mode); -- режим останова (Shutdown mode). В активном режиме используется DC/DC-преобразователь; питание подается только на домены, необходимые на текущий момент для выполнения задачи. То же относится к тактовым последовательностям – они формируются только для активных модулей. В режиме ожидания процессорное ядро остановлено, а все остальные модули активируются по событию для выполнения конкретного задания. В режиме временного останова помимо процессорного ядра отключается и радиомодуль, сохраняются данные ОЗУ и некоторых регистров. В режиме останова выключены все модули, содержимое памяти не сохраняется, доступным остается только внешний вывод микросхемы, по сигналу на котором происходит выход из режима останова. Одной из особенностей рассматриваемых МК является вспомогательный домен AUX. Это подсистема МК с низким энергопотреблением, в состав которой входит 16‑бит контроллер датчиков SCE с доступом к ОЗУ AUX для команд и данных емкостью 4 Кбайт. В состав аналоговой периферии AUX входят: -- 12‑бит АЦП с производительностью 200 Квыб/с; -- 2 аналоговых компаратора; -- программируемый источник тока 0–20 мкА; -- ЦАП. Цифровая периферия домена AUX содержит: -- прецизионный преобразователь время-код TDC; -- два 16‑бит синхронных таймера; -- асинхронный универсальный таймер с 4 каналами захвата-сравнения; -- аппаратные семафоры, позволяющие совместно использовать периферию процессорному ядру и контроллеру датчиков SCE; -- арифметический ускоритель с 40‑бит регистром для операций сложения с учетом и без учета знака и для умножения; -- до 32 линий цифрового ввода/вывода; -- до 8 линий аналогового ввода/вывода.

61

Микроконтроллеры и микропроцессоры

62 Рис. 4. Структурная схема МК серии STM32WLEx

схема STM32WLEx приведена на рисунке 4. В МК встроен радиомодуль с полосой частот ISM 150–960 МГц, на основе которого реализован протокол LoRa. Радиомодуль совместим со спецификацией LoRaWAN 1.0. При приеме и передаче возможно использование модуляции (G)FSK/(G)MSK и (D)BPSK только при передаче. Основные характеристики МК семейства STM32WLEx удобнее представить в табличном виде (см. табл.) Как видно из структурной схемы, МК серии STM32WLEx не имеют каких-либо «изюминок», которые стоило бы рассмотреть отдельно. Поэтому ограничимся описанием режимов пониженного энергопотребления. Предусмотрены восемь таких режимов: -- режим сна (Sleep mode);

www.elcomdesign.ru

-- активный режим с низким энергопотреблением (Lowpower run mode); -- режим сна с низким энергопотреблением (Low-power sleep mode); -- режимы Stop 0, Stop 1 и Stop 2; -- режим временного останова (Standby mode); -- режим останова (Shutdown mode). В режим сна МК может перейти из активного режима. В нем радиомодуль активен, но тактирование микросхем памяти может отключаться. В остальном этот режим ничем не отличается от активного режима. Попутно заметим, что многие модули МК по умолчанию выключены – их активирование осуществляется программным способом. В активном режиме с низким энергопотреблением уменьшается частота

Таблица. Основные характеристики МК семейства STM32WLEx Характеристики

STM32WLE5JCI6

STM32WLE5JBI6

STM32WLE5J8I6

256

128

64

SRAM1

32

16

0

SRAM2

32

32

20

Емкость флэш-памяти, Кбайт Емкость ОЗУ

Частота тактирования процессорного ядра, МГц

48

общего назначения

4

с низким энергопотреблением

3

системный таймер SysTick

1

SPI/I2S

2

Коммуникационные интерфейсы

Таймеры

2

IC

3

USART

2

LPUART

1

Линии порта ввода/вывода общего назначения

один 12-бит АЦП с 12 внешними каналами и четырьмя внутренними каналами

ЦАП

1

Диапазон рабочей температуры, °С Корпус

1 1,8–3,6 –40…85 UFBGA73 (5×5 мм)

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Японцы анонсировали 80-Тбайт жесткие диски |

Компания Showa Denko, занимающаяся выпуском магнитных пластин для накопителей, объявила о том, что разработала технологию, которая позволит выпускать HDD объемом 70–80 Тбайт. Если посмотреть на имеющиеся планы крупных игроков этого рынка, то можно увидеть, что благодаря технологии HAMR в 2026 г. могут появиться накопители объемом 50 Тбайт. Однако компания Showa Denko, занимающаяся выпуском магнитных пластин для накопителей, заявила о том, что разработала технологию, которая позволит выпускать HDD объемом 70–80 Тбайт! Ее основу составляет все та же технология HAMR, но Showa Denko предлагает использовать тонкие пленки магнитного сплава (Fe-Pt), новую структуру магнитных слоев. В результате коэрцитивная сила возрастает в несколько раз. Производитель не уточняет, когда ожидается появление на рынке накопителей объемом до 80 Тбайт, но отмечает, что этого можно будет добиться при том же количестве пластин, что и в нынешних HDDнакопителях. www.russianelectronics.ru

63

Катушки индуктивности на токи до 10 А U.FL разъемы и pigtail cо SMA РЕКЛАМА

тактирования некоторых модулей до 2 МГц; флэш-память можно перевести в режим пониженного энергопотребления. Кроме того, в режиме сна с низким энергопотреблением системная частота снижается до 2 МГц, а LDO-регуляторы напряжения переводятся в режим пониженного энергопотребления. В режимах Stop 0 и Stop 1 в SRAM1 и SRAM2, а также во всех регистрах сохраняются данные. Тактирование всех модулей приостанавливается кроме часов реального времени. Можно активировать периферийные модули, формирующие сигнал пробуждения МК. Радиомодуль может находиться в активном режиме. В режиме Stop 2 отключается питание главного процессорного ядра, и запрещены все осцилляторы высокой частоты. Тактовые частоты могут формироваться только низкоскоростным встроенным LSI- или внешним LSE-осциллятором. В режиме временного останова данные сохраняются только в SRAM2, низкоскоростные осцилляторы LSI и LSE могут оставаться активными. Активным может оставаться и радиомодуль. Частота тактирования многоскоростного осциллятор MSI не превышает 4 МГц. В режиме останова активным остается только внешний осциллятор LSI, но модуль монитора питания выключен, поэтому не гарантируется функционирование МК при провалах напряжения питания. Основные характеристики радиомодуля МК STM32WLEx: -- полоса частот: 150–960 МГц; -- максимальная выходная мощность: 14 дБм на внешнем выводе RFO_LP или 22 дБм на внешнем выводе RFO_HP; -- ширина полосы протокола LoRa: 7,8–500 кГц; -- скорость передачи данных при протоколе LoRa: 0,013– 17,4 Кбит/с; -- скорость передачи данных при модуляции FSK и GFSK: 0,6–300 Кбит/с;

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Напряжение питания, В

Литература 1. Александр Ковальчук. Беспроводная система на кристалле nRF5340 от Nordic Semiconductor//Электронные компоненты № 1.

2020.

43

АЦП

ИОН

-- скорость передачи данных при модуляции MSK и GMSK: 1,2–300 Кбит/с; -- скорость передачи данных при модуляции BPSK and DBPSK: 100–600 бит/с. Главное отличие МК STM32WB50CG от описанных выше МК STM32WLEx заключается в радиомодуле. На его основе реализованы стандартные протоколы Bluetooth 5 Low Energy и IEEE 802. 15.4–2011 в полосе 2,4 ГГц. Остальные отличия носят количественный, а не качественный характер. Перечислим их: -- объем флэш-памяти: 1 Мбайт; -- объем SRAM1: 64 Кбайт; -- объем SRAM2: 64 Кбайт; -- частота тактирования: 64 МГц; -- разрядность АЦП: 16 бит; -- диапазон рабочей температуры: –10…85°C; -- корпус UFQFPN48 (7×7 мм).

электронные компоненты №02 2020

РЧ-фильтры на подложке нового типа Дмитрий Никитин, инженер

В статье описана многослойная подложка пьезоэлектрик-на-изоляторе. Фильтры, изготовленные на этой подложке, удовлетворяют требованиям систем связи 4G и 5G. Рассматриваются примеры таких фильтров.

Введение

Развертывание сетей 4G и 5G с частотой менее 6 ГГц требует применения новых технологий. Для обеспечения доступа к более широкой полосе пропускания данных связь между базовой станцией и устройством пользователя должна быть основана на комбинации полос. Соответственно, значительно увеличивается сложность входного РЧ-модуля. В нем используется более 100 фильтров для поддержки всех режимов связи. Большинство технологий изготовления фильтров соответствует требованиям сетей 5G. Так, например, новые подложки из пьезоэлектрика, нанесенного на изолятор (piezo-on-insulator, POI), позволяют изготавливать интегральные ПАВ‑фильтры для сетей 5G. Они предназначены для входных каскадов смартфонов наряду с силовыми усилителями, коммутаторами, блоками настройки антенны, которые могут изготавливаться на подложках других типов.

устройств, следует отнестись особенно внимательно к размеру элементов и рассеиваемому теплу. Потребности рынка

До недавнего времени использовались две основные технологии фильтров для смартфонов: на поверхностных и объемных волнах. Пьезоэлектрический материал генерирует поверхностные акустические волны (ПАВ), которые распространяются свободно по его поверхности или внутри него (объемные акустические волны). Современные ПАВ‑фильтры хорошо подходят для низких и средних частот 4G, однако в устройствах 5G и на более высоких частотах их применение ограничено. Кроме того, их частотный отклик в значительной мере зависит от тем-

Пассивные компоненты

Сложности

64

В системах 5G используется более широкий спектр радиосигнала, чтобы обеспечить скорость данных в 20 раз выше, чем в 4G-связи. При подключении нескольких устройств скорость умножается, т. е. плотность соединений увеличивается в 1000 раз по сравнению с той, что доступна в настоящее время. Появление нового стандарта затронет все мобильные устройства. Для обеспечения скорости данных выше 20 Гбит/с акустические фильтры должны отвечать более жестким требованиям по полосе пропускания, работать на более высоких частотах, а также в нескольких полосах одновременно для реализации разных режимов агрегации несущих и работы с множественными антеннами. Для удовлетворения этим новым требованиям селективность сигнала должна быть более точной. При этом необходимо предусмотреть, чтобы резонаторы имели очень низкий температурный коэффициент – менее 10 ppm/K, и обеспечивали высокую добротность (типичное значение: более 2000). Кроме того, необходимо следить за тем, что происходит вне полосы, чтобы поддерживать разные режимы агрегации несущих и работу с несколькими антеннами (MIMO). Оптимизация энергопотребления во входном каскаде остается наиболее важной задачей. Необходимо свести к минимуму вносимые потери, чтобы при заданном уровне мощности сигнал проходил как можно дальше, а устройство рассеивало как можно меньше. Увеличение количества компонентов во входном каскаде существенно ограничивает доступное пространство. На текущий момент в этом каскаде имеется более 60 фильтров, а в следующем поколении связи потребуется больше 100. Каждый фильтр предназначен для отдельной РЧ-полосы, имеет уникальные характеристики и схему. Учитывая, что на малой площади расположено столь большое количество

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. а) структура POI-подложки; б) распространение ПАВ по ней

Таблица. Характеристики фильтра на POI-подложке POI-подложка

ПАВ-фильтр с темп. компенсацией

Фильтр на объемных волнах

Высокая добротность

да

нет

да

Высокая температурная стабильность

да

да

в некоторых случаях

Фильтр с низкими потерями

да

нет

да

Высокая частота Расположение на одном кристалле Высокая стоимость

в некоторых случаях

нет

да

да

в некоторых случаях

нет

в некоторых случаях

да

нет

пературных изменений из-за высокого коэффициента температурного расширения подложки (как правило, из танталата или ниобата лития). Частично этот эффект компенсируется за счет добавления слоя поверх металлизации в конце процесса изготовления устройства. Однако этот слой вызывает небольшое ухудшение других характеристик фильтра. Фильтры на объемных акустических волнах работают на более высоких частотах, однако у них более высокий профиль, что усложняет интеграцию компонентов. К тому же, процесс их изготовления сложнее, вследствие чего не всегда можно расположить мультиплексор и переключатель фильтров на одном кристалле.

а также ограничивает температурное расширение пьезоэлектрического слоя. Эта структура проще в изготовлении по сравнению с ПАВ‑фильтрами с температурной компенсацией, поскольку производителям фильтров не приходится

добавлять толстый слой поверх пьезоэлектрического материала, что способствует повышению коэффициента связи. Благодаря очень низким вносимым потерям ПАВ‑фильтры на POI-подложке позволяют эффективно расходовать энергию. В таблице приведены для сравнения характеристики альтернативных типов фильтров. Кроме того, проектирование фильтров на POI-подложках очень похоже на проек тирование ПАВ‑ фильтров на подложках из пьезоэлектрика, и производство данных устройств является стандартным процессом, состоящим из малого числа стадий. Основной операцией является осаждение металлических слоев.

Тонкопленочный пьезоэлектрик-на-изоляторе

Пассивные компоненты

Д ля сис тем связи 5G компания Soitec разработала подложку нового типа, которая позволяет обойти упомяну тые сложности. Под ложки из пьезоэлектрика-на-изоляторе состоят из тонкого слоя монокристаллического пьезоэлектрического материала (в настоящее время применяется танталат лития), нанесенного поверх слоя оксида кремния (SiO2), и кремниевого слоя с высоким сопротивлением (см. рис. 1а). Толщина верхнего слоя танталата лития находится в пределах 0,3–1 мкм. Подложка изготавливается с применением технологии Soitec Smart-Cut, которая позволяет массово изготавливать слои с одинаковыми характеристиками. Структура проводит акустические волны по поверхности подложки так, что их энергия находится только в верхнем слое из танталата лития, благодаря чему сокращаются потери (см. рис. 1б). Таким образом, обеспечивается наилучший коэффициент связи (k 2) и меньший коэффициент температурного расширения. Как упоминалось, POI-подложка состоит из трех слоев. В верхнем слое из пьезоэлектрического материала (танталат лития) проходит акустическая волна, слой оксида кремния проводит только волны с высокой скоростью,

Рис. 2. Расчет ПАВ-резонатора

65

Рис. 3. Измерение k2 фильтра на подложке из танталата лития и POI-подложке

электронные компоненты №02 2020

Акустическая апертура равна 40λ, расстояние между штырями и электродами – 1,2 мкм, отношение металл/расстояние составляет 0,5 (см. рис. 2). Центральная частота резонаторов равна 1,6 ГГц. Подложка состоит из слоя LiTaO3 толщиной 600 нм (YX)/42°, нанесенного на оксид кремния толщиной 500 нм, под которым находится кремниевый слой (100 кристаллов). Коэффициент связи

Рис. 4. Характеристики резонатора на POI-подложке. Видна максимальная добротность при антирезонансе

Коэффициент связи k 2 POI-подложки достигает 8,13%, в то время как у стандартных подложек из танталата лития, используемых в ПАВ‑фильтрах с температурной компенсацией, коэффициент связи не превышает 5,98% (см. рис. 3). Коэффициент связи рассчитывается как отношение (1 – fr2)/fa2, где fr – частота резонатора; fa – антирезонансная частота. Более высокий коэффициент связи POI-подложки позволяет создавать фильтры с более широкой полосой пропускания для систем 5G (полоса пропускания – до 6% от центральной частоты).

Пассивные компоненты

Коэффициент Q

66

Еще одним важным преимуществом POI-подложки является высокая добротность при антирезонансе. При прочих равных условиях добротность объемного слоя LiTaO3 достигает 935 по сравнению с 2200 в случае POI-подложки (см. рис. 4). Это значение позволяет использовать ПАВ‑фильтры вместо фильтров на объемных волнах в L‑ и C‑полосах. Коэффициент компенсации теплового расширения Рис. 5. Зависимость скорости от температуры Пример ПАВ‑резонатора

Рассмотрим пример ПАВ‑резонатора на тонкой подложке из танталата лития. Как показывают измерения, характеристики резонаторов на POI-подложке

лучше, чем у других резонаторов. В рассматриваемом случае был изготовлен резонатор из 120 пар штырей и 20 электродов на каждой стороне, работающих как зеркало.

Коэффициент компенсации теплового расширения POI-подложки также существенно ниже и может быть намного меньше 20 ppm/K (типовое значение – ниже 10 ppm/K), в то время как у объемного слоя LiTaO3 он составляет 40 ppm/K. На рисунке 5 показана квазикомпенсация эффекта теплового рас-

Рис. 6. Передаточная функция и групповая задержка ПАВ-фильтра 2 ГГц на POI-подложке: широкополосный (a) и полосовой (б)

www.elcomdesign.ru

ширения на резонаторе 1,4 ГГц. Заметен эффект 2‑го порядка: TCF1 = –1,93 ppm/K, TCF2 = 403,5 ppb/K. Была разработана и смоделирована ступенчатая структура для ПАВ‑фильтра на 2 ГГц. Резонаторы фильтра выполнены на POI-подложке. Полоса экстраполированного фильтра равна 80 МГц (полоса 1 дБ), вносимые потери – менее 2 дБ, коэффициент заграждения превышает 40 дБ, групповая задержка – не более 50 нс. Абсолютный коэффициент компенсации теплового расширения не превышает

10 ppm/K во всем рабочем диапазоне. На рисунке 6 показана выходная характеристика фильтра. При необходимости ее можно улучшить схемотехническими методами. Выводы

Д ля систем 5G требуются более сложные устройства с лучшими характеристиками, особенно по размеру, рассеиваемой мощности и производительности. Фильтры являются одним из к лючевых элементов, поскольку используютс я во входном каскаде

в большом количестве для обеспечения работы в нескольких полосах и режимах. Компания Soitec разработала новый тип подложки, благодаря которому удается значительно улучшить характеристики фильтров. Разработка и производство фильтров на POI-подложке не представляет сложностей и мало отличается от проектирования стандартных ПАВ‑фильтров. Одним из главных преимуществ новой подложки является высокая воспроизводимость характеристик.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| «Росэлектроника» и Titan Power Solution создадут новые виды Li-ion батарей |

Холдинг «Росэлектроника» и резидент инновационного центра «Сколково» компания Titan Power Solution заключили соглашение о сотрудничестве. Партнерство направлено на развитие современных технологий хранения энергии для транспортной индустрии и топливно-энергетического комплекса. Главная цель проекта – создание и вывод на рынок современных суперконденсаторов и литиево‑ионных батарей. Ожидается, что основными заказчиками изделий станут производители разных видов транспорта и компании топливно-энергетического комплекса. «В условиях динамично растущего спроса на альтернативные источники энергии развитие технологий накопления и хранения энергии играет решающую роль. Суперконденсаторы и литиево‑ионные батареи имеют широчайшую область применения: электрокары, солнечные и ветровые электростанции, системы резервного питания. В рамках сотрудничества с Titan Power Solution мы намерены производить широкую линейку суперконденсаторов и решений на их основе, в т. ч. по индивидуальным техническим заданиям заказчика», – заявил исполнительный директор Госкорпорации Ростех Олег Евтушенко. Соглашение подписали генеральный директор концерна «Вега» холдинга «Росэлектроника» Вячеслав Михеев и генеральный директор Titan Power Solution Владимир Ворожейкин. Документ также предусматривает локализацию производства и тестирование разработок на мощностях концерна. www.russianelectronics.ru Пассивные компоненты

67

РЕКЛАМА

электронные компоненты №02 2020

Электролитические конденсаторы компании Panasonic Александр Кораблев, инженер

Пассивные компоненты

Статья представляет собой краткий обзор производственной линейки электролитических конденсаторов компании Panasonic. Основное внимание уделено гибридным электролитическим конденсаторам.

68

Электролитические конденсаторы кажутся довольно простыми в использовании компонентами и, на первый взгляд , их применение не должно вызвать трудностей. Однако при некорректном выборе именно электролитические конденсаторы часто являются слабым звеном, из-за которого происходит отказ изделия. Например, если конденсатор эксплуатируется при температуре близкой к предельной, его срок службы заметно уменьшается, электролит высыхает, и емкость снижается. При этом пульсации напряжения и тока на сглаживающем конденсаторе могут возрасти до неприемлемого для изделия уровня, что приведет к снижению качества его функционирования или выходу из строя. Зависимость срока службы конденсаторов от температуры определяется соотношением:

Рис. 1. Зависимость емкости от частоты для конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов

, где L1 – гарантированный срок службы при температуре T1; L2 – ожидаемый срок службы при температуре T2; T1 – нормированное в документации значение температуры; T2 – рабочая температура. Следует также иметь в виду, что в зависимости от температуры и частоты приложенного напряжения параметры конденсаторов могут изменяться. Приведем в общем виде основные зависимости.

–– П р и у в е л ич е н и и т е м п е р а т у р ы возрастает ток утечки и емкость конденсатора, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) уменьшается.

–– При понижении температуры ток у течки и емкость конденсатора уменьшаются, а сопротивление ESR увеличивается.

–– При возрастании частоты приложенного напряжения емкость и импеданс конденсатора снижаются, а тангенс угла потерь tgφ растет.

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Зависимость сопротивления ESR конденсаторов с жидким электролитом и гибридных конденсаторов от температуры

–– При снижении частоты возрастает сопротивление ESR, и, следовательно, увеличивается рассеиваемая на конденсаторе мощность и его температура.

На рисунке 1 схематично показана зависимость емкости от частоты для элек тролитических конденсаторов Panasonic с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов. На рисунке 2

посмотреть на строго оформленную документацию и ознакомиться с многочисленными предостережениями от неправильного использования. В одном из них говорится, что поскольк у все данные в док ументации подтверждены при автономном испытании конденсаторов, в предс тавленной информации не оценивается влияние других компонентов схем, в которых будет использоваться конденсатор. На первый взгляд, это чисто формальная отписка, но это не так. Например, зависимость параметров конденсаторов от частоты приводится для синусоидального напряжения без высших гармоник. Однако на практике к конденсаторам прикладываются негармонические напряжения с высшими гармониками. Этот факт следует учитывать и выбирать конденсаторы с некоторым запасом.

Panasonic производит три вида алюминиевых электролитических конденсаторов.

1. Конденсаторы общего назначе ния (General). Они имеют большую емкость при ограниченных габаритах. Эти конденсаторы производятся для поверхностного монтажа.

2. Полимерные конденсаторы OS-CON. Они характеризуются малым сопротивлением ESR, поэтому максимальный ток пульсации в них может превышать 7,2 А. Такие конденсаторы выпускаются в корпусах с радиальными выводами.

3. Гибридные конденсаторы (HYBRID). В них жидкий электролит сочетается с проводящим полимером. Их отличительностью особенностью является высокая надежность, малая

величина ESR и расширенный диапазон рабочей температуры. Они устойчивы к всплескам напряжения. Гибридные конденсаторы производятся и в SMT-корпусах, и в корпусах с радиальными выводами. Немного подробнее остановимся на гибридных конденсаторах. Структура такого конденсатора показана на рисунке 3. Комбинированный электролит заметно улучшает свойства конденсаторов. Благодаря полимерной составляющей электролита улучшается проводимость. Соответственно, уменьшается сопротивление ESR, а жидкая часть электролита позволяет увеличить нормируемое напряжение и емкость конденсаторов. Отметим также способность гибридных конденсаторов переносить перегрузки по току. На рисунке 4 показан график изменения емкости и сопротивления ESR конденсаторов с нормированным пульсирующим током 1,3 А при пульсирующем токе 3,6 А, т. е. почти в три раза выше допустимого. Как видно из рисунка, в течение 5000 ч параметры конденсаторов не вышли за пределы нормы, указанной в документации. Это еще раз подтверждает, что внутренние стандарты компании могут быть жестче международных. Подчеркнем стабильность свойств гибридных конденсаторов. Из рисунков 1–2 видно, что при изменении частоты и температ уры параметры гибридных конденсаторов более стабильны, чем аналогичные параметры традиционных элек тролитических конденсаторов с жидким элек тро литом. Следует обратить внимание и на расширенный диапазон рабо -

Пассивные компоненты

показана зависимость сопротивления ESR тех же конденсаторов от температуры. Эти зависимости следует учитывать при проектировании схемы, поэтому крайне желательно иметь возможность оценить количественно их влияние. При проектировании изделия с продолжительным сроком службы необходимо быть уверенным в долговременной стабильности компонентов. Например, при параллельном соединении конденсаторов важно, чтобы величины их сопротивлений ESR отличались как можно меньше; в противном случае импульсный ток через конденсаторы будет распределяться неравномерно, что приведет к перегрузке по току конденсатора с меньшей величиной сопротивления ESR. Причем, необходима долговременная стабильность, чтобы в течение срока службы сопротивления ESR конденсаторов изменялись примерно одинаково. Так и м о бр аз о м , пр и р азр аб отке изделий со сроком службы более трех–четырех лет желательно использовать прод укцию компаний, чье качество производства не вызывает сомнений. В таких компаниях внутренние стандарты жестче международных, и конденсатор с нормированным напряжением, допустим, 350 В производства Panasonic при том же напряжении, вполне возможно, прослужит дольше, чем «экономичный» конденсатор малоизвестной компании с нормированным напряжением 400 В. Безусловно, компания Panasonic является лидером рынка, и качество ее электролитических конденсаторов не вызывает сомнения. Достаточно

69

Рис. 3. Структура гибридного конденсатора

электронные компоненты №02 2020

Пассивные компоненты

Рис. 4. Изменение параметров конденсаторов с нормированным пульсирующем током 1,3 А при пульсирующем токе 3,6 А

70

чей температуры этих конденсаторов до 150°C. Способность полимерной пленки к самовосстановлению заметно повышает безопасность гибридных конденсаторов. При повреждении полимерной пленки из-за электрических перегрузок или механических воздействий в месте повреждения возрастает ток, что приводит к нагреву поврежденного участка и разрушению молекулярной структуры. Таким образом, поврежденный участок изолируется. В сравнительных тестах конденсаторы Panasonic выдерживали ток короткого замыкания до 7 А, в то время как в аналогичных по параметрам танталовых конденсаторах дым появлялся уже при 3 А, а пламя – при 5 А. Компания Panasonic гарантирует безопасность своих конденсаторов при напряжении, достигающем 90% от нормируемого напряжения, в то время как у танталовых конденсаторов этот порог заметно ниже: 30–50% от нормируемого напряжения. Перечисленные свойства гибридных конденсаторов важны для промышленных приложений, в которых требуется стабильность параметров, изделия работают в широком диапазоне температуры и нередко – при повышенных механических воздействиях. За все перечисленные достоинства гибридных конденсаторов надо платить – их стоимость выше, чем традиционных электролитических кон-

Рис. 5. Схема распределенной системы питания с 48-В шиной

денсаторов, поэтому может возникнуть соблазн уменьшить стоимость проекта. Однако в таких случаях уместно вспомнить, что скупой платит дважды. Ко н е ч н о, н е в о в се х п р о е к т а х и не во всех узлах системы требуются гибридные конденсаторы. Качество традиционных электролитических конденсаторов позволяет использовать их в очень многих решениях. На рисунке 5 приведена схема распределенной системы питания с 48‑В шиной. В таблице указаны семейства конденсаторов, которые рекомендуется использовать в каждом узле схемы. Производственная линейка электролитических конденсаторов Panasonic очень велика. Поскольку рассмотреть ее в рамках одной статьи невозможно, мы перечислим лишь основные параметры

в общем виде, не указывая наименования семейств конденсаторов: -- емкость: до 22000 мкФ; -- н о р м и р у е м о е н а п р я ж е н и е : до 450 В; -- ток пульсации (макс.): свыше 7,2 А (семейство OS-CON); -- сопротивление ESR (мин.): менее 5 мОм у OS - CON и до 11 мОм у гибридных конденсаторов; -- термическая стойкость: до 10000 ч при 105°C и до 4000 ч при 125°C у гибридных конденсаторов. В заключение заметим, что на сайте компании представлена подробная документация на все семейства конденсаторов. Если строго придерживаться требований документации, конденсаторы компании не усложнят разработку и эксплуатацию изделия.

Таблица. Рекомендуемые семейства конденсаторов для использования в каждом узле схемы на рисунке 5 Обозначение конденсаторов в схеме на рисунке 5

Требование к конденсаторам

Конденсаторы общего назначения (General)

1

всплески напряжения, большие токи пульсации до 2,95 А. Нормируемое напряжение 63–100 В

FK

2

всплески напряжения, малая величина ESR

3

большие токи пульсации

4

малая величина ESR, большая емкость

5

большие токи пульсации, малая величина ESR до 20 мОм и ниже, емкость в пределах 33–470 мкФ, температурная стойкость – не менее 4000 ч при 125°С

www.elcomdesign.ru

Полимерные конденсаторы OS-CON

ZA SVPK

FT/FP

Гибридные конденсаторы (HYBRID)

ZC

SVPF SVPF ZK

РЕКЛАМА

Использование МЭМС-коммутаторов в беспроводных устройствах с несколькими рабочими полосами Илья Лазанов, инженер В статье описываются типы РЧ-коммутаторов, выделены их основные достоинства и недостатки. Особенности МЭМС-коммутаторов рассматриваются на примере компонентов компании Analog Devices. Введение

Пассивные компоненты

По мере совершенствования беспроводных устройств требования к коммутаторам повышаются. Это наглядно видно на примере устройств с несколькими рабочими полосами или устройств с множественными антеннами (MIMO). Коммутаторы на МЭМС (микроэлектромеханические системы) представляют собой рациональное и простое современное решение. Они имеют малый размер, высокую скорость переключения, обеспечивают фильтрацию входного сигнала. В статье рассматриваются классические коммутаторы, в т. ч. электромеханические, твердотельные, на pin-диодах, а также МЭМС-коммутаторы от Analog Devices.

72

Рис. 1. Функциональная схема МЭМС-коммутаторов ADGM1004 и ADGM1304

www.elcomdesign.ru

Типы РЧ-коммутаторов

Современные РЧ-коммутаторы применяются в системах с несколькими приемопередатчиками и одной или несколькими антеннами (MIMO) для направления сигнала по требуемому тракту или с целью управления автоматическими системами контроля по заданной матрице переключений. Процедура переключения может предусматривать выбор одного входного сигнала из нескольких и направление его в один выходной тракт, или наоборот, иногда требуется направить входной сигнал в одну из нескольких выходных цепей. До недавнего времени основными типами коммутаторов были следующие.

Таблица. Основные параметры коммутаторов ADGM1004 и ADGM1304 от Analog Devices Параметр

ADGM1004

ADGM1304

0–13

0–14

1,8

1,6

Полоса пропускания, ГГц RON, Ом Ток утечки, нА

0,5

0,5

Вносимые потери

0,45 дБ при 2,5 ГГц

0,26 дБ при 2,5 ГГц

Развязка

24 дБ при 2,5 ГГц

24 дБ при 2,5 ГГц

IIP3, дБм

67

69

Макс. мощность, дБм

32

36

Время переключения, мкс

30

30

Эти коммутаторы пропускают сигнал в любом направлении, т. е. с одного входа на четыре выхода или наоборот. Принцип работы

Принцип работы МЭМС-коммутатора основан на использовании кантилевера с металлизированным кончиком в качестве переключающего элемента. Сложность заключается в «активации» кантилевера, чтобы он перемещался и соединял контакты соответствующих металлизированных поверхностей при включении, а также разъединял их при выключении. В случае МЭМС-ключа такое воздействие осуществляется электростатическим актуатором (см. рис. 2). Как правило, переключающие части носят названия «исток», «затвор» (кантилевер) и «сток», однако речь идет о механическом контакте, а не о полевом транзисторе. В о м н о г и х с м ы с л а х М Э М Скоммутаторы схожи с механическими реле, однако выполнены в микрометровом масштабе. Контакт между входом и выходом обеспечивается с помощью кантилевера, который приводится в действие электростатической силой, а не магнитным полем. Для изготовления коммутаторов требуется стандартный производственный процесс, позволяющий наносить несколько слоев (см. рис. 3).

Д л я ул у чш е ни я х ар ак те р и с т ик и уменьшения сопротивления контактов при постоянном сигнале и импеданса при переменном сигнале каждый контакт изготавливается в виде параллельных полосок (см. рис. 4). Каждый электронный компонент имеет показатели качества. В случае коммутатора этим показателем является сопротивление при включении RON, умноженное на емкость при выключении COFF. Оно выражается в фемтосекундах. Чем меньше RONCOFF, тем меньше вносимые потери во включенном состоянии и выше изоляция в выключенном состоянии. При постоянном или низкочастотном сигнале RON является доминирующим критерием, и COFF можно не рассматривать. У комму таторов Analog Devices R ON COFF не превышает 8 фс, что является достаточно хорошим значением. Защита от электростатического разряда

Рассмотрим с хему управ ления. Напомним, что МЭМС-коммутаторы Analog Devices основаны на электрос т атиче ско м воз дейс твии. С хе м ы управления и обеспечения интерфейса, на первый взгляд, сложны, поскольку для перемещения кантилевера требуется напряжение около 89 В. Однако

Пассивные компоненты

–– Электромеханический. Коммутаторы этого типа делятся на устройства с ручным или автоматическим управлением. Управление осуществляется дистанционно по линии 12/24 В или по USB. Электромеханические коммутаторы просты в использовании, оснащены разъемами для коаксиального кабеля. Они предназначены для систем с частотой до нескольких десятков ГГц. Среди недостатков следует отметить большой размер, вес и невысокую скорость переключения. Несмотря на то, что они были разработаны достаточно давно, коммутаторы этого типа широко применяются и зачастую являются единственным возможным решением.

–– На pin-диодах. Отличаются более высокой скоростью переключения, однако для работы с ними требуется некоторый опыт. Поскольку они имеют два порта без отдельной линии управления, необходима сложная схема, объединяющая линию контроля (постоянный сигнал) и РЧ-сигнал на входе, а также схема разделения их на выходе. Иногда этот блок включен в модуль.

–– На полевых транзисторах и гибридные твердотельные переключатели. Они изготавливаются из полупроводниковых материалов и являются эквивалентом низкочастотного транзисторного ключа. Эти электронные переключатели быстро коммутируются (за несколько микросекунд), просты в разработке, но ограничены с точки зрения развязки и некоторых других параметров. Появившиеся относительно недавно коммутаторы на МЭМС-переключателях представляют собой рациональное решение. Механизм перек лючения основан на применении подвижных консольных элементов (кантилеверах), аналогичных тем, что используются в МЭМС-датчиках ускорения. Кроме того, они обеспечивают металлический контакт с РЧ-трактом. Рассмотрим ключ Analog Devices ADGM1004 – однополюсный четырехпозиционный коммутатор для сигналов 0–13 ГГц, а также ключ ADGM1304 – одноп о л ю с н ы й ч е т ы р е х п оз и ц и о н н ы й комму татор для сигналов 0 –14 ГГц (см. рис. 1). Заметим, что коммутатор ADGM1304 не оснащен диодами, обеспечивающими защиту от электростатического разряда. Коммутаторы ADGM1004 и ADGM1304 выполняют механическое переключение и замыкание контактов. Они выполнены в 24‑выводном корпусе LFCSP размером 5×4×1,45 мм. Скорость переключения составляет 30 мкс. В таблице приведены основные характеристики ключей.

73

Рис. 2. Принцип работы МЭМС-коммутатора

электронные компоненты №02 2020

Рис. 3. Процесс изготовления МЭМС-коммутатора

Пассивные компоненты

от электростатического разряда по модели тела человека 5 кВ для входных, выходных выводов (RF1–RF4) и общего вывода (RFC), а также 2,5 кВ для всех других выводов. Если в приложении не требуется защита, выбирается коммутатор ADGM1304 меньшей толщины и с более широкой полосой. Рассматриваемые коммутаторы имеют малый размер, а их управляющие сигналы совместимы с CMOS/LVTTL. Характеристики электромеханических и МЭМС-ключей

Рис. 4. Контактные площадки МЭМС-коммутатора

74

Рис. 5. Внутренняя структура ADGM1004 со схемой управления и МЭМС-коммутатором с защитой от электростатического разряда

на практике проблем не возникает, поскольку напряжение питания ключа составляет 3,1–3,3 В и имеется модуль усиления, выполненный на отдельном кристалле. Таким образом, исключена необходимость использовать внешний высоковольтный источник питания (см. рис. 5). Практически все твердотельные устройства чувствительны к электростатическому разряду. В то же время он не представляет угрозы традиционным механическим коммутаторам. Для решения этой проблемы в схему добавлена защита (см. рис. 5)

www.elcomdesign.ru

В отличие от твердотельных аналоговых РЧ-коммутаторов и ключей на pin-диодах, которые функционируют на частотах до 10 МГц (нижняя граница), электромеханические и МЭМСключи могут коммутировать постоянные сигналы. На первый взгляд, это может показаться ненужным свойством, однако во многих приложениях по-прежнему используются постоянные сигналы или сигналы, близкие к 0 Гц. В частности, промежуточная частота в этих устройствах составляет около 455 кГц, но программно определяемые приемопередатчики используют более широкий РЧ-диапазон. Кроме того, имеются схемы, в которых РЧ-тракт совмещен с контуром управления, обеспечивающим постоянное напряжение для предусилителя антенны в малошумящем блоке, для спутниковой или телевизионной антенн. В таких системах необходимо, чтобы элементы поддерживали работу и с постоянным, и с радиочастотным сигналом. Срок службы металлического электромеханического ключа равен 5–10 млн циклов. С учетом того, что время переключения составляет порядка десятков миллисекунд, это значение представляется вполне востребованным. Однако МЭМС-коммутаторы переключаются с гораздо более высокой скоростью (30 мкс в случае рассматриваемых моделей ADGM1004 и ADGM1304). Для многих конечных приложений, таких как динамическая настройка систем с множественными антеннами, 10 млн циклов недостаточно. МЭМС-коммутаторы выдерживают до 1 млрд переключений, если они работают с сигналами внутри разрешенного диапазона и заданными уровнями мощности. Это значение на два порядка больше по сравнению с электромеханическими ключами, что является существенным достоинством.

На срок службы влияет несколько параметров, в частности, температурный режим, а также режим переключения (холодное и горячее). Горячее перек лючение происходит, когда между истоком и стоком имеется разность напряжений в замкнутом положении ключа, либо когда ток течет при разомкнутом ключе. При холодном переключении мощность сигнала равна нулю. Таким образом, горяч е е п ер ек люч ени е пр ив оди т к сокращению срока службы ключа. В технической документации МЭМСкоммутаторов, как правило, учитывается влияние этого эффекта. Следующим важным параметром является срок работы в постоянно включенном состоянии (continuouslyon lifetime, COL). Это срок службы ключа, когда он в течение длительного промежутка времени замкнут. Тестирование ключей Analog Devices показывает, что среднее время наработки на отказ (mean-time-before-failure, MTBF) составляет 7 лет при температуре 50°C и 10 лет при 85°C. Применение

Рис. 7. Фильтр на коммутаторах и индуктивных элементах

бые паразитные связи, малую емкость, высокую линейность. Комму таторы соединяют сосре доточенные индуктивные элементы с индуктивностью 15–30 нГн для регулировки частоты фильтра, в то время как низкое сопротивление R ON сглаж ив ае т о т р иц ате льн о е де й с т в и е, оказываемое пос ледовательным сопротивлением на добротность (Q) дросселей. Схема также обеспечивает согласование 50 Ом на входах и выходах во всех состояниях. При разработке схем для ВЧ-прило­ жений помимо моделей и S‑параметров для моделирования требуется оценочная плата, поскольку модели никогда не бывают совершенными и нельзя предусмотреть все нюансы. Analog Devices

предлагает оценочные наборы EVALADGM1304 (см. рис. 8) с разъемами SMA для РЧ-сигналов, SMB для управляющих сигналов и схемой калибровки, а также руководством пользователя. Выводы

МЭМС-коммутаторы соответствуют требованиям современных устройств. Они имеют малый размер, высокую скорость переключения и долгий срок службы. Рассмотренные комму таторы ADGM004 и ADGM1304 позволяют упростить устаревшие схемы и отлично подходят для новых приложений. Для удобства работы с ними Analog Devices предлагает широкий набор средств разработки и отладки.

Пассивные компоненты

Несмотря на простоту применения МЭМС-ключей, они немного сложнее, чем стандартные электромеханические коммутаторы. Например, все входы и выходы должны быть подключены к опорному источнику постоянного напряжения. Это может быть активный компонент с внутренним источником напряжения либо импеданс, под ключенный вторым выводом к земле (по аналогии с правилом не оставлять неподключенных выводов в КМОПтехнологии). В противном с лучае на выводе накапливается заряд, что приводит к непредсказуемым колебаниям уровня напряжения. В технической документации рассмотрены некоторые возможные варианты и методы устранения этой проблемы. Например, когда используются два ключа ADGM1304 в каскадном включении, следует использовать шунтирующие резисторы (см. рис. 6). В беспроводных устройствах связи наблюдается несколько тенденций: увеличение количества полос и режимов работы (в т. ч. 5G). Динамически перенастраиваемый фильтр помогает справиться с проблемой, поскольку он позволяет увеличить количество покрываемых полос и режимов. Он образован парой коммутаторов, как видно из рисунка 7. Номинальная центральная частота составляет 400 МГц для ВЧ-полосы. К коммутаторам последовательно подк лючены дроссели, обеспечивающие низкие вносимые потери, широкую полосу частот, сла-

Рис. 6. Шунтирующие резисторы для предотвращения накопления заряда на входах и выходах

75

Рис. 8. Оценочная плата для ADGM1304

электронные компоненты №02 2020

Направленные ответвители Иван Никанорин, инженер

Пассивные компоненты

В статье рассматривается работа направленных ответвителей и три примера ответвителей разных типов. Описываются типичные характеристики ответвителей и способы их эффективного использования.

76

Распространение радиочастотных технологий, применяемых, например, в автомобильных радарах, сотовой связи 5G, интернете вещей (IoT), приводит к увеличению количества источников РЧ-сигналов. Для их правильной работы необходимо отслеживать уровень мощности, а также управлять им, не внося потерь в линии передачи и нагрузку. Кроме того, поскольку в некоторых приложениях требуется выходной сигнал высокой мощности, требуется разработать способ отслеживания выходных сигналов без прямого подсоединения чувствительных средств измерения, которые могут повредиться при высоких уровнях сигнала. Определенную сложность представляет собой определение характеристик РЧ-нагрузки, например антенны в широком частотном диапазоне, а так же отслеживание изменения нагрузки и коэффициента стоячей волны во время передачи, которое необходимо для предотвращения отражений высокой мощности и нанесения вреда усилителю. Перечисленные вопросы решаются путем использования направленных ответвителей в линии передачи. Они позволяют осуществлять тщательное наблюдение за потоком РЧ-энергии в линии, уменьшая уровень мощности на известную фиксированную величину. В процессе выборки направленные ответвители вносят минимальные искажения в сигнал основной линии. Они позволяют различать энергию, переданную в прямом и отраженном каналах, а также отслеживать обратные потери и коэффициент стоячей волны, благодаря чему можно судить об изменении нагрузки во время передачи.

Направленные ответвители

Направленный ответвитель является измерительным устройством, установленным в линию передачи между нагрузкой и РЧ-источником, в качестве которого выступает генератор сигнала, векторный анализатор сети или передатчик. Ответвитель позволяет измерять энергию, передаваемую от источника к нагрузке (прямая передача), и отраженн у ю м ощ но с т ь, п о с т у пающ у ю от нагрузки в источник. Зная обе составляющие, можно рассчитать общую мощность, обратные потери, коэффициент стоячей волны нагрузки. У направленных ответвителей – четыре порта, которые работают в нескольких конфигурациях (см. рис. 1). Источник, как правило, подключается ко входу ответвителя, нагрузка – к его выходу или порту передачи. Сигнал на связанном выходе представляет собой ослабленный прямой сигнал. На рисунке 1 слева показана степень ослабления. В конфигурации с тремя портами изолированный порт закорочен. Выходной сигнал на этом порту представляет собой отражение (в схеме справа). Стрелками показаны пути прохождения прямого и отраженного сигналов. Например, в конфигурации с четырьмя портами на входной порт подается прямой сигнал; выходной порт соединен с изолированным портом, который считывает отраженный сигнал. Нумерация портов не стандартизована. Поскольку ответвители являются симметричными устройствами, их можно подключать в обратном направлении. В случае включения с тремя портами изолированным является порт 3. В схеме с четырьмя портами связанный и изолированный порты поменяются местами.

Рис. 1. Функциональная схема трехпортового (слева) и четырехпортового (справа) ответвителей

www.elcomdesign.ru

Выходы ответвителя обеспечивают РЧ-сигнал. Связанный и изолированный порты, как правило, подключаются к пиковому детектору или детектору среднеквадратичного значения, который вырабатывает сигнал основного тона, отнесенный к уровню прямой или отраженной мощности. Комбинацию направленного ответвителя и детектора называют рефлектометром. В некоторых случаях последовательно соединяются два направленных ответвителя для минимизации утечки между связанным и изолированным портами. Характеристики

Направленные ответвители характеризуются несколькими параметрами, в т. ч. полосой пропускания, допустимой входной мощностью, вносимыми потерями, неравномерностью АЧХ, коэффициентом связи, направленностью, развязкой, остаточным коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВН). Полоса пропускания. Полоса пропускания показывает диапазон частот в герцах, на которые рассчитан ответвитель. Допустимая входная мощность. Максимальная входная мощнос ть, выраженная в ваттах для постоянного и импульсного сигнала. При подаче на вход сигналов с большей мощностью происходит деградация характеристик или физическое повреждение. Вносимые потери. Этот параметр описывает потери мощности в децибелах, вызванные включением устройства в основную цепь передачи. Неравномерность. Неравно мерность частотной характеристики показывает отк лонение амплитуды

выходного сигнала в основной линии передачи в децибелах во всей полосе пропускания в зависимости от частоты входного сигнала. Коэффициент связи. Коэффициент связи представляет собой отношение входной мощности к мощности на связанном выходе, когда порты ответвителя правильно подключены. Выражается в децибелах. Это одна из главных характеристик направленного ответвителя. Выходной сигнал на связанном порту пропорционален мощности в прямом канале (от входа к выходу). Связанный выход подключается к другим приборам, например к осциллографу. Развязка. Соотношение мощности на входе и на изолированном выходе в децибелах при условии соблюдения правила подсоединения портов. Направленность. Отношение мощности на связанном порту к мощности на изолированном порту в децибелах при условии соблюдения правила подсоединения портов. В случае ответвителя с тремя портами выполняются два измерения мощности: в прямом направлении и в обратном, когда вход и выход меняются местами. Этот параметр характеризует степень разделения прямого и отраженного каналов. В общем случае, чем выше направленность, тем лучше характеристики ответвителя. Направленность нельзя измерить напрямую –

Рис. 2. Направленный ответвитель на основе трансформаторов

она рассчитывается по измеренным значениям развязки и обратной развязки. Остаточный КСВН. Коэффициент стоячей волны по напряжению позволяет судить о согласовании импедансов в ответвителей. Топологии ответвителей

Направленные ответвители можно реализовать несколькими способами. Рассмотрим три наиболее распространенные топологии: на трансформаторах, резистивном мосту, связанных линиях передачи. На рисунке 2 представлена схема на основе двух трансформаторов. Трансформатор Т1 измеряет ток в основной линии между входом и нагрузкой. Второй трансформатор Т2 измеряет напряжение в основной линии по отношению к уровню земли. Коэффициент связи кон-

тролируется с помощью N – отношения витков в обмотках трансформатора. Работу ответвителя на трансформаторах можно проанализировать путем комбинирования напряжений, наведенных в связанной линии каждым трансформатором по отдельности и последующим сложением результатов (см. рис. 3). Напряжение VIN – в прямом канале, VL – в отраженном. Расчет вк лада трансформатора, осуществляющего измерение тока, в связанную линию для связанного (VF’) и изолированного (V R’ ) портов приведен в верхней части рисунка 3. Второй трансформатор не показан. Аналогично, в нижней части рисунка 3 показан вклад трансформатора, осуществляющего измерение напряжения (V F” и V R”, со­о тветственно). Напряжение на связанном порту V F определяется путем сложения VF’ и VF”:

Пассивные компоненты

77

Рис. 3. Анализ ответвителя на трансформаторах

электронные компоненты №02 2020

Рис. 4. Пример сдвоенного направленного ответвителя на линиях передачи. Типичная длина линии равна четверти длины волны (на центральной частоте)

. (1) Результирующее напряжение на связанном выходе равно входному напряжению, разделенному на отношение витков в обмотках трансформатора. Напряжение на изолированном выходе вычисляется аналогично:

Пассивные компоненты

. (2) Напряжение на изолированном выходе равно отношению отраженного напряжения к отношению витков в обмотках трансформатора, взятого с обратным знаком. На практике это означает, что отраженное напряжение отстает по фазе на 180° от прямого. Рассматриваемый направленный ответвитель имеет широкий частотный диапазон. Например, MACP‑011045 (компания M/A‑Com) имеет полосу пропускания 5–1225 МГц. Коэффициент связи

равен 23 дБ, допустимая мощность 10 Вт. Развязка зависит от частоты и меняется в диапазоне от 45 дБ при 30 МГц до 27 дБ выше 1 ГГц. Размер корпуса – 6,35×7,11×4,1 мм, что позволяет использовать его в большинстве беспроводных устройств. Ответвители на связанных линиях изготовлены на коаксиальных проводниках или печатных линиях передачи. Две или более линии передачи, обычно длиной в четверть волны, располагаются в непосредственной близости. При этом небольшая часть сигнала проникает из основной линии в связанную (см. рис. 4). Входной сигнал поступает на вход 1, а большая часть мощности проходит в нагрузку на выход 2. Небольшое количество связывается с второстепенными линиями, подключенными к портам 3 и 4. Поскольку порт 3 является связанным, уровень мощности на нем равен фиксированной доле приложенной мощности. Коэффициент связи зависит от геометрических параметров связанных линий и характеризует мощность на связанном выходе. Отраженная мощность связывается с изолированным выходом (порт 4).

Ответвитель 11302–20 (компания Anaren) является типичным ответвителем на связанных линиях передачи с частотным диапазоном 190–400 МГц и допустимой мощностью 100 Вт. Он обеспечивает номинальный коэффициент связи 20 дБ, а вносимые потери составляют 0,3 дБ. Схема, выполненная в корпусе размером 16,51×12,19×3,58 мм, предназначена для мониторинга уровня мощности и измерения КСВН в передатчиках невысокой мощности. Размеры ответвителя этого типа напрямую зависят от частотного диапазона. Когда рабочая частота уменьшается, длина должна быть увеличена. Как правило, эти ответвители используют в СВЧ-устройствах для обеспечения небольшого размера. Наконец, направленные ответвители третьего типа основаны на использовании моста Уитстона. На рисунке 5 приведена структура этих устройств, используемых в детекторе среднек в а д р а т ич н о г о з н ач е н и я и КСВ Н ADL5920 Analog Devices. Резистивный мост в ADL5920 разделяет прямое и отраженное напряжение в линии передачи. Приведенный расчет позволяет определить теоретическую

78

Рис. 5. Упрощенная схема двунаправленного моста, используемого в ADL5920 Analog Devices. Согласно приведенному расчету, направленность составляет 33 дБ при условии соблюдения правильного подключения портов

www.elcomdesign.ru

направленность устройства на низких частотах. Выходные сигналы VREV и VFWD с моста поступают в детектор, динамический диапазон которого равен 60 дБ. Его выходной сигнал имеет линейную форму (в дБ). Третий выходной сигнал представляет собой разность прямого и отраженного выходных сигналов. Он пропорционален обратным потерям, выраженным в дБ. Частотный диапазон ответвителей на основе моста равен 9 кГц…7 ГГц; допустимая входная мощность равна 33 дБм (2 Вт) для согласованной нагрузки 50 Ом. Вносимые потери составляют 0,9 дБ при 10 МГц и 2 дБ при 7 ГГц. Размер устройства – 5×5 мм, высота – 0,75 мм. Видно, что резистивный мост обеспечивает наиболее широкий частотный диапазон, доходящий почти до постоянного напряжения. Ответвители на трансформаторах и линиях передачи имеют более ограниченные полосы частот, однако способны работать с более высокой мощностью. Любое из перечисленных устройств можно применять для получения выборки входной мощности в схемах мониторинга сигнала. Выборку измеряется, чтобы определить уровень мощности, частоты и модуляции с помощью осциллографа или анализатора спектра. Данные используются в петле обратной

связи для удержания выходного сигнала в заданном диапазоне. Условия в нагрузке определяются КСВН, который вычисляется с помощью связанного и изолированного выходов, которые представляют прямой и отраженный сигнал, соответственно: . (3) Обратные потери (ОП) рассчитываются следующим образом: . (4) Выводы

Направленный ответвитель является полезным инструментом для измерений в РЧ-схемах. Он позволяет разделить прямую и отраженную мощность. Мы рассмотрели три основные структуры этих ответвителей. Ответвители имеют малый размер и совместимы с беспроводными устройствами.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Крупнейшая серия национальных стандартов интернета вещей представлена на публичное обсуждение |

www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №02 2020

Пассивные компоненты

Технический комитет «Киберфизические системы» на базе РВК совместно с ПАО «Ростелеком» и Всероссийским институтом сертификации при поддержке Минпромторга РФ выносит на публичное обсуждение крупнейшую в истории российского нормативного регулирования серию предварительных национальных стандартов интернета вещей. Результатом утверждения данных документов станет развитие в стране решений и приложений для цифровых систем с использованием IoT и IIoT, которые не будут зависеть от конкретного вендора. Среди представленных на публичное обсуждение проектов предварительных национальных стандартов: • ПНСТ «Информационные технологии. Интернет вещей. Общие положения». Устанавливает общие положения (принципы) в области интернета вещей.

• ПНСТ «Информационные технологии. Интернет вещей. Типовая архитектура». Описывает общую типовую архитектуру IoT с точки зрения определения системных характеристик, концептуальной модели, типовой модели и архитектурных представлений для IoT. • ПНСТ «Информационные технологии. Промышленный интернет вещей. Типовая архитектура». Описывает общую типовую архитектуру IIoT. Определяет структуру архитектуры, содержащую точки зрения и системные интересы для разработки, документирования и взаимодействия.

• ПНСТ «Информационные технологии. Интернет вещей. Структура системы интернета вещей, работающей в режиме реального времени (RT-IoT)». Включает концептуальную модель системы с описанием каждого домена IoT и четыре точки зрения: представление времени, вычислений, связи и управления.

• ПНСТ «Информационные технологии. Интернет вещей. Совместимость систем интернета вещей. Часть 2. Совместимость на транспортном уровне». Определяет структуру и требования к функциональной совместимости на транспортном уровне, чтобы обеспечить обмен информацией, одноранговые соединения и беспрепятственную связь между разными системами IoT и сущностями в системе IoT. • ПНСТ «Информационные технологии. Интернет вещей. Требования к платформе обмена данными для служб интернета вещей». Определяет требования к платформе обмена данными IoT, которая состоит из компонентов промежуточного программного обеспечения, связанных с сетевыми функциями, которые включают в себя сетевые конфигурации, механизмы связи и функциональные возможности компонентов для IoT. • ПНСТ «Информационные технологии. Сенсорные сети. Сетевой интерфейс прикладного программирования датчика». Определяет интерфейсы между прикладными уровнями поставщиков служб и шлюзов сенсорной сети.

• ПНСТ «Информационные технологии. Сенсорные сети. Службы и интерфейсы, поддерживающие совместную обработку данных в интеллектуальных сенсорных сетях». Определяет типовые службы и интерфейсы интеллектуальных сенсорных сетей, включая: функциональные возможности и функциональную модель, общие службы поддержки и общие интерфейсы.

• ПНСТ «Информационные технологии. Сенсорные сети. Типовая архитектура сенсорных сетей. Часть 4. Модели сущностей». Определяет модели сущностей, которые поддерживают приложения сенсорной сети и службы в соответствии с типовой архитектурой сенсорных сетей. Разработка документов инициирована Минпромторгом РФ и Техническим комитетом 194 «Киберфизические системы» в целях продолжения деятельности по формированию полноценной экосистемы нормативно-технического регулирования цифровой промышленности, осуществлявшейся Техническим комитетом в 2018–2019 гг. Так, в течение 2019 г. на базе Технического комитета стартовала разработка и публичное обсуждение первых редакций более десятка стандартов в сферах сенсорных сетей, интернета вещей и промышленного интернета вещей, в т. ч. трех стандартов, непосредственно определяющих протоколы IoT.

79

Дроссели компании Sumida Алексей Чистяков, инженер-разработчик

В статье описана производственная линейка дросселей компании Sumida. Рассмотрены основные параметры дросселей и даны краткие рекомендации по их выбору. Основное внимание уделено добротности дросселя, по этому параметру в первом приближении можно судить о качестве изделия.

Пассивные компоненты

Катушки индуктивности, или дроссели, являются настолько привычными компонентами, что над их выбором часто не задумываются. И лишь потом, когда «что-то пошло не так», выясняется, что всему виной оказался дроссель. Например, появились проблемы с тестами на электромагнитную совместимость из-за слишком большой индуктивности рассеяния дросселя. Из-за низкой добротности дросселя на основной гармонике рабочей частоты DC/DC-преобразователя пульсация его выходного напряжения может превысить допустимый предел. Пренебрежение добротностью является довольно частой ошибкой: почему-то даже опытные разработчики, выбирая дроссель для фильтра, не обращают внимания на этот параметр и при расчете фильтра учитывают только индуктивность дросселя, а в лучшем случае – его сопротивление на постоянном токе R DC . Между тем, этот параметр очень важен: он характеризует потери в дросселе и, следовательно, качество дросселя. Аналитически рассчитать этот параметр едва ли можно. Насколько известно автору, не существует точной аналитической формулы, пригодной для инженерной оценки добротности. Иногда для упрощения добротность Q катушки индуктивности L рекомендуют вычислять из соотношения (1):

80

. (1) К сожалению, это упрощение годится лишь для очень ограниченных случаев использования катушки с немагнитным сердечником при малой частоте, когда не проявляется ни поверхностный эффект, ни эффект близости, а также отсутствуют паразитные межвитковые емкости и потери в сердечнике и диэлектрике. Применительно к подавляющему большинству электронных схем это соотношение использовать категорически не рекомендуется, т. к. оно учитывает лишь малую толику потерь, и по нему невозможно судить о качестве дросселя. Поскольку величина добротности зависит от частоты, при выборе дросселя необходимо не только знать минимальную добротность, но и желательно иметь график ее изменения в функции частоты. Отсутствие в документации компании полной информации о добротности дросселя является поводом для разработчика подумать о целесообразности использования этой продукции. В случае, когда речь идет о разработке оборудования для промышленных приложений, автомобильной электроники или любых других приложений для жестких условий эксплуатации, помимо добротности необходимо обратить внимание еще и на соответствие дросселей требуемым стандартам. Другими словами, в таких приложениях следует использовать дроссели известных компаний, чья продукция проверена временем и соответствует самым жестким требованиям. К числу таких компаний, вне всяких сомнений, принадлежит глобальная компания Sumida со штаб-квартирой в Токио. Ее офисы находятся в девяти странах на разных континентах. Производство дросселей компания начала в 1965 г. Учитывая,

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Дроссели компании Sumida

что японские компании исповедуют философию кайдзен, которая заключается в непрерывном совершенствовании производственных процессов, можно предположить, что за 55 лет изготовления дроссели компании вплотную приблизились к идеалу. Достаточно сказать, что Sumida выпускается дроссели, у которых отклонение индуктивности от номинального значения составляет всего лишь 1 или 2% в зависимости от типа сердечника! Насколько нам известно, подобной точности не добился еще ни один производитель. В производственную линейку Sumida входят чип-дроссели с ферритовыми и керамическими сердечниками, в т. ч. синфазные дроссели, а также дроссели со стержневым сердечником из немагнитных материалов, изготавливаемые по проприетарной технологии компании, и катушки с воздушным сердечником. Номинальное значение индуктивности дросселей варьируется в пределах 1 нГн…1 мГн. На рисунке 1 в качестве примера показаны лишь некоторые дроссели Sumida типоразмером в пределах 0402–2012. Выпускаемые компанией трансформаторы мы оставим за рамками рассмотрения этой статьи. Дроссели соответствуют стандартам AЕC Q 200. Их электрические параметры тестируются при температурах –55, 25 и 125°C. Кроме того, они отвечают требованиям спецификаций MIL-STD‑202 и выдерживают 1000 циклов термоциклирования в диапазоне –55…125°C. Их термическая стойкость составляет 1000 ч при 125°C. Поскольку невозможно в короткой статье описать все семейства дросселей, мы рассмотрим лишь несколько наиболее характерных, с нашей точки зрения, серий. Дроссель с наименьшей индуктивностью 1 нГн входит в состав серии 5516. Все дроссели этой серии выполнены на керамиче-

Рис. 2. Зависимость добротности от частоты дросселей серий 5309/5509 с керамическим сердечником

Пассивные компоненты

81

Рис. 3. Зависимость индуктивности от частоты дросселей серий 5309/5509 с керамическим сердечником

ском сердечнике, а их типоразмер составляет 0603. В дросселях с керамическим сердечником медные дорожки в форме витка имплантируются в керамические пластины. У этих дросселей более высокая, по сравнению с ферритовыми дросселями, добротность из-за гораздо меньших потерь в сердечнике, и отсутствует эффект насыщения. Следовательно, их индуктивность не зависит от тока. Однако ее величина у них ниже, чем у ферритовых дросселей. В состав серии 5516 входят 30 дросселей, которые в зависимости от модификации имеют следующие параметры: -- индуктивность: 1–220 нГн; -- типовая добротность (измеряется при частоте 800 МГц): 25–60; -- минимальная добротность (измеряется при частоте 100 МГц): 7–14;

-- собственная резонансная частота: 1,3–16 ГГц; -- RDC: 20–7000 мОм; -- нормируемый ток: 110–1800 мА. При оценке параметров следует иметь в виду общие закономерности: -- чем меньше индуктивность, тем выше типовая нормируемая (не минимальная!) добротность; -- чем меньше индуктивность, тем выше значение собственной резонансной частоты; -- чем меньше индуктивность, тем меньше сопротивление постоянному току; -- чем меньше величина R DC , тем больше максимальный нормируемый ток. Дроссели с максимальной индуктивностью 1 мГн входят в состав серий 5309/5509. Дроссели этой серии про-

электронные компоненты №02 2020

Пассивные компоненты

Рис. 4. Зависимость добротности от частоты дросселей серий 5309/5509 с ферритовым сердечником

82

Рис. 5. Зависимость индуктивности от частоты дросселей серий 5309/5509 с ферритовым сердечником

изводятся с ферритовым или керамическим сердечником в типоразмере 1812. В состав серии входит почти 60 дросселей. Вначале перечислим основные параметры дросселей с керамическим сердечником: -- индуктивность дросселей: 1–33 мкГн; -- минимальная добротность (измеряется при частотах 2,5 и 7,9 МГц): 17,30; -- собственная резонансная частота: 5–360 МГц; -- RDC: 0,55–12,3 Ом; -- нормируемый ток: 100–550 мА. В зависимости от модификации ферритовые дроссели серий 5309/5509 имеют следующие параметры: -- индуктивность: 1–1000 мкГн; -- минимальная добротность (измеряется при частотах 0,796; 2,5 и 7,9 МГц): 12–30; -- собственная резонансная частота: 1,15–260 МГц; -- RDC: 0,12–28,5 Ом; -- нормируемый ток: 70–1300 мА. При выборе дросселей обязательно следует обратить внимание на зависимость их параметров от частоты. Поскольку дроссели компании используются в цепях силовых преобразователей и РЧ-цепях, необходимо учесть и высшие гармонические составляющие. В противном случае могут появиться нелинейные искажения из-за искажения высших гармоник. Желательно, чтобы основная частота сигнала находилась в области высоких значений добротности дросселя, но не приближалась к собственной резонансной частоте дросселя.

www.elcomdesign.ru

В документации компании приведены зависимости добротности и индуктивности от частоты для всех дросселей. В частности, эти зависимости для рассмотренных выше серий 5309/5509 представлены на рисунках 2–5. Из приведенных графиков видно, насколько соотношение (1) для вычисления добротности далеко от реальности. Для других серий дросселей графики указанных параметров могут иметь несколько иной вид, но все они приведены в документации. Кратко упомянем еще две серии дросселей. Серии с воздушным сердечником и высокой добротностью используются для развязки РЧ-цепей. Их основные параметры: -- индуктивность: 12–4100 нГн; -- минимальная добротность (измеряется при частотах 25; 40 и 80 МГц): 160–220; -- резонансная частота: 90–1800 МГц; -- RDC: 4–620 мОм. Для обеспечения высокой температурной стабильности рекомендуется воспользоваться серией керамических дросселей 5120. Специальная термостабильная керамика гарантирует минимальный температурный коэффициент изменения индуктивности. В этой серии имеются дроссели с минимальным отклонением индуктивности от номинального значения вплоть до 1%. Основные параметры серии 5120: -- индуктивность: 12–2660 нГн; -- минимальная добротность (измеряется при частотах 25; 40 и 80 МГц): 140–220; -- резонансная частота: 90–1800 МГц; -- RDC: 4–620 мОм.

Выбор матрицы РЧ-коммутаторов Никита Усачев, инженер В статье рассматриваются основные типы коммутационных матриц, описываются их особенности, и приводятся ключевые параметры.

Введение

Коммутационные матрицы позволяют избавиться от необходимости перек лючать соединения вручную с помощью управляющих сигналов. Помимо удобства обеспечивается высокая скорость переключения. Матрицы коммутаторов применяются в производственном оборудовании для подключения контрольно-измерительной аппаратуры, в частности, генераторов сигнала, анализаторов спектра, сетевых анализаторов, измерителей мощности к испытуемому устройству. Они также служат для создания альтернативных трак тов прохож дения сигнала д ля повышения надежности оборудования, например на участке между антенной и приемником. Наконец, в лабораториях с их помощью осуществляется разделение и распределение сигналов по нескольким цепям, а также создание нескольких трактов с разными характеристиками, такими как задержка, частотный отклик, ослабление.

Из рисунка 1 видно, что одновременно обеспечивается не более четырех соединений. В каж дый момент времени каж дый вход может подключиться только к одному выходу, и наоборот.

Неблокирующая коммутационная матрица

Матрицы второго типа позволяют подключать вход к нескольким выходам одновременно; при этом каждый выход можно соединить только с одним вхо-

Рис. 1. Возможные комбинации переключений в блокирующей матрице 4×4

83

Блокирующие матрицы

Блокирующая матрица позволяет подсоединять вход к любому из выходов. В любой момент времени каждый вход может подключиться только к одному из выходов. В блок иру ющей м ат рице коли чество активных соединений ограничено количес твом входов и или выходов в зависимости от того, какое из них меньше. Например, в матрице 1×4 активно только одно соединение. На рисунке 1 показаны возможные комбинации в матрице 4×4. Эту матрицу можно реализовать с помощью восьми однополюсных четырехпозиционных коммутаторов и 16 соединительных кабелей.

Пассивные компоненты

Типы матриц

Ра з д е л я ю т т р и о с н о в н ы х т и п а матриц , о б е спечив ающи х разн у ю функциональнос ть: блокирующие, не блок иру ющие, не блок иру ющие с уперматрицы. Они обозначаютс я N×M, где N – количество входов, М – количество выходов. Например, матрица 4×4 имеет четыре входа и четыре выхода. Размеры матрицы находятся в диапазоне 1×2…256×256.

Рис. 2. Возможные комбинации переключений в неблокирующей матрице 4×4

электронные компоненты №02 2020

Пассивные компоненты

Рис. 3. Возможные комбинации переключений в неблокирующей суперматрице 4×4

84

дом. Для обеспечения такой возможности на входах устанавливается делитель мощности, расщепляющий сигнал. На рисунке 2 показаны возможные соединения в неблокирующей матрице 4×4. В ней используются четыре делителя мощности с четырьмя выходами, четыре однополюсных 4‑позиционных коммутатора и 16 соединительных кабелей. Заметим, что амплитуда сигналов после разделения уменьшается. Неблокирующая коммутационная суперматрица

Наконец, матрицы третьего типа позволяют подключать любой вход к любому выходу без ограничений. Как и в случае неблокирующей матрицы, входной сигнал расщепляется. При этом на выходах используется сумматор. На рисунке 3 показана суперматрица 4×4. В ней используются восемь делителей мощности с четырьмя выходами (четыре – на входе, четыре – на выходе в качестве сумматора), 16 однополюсных 4‑позиционных коммутаторов и 16 соединительных кабелей. Из-за дополнительных устройств выходной сигнал слабее входного. Электрические параметры

Основными параметрами коммутационных матриц являются рабочая частота, вносимые потери, развязка, время

www.elcomdesign.ru

переключения, уровень мощности. Рассмотрим их подробнее. Рабочая частота Частотный диапазон сигнала, который поступает с входа на выход матрицы, является ее частотным диапазоном. Матрицы могут быть не только широкополосными, функционируя, например, в диапазоне 0 Гц…40 ГГц, так и узкополосными с диапазоном 2,4–2,5 ГГц. Чем шире полоса, тем дороже матрица. Заметим, что коммутаторы не всех типов предназначены для работы на низких частотах, что, в свою очередь, может повлиять на другие параметры, например на скорость переключения и вносимые потери. Вносимые потери Вносимые потери комму тационной матрицы – это та часть мощности РЧ-сигнала, которая теряется при прохождении от входа до выхода. Она измеряется в дБ. Все устройства, через которые проходит сигнал, в т. ч. проводники, рассеивают мощность. Вносимые потери у неблокирующей матрицы и суперматрицы выше, поскольку в них используется больше компонентов. Требуемая полоса пропускания влияет на вносимые потери: чем она шире, тем больше потери. Чем ниже рабочий диапазон частот, тем выше потери, если не приняты меры по их уменьшению. Так,

внутри матрицы можно установить усилители для повышения уровня сигнала и уменьшения вносимых потерь. Однако они не могут применяться в двунаправленных матрицах, где сигнал распространяется не только от входа к выходу, но и с выхода на вход. Гальваническая развязка Развязка – это мера потери мощности сигнала при разомкнутой цепи, когда отсутствует прямая передача между портами. Развязка измеряется между входами, входом и выходом, между выходами. Чем она выше, тем лучше. В некоторых схемах требуется очень высокая развязка во избежание утечек сигнала и не интерференции. Время переключения Вр е м я , ко тор о е т р е буе тс я д л я отключения матрицы от одной цепи и подключения к другой, называется временем переключения. Оно измеряется с помощью управляющего сигнала, дающего команду на изменение состояния матрицы. Время, требующееся для изменения РЧ-сигнала с уровня 10% до 90% от конечного напряжения, является временем перек лючения (см. рис. 4). При переключении управляющий сигнал следует обработать, а все требуемые коммутаторы – установить в требуемое положение. Этот параметр определяется, главным образом,

Рис. 4. Измерение времени переключения

Уровни мощности РЧ-сигнала Мощность РЧ-сигнала, которая проходит через коммутационную матрицу, влияет на все ее характеристики в целом. У переключателей разных типов, используемых для построения матрицы, – разный уровень допустимой мощности. Механические коаксиальные реле могут работать с сигналами мощностью 10–1000 Вт в зависимости от частоты. Для сравнения, коммутаторы на pin-диодах и полевых ключах имеют уровень мощности 10–100 Вт. Еще одним ограничивающим фактором является наличие усилителей сигнала. Коммутационные матрицы, содержащие усилители для компенсации потерь, должны проектироваться с учетом уровня мощности входного сигнала. Неправильный размер или расположение усилителя может, например, вызвать искажение сигнала или повреждение компонента. Следует тщательно проектировать матрицу, чтобы обеспечить максимально хорошие характеристики на требуемых уровнях РЧ-сигнала. Управление Коммутационные матрицы управляются вручную или с помощью компьютера – с этой целью на передней панели имеется управляющая кнопка или сенсорная панель. Для коммутационных матриц с компьютерным управлением используютс я дискретные

управляющие биты, Ethernet, RS232 или USB. Протоколы для переключателей с компьютерным управлением могут быть нестандартными в зависимости от специфических требований пользователя. Надежность Надежность коммутационной матрицы зависит, главным образом, от типа переключателей. Механические коаксиальные реле имеют ограниченный срок службы – около 1 млн переключений, и считаются наименее надежными. У более дорогостоящих коаксиальных реле с высокой надежностью срок службы достигает 10 млн циклов. Коммутаторы на pin-диодах и полевых ключах являются электронными и имеют еще более высокую надежность. Теоретически они никогда не изнашиваются. Это большое преимущество при условии, что соблюдаются остальные требования. Выводы

При выборе коммутационной матрицы следует учитывать ряд параметров. Сначала следует определиться с ее типом. Затем задаются электрические параметры с учетом противоречивых требований. Заблаговременная оценка параметров и требований позволяет выбрать наиболее подходящую матрицу.

электронные компоненты №02 2020

Пассивные компоненты

задержками в управляющем контуре матрицы, а также характеристиками коммутаторов. При этом тип коммутатора имеет огромное значение. Механические переключатели, к которым относятся коаксиальные реле или коммутаторы на волноводах, являются самыми медленными – их время переключения составляет десятки миллисекунд. Коммутаторы на pin-диодах и полевых ключах – самые быстродействующие: время их переключения исчисляется десятками наносекунд. Если требуется обеспечить максимально быстрое переключение, то этот параметр определяет все остальные характеристики при выборе матрицы. Как упоминалось, метод управления матрицей также влияет на время переключения. Например, если управляющий сигнал обеспечивается через сетевое соединение, учитывается его время прохождения по сети, а также время, требуемое контроллером внутри матрицы на прием и декодирование управляющего сигнала. В матрицах с максимально коротким временем переключения необходима подача управляющего сигнала напрямую с малой задержкой. В приложениях, в которых востребована предварительно установленная последовательность переключений на высокой скорости, загружается программа, подающая одиночные команды на переключение.

85

Новинки месяца. Редакционный обзор Предлагаем читателям обзор новинок за прошедший месяц с момента выхода в свет журнала «Электронные компоненты» № 1, 2020 г. В новый обзор вошли наиболее интересные, с нашей точки зрения, изделия. Рассматривается продукция только тех компаний, которые широко представлены на российском рынке. При перечислении параметров указываются их типовые значения. АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

STMicroelectronics. Токочувствительный усилитель TSC2011. Структурная схема усилителя приведена на рисунке 1. Основные параметры TSC2011: –– диапазон напряжения питания: 2,7–5,5 В; –– синфазное напряжение на входе: –20…70 В; –– КОСС: 115 дБ; –– выходной ток (макс.): 6 мА; –– полоса пропускания: 620 кГц; –– скорость нарастания выходного сигнала: 3,5 В/мкс; –– спектральная плотность шума в полосе 1 кГц: 100 нВ/√Гц; –– напряжение смещения: 200 мкВ; –– дрейф напряжения смещения: 5 мкВ/°C; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: SO‑8.

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

ДАТАКОМ

Analog Devices. Серия 4 ‑ кана льных га льваниче ских развязок ADuM64420/64421/64422 с встроенным DC/DC-преобразователем. Структурная схема развязки показана на рисунке 2.

–– диапазон напряжения питания: 5 В; –– скорость передачи данных (макс.): 100 Мбит/с; –– задержка распространения сигнала: 10 нс; –– искажение ширины импульса: 1 нс; –– электрическая прочность изоляции: 5 кВ (СКЗ); –– устойчивость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: SOIC‑28.

Рис. 1. Структурная схема усилителя TSC2011

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Diodes. Мультиплексор/демультиплексор шины PI3B3257. Структурная схема мультиплексора приведена на рисунке3.

86

Рис. 2. Структурная схема развязки ADuM64420/64421/64422

Рис. 3. Структурная схема мультиплексора шины PI3B3257

www.elcomdesign.ru

Основные параметры PI3B3257: –– диапазон напряжения питания: 3,0 В; –– ток (макс.): 120 мА; –– сопротивление открытого канала: 5 Ом; –– ток собственного потребления: 0,1 мкА; –– время переключения: не более 4,8 нс; –– задержка распространения: 0,25 нс; –– задержка сигнала разрешения: 1 нс; –– задержка сигнала запрета: 1 нс; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C; корпус: QSOP‑16.

Рис. 4. Выходная характеристика транзистора PSMNR51-25YLH

Рис. 5. Полумостовой модуль NVG800F75L4DSC

Рис. 6. Вольтамперная характеристика диода NDSH25170A

ON Semiconductor. Полумосто вой модуль NVG800F75L4DSC. Модуль состоит из IGBT верхнего и нижнего плечей (см рис. 5). Основные параметры NVG800F75L4DSC:

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Nexperia. N‑канальный MOSFET PSMNR51–25YLH. Выходная характеристика транзистора приведена на рисунке 4. Основные параметры PSMNR51–25YLH: –– напряжение сток–исток (макс.): 25 В; –– ток стока (макс.): 380 А; –– ток стока (пик.): 2174 А; –– сопротивление открытого канала: 0,49 мОм; –– заряд затвор–сток: 17 нКл; –– общий заряд затвора: 53 нКл; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –55…175°C; –– корпус: LFPAK56E.

87

Рис. 7. Схема включения драйвера SID1181KQ

электронные компоненты №02 2020

–– напряжение коллек тор–эмит тер (макс.): 750 В; –– продолжительный ток при 65°C (макс.): 800 А; –– повторяющийся импульсный ток с длительностью импульса 1 мс: 1600 А; –– I2t при 175°C: 18000; –– длительность запирания ключа при работе на индуктивную нагрузку при 175°C: 800 нс; –– потери при выключении при 175°C: 39,09 мДж; –– потери при включении при 175°C: 36,35 мДж; –– энергия короткого замыкания при 175°C: 7,5 Дж; –– изоляция от подложки: 4,2 кВ; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…175°C; –– корпус: AHPM15–CEA.

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 8. Структурная схема драйвера LMG343xR050

S i C- д и о д Ш о т т к и N D S H 2 5170 A от этой же компании. Вольтамперная характеристика диода показана на рисунке 6.Основные параметры NDSH25170A: –– обратное напряжение (макс.): 1700 В; –– продолжительный прямой ток при температуре перехода менее 153°C: 25 А; –– продолжительный прямой ток при температуре перехода менее 135°C: 35 А; –– неповторяющийся импульсный ток: 1435 А; –– общий заряд: 169 нКл; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…175°C; –– корпус: ТО‑247.

Power Integrations. Изолированный одноканальный драйвер затвора IGBT/MOSFE T SID1181KQ. С хема вк лючения драйвера приведена на рисунке 7. Основные параметры SID1181KQ:

–– диапазон напряжения питания первичной стороны: 4,75–5,25 В; –– диапазон напряжения питания вторичной стороны: 22–28 В; –– напряжение IGBT/MOSFET: 750 В; –– выходной ток (макс.): 8 А; –– рабочая частота (макс.): 75 кГц; –– задержка распространения сигнала: 5 нс; –– задержка на замыкание ключа: 253 нс; –– задержка на размыкание к люча: 262 нс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: eSOP.

–– скорость нарастания: регулируется в пределах 25–100 В/нс; –– устойчивость к изменению напряжения: не менее 150 В/нс; –– напряжение сток–исток: 600 В; –– длительный ток при 25°C (макс.): 34 А; –– длительный ток при 100°C (макс.): 27 А; –– время срабатывания защиты по току: 35 нс; –– сопротивление открытого канала: 57 мОм; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: QFN (8×8 мм).

TI. Драйвер GaNFET LMG343xR050 с встроенным силовым ключом и защитами. Струк т урная схема драйвера приведена на рисунке 8. Основные параметры LMG343xR050: –– диапазон напря жени я питани я (нестабилизированное): 12 В; –– задержка распространения: 20 нс;

И еще один драйвер от TI – на этот раз изолированный UCC21710‑Q1 для SiC/IGBT. Функциональная схема защиты от токов короткого замыкания показана на рисунке 9. Основные параметры UCC21710‑Q1: –– выходное напряжение (макс.): 33 В; –– выходной ток (макс.): 10 А;

88

Рис. 9. Функциональная схема защиты от токов короткого замыкания UCC21710-Q1

www.elcomdesign.ru

–– –– –– –– –– –– –– ––

рабочая частота (макс.): 1 МГц; задержка распространения: 90 нс; искажение импульса: не более 30 нс; устойчивость к изменению синфазного напряжения: 150 В/нс; электрическая прочность изоляции: 5,7 кВ; повторяющееся пиковое напряжение изоляции: 2121 В; диапазон рабочей температуры: –40…125°C; корпус: DW SOIC‑16 (10,3×7,5 мм).

V i s h a y. N ‑ к а н а л ь н ы й M O S F E T SiR680ADP. Зависимость тока стока от температуры корпуса приведена на рисунке 10. Основные параметры SiR680ADP: –– напряжение сток–исток (макс.): 80 В; –– ток стока (макс.): 125 А; –– пиковый ток стока: 300 А; –– сопротивление открытого канала: 2,88 мОм; –– общий заряд затвора: 43 нКл; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –55…175°C; –– корпус: PowerPAK. ИСТОЧНИКИ, МОДУЛИ ПИТАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

–– диапазон рабочей частоты: 100– 3000 кГц; –– время открытого состояния ключа (мин.): 40 нс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: QFN‑40 (6×6 мм).

M e a n W e l l . D C / D C- п р е о б р а ­ зователи серии DDRH60 (см. рис. 12) со сверхшироким диапазоном входного напряжения. Основные параметры DDRH60: –– диапазон входного напряжения: 150–1500 В; –– диапазон выходного напряжения: 5; 12; 24; 48 В в зависимости от модификации; –– выходной ток (макс.): 1,25–10 А в зависимости от модификации;

Рис. 12. DC/DC-преобразователи серии DDRH60

–– выходная мощность: 50 или 60 Вт; –– пульсации выходного напряжения: 100– 200 мВт в зависимости от модификации; –– линейная регулировочная характеристика: ±0,5%;

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Analog Devices. 3‑канальный повыш аю щ е - п о н и ж аю щ и й D C / D C- п р е ­ образователь LTC 7818. Схема включения преобразователя показана на рисунке 11. Основные параметры LTC 7818: –– диапазон входного напряжения: 4,5–40 В; –– диапазон выходного напряжения: 0,8–40 В;

Рис. 10. Зависимость тока стока SiR680ADP от температуры корпуса

89

Рис. 11. Схема включения преобразователя LTC 7818

электронные компоненты №02 2020

Рис. 13. Упрощенная схема включения драйвера DRV8874

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

–– нагрузочная регулировочная характеристика: ±0,5 или ±1,5%; –– КПД: 76–87% в зависимости от режима работы; –– наработка на отказ: 454,5 тыс. ч; –– гарантия: 3 года; –– диапазон рабочей температуры: –40…80°C; –– размер: 57×93,5×105 мм.

90

TI. Мостовой N‑канальный драйвер DRV8874 с встроенным датчиком тока для управления элек троприводом. Упрощенная схема включения драйвера приведена на рисунке 13. Основные параметры DRV8874: –– диапазон напряжения питания: 4,5–37 В; –– суммарное сопротивление открытых каналов верхнего и нижнего плечей: 200 мОм; –– пиковый ток (макс.): 6 А; –– частота ШИМ: 0–100 кГц; –– задержка распространения сигнала датчика тока: 1,6 мкс; –– диапазон рабочей температ уры перехода: –40…150°C; –– корпус: HTSSOP‑16 (5×4,4 мм).

Traco Power. DC/DC-преобразователи серии THN 10WIR (см. рис. 14) для жестких условий эксплуатации. Основные параметры преобразователя: –– выходная мощность: 10 Вт; –– входное напряжение: 9–36, 18–75 или 36–110 В; –– выходное однополярное напряжение: 3,3–24 В в зависимости от модификации;

www.elcomdesign.ru

–– –– –– ––

КПД: до 90%; электрическая прочность изоляции; 3 кВ; гарантия: 3 года; диапазон рабочей температуры: –40…80°C; –– размер: 25,4×25,4×10,9 мм.

–– выходное двуполярное напряжение: ±5…±24 В в зависимости от модификации; –– пульсации выходного напряжения в полосе 20 МГц: 75 или 100 мВ в зависимости от выходного напряжения;

И еще одна серия DC/DC-преобра­ зователей THN 10WIЕ (см. рис. 15) этой же компании, на этот раз на большую мощность. Основные параметры преобразователей 10WIЕ: –– выходная мощность: 40 Вт; –– входное напряжение: 9 –36 или 18–75 В; –– выходное однополярное напряжение: 3,3–24 В в зависимости от модификации;

Рис. 14. DC/DC-преобразователи серии THN 10WIR

Таблица 1. Основные характеристики дросселей Coilcraft IСКЗ, А

DCR, мОм

Индуктивность, мкГн

тип.

макс.

XEL4030V-101ME_

0,10

1,50

XEL4030V-201ME_

0,20

XEL4030V-301ME_

0,30

XEL4030V-471ME_ XEL4030V-641ME_ XEL4030V-901ME_ XEL4030V-102ME_

Наименование

SRF, МГц

ISAT, А

Нагрев на 20°C

Нагрев на 40°C

1,80

240

30,0

20,4

25,8

2,15

2,40

155

22,0

17,0

21,6

2,80

3,10

115

19,0

14,9

18,9

0,47

4,10

4,60

95

15,5

12,3

15,6

0,64

5,30

5,90

80

13,5

10,9

13,7

0,90

8,00

8,80

68

10,0

8,8

11,2

1,0

8,89

9,78

65

9,0

8,4

10,7

XEL4030V-122ME_

1,2

10,4

11,5

60

8,7

7,8

9,8

XEL4030V-152ME_

1,5

15,1

16,6

58

8,5

6,4

8,1

XEL4030V-222ME_

2,2

20,1

22,1

40

6,1

5,8

7,8

XEL4030V-332ME_

3,3

26,1

28,6

35

5,9

5,0

6,6

XEL4030V-472ME_

4,7

40,0

44,1

30

4,6

3,9

5,1

XEL4030V-682ME_

6,8

67,4

74,1

20

3,6

3,0

3,9

Рис. 15. DC/DC-преобразователи THN 10WIЕ

–– выходное двуполярное напряжение: ±12…±24 В в зависимости от модификации; –– пульсации выходного напряжения в полосе 20 МГц: 75; 100 или 150 мВ в зависимости от выходного напряжения; –– КПД: до 90%; –– электрическая прочность изоляции: 1,6 кВ; –– гарантия: 3 года; –– диапазон рабочей температуры: –40…80°C; –– размер: 25,4×50,8×10,9 мм. ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Coilcraft. Компания анонсировала новое семейство силовых дросселей. Их основные характеристики приведены в таблице 1. Ток насыщения ISAT приведен из условия уменьшения индуктивности на 30%.

Рис. 17. Электромагнитное реле серии G7EB

–– –– –– ––

dV/dt (макс.): 100–1000 В/мкс; ESL: 9–20 нГн; ESR: 2–24 мОм; диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– размер: 17×26 б5×8,5…41,5×45×30 мм.

Omron. Элек тромагнитное реле серии G7EB (см. рис. 17). Основные параметры реле: –– напряжение катушки (ном.): 12 или 24 В постоянного тока; –– сопротивление катушки 12 В: 51 Ом; –– сопротивление катушки 24 В: 206 Ом; –– коммутируемое напряжение (макс.): 480 или 800 В в зависимости от тока коммутации; –– коммутируемый ток при напряжении цепи 480 В (макс.): 100 А;

–– коммутируемый ток при напряжении цепи 800 В (макс.): 40 А; – – тип контактов: нормально открытые, зазор меж ду контак тами 3,6 мм; –– сопротивление контактов: не более 5 мОм; –– электрическая прочность изоляции «катушка–контакты»: 5 кВ; –– механическая износос тойкос ть: 1 млн коммутаций; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C. Vishay. Серия диодных выпрямителей семейс тва TMBS Trench MOS с барьером Шоттки. Основные параметры выпрямителей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры диодных выпрямителей Vishay Наименование

IF(AV), А

VRRM, В

IFSM, А

V2PL45L

2

45

V3PL45

3

V2P6X

2

V2P6L

VF при IF и TJ

TJ (макс.), °С

VF, В

IF, А

TA, °С

50

0,36

2

125

150

45

80

0,37

3

125

150

60

50

0,51

2

125

175

2

60

50

0,45

2

125

150

V2PM6L

2

60

50

0,48

2

125

175

V3P6

3

60

60

0,48

3

125

150

V3P6L

3

60

80

0,44

3

125

150

V3PM6

3

60

80

0,47

3

125

175

V2PM10L

2

100

50

0,58

2

125

175

V3PM10

3

100

80

0,58

3

125

175

V2PM12L

2

120

50

0,6

2

125

175

V3PM12

3

120

80

0,61

3

125

175

V2PM15L

2

150

50

0,64

2

125

175

V3PM15

3

150

80

0,64

3

125

175

V2P22L

2

200

50

0,68

2

125

175

V3P22

3

200

60

0,7

3

125

175

электронные компоненты №02 2020

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Kemet. Полипропиленовые пленочные конденсаторы с двойной металлизацией серии R76H. Зависимость нормированного напряжения от частоты приведена на рисунке 16. Основные параметры серии R76H: –– номинальная емкость: 100 пФ…15 мкФ; –– отклонение от номинальной емкости: ±2,5; ±5%; 10%; –– нормируемое напряжение: 250 – 2000 В DC; –– пиковый ток (макс.): 217–1120; 2,88– 14,88 А; –– нормируемый ток пульсаций (СКЗ) при 100 кГц и 100°C: 2,88–24,56 А;

Рис. 16. Зависимость нормированного напряжения конденсаторов серии R76H от частоты

91

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| НОВОСТИ КОМПАНИИ «ГАММА» |

Инструменты Lattice Diamond для разработки ПЛИС получили сертификаты функциональной безопасности

Компания Lattice Semiconductor заявила, что инструменты разработки ПЛИС семейства Lattice Diamond, а также программные средства разработки (версия 3.10, пакет обновления 3) прошли сертификацию в соответствии со стандартами функциональной безопасности IEC 61508 и ISO 26262. Эти стандарты широко применяются в автомобильных и промышленных системах, чтобы обеспечить высокую производительность и надежность с минимальным количеством системных ошибок. ПО Lattice Diamond является средством полноценной разработки и средой верификации, оптимизированным под использование с ПЛИС Lattice. Софт оснащен всеми функциями, необходимыми разработчикам программируемых ПЛИС Lattice, начиная с создания концепта и заканчивая загрузкой финального потока битов на устройство Lattice. Пользователи могут быстро приступить к проекту благодаря тому, что это программное обеспечение настраивается под их стиль работы и предоставляет инструменты, которые облегчают выполнение общих задач, ускоряя и упрощая процесс выполнения проекта. У пользователей имеется возможность выбрать язык программирования VHDL, Verilog или комбинацию из этих языков, а также подключить IP-компоненты в разрабатываемую структуру с помощью библиотеки IP-блоков. Для интеграции новых IP-блоков ПО Lattice Diamond автоматически выполняет размещение и трассировку схем.

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Компании Lattice и SiFive заявили о начале сотрудничества

92

Масштабируемые процессоры с IP-ядрами на компактных ПЛИС с низким энергопотреблением могут использоваться в миллионах умных периферийных устройств. Компании SiFive и Lattice Semiconductor Corporation заявили о начале сотрудничества. Теперь разработчики масштабируемых IP-ядер компании SiFive получат возможность использовать в своих процессорах все изделия семейства ПЛИС Lattice, включая новую 28‑нм ПЛИС CrossLink-NX. Необходимость в интеллектуальной обработке данных на периферии и терминальных устройствах растет с увеличением новых разработок для приложений искусственного интеллекта и машинного обучения (AI/ML) на производстве, в автомобильной промышленности и потребительских товарах. Производители пытаются уменьшать значение задержки, мощность и стоимость своих устройств. Обработка AI/ML вне ЦОД решает проблемы с конфиденциальностью и пропускной способностью, позволяя повысить скорость реакции приложений за счет меньшей задержки. Все эти факторы определяют растущий спрос на встраиваемые системы с интеллектуальными функциями для более чем 64 млрд новых периферийных и терминальных устройств, которые появятся на рынке в ближайшее десятилетие. ПЛИС Lattice с малым энергопотреблением, используемые в процессорах SiFive RISC–V, предоставляют такую возможность. Масштабируемые процессоры компании SiFive позволяют Lattice создавать Core IP-приложения с высокой эффективностью и требуемой производительностью. В первую очередь, Lattice и SiFive планируют создать новое оптимизированное процессорное ядро с SiFive IP на базе открытой системы команд RISC–V ISA. В решениях ПЛИС Lattice станут применяться E2 Core IP компании SiFive для широкого ряда приложений и рынков, начиная с обработки на уровне управления в инфраструктурах связи и заканчивая обработкой в трактах периферийных устройств для инфраструктуры связи.

Модули Ag320 от Silvertel с утроенной мощностью до 15 Вт для беспроводной зарядки

Модульные системы беспроводного заряда от Silvertel обеспечивают мощность 5 Вт в комбинации Ag301 и Ag311/312. Очевидно, что сама концепция беспроводного заряда хороша, чрезвычайно полезна и универсальна, например, в случае использования вне дома, на промышленном производстве, в медицинской технике и т. д. Однако ограничения по мощности препятствуют широкому применению этой технологии. Серия модулей Ag320 позволяет увеличить потребляемую мощность до 15 Вт, что в три раза превышает показатель предыдущих модулей. Это значит, что можно повысить практичность и функциональность многих приложений. Одним из отраслевых трендов является миниатюризация изделий. Беспроводной способ заряда и увеличение мощности – другой тренд, изначально заданный мобильными телефонами и подхваченный другими современными электронными устройствами. Во всех областях применения, где можно использовать беспроводной способ заряда, покончив с разъемами, возникает вопрос о предоставляемой мощности. Благодаря новым модулям Ag320 этот показатель вырос до 15 Вт, что позволит расширить диапазон изделий с беспроводным питанием.

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Компания Silvertel обеспечивает всю требуемую поддержку, хотя конструкция модулей очень проста – к каждому из блоков передачи и приема достаточно добавить только одну рекомендованную катушку–антенну, чтобы завершить разработку системы беспроводной зарядки.

ПЛИС GW1NZ-ZV с низким энергопотреблением от Gowin Semiconductor

Компания Gowin Semiconductor заявила о выпуске ПЛИС GW1NZ-ZV. Статическое потребление этих ИС не превышает 28 мкВт, что на 50% меньше, чем у конкурирующих ПЛИС. ПЛИС с меньшим энергопотреблением имеют преимущества над многими микроконтроллерами, особенно в приложениях, где необходимо постоянное включение, мониторинг ввода-вывода и периферийных устройств системы. Причина в том, что для обеспечения функций мониторинга микроконтроллерам всегда необходимо синхронизовать весь процессор. Поскольку его скорость может меняться с целью уменьшения потребляемой мощности, энергопотребление в активном режиме всегда велико. С другой стороны, динамическое потребление мощности ПЛИС зависит от используемых логических элементов и скорости, с которой данные передаются и синхронизуются. Если статическое потребление ПЛИС мало, ее можно оптимизировать так, чтобы потребление динамической мощности осуществлялось только небольшим множеством логических элементов для мониторинга систем ввода–вывода и интерфейса, пока остальные логические элементы неактивны. Очень компактные устройства GW1NZ-ZV на базе флэш-технологии находятся на этапе производства и на сегодняшний день являются изделиями с самым малым потреблением. Напряжение ядра составляет 0,9 В; при этом статическое потребление не превышает 28 мкВт. Таким образом, статическое энергопотребление ПЛИС GW1NZ-ZV более чем в 2,4 раза меньше, чем у аналогов. Низкое напряжение ядра, которое меньше 1 В, также способствует значительно меньшему динамическому потреблению ПЛИС. Для отслеживания активности периферийных устройств с помощью ПЛИС часто требуется лишь небольшая часть активных логических элементов. ПЛИС могут динамически регулировать дополнительные ресурсы ПЛИС или использоваться для активации других компонентов системы, т. е. не только управлять собственным питанием, но и питанием всего устройства.

Трансиверы от компании APAT OE для сетей 25G

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Компания APAT OE начала производство оптических трансиверов, работающих со скоростью 25 Гбит/с и с возможностью поддержки мобильных сетей 5G. Оптические модули включают устройства 25G SFP28 с дальностью связи 10/20/30 км, 25G SFP28 на 300 м в режиме bidi/duplex и 25G DSFP на 10 км. Выпуском новой линии оптических трансиверов для мобильных сетей 5G компания, ранее известная своими PON-модулями, открывает для себя новую сферу деятельности. В компании APAT OE готовы расширить производственные мощности, чтобы удовлетворить спрос на оптические трансиверы, который, как ожидается, будет расти по мере внедрения 5G-сетей по всему миру.

93 Дополнительную информацию и опытные образцы можно получить в ООО «Гамма Плюс»

Выборг: +7 (81378) 546-53; Москва: +7 (495) 788-1292; Санкт-Петербург: +7 (812) 321-6160; Екатеринбург: +7 (343) 286-7512; Ульяновск: +7 (8422) 256-939; info@icgamma.ru, www.icgamma.ru

электронные компоненты №02 2020

РЕКЛАМА

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е П Р И БО Р Ы И С И С Т Е М Ы

И С ТОЧ Н И К И И М ОДУЛ И П И ТА Н И Я

Keysight объявляет о запуске нового решения для эмуляции каналов 5G

Неизолированные DC/DC-преобразователи MYMGC от Murata

Многоканальные неизолированные DC/DC-преобра­ зователи MYMGC от компании Murata с высокой точностью поддерживают выходное напряжение и реализуют сложные алгоритмы последовательности включения выходного напряжения. Эти высоконадежные преобразователи предназначены для питания ПЛИС, для которых требуется соблюдать последовательность при включении питания. Несколько выходов обеспечивают простые конфигурации шин питания ПЛИС, а также уменьшают занимаемую на плате площадь. Размеры преобразователей уменьшены с помощью уникальной технологии корпусирования, благодаря которой площадь платы используется эффективно. Особенности: –– малый размер решения даже с учетом внешних конденсаторов; –– быстрое протекание переходных процессов при изменении нагрузки и меньшем числе внешних конденсаторов; –– выходы с высокоточным напряжением и функции последовательного контроля, востребованные ПЛИС; –– диапазон рабочей температуры: –40…85°C; –– размер изделия (SMD-тип): 15,0×12,0×2,4 мм. Характеристики: –– диапазон КПД: 80–91%; –– диапазон выходного тока: 2,5–8 А; –– напряжение пульсации (пик–пик) и шум: 10 мВ; –– суммарная выходная мощность: 6,45–15,15 Вт; –– диапазон выходного напряжения: 3,3–5,5 В; –– входное напряжение (ном.): 5 В; –– соответствие требованиям RoHS. Murata www.murata.com Дополнительная информация: см. Симметрон, группа компаний М И К Р О КО Н Т Р ОЛ Л Е Р Ы

Microchip анонсирует первые в отрасли радиационностойкие Ethernet-приемопередатчик и встраиваемый МК для космических приложений Ко м п а н и я M i c r o c h i p в ы п ус т и л а о п ы т н ы е о б р а з цы нового радиационно - с тойкого Ethernet-приемо ­ передатчика VSC8541RT и прошедший завершающий этап сертификации радиационно-стойкий микроконтроллер SAM3X8ERT, являющийся самым новым процессором Arm Cortex-M3 с встроенным Ethernet-контроллером. Эти устройства по отдельности или в комбинации с другими радиаци-

электронные компоненты №02 2020

Новые компоненты

Компания Keysight Technologies заявила о коммерческом запуске нового решения для эмуляции каналов 5G с целью развертывания интегрированных систем связи, а также для повышения качества обслуживания пользователей. Эмулятор каналов PROPSIM FS16 от компании Keysight представляет собой очередное решение Keysight для ускорения коммерциализации и развития сетей 5G. PROPSIM FS16 обеспечивает эффективную проверку функционирования устройств 5G New Radio (NR) с поддержкой сверхшироких полос пропускания в миллиметровом диапазоне частот, а также технологий формирования луча и конфигураций с использованием большого количества антенн. Новое решение для эмуляции 5G-каналов дополняет семейство эмуляторов 5G-каналов от компании Keysight, широко применяемых для тестирования, валидации устройств и базовых станций. PROPSIM FS16 позволяет производителям составных микросхем и устройств 5G надежно и эффективно тестировать реальные параметры работы 5G-систем за счет использования технологий MIMO* и Massive MIMO для приложений с большими объемами передачи данных. Это решение реализовано на базе компактного и модульного настольного эмулятора радиочастотных каналов 5G New Radio с масштабируемой функцией затухания и интуитивно понятными программными инструментами.

PROPSIM FS16 от компании Keysight обладает следующими базовыми характеристиками и преимуществами: –– масштабируемый набор каналов с конфигурируемым ослаблением (в диапазоне 2–1024) позволяет проводить испытания широкого ряда MIMO-систем; –– решение поддерживает функцию двустороннего затухания для проверки соединения абонента с магистральным узлом связи в обоих направлениях; –– функция односторонней передачи в канале позволяет исследовать параметры затухания при передаче сигнала от узла к абоненту для обеспечения эффективности испытаний параметров приемника. Это повышает экономичность процессов проведения комплексных испытаний MIMO-систем в эфирных тестовых средах согласно требованиям 3GPP. * MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественные входы, множественные выходы) – технология беспроводной связи, основанная на использовании большого числа антенн в качестве источников (передатчиков) и получателей (приемников) сигнала.

Keysight Technologies www.keysight.ru Дополнительная информация: см. Keysight Technologies

95

Новые компоненты

96

онно-стойкими изделиями предназначены для космических приложений. Оба устройства в пластиковых и керамических корпусах готовы к эксплуатации при повышенной радиации и в качестве высоконадежных компонентов. У них одинаковое расположение выводов, что позволяет начать проектирование с COTS-устройств до перехода на компоненты для космических приложений. В результате существенно сокращается стоимость и время разработки. Приемопередатчик VSC8541RT является однопортовым устройством стандарта Gigabit Ethernet copper PHY с интерфейсами GMII, RGMII, MII и RMII. Радиационная стойкость устройства проверена, и соответствующие результаты задокументированы в подробном отчете. Приемопередатчик VSC8541RT защищен от защелкивания до уровня 78 МэВ; суммарная доза ионизирующего излучения (TID), установленная по результатам испытаний, составляет 100 Крад. Приемопередатчики VSC8540RT с тем же радиационно-стойким кристаллом в таких же пластиковых или керамических корпусах, обеспечивающие ограниченную скорость передачи данных 100 Мбит/с, выпускаются для приложений с иными требованиями к производительности и стоимости. Пр о из в од и т е л ьн о с т ь р а д и ац и о н н о - с то йко го МК SAM3X8ERT, реализованного в виде СнК на базе широко распространенного ядра Arm Cortex-M3, составляет 100 DMIPS для промышленных приложений. Высокая степень интеграции МК SAM3X8ERT способствует применению более современных технологий в космической технике. Этот микроконтроллер оснащен 512‑Кбайт флэш-памятью с двойным банком данных, 100‑Кбайт SRAM, а также АЦП, ЦАП и сдвоенным CAN-контроллером помимо Ethernet-функции. Эти самые современные устройства дополняют комплект Microchip радиационно-стойких и радиационно-устойчивых аппаратных решений по обработке данных. Для всех микроконтроллеров, начиная с SAMV71Q21RT Arm M7 с производительностью до 600 DMIPS и заканчивая 8‑бит МК серии ATmegaS128/64M1, предлагаются одни и те же средства проектирования.

Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг, ООО Microchip упрощает требования к функциональной безопасности с помощью средств MPLAB с сертификатами TÜV SÜD Функциональные компиляторы MPLAB XC, сертифицированные организацией TÜV SÜD, облегчают верификацию и валидацию в соответствии с требованиями стандарта ISO 26262 по обеспечению безопасной эксплуатации автотранспорта, стандарта IEC 61508 для промышленных приложений, IEC 62304 для ПО медицинского оборудования и IEC60730 для электрического регулирования. Сертифицированные компиляторы MPLAB XC будут поставляться с дополнительной

www.elcomdesign.ru

документацией для проверки соответствия требованиям интегрированной среды разработки MPLAB X, отладчиков и программаторов MPLAB. Лицензии выдаются без возобновительных пошлин по наименьшей цене на рынке. Код можно проверять с помощью запатентованного процесса – за один проход, не прерывая выполнение кода в блоках. В результате экономится время, и исключается необходимость в анализе с помощью больших файлов данных. Поскольку сертифицированным приложениям часто требуются данные о тестировании кода, новая лицензия на использование средства покрытия кода в еще большей мере облегчает процесс сертификации. Комбинация устройств, разработанных с учетом требований к функциональной безопасности, с компиляторами MPLAB XC, сертифицированными организацией TÜV SÜD, а также тестирование на покрытие кода MPLAB упрощает сертификацию на функциональную безопасность автотранспортных, потребительских, авиакосмических, медицинских и промышленных приложений. Компания Microchip предлагает не только средства разработки, которые упрощают, ускоряют и позволяют реализовать требования стандартов к функциональной безопасности, но и широкий ряд микроконтроллеров PIC, AVR, dsPIC и SAM, обеспечивающих функциональную безопасность (Functional Safety Ready). Для всех этих микроконтроллеров Microchip предоставляет результаты анализа видов и последствий отказов (Failure Mode Effect and Diagnostics Analysis, FMEDA), а также руководства по технике безопасности в соответствии со стандартом ISO 26262 до уровней безопасности ASIL-B, а для некоторых изделий – до уровня ASIL-D. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. Гамма Инжиниринг, ООО

Keysight Technologies

115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр. 3 тел.: +7 (495) 797–3928 tmo_russia@keysight.com www.keysight.ru

«Гамма Инжиниринг», ООО

197101, Санкт-Петербург, Певческий пер., д. 12 (812) 493–5115 sale@gamma.spb.ru www.gamma.spb.ru

«Симметрон», группа компаний

125445, Москва, Ленинградское ш., д. 69, корп. 1 бизнес-парк River City (м. Речной вокзал) тел./факс: (495) 961–2020 www.symmetron.ru

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА