СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №8-2013

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

8 20 1 3

8/2013

Реклама

© СТА-ПРЕСС

www.soel.ru

Обложка 1_2_3_4_3_7 mm.indd 1

04.10.2013 11:42:03

Реклама © СТА-ПРЕСС Обложка 1_2_3_4_3_7 mm.indd 2

04.10.2013 11:42:20

© СТА-ПРЕСС Sborka_SoEL_8_2013.indb 1

07.10.2013 9:01:49

№ 8, 2013

8/2013 Contents

Издаётся с 2004 года MARKET

Главный редактор

News from the Russian Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Алексей Смирнов

ARGUSSOFT GROUP – 20 Years in the Market of Electronic Components Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Редакционная коллегия Александр Балакирев, Андрей Данилов, Андрей Туркин, Виктор Жданкин, Сергей Сорокин, Рифат Хакимов

MODERN TECHNOLOGIES

Safety, Security, and Multi-core. Part 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Paul Parkinson

Литературный редактор

Modern Keys and Identifiers «Code Access System» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Ольга Семёнова Andrey Kashkarov Вёрстка

ELEMENTS AND COMPONENTS

Марина Петрова

Modern High Efficiency Samsung’ LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Обложка

Yurii Petropavlovskii

Дмитрий Юсим

New Generation of LED from OPTOGAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Распространение

Pavel Chechurov

Ирина Лобанова (info@soel.ru)

MP4034: the Driver with the Integrated Power Key for a powerful LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Реклама

Aleksander Shcherba

Ирина Савина (advert@soel.ru)

Sensors Interface for SoC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Oleg Dvornikov, Vladimir Chekhovskii, Valentin Dyatlov, Nikolai Prokopenko

Издательство «СТА-ПРЕСС» Директор Константин Седов Почтовый адрес: 119313, Москва, а/я 26 Телефон: (495) 232-0087 Факс: (495) 232-1653 Сайт: www.soel.ru E-mail: info@soel.ru

Производственно-практический журнал Выходит 9 раз в год Тираж 10 000 экземпляров Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия (свидетельство ПИ № ФС77-18792 от 28 октября 2004 года) Свидетельство № 00271-000 о внесении в Реестр надёжных партнёров Торгово-промышленной палаты Российской Федерации Цена договорная

DEVICES AND SYSTEMS

Industrial Ionisation Systems as an Innovative Way of Neutralizing Electrostatic Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Ruslan Bezyaev

The Fiber-Optical Sensor of Aerodynamic Angles on the Basis of the Differential Converter of Angular Movements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Tatiana Murashkina, Elena Badeeva, Dmitrii Serebriykov, Kirill Serebriykov, Aleksandr Udalov, Olga Jurova ENGINEERING SOLUTIONS

LF generator based on AD9833.

Part 1. Description of Hardware and Generator Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Aleksey Kuz`minov DESIGN AND SIMULATION

Отпечатано: ООО ПО «Периодика» Адрес: 105005, Москва, Гарднеровский пер., д. 3, стр. 4 http://www.printshop13.ru

On the Accuracy of Electrodynamic Modeling Programs Calculation of Microwave Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Aleksander Kurushin

2

Sborka_SoEL_8_2013.indb 2

Active Autodyne Sensors in Different Frequency Ranges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Anatolii Trubachev, Andrey Lyulyakin, Vasilii Jurchenko

Addressing the Challenges of Radar and EW System Design and Test using a Model-Based Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Dingqing Lu WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Перепечатка материалов допускается только с письменного разрешения редакции. Ответственность за содержание рекламы несут рекламодатели. Ответственность за содержание статей несут авторы. Материалы, переданные редакции, не рецензируются и не возвращаются. © СТА-ПРЕСС, 2013

07.10.2013 9:02:03

Содержание 8/2013 ПОДПИСКА НА ЖУРНАЛ

РЫНОК

4 Новости российского рынка 10 АРГУССОФТ – 20 лет на рынке дистрибуции электронных компонентов СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

12 Многоядерные вычислительные среды и безопасное ПО. Часть 1 Пол Паркинсон

18 Современные ключи и идентификаторы систем кодового доступа Андрей Кашкаров ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

24 Современные высокоэффективные светодиоды компании Samsung Юрий Петропавловский

32 Новое поколение светодиодов компании «Оптоган»

Число бесплатных подписчиков журнала «Современная электроника» неуклонно растёт, соответственно растёт и число рассылаемых по почте журналов. Безусловно, нам приятно осознавать рост читательского интереса к нашему журналу. Но вместе с тем, всё больше подписчиков сообщают нам о фактах пропажи журнала на почте или из почтового ящика. Редакция гарантирует только отправку журнала бесплатному подписчику, но не может гарантировать его доставку. Риск пропажи журнала можно уменьшить. Во-первых, можно обратиться в отдел доставки вашего почтового отделения и оформить получение журнала до востребования. Во-вторых, можно оформить платную подписку на журнал, и в этом случае почта будет нести ответственность за его доставку. ПЛАТНАЯ ПОДПИСКА

Павел Чечуров

36 MP4034: драйвер с интегрированным силовым ключом для питания мощных светодиодов Александр Щерба

40 Интерфейсы датчиков для систем на кристалле

Преимущества: • подписаться может любой желающий, тогда как бесплатная подписка оформляется только для специалистов в области электроники. Поступающие в редакцию подписные анкеты тщательно обрабатываются, и часть их отсеивается; • журнал будет гарантированно доставлен, тогда как при бесплатной подписке редакция гарантирует только отправку, но не доставку журнала;

Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов, Николай Прокопенко ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

• эту подписку могут оформить иностранные граждане.

50 Промышленные системы ионизации – инновационное средство нейтрализации электростатических разрядов

«Роспечать»

Руслан Безяев

54 Волоконно-оптический датчик аэродинамических углов на основе дифференциального преобразователя угловых перемещений Татьяна Мурашкина, Елена Бадеева, Дмитрий Серебряков, Кирилл Серебряков, Александр Удалов, Ольга Юрова ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

58 Низкочастотный генератор на основе синтезатора частоты AD9833. Часть 1. Описание аппаратных средств и настройка генератора Алексей Кузьминов

Оформить платную подписку можно в почтовом отделении через агентство «Роспечать». Тел.: (495) 921-2550. Факс: (495) 785-1470 Подписаться можно как на 6 месяцев, так и на год. Подписные индексы по каталогу агентства «Роспечать»: на полугодие – 46459, на год – 36280. Кроме того, можно оформить платную подписку через альтернативные подписные агентства.

«Агентство „ГАЛ“» Tел.: (495) 981-0324, (800) 555-4748 http://www.setbook.ru

«Интер-Почта-2003»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Тел./факс: (495) 500-0060; 788-0060 interpochta@interpochta.ru http://www.interpochta.ru

68 К вопросу о точности расчёта программ электродинамического моделирования СВЧ-устройств

«Урал-Пресс» Тел.: (495) 961-2362 http://www.ural-press.ru

Александр Курушин

72 Активные автодинные датчики в различных частотных диапазонах Анатолий Трубачёв, Андрей Люлякин, Василий Юрченко

Читатели из дальнего зарубежья могут оформить подписку через агентство

Динчин Лу СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 3

WWW.SOEL.RU

«МК-Периодика» Тел.: +7 (495) 672-7012 Факс: +7 (495) 306-3757 info@periodicals.ru

3

© СТА-ПРЕСС

76 Решение проблем проектирования и тестирования РЛС и средств РЭБ с помощью моделирования в САПР Agilent SystemVue

07.10.2013 9:02:03

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка РЫНОК SSD вытесняют традиционные жёсткие диски из серверов Твердотельные накопители данных (SSD) всё активнее теснят традиционные жёсткие диски в самом нагруженном секторе – корпоративных вычислительных системах и серверах. Мы живём в эру информации. Уже трудно себе представить жизнь без компьютеров и мобильных устройств, подключённых к Интернет. Они окружают нас буквально всюду: просматриваем ли мы новости утром на планшете за чашкой кофе или обмениваемся электронными письмами с коллегами через рабочую сеть компании в течение дня. Всё это сплетается в огромную информационную паутину, основанием которой являются дата-центры со своими бесчисленными серверами, выполняющими функции по хранению и перераспределению данных. При этом количество информации растёт по экспоненциальному закону. Например, фактически 90% всей информации на сегодняшний день было создано за последние 2 года. И дальше информационный трафик будет расти теми же темпами (см. рис. 1). Для понимания целостности картины можно проследить, как развиваются вычислительные мощности. Логично, что прирост производительности системы характеризуется ростом производительности её самого «узкого» места. Так, тактовая частота процессоров за последнее десятилетие выросла примерно в 10 000 раз, в то время как скорость операций ввода/вывода данных, характеризующая производительность накопителей, всего в 100 (см. рис. 2). Скорость работы винчестеров с магнитными дисками ограничена механическими свойствами этих устройств. Однако прорывной альтернативой им в последние годы стала технология твердотельных накопителей, использующая для хранения данных микросхемы флэш-памяти. Она очень быстро набрала популярность и доказала Увеличение интернет-ресурсов (1990–2010) 15 000

свою эффективность. Последние несколько лет флэш-память шагнула и внутрь вычислительных устройств, заменяя собой традиционные магнитные дисковые накопители более быстрыми SSD-дисками. Но в этой бочке мёда на заре появления такой технологии была ложка дёгтя. Сдерживающими факторами повсеместного внедрения твердотельных устройств стали их цена и долговечность. Если высокая цена – это издержки практически каждой новой технологии, и по мере роста количества выпускаемой продукции постоянно снижается, то долговечность – это вызов, который был брошен инженерам ведущих производителей. Проблема долговечности связана с физической деградацией ячеек памяти флэш-структур, выполненных из полупроводниковых материалов, и особенно актуальна для структур, построенных на технологии MLC (multi-level cells). При этом такая технология является наиболее перспективной в плане цены устройства, его

который действует как функция восстановления данных даже после катастрофических сбоев блоков или страниц флэш-памяти. Ну и конечно, устройство защищено от сбоев по питанию. Технология EverGuard гарантирует целостность данных при прекращении питания на накопитель, встроенные суперконденсаторы позволят записать в ячейки всю информацию, находившуюся в момент сбоя в стадии передачи, в контроллере. Устройства SMART, кроме прочего, поддерживают стандарт шифрования AES-256 для надёжной защиты вашей конфиденциальной информации. Компания SMART – это 25 лет опыта в разработке флэш-технологий и производства передовых устройств корпоративного и индустриального назначения. А совсем недавно SMART Storage Systems стал частью международного гиганта – компании SanDisk. На российском рынке предлагается полная линейка серверных SSD-устройств ёмкостью до 2 Тбайт, c 5-летней гарантией, интерфейсами подключений SATA III и SAS, ресурсом перезаписи до 50 раз полной ёмкости носителя ежедневно в течение всего гарантийного срока. Всё это предоставляет клиентам беспрецедентную надёжность в сочетании с традиционно высокими скоростными характеристиками передачи данных и лучшую цену за гигабайт. ООО «АСД-Адтрон» http://adtron.ru Тел.: (812) 309-2201

ёмкости, так как позволяет хранить в каждой ячейке памяти несколько бит информации, в отличие от SLC (single level cell), где такой бит – один. Именно инновационные технологии хранения американской компании Smart Storage Systems позволили предложить рынку линейку твердотельных накопителей SSD, построенных специально для работы в нагруженных условиях серверов и сетевых корпоративных хранилищ. Специально разработанные алгоритмы работы контроллера SSD-дисков Smart – технология FlashGuard позволяет равномерно распределять нагрузку на флэш-структуру и в полном объёме использовать физический ресурс устройства. А технология DataGuard заботится о целостности информации на всём пути её следования через устройства и защищает от потери данных на уровне страниц и блоков, используя гибкий избыточный массив элементов памяти F.R.A.M.E., 5000 4500 4000

11 250

CPU, МГц

3500 3000 2500

7500

2000 1500

0 Глобальный информационный трафик, РВ/месяц

Рис. 1. График изменения информационного трафика

4

Sborka_SoEL_8_2013.indb 4

1000 HDD IOPS

500 0 1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

Рис. 2. Тенденции развития вычислительных систем (тактовая частота процессора и скорость операций ввода/вывода накопителей) WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

3750

07.10.2013 9:02:03

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка СОБЫТИЯ

Компания «Оркада», официальный дистрибьютор Cadence Design Systems, Inc. и ANSYS Inc., проведёт серию семинаров «Cadence PCB Design и ANSYS Electromagnetics. Современные технологии проектирования высокоскоростных печатных плат». Приглашаются руководители и ведущие специалисты предприятий, конструкторских бюро, научно-исследовательских институтов, высших учебных заведений. В ходе семинара специалисты ООО «Оркада» рассмотрят вопросы, каса-

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Новые разработки от компании «Перекат» Компания «Перекат» разработала стенд для проверки всех типов электроники топливно-раздаточной колонки с широким

набором дополнительных и сервисных функций. Дополнительно обновлено ПО контроллера ЧПУ для устойчивой работы с программой Mach последних версий. www.perekat-kb.ru Тел.: (916) 341-0234

Многоформатный 180 Вт источник питания AC/DC с КПД 93% от компании XP Power Компания XP Power объявила о добавлении к своей серии GCS одноканальных высокоэффективных источников питания AC/DC, сертифицированных для применений в IT и медицинском оборудовании.

Дополняя 150-ваттные модели GCS150, ряд GCS180 увеличивает показатель выходной мощности до 180 Вт. Все модели в этой линейке характеризуются потребляемой входной мощностью менее 0,5 Вт в режиме холостого хода и значением КПД до 93%. Модули питания серии GCS180 доступны в разнообразных конструктивных исполнениях, предоставляя разработчикам аппаратуры несколько вариантов установки при встраивании в конечное устройство. Вариант исполнения с конвекционным отводом тепла обеспечивает выходную мощность 150 Вт в стандартном для промышленности корпусе типа открытый каркас 127 × 76,2 мм (доступно также исполнение с защитной крышкой). Полная мощность 180 Вт обеспечивается при использовании нагнетаемого воздушного потока 7 CFM или моделей с установленным вентилятором в торце или сверху корпуса. Серия GCS180 включает пять одноканальных моделей с выходными напряжениями +12, +15, +24 и +48 В. Дополнительный канал 12 В / 0,6 A для питания вентилятора является стандартным. Конструкторы также могут самостоятельно сделать

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Ультрастабильный термостатированный кварцевый генератор со сверхнизкой потребляемой мощностью ООО «Мэджик Кристалл» представляет новый кварцевый генератор MXO37/R, построенный на основе усовершенствованной технологии резонаторов с внутренним подогревом. При миниатюрных размерах и низкой потребляемой мощности генераСОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 5

20 ноября – Новосибирск (конгресс-отель «Новосибирск», зал «Нижний Новгород», Вокзальная магистраль, 1). Начало всех мероприятий, кроме СанктПетербурга, в 10:00 по местному времени. Полную программу семинаров можно посмотреть на сайте www.orcada.ru. Участие во всех семинарах ООО «Оркада» бесплатное, необходимо лишь пройти электронную регистрацию на сайте www.orcada.ru. За дополнительной информацией обращайтесь к специалистам компании «Оркада» по телефонам: +7 (495) 943-5032, +7 (499) 136-3213, e-mail: info@orcada.ru ●

ющиеся современных тенденций развития САПР печатных плат и особенностей комплексной программной платформы Cadence Silicon-Package-Board (OrCAD/Allegro) и её интеграции в ANSYS Electromagnetics (Designer/HFSS). Семинары пройдут в октябре – ноябре, в нескольких городах России: ● 17 октября – Москва (гостиница «Метрополь», Красный зал, Театральный проезд, 2); ● 31 октября – Санкт-Петербург (гостиница «Россия», зал «Александр II», пл. Чернышевского, 11, начало в 12:00); ● 14 ноября – Екатеринбург (отель «Вознесенский», зал «Middle Hall», ул. МаминаСибиряка, 52);

тор обеспечивает очень высокую стабильность частоты и низкий уровень фазового шума. Основные характеристики: ● диапазон рабочих частот 8…100 МГц;

выбор – использовать или нет подключение защитного заземления благодаря используемой конструкции входа, обеспечивающей защиту от поражения электрическим током по классу I и классу II. Функция дистанционного включения/отключения доступна для всех изделий ряда при указании опции –R. Серия GCS180 соответствует требованиям к безопасности стандартов UL/EN60950-1 и текущей 3-й редакции стандартов безопасности для медицинского оборудования EN60601-1, ES60601-1 и CSA22.22 No 60601-1, что позволяет применять источники серии в широком ряде медицинских, промышленных и коммуникационных приложений. Диапазон рабочих температур (–40…+70°C) удовлетворяет требованиям большей части условий эксплуатации, при этом полная мощность обеспечивается до температурного порога +50°C. Гарантийный срок составляет 3 года. Заказать представленные модели серии GCS180 можно у официального дистрибьютора продукции XP Power – компании ПРОСОФТ. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234-0636

температурная стабильность частоты (в диапазоне –40…+85°С) до 1 × 10-9; -10 -8 ● старение: 2 × 10 /сутки, 3 × 10 /год; ● потребляемая мощность менее 200 мВт; ● габаритные размеры 20 × 20 × 12 мм; -8 ● время установления частоты до 1 × 10 около 150 c; -12 ● вариация Алана (КНЧ) до 3 ×10 /1 с. Сочетание высокой стабильности частоты генератора МХО37/R с очень низкой потребляемой мощностью и миниатюр●

WWW.SOEL.RU

5

© СТА-ПРЕСС

Семинары Cadence PCB Design и ANSYS Elecromagnetics

07.10.2013 9:02:06

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка

Новые микросхемы компании Analog Devices AD8232 – функционально полное устройство съёма и предварительной аналоговой обработки электрокардиосигналов для портативных мониторов сердечного ритма и простых измерителей ЭКГ с одним отведением, двумя или тремя электродами.

AD8422 – прецизионный измерительный усилитель, представляющий 3-е поколение приборов популярного семейства AD620 / AD8221 и имеющий по сравнению с ними более высокий коэффициент подавления синфазных сигналов, более широкую полосу пропускания и меньший потребляемый ток.

AD7091 и AD7091R (с внутренним опорным источником) – 12-разрядные АЦП с быстродействием до 1 Мвыб/с, отличающиеся предельно низким уровнем потребляемой мощности – не более 1,4 мВт при питании 3 В.

AD8634, ADR225 – операционный усилитель и источник опорного напряжения с максимальной рабочей температурой более +200°С.

ADA4700-1 – высоковольтный операционный усилитель с напряжением питания до ±50 В. Получить консультацию технического специалиста и приобрести микросхемы можно в AUTEX Ltd. www.autex.ru Тел.: (495) 334-9151, 334-7741

Компания CREE объявила о выходе двух новых GaN-транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) Основной областью применения новинок (CGHV14250 и CGHV14500) с выходной мощностью 250 и 500 Вт соответствен-

6

Sborka_SoEL_8_2013.indb 6

но, являются радары L-диапазона с рабочими частотами 1,2…1,4 ГГц. Новые транзисторы CREE по сравнению с существующими компонентами обладают повышенной эффективностью при температуре 85°C, высоким коэффициентом усиления по мощности, а также широкой пропускной способностью. Это позволяет улучшить характеристики специального оборудования, работающего в диапазоне частот от UHF до 1,8 ГГц: радионавигационных систем ближнего действия (TACAN), радиолокационных систем опознавания самолётов и кораблей типа «свой–чужой» (IFF) и других военных телеметрических систем. С помощью новых транзисторов, основанных на технологии GaN на SiC с рабо-

боров стабилизации и селекции частоты, представляет новый миниатюрный прецизионный термостатированный кварцевый генератор ГК333-ТС. Основным преимуществом данного кварцевого термостатированного генератора является улучшенный уровень фазовых шумов, который достигает менее –168 дБ/Гц для отстройки 1000 Гц и менее –174 дБ/Гц для отстройки 10 000 Гц. ГК333-ТС является новой версией с улучшенными параметрами представленных ранее низкопрофильного малошумящего прецизионного термостатированного кварцевого генератора ГК331-ТС и высокостабильного прецизионного кварцевого генератора ГК291.

чим напряжением 50 В и толщиной затвора 0,4 мкм, специалисты-разработчики могут получить отличные показатели мощности и малые искажения, связанные, например, с изменениями формы сигнала. Данные компоненты имеют предварительное согласование на входе, собраны в металлокерамических фланцевых корпусах или корпусах таблеточного типа, которые значительно меньше, чем аналогичные СВЧ-компоненты на основе арсенида галлия (GaAs) или кремния (Si), что даёт возможность обеспечить гибкий подход в проектировании новых решений. Основные характеристики анонсируемых приборов представлены в таблице.

ГК333-ТС выполнен в миниатюрном корпусе 25 × 25 мм с высотой 12,7 мм, полностью идентичном как для генераторов ГК291-ТС и ГК331-ТС, так и для широко известного генератора ГК85-ТС. Генератор выпускается на стандартную частоту 10 МГц, обеспечивает стабильность частоты до ±5 × 10-9 в интервале рабочих температур –40...+85°С и достигает долговременной нестабильности частоты на уровне до ±2 × 10-8/год. Генератор выпускается в варианте с напряжением питания 12 В и SIN выходным сигналом. Возможны поставки в исполнении RoHS. За дополнительной информацией об этих и других приборах обращайтесь к специалистам ОАО «МОРИОН». www.morion.com.ru Тел.: +7 (812) 350-7572

Параметр / Транзистор CGHV14250 CGHV14500 Типичная выходная мощность, Вт 330 500 Коэффициент усиления, дБ 18 17 Типовой КПД стока, % 77 70

Образцы новых транзисторов можно заказать у официального дистрибьютора CREE Microwave в России и странах СНГ – компании ПРОСОФТ. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234-0636

Миниатюрный ультрамалошумящий прецизионный термостатированный кварцевый генератор ГК333-ТС ОАО «МОРИОН» (Санкт-Петербург), ведущее предприятие России и один из мировых лидеров в области разработки и серийного производства кварцевых приWWW.SOEL.RU

DC/DC-преобразователи мощностью 15 Вт серии МДМ15-Р Компания «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК Дон» (г. Воронеж) представляет новую линейку DС/DС-преобразователей серии МДМ-Р для использования в аппаратуре специального и промышленного назначения. Серия МДМ-Р является дальнейшим развитием популярнейшей серии МДМ-В. Анонсируемые приборы характеризуются увеличением мощности при сохранении размеров корпуса, расширением диапазона входных напряжений и улучшением других параметров. МДМ15-Р представляет собой уникальный источник вторичного электропитания СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

ными размерами делает весьма перспективным его применение в мобильных GPS, тестовом оборудовании, радиобуях, а также других высокоточных радиоэлектронных системах с батарейным питанием. www.mxtal.ru, www.magicxtal.com Тел.: (3812) 433-967, (3812) 433-968

07.10.2013 9:02:09

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка

мощностью 15 Вт класса DC/DC российского производства. Эти приборы способны составить конкуренцию аналогичным ИП ведущих мировых производителей по соотношению габаритных размеров и мощности. При этом серия МДМ-Р может поставляться потребителю с приёмкой «5». ИП имеют два широких диапазона входных напряжений – 9…36 В и 18…75 В. Особенностью этих модулей является возможность сохранения своей работоспособности до 1 с при переходных отклонениях от 8 до 80 В для диапазона 9...36 В и от 17 до 84 В для диапазона 8...75 В. Серия может выпускаться с номинальными выходными напряжениями в диапазоне 5…48 В. Типовой КПД (86%) позволит потребите-

выходной ток до 3 А. На все преобразователи серии МДМ-15Р даётся 20-летняя гарантия. http://aedon.ru Тел.: (800) 450-1139 ●

Цилиндрический герметичный вандалоустойчивый соединитель от Bulgin Компания Elektron Technology, бренд Bulgin, представляет последнюю новинку из серии силовых промышленных соединителей – Buccaneer® 7000.

Новый цилиндрический разъём со степенями защиты IP68, IP69K предназначен для использования в жёстких условиях. Ключевыми отличиями Buccaneer® 7000 от предшествующих серий являются: ● компактный дизайн и малый вес; ●

●

удобный и быстрый механизм соединения – байонет (поворот на 90°); исполнение корпуса из термопластика или металла (серебристое матовое покрытие);

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 7

WWW.SOEL.RU

7

© СТА-ПРЕСС

Реклама

лям сократить расходы на систему охлаждения. Как и вся продукция компании «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК Дон» устройства категории DC/DC имеют широкий диапазон рабочих температур –60...+125°С.

Преобразователи серии МДМ-Р оснащены расширенным комплексом сервисных функций: защитами от короткого замыкания, перегрузки по току, тепловой защитой, возможностью подстройки выходного напряжения в диапазоне ±5% и функцией дистанционного включения/выключения. Область применения ИП серии МДМ-15Р – это системы электропитания специального назначения, бортовое оборудование, а благодаря соответствию требованиям ГОСТ Р 54073-2010, и системы электроснабжения оборудования самолётов и вертолётов специального назначения, а также промышленное оборудование плотной компоновки с повышенными требованиями к рабочему диапазону температур и входному напряжению. Технические характеристики: ● выходная мощность 15 Вт; ● габариты 40 × 20 × 10,5 мм; ● диапазон рабочих температур –60… +125°С; ● диапазоны Uвх 9...36 В или 18...75 В;

07.10.2013 9:02:12

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка Радиационно-стойкие 100 Вт DC/DC-преобразователи серии SMFLHP от Crane Electronics Компания Crane Electronics, имеющая более чем 30-летний опыт производства высоконадёжных преобразователей напряжения с высокой удельной мощностью и изделий микроэлектроники для авиационно-космической, космической, военной техники, объявила об уточнении некоторых параметров популярных радиационно-стойких DC/DC-преобразователей серии SMFLHP. Для двухканальной модели SMFLHP2812D при температуре +25°С значение КПД составляет 83%, а в рабочем диапазоне температур –55…+125°С обеспечивается значение КПД 81% при сбалансированной нагрузке. Важным уточнением является спецификация функции выключения преобразователя при снижении входного напряжения ниже минимального значения. При повышении входного напряжения мини-

ний, где требуется защита от влаги или пыли. Официальный дистрибьютор Bulgin на территории России и СНГ – компания ПРОСОФТ. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234-0636

мальное пороговое напряжение включения преобразователя составляет 16 В, максимальное значение – 18,5 В. При понижении входного напряжения минимальное значение порогового напряжения выключения

8

Sborka_SoEL_8_2013.indb 8

WWW.SOEL.RU

преобразователя составляет 13,4 В, максимальное напряжение выключения в этом случае равно 16,7 В. Серия SMFLHP DC/DC-преобразователей включает одно- и двухканальные модели с выходными напряжениями 3,3; 5; 12; 15; ±5; ±12 и ±15 В, обеспечивающие общую мощность до 100 Вт. Для увеличения мощности возможна параллельная работа до трёх модулей. Среди других сервисных функций: защита от короткого замыкания, возможность подключения цепей внешней обратной связи, синхронизация частоты преобразования от внешнего генератора, дистанционное включение/выключение. Модули способны функционировать в диапазоне входного напряжения от 19 до 40 В и выдерживают импульсы напряжения с амплитудой 80 В длительностью 50 мс. Доступны модели в исполнениях со стойкостью к внешним воздействующим фак-

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

максимальное число контактов в одном разъёме – 32 штуки. Благодаря металлическому корпусу температурный диапазон эксплуатации новинки расширился до –40…+120°C, а сам разъём стал более прочным и защищённым от агрессивных факторов окружающей среды, а также от электромагнитных помех. Кабельные части разъёмов предусматривают использование кабеля диаметром от 5 до 15 мм. Возможен выбор сальника на более точный и узкий диапазон значений диаметра кабеля для обеспечения его лучшей фиксации. Разъёмы серии Buccaneer® 7000 прошли независимые испытания на соответствие международным стандартам cULs, UL, VDE, CCC. Соединители рассчитаны на токи до 25 А и напряжение до 600 В (AC/DC). Новые соединители, как и их предшественники серий Buccaneer, подходят для использования в различных уличных условиях, в том числе жёстких промышленных, а также и для применения внутри помеще●

07.10.2013 9:02:18

РЫНОК

На правах рекламы

Новости российского рынка

30 Вт DC/DC-преобразователи серии MTR с расширенным диапазоном входного напряжения от Crane Компания Crane Aerospace & Electronics объявила о модернизации популярных высоконадёжных 30-ваттных DC/ DC-преобразователей серии MTR. Серия MTR была улучшена, чтобы обеспечивать более широкое соответствие промышленным стандартам и для поддержки

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 9

дополнительных требований приложений заказчиков по всему миру. Основными улучшениями являются расширение диапазона входных напряжений на 20% – до 50 В, а также обеспечение дополнительной стойкости к воздействию входных импульсных напряжений: теперь модули способны выдерживать воздействие импульсов с амплитудой 80 В и длительностью 50 мс без последствий для функционирования приборов. Усовершенствованные модули серии MTR теперь соответствуют требованиям стандартов MIL-STD-704A, DO-160, а также другим международным стандартам к переходному процессу на выходе при воздействии перенапряжений. Модули серии MTR являются одними из наиболее широко применяемых DC/DC-преобразователей в авиационнокосмических и оборонных приложениях. Одно- и двухканальные преобразователи серии MTR доступны в исполнениях с крепёжными фланцами и без фланцев и обеспечивают на выходе мощность до 30 Вт в небольшом герметичном объёме 73,91 × × 58,93 × 10,16 мм (исполнение с крепёжными фланцами).

Гальваническая изоляция в контуре обратной связи обеспечивается трансформатором; функции дистанционного включения/отключения и внешней синхронизации, а также обеспечение полной мощности в диапазоне рабочих температур –55… +125°C гарантируют надёжное функционирование в жёстких условиях окружающей среды. Технические и эксплуатационные параметры модулей серии MTR подтверждаются Standard Microcircuit Drawings (SMD), утверждёнными Агентством материально-технического снабжения МО США (Defense Logistics Agency – DLA). Заказать модули можно у официального представителя Crane Electronics в России – компании ПРОСОФТ. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234-0636

WWW.SOEL.RU

9

© СТА-ПРЕСС

торам по классам H (категория качества military) и К (категория качества Space). Значение суммарной накопленной дозы до 100 крад (по объёмному кремнию) в соответствии с требованиями технических условий MIL-PRF-38534F. Гарантируется отсутствие одиночных эффектов при линейных потерях энергии ионов 40 МэВ·см2/мг. Габаритные размеры модуля 76,33 × × 38,23 × 10,16 мм, вес 86 г (макс.). Заказать модули можно у официального представителя Crane Electronics в России – компании ПРОСОФТ. www.prosoft.ru Тел.: (495) 234-0636

07.10.2013 9:02:22

РЫНОК

АРГУССОФТ – 20 лет на рынке дистрибуции электронных компонентов

В 1993 году компания подписала дистрибьюторское соглашение с ANALOG DEVICES, мировым лидером в области разработок и производства интегральных микросхем для обработки сигналов. Этот исторический факт определил дальнейший путь, превратив небольшое структурное подразделение многопрофильной фирмы в эффективную компанию. «Аргуссофт» вместе с российским рынком электронных компонентов прошёл все стадии развития –

перестройку. Одним из первых успешно реорганизованных подразделений стал склад, получивший современное оборудование и автоматизированное программное обеспечение, позволяющее осуществлять оперативный и точный учёт продукции, производить приём и отгрузки в кратчайшие сроки и с нулевыми ошибками. В этом году склад компании успешно прошёл аудит по требованиям Analog Devices, одного из ведущих партнёров-поставщиков,

от младенческо-бессознательной, через «детское» бурное развитие, к нынешнему «взрослому» состоянию, когда рынок уже сформирован, экстенсивного роста уже давно не наблюдается, а возможности для улучшения положения на рынке могут быть связаны с продуманной деятельностью и эффективной реализацией задуманного. Так, что же такое «Аргуссофт» сегодня? В 2012 году внутри компании начался масштабный процесс реорганизации и обновления. Опираясь на высокопрофессиональную финансовую службу и департамент планирования, компания, оставаясь всё время прибыльной, начала масштабную внутреннюю

и получил высшую оценку, удовлетворив все критерии проверки одного из лидеров мировой индустрии электронных компонентов. Совершенствование работы службы закупок и логистики позволило компании наладить чёткий процесс оперативного размещения заказов у широкого числа поставщиков и получения продукции из разных стран мира. По основным брендам, представляемым компанией «Аргуссофт», продукция поставляется непосредственно с заводов-изготовителей, что позволяет гарантировать заказчикам высочайшее качество и оригинальность происхождения поставляемой продукции. На

10

Sborka_SoEL_8_2013.indb 10

WWW.SOEL.RU

большинство поставляемых компонентов компания готова по заявкам заказчиков предоставить Сертификаты соответствия, подтверждающие качество и происхождение продукции. Смена в 2012 году генерального и коммерческого директоров позволила обновить состав службы продаж, наладить процесс набора новых сотрудников, пригласить активных, энергичных и квалифицированных специалистов. В настоящее время большое внимание уделяется процессу обновления Инженерного центра компании. Именно сюда направлены целевые инвестиции: закуплено оборудование, выделены площади, получены материалы и оценочные комплекты от компаний, продукцию которых «Аргуссофт» представляет на рынке (Analog Devices, Traco Power, Atmel, Adesto, Bourns, XMOS, Honeywell (Sensing and Controls), Littelfuse и др.) Ожидается, что к концу года штат Инженерного центра будет полностью укомплектован и начнётся полноценная, эффективная работа. Как и прежде, большое внимание уделяется процессу обучения сотрудников и повышению их профессионального статуса. Регулярно проводятся технические тренинги, позволяющие сотрудникам сферы продаж повышать свой технический уровень, получать представление о продукции, предлагаемой заказчикам. Помимо технических тренингов внимание акцентируется на профессиональных тренингах, позволяющих специалистам компании получать новые знания и навыки, способствующие повышению их профессиональных компетенций. Приглашение в 2013 году директора по развитию дало новый импульс процессу реорганизации. Внутри компании были проведены преобразования службы развития, сформирован Центр компетенций, состоящий из брендменеджеров – высококлассных специалистов, представляющих продукцию партнёров-поставщиков, с кем «Аргуссофт» имеет дистрибьюторские соглашения, и специалистов Инженерного центра, осуществляющих техническую СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

В этом году компания «Аргуссофт» отпраздновала 20-летие своей деятельности на рынке дистрибуции электронных компонентов.

07.10.2013 9:02:26

РЫНОК

Ведутся переговоры и с рядом других известных компаний-производителей электронных компонентов. До конца 2013 года ожидается подписание ещё одного-двух новых соглашений. Ещё одним существенным шагом вперёд стало создание группы компаний «Аргуссофт», позволяющей объединять ресурсы разных организаций для реализации разного рода задач. В настоящее время в ARGUSSOFT Group входят собственно ООО «Аргуссофт», ООО «Компонент Трейдинг», компания, созданная в начале 2013 года под развитие нового бизнеса. Первым шагом «Компонент Трейдинг» на рынке стало заключение соглашения с Analog Devices на прямые поставки в Россию продукции аэрокосмического назначения на условиях полной прозрачности. Ещё одна компания ARGUSSOFT Group – это CorePartners, основное направление деятельности которой – разработка и распространение программного обеспечения. CorePartners имеет 5 офисов в России и Украине, где трудятся свыше 100 разработчиков. В частности, все информационные системы, включая складские, используемые внутри ARGUSSOFT Group, созданы и продолжают создаваться специалистами компании CorePartners. Что касается основных усилий, прилагаемых группой компаний «Аргуссофт» на рынке дистрибуции электронных компонентов, они, как и с самого начала, сфокусированы на работе СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 11

с заказчиками из сферы промышленной электроники. На них приходится около половины всех продаж. Вторая половина идёт в адрес предприятий, представляющих системы безопасности, включая системы охраны и сигнализации, системы проводных и беспроводных телекоммуникаций, телематику и медицинскую электронику. В настоящее время «Аргуссофт» работает более чем с 2500 предприятий, находящихся на всей территории Российской Федерации. Головной офис компании находится в Москве. Поддержка всех заказчиков осуществляется как из Москвы, так и из региональных офисов, расположенных в Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Новосибирске и Казани. В рамках развития компании намечено расширение существующих офисов и значительное увеличение их числа. Заказчики ценят «Аргуссофт» за понимание особенностей их деятельности, шаги навстречу их возрастающим требованиям, особенно касающимся доступности поставляемой продукции и её высокого качества. В случае необходимости поставок продукции в адрес заказчиков, выполняющих государственный заказ, «Аргуссофт» имеет договорные отношения с компанией, обладающей всеми необходимыми полномочиями для осуществления такого рода поставок с оформлением всех необходимых в рамках данных поставок документов. Поставщики считают «Аргуссофт» надёжным партнёром, умеющим: ● профессионально представлять их интересы в России, предлагая продук-

●

цию инженерам, создающим новые конечные изделия и системы; помогать этим инженерам успешно испытывать и внедрять самую совре-

менную элементную базу в новые изделия; ● поставлять необходимую продукцию в нужные сроки. Вместе с тем размещение «Аргуссофтом» долгосрочных заказов в соответствии с потребностями своих заказчиков помогает компаниям-производителям эффективно использовать свои производственные мощности и предлагать продукцию по оптимальным ценам и в нужные заказчикам сроки. За прошедшие 20 лет торговая марка «Аргуссофт» стала гарантией инноваций и качества на российском рынке. На празднике, посвящённом 20-летию дистрибьюторской деятельности компании «Аргуссофт», были отмечены главные составляющие долговременного успеха компании на рынке: профессионализм, ориентация на главные человеческие ценности при ведении бизнеса – взаимное доверие, взаимную открытость и постоянное стремление к совершенствованию, а также динамика движения. На них, как на «трёх китах», ARGUSSOFT Group видит своё будущее на рынке в течение долгого времени. И компанию в этом поддерживают её сотрудники, партнёрыпоставщики продукции и ключевые заказчики.

ARGUSSOFT Group Тел.: (495) 660-2855 E-mail: cmp@argussoft.ru http://www.argussoft.ru/ http://www.comptrading.ru/

WWW.SOEL.RU

11

© СТА-ПРЕСС

поддержку и помогающих заказчикам сделать выбор продукции при работе над новыми проектами. Дополнительные усилия были направлены на поиск и получение новых линий поставок, подписание новых дистрибьюторских соглашений. В 2013 году уже заключено партнёрское соглашение с компанией TUSCONIX (США), мировым лидером в области компонентов для СВЧприложений. Поставки продукции этой компании уже начались. В сентябреоктябре ожидается подписание соглашения с компанией NESSCAP (Южная Корея), разработчиком и производителем ионисторов, или, как они называются вне России, ультраконденсаторов (суперконденсаторов). Предложение на рынок этой продукции продолжает традиции инноваций, начатые 20 лет назад с представления продукции Analog Devices, позволившей компании «Аргуссофт» завоевать имя и авторитет на российском рынке.

07.10.2013 9:02:29

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Многоядерные вычислительные среды и безопасное ПО Часть 1 Пол Паркинсон, Wind River Перевод Николая Горбунова

ВВЕДЕНИЕ Изначально большинство систем, к которым предъявлялись повышенные требования с точки зрения функциональной и информационной безопасности (в англоязычной терминологии «safety» и «security», соответственно), а также защищённости, реализовывались на одноядерных процессорах. Типовым способом удовлетворения растущих требований к производительности для таких систем было увеличение тактовой частоты. Однако к настоящему времени резервы этого сравнительно простого метода практически исчерпаны, и сегодня для повышения производительности всё чаще используются многоядерные процессорные архитектуры. Кроме перехода к многоядерным процессорам существует несколько других приёмов повышения безопасности, защищённости и производительности встраиваемых систем. Некоторые из них развиваются независимо, в то время как другие определённо взаимосвязаны — рост производительности процессоров обусловливает способность выполнять на одном и том же процессоре несколько приложений одновременно, что, в свою очередь, отражается на процедуре сертификации.

Приложение 1 Уровень B

В данной статье описываются современные направления развития технологий безопасности и процессорных архитектур, затрагиваются вопросы применимости многоядерных процессоров в системах с повышенными требованиями к функциональной и информационной безопасности. Обсуждаются связанные с этим трудности, роль технологий виртуализации в вопросах безопасности и возможность сближения методов обеспечения безопасности, защищённости и повышения производительности за счёт использования многоядерных архитектур, способного привести к выработке унифицированного подхода.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Роль программного обеспечения (ПО) в системах с повышенными требованиями к безопасности в последнее время резко возросла. Скажем, в военной авиации постоянно растущий объём требований к возможностям летательных аппаратов (ЛА) привёл к взрывному росту номенклатуры и сложности систем авионики, призванных обеспечить превосходство в воздухе. В качестве примера таких систем можно привести коллиматорные дисплеи, электронные картографи-

Приложение 3 Приложение 2

Уровень D

Уровень C

ARINC 429, MIL-STD-1553 и т.п.

Рис. 1. Авионика с «федеративной» архитектурой

12

Sborka_SoEL_8_2013.indb 12

WWW.SOEL.RU

Приложение 4 Уровень A

ческие системы, нашлемные системы целеуказания, системы радиоэлектронного противодействия… Некоторые бортовые электронные системы в настоящий момент достигли такого уровня, что способны существенно снижать рабочую нагрузку на пилота, например, модуль распознавания речи истребителя Eurofighter Typhoon позволяет управлять «некритичными» функциями самолёта при помощи голосовых команд. По мере того как возможности таких систем продолжают развиваться, повышается вероятность использования их лётчиком для выполнения изначально непредусмотренных задач: скажем, использования электронной картографической системы для полётов на малых высотах при сложном рельефе или плохой видимости. Это автоматически переводит такую систему в разряд критических по функциональной безопасности (safety critical). С ростом функциональных возможностей систем авионики соответственно вырос и объём применяемого в них программного кода. В 80-х годах XX века объём программного кода, применяемого в типовом серийном истребителе, составлял около 100 тысяч строк. К концу 90-х в истребителях следующего поколения он достиг 1 млн строк. Один же из истребителей текущего поколения, F-35 Lightning, содержит более 5 млн строк кода.

АВИОНИКА

С

«ФЕДЕРАТИВНОЙ»

АРХИТЕКТУРОЙ

В 1980-х годах в архитектуре систем военной авионики использовался т.н. «федеративный» подход, при котором каждая функциональная единица реализовывалась на отдельном процессоре (см. рис. 1). Неотъемлемым свойством такого подхода является надёжная изоляция приложений друг от друга и, как следствие, изоляция сбоев (т.е. сбой одного приложения не может вызвать сбой в другом), но ему свойственны и ряд недостатков. Например, для него СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

В статье представлены современные направления развития технологий безопасности и процессорных архитектур. Затрагиваются вопросы применимости многоядерных процессоров в системах с повышенными требованиями к функциональной и информационной безопасности.

07.10.2013 9:02:32

характерна высокая стоимость техобслуживания и ремонта (ТОиР), т.к. во всех точках обслуживания приходится одновременно хранить полный набор ЗИП для всех конструктивно-сменных блоков (КСБ), плюс для их диагностики, замены и ремонта требуется обучение персонала. «Федеративная» архитектура также избыточна с точки зрения массогабаритных характеристик и потребляемой мощности, т.к. в рамках данного подхода каждому приложению полагается выделенный процессор, расположенный в выделенном КСБ, а он занимает пространство и потребляет энергию. Это, в свою очередь, выливается в дополнительные требования к межблочным кабельным соединениям, ещё более увеличивая общую массу системы. Ещё одним примечательным недостатком «федеративной» архитектуры, который легко упустить из виду, является её неустойчивость к проблеме

друга. В случае «федеративной» архитектуры это означает множество процессоров с различными архитектурами и множество различных одноплатных компьютеров на их основе. Это усложняет и удорожает процесс контроля ЗИП (за счёт низкой степени унификации КСБ) и усугубляет проблему устаревания (за счёт увеличения вероятности снятия компонентов с производства). Проблема устаревания оборудования особенно обострилась в последнее десятилетие, после выпущенного в 1994 году министром обороны США меморандума об использовании коммерческих (COTS) компонентов в оборонных программах. Это позволило оборонному сектору получить доступ к новинкам полупроводниковых технологий, возникающим под влиянием промышленного и телекоммуникационного (а впоследствии и потребительского) рынков, а также существенно сократить издержки производства. Однако у этого явления была и оборот-

коммерческого и промышленного класса обычно значительно короче, т.к. это позволяет производственным программам быстро адаптироваться к появлению новых, более производительных и менее энергопотребляющих процессоров по мере их разработки и производства. В свете вышеперечисленного выбор процессоров для оборонных программ стал требовать особой тщательности. К счастью, ряд производителей полупроводниковых приборов предусматривают для некоторых типов процессоров удлинённые ЖЦ, что позволяет применять их в оборонных программах при сохранении планов регулярного обновления основных продуктовых линеек. Но даже этот выход не признаётся идеальным, т.к. в оборонных программах предпочтение отдаётся стандартизации конкретной процессорной архитектуры в рамках всего проекта – иначе пришлось бы многократно повторять процедуру сертификации оборудования по

устаревания оборудования. Современный военный ЛА содержит множество электронных систем, с большой вероятностью разработанных различными производителями независимо друг от

ная сторона, заключавшаяся в снижении доступности процессоров военного класса с длинным жизненным циклом (ЖЦ), необходимым для оборонных программ. ЖЦ процессоров

стандарту DO-254 (а значит, и предусмотренную в её рамках верификацию процессора), а также сертификации ПО по функциональной безопасности согласно стандарту DO-178C.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 13

WWW.SOEL.RU

13

© СТА-ПРЕСС

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

07.10.2013 9:02:32

Основной предпосылкой для развития концепции интегрированной модульной авионики (ИМА, см. рис. 2) за последние десять лет послужила проблема снижения массогабаритных характеристик и потребляемой мощности. Концепция ИМА подразумевает использование унифицированных

вывод, либо администратор виртуальных устройств, предоставляющий приложениям дополнительный уровень абстракции и преобразующий параллельный доступ разделов к устройствам в последовательный. Для прочих разделяемых ресурсов, например кэша 2-го уровня, необходимо построить реализацию так, чтобы изменение содержимого кэша, вызванное работой отдельных приложений, не влияло на | х характеристабильность временны

на рисунке 2, требующее уровня D по DO-178C), содержат большой объём кода. В рамках же концепции ИМА приложению достаточно пройти тестирование и сертификацию на уровень не более необходимого, что существенно снижает трудоёмкость и стоимость сертификационных работ. Здесь, правда, есть пара нюансов. Во-первых, используемый программный модуль, обеспечивающий нужный уровень абстракции (обычно это ОС, реализованная согласно ARINC 653 или стандартам ASAAC), должен пройти сертификацию по самому высокому из требуемых приложениями уровней безопасности. Во-вторых, необходимо провести тщательный анализ изоляции разделов, чтобы удостовериться, что как пространственная, так и временна| я изоляция реализованы корректно. Это даст уверенность, что, например, сбой вышеупомянутого приложения уровня D не повлечёт за собой нарушение работы остальных

вычислительных платформ, выполняющих несколько приложений параллельно, тем самым снижая общее количество вычислительных устройств на борту ЛА по сравнению с «федеративным» подходом (хотя в ряде ЛА из соображений эффективности или обратной совместимости может использоваться комбинация «федеративных» и ИМА-систем). ИМА базируется на двух базовых принципах – пространственной и временной изоляции приложений. Это гарантирует отсутствие влияния отдельных приложений друг на друга как случайно, так и преднамеренно. Изоляция приложений в ИМА реализуется за счёт особой программной архитектуры (ARINC 653 предписывает разделение времени между диспетчеризуемыми программными разделами) и использования аппаратного диспетчера памяти (для изоляции разделов друг от друга). В дополнение к изоляции приложений в процессе проектирования системы необходимо убедиться, что приложения не будут влиять друг на друга посредством доступа к разделяемым ресурсам (т.н. «сцепление» (coupling) – проверки на предмет его отсутствия предписываются стандартом DO-178C). В случае наличия разделяемых устройств ввода/вывода в программной архитектуре системы должен быть предусмотрен либо отдельный раздел, отвечающий за ввод/

стик системы, например, времени переключения контекста между разделами. Типовым решением здесь является сброс кэша в конце каждого временно|го интервала раздела (partition timeslot, он же «младший кадр» (minor frame) в терминах ARINC 653), в результате время старта следующего раздела становится предсказуемым. ИМА-подход на настоящий момент достиг необходимого уровня технологической готовности (technology readiness level, TRL) для широкого применения в программах гражданской и военной авионики. Это подтверждается более чем 200 глобальными программами, использующими ARINC 653. ИМА-архитектура используется даже для одновременной реализации нескольких приложений с различными требованиями к функциональной безопасности на одном и том же процессоре, например, в заправщике Boeing КС-767 и авиалайнере Boeing 787 Dreamliner, использующих ОС реального времени (ОСРВ) VxWorks 653. Обычно если система содержит в себе несколько приложений (или функциональных единиц) с разными уровнями безопасности, вся система разрабатывается и сертифицируется с учётом максимального необходимого уровня. Этот подход может оказаться очень дорогостоящим, особенно если приложения, не предъявляющие высоких требований к безопасности (например, приложение 3

приложений, выполняющихся на этом же процессоре. Концепция ИМА также предоставляет мощный потенциал для обновления (и добавления) приложений на протяжении жизненного цикла системы с минимальными затратами. Это важный момент, т.к. внесение изменений в уже сертифицированную систему означает проведение повторной сертификации. В частности, исследования показали, что «стоимость внесения изменения в систему пропорциональна размерам системы, а не размерам самого изменения». Для больших систем это может иметь катастрофические последствия с точки зрения величины дополнительных затрат при внесении изменений. Несмотря на то, что концепция ИМА подразумевает модульную структуру системы, само по себе это ещё не гарантирует модульную и инкрементную сертификацию. Например, если в реализации ИМА бинарные модули разделов и ОСРВ скомпонованы в единый монолитный образ, инкрементная сертификация такого решения будет невозможна. Однако было показано, что ИМА-платформа на базе ARINC 653, пригодная для инкрементной сертификации, может быть реализована при наличии надёжной изоляции разделов и механизма ролевого конфигурирования (role-based configuration) в рамках стандарта DO-297/ED-124. В этом случае кон-

Приложение 1

Приложение 3 Приложение 2

Уровень B

Уровень D

Приложение 4 Уровень A

Уровень C

Программный уровень абстракции Процессор

Рис. 2. Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА)

КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ

14

Sborka_SoEL_8_2013.indb 14

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

07.10.2013 9:02:35

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Традиционно повышенная информационная безопасность была привилегией специализированных систем, используемых в секретных правительственных и оборонных системах, разработанных в рамках «Оранжевой книги» (стандарт 5200.28-STD, одна из книг «Радужной серии» министерства обороны США) или «Общих критериев» (стандарт МЭК 15408). Однако в последнее время наблюдается растущая тенденция к повышению безопасности систем, используемых в критической инфраструктуре, включая разработку и сертификацию систем повышенной безопасности, соответствующих в рамках «Общих критериев» уровням EAL 4 и выше. Эта тенденция вызвана растущими оценками угроз кибертерроризма и кибер-

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 15

войн, предсказанных Объединённым комитетом по экономическим вопросам Конгресса США (U.S. Congressional Joint Economic Committee, JEC) ещё в 2002 году. Тогда же было отмечено, что степень угрозы кибертерроризма для национальной инфраструктуры США ещё не осознаётся в полной мере, а также что «уязвимость авиации и прочих элементов ключевой инфраструктуры существенно повышается за счёт их неотделимости от глобальных каналов коммуникаций». Степень реализуемости кибератак и их потенциального влияния на ключевую инфраструктуру резко возросла в последние годы за счёт расширения сферы персональных коммуникаций, электронной коммерции и прочих деловых и промышленных операций в интернет-пространстве. Основными областями применения приложений повышенной информационной безопасности до сих пор являются правительственные и оборонные программы. Это объясняется

1981 года, в котором утверждается, что «системы должны быть безопасными». В результате Директоратом информационной безопасности Агентства национальной безопасности (National Security Agency, NSA) был выпущен Меморандум о безопасности национальных телекоммуникационных и информационных систем (National Security Telecommunications and Information Systems Security Policy, NSTISSP) № 11. Этот меморандум предписывает необходимость обеспечения информационной безопасности для всех систем ввода, обработки, хранения, отображения и передачи информации, связанной с национальной безопасностью, а с 1 июля 2002 года он также требует от коммерческих компонентов, применяемых в таких системах, демонстрации необходимого уровня информационной безопасности путём валидации их согласно утверждённым методикам.

политикой правительства США и соответствующей инициативой, выраженной в Исполнительном приказе Президента США № 12333 от 4 декабря

НЕЗАВИСИМЫЕ УРОВНИ

МНОЖЕСТВЕННЫЕ БЕЗОПАСНОСТИ

От ряда правительственных и оборонных систем требуется способность

WWW.SOEL.RU

15

© СТА-ПРЕСС

фигурация системы и разделов задаётся в формате XML, который затем компилируется в бинарный файл конфигурации (т.н. макет системы – system blueprint) и затем компонуется с бинарными модулями ОСРВ и приложений (разделов).

07.10.2013 9:02:35

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ственных независимых уровней безопасности (multiple independent levels of security, MILS, см. рис. 3) была изначально предложена Джоном Рашби (John Rushby) ещё в 1984 году. Однако на то время ни один из доступных на рынке процессоров не имел достаточной производительности — ни для одновременного выполнения множе-

чительно превосходят по производительности процессоры предыдущего десятилетия и обладают достаточной вычислительной мощностью, чтобы выполнять одновременно несколько приложений на одной и той же платформе в отдельных доменах, и при этом снабжены эффективными аппаратными средствами для обеспечения их изоляции. Это делает построение MILS-систем не только технически возможным, но и экономически оправданным. Программное ядро безопасности (separation kernel) строится исходя из четырёх фундаментальных политик.

1. Информационные потоки. Задаёт допустимые информационные потоки между разделами.

2. Изоляция данных. Гарантирует, что раздел не может получить доступ к ресурсам других разделов.

3. Временна| я диаграмма. Обеспечивает выполнение приложений в разделах в запланированные временны| е интервалы.

4. Изоляция сбоев. Обеспечивает отсутствие влияния сбоев одного раздела на работу других. Из этих четырёх постулатов следует архитектура, позволяющая создавать дополнительные компоненты, каждый из которых является неотключаемым (non-bypassable), вери-

ства приложений, ни для надёжной изоляции их друг от друга. Ограничения, связанные с производительностью процессоров, привели к появлению архитектур с множественными одиночными уровнями безопасности (multiple single-level, MSL), в которых различные уровни безопасности разделялись путём разнесения их по отдельным компьютерам (или виртуальным машинам). MSL-концепция позволяет реализовывать подмножества многоуровневой безопасности без необходимости в модификации приложений и ОС, но требует применения дополнительного оборудования. В последние годы сближение между требованиями к производительности для обеспечения нужного уровня безопасности и возможностями полупроводниковых технологий позволило сделать MILS-системы реальностью. Это произошло благодаря неуклонному развитию процессорных архитектур. Современные процессоры зна-

фицируемым (evaluatable), постоянно действующим (always invoked) и неповреждаемым (tamperproof). Эти свойства кратко обозначаются аббревиатурой NEAT1. В дополнение к этому для корректной реализации вышеперечисленного разработчики обязаны предпринять особые меры по минимизации неявных каналов коммуникации между приложениями (т.н. скрытые каналы, covert channels). Например, скрытый канал по времени (covert timing channel) может образоваться, если время выполнения раздела подвержено флуктуациям (jitter). Если разброс времени выполнения раздела достаточно велик, чтобы приложение следующего раздела смогло его распознать, у приложений появляется возможность неявно передавать друг другу логический 0 или 1. Аналогично, скрытый канал по памяти (covert storage channel) может образоваться, если приложение пытается получить доступ к устройству ввода/

«Совершенно секретно»

«Совершенно секретно»

«Секретно», «Совершенно секретно»

(MSL)

(MSL)

(MLS)

Связующее ПО (MLS)

Связующее ПО (MLS)

Связующее ПО (MLS)

Раздел

Режим супервизора MMU, межразделовое взаимодействие, прерывания

Режим пользователя

Микроядро ОСРВ (MILS)

Процессор

Рис. 3. Архитектура с множественными независимыми уровнями безопасности параллельно обрабатывать информацию разной степени секретности – такой подход называется многоуровневой безопасностью (multilevel security, MLS). В последние годы необходимость в этой способности резко возросла в связи с необходимостью информационного обеспечения союзнических операций НАТО, когда от систем требуется, с одной стороны, обрабатывать секретные данные национального и союзнического уровня одновременно, а с другой – поддерживать необходимую степень изоляции. В прошлом такие многоуровневые системы реализовывались при помощи множества физически разобщённых компьютеров, сетей и дисплеев. Всё это оборудование, кроме дороговизны, обладало ещё и существенной избыточностью с точки зрения массогабаритных характеристик и потребляемой мощности. Было предпринято множество попыток реализации подобной системы на базе унифицированной вычислительной платформы, работающей под управлением нескольких монолитных безопасных ОС, но сроки разработки и сертификации такой системы были оценены более чем в 10 лет. Призванная решить эту проблему архитектурная концепция множе-

Детали реализации ядра безопасности VxWorks MILS описаны в статье Пола Паркинсона (Paul Parkinson) и Арлена Бейкера (Arlen Baker) «Разработка систем повышенной

безопасности на базе архитектуры MILS» (High Assurance Systems Development Using the MILS Architecture), см. http://www.windriver.com/whitepapers.

16

Sborka_SoEL_8_2013.indb 16

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

1

07.10.2013 9:02:39

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ГИПЕРВИЗОРЫ И ВИРТУАЛИЗАЦИЯ

Современные реализации ядер безопасности на основе архитектуры MILS могут использовать аппаратные функции виртуализации, предоставляемые последними поколениями процессоров. Это позволяет, к примеру, реализовать гипервизор, способный выполнять гостевые ОС поверх ядра безопасности MILS в виртуализированной среде. Такой подход автоматически обеспечивает MILS-ядру изоляцию данных и контроль над информационными потоками, позволяя исключить появление скрытых каналов. Здесь часто используются два подхода: полная виртуализация (full virtualization), когда гостевая ОС выполняется без изменений за счёт использования аппаратной поддерж-

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 17

ки виртуализации, и паравиртуализация (paravirtualization), когда аппаратной поддержки виртуализации нет, и гостевая ОС модифицируется с целью повышения общей производительности. В случае полной виртуализации процессор аппаратно позволяет MILS-ядру выполнять гостевые ОС в виртуальных машинах (разделах) с пониженным уровнем привилегий, тем самым предотвращая доступ гостевых ОС к физической памяти за пределами соответствующих виртуальных машин. Изоляция данных реализуется и контролируется полностью MILS-ядром и не требует от разделов никаких действий. В случае паравиртуализации (на процессорах, у которых аппаратная поддержка виртуализации отсутствует) MILS-ядро обеспечивает изоляцию данных посредством аппаратного диспетчера памяти процессора (memory management unit, MMU). Помимо всего прочего, чтобы виртуализация была безопасной, гипервизор должен быть реализован корректно. В противном случае появляется возможность нарушения требова-

ний безопасности или внешней атаки, наподобие продемонстрированной в 2008 году Йоанной Рутковской (Joanna Rutkowska) и Рафалом Войчуком (Rafal Wojtczuk) атаки по схеме Blue Pill на гипервизор Xen, используемый в корпоративных сетях. По этой причине ряд MILS-ядер разрабатывается с использованием формальных методов. Это необходимо для прохождения сертификации согласно «Общим критериям» по высшим (EAL 6+) уровням информационной безопасности.

MILS-архитектура на основе гипервизора также может быть использована в сочетании с ролевой моделью разработки, предусмотренной стандартом DO-297/ED-124. Эта модель подразумевает разделение ролей между поставщиками компонентов решения («поставщик платформы», «разработчик приложения», «интегратор») и предоставляет необходимый потенциал для инкрементной модификации. В следующем номере журнала «Современная электроника» речь пойдёт о многоядерных процессорах.

WWW.SOEL.RU

17

© СТА-ПРЕСС

вывода, кэшу или какому-либо другому разделяемому устройству, а оно оказывается недоступно, потому что в настоящий момент используется другим приложением. Это также предоставляет приложениям потенциальный канал обмена двоичными значениями.

07.10.2013 9:02:39

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Современные ключи и идентификаторы систем кодового доступа Андрей Кашкаров (Санкт-Петербург)

ВВЕДЕНИЕ Сегодня проблемы обеспечения безопасности граждан и государства, персональных и общественных секретов не потеряли свою актуальность: чем больше секретов, тем больше желания и возможностей их раскрыть. Подтверждением тому являются как разнообразные системы кодирования и передачи данных, так и устройства, перехватывающие и дистанционно декодирующие эту информацию. Простейший пример – подделки бесконтактных карт, в том числе с банковскими приложениями. Строение смарт-карт, их возможности, технические характеристики и варианты практического применения различных систем безопасности на основе «меток» (ключей) и считывающих устройств (ридеров) описаны в предлагаемой статье.

КОНТАКТНЫЕ,

БЕСКОНТАКТНЫЕ

И КОМБИНИРОВАННЫЕ СМАРТ-КАРТЫ

Смарт-карта (smart-card, proximity, ProxCard, метки, транспондеры) – это, прежде всего, носитель информации. Электронные технологии, встроенные в смарт-карты (далее СК) и связанное с ними оборудование, ускорили процедуры аутентификации и, как следствие, последующие действия: проведение платежа, отказ от обслуживания, пропуск на объект или ограничение доступа и др. Системы кодового доступа начали широко использоваться не так давно. Кодовые замки (механические и с применением электроники), «нагруженные» на электромагнитные замки (соленоиды, соединённые с дверной защёлкой) были весьма популярны в 1970–1990-х годах. Чтобы открыть такой замок требовалось ввести последовательность цифр. Очевидно, такие замки не являлись панацеей от несанкционирован-

18

Sborka_SoEL_8_2013.indb 18

ного проникновения. Кроме того, в эру ТТЛ- и КМОП-микросхем в DIP-корпусах электронные устройства нельзя было оперативно перепрограммировать. С развитием микроэлектроники, микропроцессоров и персональных компьютеров (ПК) появились новые устройства кодового доступа. Они были весьма разнообразны – от набора кодовой комбинации (логина и пароля) посредством клавиатуры, до брелока – ключа с USB-разъёмом, который являлся идентификатором пользователя ПК или программного обеспечения. Разновидностью такого кодового устройства являлся считыватель (сканер) папиллярных линий с пальца пользователя. Некоторые из описанных выше систем применяются до сих пор. Но наряду с ними появились устройства намного более эффективные и защищённые, а также приборы, которые могут копировать метки/ключи (что делает защиту весьма уязвимой). Контактные кодовые устройства типа ibutton (cм. рис. 1) широко применяются в бытовых приложениях, домофонах и других относительно простых системах доступа. «Таблетки» iButton имеют встроенную энергонезависимую память объёмом от 256 бит до 8 кбайт (см. табл. 1). Считыватели карт iButton оснащены 2 контактами из нержавеющей стали. Производство таких считывателей может быть организовано практически везде. Метки iButton не боятся прямого попадания влаги. Отдельные модели обладают дополнительными свойствами. Например, прибор DS1991 (объём памяти 1 кбит) имеет защиту памяти паролем, DS1963S (4 кбит) позволяет реализовать дополнительные методы активной аутентификации. Интерфейс карт iButton описан в литературе и позволяет соединять несколько считывателей в единую двухпроводную сеть.

WWW.SOEL.RU

Примерно в то же время появились новые носители информации в различном исполнении: на основе картона, пластика, пластиковых брелоков, полупроводниковых кристаллов, вживляемых в органическую ткань. В отличие от iButton, карты-метки (СК) на пластиковой и особенно бумажной основе боятся влажности. Карта со встроенным микроконтроллером, содержащим процессор, память и интерфейс ввода-вывода, работает под управлением встроенной операционной системы (ОС). Форма карты, контактов, их расположение и назначение регламентированы стандартами ISO/IEC 7816 и ISO/IEC 7810. Бесконтактные СК (БСК) более удобны, они могут срабатывать на расстоянии до 10 см от ридера (для надёжного взаимодействия между меткой и ридером достаточно воздушного зазора в 3...5 см). БСК содержат микроконтроллер и антенну, передача данных осуществляется (в зависимости от стандарта) на частоте 125 кГц или 13,56 МГц (в коммуникационных системах на основе технологий ближнего поля). Стандарты описаны в спецификациях ISO 18902, ISO 7816, ISO 14443 варианты А и В (реже ISO/IEC 15693), EMV (Europay, MasterCard, Visa), IPC/JEDEC J-STD-020C, ECMA 340, ETSI TS 102190 и др. Автор рекомендует внимательно ознакомиться с описанием стандарта ISO 7816, в котором прописаны требования к конструкции и технологии обмена цифровыми данными для контактных СК (на основе контактных кристаллов) и ISO 14443А и 14443В – для бесконтактных карт. Дополнительная информация изложена на интернетстранице http://www.smart-park.ru/ index.php/products/smartcards.htm. Там же приведены технические характеристики наиболее популярных микроконтроллеров, которые могут пригодиться разработчикам и пользователям систем безопасности и кодового доступа. Системы, работающие на основе технологии Java, регламентированы стандартами Java Card 2.1.1 и выше. Если СК оснащены одновременно и контактным (кристалл), и бесконтактным интерфейсом, их называют дуальными. Комбинированные СК СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

В статье описаны технические характеристики и варианты практического применения систем безопасности на основе смарт-карт. Использование карточных ключей – носителей информации – обеспечивает надёжную охрану зданий, помещений и автомобилей при минимальных затратах на установку систем.

07.10.2013 9:02:43

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Метка-таблетка iButton

Рис. 2. Разобранная карта стандарта EM Marine

Рис. 3. Внешний вид меток в различном исполнении

(комби-карты) имеют два или несколько микроконтроллеров – встроенных микросхем. В бесконтактных смарткартах применяется технология RFID (Radio Frequency IDentification, радиочастотная идентификация) – способ автоматической идентификации объектов, при котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в метках. Основными направлениями развития технологий RFID с использованием бесконтактных пластиковых карт являются:

ды и большой влажности). Карты всех стандартов можно визуально отличить друг от друга по некоторым признакам. Например, карта EM Marine имеет на поверхности набор цифр – уникальный номер (см. рис. 3 справа вверху), в то время как более защищённая карта (с теми же типоразмерами) Mifare не содержит никаких надписей. При длительной эксплуатации цифры на пластике постепенно стираются. Карта стандарта HID (или ProxCard II) тоже может иметь на пластиковом носи-

ных системах. Корпус обшит натуральной кожей, на брелок можно нанести логотип (см. рис. 3 слева). Метка допускает шифрование данных и обеспечивает до 100 000 циклов перезаписи. Она отличается от меток своего класса повышенной скоростью транзакции (быстродействием), измеряемой в миллисекундах. Объём внутренней памяти составляет 1024 байт. С данной метки невозможно сделать копию простым перезаписыванием информации (приложив к считывателю с запоминанием

контроль доступа и учёт рабочего времени на предприятиях; ● платный доступ на автомобильные парковки, подъёмники, аттракционы и т.д.; ● платежи за пользование общественным транспортом; ● замена или дополнение банковских и дисконтных карт с магнитной полосой. Инициализация СК происходит с помощью системы контроля удалённого доступа (СКУД).

теле набор цифр, но отличается наклейкой на лицевой стороне «HID»; с обратной стороны пластика та же аббревиатура нанесена методом тиснения. Это – главное отличие одинаковых по внешнему виду карт с габаритными размерами стандарта Clamshell. Типоразмер СК и БСК определяется стандартом ISO/IES 7816-2. С ключами в ином исполнении (браслеты, брелоки и др.) дело обстоит сложнее из-за меньших возможностей поместить и прочитать надписи. Карты (метки в других исполнениях) отличаются друг от друга и радиочастотой, на которой происходит взаимодействие с ридером. Рассмотрим некоторые примеры.

кода). Сохранение данных памяти до 10 лет – общая характеристика меток этого класса. Технические характеристики ключаметки модели IL-07MK фирмы IronLogic стандарта Mifare: ● микросхема Mifare S50; ● рабочая частота 13,56 МГц; ● тип карты – чтение/запись; ● время транзакции 164 мс; ● объём памяти 1024 байт; ● материал корпуса – натуральная кожа; ● цвет – чёрный; ● габаритные размеры 40,0 × 40,0 × × 5,5 мм; ● диапазон рабочих температур –30...+50°С.

МЕТКИ

МЕТКИ

КАРТЫ

НА ОСНОВЕ ПЛАСТИКА

И КАРТОНА

Существуют три основных стандарта карт: Mifare, EM Marine и HID. Первый хорошо защищён, но главное его отличие от EM Marine, который разработан раньше, состоит в возможности записи на метку (носитель, карту, идентификатор, ключ) дополнительной информации. Карта EM Marine не имеет памяти для хранения информации, поэтому не перезаписывается. Стандарт носителя определяется микросхемой (микроконтроллером). На рисунке 2 представлен вид разобранной карты стандарта EM Marine. Сегодня имеют хождение СК всех трёх стандартов в различных исполнениях (пластиковая карта, в том числе с прорезью для крепления, брелок, таблетка, в том числе прорезиненный «наручный» браслет с меткой – для эксплуатации в условиях водной среСОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 19

СТАНДАРТА MIFARE Брелок стандарта Mifare используется в дисконтных, платёжных и транспорт-

СТАНДАРТА EM MARINE Карта IL-05ELR стандарта EM Marine (производитель IronLogic) с проре-

Таблица 1. Технические характеристики некоторых устройств iButton Код прибора DS1971

Объём памяти, бит

Дополнительные возможности

256+64, ЭППЗУ

DS1973

4K, ЭППЗУ

DS1991

1344, энергонезависимое ОЗУ

DS1992

1K, энергонезависимое ОЗУ

DS1993

4K, энергонезависимое ОЗУ

Защита памяти паролем

DS1994

4K, энергонезависимое ОЗУ

DS1995

16K, энергонезависимое ОЗУ

Часы

DS1996

64K, энергонезависимое ОЗУ

DS1963S

4K, энергонезависимое ОЗУ

Усиленная аутентификация, счётчик циклов записи

DS1963L

4K, энергонезависимое ОЗУ

Счётчик циклов записи

Все приборы имеют уникальный номер, 64 бита WWW.SOEL.RU

19

© СТА-ПРЕСС

●

07.10.2013 9:02:43

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

зью для крепления имеет повышенную дальность считывания данных (на 50–70% относительно обычной карты данного стандарта). Эти сведения предоставлены разработчиками и подлежат проверке. На БСК нанесён её уникальный номер, что может упростить поиск в базе данных при отсутствии считывающего устройства. Для персонализации карты можно использовать наклейку (см. рис. 3). Технические характеристики идентификатора IL-05ELR IronLogic стандарта EM Marine: ● микросхема EM Marine; ● рабочая частота 125 кГц; ● тип карты – только чтение; ● формат печати ID – xxx, xxxxx; ● материал корпуса – пластик ABS; ● цвет корпуса – белый, серый, зелёный, синий; ● габариты (Д × Ш × Т) 86,0 × 54,0× 1,6 мм; ● диапазон рабочих температур –30...+55°С. Карта идентифицируется по системе Wiegand 26 с рабочей частотой 125 кГц в соответствии с протоколом DS1990A. Разумеется, существуют карты аналогичного типоразмера в стандарте Mifare, оснащённые функционалом чтение/запись, например, IL-05M фирмы IronLogic, которая имеет функции шифрования и антиколлизии, возможность перезаписи до 100 000 циклов и долговечность до 10 лет.

МЕТКИ

TEMIC EM MARINE

СТАНДАРТА

КАК АНАЛОГ

В качестве разновидности БСК стандарта EM Marine существуют метки стандарта Temic – RFID-карты для записи и копирования уникального номера. Они имитируют карты стандарта HID ProxII, EM Marine и других, но работают в диапазоне частот 100–150 кГц. Карта IL-05T той же фирмы IronLogic оснащена кристаллом T5557 и работает на частоте 125 кГц. Реализуя стандарт EM Marine, метка Temic, однако, снаб-

20

Sborka_SoEL_8_2013.indb 20

КОМБИНИРОВАННЫЕ

МЕТКИ Особый (комбинированный) тип – это БСК того же типоразмера IL-06 E&M IronLogic ISO с 2 кристаллами EM Marine + Mifare 1K. Карта может работать с системами сразу двух стандар-

тов, причём заготовка такой карты стоит всего на 20 рублей дороже. Комбинированная карта полезна в тех случаях, когда на одном объекте установлены считыватели разных стандартов. Технические характеристики двухкристальной карты IL-06 E&M IronLogic ISO: ● микросхема EM Marine + Mifare1K; ● рабочая частота 125 кГц + 13,56 МГц; ● тип карты – только чтение + чтение/ запись; ● материал корпуса – ПВХ. Существуют различные по типу метки с «открытым» корпусом (для наполнения). Это означает, что в защищённый от влаги прорезиненный корпус можно установить любой из кристаллов серий EM4100, EM4102, MF1S50, MF1S70, MF Ultralight, T5557, I-Code I, I-Code II, чтобы использовать в устройствах соответствующего стандарта. Бесконтактная СК представленного форм-фактора поддерживает несколько функций (карта доступа, банковская карта, идентификационная метка и др.).

КОНСТРУКЦИЯ

И ЭЛЕМЕНТНАЯ

БАЗА КАРТ

Антенна, как правило, выполнена металлизированными дорожками в виде нескольких спиральных кругов по периметру основы карты (иногда в центре) – пластика или картона. На рисунке 4 антенные дорожки видны на торце пластика.

WWW.SOEL.RU

Обратимся также к рисунку 2, на котором видно внутреннее устройство БСК. Карты, в которых кристалл выведен на поверхность и предназначен для электрического контакта с устройством считывания данных, имеют свои отличия. Кристалл представляет собой микропроцессор со встроенной операционной системой и памятью небольшого объёма (до сотен килобайт). В разное время выпускались 8-, 16- и 32-разрядные микропроцессоры, что определяет и объём внутренней памяти БСК. Самый популярный в своё время кристалл – AE55C1 производства компании Renesas Technology, был 32-разрядным. Память такого кристалла составляла десятки килобайт. Другой популярный микропроцессор – ST19WR66 производства компании ST Microelectronics содержит ПЗУ объёмом 224 кбайт, что обеспечивает хранение операционной системы вместе с программой шифрования данных по стандарту ISO 14443B. Такой кристалл имеет энергонезависимую память, которая используется ОС для хранения персональной информации владельца, включая биометрическую. Именно на основе подобных микросхем (с большим объёмом памяти) реализованы «электронные» паспорта, срок действия которых ограничен 10 годами. Более совершенное устройство, реализованное на основе микроконтроллера АЕ55С1 с масочным ПЗУ, имеет полезный объём памяти 240 кбайт и позволяет повысить плотность хранения кодов и данных по сравнению со «старыми» микросхемами Renesas Technology, ориентированными на БСК без банковского приложения.

ОБЪЁМ

ПАМЯТИ И НОВЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ

Относительно новая версия ОС для семейства микропроцессоров JCOP31 компании IBM поддерживает стандарты шифрования данных AES и ESS (последний обеспечивает повышенный уровень защиты с ключом малой длины). Увеличить объём памяти до 1 Мбайта удалось с помощью разработки кристаллов для БСК с флэш-памятью. Практически, можно сделать одну карту (один пластик) многофункциональным инструментом: электронным пропуском, корпоративным удостоверением и картой с банковским приложением. Возможности конфигурации различных приложений в карте с таким объёмом памяти весьма велики. Удобно и добавлять СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 4. Вид БСК с торца

жена, функционалом чтение/запись и не имеет напечатанного на пластике набора символов. По внешнему виду отличить такую карту от Mifare практически невозможно. Именно поэтому нанесение идентификационного символьного кода на сам пластик является важным отличительным признаком. Например, карту IL-06E IronLogic с микросхемой EM Marine, функционирующую на частоте 125 кГц, также нельзя отличить от IL-05ELR по внешним признакам, хотя она содержит другой микроконтроллер. Все карты внутри одного стандарта взаимозаменяемы: карта EM Marine ISO IL-06E можно заменить картой IL-05ELR, а карту IL-06M IronLogic Mifare ISO – IL-05M IronLogic.

07.10.2013 9:02:49

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ЗАЩИТА

ДАННЫХ Традиционные технологии шифрования данных не ограничиваются AES (Advaced Encryption Standard), SHA (Secure Hash Algorithm) и американской FIPS (Federal Informaion Processing Standards), описание которых не входит в задачи данной статьи. Однако следует упомянуть технологию NFC – связь в ближнем поле (Near Field Communication), которая весьма перспективна в настоящее время для экс-

периментов «продвинутых» пользователей и радиолюбителей, поскольку обеспечивает оперативную и защищённую передачу данных между устройством считывателя и метки на расстоянии до 10 см (заявленное производителем расстояние). Такая система практически не подвержена помехам из-за малого расстояния межу БСК и ридером. Важной особенностью СК с возможностью перезаписи данных является их надёжность при сбоях любой природы. Данные в памяти сохраняются в том же виде, какими они были до начала незавершённой операции изменения и процесса записи. Это свойство называется «атомарностью» изменений данных в памяти. В банковском секторе используются СК на основе операционных систем, перепрограммируемых с помощью языка Java. Эта технология регламентирована отраслевым стандартом VGP (Visa Global Platform), который сегодня весьма популярен в финансовой сфере. Транспондеры (proximity-карты, СК, метки) реализованы в соответствии со стандартом ISO 14443A/B. Они работают (резонируют) на нелицензируемой частоте 125 кГц и 13,56 МГц и никому не мешают, т.к. не вызывают конфликтов с другим электронным оборудованием. Интегрирование в ту же карту (подложку) других электронных компонентов (в соответствии с данным стандартом) не увеличивает толщину носителя (картона). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 21

Микросхемы для таких СК изготавливаются известными компаниями (Atmel, On Track, Inside Contactless и др.). Они работают на определяемой стандартом частоте (см. выше) и вместе с антеннами, встроенными в пластик или картон, превратились в полуфабрикат RFID-системы доступа, функционирующей в соответствии со стандартом ISO 15693-2. Существуют различия между частотами и конструктивным исполнением метки (карты). Каждая метка-устройство RFID содержит кристалл и антенну – в частности, штампованную «катушку». Интересно, что на относительно низких частотах до 145 кГц катушка намотана на настроечный конденсатор, а на более высоких (13,56 МГц) представляет собой несколько токопроводящих дорожек спирали по периметру пластиковой карты. Существуют многоразовые СК, на которые оператор (обычно в кассе метрополитена) с помощью специального устройства – программатора – записывает информацию о количестве поездок и сроке действия СК. Объём перезаписываемой информации в зависимости от технических параметров метки может составлять от нескольких десятков килобайт до нескольких Мбайт. Таким образом, на той же площади карты разработчики

да, контроля перемещений по большой территории сотрудников или грузов, проведения платежей, конфигурирования доступа к проводным и беспроводным сетям Wi-Fi и во многих других случаях. В системах безопасности используются новые решения, автоматизирующие контрольные процедуры и повышающие степень их надёжности. Аутентификация с помощью метки и системы кодового доступа – это предоставление, с одной стороны, и проверка, с другой, доказательств того, что предъявитель метки является именно тем, кому она принадлежит. При совершенствовании систем безошибочной аутентификации становится актуальным комплекс методов, например, сочетание кодового доступа с удостоверением личности, содержащим биометрию, дактилоскопию, особенности лица, голоса и других индивидуальных черт. Такие комплексные методы аутентификации, защиты информации и ограничения доступа обеспечат более надёжное взаимодействие

размещают разное количество композитных блоков. Расширились и функциональные возможности смарт-карт. Считывание и запись данных в метку называют эмуляцией. Чтобы передать данные между NFC-устройствами (смарткартой и системой считывания/записи данных) их надо сблизить на расстояние 4...5 см и менее или, если речь идёт о системах контактного доступа – таблетках для считывателей в старых системах домофонов, – привести в соприкосновение. Этот контакт инициирует работу интерфейса и конфигурирование сети равноправных узлов. Важной особенностью протокола NFC является поддержание режима пассивного соединения (passive mode of communication), который позволяет обеспечить сеанс связи энергией, используя ресурсы только одного из устройств (считывателя, на который подано электропитание). Такая технология активно используется для передачи небольших объёмов данных, доступа на объекты, контроля посещаемости объектов с фиксацией времени прохо-

ПРОГРЕССИВНАЯ

людей и компьютеров. Примером того, что данные системы развиваются, является ввод в действие биометрических паспортов Федеральной миграционной службой России (и другими государствами мира). БИОМЕТРИЯ Сегодня биометрический паспорт на основе одноимённых модулей – совершенно реальная вещь. Системы ограничения доступа, торговые точки, корпоративные пропуска (и учёт посещаемости сотрудников), электронные документы (заграничные биометрические паспорта) с появлением биометрического модуля AT77SM0101BCBO2VKE производства Atmel (и аналогов) были усовершенствованы. Такие модули являются законченной подсистемой и поставляются вместе с программным обеспечением для аутентификации, что облегчает работу пользователя. Модуль реализован на основе микроконтроллера той же фирмы AT91RM9200 с архитектурой ARM9 и оснащён несколькими интерфейсами, в том числе Ethernet, SPI и RS-232. В конфигурацию биометрического модуля входит кристалл – датчик FingerChip (Atmel) с размерами 0,4 мм (толщина) и 14 мм (сторона). Он устойчив к ударным нагрузкам, загрязнениям и влажности; именно поэтому в нём удобно хранить дактилоскопирован-

WWW.SOEL.RU

21

© СТА-ПРЕСС

новые функции в уже выпущенную карту. В качестве примеров можно упомянуть корпоративные «бейджики», «телефонные» карты или недавно выпущенную ФГУП «Почта России» совместно с ОАО КБ «Русский стандарт» почтовую/ кредитную карту «Любимый клиент», на которую начисляются баллы за покупки на почте (ими можно рассчитываться вместо денег). В такие карты можно записывать и биометрические данные, если позволяют возможности кристалла.

07.10.2013 9:02:51

антенну, блок определения уровня сигнала радиоволны (peak detector), блок для передачи энергии метке и блок чтения информации с помощью детектирования изменения поля (backscatter modulation – отражённая модуляция). Ридеры выпускаются нескольких видов: встраиваемые, с клеммником для подключения (см. рис. 5), клавиатурные ридеры (с разъёмами USB/ microUSB), ридеры в модулях PCMCIA в ПК и КПК и др. Радиочастотный синусоидальный сигнал генерируется ридером для передачи энергии метке и получения от неё данных. Наиболее распространёнными

новить тип выходного интерфейса – Touch Memory или Wiegand. Считыватель с картами Proximity работает в стандарте HID и EM Marin. Технические характеристики ридера Matrix II EH IronLogic: ● частота 125 кГц; ● чтение карт доступа EM Marine и HID ProxCard II; ● дальность уверенного обнаружения метки от 6 до 14 см; ● питание считывателя 8…18 В постоянного тока, ток потребления 50 мА; ● индикация: звуковой сигнал, светодиод (2 цвета – зелёный и красный – предполагают внешнюю индикацию светодиодом и звуком); ● температура эксплуатации –40…+50°С; ● материал – пластик ABS; ● цвет: от чёрного до светло-серого или даже «металлик»; ● выходной интерфейс: Dallas Touch Memory (эмуляция DS1990A), Wiegand 26; ● максимальное расстояние от считывателя до контроллера (система

частотами являются 125 кГц и 13,56 МГц. На более высоких частотах функционируют другие системы RFID, и для них разработаны иные методы связи. Например, на частоте 2,45 ГГц между ридером и меткой используется радиосвязь, на частотах 125 кГц, 145 кГц и 13,56 МГц используется электромагнитная связь. Периодические колебания напряжённости электромагнитного поля служат основой для передачи данных от метки к ридеру и обратно. В системе существует только один передатчик в полном смысле этого слова – ридер. Электромагнитное поле, создаваемое ридером, используется для: ● питания – метки не имеют внутренней батареи питания или другого источника энергии. Они питаются от электромагнитного поля, создаваемого ридером; ● синхронизации – большинство меток делят частоту связи для внутреннего тактирования различных модулей и счётчиков, хотя некоторые имеют встроенный генератор; ● передачи данных от метки – ридер следит за уровнем излучаемого поля, модуляцией которого передаются данные (форматом выходных данных может быть I2C, SPI, RS2400, LEVEL+STROBE или PWM). Популярный считыватель Matrix II EH 125 кГц (см. рис. 5) используется в системах контроля доступа. С помощью перемычек можно уста-

с ПК) – до 15 м (интерфейс DS1990A) и до 100 м (интерфейс Wiegand); ● габариты 85 × 44 × 18 мм. Подключение ридера к контроллеру и нагрузке иллюстрирует рисунок 6. Большинство ридеров описанного форм-фактора выпускаются в аналогичном исполнении, что упрощает их монтаж. Они устанавливаются в открытых для доступа местах, поэтому необходимо предъявлять повышенные требования к «вандалозащищённости». Считыватели имеют и некоторые функциональные отличия. Например, существуют ридеры (различных стандартов), которые уже содержат источник питания и готовы к работе от сети 220 В, имеют на выходе транзистор с открытым коллектором, к которому подключают нагрузку (реле), или слаботочное электромагнитное реле с возможностью коммутации нагрузки до 6 А. Главное отличие систем дистанционного кодового доступа примерно одного энергетического диапазона состоит в том, что одни системы могут только считывать с метки код, без возможности обратной записи информации на метку, а другие позволяют обмениваться информацией и записывать в память той же метки (в т.ч. БСК) новые данные. Самый простой пример – общественный транспорт. В Санкт-Петербурге продаётся БСК с 10 фиксированными поездками – т.н. гостевой билет,

Рис. 5. Внешний вид считывателя Matrix II EH IronLogic ные данные в цифровом виде. Существуют и другие датчики разных компаний-производителей. Общей тенденцией является миниатюризация датчиков. Например, ещё 3–4 года назад ИС сканирующего датчика фирмы Fingerprint Cards обладала разрешением 363 dpi и размерами 2,24 × 10,64 мм. Вставка микросхемы с миниатюрной антенной в документ на бумажном носителе может производиться несколькими методами. Наиболее популярным по части надёжности является вставка/вклейка в напечатанный документ и последующее ламинирование. Именно так выполнены заграничные паспорта РФ нового поколения.

СЧИТЫВАЮЩИЕ

УСТРОЙСТВА Системы на основе СКУД позволяют легко и быстро собирать из нескольких модулей функциональные системы охраны и безопасности с кодовым доступом, требующие минимального количества внешних элементов. Кодовый доступ реализуется через дистанционное (до 10 см) считывание кода на метке, его инициализацию, декодирование и формирование сигнала управления для исполнительного устройства (например, электромагнитного замка двери или блокиратора на «вертушке»). В качестве «запорного» устройства можно использовать не только сам замок (например, ЭМЗ-4 или ML-100), но и любую активную нагрузку, рассчитанную на соответствующее напряжение питания. Так, система кодового доступа, реализованная на модуле Matrix II EH IronLogic (см. ниже), рассчитана на подключение нагрузки с напряжением 12 В ±20% и током до 5 А. Если необходим больший ток, то коммутацию производят через дополнительное реле. Пассивные системы RFID состоят из трёх частей: ридера, пассивной метки и ведущего компьютера. Ридер является шлюзом, с помощью которого цифровые данные вводятся в контроллеры на базе ПК и интегрированные системы. Считывающее устройство содержит микроконтроллер, передающую

22

Sborka_SoEL_8_2013.indb 22

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

07.10.2013 9:02:52

ципом работы и функционалом, можно вживлять под кожу человеку и/или животному с помощью медицинских технологий, что позволяет не только его идентифицировать, но и контролировать перемещение. Такие технологии давно апробированы и сегодня уже никого не удивляют, хотя ещё десятилетие назад описывались писателями-фантастами. Читатель может самостоятельно провести такой эксперимент. Поднесите БСК HID (например, карту доступа в номер отеля «Космос», г. Москва) к любому сотовому телефону выпуска 2010 года и новее – на дисплее появится информация о том, что карта не считана. Таким образом, электронная система современного мобильного телефона уже настроена на то, чтобы считывать подобные метки (стандарт ISO 14443 и др.). По тому же принципу (спецификации для банковских карт Master Card Pay Pass на основе технологии RFID) работают «электронные» шкафчики в бассейнах, фитнес-клубах и аквапарках, где меткой является выдаваемый клиенту браслет.

ZUMM

2 DS 1990A

TM

3 земля (–)

GND

4 кн. откр. двери

EXIT LED

5 вн. СДИ (+) 6 замок + БП 12V –

7 + 12V

LOCK +12V

8 земля (–)

GND

9 датчик двери

DOOR

4

Кнопка

1 вн. зуммер

1

Замок

Вход ТМ

3

Внешний зуммер

ADD CLR

действующий в трамвае, троллейбусе, автобусе и метро. После того как 10 раз будет считан её код устройствами считывания, она становится бесполезной и подлежит утилизации. Записать (перезаписать) на карту новую информацию невозможно. Карта состоит из «запечатанной» в плотную бумагу (картон) микросхемы микроконтроллера вместе с антенной, идущей по периметру карты (см. рис. 2), и получила название Smart Paper ID. Кристалл находится ближе к левому краю (от центра), если смотреть спереди, положив СК перед собой. Сегодня СК (она же транспондер, метка или ключ) могут выглядеть как брелоки, браслеты и таблетки (см. рис. 3), и могут функционировать в составе компьютерных систем, мобильных телефонов, автомобилей и любого другого оборудования, – сфера их применения практически не ограничена. Можно предположить, что более миниатюрную метку, но с тем же прин-

5 2

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Датчик двери

Рис. 6. Схема подключения цепей питания и коммутации считывателя Matrix II EH IronLogic пространены метки для противоугонных систем автомобилей (двигатель заглохнет через 10...60 с, если владелец не приложит метку к определённому месту). Ключи дорогих и престижных автомобилей также снабжены встроенной «меткой», которая считывается ридером, установленным в головке замка зажигания. Похожая система применяется в составе устройств типа Аркан Сателлит, отслеживающих автомобили, снабжённые определителем местонахождения по GPS. Метки стали применять и в системе учреждений Федеральной службы исполнения наказаний РФ для контроля перемещения заключённых и их идентификации, а также домашнего ареста (в этом случае человек носит браслет с меткой).

Метки применяются довольно широко в оборонной промышленности: для контроля доступа – смарт-карты, для идентификации человека при доступе к секретным сведениям – специальные кристаллы, вживляемые под кожу. И если ранее отследить перемещение объекта можно было только с помощью изотопов, то сегодня электроника справляется с этим без особых затруднений. Весь спектр использования бесконтактных устройств нового поколения практически невозможно описать. Бесконтактные устройства контроля будут совершенствоваться, а микроконтроллеры в системах идентификации – развиваться, пополняясь новыми функциями для комплексной защиты объектов и секретной информации.

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 23

WWW.SOEL.RU

23

© СТА-ПРЕСС

Все описанные технологии, как вчера, так и сегодня, применяются в широком спектре задач. В магазинах, в комплексе противокражных систем (устройств), метки используются уже двадцать лет. Широко рас-

Реклама

ВЫВОДЫ

07.10.2013 9:02:53

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Современные высокоэффективные светодиоды компании Samsung

История производства светодиодов Samsung началась в 1995 году, когда эти приборы начала выпускать Samsung Electro-Mechanics. В 2001 году этой компанией был разработан первый в Корее синий светодиод, а в 2004 году введён в строй завод по производству светодиодов в Тяньцзине (КНР). В 2006–2008 годах начато их массовое производство для ЖК-телевизоров

метры приборов существенно улучшены, что позволило продукции Samsung занять достойное место среди аналогичных изделий ведущих производителей. В настоящее время Samsung производит корпусированные светодиоды, светодиодные лампы и осветительные приборы. В каталоги компании 2013 года включены светодиодные продукты следующих категорий: ● светодиодные компоненты для информационных и коммуникационных приложений (IT&C). В данную категорию включены светодиоды для подсветки ЖК-дисплеев семейств Edge LED (торцевая подсветка) и Direct LED (задняя подсветка),

и мониторов. Компания Samsung LED была образована в 2009 году как совместное предприятие Samsung Electronics и Samsung Electro-Mechanics. В 2010 году основаны предприятия Tianjin Samsung LED в Китае и Samsung LED America в США, в 2011 году – Samsung LED Europe в Германии. Землетрясение и цунами в Японии в марте 2011 года привели к глобальному дефициту кремниевых пластин, используемых для производства полупроводниковых приборов, в том числе светодиодов. По этой и другим причинам в 2011 году было создано совместное предприятие Samsung LED и Sumitomo Chemical (Япония) по производству сапфировых подложек для осветительных светодиодов. Однако в 2011 году продажи светодиодов компании существенно снизились из-за недостаточной загрузки производственных мощностей. Для исправления ситуации руководством Samsung Electronics было принято решение о слиянии с Samsung LED, направленное на консолидацию усилий по расширению доступа объединённой компании к рынку осветительных светодиодов. Сделка была завершена к апрелю 2012 года, и с тех пор светодиодный бизнес компании выступает под общим брендом Samsung [3, 4]. Номенклатура корпусированных светодиодов объединённой компании была сокращена, а качественные пара-

светодиодные приборы для мобильных приложений семейства Flash LED (модули с линзами и рефлекторами) и Side View LED (бокового излучения); ● светодиодные компоненты. В эту категорию входят светодиоды средней (Middle Power) и большой (High Power) мощности; ● осветительные приборы (LED Engine) представлены широкой номенклатурой осветительных приборов окружающего и верхнего света, светильники большой яркости; ● светодиодные лампы серий LED Bulb, MR, PAR, Deco и светодиодные трубки (LED Lamp); ● светодиодные компоненты для автомобильных приложений средней и большой мощности (Automotive Lighting) [5]. Классификационные параметры светодиодных компонентов, представленные в каталоге компании 2013 года, приведены в таблице 1. Рассмотрим особенности новых светодиодов и светодиодных модулей компании более подробно. Светодиоды семейства Edge LED предназначены для применения в системах боковой подсветки ЖК-дисплеев, отличающихся узкой окантовкой панелей. Боковая подсветка основана на применении светораспределителей LGP (Light Guide Plate) и плёночных поляризаторов DBEF (Dual Brightness Enhancement Film), для реализации боковой подсветки требуются све-

Компания Samsung, потребляющая бо|льшую часть производимых ею светодиодов, в спецификациях и руководствах по применению новых серий осветительных светодиодов приводит достаточно полные данные об их параметрах, что позволяет сравнивать эффективность приборов различных производителей.

По данным ведущих аналитических агентств и специализированных изданий, примерно 70% выпускаемых в мире светодиодов приходится на 10 ведущих производителей. Компания Samsung LED, входящая в корпорацию Samsung, с четвёртой позиции в 2009 году поднялась на вторую по доходам от продаж корпусированных светодиодов в 2010 и 2011 годах, обойдя Cree и Osram. В первую десятку мировых производителей светодиодов в 2011 году вошли следующие компании: Nichia, Samsung LED, Osram Opto Semiconductors, LG Innotek, Seoul Semiconductor, Cree, Philips Lumileds, Sharp, Toyoda Gosei, Everlight [1, 2]. В отличие от других производителей из списка лидеров, компания Samsung весьма значительную долю производимых светодиодов направляет на собственные нужды, так как корпорация является одним из ведущих мировых производителей ЖК-панелей, мониторов и телевизоров, задняя подсветка которых всё чаще выполняется на светодиодах. Известно, что 100% проданных в России телевизоров и мониторов Samsung со светодиодной подсветкой с 2011 года производятся на предприятии ООО «Самсунг Электроникс Рус Калуга», расположенном в индустриальном парке «Ворсино» в Калужской области. Существенную долю производимых светодиодов компания направляет на производство собственных осветительных приборов, номенклатура которых очень широка. Качественные показатели светодиодов компании непрерывно улучшаются. Световая эффективность ряда приборов и модулей последних лет приближается и, во многих случаях, опережает этот показатель изделий у других ведущих производителей осветительных светодиодов.

24

Sborka_SoEL_8_2013.indb 24

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Юрий Петропавловский (Ростовская обл.)

07.10.2013 9:02:55

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

тодиоды особой конструкции. Приборы серий TT721A, TT722A, TT732A предназначены для панелей Normal Bezel с шириной окантовки 10–15 мм, приборы серий TS731A, TS732A – для панелей Super Narrow Bezel с шириной окантовки 4–9 мм. Панели с узкой окантовкой применяются для создания

видеостен или компоновки нескольких панелей в единый панорамный дисплей. Компания Samsung выпускает, например, встроенный монитор на основе ЖК-панелей Super Narrow Bezel типа MD230X3 с разрешением 5760 × × 1080 пикселей. Внешний вид монитора показан на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид монитора Samsung MD230X3

Таблица 1. Классификационные параметры автомобильных светодиодных компонентов

Семейство

Edge LED

Direct LED

IT & C Flash LED

Side View LED

Серия (тип)

Iv, кд

Iпр, мА

Uпр, В

Ra, CRI

Габариты, мм

Ширина диаграммы, град

TS731A

9,86...13,84

120

2,95...3,40

7 × 3,2 × 1,1

120

TS732A

19,47...27,33

120

5,9...6,5

7 × 3,2 × 1,1

120

TT732A

17,59...24,64

100

5,75...6,30

7 × 3 × 0,81

120

TT721A

9,9...14,0

120

2,95...3,35

7 × 2 × 0,8

120

TT722A

12,0 (типовое)

140

6,1 (тип.)

7 × 2 × 0,8

140

TT321A

30,81...36,79

400

3,3...3,9

3,2 × 2,8 × 0,8

120

FH411B

165...240

1000

2,8...4,0

4,1 × 3,9 × 1,8

большой мощности

130...210

1000

2,8...4,2

4,1 × 3,9 × 2,1

180...260

212...306

1000

2,8...4,0

4,1 × 3,9 × 2,1

134

5000–7000

Тцв зависит от Iпр

FH401A

230...300

245...320

1000

3,2...4,0

4 × 3,9 × 1,9

124

5564–7000

Тцв зависит от Iпр

FH402A

160...250

1000

2,8...4,3

4 × 3,9 × 1,9

124

MS062F

2,9 (типовое)

20

3,8 × 1 × 0,6

115

MS063E

2,65 (типовое)

20

3,8 × 1 × 0,6

115

х0,294, y0,282

MS082F

3 (типовое)

20

3,8 × 1 × 0,8

120

х0,294, y0,282

MS081F

2,75 (типовое)

20

3,8 × 1 × 0,8

120

х0,296, y0,276

125

2700, 3000, 3500, 4000, 5000, 5700, 6500, 7600

3,5 × 3,5 × 1,89

350

2,95...3,30

70-80

LC006A

550...755

175

36,5...37,5

70-80

18 × 13,5 × 6,4

115

2700, 5000

2 исполнения

LC013A

950, 1050

350

36,5...38,5

80

25,25 × 20,25 × 1,5

115

3000, 5000

2 исполнения

LC026A

1920, 2120

720

36,9...38,5

80

31 × 21 × 1,4

115

3000, 5000

2 исполнения

136

2700, 3000, 3500, 4000, 5000, 6500

6 исполнений

120

2700, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5700, 6500

8 исполнений

12,4 × 11,4 × 4,38

8 исполнений

LH934A

355...460

29

220...250

80

LM561A

13,63...19,61

50

2,91...3,30

80

LM561B

24,0...32,5

65

2,9...3,2

80

5,6 × 3 × 0,8

120

2700, 3000, 3500, 4000, 5000, 5700, 6500

7 исполнений

LM231A

19,81...31,87

65

2,86...3,30

80

2,3 × 2,3 × 0,7

120

2700, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5700, 6500

8 исполнений

LM231B

19,0...28,5

65

2,91...3,20

80

2,3 × 2,3 × 0,7

120

2700, 3000, 3500, 4000, 5000, 5700, 6500

7 исполнений

LM362A

51...105

100

6,0...6,6

80

3,6 × 2,3 × 0,6

120

2700, 3000, 3500, 4000, 5000, 5700, 6500,

8 исполнений

SACHSW654XXNONNAAA

650...850

700

60–69

16 × 17 × 1,5

120

5400

SPHWHTL3D1A3

100...140

350

2,8...3,4

80

белый

9,6...16,5

50

2,7...3,6

70

3,2 × 2,8 × 1,9

120

5500

80 лм/Вт

3,2...5,5

SPMWHT3235A3

2...4

6,1...12,0

50

2,7...3,6

70

3,2 × 2,8 × 1,9

120

5500

55 лм/Вт

SPMWHT345EA3

10...16

27,0...43,2

140

2,9...4,1

70

3,2 × 2,8 × 1,9

120

5500

70 лм/Вт

SPMWHT346EA3

6...10

16,2...27,0

140

2,9...4,4

70

3,2 × 2,8 × 1,9

120

5500

40 лм/Вт

SPMRDT3215A0

1,8...2,8

5,4...8,4

50

1,9...2,5

3,2 × 2,8 × 1,9

120

красный

60 лм/Вт

5...8

6,5...13,3

50

1,9...2,5

3,2 × 2,8 × 3,1

60

красный

80 лм/Вт

средней мощности SPMRDT3225A0 SPMRDT3235A0

1,8...2,8

5,4...8,4

50

1,9...2,5

3,2 × 2,8 × 1,9

120

красный

60 лм/Вт

SPMRDT345EA0

5,6...9,0

16,8...27,0

140

1,9...2,5

3,2 × 2,8 × 1,9

120

красный

60 лм/Вт

SPMRDT346EA0

4,5...7,1

13,5...21,1

140

1,9...2,5

3,2 × 2,8 × 1,9

120

красный

50 лм/Вт

SPMAMT3215A0

1,4...2,8

4,2...8,4

140

1,75...2,65

3,2 × 2,8 × 1,9

120

янтарный

60 лм/Вт

SPMAMT345EA0

3,55...7,10

10,6...21,3

140

1,75...2,65

3,2 × 2,8 × 1,9

120

янтарный

50 лм/Вт

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 25

x0,294, y0,282

90...160

SPMWHT3215A3

Автомобильные компоненты

Примечания

FH412B

Светодиодные компоненты

средней мощности

Тцв (К), координаты X,Y

FH411A

LH351A

большой мощности

φv, лм

WWW.SOEL.RU

25

© СТА-ПРЕСС

Категория

07.10.2013 9:02:56

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Освещённость, лк

250 200 150 100 50 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2 Ток, А

Рис. 2. Зависимость освещённости прибора FH411A от прямого тока

Рис. 3. Структура прибора FH411A 1 – выводная траверса (золото); 2 – защитный кремниевый стабилитрон; 3 – светодиодный кристалл (синий, InGaN/Al2O3); 4 – диффузионная линза (силикон + кремниевый наполнитель); 5 – литой корпус (материал РРА – полифталомид и т.п.); 6 – основание (медь); 7 – спектропреобразующая пластина (силикон с фосфоросодержащим покрытием).

IF = 300 мА

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

–60

–40

–20

0

20

40

60

В вертикальной плоскости В горизонтальной плоскости

Рис. 4. Диаграмма распределения относительной силы света прибора FH401A

Рис. 5. Внешний вид приборов серии LM351A Светодиоды семейства Direct LED предназначены для систем прямой и матричной подсветки ЖК-панелей, где требуется большое число единичных светодиодов. Приборы этой серии

26

Sborka_SoEL_8_2013.indb 26

имеют широкую диаграмму распределения силы света, что позволяет уменьшить количество светодиодов в системе подсветки. В приборы серий FH411/412, FH401/402 семейства Flash LED интегрированы светодиодные кристаллы, рефлекторы и линзы. Это упрощает их установку в мобильные устройства. Приборы не требуют использования защитных стёкол и могут быть установлены в электрических фонарях, развлекательных устройствах и др. Все приборы обеспечивают высокую равномерность освещения, достаточную для применения в камерах wide FOV (Field of View) с широким полем обзора. Особенности и некоторые параметры приборов FH411A (исполнение SPFCW04301BL): ● широкий световой пучок (Δθ = 67° × × 59°) для обеспечения равномерной освещённости; ● светодиодный кристалл на основе материла InGaN/GaN с высокой долговременной надёжностью; максимальный постоянный ток (фонарный режим) 300 мА, импульсный ток 1300 мА (Тимп не более 300 мс); ● тепловое сопротивление переход– точка пайки Rth,j-s = 9°С/Вт; ● максимальная температура кристалла 125°С, диапазон рабочих температур –40…+85°С; ● освещённость на расстоянии 1 м составляет 58 лк (Iпр = 300 мА) и 220 лк (1000 мА) соответственно. Цветовая температура приборов зависит от величины прямого тока: при Iпр = 300 мА – Тцв = 5800 К, при Iпр = 700 мА – – Тцв = 5895 К, при Iпр = 1 А – Тцв = 6000 К (типовые значения). Зависимость освещённости, создаваемой прибором на расстоянии 1 м, от прямого тока приведена на рисунке 2. Эскиз конструкции прибора показан на рисунке 3. Диффузионная линза прибора формирует световой пучок с резким падением силы света за пределами диаграммы распределения. Прибор FH401A отличается более узкой диаграммой (Δθ = 62° × 48°), приведённой на рисунке 4, и обеспечивает освещённость на расстоянии 1 м в пределах 230–300 лк (типовое значение 245 лк). ●

СВЕТОДИОДНЫЕ

КОМПОНЕНТЫ

БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Светодиоды этой категории, по данным спецификаций 2013 года, являются, в основном, модификациями ранее WWW.SOEL.RU

разработанных компанией Samsung LED InGaN/GaN приборов серий 3533, HV-AC, HV-DC и др. Они выполнены с использованием технологии MQW и отличаются более высокой световой эффективностью. Приборы соответствуют требованиям недавно принятого стандарта IES-LM-80-2008, определяющего изменения параметров осветительных светодиодов в течение срока службы. Технология MQW (Multiple-quantum well) на «мультиквантовых точках» разработана М. Бауэрсом (M. Bowers). Она заключается в покрытии синих светодиодов «квантовыми точками», излучающими белый свет при облучении синим светом светодиодов. Такая технология позволяет получить тёплый белый свет, подобный свету ламп накаливания. «Квантовые точки» являются нанокристаллами полупроводника, имеющими особые оптические свойства. Цвет излучения приборов, выполненных по этой технологии, может быть изменён в широких пределах. Прототипами приборов серии LM351A являются светодиоды серии 3535 Samsung LED, их внешний вид показан на рисунке 5. В состав серии входят 8 типов мощных белых светодиодов, отличающихся цветовой температурой. Каждый из них отбирается по световому потоку (от 80…90 лм до 150…160 лм), цветовым координатам, индексу цветопередачи (CRI от 70 до 90) и прямому напряжению (от 2,7…2,8 В до 3,2…3,3 В). Приборы серии выполнены в корпусе с керамической подложкой и удовлетворяют требованиям стандартов JEDEC Level 2 и IES-LM-80-08 (испытания на надёжность). Области применения: приборы верхнего и направленного света для внутреннего освещения; наружное освещение – уличное, охранное, освещение туннелей и парковочных стоянок; промышленное освещение, потребительские приложения, например, фонари. Светодиоды серии LM351A могут работать при максимальной температуре перехода Tj до 150°С и прямом токе до 1,5 А при Tj = 25°C. При увеличении тока до 800 мА излучаемый световой поток увеличивается в 2 раза относительно номинального значения. Тепловое сопротивление переход–корпус приборов не превышает 6°С/Вт (типовое значение 4°С/Вт). Приборы можно использовать при повышенных прямых токах, СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

300

07.10.2013 9:02:58

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 27

WWW.SOEL.RU

27

© СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

07.10.2013 9:03:12

Прямой ток, мА 1600 1200 800 400 0 –40

0

40

80

120

160

Температура окружающей среды, °С Rth(j-a) 40 К/Вт Rth(j-a) 50 К/Вт Rth(j-a) Макс. ток

Rth(j-a) 10 К/Вт Rth(j-a) 20 К/Вт Rth(j-a) 30 К/Вт

Рис. 6. Зависимости допустимого прямого тока светодиодов LM351A от температуры не допуская превышения температуры кристалла. На рисунке 6 приведены зависимости допустимого прямого тока светодиодов от температуры окружающей среды при различных тепловых сопротивлениях кристалл– окружающая среда Rth,j-s. Световая эффективность приборов существенно зависит от величины прямого тока и температуры кристаллов при эксплуатации. На рисунке 7 приведены температурные зависимости эффективности в лм/Вт и в процентах от номинальных значений для рассма-

150

триваемых светодиодов при различных значениях прямого тока. Приборы серии LC006A выполнены по технологии «кристалл на плате» (СОВ). В состав серии входят 2 типа приборов, каждый из которых отбирается по цветовой температуре (Тцв = 2700 К и 5000 К) и цветовым координатам (7 подклассов). Светодиоды серии предназначены для осветительных приборов верхнего и направленного света, светодиодных ламп, для наружного освещения и др. Приборы отличаются высокой световой эффективностью. Для исполнения с Тцв = 5000 К – от 114 лм/Вт (Iпр = 210 мА) до 141 лм/Вт (30 мА). Основные параметры приборов: ● максимальный прямой ток 220 мА, импульсный ток 250 мА (при длительности импульсов не более 10 мс); ● тепловое сопротивление переход– корпус Rth,j-s = 1,9°С/Вт; ● максимальная температура перехода Tj = 150°С;

также выполнены по технологии «кристалл на плате»; параметры, отличные от приборов серии LC006A: ● максимальный прямой ток 450 мА, импульсный ток 470 мА; ● тепловое сопротивление переход– корпус Rth,j-s = 1,5°С/Вт; ● световой поток 950…1050 лм (Тцв = = 3000 К, Iпр = 350 мА), 1050…1150 лм (5000 К, 350 мА); ● световая эффективность от 85 лм/Вт (Iпр = 450 мА, Тцв = 3000 К) до 109 лм/Вт (Iпр = 60 мА, Тцв = 5000 К). Самые мощные приборы компании относятся к серии LC026A (внешний вид соответствует рис. 8): ● максимальный прямой ток 840 мА, импульсный ток 880 мА; ● тепловое сопротивление переход– корпус 1,3°С/Вт; ● световой поток 1920…2120 лм (Тцв = = 3000 К, Iпр = 720 мА), 2120…2320 лм (Тцв = 5000 К, 720 мА); ● световая эффективность от 75 лм/Вт (Iпр = 840 мА, Тцв = 3000 К) до 104 лм/Вт

световой поток 550–605 лм (Тцв = = 2700 К, Iпр = 175 мА), 650–740 лм (5000 К, 175 мА). Более мощные приборы серии LC013A (внешний показан на рис. 8)

(5000 К,120 мА). Приборы серии LH934A (прототипы HV – AC Samsung LED) предназначены для работы от сетей переменного тока; внешний вид приборов показан на рисунке 9. В приборы интегрированы две независимые группы светодиодов, включённые по мостовой схеме. При параллельном соединении мостов приборы могут работать от сети с напряжением 100–120 В, при последовательном – от сети 220–240 В, как показано на рисунке 10. Номиналы и мощность гасящих резисторов R1, R2 зависят от номинального напряжения сети, прямого напряжения (3 подкласса по Uпр) и выбранного значения прямого тока. Например, для сети 220 В, Uпр = 200–205 В с.к.з.

(Rank F5) и прямом токе 29 мА с.к.з. сопротивление гасящих резисторов 1,43 кОм/4,5 Вт. Основные параметры приборов: ● максимальный ток/напряжение (с.к.з.) 29 мА/240 В, 58 мА/120 В; ● мощность рассеяния 4,5 Вт; ● максимальная температура переходов Tj = 125°C; ● цветовые температуры: 2700, 3000, 3500, 4000 К (CRI не менее 80), 5000, 6500 К (CRI не менее 70); ● световой поток от 220 лм (Iпр = 22 мА, Тцв = 2700 К) до 460 лм (29 мА, 6500 К). Вариант модуля с установленным прибором и гасящими резисторами показан на рисунке 11, ВАХ приборов приведены на рисунке 12.

●

Эффективность, лм/Вт 110

140

Относительная деградация эффективности, %

105

130

100

120 95 110 90 100 85 90 80

80

75

70

70

60 25

50

75 100 125 Температура подложки, °С 350 мА

700 мА

25

50

1000 мА

75 100 125 Температура подложки, °С 1500 мА

Рис. 7. Температурные зависимости эффективности светодиодов серии LM351A

Рис. 8. Внешний вид приборов LC013A

28

Sborka_SoEL_8_2013.indb 28

Рис. 9. Внешний вид приборов LH934A WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

07.10.2013 9:03:24

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

СВЕТОДИОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 29

Рис. 10. Включение приборов LH934A ных приборов с высокой равномерностью освещения. К серии LM362A (прототип – серия 3623) относятся миниатюрные GaN/ Al2O3 светодиоды, отличающиеся от приборов серий LM231A/B большими значениями светового потока, более характерными для мощных светодиодов. Световая эффективность приборов также высока и находится в пределах от 87 лм/Вт (Тцв = 2700 К, Iпр = 200 мА) до 147 лм/Вт (Тцв = 5000 К, Iпр = 50 мА).

Рис. 11. Модуль с прибором LH934A

70

АВТОМОБИЛЬНЫЕ

60

СВЕТОДИОДНЫЕ

50

КОМПОНЕНТЫ

40

Мощный светодиодный модуль SACHSW654XXN0NNAAA (внешний вид показан на рис. 14) выполнен на подложке с медным основанием. В состав модуля входит светодиодная матрица из четырёх единичных светодиодов, защитный стабилитрон и терморезистор с отрицательным ТКС. Области применения прибора: передние фары ближнего и дальнего света автомобилей, фары мотоциклов, замена ламп ДРЛ, противотуманные фары. Выпускаются 4 исполнения модулей по световому потоку: D0 – 650…700 лм, E0 – 700…750 лм, F0 – 750…800 лм, G0 – 800…850 лм и 2 исполнения по цветовым координатам (R0, S0). Основные параметры модуля: ● максимальный прямой ток 1 А при Т = 25°С; ● максимальная температура переходов Tj = 150°C; ● диапазон рабочих температур –40…+125°С.

30

WWW.SOEL.RU

Ток, мА, с.к.з. Без резистора С резистором (220 В) С резистором (230 В)

20 10 0 100 120 140 160 180 200 220 240 Напряжение, В, с.к.з.

Рис. 12. Вольт-амперные характеристики прибора LH934A

Рис. 13. Диаграммы световой эффективности приборов LM561B

29

© СТА-ПРЕСС

К этой категории, по состоянию на 2013 год, относятся светодиоды серий LM561A/B, LM231A/B и LM362A. Они предназначены в основном для установки в светодиодные лампы и осветительные приборы различного назначения. Серии LM561А/B (прототипы серии 5630, 5630 G2) – GaN/Al2O3 светодиоды с интегрированными защитными стабилитронами, выполненные в SMD-корпусах. Приборы отличаются очень высокой световой эффективностью – до 141 лм/Вт (LM561A) и до 160 лм/Вт (LM561B). В состав серий входят 8 и 7 типов приборов с различной цветовой температурой, каждый из них отбирается по световому потоку (по 3 подкласса для каждой Тцв), цветовым координатам (8 подклассов для каждой цветовой температуры) и прямому напряжению (5 подклассов). Диаграммы, характеризующие световую эффективность различных исполнений приборов серии LM561B при различной цветовой температуре (Rank W0, V0, U0, T0, R0, Q0, P0) и различных исполнениях по световому потоку (Rank S1, S2, S3), приведены на рисунке 13. Приборы предназначены для светодиодных ламп и трубок, светильников окружающего и верхнего света, потолочных светильников. Основные параметры приборов серии LM561A (в скобках – LM561B): ● максимальный прямой ток 150 мА; ● тепловое сопротивление кристалл– точка пайки Кth,j-s = 16°С/Вт; ● максимальная температура перехода 110°С; ● световой поток – от 24 лм (Тцв = = 2700 К, Iпр = 65 мА) до 32 лм (6500 К). Серия LM231A (прототип – серия 2323L) содержит миниатюрные GaN/ Al2O3 светодиоды с защитными стабилитронами в SMD-корпусах. В состав серии входят 8 типов приборов с различной цветовой температурой, каждый из которых отбирается по световому потоку и цветовым координатам. Приборы также характеризуются высокой световой эффективностью – от 108 лм/Вт (Тцв = 2700 К, Iпр = 150 мА) до 138 лм/Вт (Тцв = 4500/5000 К, Iпр = 50 мА). Приборы идеально подходят для создания светодиодных ламп и трубок, заменяющих лампы накаливания (Retrofit Lamps), световых панелей, светильников верхнего света и других осветитель-

07.10.2013 9:03:28

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

диапазон рабочих температур –40…+110°С и –40…+125°С; ● максимальная температура перехода Tj = 125°C/150°С. Внешний вид красных светодиодов средней мощности с доминирующей длиной волны 620 нм SPMRDT3xxx соответствует рисунку 15 (кроме SPMRDT3225A0, оснащённого собирающей линзой). Области применения приборов такие же, как и у вышерассмотренных белых светодиодов. Основные параметры приборов SPMRDT3215A0, SPMRDT3225A0, SPMRDT3235A0/ SPMRDT345EA0 и SPMRDT346EA0: ● максимальный прямой ток 70 мА и 200 мА; ● мощность рассеяния 180 мВт и 560 мВт; ● тепловое сопротивление кристалл– точка пайки 67 К/Вт и 40 К/Вт; ● диапазон рабочих температур –40…+100°С и –40…+110°С; ● максимальная температура перехода Tj = 125°С. Внешний вид янтарных светодиодов средней мощности с доминирующей длиной волны 590 нм SPMAMT3xxx также соответствует рисунку 15, а основные параметры – вышеописанным красным светодиодам SPMRDT345/346EA0. ●

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Важнейшими параметрами осветительных светодиодов являются световая эффективность и срок службы,

30

Sborka_SoEL_8_2013.indb 30

над улучшением которых работают все ведущие производители. Теоретический максимум световой эффективности составляет 320 ± 20 лм/Вт [6]. Однако при выборе конкретных светодиодов из большого числа предложений не так просто найти варианты с наилучшей световой эффективностью, поскольку не существует однозначного определения этого параметра, признанного всеми производителями светодиодов. Фактически световая эффективность осветительных светодиодов зависит не только от их физических характеристик (производитель, тип прибора, исполнение/подкласс), но и от режимов их работы и других параметров, в том числе от прямого тока и напряжения, температуры кристаллов, цветовой температуры и величины светового потока. Поэтому прямое сопоставление световой эффективности по спецификациям различных производителей без учёта условий измерений некорректно. Компания Samsung в спецификациях и руководствах по применению новых серий осветительных светодиодов приводит достаточно полные данные об их параметрах, в том числе о световой эффективности в различных условиях эксплуатации. Рассмотрим в этом ракурсе световую эффективность светодиодов компании на примере приборов серии LM351A. Параметры приборов этой серии нормируются при температуре кристаллов 25°С и прямом токе 350 мА, конкретные исполнения, определяемые 18-значными буквенно-цифровыми наименованиями, характеризуются различными цветовыми температурами (8 исполнений, от 2700 К до 7600 К), индексами цветопередачи (4 исполнения: CRI не менее 70, 75, 80, 90), прямым напряжением (6 исполнений, от 2,7…2,8 В до 3,2…3,3 В), световым потоком (8 исполнений, от 80…90 лм до 150…160 лм) и цветовыми координатами (от 3 исполнений для Тцв = 7600 К, до 24 исполнений для Тцв = 2700 К, всего более 100 исполнений). Минимальным значением световой эффективности характеризуется исполнение с CRI более 90, Тцв = 2700 К, Uпр = 3,3 В и световым потоком 80 лм. Расчётная эффективность светодиода этого исполнения 69,2 лм/Вт. Максимальным значением световой эффективности характеризуются исполнения с CRI более 70, WWW.SOEL.RU

Рис. 14. Внешний вид прибора SACHSW654XXN0NNAAA

Рис. 15. Внешний вид приборов SPMWHT3xxx Тцв = 5000/5700/6500/7600 К, Uпр = 2,7 В и световым потоком 160 лм; расчётная эффективность этих исполнений 169,3 лм/Вт. С ростом температуры кристаллов свыше 50°С и увеличением прямого тока световая эффективность светодиодов уменьшается, как показано на рисунке 7. Видно, что эффективность светодиода со 133 лм/Вт при Т = 25…50°С, Iпр = 350 мА уменьшается до 75 лм/Вт при увеличении температуры до 125°С и тока до 1,5 А, то есть примерно в 2 раза. Таким образом, сравнивать эффективность осветительных светодиодов различных производителей следует при равенстве температур кристаллов, цветовых температур, индексов цветопередачи, потребляемой мощности (P = Uпр × Iпр) и световых потоков. Несоблюдение этих требований не позволяет корректно сравнивать светодиоды различных производителей.

ЛИТЕРАТУРА 1. www.electroiq.com/articles/sst/2012/02/ top-10-led-manufacturers-in-2011.html.

2. http://ledsmagazine.com/news/8/2/29.

3. http://ledsmagazine.com/news/9/1/3.

4. h t t p : / / i n v e s t i n g . b u s i n e s s w e e k . c o m / research/stocks/private/snapshot. asp?privcapId=59018576.

5. www.samsung.com/global/business/led/.

6. http://beryll.physic.ut.ee:10010/~danilkin/ technical/phosphor-converted%20LEDs/ LED_and_luminophor/modernefficiency. html. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Белые светодиоды средней мощности SPMWHT3xxx выполнены в силиконовых корпусах одинаковых размеров на подложке с серебряным покрытием (внешний вид показан на рис. 15). Приборы соответствуют требованиям стандарта AEC Q-101 и предназначены для следующих автомобильных приложений: системы подсветки (ЖК-панели, переключатели, кнопки, дисплеи, рекламные модули); внутреннее и внешнее освещение, в том числе приборные доски и стоп-сигналы; замена миниатюрных ламп накаливания; маркерное освещение; освещение сигналов и символов. Основные параметры приборов SPMWHT3215A3, SPMWHT3235A3/SPMWHT345EA3 и SPMWHT346EA3: ● максимальный прямой ток 70 мА и 250 мА; ● мощность рассеяния 180 мВт и 500 мВт; ● тепловое сопротивление кристалл– точка пайки 70 К/Вт и 5 К/Вт;

07.10.2013 9:03:32

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 31

WWW.SOEL.RU

31

© СТА-ПРЕСС

Реклама

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

07.10.2013 9:03:46

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Новое поколение светодиодов компании «Оптоган» Павел Чечуров (Санкт-Петербург) Серия OLP-5065F6x – обновлённая линейка светодиодов производства компании «Оптоган» для систем внутреннего и наружного освещения. Особенностью новых светодиодов является высокая световая отдача, достигающая 170 лм/Вт.

OLP-5065F6x. Светодиоды этого класса наиболее популярны и востребованы российскими изготовителями светодиодной светотехники в сегментах промышленного и уличного освещения и архитектурной подсветки. На сегодняшний день производителями светодиодных систем освещения накоплен богатый опыт и в распоряжении имеется широкий выбор подобных светодиодов. Серия светодиодов OLP-5065F6x представлена тремя приборами: OLP-5065F6A, OLP-5065F6C и OLP-5065F6L. Светодиоды выполнены по мультичиповой технологии в корпусе размерами 5,0 × 6,5 × 1,3 мм с шестью выводами и отдельным теплоотводом. Такое конструктивное решение позволяет реализовать высокий световой поток

СЕРИЯ СВЕТОДИОДОВ OLP-5065F6X

при низкой токовой нагрузке на чипы, что обеспечивает высокие показатели световой отдачи и надёжности светодиодов. Внешний вид светодиодов OLP-5065F6x представлен на рисун-

В мае 2013 года компания «Оптоган» объявила о выпуске новой серии «одноваттных» светодиодов

Таблица 1. Основные характеристики светодиодов серии OLP-5065F6x OLP-5065F6A

OLP-50650F6C

Номинальный ток, мА

Параметр/Светодиод

150

100

OLP-5065F6L 350

Типовое напряжение, В

9,4

9,4

2,95

Световая отдача, лм/Вт

до 170

до 160

Диапазон цветовых температур, К

2700…6500

Индекс цветопередачи (CRI)

70…85

80

Тепловое сопротивление, °С/Вт

10

Таблица 2. Сравнительные характеристики светодиода OLP-5065F6L и его зарубежных аналогов* Оптоган

Nitchia

CREE

LG

OLP-5065F6L

NCSW119B

XB-D

35×35 Ceramic Series

Номинальный ток, мА

350

350

350

350

Типовое напряжение, В

2,95

3,1

2,9

3,1

2700…6500

3000…6500

2600…6200

2700…6500

145

120

114

123

Индекс цветопередачи

80

70…80

70…80

70...80

Тепловое сопротивление, °С/Вт

10

9

6,5

7,5

Параметр/Производитель (светодиод)

Диапазон цветовых температур, К Максимальная световая отдача при 4000К и CRI = 80, лм/Вт

*В соответствии с технической документацией на светодиоды

32

Sborka_SoEL_8_2013.indb 32

WWW.SOEL.RU

Рис. 1. Внешний вид светодиодов OLP-5065F6x ке 1, а принципиальные схемы – на рисунке 2.

ХАРАКТЕРИСТИКИ OLP-5065F6X

СВЕТОДИОДОВ

Основные характеристики светодиодов OLP-5065F6x представлены в таблице 1. Отметим, что светодиоды этой серии имеют разное рабочее напряжение, что даёт возможность производителям выбрать оптимальное схемное решение при разработке светотехники. Кроме того, мультичиповые сборки позволяют использовать их в качестве высоковольтных светодиодов (до 39 В), что расширяет возможности конструирования конечных устройств. Основное преимущество светодиодов серии OLP-5065F6x заключается в их высокой эффективности при довольно низкой цене (от $0,30 за штуку). Для примера в таблице 2 приведены сравнительные характеристики OLP5065F6L и его зарубежных аналогов в классе «одноваттников». Видно, что по своим характеристикам представленный светодиод не уступает конкурентам, а по световой отдаче заметно их превосходит. В частности, благодаря новому запатентованному люминофору светодиоды OLP-5065F6L демонстрируют сочетание индекса цветопередачи более 80 и высокой световой отдачи во всём диапазоне цветовых температур. На диаграммах (см. рис. 3) показаны результаты измерения световой отдачи приборов серии OLP-5065F6x с разной цветовой температурой и индексами цветопередачи. Если отвод тепла обеспечивает температуру в точке пайки светодиодов не более 75°С, то СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Быстрый рост российского рынка полупроводниковой светотехники вызвал значительное увеличение спроса на светодиоды. За прошедший год на рынке светодиодов появилось большое количество новинок, позволяющих выбрать приборы для решения почти любой задачи освещения. Основной проблемой при этом остаётся удовлетворение естественного желания получить изделия, сочетающие в себе высокие показатели эффективности и надёжности с приемлемой стоимостью. В данной статье сделан краткий обзор новой линейки белых светодиодов производства компании «Оптоган», которые, по глубокому убеждению автора, полностью удовлетворяют этим требованиям.

07.10.2013 9:03:59

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Катод (–)

Анод (+)

а)

Катод (–)

Анод (+)

Катод (–)

Анод (+)

(4)

(1)

(4)

(1)

(5)

(2)

(5)

(2)

(6)

(3)

(6)

(3)

б)

в)

Рис. 2. Принципиальная схема светодиодов серии OLP-5065F6x: а) OLP-5065F6A; б) OLP-50650F6C; в) OLP-5065F6L

CRI = 70+ При Ts = 25°С

а)

CRI = 80+ При Ts = 25°С

б)

Реклама СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 33

WWW.SOEL.RU

33

© СТА-ПРЕСС

Рис. 3. Световая отдача светодиодов серии OLP-5065F6x в диапазоне цветовой температуры 3000…6500К

07.10.2013 9:04:00

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

спад светового потока не превышает 10% (см. рис.4). Высокие параметры эффективности светодиодов позволяют производителям светотехники выпускать изделия, отличающиеся высокой энергоэффективностью и быстрой окупаемостью, что, как правило, является основным критерием при выборе светодиодной осветительной системы. К достоинствам светодиодов серии OLP-5065F6x относится высокая однородность цвета в партии. Это достигается путём узкой биновки светодиодов. Помимо традиционных групп ANSI на 2700, 3000, 4000, 5000 и 6500К, выпускаемые светодиоды сортируются на 16 подбинов для каждой номинальной цветовой температуры. Для светодиодов этой серии характерно малое смещение цветовых координат, вызванное тепловыми эффектами в кристалле и люминофоре (см. рис. 5). Например, для приборов OLP-5065F6L оно составляет 1…3% в зависимости от цветовой температуры. Все светодиоды производства ком-

Рис. 5. Смещение цветовой температуры светодиодов OLP-5065F6x при различных значениях температуры корпуса Ts

700 000 600 000 Срок жизни L(70), ч

600 000 489 584

500 000 400 000 300 000 200 000

72 489

100 000 0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Рис. 6. Расчётный срок жизни светодиодов OLP-5065F6x по критерию L(70) в зависимости от температуры корпуса Ts Таблица 3. Расчётный срок жизни светодиодов серии OLP-5065F6x при различных значениях температуры корпуса Ts Параметр/Серия (рабочий ток) Температура корпуса, °С

F6A (150 мА)

F6C (100 мА)

F6L (350 мА)

55

65

85

Декларируемый срок жизни по критерию L(70), ч Расчётный срок жизни по критерию L(70), ч

34

Sborka_SoEL_8_2013.indb 34

50 000 600 000 WWW.SOEL.RU

489 584

72 489

пании «Оптоган» проходят испытания на надёжность в соответствии со стандартами JESD 22 A103, JESD 22 A 108, JESD 22 A 104, JESD 22 A 106, LM-80-08 и TM-21-11. На рисунке 6 и в таблице 3 приведены результаты испытаний по критерию L(70), проведённых согласно международному стандарту IES TM-21-11 для определения номинального токового режима работы светодиодов. Исходя из полученных данных, срок жизни приборов серии OLP-5065F6x при соблюдении теплового режима превышает 50 000 часов. Новая линейка светодиодов серии OLP-5065F6x производства компании «Оптоган» уже находится в серийном производстве и доступна для заказа. Она прошла «боевое крещение» в реальных изделиях и показала отличные результаты, в частности, в промышленных светильниках. Использование новых светодиодов привело к повышению эффективности серийных светильников до 115 лм/Вт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Применение светодиодов серии OLP-5065F6x позволит изготовителям светотехники обеспечить высокую эффективность, качество и надёжность своих изделий, что, в конечном итоге, приведёт к снижению сроков окупаемости светодиодных осветительных систем. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 4. Спад светового потока светодиодов OLP-5065F6x с ростом температуры корпуса Ts

07.10.2013 9:04:04

© СТА-ПРЕСС Sborka_SoEL_8_2013.indb 35

07.10.2013 9:04:15

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

MP4034: драйвер с интегрированным силовым ключом для питания мощных светодиодов Александр Щерба (Москва)

ДРАЙВЕРЫ MPS ДЛЯ ПИТАНИЯ СВЕТОДИОДОВ

Компания Monolithic Power Systems (MPS) является одним из лидеров в разработке и производстве высокоэффективных компонентов аналоговой и силовой электроники на базе BiMOS- и DMOS-технологий. Линейка выпускаемой продукции включает DC/DC-преобразователи различного назначения, линейные стабилизаторы, специализированные драйверы заряда Li-ion аккумуляторов, супервизоры питания, драйверы подсветки мониторов, усилители мощности звуковой частоты D-класса и др. Одним из ключевых направлений развития компания MPS является разработка и производство микросхем для питания мощных светодиодных источников света. Широко применяемые в настоящее время светодиодные источники света обладают высокой эффективностью, надёжностью и длительным временем эксплуатации, однако для своей работы они требуют источник постоянного тока – специальный светодиодный драйвер. Светодиодные драйверы выполняют преобразование напряжения сети переменного тока в постоянный ток на светодиоде, поддерживают его неизменное значе-

ние и выполняют энергосберегающие функции. Отличительной особенностью светодиодных драйверов, построенных на базе микросхем MPS, являются их высокая эффективность (КПД), надёжность, низкое тепловыделение и минимальное количество внешних компонентов. В таблице 1 представлены краткие характеристики новейших драйверов и контроллеров компании MPS для питания мощных светодиодов от сети переменного тока [1].

СВЕТОДИОДНЫЙ ДРАЙВЕР MP4034 С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ

Одна из последних разработок компании MPS – драйвер MP4034 с интегрированным силовым ключом [2], предназначенный для питания светодиодов суммарной мощностью до 7 Вт. Особенность этого драйвера заключается в отсутствии оптопары и использовании минимального количества внешних компонентов. В микросхему интегрирован полный комплекс защиты драйвера от перегрева, короткого замыкания и обрыва в цепи светодиодов. Первоначально питание микросхемы осуществляется от внутрен-

Таблица 1. Драйверы и контроллеры для питания мощных светодиодов от сети переменного тока Входное напряжение, Vac, В

Cиловой ключ

Выходная мощность, Вт (макс.)

MP4000/1

Внешний

MP4021A

Внешний

Диммирование

ККМ*

Корпус

30

Да

Нет

SOIC8

-

Нет

Да

SO8

Внешний

-

Нет

Да

SOT23-6

Внешний

-

Да

Да

SOT23-8

MP4030A

Внешний

50

Да (внешнее)

Да

SO8

MP4032

Интегрирован

6

Да (внешнее)

Да

SOIC8-7A

MP4034

Интегрирован

7

Нет

Нет

SOIC8-7A

Наименование

Мин.

Макс.

MP4026 MP4027

85

265

*KKM – интегрированный корректор коэффициента мощности

36

Sborka_SoEL_8_2013.indb 36

WWW.SOEL.RU

него высоковольтного источника тока, которое поступает на вход Drain (см. рис. 1). После того как напряжение на выводе Vcc достигает значения 17 В (см. рис. 2), питание от внутреннего высоковольтного источника тока отключается и включается режим преобразования, при котором для лучшей эффективности питание начинает поступать от вспомогательной обмотки NAUX трансформатора T1. В случае падения напряжения Vcc ниже значения 6,2 В микросхема возвращается в первоначальный режим, питание снова поступает от внутреннего высоковольтного источника тока. Микросхема MP4034 для своей работы использует граничный режим преобразования. При включении интегрированного в микросхему силового MOSFET-ключа происходит линейное возрастание тока Ip, протекающего через первичную обмотку трансформатора Np (см. рис. 1). Процесс продолжается до тех пор, пока ток не достигнет своего максимального значения Ipk (см. рис. 3). При отключении интегрированного MOSFET-ключа ток IS со вторичной обмотки трансформатора Т1 потечёт в цепь светодиодов через выпрямительный диод, уменьшаясь линейно (см. рис. 3). Ток, протекающий через выпрямительный диод (светодиодная цепь) вторичной обмотки NS и силовой ключ, детектируется на выводе FB микросхемы MP4034 с помощью вспомогательной обмотки трансформатора NAUX. Выбросы тока, возникающие в трансформаторе в момент переключения ключа, будут проходить по цепи DSN, RSN, CSN. Пиковый ток на светодиодах Ipk_S можно рассчитать, исходя из силы тока на силовом ключе Ipk (вторичной обмотке) и соотношения числа витков в первичной и вторичной обмотках: , где NP – число витков в первичной обмотке трансформатора T1, NS – число витков во вторичной обмотке трансформатора T1, Ipk – пиковый ток на силовом ключе. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

В статье рассмотрены характеристики и особенности применения микросхемы MP4034 от компании Monolithic Power System (MPS) для реализации драйвера, предназначенного для питания мощных светодиодов. Приведены основные расчёты и даны рекомендации в выборе элементов электрической схемы.

07.10.2013 9:04:30

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Мощность, запасённая в первичной обмотке трансформатора, рассчитывается по формуле: ,

Рис. 1. Схема включения драйвера MP4034

В микросхеме MP4034 реализована

после отключения внутреннего силового ключа, как показано на рисунке 4а. В случае обнаружения микросхе-

вышает значение 6,35 В, преобразование прекращается. После прекращения преобразования напряжение на выво-

двухуровневая защита от перенапряжения, работа которой основана на анализе значения сигнала на выводе FB. В нормальном режиме напряжение Vfb на выводе FB измеряется спустя 3,5 мкс

мой превышения напряжения на выводе FB 4,0 В срабатывает первый уровень защиты, при которой частота переключения уменьшается. Если напряжение на выводе FB продолжает расти и пре-

де Vcc будет падать, и при достижении значения 6,2 В микросхема попытается возобновить свою работу (см. рис. 2). Для того чтобы защита не срабатывала, напряжение на выводе FB в нормаль-

ЗАЩИТА

ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 37

WWW.SOEL.RU

37

© СТА-ПРЕСС

где Lm – индуктивность первичной обмотки трансформатора, Ipk – пиковый ток во вторичной обмотке трансформатора, fs – частота преобразования. Микросхема MP4034 разработана для работы в обратноходовых преобразователях в режиме прерывистого тока (DCM). Для того чтобы предотвратить переход преобразования в режим непрерывного тока (CCM) микросхема детектирует задний фронт сигнала, приходящего на вывод FB в каждом цикле преобразования (см. рис. 4). Если величина заднего фронта оказывается менее 120 мВ, работа драйвера прекращается.

07.10.2013 9:04:30

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

ном режиме работы драйвера не должно превышать значения 4,0 В. Напряжение на выводе FB можно рассчитать по формуле:

Рабочий режим

17 6,2

Работа силового ключа

Переключающие импульсы

где VD – падение напряжения на выпрямительном диоде вторичной обмотки трансформатора T1, NAUX – число витков вспомогательной обмотки трансформатора T1, NS – число витков вторичной обмотки трансформаторов T1, N – число подключённых к драйверу светодиодов, Vf – падение напряжения на одном светодиоде, Vref – опорное напряжение (типовое значение Vref = 4,0 В), Rdown и Rup – номиналы резисторного делителя на выводе FB.

Питание от высоковольтного источника тока ON

OFF

Рис. 2. Иллюстрация режимов питания драйвера

ЗАЩИТА

Ipk_S

ОТ ОБРЫВА

В ЦЕПИ СВЕТОДИОДОВ

Ipk Ip

Если значение напряжения –0,15 В по заднему фронту поступающего на вывод FB сигнала не детектируется (см. рис. 4), значит произошёл обрыв в цепи светодиодов. Микросхема MP4034 немедленно отключается

IS

0

Рис. 3. Работа силового ключа

и входит в прерывистый режим работы. Драйвер может возобновить нормальную работу только после устранения неисправности в цепи нагрузки.

FB 0В

ЗАЩИТА

ОТ ПЕРЕГРЕВА Микросхема контролирует температуру корпуса. При достижении значения +150°С работа преобразователя прекращается, автоматически включается режим восстановления. После остывания микросхемы до температуры +120°С работа преобразователя возобновляется.

ZCD TS_on

а)

TS_off

0

3,5 мкс

РЕКОМЕНДАЦИИ

TS_on

ПО ВЫБОРУ

КОМПОНЕНТОВ

б)

Для уменьшения электромагнитных помех (EMI) необходим входной фильтр, реализованный на элементах C1, C2 и L (см. рис. 1). Подключение

Рис. 4. Диаграммы сигнала на выводе FB а) момент детектирования напряжения; б) полный цикл переключения

Таблица 2. Характеристики светодиодного драйвера на базе микросхемы MP4034 в зависимости от входного напряжения Uвх (Vac), В

Uвых, В

Iвых, A

Pвых, Вт

Pвх, Вт

КПД, %

Изменение светового потока, %

85

9,01

0,347

3,027

4,116

75,94

–0,85

115

9,01

0,349

3,045

4,035

77,94

–0,29

150

9,01

0,35

3,054

4,022

78,41

0

200

9,01

0,35

3,054

4,042

78,02

0

230

9,02

0,352

3,076

4,086

77,70

0,57

265

9,02

0,354

3,094

4,167

76,63

1,14

38

Sborka_SoEL_8_2013.indb 38

WWW.SOEL.RU

резистора R с номиналом от 1 до 10 кОм параллельно индуктивности L уменьшает электромагнитные помехи в среднечастотной области. Конденсаторы C1 и C2 обычно подбираются, исходя из подключаемой к драйверу нагрузки (2…3 мкФ/Вт). В случае питания от сети переменного тока с напряжением 230 В значение номиналов конденсаторов можно уменьшить в два раза. В выходной цепи рекомендуется использовать диод Шоттки (VD), обладающий высокой скоростью переключения и низким падением напряжения на переходе. Для снижения стоимости возможно применение обычных диодов, однако в этом случае эффективность драйвера (КПД) может снизиться на 3–4%. Применение трансформаторов с низкой индуктивностью рассеяния повышает эффективность преобразования. Структура трансформатора должна быть оптимизирована для максимальной связи первичной и вторичной обмоток трансформатора. Индуктивность рассеяния не должна превышать 5% [3].

RCD-демпфер в первичной обмотке необходим для гашения переходных процессов при переключении внутреннего силового ключа (MOSFETтранзистора) (см. рис. 4а, TS_OFF). Выброс напряжения, возникающий в момент размыкания ключа, передаётся через диод Dsn в конденсатор Csn, заряжая его. При замкнутом состоянии ключа диод Dsn закрыт, а конденсатор Csn разряжается через резистор Rsn.

ТИПОВАЯ

СХЕМА

ВКЛЮЧЕНИЯ

Для построения светодиодного драйвера на базе микросхемы MP4034 требуется минимальное количество компонентов. Принципиальная электрическая схема для питания трёх белых светодиодов суммарной мощностью 3 Вт представлена на рисунке 5. В ней используется 21 внешний компонент. Относительно малое количество компонентов позволяет реализовать драйвер на печатной плате с небольшими габаритами (см. рис. 6), что в свою очередь делает возможным замену галогеновых ламп, ламп накаливания или компактных люминесцентных ламп светодиодными источниками света без изменения формы и размеров светильника [3]. Светодиодный драйвер MP4034 обладает эффективностью (КПД) более 75% СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Vcc, В

07.10.2013 9:04:35

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

в диапазоне входных напряжений от 85 до 265 В, при этом изменение светового потока не превышает 1,5% (см. таблицу 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Микросхема MP4034, разработанная компанией MPS, позволяет реализовать светодиодный драйвер с гальванической развязкой для питания от электрической сети переменного тока. В микросхему интегрирована защита драйвера от перегрева, короткого замыкания и обрыва в цепи светодиодов. Высокая степень интеграции не требует большого количества внешних компонентов и делает возможным изготовление компактных драйверов с низкой себестоимостью.

Рис. 5. Принципиальная схема включения драйвера MP4034

ЛИТЕРАТУРА 1. MPS. Products. Isolated AC/DC Lighting.

16 мм

(www.monolithicpower.com) 2. MP4034 Offline LED Driver. 2012 MPS Rev.1.0. (www.MonolithicPower.com) 3. EV4034-S-00B 10V/350mA

85VAC-265VAC/50Hz, Primary-Side-Controlled, 27 мм

Offline, LED Driver Evaluation Board. 2013 Monolithic Power Systems, EV4034-S-00B

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 39

Рис. 6. Отладочная плата светодиодного драйвера MP4034 (габаритные размеры 27 × 16 × 16 мм)

WWW.SOEL.RU

39

© СТА-ПРЕСС

Rev.1.1.

07.10.2013 9:04:35

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Интерфейсы датчиков для систем на кристалле Олег Дворников, Владимир Чеховский, Валентин Дятлов (Беларусь), Николай Прокопенко (Россия)

ВВЕДЕНИЕ

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ

Основным направлением миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры является создание систем на кристалле (СнК) и систем в корпусе (СвК). СнК представляет собой сложное микроэлектронное устройство, обычно содержащее на одном полупроводниковом кристалле программируемые процессорные ядра, блоки программируемой логики, память,

ИНТЕРФЕЙС

периферийные устройства, аналоговые компоненты и различные интерфейсные схемы. Главным преимуществом СнК является минимальная стоимость выполняемой функции при больших объёмах выпуска изделий. Сложность проектирования СнК и невозможность обеспечения, в ряде случаев, требуемого уровня характеристик аналоговых блоков привела к появлению СвК, которые содержат несколько кристаллов внутри одного корпуса. Кристаллы располагаются на одном уровне или один над другим, дополняются пассивными или иными необходимыми компонентами и образуют интегрированные модули в одном корпусе, осуществляющие полноценное функционирование конечного электронного устройства. Широкая номенклатура современных датчиков, различие их принципов действия, параметров и режимов эксплуатации, удалённое размещение чувствительных элементов обуславливают небольшую потребность в интерфейсных устройствах для конкретного типа датчиков и затрудняют выбор между реализацией микросхем в виде СнК или СвК. Целью настоящей статьи является анализ схемотехники и параметров аналоговых интерфейсов датчиков, разработанных для применения в СнК.

40

Sborka_SoEL_8_2013.indb 40

ДЛЯ МИКРОСЕНСОРОВ

Микросхема, названная UMSI (Universal Micro-Sensor Interface) [1, 2], содержит источник опорного напряжения (ИОН), устройства обработки сигнала, управления и передачи информации, предназначенные для согласования с цифровыми системами различных ёмкостных и резистивных чувствительных элементов, датчиков с выходным сигналом в виде напряжения и датчиков с выходными цифровыми сигналами. ИС обеспечивает возможность программного изменения в режиме реального времени многих характеристик, в том числе конфигурации системы, коэффициента преобразования и уровня постоянного выходного сигнала. Кроме того, эта микросхема, изготовленная по технологическому маршруту КМОП с проектной нормой 0,5 мкм, содержит датчик температуры, последовательный интерфейс, типовые устройства цифрового ввода/вывода и блок управления прерываниями. Аналоговая часть микросхемы UMSI, показанная на рисунке 1, включает: ● канал обработки сигнала ёмкостного чувствительного элемента (capacitive sensor rea-dout), выполненный на переключаемых конденсаторах с программируемыми на кристалле опорными конденсаторами; ● канал обработки сигнала резистивного чувствительного элемента (resistive sensor readout), конфигурируемый для работы с мостовыми схемами с одним или двумя выходами и имеющий расположенные на кристалле опорные резисторы; ● канал обработки сигнала датчика с выходным напряжением (voltage readout), состоящий из аттенюатора и повторителя напряжения.

WWW.SOEL.RU

Каждый из измерительных каналов соединён с усилителем с программируемым усилением (programmable gain amplifier, PGA) и устройством выборки/хранения (УВХ). ИС также включает 6-разрядный цифроаналоговый преобразователь ЦАП1, формирующий опорное напряжение для управления усилением PGA, 6-разрядный ЦАП2 для самотестирования, ИОН с выходным напряжением 1,5 В. Для минимизации рассеиваемой мощности в микросхеме применены два типа шин питания: постоянная и коммутируемая. Бо|льшая часть блоков соединена с коммутируемой шиной питания и только некоторые малопотребляющие цифровые блоки (обнаружения прерываний) – с постоянной. Кроме того, цифровая и аналоговая части имеют отдельные шины питания. Для питания аналоговой части применены две шины: одна для схемы обработки сигналов ёмкостных датчиков, PGA, УВХ, ЦАП1 и генератора тактовых сигналов, а другая – для канала обработки сигналов резистивных датчиков, датчиков с выходным сигналов в виде напряжения и ЦАП2. Для уменьшения взаимодействия через подложку аналоговая и цифровая части отделены на кристалле, а чувствительные аналоговые схемы окружены низкоомным контактом на подложку. Благодаря входному аналоговому мультиплексору к ИС могут быть подключены до 8 ёмкостных или резистивных чувствительных элементов, или датчиков с выходным напряжением. Канал обработки сигнала ёмкостного чувствительного элемента, совмещённый с PGA и УВХ, показан на рисунке 2, где CS – ёмкость датчика, CREF – ёмкость опорного конденсатора, которая устанавливается программным путём. Заметим, что источники опорного напряжения VREF, VAREF необходимы при однополярном напряжении питания для установления режима работы входных каскадов операционных усилителей (ОУ) по постоянному сигналу, а сами источники VREF, VAREF СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рассмотрены особенности схемотехники и применения микроэлектронных интерфейсов, осуществляющих первичное преобразование и усиление сигналов чувствительных элементов датчиков физических величин.

07.10.2013 9:04:45

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

На ключи Генератор тактовых сигналов

1,5 В Источник опорного напряжения Vref

Vclock

Блок обработки сигнала ёмкостного чувствительного элемента

Выбор (5b)

Усилитель с программируемым усилением

Выбор (2b)

Программируемая матрица конденсаторов

– Программируемая матрица конденсаторов

+

Программируемый опорный конденсатор

Источник опорного напряжения

Аналоговый выход Устройство выборки/ хранения

–

+

Vclock Блок обработки сигнала резистивного чувствительного элемента

Программируемый резистор

–

Буфер

+ Программируемый резистор

Программируемый резистор

ЦАП1

6b

Источник опорного напряжения Varef

Мультиплексор

Мультиплексор

Программируемый резистор

Источник опорного напряжения Программируемое выходное напряжение Блок обработки сигнала датчика с выходным напряжением

– Программируемый аттенюатор

Буфер

+

ЦАП2

6b

Vp

Источник опорного напряжения

Рис. 1. Структурная схема аналогового интерфейса микросхемы универсального интерфейса для микросенсоров (UMSI)

reset_d Phi2_d

reset

Phi2 Cf1 Cf2

3 пФ – Phi4 Cs

Phi-sd

– PGA

Phi3 Vout1

Phi1

Vout

Phi-s

Vref +

Phi1

Cin

X1

Cref

Phi1

Varef

Varef

+

Ch Vout2

Varef

Vdd Блок обработки сигнала ёмкостного чувствительного элемента

Каскад с программируемым усилением

Устройство выборки/хранения

Рис. 2. Упрощённая схема канала, включающего обработку сигнала ёмкостного чувствительного элемента, усилитель с программируемым усилением и устройство выборки/хранения UMSI СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 41

WWW.SOEL.RU

41

© СТА-ПРЕСС

Vss

07.10.2013 9:04:45

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Мостовая схема включения чувствительных элементов датчиков

R1 – Vo

X1 R1 + R2

Vref

Рис. 3. Упрощённая схема обработки сигнала мостового соединения резистивных чувствительных элементов

Программируемый аттенюатор Датчик с выходным сигналом в виде напряжения

+ Vo – Vref

Рис. 4. Упрощённая схема подключения к датчику с выходным сигналом в виде напряжения должны быть малошумящими, так как их шум поступает непосредственно на входы ОУ. Когда потенциал phi1 высокий, ключи phi1 и reset интегратора заряда (X1, CF1) замкнуты (ключи phi1 – разомкнуты) и конденсатор CS заряжается через выход интегратора до величины CS(VREF – VDD), а конденсатор CREF заряжается до CREF(VREF – VSS). Когда потенциал phi1 низкий, заряд CS изменяется до CS(VREF – VSS), а CREF – до CREF(VREF – VDD). Изменение заряда (CS – CREF)(VDD – VSS) в этих цепях проиcходит благодаря передаче заряда с выхода интегратора через конденсатор обратной связи CF1 и изменению выходного напряжения интегратора VOUT1 до величины [1] .

(1)

Таким образом, выходное напряжение интегратора X1, CF1 пропорционально разности между ёмкостью датчика CS и ёмкостью опорного конденсатора CREF и слабо зависит от входной и паразитной ёмкости интегратора заряда. Позже, когда потенциал phi2 становится высоким, выходное напряжение PGA (VOUT2) устанавливается на уровне VAREF, а затем программируемый конденсатор CIN заряжается до CIN(VOUT1 – VAREF) через выход интегратора заряда. Работа PGA идентична работе ин тегратора. Фазы тактовых сигналов phi3, phi4 имеют небольшую задержку относительно phi1, phi2. После того как потенциал phi3 становится высоким (phi3 – замкнут), падение напряжения на CIN изменяется до нуля за счёт передачи заряда с выхода PGA через конденсатор CF2, и, следовательно, изменение заряда на CIN составляет CIN(VOUT1 – VAREF). Коэффициент усиления PGA определяется отношением ёмкостей входного конденсатора CIN и конденсатора

дифференциального усилителя, коэффициент передачи которого определяется отношением сопротивлений резисторов R2/R1. Сопротивления R2 и R1 изменяются программным путём в пределах 4 и 2 разрядов. Для точной обработки сигналов усилитель X1 должен обладать большим коэффициентом усиления при разомкнутой обратной связи, широким диапазоном допустимого выходного напряжения и высокой нагрузочной способностью. Схема подключения (см. рис. 4) к датчику с выходным сигналом в виде напряжения содержит программируемый в пределах 6 разрядов аттенюатор (programmable attenuator) и ОУ, работающий в режиме неинвертирующего повторителя напряжения. Особенности аналогового интерфейса микросхемы UMSI обобщены в таблице 1.

обратной связи CF2, поэтому выходное напряжение равно

Микросхема интерфейса для ёмкостных чувствительных элементов (ICS, interface for capacitive sensors) «интеллектуальных» микросистем [3], выполненная на переключаемых конденсаторах, позволяет программировать параметры с помощью внешнего микроконтроллера, осуществлять самотестирование, а также регистрировать температуру с помощью встроенного датчика. ИС изготовлена по типовому КМОП технологическому маршруту с одним уровнем металлизации и двумя уровнями поликремния, потребляет около 2,2 мВт при однополярном напряжении питания 5 В и позволяет регистрировать изменение входной ёмкости с разрешением 1,0 фФ. Структурная схема ICS показана на рисунке 5. Канал обработки сигнала идентичен рисунку 2 и включает малошумящий интегратор, регистрирующий разность зарядов на ёмкостном чувствительном элементе и опорном конденсаторе, PGA и УВХ. Допустимо программное подключение внешнего опорного конденсатора или одного из трёх внутренних конденсаторов. Ёмкость внутренних опорных конденсаторов может быть подстроена с помощью лазера в диапазоне от 0,15 до 8 пФ с шагом 0,15 пФ. Коэффициент усиления PGA выбирается программным способом из

.

Далее, в течение фазы тактовых сигналов phis, выходное напряжение PGA сохраняется на конденсаторе CH блока УВХ. «Фиктивные» ключи, управляемые тактовыми сигналами , , , применены для уменьшения коммутационных помех. Обработку сигналов мостового соединения резистивных чувствительных элементов (resistive sensor bridge) и датчика с выходным сигналом в виде напряжения (voltage sensor) иллюстрируют рисунки 3 и 4. Выходное напряжение резистивного моста (см. рис. 3) поступает на вход

Таблица 1. Особенности программируемых блоков микросхемы UMSI Наименование блоков и параметров Количество аналоговых входов Аналоговый выход усиление PGA

управление опорным напряжением самотестирование

Диапазон изменения/значение 8 входов, переключаемых на один канал обработки на 6-разрядный ЦАП 8 разрядов (от 0,03 до 31,75) от 6-разрядного ЦАП от 6-разрядного ЦАП

Опорные конденсаторы (CREF на рисунке 2)

8 разрядов (от 50 фФ до 6,4 пФ)

Опорные резисторы (R2 и R1 на рисунке 3)

6 разрядов (от 3,75 до 30 кОм)

Коэффициент передачи аттенюатора

6 разрядов (от 0,125 до 0,875)

Разрешающая способность по ёмкости

0,5 мВ/фФ при единичном усилении

Разрешающая способность по сопротивлению

0,44 мВ/Ом при единичном усилении

Рассеиваемая мощность

42

Sborka_SoEL_8_2013.indb 42

(2)

от 20 мкВт до 13,5 мВт

WWW.SOEL.RU

ИС

ГРУППОВОГО

ИНТЕРФЕЙСА ДЛЯ ЁМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

R2

07.10.2013 9:04:46

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Подстраиваемый лазером конденсатор

Выбор элемента

Подстройка усиления программмированием и лазерной подгонкой

Датчик1 Усилитель с регулируемым усилением

Интегратор заряда Датчик2

. . .

Устройство выборки/ хранения

Датчик температуры Программируемый опорный конденсатор

Датчик6

b2

ЦАП для самотестирования микросхемы

Выбор датчика

Цифровое управление

Мультиплексор

b1 b0

Команды управления, выбора и др.

Интерфейс шины

Команда на самотестирование

9 Шина датчиков

Рис. 5. Структурная схема микросхемы интерфейса ёмкостных чувствительных элементов (ICS) 420 мВт при напряжении питания 5 В и скорости нарастания выходного напряжения около 1 В/мс на ёмкостной нагрузке 50 пФ. Цифроаналоговый преобразователь для самотестирования (см. рис. 7) состоит из трёх программно подключаемых источников тока MP0–MP3, задающих напряжение на поликремниевом нагрузочном резисторе R. Напряжение с нагрузочного резистора R через повторитель поступает на выходную площадку (output pad), а также модулирует амплитуду тактовых импульсов, которые управляют ёмкостным чувствительным элементом и опорным конденсатором. Основные параметры микросхемы ICS приведены в таблице 2.

ИС

КОНФИГУРИРУЕМОГО

ИНТЕРФЕЙСА ДЛЯ СИСТЕМ С РАЗЛИЧНЫМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Микросхема интерфейса MSIC (Multi-Sensor Interface Circuit) [4] разработана для обработки сигналов до 8 резистивных или ёмкостных чувствительных элементов с помощью совместно используемых конфигурируемых блоков. В микросхеме применён несбалансированный мост (nonbalanced bridge), адаптированный для работы как с резистивными, так и ёмкостными чувствительными элементами, что позволило отказаться от подстройки внутрикристальных компонентов для балансировки

Vdd M12

M6

Vdd M9

Vdd M13

M14

M7

Vdd Vdd M1 M2 M3 M4

in+

Mp0

Mp1

S1

S5

M0

b1

b2

M1

Φ1

var S2

b0

Φ1 var S6 var S7

S3

Mp3

Mp2

Vss M10 M11

var var

Out in–

Φ1_in

Vdd

M8

M5

fs

Cf

Мультиплексор

предварительно установленных значений, которые могут быть изменены лазерной подгонкой ёмкости конденсатора обратной связи в интеграторе заряда (CF1 на рис. 2). Совместно лазерная и программная подстройки параметров позволяют варьировать чувствительность канала в пределах от 0,23 до 73,5 мВ/фФ, что соответствует эквивалентному изменению усиления от 1 до 312 В/В. Для самотестирования и самокалибровки микросхемы применяется встроенный 3-разрядный ЦАП. На рисунках 6 и 7 изображены ОУ, применяемый в интеграторе заряда, и 3-разрядный ЦАП для самотестирования микросхемы. Операционный усилитель разработан с учётом обеспечения малых шумов и рассеиваемой мощности, большого коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) на высокой частоте и возможности работы на ёмкостную нагрузку. Транзисторы M1–M5 (см. рис. 6) образуют дифференциальный каскад, а p-канальные транзисторы M1, M2 с большим отношением ширины затвора к его длине (W/L) применены для уменьшения шума, который, в данной схеме, в основном определяется крутизной входных транзисторов. Высокое значение усиления без обратной связи обеспечивает выходной каскад M8– M11 с каскодно соединёнными МОПтранзисторами. Главный полюс разомкнутого ОУ определяется нагрузочным конденсатором, подключаемым к узлу OUT, что позволяет отказаться от дополнительных корректирующих цепей. Ёмкость нагрузки может изменяться в широком диапазоне, не вызывая самовозбуждения ОУ, при этом она эффективно перезаряжается выходным каскадом. ОУ потребляет менее

M2

S4

var S8 Φ1_in

+ Mn

Выходная площадка

R –

Рис. 6. Схема малошумящего ОУ микросхемы ICS СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 43

Рис. 7. Схема ЦАП для самотестирования микросхемы ICS WWW.SOEL.RU

43

© СТА-ПРЕСС

Vss

07.10.2013 9:04:46

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Тактовый сигнал для ёмкостного датчика

Аналоговый мультиплексор

Входы датчиков

Ёмкостный датчик

Резистивный датчик

Генератор тактовых сигналов

Ёмкостный мост

Clk

Совмещённый предусилитель и блок нормирования сигнала

Резистивный мост

Выход

Управление

Блок управления

Рис. 8. Структурная схема микросхемы MSIC (многосенсорного интерфейса)

Несбалансированный ёмкостный мост Несбалансированный резистивный мост

Csensor

C3

S1b Scap –

R1 S1br A

Rsensor

S1b

C1

Scap

Vdd Rref

S1 S1

–

S1b

Vout

+

S1r

B R2

C2

Cref

стивного мостов, преобразующие дифференциальный входной сигнал в унифицированный однофазный сигнал, различны для резистивных и ёмкостных чувствительных элементов. Аналоговый мультиплексор подключает 8 параллельных входов ИС к ёмкостному или резистивному мосту. Упрощённая схема канала, включающая устройство обработки сигнала ёмкостного и резистивного чувствительного элементов и каскад с программируемым усилением, приведена на рисунке 9, где RSENSOR и CSENSOR описывают резистивный и ёмкостный чувствительные элементы, S1B и S1 – неперекрывающиеся комплементарные тактовые сигналы. Путём передачи заряда выходные сигналы резистивного и ёмкостного мостов согласованы с усилителем с ёмкостной обратной связью, выполняющим преобразование заряда в напряжение. При этом выходное напряжение канала VOUT будет связано с параметрами чувствительных элементов соотношениями [4]

+

,

(3)

S1br

Sres S1

S1r

S1b

Scap – Тактовый сигнал подключения канала с ёмкостным чувствительным элементом Sres – Тактовый сигнал подключения канала с резистивным чувствительным элементом

S1

,

(4)

моста. Совместно используемые предварительный усилитель, PGA и каскады обработки сигналов выполнены на переключаемых конденсаторах. Функция выборки/хранения реализована с помощью генератора тактовых сигналов без каких-либо дополни-

тельных схем. Структурная схема ИС MSIC показана на рисунке 8. Совместное использование почти всех схемных блоков для сигналов всех датчиков экономит площадь кристалла и потребляемую мощность. Только элементы ёмкостного и рези-

Таблица 2. Особенности микросхемы ICS Наименование параметров

Значение

Количество чувствительных элементов

до 6 ёмкостных и 1 температурный

Количество опорных конденсаторов

3 внутренних (программируемых от 0,15 до 8 пФ), 1 внешний

1 диапазон чувствительности, мВ/фФ

от 0,23 до 22,3

2 диапазон чувствительности, мВ/фФ

от 0,23 до 50,9

3 диапазон чувствительности, мВ/фФ

от 0,47 до 73,5

Разрешающая способность по входной ёмкости, фФ

<1,0

Тактовая частота, кГц

<50,0

Напряжение питания, В

5

Рассеиваемая мощность

<2,2 мВт

Рабочий диапазон встроенного температурного датчика, °С

–20…60

Разрешающая способность встроенного температурного датчика, °С

1,0

Температурный сдвиг постоянного уровня выходного напряжения, приведённый к входной ёмкости, фФ/°С

0,16

44

Sborka_SoEL_8_2013.indb 44

WWW.SOEL.RU

где CREF – ёмкость опорного внутрикристального конденсатора, Ci – ёмкость i-го конденсатора на рисунке 9, VDD – напряжение источника питания, RREF – сопротивление опорного резистора, Ri – сопротивление i-го резистора. В процессе работы программируемые резисторы R1 и R2 грубо подстраиваются таким образом, чтобы уменьшить разность потенциалов между узлами A и B на рисунке 9 и за счёт этого уменьшить величину выходного напряжения канала VOUT до значений, допустимых для выходного каскада. Для уменьшения погрешности обработки сигналов был предпринят ряд технологических мер, а именно: внутрикристальные переменные конденсаторы выполнены в виде матрицы базовых конденсаторов малой ёмкости, подключаемых КМОП-ключами для получения требуемого номинала; внутрикристальные переменные резисторы также выполнены в виде последовательного соединения базоСОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 9. Упрощённая схема канала, включающего устройство обработки сигнала ёмкостного и резистивного чувствительного элементов и каскад с программируемым усилением

07.10.2013 9:04:47

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ДАТЧИКОВ

Микросхема MS-8 является однокристальной реализацией аналого-цифрового интерфейса [5], содержащего канал обработки сигналов ёмкостных чувствительных элементов и датчиков с выходным сигналом в виде напряжения и тока, температурный датчик, аналоговый мультиплексор, 12-разрядный АЦП и 8-разрядный микроконтроллер. Схема, изготовленная по стандартной КМОП-технологии с проектной нормой 0,35 мкм, занимает площадь кристалла, равную 3,8×4,1 мм. На рисунке 10 приведена структурная схема ИС, на которой выделены аналоговые блоки. Аналоговый мультиплексор выбирает выход одной из буферных схем, соединённых с массивом датчиков с выходным сигналом в виде напряжения (потенциометрические химические датчики [6]), температурного датчика, интерфейса ёмкостного чувствительного элемента или интерфейса амперометрического химического датчика [6]. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 45

Управление Аналоговый интерфейс

Амперометрический датчик

Преобразование ток-напряжение Интерфейс амперометрического датчика Опорное напряжение

10:1 Аналоговый мультиплексор

Ёмкостный датчик

Интерфейс ёмкостного датчика

12-bit ΔΣ АЦП

Фильтр нижних частот Усилитель с программируемым усилением

Ядро процессора

16-bit Интегрирующий АЦП

Аналоговая часть

Цифровая часть

Рис. 10. Структурная схема ИС MS-8 Выбранный канал подключается к PGA с пассивным ФНЧ, выходной сигнал которого поступает на 12-разрядный дельта-сигма и интегрирующий 16-разрядный ЦАП. Последний чувствителен к наводкам, приходящим по подложке от цифровой части кристалла, поэтому в MS-8 он применяется для изучения способов подавления внутрикристальных наводок. Кроме того, в аналоговую часть входит ИОН.

1

R2

– +

R1 3

Vref Опорный электрод

Рабочий электрод Амперометрический датчик

– 2 + На мультиплексор Rf

Vref

– +

Cext

– 4 + Vref

Рис. 11. Упрощённый интерфейс амперометрического датчика (amperometric cell)

WWW.SOEL.RU

45

© СТА-ПРЕСС

●

Датчик температуры

Счётный электрод

●

стью 32 пФ) чувствительных элементов в любой их комбинации; потребляемый ток 300 мкА при напряжении питания 1,8 В; размер кристалла составляет 0,53 × 0,75 мм при реализации интерфейса по КМОП-технологии с проектной нормой 0,18 мкм.

Источник опорного напряжения, равного ширине запрещённой зоны

Реклама

вых 400-омных резисторов; для коммутации базовых элементов использованы КМОП-ключи с сопротивлением во включённом состоянии около 50 Ом. Хотя технологический разброс параметров базовых элементов приводит к погрешности программирования требуемого номинала, самокалибровка микросхемы существенно повышает точность обработки сигнала. Изготовленная по КМОП-технологии фирмы IBM микросхема MSIC характеризуется следующими параметрами: ● динамический диапазон предварительного усилителя и каскада усиления соответствует разрешению в 10 разрядов; ● совместно с 6-разрядным диапазоном подстройки элементов резистивного и ёмкостного мостов эквивалентное разрешение интерфейса превышает 16 разрядов; ● возможна обработка сигналов до 8 резистивных (с максимальным сопротивлением 100 кОм) или ёмкостных (с максимальной ёмко-

Входы для потенциометрических датчиков

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

07.10.2013 9:04:48

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

M11

M12

M13

M14

M21

+ –

M22 M30 –

M1

M3

M4

M2

Ifloat = Iref

+

M25

M30

Out

M19

M26

M31

M32

M15

M16

M17

M18

M23 M24

+ –

Рис. 12. Упрощённая схема ОУ без цепей смещения. Входные транзисторы (M1–M4) и выходной каскад (M25, M26) работают в режиме слабой инверсии Интерфейс ёмкостного чувствительного элемента ИС MS-8 идентичен показанному на рисунке 2. Отличие заключается только в схеме ОУ (X1 на рис. 2) и способе подачи импульсов, перезаряжающих ёмкость чувствительного элемента и опорного конденсатора. ИС допускает использование различных опорных конденсаторов, в том чис-

Включение амперометрического датчика с выходным токовым сигналом поясняет рисунок 11. Этот датчик обычно имеет три электрода: счётный (counter), опорный (reference) и рабочий (working). Подсхема, состоящая из ОУ, обозначенных 1 и 2, и резисторов R1 и R2, образует стабилизатор напряжения, который через обратную связь под-

ле внутрикристальной программируемой матрицы конденсаторов, внешнего конденсатора, комбинации внутренних и внешнего конденсаторов. Ёмкость внутренних конденсаторов программируется в диапазоне от 0,25 до 15 пФ с шагом 0,25 пФ. Для некоторых применений такого диапазона изменения опорного конденсатора недостаточно, поскольку его ёмкость должна быть максимально близкой к ёмкости чувствительного элемента, чтобы обеспечить работоспособность выходного каскада.

держивает значение напряжения, приложенного между опорным и счётным электродами, вне зависимости от тока, протекающего через датчик. Простой генератор, включающий ОУ 3 и внешний конденсатор CEXT, формирует треугольное напряжение питания датчика для выполнения циклического считывания вольтамперных характеристик. Для других типов амперометрических датчиков потребитель может программным путём остановить эти импульсы и подать на датчик внеш-

Таблица 3. Параметры ОУ микросхемы MS-8 Наименование параметра

Значение

Коэффициент усиления на низкой частоте при нагрузке 2 кОм, дБ

90

Напряжение смещения, мВ

0,5

Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ/°C

0,7

Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ

70,0

Частота единичного усиления при нагрузке 2 кОм, зашунтированной конденсатором 200 пФ, МГц

2,5

Запас фазы на частоте единичного усиления при нагрузке 2 кОм||200 пФ, град.

75

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс

0,7

Спектральная плотность напряжения шума на частоте 1 кГц, нВ/√Гц

35,0

Спектральная плотность напряжения шума на частоте 100 кГц, нВ/√Гц

16,0

Ток потребления, мкА

200

Таблица 4. Особенности микросхемы MS-8 Наименование параметров или блоков Количество допустимых датчиков и чувствительных элементов Число каналов опорных конденсаторов

Значение 6 потенциометрических датчиков, 1 ёмкостный чувствительный элемент, 1 датчик с токовым выходом 1 внутренний (программируемый от 0,25 до 15 пФ с шагом 0,25 пФ), 1 внешний, 1 внутренний и внешний

Динамический диапазон аналогового канала, бит Диапазон программирования усиления PGA

12 от 1 до 61 с шагом 10

Напряжение питания, В

3

Потребляемый ток, мА

16 (0,85 в режиме хранения)

46

Sborka_SoEL_8_2013.indb 46

WWW.SOEL.RU

нее питающее напряжение произвольной формы. Считывание токового сигнала осуществляется с рабочего электрода с помощью трансимпедансного усилителя, осуществляющего преобразование тока в напряжение с коэффициентом преобразования, программируемым изменением сопротивления резистора RF. В большой степени параметры аналогового канала определяются характеристиками основного универсального блока – ОУ. Так как в некоторых случаях этот ОУ должен управлять внешней нагрузкой, то он разработан для работы на ёмкостную нагрузку до 200 пФ. Другой особенностью ОУ, показанного на рисунке 12, является сохранение работоспособности при входном и выходном напряжении, близком к напряжению питания [7]. Транзисторы M30–M32 обеспечивают постоянную крутизну входного каскада gMI при изменении входного синфазного сигнала, стабилизируя сумму токов двух дифференциальных каскадов (M1–M4). Стабилизация gMI уменьшает искажения сигнала и упрощает выполнение частотной коррекции с использованием эффекта Миллера без увеличения площади кристалла, занимаемой конденсаторами, и потребляемой мощности. Входные транзисторы (M1–M4) и выходной каскад (M25, M26) работают в режиме слабой инверсии, что позволяет уменьшить уровень шума, приведённого к входу, напряжение смещения и увеличить крутизну входного и выходного каскада при заданном уровне тока. Транзисторы M19–M24 обеспечивают работу выходного каскада в классе AB для уменьшения потребляемой мощности. Основные параметры ОУ приведены в таблице 3. Поскольку ОУ должен управлять внешней нагрузкой, то выходной каскад потребляет почти 70% всей мощности и имеет большой запас фазы на частоте единичного усиления при нагрузке 2 кОм||200 пФ. Этот ОУ применён во всех устройствах аналогового канала, но так как ёмкость нагрузки внутри ИС намного меньше, то в будущих изделиях целесообразно применять несколько модификаций ОУ, в том числе с меньшей нагрузочной способностью, но и меньшей потребляемой мощностью и занимаемой площадью кристалла. Основные параметры микросхемы MS-8 приведены в таблице 4. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Itail = 4Iref

+ –

07.10.2013 9:04:50

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Современные специализированные интерфейсы для микроэлектронных систем всё чаще проектируют в виде функционально-завершённых блоков – IP-компонентов. При этом разработчики стремятся сделать IP-компоненты максимально универсальными, занимающими минимальную площадь кристалла, рассеивающими минимальную мощность, допускающими программирование как структуры, так и основных параметров в широком диапазоне значений. Большинство из рассмотренных выше микроэлектронных интерфейсов выполнено в виде КМОП-схем на переключаемых конденсаторах и предназначено для возбуждения и обработки сигналов резистивных и ёмкостных чувствительных элементов. Аналоговые каналы интерфейсов включают входной мультиплексор, подключающий выбранный чувствительный элемент в плечо моста, усилитель с программируемым усилением, УВХ и АЦП. Для балансировки мостов применяются как внутрикристальные, так и внешние опорные элементы. Высокое разрешение аналогового канала обеспечивает совместное использование усилителей с широким динамическим диапазоном, многоразрядной установки усиления и многоступенчатой подстройки опорных элементов моста. Требование к универсальности IP-компонентов часто приводит к ухудшению электрических параметров специализированных интерфейсов. Так, для минимизации площади кристалла и потребляемой мощности в большинстве случаев осуществляют обработку однофазного сигнала, что приводит к росту чувствительности характеристик ИС, к изменению температуры, проникающей радиации и разбросу параметров интегральных элементов, а также повышению уровня синфазных помех и наводок, и делает невозможной обработку сигналов удалённых датчиков. Изготовление IP-компонентов по наиболее распространённым КМОПтехнологиям затрудняет реализацию прецизионных аналоговых устройств [8], а проектирование КМОП-схем на переключаемых конденсаторах осложнено известными недостатками аналоговых устройств этого класса: уменьшением динамического диапазона из-за инжекции заряда в МОП-ключах и необходимостью ограничения спектра входного сигнала для ослабления составляющих, которые отстоят по частоте от тактового СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 47

сигнала fCLK на величину, равную полосе пропускания аналогового устройства [9]. Кроме «белого» и фликкер-шума, схемы на переключаемых конденсаторах имеют дополнительные составляющие погрешности, в том числе флуктуации напряжения смещения (низкочастотный шум, обратно пропорциональный fCLK) и просачивание тактового сигнала через паразитные элементы, прямо пропорциональное fCLK [9]. Несмотря на указанные особенности, специализированные интерфейсы в виде IP-компонентов использованы в ряде микросенсорных устройств для обработки сигналов локальных датчиков.

ЛИТЕРАТУРА 1. J. Zhang, K. Zhang, Z. Wang, A. Mason.

A Universal Micro-Sensor Interface Chip with Network Communication Bus and Highly Programmable Sensor Readout. Circuits and Systems, 2002. MWSCAS-2002. The 2002 45th Midwest Symposium on Date of Conference, 4–7 Aug. 2002, Volume 2, р. 246–249. (http:// www.egr.msu.edu/~mason/pubs/umsi_ mwscas2002.pdf) 2. A. Mason, N. Yazdi, J. Zhang, Z. Sainudeen.

A Modular Sensor Microsystem Utilizing a

Universal

Interface

Circuit.

Circuits

and Systems, Proceedings of the 2003 International

Symposium

on

Date

of

Conference, 25-28 May 2003. Volume 3., р. 926–929.

3. N. Yazdi, A. Mason, K. Najafi, K. D. Wise.

A generic interface chip for capacitive sensors in low-power multi-parameter Microsystems. Sensors and Actuators 84 (2000), р. 351–361.

4. C. Yang, A. Mason, J. Xi, P. Zhong. Configurable Hardware-Efficient Interface Circuit for Multi-Sensor Microsystems. IEEE SENSORS 2006, October 22–25, 2006, р. 41–44.

5. Keith L. Kraver, Matthew R. Gut-haus, Timothy D. Strong, Peter L. Bird, Geun Sig Cha, Wolfgang H ld, Richard B. Brown.

A mixed-signal sensor interface microinstrument. Sensors and Actuators A91 (2001), р. 266–277.

6. Дж. Фрайден, Современные датчики: Справочник. Техно-сфера, 2005.

7. Ron Hogervors. Johan Huijsing. Design of Low-Voltage, Low-Power Operational Amplifier Cells. Springer, 1996.

8. Абрамов И.И. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем. Минск, 2006.

9. Using the Anadigm FPAA to Interface With Sensors – Technical Considerations. С. 29. (http://www.anadigm.com.com/_apps/ PR030600-0033.pdf) WWW.SOEL.RU

47

© СТА-ПРЕСС

ВЫВОДЫ

07.10.2013 9:04:50

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ

Новости мира News of the World Новости мира

Один из крупнейших в мире производителей микроконтроллеров Renesas Electronics, испытывающий финансовые трудности, получил дотацию в размере 150 млрд иен (около $1,53 млрд) от японского государственного фонда Innovation Network Corporation of Japan (INCJ) и консорциума из восьми клиентов.

Чуть ранее свою помощь предложила американская частная инвестиционная фирма KKR & Co., которая пожелала вложить 100 млрд иен с целью приобретения новых акций Renesas. Это позволило бы американской фирме получить существенный контроль над японской компанией. Японское правительство обеспокоилось этим, и спонсор нашёлся внутри страны.

DailyComm (http://www.dailycomm.ru)

В основе умных часов Pebble лежит чип STM STMicroelectronics выпустила пресс-релиз, где сообщается, что в основе наручных часов Pebble лежит созданный ею микроконтроллер STM32. Pebble Smartwatch связывается с Android-смартфонами и iPhone посредством интерфейса Bluetooth, информируя пользователя о входящих звонках, почте или SMS тихой вибрацией. Инвесторами

выступили

компании

Работу платформы часов и неплохие показатели энергоэффективности обеспечивает 90-нм микроконтроллер STM32 F2, который демонстрирует неплохой баланс между функциональностью и временем автономной работы. Размеры 32-битного чипа STM32 F205 с интегрированным ядром ARM Cortex-M3 @120 МГц, процессором обработки сигналов, различными интерфейсами и контроллером памяти составляют всего 4 мм2.

Реклама

Toyota, Nissan, Keihin, Denso, Canon, Nikon, Panasonic и Yaskawa Electric. Причём их суммарные вложения составили всего 12 млрд иен. Остальные деньги выделил госфонд, передаёт агентство «Рейтер» (reuters.com). До сих пор Renesas находится в сложном финансовом положении из-за падения числа заказов и растущей конкуренции, особенно со стороны Samsung Electronics. Полученная дотация пойдёт на реструктуризацию чипмейкера, которая уже даёт свои результаты. По итогам трёхмесячного периода, который завершился 30 июня 2013 года, чистый убыток компании составил 4 млрд иен против денежных потерь в 20,8 млрд иен годом ранее.

48

Sborka_SoEL_8_2013.indb 48

WWW.SOEL.RU

Также в часах Pebble используется сенсор захвата движений с цифровым выходом STMicroelectronics LIS3DH MEMS, который улавливает ускорение во всех трёх координатах и обеспечивает работу продвинутых функций часов при максимальной экономии энергии. Часы можно заказать на официальном сайте (https://getpebble.com/), причём они совместимы с iPhone и iPod Touch c iOS 5 или iOS 6 устройствами Android с версией ОС 2.3 и выше. www.3dnews.ru

Минпромторг России намерен содействовать притоку студентов в технические вузы В целях обеспечения предприятий инженерными кадрами необходимо максимально содействовать притоку студентов в технические вузы. Министерство промышленности и торговли Российской Федерации намерено оказать этому процессу максимальное содействие. В последние годы наблюдается повышение интереса выпускников школ к техническим специальностям, и эту конъюнктуру нельзя упустить. Об этом заявил заместитель министра промышленности и торговли Российской Федерации Юрий Слюсарь в ходе рабочего визита в Пензенскую область. В ходе рабочей поездки Юрий Слюсарь ознакомился с работой ведущих предприятий радиоэлектронной промышленности России – ОАО «ПО «Электроприбор», НПП «Рубин» и ОАО «Радиозавод», находящихся в Пензе. Замглавы Минпромторга России также принял участие в работе отраслевой XII Научно-технической конференции «Актуальные вопросы развития радиоэлектронной промышленности», где выступил с докладом. В своём докладе Юрий Слюсарь особо отметил, что данная отрасль как в России в целом, так и в Пензе стабильно развивается. В ходе визита Юрия Слюсаря на радиозавод были подписаны договоры о сотрудничестве ОАО «Росэлектроника» с Пензенским государственным университетом и Пензенским государственным технологическим университетом. В ближайшие три года предприятия радиоэлектронной промышленности города Пензы получат из федерального бюджета порядка 2 млрд рублей на техническое перевооружение. www.minpromtorg.gov.ru

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Чипмейкер Renesas получил финансовую помощь от государства и клиентов

07.10.2013 9:05:00

© СТА-ПРЕСС Александр Дон.indd 1

03.10.2013 19:15:16

© СТА-ПРЕСС

© СТА-ПРЕСС Sborka_SoEL_8_2013.indb 49

07.10.2013 9:05:13

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Промышленные системы ионизации – инновационное средство нейтрализации электростатических разрядов Руслан Безяев (Москва)

ВВЕДЕНИЕ Современный уровень развития промышленности, в том числе радиоэлектронной, позволяет разрабатывать высокотехнологичные изделия и оборудование. Однако известно, что электростатические разряды (ЭСР) являются одной из основных причин отказов изделий электронной техники. Возни-

сти, направлены, во-первых, на предотвращение возникновения статического электричества и, во-вторых, на ускорение стекания заряда. Одним из методов является заземление, которое эффективно только для проводящих материалов, имеющих малое удельное сопротивление. Однако нередко оказывается необхо-

кающие в результате различных явлений заряды приводят к появлению разности потенциалов между изделием и отдельными элементами оборудования, изделием и персоналом. Внезапные разряды приводят к протеканию импульсов токов, которые могут частично или полностью повредить электронные компоненты и модули (см. рис. 1). По ГОСТ Р 53734.5 (МЭК 61340.5) «Главный метод борьбы со статическим электричеством – заземление проводников, рассеивающих материалов и персонала. Однако комплексная программа контроля должна включать меры воздействия на изолированные проводники, которые нельзя заземлять, а также изоляционные материалы (например, большинство пластмасс). Ионизация воздуха позволяет нейтрализовать статический заряд на изолированных объектах, заряжая молекулы газов». Методы защиты от ЭСР, применяемые в радио- и электронной промышленно-

димым использование в производстве изоляционных материалов (диэлектриков), обладающих высоким сопротивлением, которое препятствует стеканию электростатического заряда на землю. В этом случае наиболее эффективным методом в борьбе с ЭСР является ионизация рабочего пространства (ионизация воздуха). Этот метод может применяться также и для проводящих поверхностей и объектов, для которых невозможно обеспечить стекание заряда на шину заземления, например, для быстро движущихся объектов или при отсутствии в рабочей зоне шины заземления. Ионизация воздуха особенно широко применяется в чистых комнатах, поскольку электрически заряженные поверхности и предметы притягивают всевозможные частицы пыли, что затрудняет обеспечение высоких стандартов чистоты. Применение ионизации в чистых помещениях – абсолютная необходимость в тех отраслях,

Рис. 1. Примеры повреждённых микросхем и компонентов от воздействия ЭСР

50

Sborka_SoEL_8_2013.indb 50

WWW.SOEL.RU

где нельзя использовать специальные средства, позволяющие снизить влияние статического электричества на чувствительные к ЭСР изделия. Системы ионизации применимы во всех областях промышленности, например, радиоэлектронике, микроэлектронике, деревообрабатывающей, фармацевтической, медицинской или целлюлозно-бумажной отраслях. Тем не менее, важно иметь в виду, что ионизатор не может рассматриваться как единственное средство защиты от ЭСР.

ИОНИЗАТОРЫ КОМПАНИИ EMIT (VERMASON) Основным направлением деятельности концерна DESCO INDUSTRIES INC., основанного более 60 лет назад, в 1952 году, является разработка, производство и тестирование передовых средств защиты от воздействия ЭСР на компоненты, модули и изделия, применяемые в различных отраслях промышленности. На сегодняшний день DESCO INDUSTRIES INC. – это многопрофильный концерн, в состав которого входят известная в России компания VERMASON (Великобритания), производящая высококачественную антистатическую продукцию, и компания EMIT (США), являющаяся мировым лидером в области разработки и производства инновационных систем промышленной ионизации воздуха рабочих зон и поверхностей. Ионизаторы компании EMIT производятся под торговыми марками VERMASON и EMIT в Великобритании и США. Каждый ионизатор проходит тщательную проверку и калибровку в соответствии со стандартами пригодности Национального института стандартов и технологий, США (NIST). Производимые компанией ионизаторы полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современному производству, в том числе помещениям высокого класса чистоты (по ГОСТ ISO 14644-1). Промышленные ионизаторы воздуха EMIT – биполярные устройства. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

В статье описаны основные типы ионизирующих систем, предназначенных для защиты электронных компонентов от вредного воздействия статического электричества, что позволяет повысить надёжность производимой продукции и снизить уровень брака.

07.10.2013 9:05:22

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 51

ПРОМЫШЛЕННЫЙ

НАСТОЛЬНЫЙ

ИОНИЗАТОР ВОЗДУХА

Настольные ионизаторы (см. рис. 2) являются наиболее эффективными, поскольку поток ионизированного воздуха направляется непосредственно на те диэлектрические поверхности, где присутствует электростатический заряд, образуя на них пятно в форме эллипса и создавая на рабочей поверхности нейтральный (нулевой) заряд. Настольный ионизатор с замкнутой системой автобалансировки предназначен для снижения уровня статического электричества в локальной зоне действия, предотвращая формирование электростатического разряда. Принцип действия основан на параллельной и непрерывной «бомбардировке» рабочей поверхности как отрицательно, так и положительно заряженными ионами. Усовершенствованные модели ZERO VOLT – настольные биполярные иони-

заторы локального действия с замкнутой системой автобалансировки и функцией обратной связи. Они предназначены для полной нейтрализации статического заряда на рабочей поверхности. Приборы оснащены интегрированной системой для подключения к комплексной программе регистрации и учёта данных и допущены к применению в чистых помещениях. Модификация MINI ZERO VOLT отличается компактными размерами и предназначена для функционирования в условиях ограниченного рабочего пространства.

ПРОМЫШЛЕННЫЙ

ПОДВЕСНОЙ

БИПОЛЯРНЫЙ ИОНИЗАТОР ВОЗДУХА

Промышленный подвесной биполярный ионизатор воздуха (см. рис. 3), является устройством постоянного тока непрерывного действия со встроенной замкнутой системой автобалан-

WWW.SOEL.RU

51

© СТА-ПРЕСС

Ещё одно преимущество промышленных ионизаторов EMIT (VERMASON) заключается в том, что в них интегрирована запатентованная технология замкнутой системы автобалансировки. Тем самым увеличена их эффективность и работоспособность за счёт повышения надёжности и увеличения интервала между техническими обслуживаниями. В случае обнаружения встроенным датчиком смещения напряжения (баланса), замкнутая цепь его автоматически компенсирует. При выборе ионизатора воздуха следует убедиться в том, что технические характеристики соответствуют требованиям действующих российских и зарубежных стандартов ГОСТ Р 53734.5 (МЭК 61340.5), где определены требования к основным характеристикам ионизаторов, а также установлены методы и средства проверки соответствия требуемым значениям параметров. Промышленные ионизаторы воздуха EMIT (VERMASON) можно разделить на несколько основных групп: настольные, подвесные, прицельные пистолеты-ионизаторы и ионизаторы-распылители, а также системы ионизации помещений и поточные системы ионизации.

Рис. 2. Виды настольных биполярных промышленных ионизаторов EMIT (VERMASON)

Реклама

В отличие от униполярного ионизатора, вырабатывающего только отрицательные частицы, принцип работы биполярного прибора основан на генерации как положительно, так и отрицательно заряженных частиц (ионов). Заряженные частицы перемещаются с потоком воздуха, создаваемым встроенным в ионизатор вентилятором, притягиваются к молекулам противоположной полярности и таким образом нейтрализуют статический заряд на поверхностях объектов рабочей зоны. Вся продукция EMIT (VERMASON) является ионизатором постоянного тока непрерывного действия (Steadystate DC ionizers). Применение этой технологии позволяет обеспечить более высокую концентрацию ионов в воздухе по сравнению с ионизаторами переменного тока, что достигается за счёт раздельного размещения эмиттеров для выработки разнополярных ионов. Получаемая высокая концентрация ионов позволяет достичь более низких скоростей вентилятора, способствуя значительному уменьшению шума и снижению энергопотребления.

07.10.2013 9:05:26

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Рис. 3. Виды подвесных биполярных промышленных ионизаторов EMIT (VERMASON)

ионизированного воздуха на локальные объекты. Прицельный ионизатор-пистолет Chargebuster Ion Gun – компактный и лёгкий (модульная и эргономическая конструкция). Консоль подключается к любой магистрали для подачи чистого сухого воздуха или азота. Применим в чистых помещениях (чистых комнатах). Пневматический пистолет не требует настройки и нуждается в минимальном обслуживании.

ПРОМЫШЛЕННАЯ

СИСТЕМА

ИОНИЗАЦИИ ПОМЕЩЕНИЙ

сировки и обратной связью. Данная модель заключает в себе всю эффективность настольного ионизатора, добавляя удобство регулировки параметров через инфракрасный пульт дистанционного управления, гибкую систему информационного обмена данными на базе микроконтроллеров, универсальный дизайн и стабильную систему ионизации. Расширенный охват ионизируемой зоны идеально подходит для областей с ограниченным рабочим пространством. Уникальность подвесного ионизатора воздуха EMIT (VERMASON) определяется высококлассными рабочими характеристиками. Ионизатор Chargebuster с замкнутой системой автобалансировки предназначен для понижения уровня статического электричества в локальной зоне действия, предотвращая формирование электростатического разряда. Усовершенствованные модели Overhead ZVI – подвесные биполярные ионизаторы локального действия с замкнутой системой автобалансировки и функцией обратной связи. Они оснащены интегрированной системой для подключения к комплексной программе регистрации и учёта данных и допущены к применению в чистых помещениях. Настройка и калибровка производятся через ИК-пульт дистанционного управления. Ионизаторы Overhead ZVI предназначены для

52

Sborka_SoEL_8_2013.indb 52

полной нейтрализации статического заряда на рабочей поверхности.

ПРИЦЕЛЬНЫЕ ИОНИЗАТОРЫ-ПИСТОЛЕТЫ И ЛОКАЛЬНЫЕ ИОНИЗАТОРЫ-РАСПЫЛИТЕЛИ

Ионизатор-пистолет и ионизаторраспылитель (см. рис. 4) являются биполярными прицельными ионизаторами локального действия. Они используют сжатый воздух или азот для нейтрализации электростатических зарядов в локальных областях. Основной акцент прицельных ионизаторов EMIT (VERMASON) производства США направлен на повышение эффективности нейтрализации электростатических зарядов, на препятствие притяжению пыли и удаление видимых загрязнений. Применение прицельных ионизаторов позволяет обеспечить оперативный доступ к самым труднодоступным местам. Внутренний фильтр локального ионизатора задерживает и собирает мелкие остаточные частицы и предметы, капли масла и влагу из магистрали подачи воздуха. Все элементы прицельного ионизатора (консоли, шланги, рукоятки и т.д.) выполнены из антистатических материалов. Локальный ионизатор-распылитель Ion Python отличается прочной и долговечной конструкцией. Гибкий шланг позволяет настроить систему для наиболее эффективной подачи WWW.SOEL.RU

под потолком ионы быстро двигаются к рабочим поверхностям и полу, на которых и происходит нейтрализация статического заряда. Ионизация воздуха снимает электростатические заряды с изоляторов, которые не могут быть заземлены или с изолированных проводников, заземление которых невозможно по техническим или конструкционным причинам. Кроме того, ионизатор используется и как средство контроля за загрязнённостью помещения, поскольку эффективно борется с электростатическим притяжением, способствующим осаждению на рабочие поверхности заряженных частиц пыли. Сбалансированная ионизация воздуха повышает способность системы фильтрации удалять частицы из чистой комнаты. Данный тип ионизации – лучшее решение для помещений с высоким классом чистоты (чистые комнаты) или производственных объектов, сферой деятельности которых является использование композиционных порошковых материалов. Различные виды автоматизированных систем контроля для ионизации помещений EMIT (VERMASON) представлены на рисунке 6.

ПОТОЧНЫЕ

ИОНИЗАТОРЫ

ВОЗДУХА

Применение поточных ионизаторов воздуха EMIT (VERMASON) (см. рис. 7) сочетает в себе эффективность и пракСОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 4. Виды прицельных промышленных ионизаторов EMIT (VERMASON)

Ионизация помещений (см. рис. 5) используется для сокращения количества электростатических зарядов, формирование которых происходит на большой производственной площади. Ионизирующая подвесная система монтируется под потолок, обеспечивая равномерное распределение ионизированного воздуха по всему объёму помещения. Сгенерированные

07.10.2013 9:05:31

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

расширенный охват ионизируемой зоны без подвода магистрали подачи сжатого воздуха. При определённых конструктивных и технологических особенностях процессов на производстве система ионизации функционирует и с подачей сжатого воздуха. Промышленные поточные системы ионизации EMIT (VERMASON) подразделяются на несколько типов. Выбор конкретного типа определяется, исходя из особенностей технологического процесса, необходимости использования подачи сжатого воздуха, наличия цифрового автоматизированного модуля управления с регистрацией данных, необходимости дистанционного управления системой поточной ионизации. Данное решение идеально для производства бумажной продукции, полиэтиленовой ленты или стрейч-плёнки, наиболее эффективно – при печати на профессиональных полиграфических принтерах, оптимально – для любого типа конвейерного производства.

ПРОГРАММНОЕ EMIT SIM

ОБЕСПЕЧЕНИЕ

При необходимости использования системы непрерывного мониторинга, ионизаторы EMIT (VERMASON) подключаются к программному обеспечению EMIT SIM, которое представляет собой платформу для контроля и регистрации деятельности всего имеющегося на производстве интеллектуального оборудования EMIT. Экономия затрат при СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 53

Рис. 5. Вариант исполнения ионизирующей системы EMIT (VERMASON)

Рис. 6. Виды автоматизированных систем контроля для ионизации помещений EMIT (VERMASON)

Рис. 7. Виды поточных ионизаторов воздуха EMIT (VERMASON)

использовании EMIT SIM обусловлена отсутствием ежедневной необходимости полагаться на ответственность персонала и физически проверять состояние всех устройств защиты от ЭСР, в т.ч. ионизаторов. Это программное обеспечение создаёт отчёты о проделанной работе и проведённых калибровках, а также управляет графиками последующих технических обслуживаний всех средств защиты от ЭСР. Внедрение автоматизированных промышленных систем ионизации позволяет: ● предотвратить ущерб, нанесённый непосредственно продуктам ЭСР или электрическим перенапряжением; ● снизить сбои используемого оборудования, вызванного ЭСР; ● избежать проблем, связанных с наличием статического заряда, при изготовлении готовых изделий и достичь более высоких скоростей обработки;

защитить компоненты и модули от загрязнений, а также предотвратить наслоение заряженных частиц на критических поверхностях изделий; ● уменьшить содержание в воздухе частиц в ряде производственных сред; ● снизить риск получения травм персоналом в результате действия статического разряда (ЭСР Справочник – ESD TR20.20 раздел 5.3.6.1.1 контроль разряда; англ. ESD Handbook ESD TR20.20 section 5.3.6.1.1 Charge Control). Описанные в статье инновационные решения сделали промышленные биполярные ионизаторы воздуха EMIT незаменимым средством защиты от статики во всех отраслях промышленности. Информация предоставлена концерном Desco (USA), компанией Vermason (UK) www.darscom.ru ●

WWW.SOEL.RU

53

© СТА-ПРЕСС

тичность. В основе лежит принцип генерации ионов посредством коронного разряда. Эти ионизаторы относят к типу приборов постоянного тока импульсного действия. Простой способ регулировки параметров с функцией гибкого информационного обмена на базе микроконтроллера и универсальный дизайн делают данную систему ионизации уникальной. Поточная ионизация воздуха применяется в полиграфии, бумагообработке, фармацевтике, производстве прессформ и литье под давлением, медицине, текстильной промышленности, волоконной оптике, а также в местах, где происходит накопление электростатического заряда на вращающихся и движущихся объектах (например, на вращающемся валу). Модуль автоматизированного управления поточного ионизатора подаёт напряжение на эмиттеры для импульсной генерации положительных и отрицательных ионов и может обеспечивать

07.10.2013 9:05:35

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Волоконно-оптический датчик аэродинамических углов на основе дифференциального преобразователя угловых перемещений В статье описан датчик аэродинамических углов на основе дифференциального волоконно-оптического преобразователя угловых перемещений. В качестве чувствительного элемента использована пластина с двумя отражающими поверхностями, установленная на платформе с приёмником давления воздушного потока.

Системы обеспечения безопасности полёта летательных аппаратов (ЛА) требуют измерения аэродинамических углов (АУ) с погрешностью, не

превышающей 0,4…0,5° в диапазоне ±60°. Основная погрешность известных отечественных флюгерных датчиков аэродинамических углов составляL F

Рис. 1. Дифференциальный ВОПУП, совмещённый с сильфоном

Рис. 2. Датчик аэродинамических углов с дифференциальным ВОПУП 1 – основание; 2 – державка с сильфоном; 3 – металлическая пластина; 4 – корпус; 5 – платформа; 6 – наконечники; 7 – оптические волокна; 8 – втулка; 9 – волоконно-оптический кабель

54

Sborka_SoEL_8_2013.indb 54

WWW.SOEL.RU

В данной статье предложено использовать волоконно-оптический принцип преобразования, позволяющий отказаться от механической системы с подвижными элементами [3]. Для снижения погрешности волоконнооптических датчиков аэродинамических углов (ВОДАУ) необходимо реализовать дифференциальную схему преобразования оптического сигнала в зоне восприятия измеряемой физической величины [4]. В дифференциальных волоконнооптических преобразователях угловых перемещений (ВОПУП) отражательного типа модулирующим элементом (МЭ) является металлическая пластина с двумя зеркальными поверхностями. С двух сторон МЭ расположены оптические волокна первого и второго измерительных каналов (ИК), причём подводящие оптические волокна (ПОВ1) первого ИК расположены соосно с отводящими оптическими волокнами (ООВ2) второго ИК, и наоборот, ПОВ2 второго ИК расположены соосно с ООВ1 первого ИК [4]. Особенностью дифференциального ВОПУП является то, что ПОВ1 и ПОВ2 подстыковываются к одному и тому же источнику излучения (ИИ). Появление силы, вектор которой перпендикулярен плоскости МЭ, приводит к смещению пластины на угол α относительно первоначального положения, и тем самым, к изменению потока излучения, попадающего в приёмные торцы отводящих волокон. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Татьяна Мурашкина, Елена Бадеева, Дмитрий Серебряков, Кирилл Серебряков, Александр Удалов, Ольга Юрова (г. Пенза)

ет 0,4…2°, а зарубежных (по рекламным данным) – 0,1…0,25° [1]. Низкая чувствительность преобразования флюгерных датчиков ограничивает их применение минимальной скоростью полёта 150…250 км/ч. Основным недостатком таких датчиков, кроме больших габаритов и массы, является наличие механической преобразующей системы, которая состоит из зубчатых зацеплений, подшипников и др. [2]. Подобные узлы снижают надёжность датчиков при механических воздействиях, возникновении резонансных явлений при колебаниях летательных аппаратов и приводят к значительным динамическим погрешностям.

07.10.2013 9:05:45

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 55

40 35 30 I, нА

25 20 15 10 5 0 3

2,5

2

1,5

1

0,5

0

–0,5

–1

–1,5

–2

–2,5

–3

α°

Рис. 3. Зависимости тока фотодиодов первого и второго измерительных каналов от углового перемещения МЭ в диапазоне ±3° поворачивается на угол α относительно горизонтального положения, сжимая сильфон с одной стороны; соответственно, на данный угол перемещается пластина 3 относительно торцов ВОК. Дальнейшие преобразования связаны

чин – деформации, расхода жидкости и газа, силы или давления.

с преобразованием оптических сигналов в ВОПУП, как показано выше. На рисунке 3 приведены графики зависимости тока фотодиодов от углов отклонения МЭ первого и второго каналов I1 = f1(α) и I2 = f2(α), полученные в процессе реальной юстировки и оптической регулировки дифференциального ВОПУП. Предложенная конструкция ВОДАУ может быть легко приспособлена для измерения других физических вели-

та). Казанское математическое обще-

ЛИТЕРАТУРА 1. Живетин В.Б. Аэромеханический контроль (элементы теории и эксперименство. 2000.

2. Клюев Г.И., Макаров Н.Н., Солдаткин В.М. Авиационные приборы и системы: учебное пособие п/ред. В.А. Мишина. УлГУ. 2000.

3. Юрова О.В., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г., Серебряков Д.И. Волоконно-оптический преобразователь углового перемещения. Патент № 2419765 от 27.05.2011 г.

4. Бадеева Е.А., Юрова О.В., Щевелев А.С. и др. Дифференциальный ВОПУП. Современная электроника. № 8. 2010.

WWW.SOEL.RU

55

© СТА-ПРЕСС

рую действует некоторая сила F, на расстоянии L относительно оси ВОПУП, на которой расположен МЭ (см. рис. 1). На рисунке 2 показан общий вид одного из вариантов ВОДАУ на основе дифференциального ВОПУП. Датчик монтируется на корпусе 4, где установлено основание 1 с жёстко закреплённым в нём рабочим торцом волоконнооптического кабеля (ВОК) 9. Здесь же предусмотрена державка с сильфоном 2 и закреплённым МЭ в виде металлической пластины 3, имеющей две зеркально отражающие поверхности и платформу 5, жёстко соединенную с державкой 2. В горизонтальные отверстия основания 1 установлены соосно относительно друг друга со стороны отражающих поверхностей МЭ рабочие торцы ВОК первого и второго ИК. Наконечники 6 с оптическими волокнами фиксируются винтами 6 и 12 в основании 1 после выполнения процедуры юстировки. Воспринимающий элемент (ВЭ) (на рисунке не показан) установлен на платформе 5 на расстоянии L относительно оптической оси датчика. Под воздействием воздушного потока, ВЭ создает крутящий момент М = L × F, где F – сила, с которой элемент действует на платформу 5. При этом платформа 5

45

Реклама

В работе [4] определены функции преобразования первого и второго ИК. Электрические сигналы на выходе приёмников излучения первого и второго ИК (ПИ1 и ПИ2) пропорциональны интенсивности поступающих на них световых потоков. Для повышения точности обработки сигнала с дифференциального ВОПУП целесообразно формировать отношение разности сигналов на выходе каналов к их сумме. В этом случае наблюдается удвоение чувствительности преобразования, снижается влияние на точность измерения неинформативных изгибов оптических волокон, изменения мощности излучения источника излучения и чувствительности ПИ, так как данные факторы вызывают пропорциональные изменения сигналов в каналах, которые не влекут изменения отношения сигналов. Дальнейшие исследования привели к введению в оптическую систему ВОПУП механической преобразующей системы, не содержащей взаимно перемещающихся узлов типа «зубчатая передача». Вместо них может быть использован сильфон, жёстко соединённый с платформой, на кото-

07.10.2013 9:05:46

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Новости мира News of the World Новости мира

Компания D3CI (Digital Devices Design Construction & Integration), основанная в 2009 году и расположенная в Сингапуре, обеспечивает своих заказчиков высококачественными электронными компонентами и предлагает услуги по созданию изделий по техническим заданиям заказчиков, нуждающихся в высококачественной электронике.

D3CI специализируется в разработке и производстве стандартных и/или заказных электронных интегральных микросхем и систем, соответствующих требованиям заказчиков. Производство D3CI соответствует международным стандартам, устанавливающим требования к производству, тестированию и обеспечению качества. Специалисты D3CI готовы предложить решения в соответствии с потребностями заказчика, невзирая на сложность и техническую изощрённость разработчика и размер организации-заказчика. Уже сегодня D3CI может предложить: ●

предоставление высококачественной и высоконадёжной электронной разработки компоновки и проверки;

56

Sborka_SoEL_8_2013.indb 56

оптимизацию электрических, конструктивных параметров и стойкости к воздействующим факторам внешней среды для применений с высокой эффективностью и сложными задачами; ● методологию эффективной разработки прототипов; ● соблюдение времени вывода изделия на рынок; ● экономическую коммерческую эффективность и решения, соответствующие требованиям заказчика к качеству и специальным требованиям применения. Компания D3CI производит модули памяти, компьютерные модули, ЦАП/ЦАП в герметичных 3D-корпусах (этажерочная структура) для аэрокосмических, оборонных и промышленных применений. Преимущества изделий D3CI: ● изделия соответствуют международным стандартам качества MIL-STD-883, MILSTD-1580B, NASA и ESCC; ●

●

●

диапазон рабочих температур –55… +125°С; производство сертифицировано согласно стандарту ISO9000;

WWW.SOEL.RU

продукция не подлежит лицензированию для поставок в Россию. Основные линейки продукции компании D3CI: статическая память RAM – объём памяти 16 и 32 Мб; динамическая память RAM (SDRAM, DDR/DDR2, DP); NAND Flash; E2PROM; магниторезистивная RAM; RAMпамять с изменением фазового состояния; гибридные системы. Области применения: изделия D3CI применяются в авионике, аппаратуре космической техники, промышленной электронике, телекоммуникациях и связи. Производственные мощности компании D3CI позволяют в кратчайшие сроки осуществлять доработку и разработку изделий по спецификациям заказчика. Более подробно с продукцией D3CI можно ознакомиться на сайте www.d3ci.net. ●

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

D3CI: высоконадёжные ЭК для специальных применений

07.10.2013 9:05:48

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Новости мира News of the World Новости мира

С появлением восьмиканального ультразвукового трансивера MAX2082 компании Maxim Integrated Products, Inc. разработчики ультразвукового оборудования смогут создавать более компактные и надёжные устройства с улучшенным качеством изображения. Этот высокоинтегрированный трансивер способен заменить тысячи дискретных компонентов в любой ультразвуковой системе. Он экономит 40% места на плате и потребляет на 30% меньше энергии, чем микросхемы традиционной архитектуры. Если прежде ультразвуковые приборы применялись только в больничных палатах, то сегодня этот недорогой, неинвазивный диагностический инструмент всё чаще можно встретить в небольших клиниках, медицинских офисах и у пациентов дома. При этом покупателям требуются более высокие

бы сделать процесс тестирования и диагностики более удобным, быстрым и точным.

MAX2082 представляет собой полнофункциональное решение небольшой мощности. Компактный корпус, в котором объединены восемь каналов с трёхуровневыми 200 В импульсными генераторами и переключателями «приём/передача», восемь АЦП, восемь МШУ, восемь усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, CW-микшеры, сглаживающие фильтры и разделительные конденсаторы, занимает площадь менее одного квадратного дюйма. Традиционные схемы переключателей «приём/передача» имеют до 128 каналов и более девяти компонентов в каждом из них, таким образом, MAX2082 заменяет тысячи дискретных компонентов. Шумы источника питания и коммутационные помехи в MAX2082 сведены к минимуму, что позволяет достичь превосходного качества изображения. Ключевые преимущества: ● улучшенное качество изображения

уровни производительности по доступной цене. Современные ультразвуковые системы должны быть компактными и обеспечивать высокую чёткость изображений, что-

и высокая производительность – чувствительность системы и качество изображения повышены за счёт сверхнизкого уровня шума (2,8 дБ при сопротивлении

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 57

RIN = RS = 200 Ом) и высокого динамического диапазона приёмника (соотношение сигнал/шум 76 dBFS при частоте fIN = 5 МГц и полосе пропускания 2 МГц); ● экономия пространства – благодаря высокому уровню интеграции требуется на 40% меньше площади, чем при использовании традиционной архитектуры; ● более высокий уровень интеграции и надёжности – 5 отдельных блоков, объединённых в одной ИС, замещают тысячи дискретных компонентов стандартной системы; ● пониженное энергопотребление – решение потребляет на 30% меньше электроэнергии по сравнению с традиционной архитектурой. Приборы поставляются в корпусе BGA размером 10 × 26 мм. Диапазон рабочих температур от 0 до +70°C. russia-feedback@maximintegrated.com

WWW.SOEL.RU

57

© СТА-ПРЕСС

Высокоинтегрированный восьмиканальный ультразвуковой трансивер

07.10.2013 9:05:56

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

Низкочастотный генератор на основе синтезатора частоты AD9833 Часть 1. Описание аппаратных средств и настройка генератора Алексей Кузьминов (Москва) соотношение сигнал/шум не менее 70 дБ. Для питания генератора требуется двухполярный стабилизированный источник питания с выходным напряжением ±15 В и током нагрузки не менее 50 мА. ●

В статье описан генератор низкой частоты на основе ИС синтезатора частоты AD9833, микроконтроллера C8051F330 и инструментального усилителя AD8295. Устройство точно воспроизводит установленную частоту и обладает высокой чистотой спектра выходного сигнала.

Применение современных микросхем прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesizers, DDS) для конструирования низкочастотных (НЧ) генераторов хорошо освоено. Однако ряд проблем, с которыми сталкивается разработчик, не позволяет получить высокую чистоту (в том числе спектральную) выходного сигнала с достаточно верным воспроизведением установленной частоты. В связи с тем, что в подавляющем большинстве современных микросхем DDS используется однополярное питание +5 В, выходной сигнал DDS содержит постоянную составляющую, чуть большую его амплитудного значения (например, в микросхеме DDS AD9833 постоянная составляющая больше амплитуды (0,3 В) на 30 мВ). Если требуется синусоида без постоянной составляющей, то от последней часто избавляются, пропуская выходной сигнал ИС через конденсатор, при этом в области самых низких частот АЧХ генератора становится нелинейной. Другой способ удаления постоянной составляющей – применение операционного усилителя (ОУ) с компенсирующим постоянным смещением. Однако и этот способ имеет недостаток: при изменении коэффициента усиления изменяется и смещение, которое приходится подстраивать. Для тактирования DDS в основном используют кварцевые генераторы с рекомендуемой производителем ИС частотой 25 МГц. Однако такой генератор относительно дорог, выпускается, как правило, в крупногабаритном корпусе и не позволяет точно установить требуемую частоту выходного сигнала. Перечисленные выше проблемы можно решить, если:

58

Sborka_SoEL_8_2013.indb 58

тактировать ИС DDS системным тактовым сигналом микроконтроллера, который для собственного тактирования использует встроенный генератор на основе внешнего кварцевого резонатора; ● для удаления постоянной составляющей использовать инструментальный усилитель (ИУ). В предлагаемой статье описаны аппаратные и программные средства НЧ-генератора, сконструированного с применением микросхемы DDS AD9833, микроконтроллера C8051F330 и ИУ AD8295. В аппаратных средствах приводятся принци●

пиальные схемы и разводка печатной платы генератора и платы подключённого к нему графического OLEDдисплея MI6448. В программных средствах приведена тестовая программа для микроконтроллера, который, в свою очередь, программирует синтезатор для вывода требуемой частоты сигнала. Испытания генератора иллюстрируются осциллограммами и спектрами, снятыми аналоговым и цифровым осциллографами, а также спектрами, рассчитанными программой спектрального анализа сигнала генератора, подключённого к линейному входу звуковой карты компьютера. Электрические параметры генератора: ● амплитуда выходного синусоидального сигнала: нерегулируемая – 0,3 В, регулируемая – от 0,44 до 10 В; ● диапазон частот (в целых числах) от 5 Гц до 100 кГц; ● минимальная дискретность установки точного значения частоты: в целых числах – 5 Гц, дробная – от 5/2 Гц до 5/64 Гц; ● максимальный выходной ток 5 мA на нагрузке 2 кОм; WWW.SOEL.RU

АППАРАТНЫЕ

СРЕДСТВА Аппаратные средства генератора можно разделить на цифровую и аналоговую части. Аналоговая часть генератора обрабатывает (т.е. усиливает, освобождает от постоянной составляющей и т.п.) выходной сигнал DDS. Всё остальное можно причислить к цифровым аппаратным средствам.

Цифровая часть генератора Основой цифровой части генератора является микроконтроллер C8051F330. Выбор именно этого микроконтроллера (МК) был сделан благодаря следующим его свойствам, которые использованы в конструкции устройства: ● максимальная тактовая частота МК составляет 25 МГц, что идеально согласуется с максимальной тактовой частотой ИС синтезатора; ● микроконтроллер может тактироваться как от встроенного тактового генератора на основе внешнего кварцевого резонатора, так и от внутреннего тактового генератора, что бывает необходимо при программировании МК, если, например, кварцевый резонатор ещё не подключён или генератор на его основе не работает; ● у микроконтроллера имеется вывод, на котором присутствует сигнал системной тактовой частоты TTLуровня SYSCLK (или SYSCLK/2 – это определяется программой); эта возможность использовалась для непосредственного тактирования ИС DDS; ● микроконтроллер имеет встроенный аппаратный интерфейс SPI, по которому сопрягаются и дисплей, и синтезатор частоты; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

ВВЕДЕНИЕ

07.10.2013 9:06:01

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

●

●

●

выходной сигнал стандартного вывода МК может быть настроен как двухтактный выход, что обеспечивает высокую надёжность управления внешними устройствами; в микроконтроллере имеется т.н. матрица соединений, которая может перераспределять сигналы микроконтроллера на внешние выводы, что упрощает разводку платы устройства; для программирования МК используется интерфейс C2, с помощью которого МК подключается к USBDEBUG-адаптеру, сопрягаемому с компьютером по интерфейсу USB; для подключения МК по интерфейсу C2 используется всего два сигнала (и «земля»); микроконтроллер выпускается в двух разных корпусах DIP20 и QFN20; первый корпус удобно использовать для макетирования устройства, второй, размером 4 × 4 мм, занимает очень мало места на плате;

микроконтроллер имеет архитектуру, совместимую с I8051, в то же время он однотактный, т.е. цикл выполнения большинства команд занимает один такт. При тактовой частоте, например в 20 МГц, скорость работы МК составляет 20 MIPS (миллионов операций в секунду); ● количество выводов корпуса МК (20) вполне достаточно для реализации всех требуемых функций; ● цена микроконтроллера в корпусе QFN20 около $1,5. Многие микроконтроллеры обладают некоторыми из перечисленных свойств, однако автору не известен микроконтроллер (кроме C8051F330), который бы одновременно обладал всеми этими свойствами. Принципиальная электрическая схема генератора приведена на рисунке 1. Микросхема DDS AD9833 (DD4) сопрягается с микроконтроллером (DD1) по интерфейсу SPI. Для этого используются три сигнала этого интерфейса, подаваемые с микроконтроллера: MOSI (Master Output Slave Input), который предназначен для передачи информации в DDS (в AD9833 этот сигнал обозначен как SDATA), SCK, предназначенный для стробирования данных, посылаемых по линии MOSI (в AD9833 этот сигнал обозначен как SCLK) и сигнал NSS, предназначенный для выбора устройства (Chip Select – CS); в ИС синтезатора этот сигнал обозначен как Fsynk, а в микрокон●

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 59

троллере – как CSAD (добавление AD к CS означает выбор AD9833). Синтезатор частоты работает как ведомый (Slave), а микроконтроллер – как ведущий (Master). Скорость передачи данных по интерфейсу SPI может достигать нескольких Мбод. Как было упомянуто выше, для тактирования ИС синтезатора используется сигнал системной тактовой частоты микроконтроллера SysClk (20 971 520 Гц). Этот сигнал выводится из порта P1.0 микроконтроллера через вывод 13 (так настроена матрица соединений), проходит через триггер Шмитта (один из элементов (верхний по схеме) микросхемы 74LVC2G14 (DD3)) и поступает на вход тактирования ИС синтезатора (MCLK). Применение дополнительного триггера Шмитта снижает общий шум выходного сигнала DDS примерно на 10 дБ. Для настройки номинальной частоты тактирования DDS сигнал, подключённый к входу MCLK DDS, подаётся также на двухконтактный разъём X5 (см. рис. 1), с которого он может быть подан на вход частотомера. Кварцевый резонатор Z1 марки MJ с габаритными размерами 5,0 × 3,2 × × 0,9 мм (www.mercury-crystal.com) предназначен для поверхностного монтажа. Номинальная частота резонатора 20,97152 МГц, номинальная ёмкость нагрузки 10 пФ. Выбор именно этого кварцевого резонатора и именно такой частоты не случаен.

Выходная частота DDS определяется по формуле: Fвых = (Fкв × FreqReg)/228, где Fвых – частота выходного сигнала DDS, FreqReg – значение, записанное в частотный регистр DDS, Fкв – частота тактирования DDS (рабочая частота кварцевого резонатора). Частота Fкв = = 20 971 520 Гц может быть представлена как 5 × 222 Гц. Если эту частоту подставить в вышеприведенную формулу, то получим Fвых = (5 × 222 × FreqReg)/228 = = (5 × FreqReg)/26 = (5 × FreqReg)/64. Если, например, значение FreqReg = = 64, то выходная частота Fвых = 5 Гц; если FreqReg = 128, то Fвых = 10 Гц; если FreqReg = 1280, то Fвых = 100 Гц, если FreqReg = 1 280 000, то Fвых = 100 кГц и т.д. Таким образом, при выборе частоты Fкв = 20 971 520 Гц точное целочисленное значение выходной частоты Fвых можно установить с дискретностью в 5 Гц, записав в FreqReg соответствующее число. Однако точное значение выходной частоты можно установить и с меньшей дискретностью, составляющей от 5/2 Гц (FreqReg = 32) до 5/64 Гц (FreqReg = 1). Наиболее востребованной областью применения генератора, на взгляд автора, является проверка правильного функционирования, настройка и калибровка различных звуковых устройств, работающих в диапазоне частот от 16–20 Гц до 20 кГц. Начиная с 50 Гц и вплоть до 20 кГц точность установки частоты составляет 5 Гц. Что касается самых низких частот звукового диапа-

Реклама

WWW.SOEL.RU

59

© СТА-ПРЕСС

●

07.10.2013 9:06:01

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

DD1

C1

20971520 Гц

Х1 GND D/COL RESOL CSOL MOSI +8OL SCK +3OL

17* C1* C2 C2* 7*

RZ 5M

C3

C3*

+3 C4

0.4/2

0.1

18(1) 19(2) K1 20(3) Z1 K2 1(4) 2(5) 3(6) RST/C2CK 4(7) 5(8) C2D VK8OL 6(9) VK3OL 7(10)

IDC8

P0.4/SCK P0.5/MISO P0.6/MOSI P0.7/NSS P1.0/SysCLK P1.1 P1.2/T0 P1.3 P1.4 P1.5

P0.3/XT2 P0.2/XT1 P0.1/INT0 P0.0/INT1 GND VDD RST/C2CK P2.0/C2D P1.7 P1.6

17(20) SCK 16(19) 15(18) MOSI 14(17) CSAD 13(16) SysClk 12(15) 11(14) K3 10(13) RESOL 9(12) D/COL 8(11) CSOL X5

C8051F330 X6 R3 10K R4

+3 KН1

100K

K Н 2 R5 RAZ4

100K R6 10K

KН3 KН2 KН1

+15

10K

SysClk

CP4 1.0/25 VK3OL RP4

RP3 51K

10K +15

CP8

CP7

0.1

6 V+ 5 4 K3

C10 C11 C12

+5

1.0 1.0 74LVC2G14 C8 0.1

+5

DP4

CP10

MIC5205-3.0 470

MIC5205-5.0 470

X2

RA8

Vout

2.4K RA9

0.1

COMP Vdd CAP/2.5V DGND MCLK

Vout AGND Fsync SCLK SDATA

DP5

2

–12

RA2

+15 DP6

79L12

1 CP12 2.2/16

2

RА3 1.5K

ВК 2К

CP14 10.0/50

Красн Красн.

Кн 6К

Vout ~0.3 В/~(0.44-10)В C А4 1.0 н +0.3 В CA5 1.0/25

X8 4 3 2 1

RA6 470

X7

В K1

X4

CP13 2.2/16

LD2

100 +12

–15

RAZ2 K н1

RА4

AD9833

+12 3

LD1 Зел Зел.

10 VoutAD 9 CSAD 8 SCK 7 MOSI 6

20971520(10485760) Гц

100K

1 3

10K

RAZ2

RAZ4

2.4K

0.1

RA1

1 2 3 4

+12

1 2 3

CA1

+3OL DP2 CP5 1 5 Vin Vout 2 CP6 4.7/10 3 Gnd 4 En Byp MIC5205-3.0 470

1 5 2 Vin Vout CP11 4.7/10 3 Gnd 4 En Byp

1 5 2 Vin Vout CP9 4.7/10 3 Gnd 4 En Byp

1.0/25

1 2

1 2 3 4 5

X_Vout X_Vout_Kн 1 1 2 2

X3

DD4

C9

+15

+3

DP3

1 2 3

R7 100K R8 10K

–15 +15

KН3

+3

74LVC2G14 C7 0.1

CP2

DP1 20 1 5 RP2 2 Vin Vout 300K 3 Gnd 4 En ADJ CP3 2.2/16 LP2980-ADJ

VK8OL RP1

DD3

RST/C2CK

RAZ3

+5

RG

+8OL CP1 1.0/25

C6 0.1 DD2 1 6 K1 2 V+ 5 3 4 K2

R2 1K

C2D RST/C2CK

RAZ2 1 2 KН3 3 KН2 4 KН1

R1 1K C5 1.0

+3

RA7 +0.3 В 16 15 14 13 RA5 1 1 +V 12 330 + 3.9K RAZ4 DA1 2 -– 2 11 RG +5 3 3 + R1 10 +2.5 В RG +2.5 В DA2 VoutAD 4 + 9 – –VRef 2 1 RAZ3 (~0.3+0.3) В R2 CA7 CA3 Vout Vin 5 6 7 8 CA2 CA6 20 4.7/10 AD8295 4.7/10 3 3 +15 0.1 MCP1525 –12 CP15 –

1 D/COL 2 RESOL 3 CSOL 4 MOSI 5 6 +8OL SCK 7 8 +3OL

1 2 RAZ3

10.0/50

78L12

CO2 4.7 +8OL +3OL

CO3 4.7 CSOL RESOL D/COL

RO2 1K

SCK MOSI

RO1 910K +8OL

CO1 4.7

OLED 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

NC Vcc(+8) GND Vdd(+3) VddIO(+3) BS1(0В) BS2(0В) CS RES D/C WR(HI) RD(HI) D0(SCLK) D1(SDIN) D2(HI) D3(HI) D4(HI) D5(HI) D6(HI) D7(HI) IREF VcomH Vcc(+8) GND NC

Vcc(+8) Vdd(+3) GND CS RES D/C D0(SCLK) D1(SDIN)

MI6448 IDC8_1.7

а)

CSOL RESOL D/COL SCK MOSI

+8OL +3OL

1 2 3 4 5 6 7 8

ХOL

ХOL

Х1 GND D/COL RESOL CSOL MOSI +8OL SCK +3OL

1 2 3 4 5 6 7 8

IDC8

D/COL RESOL CSOL MOSI

+8OL +3OL

CSOL RESOL D/COL +8OL SCK SCK MOSI +3OL

1 2 3 4 5 6 7 8

Vcc(+8) Vdd(+3) GND CS RES D/C D0(SCLK) D1(SDIN) IDC8_1.7

б) Рис. 2. Схемы связи дисплея с платой генератора а – схема соединения дисплея с интерфейсным разъёмом, б – схема кабеля связи дисплея с платой генератора

60

Sborka_SoEL_8_2013.indb 60

зона (10–50 Гц), то здесь можно устанавливать частоту более точно, например 2,5 (5/2) Гц, 1,25 (5/4) Гц или даже 0,625 (5/8) Гц. Это означает, что точ-

Помимо сигналов интерфейса SPI на дисплей с микроконтроллера подаются ещё два сигнала с логическими уровнями (TTL) – RESOL, осуществляющий

ность и дискретность установки в звуковом диапазоне вполне достаточны для работы с любым звуковым устройством. Существуют кварцевые резонаторы и на другие частоты, пропорциональные степени 2: например, 16 777 216 Гц = = 224 Гц и 8 388 608 Гц = 223 Гц, с помощью которых можно установить выходную частоту DDS с дискретностью в 1 Гц, что более удобно. Однако кварцевые резонаторы с такими частотами в корпусе для поверхностного монтажа автору найти не удалось. Можно приобрести недорогой и не очень точный кварцевый резонатор на частоту 8 388 608 Гц в стандартном усечённом корпусе (HC-49S) и резонатор на частоту 16 777 216 Гц в более габаритном корпусе (HC-49U). При тактировании этими частотами значительно упрощается процедура установки частоты с помощью кнопок (и её программное обеспечение). Однако чем выше тактовая частота DDS, тем дальше она находится от рабочего диапазона выходной частоты Fвых и тем меньше в выходной сигнал DDS проникает помех. С графическим дисплеем марки MI6448 микроконтроллер сопрягается с помощью сигналов интерфейса SPI (MOSI, SCK), а для выбора устройства (CS) использован порт P1.5 микроконтроллера, с которого снимается сигнал CSOL. Дисплей (как и синтезатор) работает в ведомом режиме (Slave), а микроконтроллер – в режиме ведущего (Master).

сброс (RESET) дисплея, и сигнал мультиплексирования данных и команд D/COL. Сигналы VK8OL и VK3OL предназначены для включения/выключения питания дисплея и подаются, соответственно, на входы разрешения (En) стабилизаторов +8 В (DP1, см. рис. 1) и +3 В (DP2). При включении дисплея первым должно подаваться питание Vdd (+3 В), а затем, через некоторое время, – питание Vcc (+8 В). При выключении дисплея первым обесточивается шина Vcc (+8 В), а затем – Vdd (+3 В). Сами же напряжения питания +8OL и +3OL со стабилизаторов подаются непосредственно на дисплей. Все 7 сигналов: D/COL, RESOL, CSOL, MOSI, SCK, +8OL, +3OL и «земля» приходят на 8-контактный разъём X1 (см. рис. 1). Дисплей расположен на отдельной плате (см. рис. 2), где предусмотрен интерфейсный разъём XOL. Через него на дисплей подаются напряжения питания, «земля» и управляющие сигналы. Разъём X1, установленный на плате генератора (см. рис. 1), соединяется с разъёмом XOL, расположенным на плате дисплея (см. рис. 2а), специальным интерфейсным кабелем, схема которого показана на рисунке 2б. На плате генератора расположены ещё несколько стабилизаторов: +3 В (DP3), предназначенный для питания микроконтроллера, +5 В (DP4), используемый для питания DDS, и два стабилизатора –12 В (DP5) и +12 В (DP6) для

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема генератора. Выводы DD1, показанные без скобок, соответствуют корпусу QFN20, в скобках – DIP20

07.10.2013 9:06:03

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

+Uп

X1(JTAG/C2)

RST/C2CK

GND TCK/C2DAT TDO NC NC

NC GND TMS TDI/C2CK GND

2 4 6 8 10

Vоп

+ ОУ2

Rсм

C2D Vin ИОН

Vout

–

+ ОУ1

Vсм

Vоп

–

IDC10P

Vсм

X2 C2D RST/C2CK

1 2 3

ВК

RKу

ИУ

RG Vin

RAZ3/C2

–

49.4K Vout = (Vin –Vсм )(1 + _____ ) RKу

Vout

RG + Ref

Рис. 3. Схема кабеля связи USB-DEBUGадаптера с платой генератора

Рис. 4. Функциональная схема аналоговой части генератора

питания аналоговой части генератора. В качестве внешнего источника питания (±15 В) применяется описанный в [3] двухполярный стабилизатор. Для установки требуемой частоты генератора используются 3 кнопки типа DS-402, расположенные на корпусе устройства. Как известно, при нажатии и отпускании любая кнопка создаёт некоторое количество паразитных импульсов, которые являются следстви-

с учётом удобства разводки, т.е. расположение выводов всех микросхем именно такое, как в их описании. Чтобы пояснить работу цифровой части и источников питания, вполне достаточно принципиальной схемы. Однако чтобы понять, как работает аналоговая часть, принципиальная схема не очень удобна, т.к. оба операционных усилителя (ОУ) и инструментальный усилитель (ИУ) находятся в микросхеме DA1 AD8295. Поэтому

может регулироваться в диапазоне от +0,2 до +0,5 В, что вполне достаточно, чтобы скомпенсировать постоянное смещение +0,3 В выходного сигнала DDS (Vin, см. рис. 4) относительно нулевого уровня. С движка резистора Rсм напряжение смещения Vсм подаётся на неинвертирующий вход ОУ1 (см. рис. 4), роль которого на принципиальной схеме рис. 1 играет ОУ, входящий в состав микросхемы AD8295 (выводы 12, 13

ем «дребезга» контактов. Для борьбы с этим явлением применяются известные [5] схемы, основанные на триггере Шмитта (в DD2 (74LVC2G14) и в DD3). Для программирования микроконтроллера используется USB-DEBUGадаптер, который сопрягается с микроконтроллером C8051F330 по интерфейсу C2, а с компьютером – по интерфейсу USB. Ответный трёхконтактный разъём X2 кабеля связи (см. рис. 3) подключается к разъёму Х2 на плате генератора, а ответный разъём X1 – к выходному разъёму USB-DEBUG-адаптера. В [4] описан простой способ изготовления такого кабеля.

работу аналоговой части генератора легче пояснить по функциональной схеме, приведённой на рисунке 4. Источник опорного напряжения (ИОН) MCP1525 (DA2, см. рис. 1), выдаёт эталонное напряжение Vоп = +2,5 В, которое подаётся на неинвертирующий вход ОУ2 (см. рис. 4), входящий в состав AD8295 и включённый как повторитель, поэтому все 4 вывода (7, 8, 9 и 10) DA1 соединены вместе и на них присутствует опорное напряжение +2,5 В. Это напряжение подаётся на подстроечный резистор смещения, условно показанный на рисунке 4 как Rсм (на принципиальной схеме рис. 1 он состоит из постоянных резисторов RA5, RA7 и подстроечного резистора RA6). На движке подстроечного резистора Rсм присутствует напряжение смещения Vсм ≈ +0,3 В. Оно

и 14) и включённый тоже как повторитель. Выходное напряжение Vсм с этого повторителя подаётся на инвертирующий вход ИУ, входящий в состав AD8295. На неинвертирующий вход этого ИУ подаётся сигнал от синтезатора частоты (Vin). Поскольку вход Ref ИУ заземлён, то при разомкнутом выключателе ВК (Ку = 1) выходное напряжение Vout ИУ равно входному Vin, сдвинутому на напряжение смещения Vсм = 0,3 В в отрицательную область, т.е. освобождено от постоянной составляющей. Формула, которая связывает входные напряжения Vсм и Vin и выходное напряжение Vout, имеет следующий вид:

Аналоговая часть генератора Принципиальная схема генератора, показанная на рисунке 1, составлена

Vout = (Vin – Vсм)(1+49,4 К/RG), (1) где RG – номинальное значение резистора, включённого между двумя

Реклама

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 61

WWW.SOEL.RU

61

© СТА-ПРЕСС

1 3 5 7 9

07.10.2013 9:06:04

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

R

+

RG

+Uп

R

– 24.7K

–

Rк.у Rк.у.

RG

–

Vin+

ИОН

Vout

Vоп Rсм

Vin Vout

+ ОУ

Vсм

–

+

24.7K

R

R

Rк.у.

REF

Vсм ИУ – RG RG + Ref

ВК

+ Vin

49.4K К.У. = 1 + _____ Rк.у.

R = 20K(AD8220), 10K(AD8221), 40K(INA129)

RA2 10K

RA1

Рис. 6. Упрощённая функциональная схема аналоговой части генератора

RА RА3

ВK1

1.5K

ВК К ВК2

+12

RG

Рис. 5. Внутренняя структура ИУ типа AD8295, INA128/129 и AD8220/21

100K DA3

+0.3В

RA6

3 2 1 –V + _ +V 4 6

CA5 470 RA7 330

RA5 3.9K

1.0 +5

+0.3В VoutAD (~0.3+0.3)В CA3 20

1 2 3 4

2 Vout

CA6 4.7/10

1 Vin

4.7/10

0.1 RА44 R 100

Vout ~0.3В/~(0.44–10)В C 4 CА4 1.0н

–12 CA2 0.1

CA8

CA7

CA1

DA1 RG 8 7 – +V 6 + Ref 5 –V

INA128/129

+2.5В DA2

Vout

0.1

3 OPA735(OPA335, MCP6021)

MCP1525

Рис. 7. Альтернативная схема аналоговой части генератора с использованием ИУ INA128/129

R 4 RА4 100

Vout ~0.3 В CА4 1000

+12

CA5

CA1

1.0

–0.3 В

DA1 VoutAD (~0.3+0.3)В CA3 20

16 15 14 13 +V + – 1 12 – 2 11 RG 3 10 + R1 RG 4 + 9 – –V Ref R2 5 6 7 8 –2.5В CA2 –0.3В

+2.5 В 2

а)

4.7/10

Vin

CA7 4.7/10

3

MCP1525

–12 +0.3 В

RA6 CA5 470 RA7 330

RA5 3.9K

+2.5 В DA2 CA2 4.7/10

2 1 Vout Vin 3

б)

DA2 1

Vout

CA6

RA7 330 +5

470

3.9K

AD8295

0.1

RA6

RA5

0.1

MCP1525

RA1 10K

1.0 +5 RA2 10K CA3 4.7/10

–12 VoutAD (~0.3+0.3)В

DA3 4 6 –V – + +V 3 2 1

CA1 1.0

CA3 20 CA2

+12 CA1 DA1 R 1 8 G 0.1 2 7 – +V RА4 3 + 6 4 Ref 5 100 –V –0.3В INA128/129 –12

-0.3В

0.1

OPA735(OPA335, MCP6021 при –V = –5 В)

Рис. 8. Принципиальная схема аналоговой части генератора с Ку = 1 а – на основе ИУ AD8295, б – на основе ИУ INA128/129 и ОУ OPA735

62

Sborka_SoEL_8_2013.indb 62

WWW.SOEL.RU

Vout ~0.3 В CА4 1.0 н

выводами RG ИУ. Если выключатель ВК разомкнут, то RG = ∞ и Vout = Vin – Vсм. Если выключатель ВК замкнут, то RG = RКу, и Vout = (Vin – Vсм)(1 + 49,4 К/RКу). Здесь RКу – значение переменного резистора, определяющего коэффициент усиления ИУ. Из формулы (1) следует, что независимо от коэффициента усиления постоянная составляющая выходного сигнала Vout всегда будет равна нулю, или, другими словами, при вращении движка резистора RКу будет изменяться только амплитуда выходного сигнала переменного тока. Классическая схема ИУ состоит из трех ОУ (см. рис. 5). Можно заметить, что первые два ОУ имеют одинаковые резисторы ОС (по 24,7 кОм), включены как неинвертирующие и образуют дифференциальный усилитель, коэффициент передачи которого зависит только от номинала резистора RКу. Поскольку оба этих ОУ подключены к третьему ОУ, включённому по дифференциальной схеме, то изменение RКу не влияет на смещение всего ИУ. Важно, что в отсутствие резистора RКу инструментальный усилитель обеспечивает коэффициент передачи Ку = 1. Усилитель также имеет вход REF, управляя которым можно регулировать смещение всего ИУ в довольно широких пределах. В функциональной схеме, приведённой на рисунке 4, ОУ2 можно исключить (он входит в состав ИС AD8295), соединив выход ИОН непосредственно с Rсм (см. рис. 6). Номинал Rсм составляет 4,7 кОм (3,9 + 0,33 + + 0,47), поэтому выходной ток ИОН не превысит 2,5 В/4,7 кОм = 0,53 мA (максимальный ток ИОН 2 мА). В то же время функциональную схему, показанную на рисунке 6, можно использовать, если вместо AD8295 применить более распространённые ИУ типа INA128/129 или AD8220/21. В этом случае можно использовать ОУ с «нулевым смещением» типа OPA735. Поэтому, если ИС AD8295 найти не удастся, в качестве аналоговой части генератора можно использовать схему рис. 7. Если же из схем (рис. 4 и рис. 6) исключить RКу и выключатель ВК, схемы значительно упрощаются (см. рис. 8), и ИУ включается по классической схеме. Подстроечный резистор смещения Rсм на принципиальных схемах обозначен как RA6. Тип резистора – СП516ВБ мощностью 0,25 или (что лучше) 0,5 Вт, номинал 470 Ом. Именно этот тип резистора как нельзя лучше подСОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

AD8220/21, INA129, ИУ AD8295 Vin–

07.10.2013 9:06:07

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

ведёт к незначительному изменению коэффициента усиления, а при малых – наоборот. Поэтому регулировка малых значений Ку может быть произведена с относительно высокой точностью, а больших Ку – становится проблематичной. Решить эту проблему можно двумя способами. Как известно, переменные резисторы выпускаются промышленностью с различной зависимостью значения сопротивления R от угла поворота движка (см. рис.10). Если использовать переменный резистор с экспоненциальной зависимостью С, то в нашем случае можно повысить точность регулировки. Второй способ заключается в установке последовательно с резистором, регулирующим Ку, ещё одного перемен-

а)

R

К.У. ΔRК.У.

A B

ΔК.У.

C

α

ΔRК.У. ΔК.У.

300°

RК.У.

Рис. 9. Зависимость коэффициента усиления Ку от номинала резистора RКу ного резистора, номинал которого на порядок меньше (10 кОм или 4,7 кОм). В этом случае малые значения Ку можно регулировать резистором 100 кОм, а для точной подстройки больших значений Ку использовать последовательный резистор значительно меньшего номинала. Поскольку переменный резистор с выключателем и номиналом в 100 кОм с характеристикой C в продаже отсутствует, автор выбрал второй вариант. В качестве основного регулирующего элемента RA1 был выбран резистор с выключателем и с характеристикой B, а в качестве дополнительного RA2 – переменный резистор типа СП5-16ВБ номиналом 10 кОм мощностью 0,5 Вт. Корпуса переменных резисторов должны быть заземлены, чтобы не наводить помехи при регулировании. На рисунке 11 приведена фотография макета одного из вариантов генератора. В случае использования микросхем с мелким шагом выводов для них пришлось изготовить небольшие платы – переходники. Большинство соединений на макетной плате сделано проводом МГТФ 0,03 с обратной стороны платы.

Рис. 10. Зависимость сопротивления резистора R от угла поворота движка α А – логарифмическая, B – линейная, C – экспоненциальная

РАЗВОДКА

И ИЗГОТОВЛЕНИЕ

ПЛАТ ГЕНЕРАТОРА И ДИСПЛЕЯ

Разводка печатной платы генератора сделана в программе Sprint Layout 5.1. Вариант разводки приведён на рисунке 12. Плата получилась довольно миниатюрной – 35 × 40 мм. Вариант разводки платы дисплея приведён на рисунке 13. Контакты дисплея припаяны к плате, а сама плата прикручена винтами к пластине из стеклотекстолита (см. рис. 14). К этой же пластине приклеен липкой губчатой лентой дисплей. Подобная конструкция достаточно жёсткая и в то же время предохраняет хрупкий стеклянный дисплей от повреждения. Фотографии плат генератора (см. рис. 15) и дисплея (см. рис. 16) сделаны после их промывки изопропиловым спиртом, но перед тем, как они были покрыты со стороны проводников несколькими слоями бесцветного цапонлака. Технология изготовления фотошаблонов и плат подробно описана в [1] и [2].

НАЛАЖИВАНИЕ

ГЕНЕРАТОРА Налаживание генератора в основном сводится к настройке тактового гене-

б)

в)

Рис. 11. Фотографии макетной платы генератора а – общий вид с резонатором 20971520 Гц и синтезатором частоты AD9833; б – фрагмент платы с резонатором 8388608 Гц и синтезатором AD9837; в – фрагмент платы с резонатором 16777216 Гц и синтезатором AD9833 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 63

WWW.SOEL.RU

63

© СТА-ПРЕСС

ходит к выполняемой им функции, поскольку: ● случайное касание шлица не приводит к повороту движка; ● резистор крепится к корпусу прибора гайкой, а небольшой выступ на корпусе препятствует проворачиванию корпуса при регулировке. Переменные резисторы, предназначенные для изменения коэффициента усиления ИУ, на принципиальных схемах обозначены как RA1 и RA2, включенные последовательно (плюс постоянный резистор RA3), а на функциональных схемах их замещает резистор RКу. Номинал резистора RA1 равен 100 кОм, и на его корпусе расположен двухконтактный выключатель (ВК1). Если взглянуть на формулу (1), можно заметить, что сопротивление установки коэффициента усиления RG находится в знаменателе. Это означает, что зависимость коэффициента усиления Ку от значения RКу является нелинейной (см. рис.9), и при больших значениях RКу существенное его изменение при-

07.10.2013 9:06:08

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

40

18

18

22 35

17

1,5 1,5

а)

Рис. 13. Вариант разводки платы дисплея

б)

Рис. 15. Фотографии платы генератора а – вид со стороны проводников, б – вид со стороны разъёмов

а)

б)

Рис. 16. Фотографии платы дисплея с крепёжной пластиной а – вид со стороны дисплея, б – вид со стороны крепёжной пластины ратора МК на номинальную частоту кварцевого резонатора, равную 20 971 520 Гц. Во избежание повреждения ИС AD8295 при настройке частоты тактового генератора эта ИС должна отсутствовать на плате. Дело в том, что выходной сигнал DDS микросхемы AD9833 в отсутствие тактирования может принять непредсказуемое значение, в том числе и напряжение питания +5 В. В этом случае на инвертирующий вход ИУ AD8295 будет подано напряжение около +0,3 В, а на неинвертирующий вход – напряжение питания +5 В. От такого дифференциального напряжения ИУ может выйти из строя. Если же генератор настроен и микросхема DDS тактируется микроконтроллером, то максимальное выходное напряжение DDS составит не более ±0,3 В. В этом случае ИУ будет работать в штатном режиме. В описании микроконтроллера C8051F330 указано, что параллель-

64

Sborka_SoEL_8_2013.indb 64

но кварцевому резонатору должен быть подключён резистор номиналом в 10 МОм (резистор RZ на рис. 17). При таком номинале резистора тактовый генератор запускается не всегда, однако при номинале резистора 5 МОм генератор запускается устойчиво. Для работы тактового генератора МК с использованием кварцевого резонатора применяется схема, показанная на рисунке 17а и рекомендуемая производителем микроконтроллера. В этой схеме используются кварцевый резонатор Z1 и два конденсатора C1 и C2, номиналы которых должны быть подобраны так, чтобы их общая ёмкость, вместе с ёмкостью монтажа, соответствовала нагрузочной ёмкости, приведённой в спецификации кварцевого резонатора. Для кварцевого резонатора частотой 20971520 Гц фирмы Mercury в спецификации указана нагрузочная ёмкость 10 пФ. С учётом общей ёмкости монтажа и входов XT1 WWW.SOEL.RU

Рис. 14. Пластина для крепления платы дисплея и самого дисплея к корпусу и XT2, например 3 пФ, ёмкости конденсаторов С1 и С2 должны быть по 17 пФ. Однако, по опыту автора, ёмкости этих конденсаторов должны быть 12…15 пФ, в этом случае они обеспечивают работу резонатора на номинальной частоте в 20 971 520 Гц. На рисунке 17б приведена схема точной настройки частоты резонатора. Вначале впаивается конденсатор C1 ёмкостью, например, 12 пФ. Вместо C2 впаивается подстроечный конденсатор 3/20 пФ (см. рис. 11). Параллельно ему впаивается третий подстроечный конденсатор C3 ёмкостью 0,4/2 пФ (который останется на плате). Далее к разъёму X5 (см. рис. 1) подключают кабель, соединённый с входом частотомера, и при среднем положении регулятора конденсатора C3 вращают регулятор конденсатора C2, добиваясь показаний частотомера (см. рис.18а) 20971520 Гц. После этого выпаивают конденсатор C2 и измеряют его ёмкость. Затем из нескольких конденсаторов номиналом 10…12 пФ выбирают ближайший по ёмкости к 11 пФ и впаивают на место C2 (см. рис.17в). После этого включают питание и устанавливают частоту конденсатором C3. На этом настройка генератора заканчивается. Как следует из рисунка 18а, частотомер измеряет частоту за время 0,1 с и выдаёт показания через интервал, определяемый временем индикации, для регулировки которого в частотомере предусмотрена специальная ручка. Точность настройки частоты в таком режиме составляет ±10 Гц (при частоте 20 971 520 Гц это соответствует отклонению менее ±0,00005%). Такой точности вполне достаточно для настройки. Однако если увеличить время измерения до 1 секунды (см. рис.18б) и потратить чуть больше времени, точность настройки можно повысить до 1 Гц (±0,000005%). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 12. Вариант разводки платы генератора

07.10.2013 9:06:19

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

DD1 18 P0.3/XT2 19 P0.2/XT1

C1

C2

DD1 18 P0.3/XT2 19 P0.2/XT1

C1

Z1 RZ

C2

C8051F330

Z1 RZ

C2

C8051F330

3-20 C3

а)

б)

DD1 18 P0.3/XT2 19 P0.2/XT1

C1

Z1 RZ C8051F330

C3

в)

0.4/2

0.4/2

Рис. 17. Последовательность настройки тактового генератора на номинальную частоту кварцевого резонатора

а)

б)

в)

Рис. 18. Фотографии показаний частотомера, измеряющего частоту тактового генератора при различном времени (Т) измерений а – Т = 0,1 с; б – Т = 1 с; в, г – Т = 10 с Следует отметить, что используемые автором конденсаторы C1 и C2 типа К10-17А держат частоту генератора на протяжении нескольких лет. Что касается настройки смещения ИУ (резистором RA6, рис. 1), то она, как уже упоми-

ЛИТЕРАТУРА

налось, производится один раз. Во второй части статьи будут описаны программные средства и приведены результаты испытаний генератора.

2. Кузьминов А. Изготовление устройств на

3. Кузьминов А. Регулируемый двухполярный

1. Кузьминов А. Метод фоторепродуцирова-

блок питания. Радио, № 5, 2012.

ния для изготовления фотошаблона печат-

4. Кузьминов А. Преобразователь интерфей-

ных плат в домашних условиях. Техно-

сов USB_SPI с гальванической развязкой.

логии в электронной промышленности,

Современная электроника, № 1, 2012.

5. Бирюков С.А. Цифровые устройства на

печатных платах с высоким разрешением в домашних условиях. Технологии в элек-

и связь, 1996.

6. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. Мир, 1978.

Реклама

тронной промышленности, № 8–10, 2010.

МОП-интегральных микросхемах. Радио

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 65

WWW.SOEL.RU

65

© СТА-ПРЕСС

№ 5–7, 2010.

07.10.2013 9:06:26

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ

Новости мира News of the World Новости мира

Компания Aeroflex Incorporated анонсирует выпуск конфигурируемого автоматического радиотестера Aeroflex 7215, предназначенного для проведения радиочастотных испытаний, в том числе военных и программно-определяемых систем (Software-Defined Radios, SDR), на производстве и ремонтных базах.

Стандартная комплектация радиотестера модели 7215 включает сенсорный экран высокого разрешения, возможность проведения радиоиспытаний на частоте до 2,6 ГГц, мгновенную ширину полосы частот 90 МГц (и для генерации цифрового сигнала, и для анализа), а также инструменты

для работы с радио- и аудиочастотами – и всё это в одном корпусе. Более совершенные инструменты анализа цифрового сигнала, такие как измерение амплитуды вектора ошибок или даже испытания на ослабление мощности на сигналах с прыгающей частотой, устанавливаются опционально с настройкой в соответствии с требованиями конкретного заказчика. Заказчики, которым требуется автоматизация при проведении радиочастотных и нерадиочастотных испытаний могут также применять модель 7215 в качестве менее габаритной и более мощной и экономичной альтернативы применению крупногабаритных стоек с набором автоматического тестового оборудования (Automatic Test Equipment, ATE). www.globalsmt.net

TSMC предлагает маршруты проектирования 16-нм FinFET на основе ядер Cortex-A15 Ведущая контрактная полупроводниковая кузница TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.) сообщает о создании трёх пакетов проектирования

чипов с использованием так называемых 3D-транзисторов FinFET. Это даёт возможность конструкторам чипов получить доступ к 16-нм FinFET-технологии TSMC и создавать кристаллы с технологией TTS (ThroughTransistor-Stacking).

Intel была пионером в области коммерческого внедрения FinFET-транзисторов и до сих пор остаётся единственной компанией, обладающей этим технологическим процессом. Однако TSMC подписала трёхлетний контракт на производство чипов Apple, некоторые их которых будут использовать FinFET. Использование 3D-транзисторов позволяет получить заметные преимущества как в вопросах физического масштабирования, так и энергопотребления. Производители САПР электроники (EDA) сотрудничали с TSMC в разработке и проверке упомянутых маршрутов проектирования на различных чипах. Например, 16-нм FinFET-маршрут проектирования использовал многоядерный процессор ARM Cortex-A15 в качестве тестового образца для сертификации. http://www.eetasia.com

Реклама

66

Sborka_SoEL_8_2013.indb 66

WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Конфигурируемый автоматический радиотестер

07.10.2013 9:06:31

© СТА-ПРЕСС Sborka_SoEL_8_2013.indb 67

07.10.2013 9:06:52

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

К вопросу о точности расчёта программ электродинамического моделирования СВЧ-устройств Александр Курушин (Москва)

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время проектирование СВЧ-частей радиолокационных, радиоприёмных, оптических систем немыслимо без широкого применения современного программного обеспечения. Однако не менее актуальным является тестирование и верификация этих программ. Поэтому разработчик, одновременно с актуальной задачей выбора программы для решения конкретной задачи, сталкивается с проблемой точности решения. Обычный ответ, что программа считает точно, на уровне физического эксперимента не всегда верен. Поэтому в статье рассматриваются такого рода вопросы и ответы. Широкое внедрение в практику проектирования электродинамических программ универсального назначения можно считать естественным процессом развития современного подхода к проектированию антенн и СВЧустройств. Однако всегда стоит иметь в виду, что использование даже самой современной программы не означает, что расчёт будет производиться путём численного решения системы уравнений, описывающих всю анализируемую систему, хотя только этим метод гарантирует совпадение результатов расчёта с реальностью. Дело в том, что |S21| 1.02 1.015 1.01 1.005 1 0.995 0.99 0.985 0.98

HFSS Схема Порт 2 Порт 1 1

6

ЕМ структура в MWO 11 12 Частота, ГГц

Рис. 1. Частотные характеристики отрезка линии, рассчитанные несколькими способами

68

Sborka_SoEL_8_2013.indb 68

такое решение требует таких вычислительных мощностей, что даже на самых мощных современных компьютерах он будет занимать недопустимо долгое время в подавляющем большинстве случаев за исключением самых простых. В результате разработчики программ вынуждены использовать упрощённые модели рассчитываемой системы. Но на практике важными являются и точность, и скорость расчёта. Проектирование СВЧ-структуры произвольной формы остро ставит задачу описания, выбора и подтверждения достоверности модели. Построение достоверной модели связано с задачей анализа характеристик физической системы, реализуемой на этом устройстве. Это первый важный вопрос, решаемый в процессе проектирования, и умение построить модель, адекватную реальной задаче, является крайне важным для разработчика, которое можно (и стоит) развивать эмпирическим путём посредством самостоятельных исследований. Второй важный момент проектирования – это всё большее разнообразие показателей качества, используемых при оценке проектируемого устройства. В условиях высокого темпа производства современный исследователь, перед которым ставится задача проектирования части или всей системы, должен однозначно получить ответ на вопрос, какой метод нужно выбрать для решения конкретной задачи с заданной степенью точности. Другими словами, какое программное обеспечение предпочесть? Общий ответ, и самый логичный, звучит так: для каждой задачи есть своя лучшая программа. Однако путь достижения цели идёт через поиск приоритетов.

WWW.SOEL.RU

В программе Microwave Office [2] основным методом расчёта нелинейных СВЧ-схем является метод гармонического баланса. При использовании этого метода нелинейные устройства (транзисторы, диоды), а также отдельные части распределённых структур представляются в виде сосредоточенных компонентов с портами. Распределённые структуры при этом описываются моделями, которые называются моделями в замкнутой форме closed form. Общая модель системы в этом случае называется schematic (схема), хотя она включает, фактически, разветвлённые сложные СВЧ-структуры. Однако модели в замкнутой форме рассчитываются на основании метода Олинера [1], что подразумевает наличие аналитических выражений, связывающих электрические и геометрические характеристики элементов СВЧ-тракта. Поставим перед собой задачу выяснить, существует ли разница между рассчитанными и реальными характеристиками, насколько она велика и что следует сделать — отбросить дающие ошибку методы либо ввести корректирующие поправки (например, изменить диэлектрическую проницаемость). Для начала проанализируем простейшие типовые элементы СВЧустройств — отрезок микрополосковой линии, разветвление линий, неоднородность в виде скачка ширины. При этом в качестве эталона будем использовать программу HFSS фирмы ANSYS [4], в которой для расчётов применяется метод конечных элементов — численный метод решения полной системы уравнений, описывающих электромагнитные поля. Эта программа была выбрана вместо использования экспериментальных измерений, так как измерительные приборы на высоких частотах могут вносить слишком большую собственную погрешность. Как уже говорилось, использовать её для расчёта сложных конструкций нереально из-за слишком большого времени вычислений. Сравнивать же эталон мы будем СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

В статье обсуждаются вопросы точности расчётов на примерах программ моделирования СВЧ-устройств. Рассматриваются и сравниваются результаты расчёта на программах MWO и HFSS ряда тестовых структур, включая широкополосный фильтр.

07.10.2013 9:07:05

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

с результатами работы программы Microwave Office фирмы AWR [3]. Помимо возможного несоответствия действительности используемых в тестируемой программе моделей распределённых пассивных структур следует иметь в виду возможные ошибки из-за неадекватности портов, служащих в программе моделями соединений отдельных компонентов схемы. Этот вопрос в настоящей работе рассматриваться не будет, а для исключения влияния портов применим операцию разгерметизации, т.е. удаление неоднородности в местах портов от регулярной части структуры.

АНАЛИЗ

ОТРЕЗКА

МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ

MCROSS ID = TL3 W1 = 1 мм W2 = 1 мм W3 = 1 мм W4 = 1 мм

MSUB Er = 10 H = 1 мм T = 0.005 мм Rho = 1 Tand = 0.001 ErNom = 10 Name = SUB1

MOPEN ID = TL7 W = 1 мм

MLIN ID = TL5 W = 10 мм MLIN PORT ID = TL1 P=1 W = 1 мм Z = 50 Ом L = 10.5 мм

MLIN ID = TL2 W = 1 мм L = 10.5 мм PORT P=2 Z = 50 Ом

MLIN ID = TL4 W = 1 мм L = 10 мм MOPEN ID = TL6 W = 1 мм

Рис. 2. Топологическое представление отрезка линии с двумя шлейфами в EMSignt 1 30 мм 10,5 мм 22 мм 10 мм

10 мм 1 мм

10,5 мм 5 мм 2

Рис. 3. Схема, представляющая в виде символов отрезок микрополосковой линии с двумя разомкнутыми на концах шлейфами

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 69

WWW.SOEL.RU

69

© СТА-ПРЕСС

Реклама

Рассмотрим отрезок микрополосковой линии, заключённый в экранирующий корпус (см. рис. 1). Диэлектрическая проницаемость подложки (ε = 9,8), толщина подложки 1 мм и ширина линии специально подобраны так, что характеристическое сопротивление такой линии близко к 50 Ом. Коэффициент отражения зависит от соотношения характеристическо-

го сопротивления линии и импеданса порта. Если эта разница велика, то можно считать, что отрезок линии является резонатором. Поэтому выберем режим равенства опорного сопротивления порта и характеристического сопротивления линии. Рассчитаем частотные характеристики коэффициента передачи линии. На рисунке 1 приводятся частотные характеристики коэффициента передачи отрезка линии, представленной в виде схемы, в виде EM-структуры, а также в виде 3D-модели в HFSS. Видно, что расчёт в EM-представлении даёт ошибку расчёта (|S21| >1). Ещё большее различие между результатами обсчёта электродинамической структуры и её схемной модели, создаваемой из неё путем декомпозиции, можно увидеть при анализе перекрещиваемых микрополосковых линий (см. рис. 2 и 3). На рисунке 2 приводится представление этой конструкции при расчёте её электродинамическим методом моментов в MWO (утилита EMSignt), а на рисунке 3 приведена полученная для неё схема, которая рассчитывается методом Олинера.

07.10.2013 9:07:05

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

22 мм Eps = 1 30 мм

10 мм

2

1 мм

1 1 мм

Eps = 10 0,001

а)

Рис. 4. Трёхмерное представление отрезка линии с двумя шлейфами Коэффициент отражения 1 Схема 0.6 0.4

МОМ MWO

HFSS

0.2 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 Частота, ГГц

290 mil 20 mil

10 mil

226 mil 96 mil 1 130 mil

2 270 mil

15 mil

Рис. 6. Частотные характеристики отрезка микрополосковой линии со шлейфом, рассчитанные несколькими методами (включая расчёт на HFSS)

50 mil

50 mil

20 mil

Рис. 7. Геометрия полосового фильтра Структура состоит из двух слоёв: диэлектрической подложки с проницаемостью ε = 10 и вакуума вверху. Разбиение на ячейки топологии (формы) в EMSight программы MWO [2] выполним так, чтобы в районе сливания шлейфов разбиение на сетку было значительно (в 3 раза) плотнее. При этом обсчёт электродинамической структуры позволяет при расчёте поля учесть такие физические явления, как концентрация поля в месте перекрытия, возникновение и затухание высших типов волн в неоднородной структуре. Моделирование, параметрическая оптимизация и синтез структуры выполняются в современных программах очень разнообразно. В процессе оптимизации можно изменять и ширину, и длину, а в общем случае – и отдельные координаты структур, превращая их в сложную полоско-щелевую линию с изменяемой конфигурацией и сечением. В антенной структуре современного сотового телефона, например, невозможно выделить отдельные шлейфы, перекрестия, линии.

70

Sborka_SoEL_8_2013.indb 70

Исследуемой конструкции в программе HFSS соответствует структура, показанная на рисунке 4. Принципиальным отличием методики HFSS от метода Олинера можно считать порты, реализованные в HFSS как волноводный порт, который охватывает диэлектрический и верхний слои (см. рис. 5а). Качественно картину распространения поля в пространстве анализа можно исследовать с помощью ближнего поля. Ближнее поле в сечении длинной линии показывают пучки электромаг-

формул. Выполним моделирование фильтра (см. рис. 7), используя модели XModels [3], модели Олинера, а также с помощью полной EM-модели (Full Model), полученной на основе выделения модели из схемы (см. рис. 8). Структура фильтра включает 4 шлейфа, формирующих два отличных резонансных контура. Поэтому этот фильтр является фильтром второго порядка. Схема этого же фильтра, составленного из традиционных элементов (линий, разветвителей и шлейфов), показана на

нитных волн (см. рис. 5б). Данные расчёта, полученные в HFSS, в виде S-параметров экспортируем в MWO в виде файла, а затем отобразим в графическом виде вместе с рассчитанными в самом MWO частотными характеристиками (см. рис. 6). Рассчитанные частотные характеристики показывают, что имеется значительная разница в результатах расчёта даже для таких простейших структур, как пересечение двух микрополосковых линий. Разница резонансных частот (точек, где коэффициент отражения достигает минимального значения) достигает 20%. Из таких погрешностей в итоге может складываться картина, далёкая от реальных характеристик СВЧ-структур. Покажем это на примере полосового фильтра.

рисунке 8. Каждому схемному элементу (см. рис. 8) в MWO соответствует конструктивный аналог (топологический элемент Layout), что удобно для параллельного создания структуры в виде схемы и в виде топологии, позволяя сразу преобразовывать синтезированную схему в реальную плату (см. рис. 9), в том числе многослойную. Отдельные элементы (например, перемычки, которые связывают слои и сильно влияют на характеристики интегральных схем или нестандартные электродинамические структуры, элементов которых нет в библиотеке моделей) при этом можно рассчитывать электродинамическим методом. Включение модели SPICE [2] позволяет выполнить анализ переходного процесса во временной области. Результаты расчёта фильтра (см. рис. 9) различными методами, используемыми в MWO, приводятся на рисунке 10. Расчёты показывают, что электродинамический метод моментов, реализованный в MWO, даёт бо|льшую точность по сравнению с методом Олинера. На точность расчёта влияет как плотность сетки разбиения, так и выбор типа портов. Важным является также то, что электродинамические методы позволяют визуально отобразить поля в пространстве и токи на поверхностях (см. рис. 11), что позволяет исследователю анализировать физические явления в структуре.

АНАЛИЗ

ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА Проведём анализ широкополосного полосового фильтра, используя три метода расчёта в MWO (пример входит в список примеров MWO [3] и поэтому используется как тестовый). Традиционные модели, рассчитываемые по формулам, были разработаны, чтобы работать в широком диапазоне изменений геометрических и электрических параметров (ширине линии, высоте подложки, относительной диэлектрической проницаемости микрополосковой линии) и частот, однако всегда стоит помнить о наличии границ применимости этих WWW.SOEL.RU

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 5. Ближнее поле в сечении порта (а) и в сечении структуры в программе HFSS (б)

1.2

0.8

б)

07.10.2013 9:07:09

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

MTRACE ID = X1 W = Wo mil PORT L = Lo mil P=1 B Type = 2 Z = 50 Ом M = 0.6

MTEES ID = TL1

MLIN ID = TL3 W = Connect width1 mil L = Connect length1 mil

MLIN ID = TL6 MTEES W = Connect width2 mil ID = TL4 L = Connect length2 mil

MLIN ID = TL9 MTEES W = Connect width1 mil ID = TL7 L = Connect length1 mil

MTEES ID = TL10

MTRACE ID = X2 W = Wo mil L = Lo mil B Type = 2 M = 0.6

PORT P=2 Z = 50 Ом

100 mils 15 mils

2

910 mils MSUB Er = 9.8 H = 11.81 mil T = 1.968 mil Rho = 1 Tand = 0 ErNom = 9.8 Name = SUB1

9.8 MLEF ID = TL2 W = Stub width1 mil L = Stub length1 mil

MLEF ID = TL5 W = Stub width2 mil L = Stub length2 mil

MLEF ID = TL8 W = Stub width2 mil L = Stub length2 mil

MLEF ID = TL11 W = Stub width1 mil L = Stub length1 mil

1

500 mils

Рис. 8. Схемное представление фильтра, построенного на отрезках микрополосковых линий (в MWO) На рисунке 12 показаны амплитудночастотные характеристики, полученные с помощью расчёта несколькими методами, в том числе методом конечных элементов на программе HFSS с использованием дискретных (Lumped port) и волновых портов (Wave port). Результаты, полученные при описании портов этими двумя методами, сближаются, если выполнить разгерметизацию портов [2, 4], т.е. отдалить дискретные порты от стенок. На этом же рисунке отображены характеристики, полученные расчётом методами

100

Рис. 9. Структура фильтра в корпусе

0 S11, дБ –10 –20 –30 –40

XModels Модель Олинера Full EM

–50 –60 5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5 11 Частота, ГГц

Рис. 10. Частотные характеристики полосового фильтра, рассчитанные с помощью MWO: формулы в замкнутой форме (метод Олинера), XModel – модели с коррекцией моделей Олинера, Full EM-расчёт методом моментов (используя EMSignt)

MWO. Из рисунка видно, что наибольшее отклонение от рассчитанных электродинамическими методами истинных характеристик даёт расчёт методом Олинера.

ВЫВОДЫ

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 71

Рис. 11. Картина тока на поверхности фильтра

0

S11 Олинер

–10

XModels

–20

Traditional Models

Lumped port

–30

Full EM DB (|S(1/1)|) 20130714_Test_MWO_ Filter_2_HFSSDesign1

HFSS Wave_port

–40

EMSight

–50

DB (|S(1/1)|) 20130714_Test_MWO_ Filter_5_Wave_port

–60 5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5 11 Частота, ГГц

Рис. 12. Частотные характеристики полосового фильтра, рассчитанные несколькими методами мощности современных компьютеров позволяет с лёгкостью и удобством использовать для анализа и синтеза СВЧ-устройств именно их.

2. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А.

ЛИТЕРАТУРА

3. www.awrcorp.com/products/microwave-

Проектирование СВЧ-устройств с помощью Microwave Office. Москва: СОЛОНПресс. 2003. С. 496. (Серия «Системы проектирования»).

1. Oliner A.A. Equivalent Circuits for Disconti-

office (сайт компании AWR)

nuities in Balanced Strip Transmission Line.

4. http://www.ansys.com/ (сайт компании

IRE Trans. Microwave Theory Tech. Vol. 25.

ANSYS – разработчика программы HFSS

P.134–143. 1955.

Ansoft).

WWW.SOEL.RU

71

© СТА-ПРЕСС

Метод Олинера на протяжении десятилетий с момента его предложения [1] использовался очень активно. Реализация этого метода в MWO [3] ускорила процесс проектирования СВЧмикросхем, в том числе усилителей, смесителей и генераторов. Особенно полезен был этот метод для расчёта нелинейных СВЧ-схем. Однако с появлением современных мощных компьютеров и программного обеспечения, реализующего электродинамические методы точного решения для электромагнитного поля, наступает время для исключения его из арсенала разработчиков. Сравнение расчёта тестовых структур на современных программах показывает, что погрешности расчёта этим методом могут достигать 20%. Из этого следует, что метод Олинера сыграл свою роль и его применение целесообразно только на этапе эскизного проектирования. Различные электродинамические методы — конечных элементов, метод моментов и метод конечных разностей во временной области — дают характеристики, совпадающие с экспериментальными, а рост вычислительной

07.10.2013 9:07:11

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Активные автодинные датчики в различных частотных диапазонах В статье описаны результаты теоретического расчёта, численного моделирования и экспериментальных исследований характеристик различных активных микрополосковых антенн сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.

Традиционные автодинные датчики, например «Тигель-05», выполняются в гибридно-интегральном или волноводном (объёмном) исполнении [1, 2]. Однако генераторы и автодины в объёмном (волноводном) исполнении с механической перестройкой частоты не удовлетворяют требованиям по степени миниатюризации, технологичности изготовления и стоимости. К настоящему времени в НИИПП накоплен достаточно богатый опыт создания и практического применения автогенераторов и автодинных генераторов в гибридно-монолитном исполнении, разработанных в ходе нескольких НИОКР – «Торонто», «Токио», «Трон», «Томь», «Толедо», «Тангаж» и др. В таких устройствах используются антенны, расположенные на одной печатной плате с активными элементами. В исследовании печатных антенн для автодинного датчика диапазона КВЧ [3, 4] были промоделированы раз-

личные типы излучателей: двухплечевая спиральная антенна, биконический диполь и четырёхэлементная линейная антенная решетка с излучателями резонаторного типа. Автодинный датчик состоит из антенны, СВЧ-генератора, цепей питания и схемы регистрации автодинного сигнала. В СВЧ-диапазоне длин волн в качестве активного элемента до настоящего времени применяются диоды Ганна, которые могут объединять в одном устройстве функции генератора и смесителя с низкими потерями. Ранее в работах [5–7] уже рассматривались модели активных микрополосковых антенн с включённым активным элементом. Такой выбор обусловлен относительной простотой изготовления, достаточно небольшими потерями, высокой степенью интеграции микрополосковой части с активным элементом и невысокой стоимостью. Один из типов таких антенн – прямоугольная патч-

ε = 3,8 h = 0,3 мм

1,5 мм

Рис. 1. Внешний вид антенной решётки

3 мм

Рис. 2. Геометрия антенной решётки

Рис. 3. Распределение магнитного поля (плотности тока) на поверхности антенной решётки (f = 48 ГГц)

72

Sborka_SoEL_8_2013.indb 72

WWW.SOEL.RU

антенна – представляет собой нанесённый на диэлектрик прямоугольный полупроводник с соотношением сторон 3/2. Такое соотношение обеспечивает возбуждение в проводнике моды TM01. В качестве материала для подложки был выбран кварц с диэлектрической проницаемостью 3,8 (наиболее часто использующийся в данном диапазоне). Далее представлены результаты численного моделирования такой антенны в программном пакете CST Microwave Studio, лицензионная копия академической версии которой была предоставлена кафедрой радиофизики. Наряду с одиночными излучателями широкое применение находят печатные антенные решётки. На рисунке 1 показана простейшая печатная антенная решётка из излучателей резонаторного типа, а на рисунках 2–5 – её характеристики. Патч-антенна хорошо описана в ряде работ [5–7], поэтому с целью улучшения характеристик антенны было принято решение разместить под слоем диэлектрика вогнутый резонатор с воздушным заполнением. Моделирование антенн проводилось таким образом, чтобы размеры резонаторов не выходили за края антенны. В рамках заданных габаритов решётки был произведён расчёт характеристик антенны с разными конфигурациями и размерами резонаторов и излучателей (см. рис. 6 и 7). По результатам расчётов можно сделать следующие выводы относительно характеристик получившихся антенн: вогнутые формы нижней пластины в виде участка сферы или параллелепипеда не дают сужения диаграммы направленности или увеличения коэффициента усиления, который остаётся прежним (не превышая 9 дБ), в то время как резонатор в форме усечённой пирамиды с квадратным основанием уменьшил ширину главного лепестка диаграммы на 20° в E-плоскости и на 34° в H-плоскости по сравнению с его параметрами при моделировании антенны без резонатора. Коэффициент усиления составил 11,2 дБ, увеличившись на 2 дБ. При моделировании и экспериментальном исследовании таких антенн СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Анатолий Трубачёв, Андрей Люлякин, Василий Юрченко (г. Томск)

07.10.2013 9:07:13

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 5. Диаграмма направленности антенной решётки

Рис. 6. Резонатор в форме усечённой пирамиды

Рис. 7. Геометрия антенны в двух проекциях

диэлектрической проницаемости на 18% от паспортного значения этой величины для материала диэлектрика, установив её равной 4,1. На рисунке 11 представлены графики зависимостей коэффициента отражения от входа антенны от частоты, полученной при измерениях, моделировании и моделировании с поправкой на величину диэлектрической про-

точность измерения диэлектрической проницаемости составляет 20%, можно сделать вывод о достаточно хорошем совпадении расчётных и экспериментальных данных.

ницаемости материала. Учитывая, что

ВЫВОДЫ При моделировании характеристик резонансных микрополосковых СВЧустройств на диэлектрической подложке в академической версии программы

Реклама

го роста боковых лепестков. Достигнуть сближения расчётных и экспериментальных данных удаётся корректировкой модели – уменьшением

Рис. 4. Коэффициент отражения от входа антенной решётки

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 73

WWW.SOEL.RU

73

© СТА-ПРЕСС

в сантиметровом диапазоне необходимо учитывать влияние согласующих линий и зависимость характеристик антенны от взаимного расстояния между питающими линиями. Результаты расчётов показаны на рисунках 8–10. Из рисунков 9 и 10 следует, что внесение в конструкцию питающих линий не оказывает влияния на диаграмму направленности, но существенно влияет на коэффициент отражения антенны: при увеличении расстояния между линиями резонансная частота смещается вниз; наилучшие же значения коэффициента отражения достигаются при расстоянии порядка 4,7 мм. Это же значение соответствует наиболее широкой полосе пропускания. В частотном диапазоне от 9 до 10 ГГц диаграмма направленности совпадает с расчётной с некоторым сдвигом по частоте. Выше и ниже этого диапазона форма диаграммы «разваливается» за счёт существенно-

07.10.2013 9:07:16

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 8. Зависимость коэффициента отражения от расстояния между линиями

с антенной без резонатора и на 2 дБ по сравнению с антенной с полусферическим резонатором. Максимальный коэффициент усиления (18,84 дБ) и минимальную ширину диаграммы направленности (15°) имеет печатная антенная решетка. Минимальный коэффициент отражения (S11 = –26 дБ) получен у биконического диполя и печатной решётки, но у решётки, в отличие от диполя, на частотной характеристике присутствуют побочные минимумы на других частотах. При всех положительных свойствах антенной решётки существенным её недостатком является наличие в её диаграмме направленности боковых лепестков с отклонением от главного лепестка 30°, величина которых составляет –19 дБ. ЛИТЕРАТУРА 1. Воторопин С.Д., Носков В.Я. и др. Автодинные СВЧ-датчики для бесконтактных измерений и контроля. III Крымская

Рис. 9. Зависимость диаграммы направленности антенны от расстояния между линиями

конференция «СВЧ-техника и спутниковые телекоммуникационные технологии». Материалы конференции. Севастополь. 1992. С. 159–164.

2. Юрченко А.В., Юрченко В.И., Воторопин С.Д. Автодинные датчики в измерительной технике: монография. Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2009. С. 128.

3. Енютин А.В., Козлов К.В., Ларичева Н.А., Лось В.Ф. Оптимизация ширины полосы частот микрополосковой антенны с вогнутой формой пластины. Антенны. № 1. 2008.

4. P. Knott. Patch Antenna Design using Microwave Studio. Antenna Engineering.

2007. С. 11–18.

Рис. 10. Диаграмма направленности антенны на частоте 9,7 ГГц

5. Люлякин А.П., Трубачёв А.А., Юрченко В.И. Активные автодинные КВЧ-датчики для контроля различных объектов и технологических

процессов.

Современные

проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2012. С. 217–220.

6. Люлякин А.П., Трубачёв А.А., Юрченко В.И. Оптимизация топологии антенн КВЧдиапазона для автодинных КВЧ-датчиков.

III Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная

Рис. 11. Коэффициент отражения от входа антенн

тех-

ника и технологии»: сб. мат. Томск: Издво Томского политехнического универ-

74

Sborka_SoEL_8_2013.indb 74

Использование полого пирамидального резонатора, выполненного с обратной стороны подложки симметричной патч-антенны с треугольными плечами и не выходящего за габариты антенны, позволяет увеличить коэффициент усиления на 2 дБ по сравнению WWW.SOEL.RU

ситета. 2012. С. 94–97.

7. Люлякин А.П., Трубачёв А.А., Юрченко В.И. Подбор архитектуры активных микрополосковых антенн КВЧ-диапазона для автодинных датчиков КВЧ-диапазона. Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. № 9/2. С. 66–67. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

CST Microwave Studio с использованием алгоритма расчёта во временно|й области необходимо учитывать возможность отклонения диэлектрической проницаемости материала подложки по сравнению со средним паспортным значением.

07.10.2013 9:07:27

© СТА-ПРЕСС

Реклама Sborka_SoEL_8_2013.indb 75

07.10.2013 9:07:40

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Решение проблем проектирования и тестирования РЛС и средств РЭБ с помощью моделирования в САПР Agilent SystemVue Динчин Лу, Agilent Technologies

ВВЕДЕНИЕ С момента первого появления в 1940-х годах радиолокационные системы прошли большой путь и охватывают сегодня широкий диапазон приложений – от открывателей дверей в супермаркетах до очень сложных бортовых систем наведения с фазированными антенными решётками. Для работы в сложных условиях радиоэлектронной борьбы (РЭБ), включающих создание искусственных помех и ложных целей, современным системам необходим высокий уровень характеристик. В результате системы РЭБ должны быть правильно спроектированы, чтобы эффективно противостоять радиолокационным системам. Кроме того, современные системы РЭБ и РЛС должны обладать способностью оценивать среду, в которой они работают, обнаруживать и инициировать источники радиоизлучения, такие как постановщики РЧ-помех или расположенные рядом антенны, и соответствующим образом подстраивать свои параметры для компенсации этих помех. К тому же основные параметры средств РЭБ всегда регулируются в соответствии с окружающей обстановкой. В связи с этим современные разработчики нуждаются в решении для эффективного проектирования, проверки и тестирования систем РЭБ и РЛС.

ПРОБЛЕМЫ Системам РЭБ и РЛС приходится работать в постоянно усложняющейся радиочастотной обстановке, где присутствуют сигналы радиолокационных систем, военных и гражданских средств связи, использующих несколько передатчиков, а также помехи и шумы. Например, в круп-

76

Sborka_SoEL_8_2013.indb 76

ном городе могут работать бесчисленные широкополосные ВЧ- и СВЧизлучатели – потенциальные источники помех, такие как передатчики коммуникационной инфраструктуры, беспроводные информационные сети и радары гражданского назначения. Все эти сложности создают множество проблем при разработке систем РЭБ и РЛС, особенно в сочетании с появлением протоколов нового поколения, новыми требованиями к обработке сигналов и потребностью анализа разных испытательных сценариев. Например, как сократить время и затраты на разработку новых систем, одновременно снижая стоимость тестирования и проверки? Как обеспечить совместимость с ВЧ-устройствами устаревших объектов интеллектуальной собственности (IP)? И как проверить характеристики сложных систем РЭБ и РЛС на ранних этапах разработки, не ожидая окончательной интеграции и тестирования? Решение этих проблем играет очень важную роль для достижения успеха в проектировании любой системы РЭБ и РЛС.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

МОДЕЛЬНО-

ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ

Один из способов быстрого и эффективного решения этих проблем заключается в применении модельно-ориентированной платформы. Эта платформа опирается на моделирование систем РЭБ и РЛС и использует архитектуру, обеспечивающую перекрёстное взаимодействие симуляторов обработки сигнала, моделирования ВЧ-компонентов и визуализации рабочей среды. Кроме того, она может работать с серийно выпускаемыми измерительными приборами, соединяя реальWWW.SOEL.RU

ный мир с моделью для достижения более высокой гибкости и учёта реальных условий работы приложения. Применение модельно-ориентированной платформы для разработки, проверки и тестирования систем РЭБ и РЛС позволяет создавать реалистичные условия для испытания высококачественных изделий, сокращая цикл их разработки и сберегая время и деньги за счёт минимизации объёма полевых испытаний. Ключевым компонентом модельноориентированной платформы является программное обеспечение для проектирования электронных систем (САПР системного уровня) Agilent SystemVue, которое моделирует системы РЭБ и РЛС на протяжении всего процесса разработки (см. рис. 1). Используя модели эффективной поверхности рассеяния (ЭПР), определённые пользователем диаграммы направленности антенн и антенных решеток, отражения и помехи, разработчики могут создавать рабочие модели своих устройств и использовать их для создания сценариев тестирования. Кроме того, для конструирования специализированных систем можно использовать существующие модели алгоритмов цифровой обработки сигналов (DSP). Интерфейс пользователя Agilent SystemVue позволяет легко создавать фрагменты схем и специальные модели на основе кода C++, MATLAB и HDL. В результате разные компоненты, созданные разными людьми, можно интегрировать и тестировать на системном уровне, выполняя оценку характеристик и непрерывную проверку в течение всего процесса разработки. Показанная на рисунке 1 платформа моделирования может использоваться также и для тестирования оборудования (см. рис. 2). В процессе тестирования оборудования данные моделирования загружаются в векторные генераторы сигналов или в широкополосные генераторы сигналов произвольной формы для тестирования приёмников РЛС и РЭБ. Интеграция анализаторов сигналов или широкополосных осциллографов с ПО векторного анализа позволяСОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Модельно-ориентированная платформа на базе измерительных приборов Agilent и САПР Agilent SystemVue может использоваться для моделирования и имитации реальных условий работы систем РЭБ и РЛС. А интегрированные приборы позволяют использовать её в качестве испытательной системы для тестирования и проверки аппаратных компонентов. В данной статье речь пойдёт именно об этих решениях.

07.10.2013 9:07:51

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

го сигнал с выхода генератора сигналов произвольной формы подаётся на вход ВЧ-приёмника. Затем выходной сигнал приёмника поступает на осциллограф. После этого сигнал, захваченный программным обеспечением векторного анализа сигналов Agilent 89600 VSA, передаётся обратно в SystemVue для дальнейшей обработки и измерений. Показанная на рисунке 2 схема может применяться для тестирования различных системных компонентов, таких как ВЧ-приёмники, детекторы, сигнальные процессоры и генераторы сигналов. Эту испытательную платформу можно использовать даже для проверки того, насколько эффективно искусственные помехи и ложные цели, созданные системой РЭБ, могут воздействовать на приёмник РЛС. Для этого канал загрузки сигнала переключается на вход приёмника РЛС, и захватывается сигнал на выходе ВЧ-приёмника РЛС. После этого можно выполнить тестирование ВЧ-приёмника.

РЕШЕНИЯ

ДЛЯ СИСТЕМ РЭБ Хотя и РЛС, и системы РЭБ создают сложные проблемы в ходе проектирования, наиболее проблематичными являются системы РЭБ. Технологии РЭБ включают активное радиоэлектронное подавление, электронное противодействие и контрпротиводействие – и всем СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

Sborka_SoEL_8_2013.indb 77

Помеха Генератор сигналов

ВЧпередатчик

Измеритель

Антенна Блоки приема/ передачи

РЛС

Имитация цели и среды распространения (ЭПР, паразитные отражения)

ВЧприемник

DSP

Сигналы передатчика

Компоненты приемника/ передатчика

Генератор импульсов • ЛЧМ • НЛЧМ • Код Баркера • Код Франка • Код Задова-Чу

• Интерфейс передатчика • Интерфейс приемника • Цифровой преобразователь частоты (повышающий) • Цифровой преобразователь частоты (понижающий) • ЦАП • АЦП • Усилитель • Фильтр • Прямой цифровой синтез

Антенна • Тейлор • Эквидистантная • Cos2

Система РЭБ

Измерение • Сигнал • Спектр • Чувствительность • Селективность • Динамический диапазон • Вероятность обнаружения • Вероятность ложной тревоги

ВЧприемник

Детектирование

Генератор сигналов РЭБ

Обработка сигнала

Среда

Обработка сигнала РЛС

• Цель • ЭПР • Паразитные отражения • Помехи

• Цифровое сжатие импульсов (PC) • Индикация движущейся цели (MTI) • Обнаружение движущейся цели (MTD) • Доплеровская обработка импульсов (PD) [2] • Постоянная вероятность ложных тревог (CFAR) • Цифровое формирование диаграммы направленности [3] • Адаптивная пространственновременная обработка (STAP) • РЛС со ступенчатой перестройкой частоты • Широкополосный прием

Модели РЭБ

Системы

• Обнаружение сигнала • Создание помех • Электронное противодействие, контрпротиводействие и наблюдение

• • • • • • •

DAR PD UWB FMCW SFR SAR РЭБ

Рис. 1. Пример модельно-ориентированной платформы моделирования и тестирования РЛС и РЭБ компании Agilent на базе программы SystemVue (показанная версия платформы моделирует и имитирует системы РЭБ и РЛС на всех этапах разработки)

Генератор сигналов произвольной формы

Приемник

Векторный анализатор сигналов/ осциллограф

Помехаа Генератор сигналов

Передатчик Антенна

РЛС Измеритель принимаемого сигнала

Векторный анализатор сигналов/ осциллограф

Сигнальный процессор

Тестируемое устройство

Дуплексер

Приемник/ понижающий преобразователь частоты

ВЧприемник

Детектирование

Генератор сигналов

Сигнальный процессор

Целевая среда (ЭПР, отражения)

РЭБ Искусственные помехи или ложные цели

Генератор сигналов произвольной формы

Рис. 2. Платформа для испытаний РЭБ и РЛС компании Agilent на базе SystemVue для тестирования и проверки оборудования (на схеме показана загрузка в генератор сигналов произвольной формы созданного в SystemVue, передаваемого сигнала РЛС с помехой для тестирования ВЧ-приёмника) им присущ свой собственный набор проблем, которые можно эффективно решать с помощью модельно-ориентированной платформы. Проблемы проектирования средств активного радиоэлектронного подавления Основной задачей активного радиоэлектронного подавления является воз-

действие на РЛС противника с помощью постановщиков помех (например, активные и пассивные с маскированием, когерентные постановщики помех с маркировкой или ложными целями). Для эффективного воздействия на РЛС нужно тщательно разрабатывать постановщики помех и системы создания ложных целей с учётом общих условий РЭБ. Обычные средства разработки

WWW.SOEL.RU

77

© СТА-ПРЕСС

ет автоматизировать тестирование, что очень помогает в разработке передатчиков, приёмников, усилителей и других подсистем. Измеренные сигналы можно передать обратно в САПР Agilent SystemVue для последующей обработки и анализа с помощью функций приёма с целью выполнения расширенных измерений, таких как вероятность ложных тревог, вероятность обнаружения и визуальное представление информации. Такая комбинация программных и аппаратных средств позволяет автоматизировать тестирование компонентов системы (например, ВЧ-приёмников, детекторов, сигнальных процессоров и генераторов сигналов) и проводить испытания в реалистичных условиях, включая искусственные помехи/ложные цели, ЭПР и отражения. В качестве примера рассмотрим схему тестирования ВЧ-приёмника системы РЭБ, показанную на рисунке 2. Сигнал РЛС с помехой из САПР Agilent SystemVue загружается в генератор сигналов произвольной формы и используется для тестирования ВЧ-приёмника системы РЭБ. Для это-

07.10.2013 9:07:51

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Дифференциальные сигналы I/Q

ВЧ-выход ПК

M8190A – генератор сигналов произвольной формы

Векторный генератор Agilent PSG E8267D, опция 016

Рис. 4. Сигнал нескольких излучателей (сигналы РЛС и коммуникационные сигналы созданы в платформе для испытаний РЭБ и РЛС на базе САПР Agilent SystemVue) не позволяют проектировать эти системы с учётом общих условий РЭБ. Кроме того, в системах РЭБ разработчики часто используют технологию «цифровой радиочастотной памяти» (DRFM). Соответственно, при тестировании систем РЭБ разработчики должны генерировать помехи, и там, где это применимо, проектировать и проверять алгоритмы DRFM. Решение. Искусственные помехи легко генерируются с помощью шаблонов, имеющихся в САПР Agilent SystemVue. Кроме того, это ПО предлагает функции, необходимые для проектирования и проверки систем активного радиоэлектронного подавления на базе DRFM в реалистичных условиях. Имеющиеся расширенные измерительные функции позволяют разработчикам проверять, насколько эффективно системы постановки помех или создания ложных целей могут воздействовать на РЛС противника. Проблемы проектирования средств электронного противодействия и контрпротиводействия Одна из функций средств электронного противодействия и контрпротиводействия – определение направления прихода сигнала от РЛС противника в сложной радиочастотной обстановке. Для этого используются специальные алгоритмы. Решение. Для определения направления прихода сигнала можно исполь-

78

Sborka_SoEL_8_2013.indb 78

зовать имеющиеся алгоритмы САПР, такие как MUSIC и ESPRIT. Кроме того, САПР Agilent SystemVue предлагает сложные модели целей и среды распространения для разработки собственных алгоритмов определения направления прихода сигнала.

Внутри приёмника выполняется разделение каналов. Выход каждого канала представляет собой восстановленный полезный сигнал, показывающий, что приёмник успешно распознал LFM1, LFM2 и LFM3 – компоненты исходного сигнала от РЛС или системы связи.

Проблемы проектирования вспомогательных средств РЭБ Вспомогательные средства РЭБ включают приёмник предупреждения о радиолокационном облучении в сценарии «один на один» для обнаружения радиоизлучения РЛС. Для тестирования такого приёмника в системе РЭБ разработчики должны сначала создать соответствующий испытательный сигнал, учитывая при этом множество факторов (например, частотный диапазон, методы пеленгации, чередование и разрешение импульсов и идентификацию излучателя). Кроме того, по завершении разработки алгоритма приёма его нужно проверить в реалистичных условиях. Решение. САПР Agilent SystemVue позволяет эффективно создавать сложные сигналы от нескольких излучателей с помощью дружественного интерфейса пользователя. Кроме того, SystemVue позволяет моделировать тестовые сигналы для приёмника предупреждения. На рисунке 3 показан пример испытательной платформы для тестирования приёмника предупреждения о радиолокационном облучении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

WWW.SOEL.RU

Современные системы РЭБ и РЛС работают в постоянно усложняющейся радиочастотной обстановке в присутствии помех, что чрезвычайно затрудняет их разработку, проверку и тестирование. Модельно-ориентированная платформа на базе измерительных приборов Agilent и САПР Agilent SystemVue существенно облегчают жизнь разработчикам. Её можно использовать для моделирования и имитации реальных условий работы систем РЭБ и РЛС, а интегрированные приборы позволяют использовать её в качестве испытательной системы для тестирования и проверки аппаратных компонентов РЭБ и РЛС. Эта платформа позволяет сократить цикл разработки и сэкономить время и деньги за счёт минимизации объёма полевых испытаний и создания реалистичных испытательных условий, необходимых для выпуска высококачественных изделий. Такие возможности и преимущества САПР Agilent SystemVue являются ключевым условием успешной разработки современных систем РЭБ и РЛС. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2013

© СТА-ПРЕСС

Рис. 3. Пример испытательной платформы (применяется метод распознавания частотных диапазонов; приёмник предупреждения использует обработку с частотным разделением сигналов и имеет восемь входов, каждый из которых можно настроить на свой частотный диапазон)

Изменяя входной сигнал и параметры сброса, можно генерировать разные испытательные сигналы для приёмника. Можно даже изменить входной сигнал так, чтобы реализовать собственный алгоритм РЭБ, который можно затем протестировать на платформе. На рисунке 4 сигнал излучателя создаётся в SystemVue, загружается в генератор сигналов произвольной формы Agilent M8190A и затем модулируется векторным генератором сигналов Agilent PSG E8267D. В примере на рисунке 3 принимаемый сигнал нескольких излучателей (обозначен зелёным цветом) поступает на вход приёмника. Спектр показан жёлтым цветом. Целью является выделение из поступающего сигнала отдельных компонентов. Основная задача приёмника предупреждения о радиолокационном облучении заключается в обработке принимаемых сигналов для анализа компонентов в частотной и временной областях.

07.10.2013 9:07:56

© СТА-ПРЕСС Sborka_SoEL_8_2013.indb 79

07.10.2013 9:08:01

© СТА-ПРЕСС Sborka_SoEL_8_2013.indb 80

07.10.2013 9:08:06

© СТА-ПРЕСС

Реклама Обложка 1_2_3_4_3_7 mm.indd 2

04.10.2013 11:42:20

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

8 20 1 3

8/2013

Реклама

© СТА-ПРЕСС

www.soel.ru

Обложка 1_2_3_4_3_7 mm.indd 1

04.10.2013 11:42:03