Elektkomp 03 2016

3/2016 (c. 6)

(c. 14)

(c. 58)

Дмитрий Боднарь: «Никогда не разделял принципа о любой цене, за любую победу»

Затраты на тестирование и сервис зависят от тестопригодности изделий

Как суммировать достоинства и минимизировать недостатки SiC MOSFET и Si SPT IGBT

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

содержание ЭК

№3/2016 РЫНОК 6 Дмитрий Боднарь Нужно ли создавать российскую кремниевую мини-фабрику?

ТОПОЛОГИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 10 Сергей Краснов Проектирование многослойных печатных плат. Часть 2

ИСПЫТАНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ 14 Алексей Иванов, Питер ван ден Эйнден Зачем тестировать?

17 Игорь Зайцев USB 3.1 – реализация USB Type-C

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 20 Брюс Хемп и Санни Сяо Квадратурный модулятор с малым потреблением для систем цифровой связи

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 30 Людмила Чуйкова Сравнительный анализ шкафов сухого хранения 34 Андрей Кожевников Стандарты для изоляторов и их сертификация

ИСТОЧНИКИ И МОДУЛИ ПИТАНИЯ 38 Том Спорер Следующее поколение цифровых устройств для управления питанием Микрочип 42 Владимир Рыжов Некоторые способы получения отрицательного напряжения

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 46 Сергей Владимиров Операционные усилители ослабляют помехи в ближнем поле

журнал для разработчиков

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

26 Кевин Чен, Мингьян Ванг IEEE 802.11ah: субгигагерцовая технология для дальней связи и интернета вещей (IoT)

www. elcp.ru

редакционная коллегия: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; директор по рекламе: Ольга Попова; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распрост­ра­нение и подпис­ка: Марина Панова, Василий Рябишников; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35, тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by. Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по пе­риодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­сия ре­дак­ции. При пе­ре­ пе­чат­ке ма­те­ри­а­лов ссыл­ка на жур­нал «Эле­к­трон­ные ком­по­нен­ты» обя­за­тель­на. От­вет­ст­вен­ность за до­сто­вер­ность ин­фор­ма­ции в рек­лам­ных объ­яв­ле­ни­ях не­сут рек­ла­мо­да­те­ли. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному катало­ гу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по пе­ чати. ПИ №77-17143. Издание зарегистрировано на Украине, свидетельство о государственной регистрации КВ№17602-6452 ПР. Подписано в печать 11.03.2015 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 6000 экз. Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4.

электронные компоненты

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов;

РЕКЛАМА

50 Гордон Ли Минимизация ошибок измерения в цепях с резисторными датчиками температуры

содержание

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

4

72 Рон Уилсон Способы интеграции системы-на-кристаллах 76 Пол Диллиен Что понимать под надежностью ПЛИС и СнК?

52 Николай Лемешко, Павел Струнин Оценка быстродействия полупроводниковых элементов с помощью осциллографов серии R&S RTO

СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ

58 Александр Григорьев Гибридный силовой ключ на основе приборов из кремния и карбида кремния

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

МИКРОКОНТРОЛЕРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРЫ 62 Сергей Шумилин Разработка специализированного микроконтроллера для капсульной эндоскопии

ПЛИС И СБИС

78 Сергей Антонович, Валерий Милых Windows 10 IoT: средства разработки

81 Алексей Чистяков Конденсаторы для источников питания и преобразователей 87 Эдуард Фоченков Нанокристаллические материалы для аудиотехники

СПРАВОЧНЫЕ СТРАНИЦЫ 96 Новинки месяца. Редакционный обзор

66 Дмитрий Косоруков СБИС на базе ядра NMC3 для программного приемника навигационных сигналов

www.elcomdesign.ru

102 НОВЫЕ

КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 3 / 2 0 1 6

E L E C T R O N I C CO M P O N E N T S #3 2016

MARKET 6 Dmitry Bodnar Is There Any Need in Russian Silicon Mini Plant?

PCB TOPOLOGY 10 Sergey Krasnov Stackup Planning. Part 2

TESTING 14 Alexey Ivanov and Peter van den Eijnden What’s the Use of Testing?

NETWORKS and INTERFACES 17 Igor’ Zaitsev USB 3.1 – Implementation of USB Type-C

WIRELESS 20 Bruce Hemp and Sunny Hsiao Low Power IQ Modulator for Digital Communications

DESIGN and DEVELOPMENT 30 Lyudmila Chuikova Comparative Analysis of Dry Storage Cabinets 34 Andrey Kozhevnikov Understanding Isolator Standards and Certification to Meet Safety Requirements

POWER SUPPLIES 38 Tom Spohrer The Next Generation in Digital Power Supply Control 42 Vladimir Ryzhov Some Ways of Getting Negative Voltage

ANALOG 46 Sergey Vladimirov Using Op Amps to Reduce Near-Field EMI on PCBs

DISCRETE POWER 52 Nikolay Lemeshko and Pavel Strunin Evaluate Performance of Silicon Elements Using R&S RTO Oscilloscopes 58 Alexander Grigoriev Hybrid Si- and SiC-based Power Switches

MCU and MPU 62 Sergey Shumilin Developing Dedicated MCU for Capsule Endoscopy

FPGA and VLSIC 66 Dmitry Kosorukov NMC3-Based VLSICs for Software Navigation Receiver 72 Ron Wilson System on Chip or System on Chips: The Many Paths to Integration 76 Paul Dillien What Is Meant by FPGA Reliability?

DEVELOPMENT TOOLS 78 Sergey Antonovich and Valery Milykh Windows 10 IoT: Development Tools

PASSIVE 81 Alexey Chistyakov Capacitors for Power Supplies and Converters 87 Edward Fochenkov Nanocrystalline Materials for Audio Systems

REFERENCE PAGES 96 Editorial Review of Newly-Designed Products 102 NEW

COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET электронные компоненты №3 2016

содержание

26 Kevin Qian and Mingyan Wang IEEE 802.11ah: Sub 1 GHz Technology for Long Range and Internet of Things (IoT)

50 Gordon Lee Minimize measurement errors in RTD circuits

5

Нужно ли создавать российскую кремниевую мини-фабрику?

Рынок

Дмитрий Боднарь, к.т.н., Генеральный директор, АО «Синтез Микроэлектроника»

6

Современные крупнейшие фабрики по производству чипов по субмикронным и нанометровым проектным нормам являются самыми дорогими проектами в микроэлектронике. Они предназначены для массового производства в объемах сотен тысяч пластин большого диаметра ежемесячно и требуют инвестиций в десятки миллиардов долларов. Очевидно, что наша страна не может идти по этому пути, который приемлем для богатых стран или очень богатых транснациональных компаний. К сожалению, мы не относимся ни к тем, ни к другим. Публикуя в ЭК № 3, 2015 г. статью «Новый формат компактных кремниевых фабрик – решение для микроэлектроники России» я, в первую очередь, преследовал цель обоснованно показать как специалистам так и лицам, ответственным за принятие решений, один из путей снижения в 1000 раз капитальных затрат на очень дорогостоящее изготовление современных чипов. Особенно для стран со слабым рынком, к которым относится и Россия. Вполне ожидаемо, что эта тема была подхвачена специалистами, т. к. идея создания компактных кремниевых мини-фабрик выглядит очень привлекательной для нашей страны. Но меньше всего мне хотелось бы, чтобы кто-то воскликнул: «Отличная мысль! Страна, дай денег побольше, и мы ее реализуем». Но именно такое направление может принять обсуждение проекта по созданию в России собственной кремниевой мини-фабрики.

www.elcomdesign.ru

Моя многолетняя работа в разных секторах советской и российской микроэлектроники, начиная с разработки микроэлектронных изделий, анализа рынка, маркетинга, продаж нашей продукции в России и за рубежом и заканчивая закупкой самого передового зарубежного оборудования, а также материалов, давно побудили меня сделать несколько важных выводов. Главный из них состоит в том, что для достижения положительного результата нельзя идти в русле сложившихся текущих обстоятельств, – необходимо формировать сопутствующие обстоятельства, которые помогали бы решить задачу. И второй вывод: всегда следует быть готовым не только к вопросу «почему», но и к самостоятельному ответу на вопрос «что делать?». Этими принципами я старался руководствоваться в работе и делился ими со своими сотрудниками. К сожалению, в нашей стране людей, готовых задавать необходимые, а иногда и критические вопросы, мало, а способных давать конструктивные ответы на вопрос «что делать?», и того меньше. А ведь нужны еще творческие и креативные люди, способные реализовать эти решения. Текущей проблемой нашей страны как раз и является дефицит ответственных специалистов и руководителей на всех уровнях, способных не только генерировать эффективные идеи и предложения, но и довести до полной реализации задуманное. В свое время СССР был непревзойденной страной в мире по формированию блистательных идей,

изобретений в разных отраслях науки и промышленности. Но все менялось, когда доходило до промышленной реализации идеи. Бюрократическая волокита, отсутствие частного капитала в схеме реализации так и не позволили за многие десятилетия создать эффективный рыночный механизм для промышленной реализации идей. И даже когда проекты доводились до промышленного выпуска, их технические и экономические параметры в большинстве случаев не позволяли продукции конкурировать с зарубежной. Даже успехи передовой советской научной школы микроэлектроники, достигнутые в отношении таких материалов как искусственный сапфир, графен, GaN, SiC, не позволили обогнать первые зарубежные электронные приборы на основе этих материалов. И больше всего огорчает, что эти приборы были созданы при поддержке и участии российских ученых и специалистов, не признанных в нашей стране. Вот уж действительно, нет пророков в своем отечестве! И можно себе представить мою реакцию, когда на каждый третий–четвертый запрос нашей компании за рубеж ответ приходит не от иностранного специалиста, а от соотечественника, который работает в зарубежной компании. Какой пласт столь нужных нам специалистов мы потеряли! Такое длинное вступление к основной теме этой статьи связано с тем, что, насколько я помню, идея создания кремниевой мини-фабрики очень серьезно

с новым заказом. В качестве примера я часто привожу решение такими компаниями сопутствующих проблем с обработкой ультратонких пластин большого диаметра. Ни одна советская или российская компания никогда не брала на себя подобные задачи, полагая, что это проблема клиента и он должен решать ее самостоятельно. А задача производителя – нанести или сформировать требуемые слои на пластине-спутнике. Поэтому самые профессиональные специалисты по конкретным локальным технологическим процессам и их исследованиям работают, главным образом, в зарубежных машиностроительных компаниях, а не на их кремниевых фабриках. Поскольку в СССР было ровно наоборот, закупка зарубежного оборудования была всегда праздником для советских технологов. Как правило, вместе с высоконадежным оборудованием они получали готовый техпроцесс. Посещая самые современные машиностроительные предприятия в Европе, США, Японии, я давно обратил внимание, что даже по уровню электронной гигиены только два–три технологических производства чипов в России могут соответствовать зарубежному уровню. И это в производстве чипов, где этот уровень должен быть намного выше, чем в полупроводниковом машинос троительном секторе! Решив все упомянутые выше и другие с ложные задачи, связанные с оборудованием для массового производства чипов с постоянно уменьшающимися топологическими размерами и ужесточающимися требованиями, зарубежные полупро водниковые машинос троительные компании приобрели бесценный опыт, который в настоящее время можно использовать в промышленной реализ ации компак тных кремниевых мини-фабрик. Часть достигнутых технических решений воплощена в виде патентов, торговых марок и ноу-хау, яв ляющихс я собс твеннос тью этих компаний. Использовать их можно, только приобретя лицензии или игнорируя правовые требования по защите интеллектуальной собственности. Какой путь мы выберем? А если будем закупать, захотят ли нам продать? Вопрос в том, чего мы собираемся достигнуть в рамках этого проекта. Мы собираемся доказать принципиальную возможность любой ценой создать экспериментальную мини-фабрику или реализовать конкурентоспособное решение для малосерийного производства? Первую (как это часто было в СССР) создавать не имеет смысла, т. к. это решение уже реализовано за рубежом. А вот сможем ли мы сделать то, в чем

никогда не были сильными без необходимых специалистов, собственных технических решений, соответствующего опыта и результативных ошибок, через которые прошли зарубежные машиностроительные компании? У нас имеется положительный опыт закупки и запуска современной 180‑нм зарубежной линии на заводе «Микрон». К сожалению, имеется и отрицательный опыт недозагрузки этой линии, о которой я предупреждал еще 10 лет назад специалистов «Ситроникса» и «Микрона». Но они и сами это тогда понимали. Однако в этом случае я, в первую очередь, возложил бы вину на государство, которое за 25 лет ничего не сделало для формирования рынка электронных компонентов, без которого эффективная загрузка линии невозможна. Схожую ситуацию мы наблюдаем и по результатам многих других российских крупных и малых проектов. Достаточно назвать проек ты Сколково и «Роснано», и больше можно ничего не пояснять. Мне кажетс я, без объективного анализа и ответов на вопросы «почему?» и «что делать?» крупные проекты в любой сфере жизни нашей страны начинать рискованно, особенно в настоящее кризисное время. Повсеместно используемый в политике и экономике нашей страны в последние годы тезис «Давайте начнем, а потом разберемся» не только ошибочен, но и вреден. Кроме потери времени и денег такие провалы создают апатию и недоверие не только к собс твенным возможнос т ям , но и к способностям государства. А это не менее опасно, чем материальные потери. К сожалению, за последние 25 лет из всех направлений микроэлектроники больше всего мы потеряли именно в полупроводниковом машиностроении. Позиция Егора Гайдара «А зачем нам микроэлектроника? Все, что нам надо, мы закупим за рубежом» привела к невосполнимым провалам во многих наукоемких отраслях промышленности. Последняя 15‑летняя государственная политика энергетической сверхдержавы с упором на высокие цены нефти позволила микроэлектронной отрасли приобрести только одну новую кремниевую фабрику. Возрождение полупроводникового машиностроения в планах не значилось. Очевидно, предполагалось, что при необходимости новые фабрики мы снова закупим за рубежом. Т. о., прежде чем решать вопрос о том, создавать отечественные мини-фабрики, опираясь только на собственные силы, или воспользоваться передовыми зарубежными достижениями, необходимы ответы на более общие вопросы:

электронные компоненты №3 2016

Рынок

обсуждалась в СССР во второй половине 1980‑х гг. Т. н. «бочка» предусматривала замкнутый цикл производства БИС не по принципу общепринятой тогда групповой камерной загрузки пластин, а с индивидуальной обработкой пластин. К сожалению, этой идее тогда не хватило запаса прочности. Как и СССР, у которого начался политический и экономический закат. Текущая ситуация с компактными кремниевыми мини-фабриками принципиально другая. Эта идея уже реализована за рубежом. Главная задача данного проекта – довести эту идею до промышленной реализации. Можно не сомневаться, что в ближайшие несколько лет она будет промышленно реализована и в Японии, и в США. Могли ли мы в СССР и России первыми реализовать ее? Конечно, нет. После 1990‑х гг. в нашей стране почти исчез такой сектор промышленности как полупроводниковое машиностроение. Те предприятия этого сектора, которые остались в России и Белоруссии, для выживания вынуждены до сих пор использовать свой технический и кадровый потенциал, наработанный еще в СССР. А значит, уровень используемого оборудования уходит корнями в XX-й, а не в XXI-й век. За это время зарубежные машиностроительные компании прошли большой путь, который ознаменовался: -- с н и ж е н и е м п р о е к т н ы х н о р м с 800 до 14 нм; -- увеличением диаметра пластин с 4–6 до 12 дюймов; -- резким ужесточением требований по привносимой дефектности, электростатике, равномерности обработки пластин, энергетической сепарации заряженных частиц и т. д.; -- реализацией новых физических принципов обработки пластин; -- новыми материаловедческими решениями. За последние десятилетия в зарубежных компаниях полупроводникового машиностроения произошло то, с чем никогда не имели дело их советские и российские коллеги. Современные зарубежные производители оборудования помимо его продажи предлагают не только полностью реализованные на нем технологические процессы, но и технические решения под конкретные задачи клиентов. Именно поэтому производители всегда задают множество вопросов о целях заказчика, чем часто ставят в тупик наших российских специалистов. Главная цель этих вопросов состоит в том, чтобы эксплуатация оборудования у заказчика не вызывала каких-либо проблем. В таком случае клиент снова придет к производителю

7

-- мы собираемся взаимодействовать и вести взаимовыгодный диалог и бизнес или конфликтовать с остальным миром; -- мы собираемся строить открытую или закрытую экономику; -- мы собираемся модернизировать свою экономику или ждем повышения цен на нефть, а если все же намереваемся заняться модернизацией, то что и как конкретно планируем делать; -- как ликвидировать катастрофическую нехватку и утечку квалифицированных кадров, особенно в наукоемких отраслях; -- продолжит ли страна следовать принципу, что «нам нужна победа, и за ценой мы не постоим».

Если Россия собирается отгораживаться от всего мира и строить закрытую сырьевую экономику, то, возможно, из соображений национальной безопасности придется создавать во всех ключевых сферах собственную продукцию. И тогда нашим главным девизом станет «мы за ценой не постоим». Никогда не понимал и не разделял принципа о любой цене, за любую победу, в т. ч. за мифическую победу на право проведения олимпиад, чемпионатов мира и т. д. Как правило, все эти победы любой ценой достигаются за счет благосостояния собственного населения. А перед принятием решения с народом не советуются и, самое главное, никогда не говорят о цене победы, т. е. используют его втемную. Но, как

показывает исторический опыт других государств, это тупиковый путь, который на много лет не только останавливает развитие государства, но и толкает его назад. За последние десятилетия со времен СССР мир изменился, а экономика стала интегрированной. В ней каждое государство не только пользуется передовыми мировыми достижениями других стран, но и старается создать нишевые конкурентные продукты, которые готовы покупать эти страны. И задача России – предложить миру еще что-то значимое и конкурентное кроме сырьевых товаров. Смогут ли собственные кремниевые мини- фабрики с тать таким конк урентным товаром? Сомневаюсь, если учесть все изложенное выше.

РЫНОК

Рынок

| 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости» |

8

Москва, 18–20 апреля 2016 г. Приглашаем вас принять участие в научно-технической конференции «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости «ТехноЭМС-2016», которая состоится в Москве 18–20 апреля 2016 г. в МИЭМ НИУ ВШЭ (ул. Таллинская, 34). В программе конференции предполагается заслушать и обсудить доклады ведущих специалистов предприятий, организаций, ВУЗов в области ЭМС, представителей Ростехрегулирования и других федеральных органов исполнительной власти. Организаторы конференции • Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии • ТК 30 «Электромагнитная совместимость» • Московский институт электроники и математики НИУ «Высшая школа экономики» • АО «НПФ «Диполь» • АО «НИЦ «САМТЭС» • TESEQ К обсуждению предлагаются следующие вопросы: • требования новых нормативно-правовых актов, национальных стандартов к ЭМС технических средств и проблемы их реализации; • применение современных методов исследований ЭМС, конструирования и моделирования аппаратуры. Развитие методов прогнозирования и оценки ЭМС технических устройств; • организационные, методические, системотехнические и технологические мероприятия обеспечения ЭМС объектов атомной энергетики, подвижных и стационарных морских объектов, бортовой авиационной аппаратуры, наземной и бортовой аппаратуры космической техники, автомобильной электроники; • развитие испытательной базы для оценки показателей ЭМС в натурных и лабораторных условиях; • метрологическое обеспечение испытаний в области ЭМС, применение современных мобильных измерительных комплексов, проведение межлабораторных сличений, калибровка и аттестация средств испытаний; • устойчивость технических объектов к электростатическим явлениям и современные способы защиты электронных устройств от электростатических разрядов; • развитие способов молниезащиты технических объектов; • устойчивость технических средств к искажениям питающей сети и снижению качества электрической энергии. Участие в конференции платное. Формы участия в конференции: пленарный и секционный доклады, стендовый доклад, слушатель. Дополнительную информацию о конференции см. на http://technoemc.ru. http://technoemc.ru

www.elcomdesign.ru

ЕСЛИ ЕСТЬ РАЗНИЦА, ЗАЧЕМ ПЛАТИТЬ БОЛЬШЕ?

MORNSUN

ДРУГОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬ

  +   

РЕКЛАМА

ПОКОЛЕНИЕ R3

Выше КПД Ниже собственное потребление Защита от КЗ, перегрузки и перенапряжения Защита от падения входного напряжения Стабильная работа без нагрузки Ниже цена

+ + + + + +

Проектирование многослойных печатных плат Часть 2 Сергей Краснов, разработчик Разработчики часто забывают о том, что печатную плату, как и все остальные компоненты, необходимо выбирать на основе спецификаций, чтобы добиться наиболее высоких показателей функционирования изделия. В этой статье, являющейся продолжением публикации ЭК12 за 2015 г., рассматриваются базовые принципы проектирования многослойных печатных плат.

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

Восьмислойные печатные платы

10

Не рекомендуется создавать восьмислойную печатную плату с шестью слоями трассировки. При необходимости в шести слоях трассировки следует задействовать 10‑слойную конструкцию. И хотя существует немало конфигураций из восьми слоев, рекомендуется использовать две из них, которые обеспечивают превосходные характеристики. В каждой из них используются четыре сигнальных слоя и четыре плоскости с питанием.

1. Перечислим несколько заслуживающих внимания атрибутов стандартной восьмислойной конфигурации: -- все сигнальные слои соседствуют с непрерывной заземляющей плоскостью и жестко с ней связаны, что обеспечивает беспрепятственный обратный тракт и исключает сильные перекрестные помехи; -- обратный ток по полосковой линии отк лоняется по направлению к заземляющим плоскостям; -- используется планарная емкость (зазор между слоями VDD и землей – 0,1 мм), которая позволяет уменьшить импеданс на высоких частотах; -- вместо центральных плоскостей можно использовать ламинат со встраиваемыми конденсаторами, что улучшает эффективность распределения питания; -- перекрестные помехи минимизируются благодаря жесткой связи между сигнальными слоями и плоскостями питания; -- электромагнитные помехи минимизируются благодаря трассировке критичных сигналов между плоскостями. Вероятно, единственным недостатком этой конфигурации является то, что она не допускает размещения нескольких источников питания на единственной силовой плоскости. Поскольку современным быстродействующим процессорам

и ПЛИС требуется больше шести–семи разных сильноточных источников питания, эта конфигурация не годится. Например, нередко используются платы с 13 отдельными источниками питания. По мере того как эти сложные структуры становятся нормой, требуются дополнительные силовые плоскости для реализации всех отдельных источников питания, а также заземление.

2. Альтернативная конфигурация, характеристика которой представлена на рисунке 9, решает задачу создания нескольких источников питания. При этом в жертву приносится планарная емкость. Для устранения этого недостатка необходимо оснастить схемы распределенного питания развязывающими конденсаторами с авторезонансом на частоте, близкой к тактовой. Для уменьшения индуктивности следует установить эти развязывающие конденсаторы на верхний слой так, чтобы сквозные отверстия соединяли разветвляющиеся контакты со второй и пятой плоскостями, а не пересекали все слои. Эти меры позволяют уменьшить импеданс на высоких частотах. Как уже упоминалось, рассматриваемые плоскости не должны разделяться на части. Главным образом, это требование относится к необходимости обеспечить одну непрерывную заземляющую плоскость для всех источников питания, включая аналоговые. Однако поскольку в данном примере тракт обратного тока был намеренно перенесен на заземляющие плоскости, он не прерывается. Например, если отношение толщины диэлектрических слоев 2 и 4 составляет 14,8:4, это значит, что 79% тока потечет по заземляющей плоскости. Однако если также учесть больший импеданс альтернативного тракта обратного тока, силовая плоскость практически исключается. Необходимо разместить заземляющие сквозные отверстия ближе к каждому переходному отверстию с сигнального

Рис. 9. а) зависимость импеданса от ширины микрополосковых проводников; б) зависимость импеданса от расстояния между проводниками (синяя кривая) и толщиной диэлектрического слоя (оранжевая кривая)

www.elcomdesign.ru

На заметку • Каждый сигнальный уровень соседствует и жестко связан с непрерывной заземляющей плоскостью, что создает беспрепятственный тракт для обратного тока и исключает сильные перекрестные помехи.

• В качестве базовых плоскостей можно использовать плоскости питания, но заземляющая плоскость является более эффективной.

• На высоких частотах обратный ток протекает по пути с наименьшей индуктивностью.

• Чтобы направить ток на заземляющую плоскость несбалансированной полосковой конфигурации, необходимо, чтобы величина h2, по крайней мере, в два раза превышала h1. Еще лучше, если h2:h1 = 3.

• Необходимо создать дополнительные разделенные силовые плоскости для реализации всех источников питания, а также заземление.

уровня, чтобы тракт между заземляющими плоскостями имел малую индуктивность. В конфигурации с импедансом, зависимость которого представлена на рисунке 9, применяется 2‑ГГц материал ITEC IT‑180A. Этот очень распространенный материал используется в недорогих высокоскоростных приложениях. У него малая диэлектрическая проницаемость и малые диэлектрические потери – всего 0,015, а температура стеклова-

ния – 180°C. Поскольку на практике эти значения отличаются от «виртуальных», эту разницу следует учесть, чтобы получить корректные величины импедансов. Чтобы получить искомые значения импеданса для однопроводной и дифференциальной конфигураций, необходимо воспользоваться графиками на рисунке 9; ширина проводников составляет 0,1 мм, толщина – 0,05 мм, зазор между проводниками – 0,3 мм, диэлектрическая проницаемость 2‑ГГц материала ITEC IT‑180A – 3,9. В данном случае расстояния между проводниками в 0,3 мм вполне достаточно, чтобы дифференциальный импеданс составил 100 Ом. Преимущества подложек с 10 и более слоями

В заключительной части этой статьи рассматриваются подложки, у которых число слоев составляет 10 и более. Рассмотренную в предыдущих разделах методологию можно использовать для построения плат и с большим числом слоев. Поскольку эти платы содержат большее число плоскостей, можно избежать появления проблем, связанных с разделенными плоскостями питания. Кроме того, для построения подложек с 10 и более слоями требуются очень тонкие диэлектрические слои, чтобы толщина этих конфигураций не была

Комментарий специалиста Александр Акулин, технический директор, производственный холдинг PCB technology, akulin@pcbtech.ru мы получили, например, возможность проверить качество топологии и подобрать оптимальные настройки для входных и выходных фильтров интерфейса GTX в микросхеме Virtex‑6. Это позволило достичь скорости передачи 6 Гбит/с на линии длиной 650 мм (!!!) на печатной плате, выполненной из обычного материала типа FR‑4 с соединительным кабелем длиной 3 м! После этого мы убедились в корректной работе интерфейса на реальной плате. Автор статьи отмечает, что для качественной передачи мультигигабитных сигналов важно не только обеспечить корректный импеданс линии, но и сделать всю топологию корректно, а это значит: минимизировать «стабы»-антенны на переходных отверстиях; обеспечить пути возвратного тока без нарушений связности; качественно выровнять фазы и задержки распространения сигналов; минимизировать деградацию сигнала из-за неравномерности стекловолокна FR4; качественно разложить полигоны земли, плоскостей питания, «сшить» их переходными отверстиями и конденсаторами и т. д. Могу утверждать с полной уверенностью, что только после перехода всех инженеров нашего КБ с более простых САПР печатных плат на Cadence Allegro мы смогли в полной мере добиться эффективного решения этих задач. В САПР Cadence Allegro очень хорошо отработаны инструменты для автоматизированного выполнения всех действий, связанных с трассировкой скоростных сигналов и питания. Скорость проектирования сложных плат по сравнению с конкурирующими САПР, которые мы пытались ранее использовать, выросла в два-три раза. Мы вывели дизайн-центр на самоокупаемость и прибыльность, завоевали много новых заказчиков (и частных компаний, и госпредприятий), которые ценят наш сервис именно за высокое качество трассировки и высокую скорость работы. Возможно, читателям будет интересно узнать, что часть работ мы делаем в очень недорогом пакете OrCAD (стоимостью в единицы тысяч долларов), который является подмножеством Cadence Allegro. Фактически, мы в несколько раз снизили стоимость владения из расчета на рабочее место САПР, используя при этом предельно высокие «пиковые возможности» САПР. Желаю читателям журнала воспользоваться советами, приведенными в статье и в комментариях, планомерно повышать качество и эффективность своей работы, а значит, и прибыльность своего предприятия. А если потребуются консультации по подбору структуры печатной платы или по анализу готовых топологий с точки зрения качества – обращайтесь, всегда поможем!

электронные компоненты №3 2016

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

В статье рассматривается методика выбора структуры слоев печатной платы в зависимости от параметров проекта, и даются рекомендации по трассировке скоростных интерфейсов. Автор очень правильно заостряет вопрос на необходимости обеспечения не только целостности сигналов, но и целостности питания на такой плате. Исходя из опыта нашего дизайнцентра, можно утверждать, что на работоспособность современных схем большое влияние оказывает конфигурация полигонов земли и питания, их форма и взаимное расположение. Невозможно определить «на глаз» то, насколько качественно разработана топология земли и питания в скоростной многослойной плате, обеспечит ли она энергией требуемые микросхемы на заданных частотах, или же индуктивность и емкость полигонов сыграют злую шутку с разработчиком. Поэтому разработчики нашего дизайн-центра используют пакет моделирования Sigrity PowerSI для определения резонансов, коррекции формы полигонов и размещения корректных номиналов фильтрующих конденсаторов по питанию, чтобы предотвратить сбои процессора, ПЛИС, памяти и скоростных интерфейсов на печатной плате. Опыт показал, что такой подход, действительно, обеспечивает бесперебойную работу! Автор обращает внимание на импеданс тракта обратного тока. Я поставил бы задачу шире и говорил бы о паразитных параметрах линии передачи в целом. Наш опыт показал, что для таких интерфейсов как DDR2/3/4, Ethernet, PCI Express, HDMI, USB и т. д., обязательно требуется в процессе трассировки, до запуска в производство, проанализировать паразитные параметры печатной платы. Необходимо извлечь S‑параметры линий передачи с учетом паразитных параметров, расположения полигонов питания и промоделировать передачу скоростных сигналов, получая достоверные «глазковые» диаграммы и прогнозируя уровень ошибок. Используемый в нашем КБ пакет Sigrity PowerSI совместно с Sigrity SystemSI позволяет импортировать файл, представленный в формате любых современных САПР или в ODB++. При извлечении паразитных параметров учитывается не только полная топология медных слоев и переходных отверстий, но и импульсные провалы в цепях питания при одновременном переключении выходных сигналов. Используя пакет моделирования Sigrity,

11

На заметку

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

• Чтобы минимизировать индуктивность, разделяйте два проводника (сигнальные или заземляющие плоскости), по которым ток течет в одинаковом направлении.

• Пары проводников, по которым ток течет в противоположных направлениях (например, сигнальные и заземляющие плоскости или силовые и заземляющие плоскости), располагайте как можно ближе друг к другу.

• Если в качестве базовых используются силовые плоскости, обратный ток должен проходить через конденсаторы между заземляющей и силовой плоскостью.

• Для изоляции сигнальных слоев используйте по возможности несколько заземляющих, а не силовых плоскостей.

• Размещайте заземляющие отверстия рядом с каждым сигнальным переходным отверстием, чтобы тракт обратного тока был коротким.

• Создайте несколько массивов заземляющих отверстий на плате, чтобы соединить несколько заземляющих плоскостей.

• Не создавайте заземляющие области на сигнальных слоях, т. к. в результате уменьшается импеданс соседних проводников. При необходимости все же задействовать эти области отделяйте их от сигнальных уровней на расстояние 0,5 мм.

• Расчет топологии начинайте с определения шага межсоединений. Технологические нормы составлены исходя из минимального шага между выводами SMT-компонентов и, как правило, основаны на максимально допустимой длине проводников, изоляционном зазоре и диаметре переходных отверстий. Далее следует рассчитать параметры многослойной сборки для реализации требуемого характеристического и дифференциального импедансов.

• 10‑слойную плату можно построить из восьмислойной, добавив два сигнальных слоя, которые используются для повышения трассируемости и добавления планарной емкости.

12

слишком большой. В результате обеспечивается жесткая связь между соседними сигнальными слоями и плоскостями питания, что уменьшает перекрестные и электромагнитные помехи. В высокоскоростных цифровых схемах токи заземления в переходном процессе являются основными источниками нежелательного шума и излучения. Чтобы минимизировать эти помехи, импеданс земли уменьшается за счет сокращения площади индуктивного контура. Поскольку величина индуктивности прямо пропорциональна длине проводника, площадь этого контура должна быть как можно меньше. Чтобы минимизировать индуктивность, следует разнести пары проводников (сигнальных или на заземляющих плоскостях), по которым ток течет в одинаковом направлении. При этом проводники, по которым ток распространяется в противоположных направлениях (по сигнальным и заземляющим плоскостям или силовым и заземляющим плоскостям), следует расположить попарно как можно ближе друг к другу. Благодаря такому подходу уменьшаются перекрестные помехи. Перечислим несколько дополнительных правил при проектировании высокоскоростных систем.

1. Для изолирования сигнальных слоев по возможности используйте несколько заземляющих, а не силовых плоскостей.

2. Размещайте заземляющие переходные отверстия как можно ближе к каждому переходному сигнальному отверстию.

3. Для соединения нескольких заземляющих плоскостей с помощью низкоимпедансного тракта размещайте массивы переходных отверстий в разных участках платы.

4. Не создавайте отдельные заземляющие участки на сигнальных слоях, т. к. в результате уменьшается импеданс соседних проводников. При необходимости задействовать эти области отделяйте их от сигнальных уровней на расстояние 0,5 мм. Если силовые плоскости используются в качестве базовых, тракт обратного тока должен проходить через конденсаторы между заземляющей и силовой плоскостями. При прохождении этого тока на конденсаторах возникает падение напряжения, приводящее к появлению помех.

www.elcomdesign.ru

Рис. 10. Конфигурации сигнал/плоскость, состоящие из 12–18 слоев

Сколько слоев?

Для определения плотности межсоединений используется правило Рента: , где n – число цепей; X и Y – ширина и длина платы в дюймах; M – число слоев трассировки. Однако слишком большое число переменных в этом уравнении не позволяет установить точное число слоев. Расчет топологии следует начинать с определения шага межсоединений. Технологические нормы составлены, исходя из минимального шага между выводами компонентов для поверхностного монтажа и, как правило, основаны на максимально допустимой длине проводников, изоляционном зазоре и диаметре переходных отверстий при минимальной стоимости изготовления печатных плат. Для построения высокоскоростных схем с BGA-компонентами требуется, чтобы отношение ширины проводников к зазору между ними составляло 0,1 мм/0,1 мм, а отношение размера контактной площадки к диаметру переходных отверстий – 0,46 мм/0,2 мм. При использовании менее критичных размеров уменьшается стоимость, и повышается выход годных изделий. Далее следует рассчитать требуемый характеристический (Zo) и дифференциальный (Zdiff) импедансы, исходя из технических описаний компонентов. Как правило, отношение Zo/Zdiff составляет 50/100. Следует понимать, что при меньшем импедансе увеличивается значение dI/dt и в значительной мере – потребляемый ток (чего следует избегать в распределенных цепях питания). При большем импедансе растут электромагнитные помехи, а схема становится более чувствительной к внешним шумам. Таким образом, для цифровой системы приемлемым считается Zo = 50–60 Ом. Суммарное число слоев для конкретной системы зависит от ее сложности, в т. ч. от следующих основных факторов: -- число сигнальных цепей, которое определяется BGAкомпонентами; -- чис ло ис точников питания, определяемое BGAкомпонентами; -- плотность размещения компонентов и типы корпусов; -- если шаг между выводами BGA-компонентов составляет менее 0,8 мм, трассировку осложняют металлизированные отверстия; -- при построении плат с большим количеством слоев увеличивается диаметр переходных отверстий. При этом отношение длины отверстий к их диаметру не должно

превышать 8:1, иначе надежность с хемы с ущес твенно снизитс я. В таком случае может потребоваться комбинация металлизированных, глухих и скрытых переходных отверстий. Чтобы выбрать достаточное число слоев, рекомендуется выполнить автотрассировку печатной платы. После реализации автотрассировщиком, по крайней мере, 85% соединений становится понятно, насколько выбранная конфигурация является маршрутизируемой. Как правило, при проектировании схем с DDRпамятью выбираются восьмислойные конфигурации. Поскольку число слоев намного проще увеличить, чем уменьшить, следует начинать с минимального количества уровней.

10‑слойная конфигурация

Конфигурации из 12 и более слоев

На рисунке 10 показаны разные конфигурации сигнальных уровней и плоскостей при использовании 12–18 слоев. Их вариации зависят от требований конкретного приложения. По умолчанию программное обеспечение ICD Stackup Planner пред лагает конфиг урации с 2–18 слоями. На рисунке 10 в представ-

лена конфигурация из 18 слоев. Поскольку в некоторых случаях использование такого количества слоев не является оправданным, эту конфигурацию можно сократить до 14 или 10 уровней, удалив группы двойных микрополосковых слоев. Какое бы количество слоев ни использовалось, следует придерживаться их симметричного расположения и, самое главное, создать тракты обратного тока. Число добавляемых слоев всегда должно быть четным. Литература 1. Barry Olney. Stackup Planning. Part 1–4. The PCB Design Magazine. June–August.

October. 2015.

2. Barry Olney. Beyond Design columns.

Material Selection for SERDES Design, Material Selection for Digital Design, The Perfect Stackup for High-Speed Design.

3. Henry Ott. Electromagnetic Compatibility Engineering.

4. Bob Tarzwell. Controlled Impedance. 4.

The ICD Stackup and PDN Planner//www.icd. com.au.

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

13

РЕКЛАМА

10‑слойную плату можно рассматривать как восьмислойную конструкцию с двумя добавленными сигнальными слоями.

10‑слойные конфигурации используются для повышения трассируемости и добавления планарной емкости. Для создания 10‑слойной печатной платы можно воспользоваться еще одним стандартным материалом для высокоскоростных систем – 2,5‑ГГц Nelco N4000–13. Предположим, что на эту плату будет установлен цифровой блок 50/100 Ом, DDR3‑память 40/80 Ом и 90‑Ом USB. Для межсоединений задействуем комбинацию металлизированных, глухих и скрытых переходных отверстий с подходящим аспектным отношением при толщине платы 1,5 мм. В таком случае третий, четвертый, седьмой и восьмой внутренние слои используются для трассировки DDR3. При этом для трех из них заземляющая плоскость является базовой, а для седьмого – 1,5‑В распределенной цепи питания DDR3 (или 1,35‑В цепь в случае низковольтных устройств). На силовую плоскость седьмого уровня можно установить 1,5‑В площадку непосредственно над устройствами DDR3. При толщине диэлектрического слоя между плоскостями равной 0,1 мм планарная емкость составляет около 37,2 пФ/см2. При этом уменьшается импеданс распределенной цепи питания DDR3 на частотах выше 1 ГГц, что требуется для этого типа приложений. Не следует использовать внешние микрополосковые слои для трассировки – только для разветвления. Излучение внешних слоев в окружающее пространство не только больше, но у них и значительно больше варьирует импеданс, что обусловлено неравномерной толщиной металлизации на заключительном этапе электролиза. Для трассировки BGA-выводов используются глухие переходные отверстия, кото-

рые обеспечивают прямое соединение либо с заземляющей плоскостью, либо с третьим слоем. Для трассировки сигнальных проводников на другие слои используются металлизированные или слепые переходные отверстия. В альтернативной конфигурации для соединения со вторым слоем, заземляющей или силовой плоскостью используется только первый слой. Однако второй слой можно задействовать для высокоскоростной трассировки SERDES или других дифференциальных сигналов. У этого слоя, жестко связанного с третьим слоем (заземляющей плоскостью), постоянный импеданс.

электронные компоненты №3 2016

Зачем тестировать? Алексей Иванов, Питер ван ден Эйнден (Peter van den Eijnden), JTAG Technologies

И С П Ы ТА Н И Е И Т Е С Т И Р О В А Н И Е

В статье рассматривается важность мероприятий, связанных с тестопригодной разработкой изделий, а также их экономический эффект. Рассматриваются подходы к тестированию цифровых и цифро-аналоговых изделий с точки зрения достижения максимального тестового покрытия. Вкратце описана суть технологии периферийного сканирования и дополнительные возможности JTAG-интерфейса.

14

Соблюдение правил конструирования с учетом технологичности (Design for Manufacturing, DfM) и высокоавтоматизированное оборудование для производства электронных изделий значительно уменьшают вероятность возникновения ошибок монтажа. Тем не менее, чтобы исключить оставшиеся дефекты сборки платы (а, возможно, и используемых компонентов), изделие необходимо тщательно протестировать, ведь при продаже изделия заказчику предполагается, что оно на 100% бездефектно. Выявление дефектов, как показывают исследования, обходится намного дешевле предприятию-изготовителю на более ранних стадиях, например на этапе тестирования платы, а не собранного блока, и уж тем более не при возвращении изделия по рекламации. Количес тво денег, потраченных на тестирование и послепродажный сервис изделий, зависит от их тестопригодности, а, следовательно, определяется еще на стадии разработки продукта. Эти финансовые затраты могут включать в себя покупку оборудования, оплату высококвалифицированного труда ремонтников, браковку изделий и др. Следовательно, стоимость производства определяется еще на этапе разработки. Эта зависимость показана на рисунке 1. Если при проектировании изделия его будущему тестированию не было уделено совсем никакого внимания, не удивительно, что его тестирование приведет к колоссальным расходам – денежным и трудовым. Например, определенные узлы схемы не смогут контролироватьс я тес тером (ес ли контроль проходит при включенном питании, но отсутствует доступ к цепи сброса данного узла). Вполне вероятна и ситуация, когда при отказе определенной части изделия невозможно с какой-либо точностью определить причину отказа (страдает точность диагностики дефектов).

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Стоимость производства определяется еще на этапе разработки Миниатюризация и увеличение сложности изделий

Усложняющиеся конструкции корпусов электронных компонентов (QFN, BGA, PoP и т. д.), а также растущая плотность печатных плат ограничивают тестовую и диагностическую способность традиционных методов электроконтроля, таких как внутрисхемный тест с помощью адаптеров (In-Circuit Test, ICT) и тест с помощью «летающих пробников» (Flying Probe Tester, FPT). Неприменим для диагностики дефектов и функциональный тест, поскольку изделия все больше становятся цифровыми, где любой дефект на шине адреса или данных памяти может поставить крест на включении всего устройства, а, следовательно, и проведении функциональной проверки. JTAG-тест и внутрисис темное программирование используют уже имеющуюся логику, встроенную в установленные в изделие микросхемы, и хорошо дополняют традиционные тестовые методы. Кроме того, JTAG-тест позволяет тестировать даже платы, не запускающиеся функцио-

нально, и находить дефекты с точностью до вывода компонента. Комбинирование JTAG с традиционными тестовыми методами приводит к высокому тестовому покрытию для всех типов изделий (см. рис. 2). Если добавить к тестеру ICT или FPT возможность периферийного сканирования, это поможет восстановить потерянный за счет миниатюризации и плотности монтажа физический тестовый доступ к цепям. Если дополнить периферийным сканированием функциональное тестирование, решится присущая ему проблема с точностью локализации дефектов. Кроме того, JTAG может гармонично дополнить функциональный тест, например, симулируя протоколы, сигналы, поступающие на дисплей, без наличия прошивки в изделии. Регистры периферийного сканирования JTAG-микросхем способны также считывать данные с клавиатур, внешних интерфейсов и, минуя ядро микросхемы, передавать данные в тестер, выполняя, таким образом, функциональную проверк у, но без

загрузки и использования аппаратной прошивки. Правила тестопригодной разработки

Соче т ани е нов ейши х те с товы х методов с использованием правил тестопригодной разработки обеспечивают максимально возможное тестовое покрытие и позволяют сократить производственные и эксплуатационные затраты.

J TA G - и н т е р ф е й с м н о ж е с т в а современных микросхем позволяет существенно уменьшить стоимость тестирования смонтированных печатных плат. Через этот интерфейс можно осуществлять тестирование, диагностику и программирование плат благодаря встроенной дополнительной логике микросхем, поддерживающих периферийное сканирование. Если плата разработана с учетом правил тестопригодной разработки для JTAG-тестирования, дальнейшее создание тестов и их запуск на производстве намного упрощаются. Основное правило – выбор в качестве базовых элементов цифровой схемы (процессоров, микроконтроллеров, ПЛИС и т. д.) тех, которые поддерживают периферийное сканирование JTAG, т. е. стандарт IEEE 1149.1. Полный сборник рекомендаций по тестопригодной разработке см. на [1].

При использовании на предприятии JTAG-тестирования можно подсчитать тестовое покрытие. Причем делается это автоматически, если на предприятии имеются специальные САПР для генерации приложений периферийного сканирования. Программный пакет JTAG ProVision, например, включает в себя встроенный анализатор тестового покрытия и теоретической тестопригодности не только отдельных плат, но и сборок. Такой программный инструмент можно использовать для постоянного мониторинга достигнутого тестового охвата и в процессе создания тестовых приложений, и при разработке схемы изделия. Сравнение максимально возможного тестового покрытия с достигнутым показывает, какие еще тесты необходимо создать. Контроль тестопригодности изделия и тестового покрытия имеющихся приложений позволяет не только уменьшить стоимость тестирования, но и влияет на скорость выпуска готовых изделий, а также репутацию предприятия. Нельзя быть уверенным в стопроцентном качестве и безотказности изделия, если в каждом конкретном случае неизвестно количество тестиру-

емых цепей, паяных соединений, компонентов. Очень часто при обычной функциональной проверке многие узлы остаются непроверенными и содержат дефекты, с которыми изделие отправляется заказчику.

JTAG-тест и внутрисистемное программирование используют встроенные ресурсы ИС, устанавливаемых на плату (регистр периферийного сканирования, отладочные регистры и т. д.). Доступ к этим ресурсам осуществляется с помощью несложного JTAG-контроллера. Для сложных плат и высокой производительности тестов и программирования можно выбрать более технологически совершенный контроллер (например, с несколькими JTAG-портами, высокой частотой работы, дополнительными тестовыми каналами). Набор приложений, которые будут создаваться и выполняться, определяется программным обеспечением. Приложения могут включать в себя различные тесты, программирование флэш-памяти и ПЛИС. Иногда бывает достаточно простой «прозвонки» связей или верификации «кластера» (цифрового компонента, не имеющего поддержки периферийного сканирования, но тестируемого за счет окружающих JTAG-компонентов). Автоматическое создание всех возможных типов приложений на основе схематики и библиотек функциональных моделей компонентов, составление последовательности тестов для производства требуют высокоавтоматизированных САПР периферийного сканирования. Простой контроллер сканирования плюс интерактивная программа для создания простых «кластерных» тестов, дополняющие функциональные тесты изделия, могут стать достаточным набором для отладки и даже тестирования мелкосерийных несложных изделий.

Простой, более автоматизированный и продвинутый вариант системы JTAG может использоваться не только как отдельная установка тестирования или программирования, но и в составе имеющегося оборудования функционального или структурного тестирования. Т. о., можно подстроить уровень системы периферийного сканирования до наиболее подходящего по цене и возможностям. Это делает периферийное сканирование методом, позволяющим эффективно регулировать стоимость тестирования и сервисного обслуживания изделий не только для мелкосерийного производства простых изделий, но и для средне- и крупносерийного производства сложной цифровой продукции. Ведь простые средства создания тестов дешевле, чем усовершенствованные и высокоавтоматизированные. Во всех случаях можно подобрать болееменее автоматизированную систему. Даже если всего лишь один компонент на собранной печатной плате поддерживает периферийное сканирование, появляется возможность осуществлять JTAG-тестирование такого изделия. При этом чем больше цепей имеетс я д ля выводов компонента с поддержкой периферийного сканирования, тем больше тестовый охват. Стоит заметить, что указанный доступ зависит не только от количества JTAGкомпонентов на тестируемой плате, но и от того, какие элементы имеют поддержку периферийного сканирования. Если на плате, где центральную роль играет ЦП, этот элемент имеет поддержку JTAG-тестирования, то, как показывает практика, скорее всего, обеспечивается максимальный тестовый доступ к цепям платы и различным «кластерам» (т. е. к компонентам без поддержки периферийного сканирования). То же самое может относиться и к циф-

электронные компоненты №3 2016

И С П Ы ТА Н И Е И Т Е С Т И Р О В А Н И Е

Проверка тестопригодности и тестового покрытия

Рис. 2. Комбинирование JTAG с традиционными тестовыми методами обеспечивает высокое тестовое покрытие для всех типов изделий

15

И С П Ы ТА Н И Е И Т Е С Т И Р О В А Н И Е

Рис. 3. Архитектура периферийного сканирования микросхемы

16

Рис. 4. Через отладочную логику можно получить полный доступ к ядру процессора, его шинам и всему, что к ним подключено

ровым платам, где центральное место занимает ПЛИС. Тестирование аналоговой и цифровой частей

Как правило, выпускаемые предприятием платы имеют как аналоговую, так и цифровую часть. Технология периферийного сканирования имеет ограничение в использовании – она работает только с цифровыми узлами. В начале 2000‑х гг. были предприняты попытки стандартизировать архитектуру периферийного сканирования с возможностью аналоговых проверок, но эта работа не получила распространения. Хотя, следует отметить, что стандарт аналогового JTAG-тестирования существует (IEEE 1149.4). Если периферийное сканирование используется в комбинации с функциональным тестированием, то в таком случае измерительные приборы, входящие в такой комплекс, могут применяться для аналоговых измерений. В том случае, когда JTAG-тест используется совместно

www.elcomdesign.ru

с ICT или FPT, аналоговые цепи покрываются этими тестовыми установками. При использовании автономной станции периферийного сканирования может применяться JTAG-контроллер с дополнительно встроенными каналами измерения аналоговых величин, что обеспечит тестирование аналоговых цепей. Такие контроллеры (а также дополнительные IO-модули к контроллерам) выпускаются компанией JTAG Technologies. Общая информация о периферийном сканировании JTAG

Поддержка микросхемой периферийного сканирования означает наличие в ее составе сдвигового регистра, ячейки которого последовательно подключены к ее внешним (цифровым) выводам (см. рис. 3). С помощью этих ячеек контролируются логические значения на соответствующих выводах, выставляются данные на внешние цепи

и считываются независимо от внутренней логики (ядра микросхемы). Т. о., связь между двумя или более выводами микросхем с поддержкой периферийного сканирования можно верифицировать. Для этого требуется выполнить элементарные операции, заключающиеся в установке логических уровней с помощью ячеек драйверов в сдвиговом регистре и считывании полученных данных в ячейки сенсоров. Это формирует основу периферийного сканирования. C помощью таких несложных процедур можно тес тировать не только связь между самими JTAGкомпонентами, но и их связь с окружающими «кластерами» – компонентами, не поддерживающими периферийное сканирование. К примеру, если выводы компонента (процессора или ПЛИС), поддерживающего периферийное сканирование, соединены с шинами адреса и данных, а также контрольными сигналами ОЗУ, то за счет упомянутого выше сдвигового регистра JTAG-компонента можно протестировать его линии связи с памятью. При этом память не должна поддерживать периферийное сканирование. Такой же механизм используется при тестировании и программировании внешних микросхем флэш. Микропроцессоры часто содержат специальные регистры для отладки программного обеспечения, доступ к которым также осуществляется через JTAG-интерфейс. Эти регистры не имеют отношения к стандарту периферийного сканирования IEEE 1149.1. Такая логика, как правило, является дополнением к регистрам периферийного сканирования. В некоторых случаях, впрочем, при наличии отладочных регистров и JTAGинтерфейса в микросхеме отсутствует регистр периферийного сканирования (и тогда она не соответствует стандарту IEEE 1149.1). Через отладочную логику можно получить полный доступ к ядру процессора, его шинам и всему, что к ним подключено (см. рис. 4). Эта отладочная логика также используется для внутрисистемного программирования самого кристалла и тестирования его внешних соединений. Для доступа к отладочной логике существует программа CoreCommander, взаимодейс твующая с ней напря мую и обеспечивающая полный контроль над ядром микропроцессора.

CoreCommander состоит из программных модулей, каждый из которых предназначен для конкретной архитектуры. Однако функции, работающие с разными типами процессоров, можно использовать в одной тестовой среде. Литература 1. www.jtag.com.

USB 3.1 – реализация USB Type-C Игорь Зайцев, разработчик Последовательная шина (USB) Type-C предоставляет высокий уровень универсальности и удобства для конечных пользователей. Два фактора в наибольшей степени влияют на стоимость и сложность приложений, потребляющих 15 Вт с порта Type-C, – расширенная поддержка допустимой мощности и видеосигнала. В статье обсуждается такой способ реализации порта USB Type-C, который в минимальной степени влияет на систему.

Введение

ковые гнезда. В таблице 1 приводится назначение выводов разъемов USB Type-C. Заметим, что 24‑выводной интерфейс является симметричным, что облегчает подключение кабеля. Помимо сигналов Tх, Rх шины USB 3.1 и сигналов D+, D– шины USB 2.0 используются два вывода СС для конфигурации канала и связи по USB-PD. В типовой реализации системы используются укороченные выводы с двумя сигналами D+ и двумя сигналами D–, благодаря чему исключается необходимость в мультиплексоре USB 2.0. Однако подобное соединение для сигналов USB 3.1 реализовать невозможно, поскольку для целостности сигнала необходимо, чтобы на каждом конце интерфейса Type-C осуществлялось мультиплексирование 2:1. При использовании режима Alt требуется функция USB-PD, и конфигурация мультиплексора усложняется. Альтернативный режим может использоваться для организации других интерфейсов. В качестве примера можно привести DisplayPort. Если пару высокоскоростных линий Tx, Rx выделить под видеопоток DisplayPort, то этого окажется достаточным для передачи изображения с разрешением 3840×2160. Аудиосигналы передаются по линиям SBU1, SBU2, и они соответствуют каналам AUX+/AUX– DisplayPort. На рисунке 1 приведен пример подключения. В типовой реализации USB 3.1 применяются две основные функции: контроллер CC д ля управления связью и мультиплексор для сигналов Rх и Tх, выбирающий под-

Таблица 1. Назначение выводов разъема USB Type-C А1

А2

А3

А4

А5

А6

А7

А8

А9

А10

А11

А12

GND

TX1+

TX1–

VBUS

CC1

D+

D–

SBU1

VBUS

RX2–

RX2+

GND

GND

RX1+

RX1–

VBUS

SBU2

D–

D+

CC2

VBUS

TX2–

TX2+

GND

B12

B11

B10

B9

B8

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

Рис. 1. Использование альтернативного режима для организации интерфейса DisplayPort

электронные компоненты №3 2016

Сети и интерфейсы

Интерфейс USB Type-C предоставляет канал передачи данных и видео, а также питание в одном разъеме. Разъемы USB Type-C поддерживают стандарты USB 2.0 и USB 3.1, а также обеспечивают альтернативные (Alt) режимы, например DisplayPort. Допустимая мощность USB Type-C составляет 15 Вт, а модификация стандарта USB Power Delivery (USB PD) повышает данный показатель до 100 Вт. Этот интерфейс реализован с использованием более тонких разъемов меньшего размера повышенной прочности, которые позволяют передавать данные со скоростью до 20 Гбит/с. Разъем кабеля для этого интерфейса можно подключать к портам любой стороной и в любом направлении для хостов или клиентов – с обеих сторон кабеля располагаются одинаковые штекеры. Рассмотрим, например, задачу, стоящую перед разработчиком новой платформы на базе ноутбука. Какова доля стоимости реализации порта USB Type-C от общей стоимости системы? Сколько потребуется новых разъемов USB Type-C? Все разъемы должны быть полнофункциональными? Решая эту задачу, разработчик, вероятно, выберет один полнофункциональный порт Type-C, который обеспечивает больше возможностей по зарядке с помощью USB PD, чем предыдущие стандарты USB. Этот порт поддерживает видеорежим Alt. На обоих концах кабеля USB Type-C установлены одинаковые вилки, а на стороне хост-устройства и клиента – одина-

17

Таблица 2. Классы устройств по классам данные/мощность для приложений USB Type-C Класс данные/ мощность

Примеры устройств

Всегда источник

Зарядные устройства

DFP/источник

Ноутбуки, внешние аккумуляторы

DFP/источник с Try.SRC (по выбору)

Двойное назначение

Планшеты

DRP/источник и потребитель

Как правило, потребитель

Телефоны

UFP/потребитель с Try.SNK (по выбору)

Внешний накопитель данных, аксессуары

UFP/потребитель

Как правило, источник

Всегда потребитель

Данные/режим мощности

Рис. 2. Конфигурация каналов для подтягивания потенциалов питания и земли

ключенную сторону относительно разъема Type-C. Контроллер CC должен уметь конфигурироваться для подключения к нисходящему порту (downstream-facing port, DFP), восходящему порту (upstream-facing port, UFP) или к порту двойного назначения (dual-role port, DRP) в зависимости от реализуемой характеристики системы. В таблице 2 перечислены классы устройств по классам данные/мощность для приложений USB Type-C.

Сети и интерфейсы

Реализация «мастер – клиент» интерфейса USB Type-C

Интерфейс USB Type-C осуществляет конфигурацию каналов, с помощью которой устанавливается связь между нисходящими и восходящими портами. Нисходящий порт считается хост-устройством, а восходящий – клиентом согласно традиционному определению USB-портов. CC-функция применяется в следующих случаях: -- обнаружение подключения/отключения между DFP и UFP и ориентация контактов;

18

Рис. 3. Типовая реализация «хост–клиент» интерфейса USB Type-C

www.elcomdesign.ru

-- обнаружение связи между DFP и UFP (хостом и устройством), а также взаимосвязи по питанию (источник/потребитель). DFP (источник) по умолчанию, без использования функции USB-PD, поставляет питание, а UFP (потребитель) ее принимает; -- тек ущее оповещение поставщика о напряжении на шине VBUS USB Type-C и обнаружение его потребителем; -- во время подключения функции питания и передачи данных могут меняться только с помощью USB-PD. Даже если разъем имеет два вывода (CC1 и CC2), к кабелю подключается только один провод CC. Для каждого вывода CC у нисходящего порта имеется возможность подтянуть потенциал к напряжению питания, а у восходящего порта – к земле с помощью подтягивающего и согласующего резисторов, соответственно (см. рис. 2). Контроль над выводами CC для нормативного напряжения позволяет определить, как подключен разъем. Нисходящий порт использует разные значения подтягивающего резистора (или источника тока), чтобы известить о величине выходного тока, а восходящий порт контролирует потребляемый ток, используя согласующий резистор и сравнивая напряжения. По умолчанию без функции USB-PD можно задействовать три значения потребляемой мощности (900 мА для USB 3.1 и 500 мА – для USB 2.0), 1,5 A и 3 A с 5 В на VBUS. На рисунке 3 представлена типовая реализация «хост–клиент» (DFP/UFP) интерфейса USB Type-C. С другой стороны, типичным примером клиентского устройства с интерфейсом USB SuperSpeed является внешний диск. Он работает как USBустройство, которое получает питание от VBUS. Согласно спецификации Type-C, ответственность за управление потребляемой мощностью несет клиент/потребитель. Таким образом, клиентское устройство должно установить динамический контроль над энергопотреблением на основе оповещения хоста о токе. Альтернативный вариант заключается в поддержании величины потребляемого тока в стандартном диапазоне.

DFP-порт также устанавливает ограничение по току для дополнительной защиты системы. При поддержке DFP-портом протокола USB 3.1 необходимо обеспечить питание 5 В с помощью напряжения VCONN в кабеле USB Type-C. Напряжение VCONN подается на вывод CC (CC1 или CC2) гнезда. Кроме того, для кабелей достаточно большой длины может потребоваться согласующее устройство по уровням сигнала.

Рис. 4. Типовая реализация DRP-порта в интерфейсе USB Type-C Рис. 6. Пример работы мультиплексора при выборе пар SS Rx/Tx

Рис. 5. Функциональная схема устройства с типовой конфигурацией каналов Реализация порта двойного назначения USB Type-C

Выводы

В большинстве базовых реализаций, к которым относится использование USB с поддерживаемой мощностью 15 Вт, переход на новый стандарт прост – достаточно лишь обновить разъем, установить контроллер CC и добавить при необходимости мультиплексор USB 3.1 SS.

Сети и интерфейсы

Интерфейс USB Type-C также определяет порт двойного назначения (dual-role port, DRP), который поочередно играет роль нисходящего и восходящего портов, пока не достигнуто состояние устойчивого соединения (см. рис. 4). В паре с портами UFP или DFP этот порт играет роль DFP или UFP, соответственно. Если задействована пара DRP-портов, назначение носит случайных характер, но на него могут повлиять две функции – Try.SRC и Try.SNK. DRP-порт с функцией Try.SRC становится DFP-портом (источником), а с Try.SNK – UFP-портом (потребителем), если у второй стороны выбора не имеется. Эти функции регулируют в системе взаимосвязь «поставщик питания/потребитель».

рает активную сигнальную пару USB 3.1 с помощью сигнала SEL (Signal Engineering Laboratories) с контроллера СС (см. рис. 6), обеспечивающего мультиплексирование для скоростей передачи данных до 10 Гбит/с согласно спецификациям USB 3.1 Gen 1 и Gen 2. Некоторым системам требуется повысить напряжение сигналов USB SuperSpeed. С этой целью используется мультиплексор, который обеспечивает такое согласование и переключение USB SuperSpeed. Интерфейс USB Type-C предоставляет дополнительные функции для работы с наушниками и микрофоном по разъему Type-C, что исключает необходимость в аудиопорте на 3,5 мм. Для звуковых сигналов используются сигналы D+, D– и USB. Для реализации звуковых функций требуется дополнительный мультиплексор.

Литература 1. Копия спецификации USB Type-C specification//www.usb.org/ developers/usbtypec.

2. Техническое описание TUSB321//www.ti.com/product/tusb321.

3. Техническое описание HD3SS3212//www.ti.com/product/hd3ss3212.

4. Anwar Sadat. Low-cost implementation of USB Type-C//www.ti.com.

19

Решения с использованием USB 3.1 Type-C

РЕКЛАМА

Для простого преобразования имеющейся платформы USB с унаследованными разъемами в интерфейс USB Type-C необходим контроллер СС, а для реализации поддержки USB SuperSpeed требуется дополнительное устройство с функцией мультиплексора. Устройство TUSB321 представляет собой пример однокристального контроллера порта СС для интерфейса USB Type-C, которое можно сконфигурировать как порты DFP, UFP или DRP (см. рис. 5). Это автономное устройство с заранее заданными настройками. Программное обеспечение при необходимости предоставляет дополнительные функции по выбору разработчика. В качестве примера пассивного мультиплексора USB SuperSpeed можно привести HD3SS3212. Это устройство выби-

электронные компоненты №3 2016

Квадрат урный модулятор с малым потреблением для систем цифровой связи Брюс Хемп (Bruce Hemp), Санни Сяо (Sunny Hsiao)

Квадратурные, или IQ-модуляторы, – универсальные блоки для построения радиочастотных систем. Наиболее распространенным их применением является генерация радиочастотных сигналов в цифровых системах связи. Эта статья иллюстрирует возможности микросхемы квадратурного модулятора LTC5599 с малым потреблением, обеспечивающей высокую точность модуляции. На простом примере демонстрируется процесс интеграции этого модулятора в цифровую систему беспроводной связи.

Беспроводные технологии

Применение модуляторов

20

Прак тически любой тип радио частотной модуляции можно реализовать путем квадратурной или, как ее еще называют, IQ-модуляции. Она обеспечивается с заданной несущей (центральной час тотой), шириной рабочей полосы и точностью, которая определяется возможностями модулятора в конкретном радиочастотном устройстве. В таблице 1 показаны некоторые из возможных применений ИМС квадратурного модуля LTC5599. Точность модуляции и вектор величины ошибки

Ве личина век тора ошибки E VM (error vector magnitude, EVM) является мерой точности модуляции в цифровых системах радиосвязи. Точность модуляции важна, поскольку любая ошибка при модулировании сигнала

Рис. 1. Схема установки для измерений и оценки базовой точности модуляции

может осложнить его прием или чрезмерно увеличить занимаемую полосу частот. Если не принять соответствующих мер, приемник может выдавать недопус тимо большое количес тво битовых ошибок, его эффек тивная

чувствительность снизится, а проникновение мощности в соседний канал (adjacent channel power ratio, ACPR) окажется недопустимо высоким. Вектор ошибки находится в плоскости IQ между фактическим полученным

Таблица 1. Некоторые возможные приложения для ИС квадратурного модулятора LTC5599 с малым энергопотреблением Область применения Цифровые беспроводные микрофоны

Стандарт модуляции

Тип модуляции1

Полоса радиочастот (макс.)

Запатентованная

QPSK, 16/32/64-DAPSK, Star-QAM

200 кГц

Беспроводные сети • радиосвязь white-space* • когнитивное радио

802.11af

OFDM: BPSK, QPSK, 16/64/256-QAM

До 4×6 МГц каналов

Кабельное ТВ

DOCSIS

16-QAM

6 МГц

Определяется потребителем

Широкий программируемый диапазон для выбора

–

Военные системы связи (портативные, переносные) Программные приемо-передающие устройства (SDR) Портативное контрольно-измерительное оборудование Аналоговая модуляция Двухсторонняя радиосвязь Коммерческая Индустриальная Службы безопасности и чрезвычайных ситуаций

–

AM, FM/PM, SSB, DSB-SC

–

TETRA TETRAPOL P-25 DMR

π/4-DQPSK, π/8-D8PSK, 4/16/64-QAM GMSK C4FM, CQPSK 4FSK

25–150 кГц 10 кГц, 12,5 кГц 6,25–12,5 кГц 6,25 кГц, 12,5 кГц

* Примечание. Радиосвязь white-space определена стандартом беспроводной связи IEEE 802.22. Для передачи данных предполагается использовать «пробелы» (white-space) в телевизионном диапазоне частот (54–862 МГц). Эта связь стала применяться благодаря изобретению «умного» радио – технологии когнитивной радиопередачи, которая обеспечивает подстройку параметров приемопередающих устройств сети так, чтобы передача данных не попадала в «лицензионные» частоты.

www.elcomdesign.ru

MEASURED IQ VECTOR

EVM VS TIME

MEASURED EYE DIAGRAM

ERROR SUMMARY

Схема испытаний приведена на рисунке 1 Тестируемое устройство: LTC5599 Регистры [0…8] = [0X31, 84, 80, 80, 80, 10, 50, 06, 00] Установленная частота 450 МГц; в других случаях используются стандартные значения Условия измерения: векторный анализатор спектра AGILENT 89441A, интервал 100 кГц Измерительный фильтр: косинус Эталонный фильтр: приподнятый косинус

Рис. 2. Результат измерения EVM схемы квадратичного модулятора на LTC5599. Измерение проводилось с использованием генератора модулирующих сигналов и генератора несущей (LO) лабораторного класса. Следует заметить, что результат измерения коэффициента ошибок модуляции MER, который превысил 49 дБ, является достаточно высоким уровнем качества и, в целом, обеспечивает уровень т.н. «вещательного качества»

Что такое квадратурный или IQ-модулятор? Квадратурный модулятор является устройством, которое преобразует информацию в радиочастотный сигнал. Он состоит из двух кольцевых балансных смесителей, включенных по схеме, которая показана на рисунке ниже. Любая амплитуда и фаза выходного сигнала выбирается путем модулирования входных синфазных (I) и квадратурных (Q) сигналов. Модуляция высокого порядка обеспечивается выбором координат конкретных точек по амплитуде и фазе. Ниже представлена диаграмма 16-позиционного сигнала с квадратурной амплитудной манипуляцией (QAM). Четыре возможных значения I на ней определяются двумя битами. То же относится и к оси Q. Таким образом, каждый символ может передать четыре бита информации.

21

Управление модулятора с помощью программируемой логики или ПЛИС

Многие ПЛИС и программируемые устройства оснащены блоком цифрового фильтра (digital filter block, DFB), востребованным в системах цифровой связи. При этом поток передаваемых данных переводится в IQ-форму и обрабатывается цифровым фильтром.

Беспроводные технологии

или переданным символом и идеальным опорным символом. Модуль вектора ошибки (EVM) является мерой отношения вектора ошибки к опорному вектору и выражается в дБ или процентах. На рисунке 1 показана схема установки, использованной для демонстрации той точности модуляции, которая достигается с помощью квадратурного модулятора LTC5599 с малым потреблением. На рисунке 2 представлены результаты измерений. В этом тесте лабораторный генератор генерирует 30 тыс. символов 16‑QAM (120 Кбит) в секунду с частотой несущей 450 МГц, которая подается на LO-вход модулятора. Выход модулятора контролируется векторным анализатором сигналов (VSA). На рисунке 2 представлена зависимость показателя EVM от времени. Значения EVM являются одинаково малыми для всех символов, при этом суммарная ошибка, которую показывает EVM, составила примерно 0,24% (СКЗ) и 0,6% (пик.). На самом деле, это отличные показатели, достигаемые при коэффициенте ошибок модуляции MER (modulation error ratio) равном 49,6 дБ. ИС LTC5599 имеет внутренние регистры для тонкой подстройки, позволяющей корректировать смещения по постоянному напряжению для входов I и Q. Такая юстировка помогает устранить возможный амплитудный и квадратурный фазовый дисбаланс. Регистры точной настройки обеспечивают самую высокую точность модуляции. Во многом это испытание демонстрирует весьма высокие возможности модулятора даже без использования оптимизации: ширина полосы модулирующих частот, точность и разрешение ЦАП являются превосходным, а цифровая фильтрация почти идеальна1. Хотя результаты испытаний полезны для измерения производительности конкретного модулятора, практическая реализация устройств беспроводной связи с малым потреблением неизбежно сопряжена с компромиссами, о которых пойдет речь ниже.

На рисунке 3 показан пример того, как для управления квадратурным модулятором LTC5599 используется программируемая система-на-кристалле (PSoC) 5LP компании Cypress.

Цифровая интерполяция используется для увеличения тактовой частоты ЦАП и, следовательно, частоты зеркального канала ЦАП (т. е. побочного канала приема, отстоящего от рабочего на величину

1 Поскольку КИХ-фильтры в испытательном оборудовании синтезируются программным путем, желательно использовать фильтры из сотен или даже тысяч звеньев. При этом важно качество модулирующего сигнала, а величина задержки не столь существенна. Напротив, в беспроводных приложениях, работающих в режиме реального времени, как правило, требуется известный компромисс между задержкой фильтра и значениями EVM/ACP. 2

В приложениях со сравнительно низкими скоростями передачи с этой целью можно использовать ИС дифференциального усилителя LTC1992, который обеспечивает более высокую точность статических параметров и меньшее энергопотребление, но имеет больший шум при передаче сигналов в полосе пропускания канала.

электронные компоненты №3 2016

Рис. 3. Структурная схема тракта передачи сигнала (см. схему в полном виде на рисунке 4) Таблица 4. Общая потребляемая мощность Потребляемая мощность, мВт

Наименование

Ток потребления (ICC), мА

U1

CY8C58LP (программируемая система-на-кристалле)

54

178

U2

LT6238 (счетверенный операционный усилитель)

13

43

U3

LTC5599 (IQ-модулятор с малым потреблением)

29

96

Итого

96

317

Поз.

Полная электрическая принципиальная схема устройства показа на рисунке 4. Для подачи модулирующего сигнала в ней, в отличие от подачи несущей частоты, используется дифференциальное управление, что обеспечивает максимальную выходную мощность

Беспроводные технологии

удвоенной промежуточной частоты). Это снижает требование к порядку низкочастотного формирующего LC-фильтра, который служит для ослабления частоты зеркального канала ЦАП до приемлемого уровня; при этом фазовая ошибка и широкополосный шум сводятся к минимуму.

и низкое значение EVM. Малошумящий усилитель LTC6238 (на схеме обозначен как U2) преобразует несимметричные выходные сигналы I и Q ЦАП в дифференциальные 2 . Усиление входного каскада, выполненного на операционном усилителе U2, используется для масштабирования выходного напряжения ЦАП к заданному уровню входного напряжения модулятора, после того как оно из-за влияния на фильтр входных резисторов RL(I) и RL(Q) ослабится в отношении 2:1, что необходимо обязательно учитывать. Входной усилитель U2 также предназначен для подачи на квадратурный модулятор входного синфазного напряжения, что важно для поддержания надлежащей входной рабочей точки модулятора по постоянному напряжению и обеспечения его линейности. При проектировании формирующего фильтра нижних частот (ФНЧ) ЦАП используются классические методы синтеза LC-фильтров. Некоторые конденсаторы фильтра используются как обычные шунтирующие синфазные конденсаторы, подключенные на общий провод (землю). Такой подход уменьшает общий синфазный шум, который может попасть на выход модулятора. При использовании активного фильтра

22

Рис. 4. Схема управления квадратурным модулятором с помощью программируемой логики и ЦАП. Пассивный фильтр Бесселя ослабляет частоты зеркального канала ЦАП и обеспечивает малый уровень выходного высокочастотного шума, не оказывая в то же время существенного влияния на вектор ошибки

www.elcomdesign.ru

Таблица 2. Значения EVM. Даже при использовании КИХ-фильтра с 63-мя отчетами и двух 8-разрядных ЦАП величина показателя EVM (СКЗ) 0,8% является вполне достаточной для большинства возможных применений КИХ-фильтр передатчика

Коэффициент интерполяции

Скорость передачи символов, симв./с

Скорость передачи данных, Кбит/с

Фильтр с 63 отсч., α = 0,35

8

30000

120

EVM (пик.), %

0,8

2,0

LTC5599 ненастроенный (MER = 39,1 дБ)

0,8

1,8

LTC5599 настроенный (MER = 39,8 дБ)

MEASURED IQ VECTOR

EVM VS TIME

Примечания

MEASURED EYE DIAGRAM

ERROR SUMMARY

Рис. 5. Детали измерения EVM. Вместо лабораторного генератора сигналов использовались две микросхемы. Эта неидеальная замена, как правило, является достаточно приемлемым подходом

Подавление зеркальной частоты ЦАП, –70 дБн: –25 дБ за счет sinx/x + (–45) дБ за счет ФНЧ. Суммарное подавление: –70 дБ.

Рис. 6. Выходной спектр модулятора. В этом схемотехническом решении самые близкие пики спектра помехи зеркальной частоты подавлены на 70 дБ, что вполне приемлемо для большинства систем. Для определения использовался модулятор с выходной мощностью –4 дБм. Однако необходимо учитывать, что фильтрация гармоник несущей, тем не менее, требуется

На более высоких частотах развертки станут видны гармоники несущей, которые должны быть отфильтрованы обычным путем. Во многих с лучаях так же важен и малый уровень собственных выходных шумов. Например, когда передатчик и приемник являются дуплексными или совмещены, либо когда используется усилитель мощности с высоким

Таблица 3. Значения плотности выходного шума находятся примерно на 17 дБ ниже уровня тепловых шумов (kTΔf) Сдвиг частоты, МГц

Плотность выходного шума, дБм/Гц

+6

−156,7

+10

−156,8

+20

−156,8

3

В этом примере минимальная тактовая частота для блока цифрового фильтра DFB определяется следующим образом: 30 кГц (символьная скорость) × 8 (коэффициент интерполяции) × 63 отчета КИХ-фильтра × 2 цикла для умножения и накопления (МАС) × 2 цикла для арифметической логики (ALU) = 60,5 МГц.

4

Более быстрые и лучше оптимизированные цифровые фильтры предлагают компании Altera и Xilinx.

электронные компоненты №3 2016

Беспроводные технологии

его заключительным звеном должен быть пассивный LC-фильтр, чтобы уменьшить широкополосный высокочастотный шум. Таблица 2 и рисунки 5–6 показывают результаты тестирования характеристик модулятора. В этом случае значение EVM ограничено точностью цифровых модулирующих сигналов, которая определяется количеством отсчетов (63) КИХфильтров у ИС CY8C58LP (см. блок U1 на рисунке 4), а также разрешением ее ЦАП (8 бит). По этой причине, даже если скорректировать отклонения в квадратурном IQ-модуляторе, то, как видно из таблицы 2, существенно улучшить показатель EVM не удается. Для снижения EVM необходимо использовать системы с большим числом отсчетов КИХ-фильтра и ЦАП с более высоким разрешением. П р и с р а в н е н и и р е з у л ьт а т о в на рисунках 2 и 5 мы видим, какой ценой обошлась замена лабораторного генератора сигналов высокого класса схемой, состоящей из программируемой логики и операционного усилителя с фильтрами. При этом значение EVM увеличилось с 0,24 до 0,8% (СК З). Ув е лич е ни е з нач е ни я E VM , в первую очередь, обусловлено тем, что сигналы, генерируемые микрос хемой программируемой логики, не так точны, как сигналы от лабораторного генератора. Но так обстоит дело на практике. Однако на рисунке 5 показана довольно-таки приличная глазковая диаграмма и результаты суммарных измерений, которые свидетельствуют о том, что достигнутой точности модуляции вполне достаточно для большинства возможных приложений. Из рисунка 6 видно, что выходной спектр модулятора довольно чистый. Амплитуда частот зеркальных каналов ЦАП представляет собой пики по отношению к полезному сигналу. Их величина определяется по формуле sin (х)/х, где х = πf/fCLK , плюс то ослабление, которое обеспечивается формирующим LC-фильтром ЦАП. Для обеспечения наименьшей мощности по соседнему каналу необходим КИХ-фильтр с большим числом отчетов, а также низкий фазовый шум сигнала несущей (LO).

EVM (СКЗ), %

23

коэффициентом усиления, или в случае, когда одновременно работает несколько передатчиков. В таблице 3 представлены значения измеренной плотности выходного шума для системы на рисунке 3 во время передачи сигнала в виде модулированной несущей частоты 450 МГц. Использование малошумящего операционного усилителя (на схеме обозначен как U2) в сочетании с фильтром 5‑го порядка, выполненного в виде формирующего LC-фильтра, обеспечивает минимально возможный уровень шума в полосе частот передачи сигнала. Измеренное общее потребление тока при питании 3,3 В составило 96 мА с распределением по каскадам, представленным в таблице 4. Наибольшая

Беспроводные технологии

24

мощность от источника питания постоянного тока потребляется микросхемой U1, которая представляет собой программируемое логическое устройство. В данном случае каждый блок цифрового фильтра такой микросхемы на тактовой частоте 67 МГц, в соответствии со спецификацией, имеет типовой ток потребления 21,8 мА3. В целом, потребление мощности блоками цифровых фильтров DFB составляет 81% от общего энергопотребления всей цифровой части. Очевидно, что путем к сокращению потребления тока для цифровой секции является оптимизация архитектуры блоков цифровых фильтров, но эта тема уже выходит за рамки данной статьи 4.

Выводы

Квадратурный модулятор LTC5599 компании Linear Technology является универсальным составным блоком радиосистем, который обеспечивает малое энергопотребление, высокую производительность, широкий диапазон частот и уникальные возможности для оптимизации. Эти характеристики позволяют упростить конструкцию радиопередатчика без ущерба для его производительности или эффективности. Литература 1. Digital Modulation in Communications Systems – An Introduction. Application Note.

1298. Keysight Technologies.

События рынка

| Российский стартап запустит в Китае завод по производству роботов для микроэлектроники | Промобот, российский стартап из Перми и резидент фонда «Сколково», продал китайской компании из Ханчжоу Keysi Microelectronics пять своих человекоподобных роботов‑консультантов, получил оплату еще за четырех, а также заключил с ней два соглашения об углублении сотрудничества. Первое из них подразумевает поставку до конца 2017 г. еще 100 роботов. Второе – создание в одной из провинций Китая совместного предприятия с участием местного правительства. Как уточнил Алексей Южаков, один из основателей «Промобота», в рамках поставок азиатским партнерам будут переданы устройства, собранные в Перми. Что касается совместного предприятия, то российская сторона возьмет на себя разработку и проектирование, а выпуском и реализацией устройств на территории Китая озаботятся азиатские коллеги. Под роботом в данном случае подразумевается автономное подвижное устройство, напоминающее по форме человека и предназначенное для персональной коммуникации с людьми. Promobot способен распознавать речь и отдельные лица, воспринимать смысл сказанного и отвечать на вопросы при помощи синтезатора голоса. Подобный электронный промоутер, как правило, используется в местах повышенного скопления людей (например, на выставках) для привлечения внимания к продвигаемой владельцем продукции, консультациям по заранее заданным темам, помощи в навигации и пр. В «Промоботе» отмечают, что у компании Keysi Microelectronics имеется большая сеть контактов по всему миру в сфере строительства и торговли. Конфигурация трехстороннего проекта по производству роботов на территории Китая – предмет обсуждений. Роль китайского правительства (оно традиционно смыкается с партийным руководством Поднебесной) выразиться в выделении площади под завод, предоставлении денег на оборудование, компенсации расходов на проживание питание и зарплату россиян. Мощность производства должна составить не менее 1 тыс. роботов в год. Затраты на запуск подобных проектов Южаков оценивает в десятки миллионов долларов. Сбором и утверждением разрешительной документации с декабря 2015 г. занимается компания Keysi Microelectronics. Технологические особенности промобота По словам Южакова, в технологическом смысле promobot является результатом интеграции наработок нескольких компаний. Собственно «Промоботу» принадлежит дизайн, механика, контроллер управления, лингвистическая база, алгоритмы самообучения. Технология распознавания лиц взята у сколковского резидента – российской компании «Вижнлабс». Распознавание речи происходит с использованием открытых стандартов, однако для специфичных сценариев задействованы решения «Яндекса», Google и «Центра речевых технологий». Знакомство россиян с китайскими партнерами произошло в декабре 2015 г. на международной выставке роботов Irex в Токио. В российской компании заверяют, что представители Keysi Microelectronics обратили внимание на экспонируемого промобота и отметили, что при высоких показателях в распознавании речи и лиц он является самым доступным по стоимости среди конкурентов. После этого перед «Промобот» встала непростая задача – адаптация робота под китайский рынок. Предстояло полностью переработать лингвистическую базу, поскольку в китайском языке, например, не ставятся пробелы между словами, как в русском или английском, не говоря уже об обилии диалектов и особенностей произношения. После двух недель совместных работ российских инженеров и специалистов Keysi Microelectronics робот заговорил на базовом китайском. В 2014 г. проект победил в проходившем под эгидой «Российской венчурной компании» (РВК) конкурсе-акселераторе технологических стартапов. В 2015 г. негосударственный Московский технологический институт (МТИ) инвестировал в проект 25 млн руб., получив взамен некоторое количество роботов и 30% компании при оценке ее полной стоимости в 85 млн руб. Южаков отдельно подчеркивает, что эта оценка была сделана еще до выхода ставшей успешной второй версии робота в феврале 2015 г. В 2015 г. на открытии технопарка «Физтехпарк» в подмосковном Долгопрудном консультант «Промобота» был представлен председателю Правительства Дмитрию Медведеву. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

IEEE 802.11ah: субгигагерцовая технология для дальней связи и интернета вещей (IoT) Кевин Чен (Kevin Qian), Мингьян Ванг (Mingyan Wang), Keysight Technologies, Inc.

В статье рассматривается стандарт IEEE 802.11ah для нелицензируемых субгигагерцовых диапазонов. К числу его преимуществ относятся малое энергопотребление и относительно большой радиус действия. Вниманию читателей предлагаются три сценария использования субгигагерцовой технологии.

ая ея

р та ба

Система сигнализации

Управление температурой

Беспроводные устройства Освещение

Комфорт

Интеллектуальные гаражные ворота

www.elcomdesign.ru

Точка доступа Wi-Fi

Внешнее освещение

Интеллектуальные окна и датчики движения

Станция зарядки электромобиля

Развлекательный центр

Сценарии применения

В общем с лу чае д ля с тандарта 802.11ah определено три сценария применения: сети датчиков, транспортные сети для датчиков и измерительных данных, а также расширение радиуса

стандарта 802.11ah, которые обеспечивают сверхмалое энергопотребление и многолетнюю работу от батарей для крупномасштабных сетей датчиков, оптимизированных на передачу коротких пакетов и долгое пребывание в спящем режиме.

–– Датчики 802.11ah обеспечивают встроенную поддержку IP. –– К одной точке доступа могут быть привязаны до 8191 устройства, кото-

н еч

26

действия Wi-Fi в соответствии с параметрами технологии 802.11ah. К основным преимуществам 802.11ah относятся большая зона покрытия, малое энергопотребление, встроенная поддержка IP и поддержка большого числа устройств.

–– Сеть 802.11ah позволяет расширить радиус действия с помощью обязательных режимов 1 и 2 МГц.

–– В н е с е н ы н е к о т о р ы е у л у ч ш е ния в физический и MAC-уровни

лн Со

Беспроводные технологии

Введение

Б е спр оводные лок а льные се ти (WLAN) стандарта IEEE 802.11 работают, в основном, в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Однако эти высокочастотные диапазоны не позволяют использовать стандарты 802.11n и 802.11ac для связи за пределами помещения. Рабочая группа IEEE 802.11 подготовила новый стандарт 802.11ah, который рассчитан на работу в нелицензируемых субгигагерцовых диапазонах. Это существенно расширяет радиус действия и позволяет использовать стандарт для широкомасштабных сетей датчиков с малым энергопотреблением, предназначенных для подключения миллиардов устройств интернета вещей (IoT) или межмашинных соединений (M2M). Стандарт 802.11ah, основанный на версии стандарта 802.11ac с пониженной тактовой частотой, вносит некоторые усовершенствования в физический уровень и уровень MAC. К ним относятся энергосбережение, поддержка большого числа станций, расширение зоны покрытия и мобильный прием. Утверждение стандарта запланировано на этот, 2016 год. Кроме того, Альянс Wi-Fi начал разработку программ сертификации на основе 802.11ah.

Бас

сей

Доступ без ключей

Интеллектуальные бытовые приборы

Рис. 1. Применение 802.11ah в среде умного дома

н

Разбрызгиватель

Первый сценарий применения: Магистральная сеть

Беспроводной дистанционный ввод/вывод *Агрегация множества точек ввода/вывода

Аналоговые/цифровые каналы ввода/вывода

Сеть беспроводных датчиков/исполнительных устройств

Второй сценарий применения:

Маршрутизатор 15.4g-11ah

Транспортная сеть

11ah АР Маршрутизатор 15.4g-11ah

* Малые скорости передачи: < 200 Кбит/с * Малое энергопотребление: работа от батареи до 5 лет

Рис. 2. Применение 802.11ah в качестве транспортной сети

Рис. 3. Распределение каналов 802.11ah в различных странах

ван диапазон 755–787 МГц шириной 32 МГц и с максимальной полосой 8 МГц. В Корее канал 802.11ah находится в диапазоне 917,5–923,5 МГц и имеет максимальную полосу 4 МГц. Япония выбрала 11 каналов по 1 МГц в диапазоне 916,5–927,5 МГц. Сингапур выделил два участка – 866–869 МГц и 920–925 МГц с суммарной полосой 8 МГц и максимальной полосой каждого участка 4 МГц.

Распределение каналов

На рисунке 3 показано распределение каналов для стандарта 802.11ah в различных странах. Как видно, многие страны уже выделили спектр для 802.11ah и определили максимальные полосы, которые поддерживаются для 802.11ah. Максимальная ширина канала зависит от действующих нормативов конкретной страны. США выделили диапазон 902–928 МГц с максимальной полосой 16 МГц, в Китае для стандарта 802.11ah зарезервиро-

Аналоговые/цифровые каналы ввода/вывода

11ah АР

Физический уровень

Стандарт IEEE 802.11ah основывается на физическом уровне IEEE 802.11ac с пониженной в 10 раз тактовой частотой. Стандарт 802.11ah определяет полосы 2; 4; 8 и 16 МГц. Кроме того, определяется канал шириной 1 МГц для дальнейшего расширения покрытия. Поддержка полос 1 и 2 МГц обязательна. Физический уровень можно разделить на две категории. Одна категория – режим передачи

в полосе большей или равной 2 МГц, а вторая категория – режим передачи в полосе 1 МГц. Первая категория эквива лентна с тандарт у 802.11ac, тактовая частота которого понижена в 10 раз. Поскольку в этом случае размер быстрого преобразования Фурье (БПФ) остается таким же, как в стандарте 802.11ac, разнесение поднесущих равно 31,25 кГц, что составляет одну десятую от разнесения поднесущих 312,25 кГц в стандарте 802.11ac. Длительность символа OFDM в стандарте 802.11ah в 10 раз больше длительности символа 802.11ac, а защитный интервал тоже в 10 раз больше и может принимать значения 4, 8 или 16 мкс, в результате чего стандарт 802.11ah может охватить зону покрытия до 1 км. Поскольку в режиме передачи с полосой 1 МГц используется такое же разнесение поднесущих 31,25 кГц, размер БПФ равен 32.

электронные компоненты №3 2016

Беспроводные технологии

рые образуют структуру с иерархическими идентификаторами. На рисунке 1 показана сеть датчиков в умном доме будущего. В этом сценарии точка доступа с технологией 802.11ah располагается вну три помещения. В доме устанавливается большое число таких устройств как датчики температуры, датчики освещения и интеллектуальные измерители для управления разными бытовыми приборами. Второй вариант применения – транспортные сети для датчиков и измерительных данных. Транспортные сети обеспечивают подк лючение датчиков к системам сбора информации. Стандарт IEEE 802.15.4g обеспечивает подключение к датчикам, а стандарт 802.11ah образует беспроводной транспортный канал для передачи данных, собранных датчиками, в центр обработки данных. На рисунке 2 показана беспроводная транспортная сеть, в которой точка доступа и шлюз стандарта 802.11ah собирают данные и передают их с датчиков в центр обработки данных [1]. Расширенный диапазон Wi-Fi можно использовать в жилых домах, студенческих городках, стадионах, торговых центрах и в других местах. Точка доступа 802.11ah обеспечивает более широк ую зону покрытия, чем с тарые технологии WLAN, работающие на частотах 2,4 и 5 ГГц, что позволяет дотянуться до гаражей, задних дворов и подвалов. Например, решение WLAN для студенческого городка использует трехдиапазонные точки доступа (2,4 ГГц/5 ГГц/900 МГц), что обеспечивает беспроводной доступ на всей территории городка. Офисы и аудитории покрываются стандартом 802.11ac, а наружные зоны – точками доступа стандарта 11ah, которые обеспечивают большую зону покрытия в пространстве между зданиями, стоянками и спортивными площадками. Это позволяет разгрузить сотовую связь за счет расширенной зоны покрытия 802.11ah. Точки доступа 802.11ah поддерживают более широкую зону покрытия и обслуживают большее число студентов.

27

Беспроводные технологии

28

Смысл использования канала шириной 1 МГц заключается в дальнейшем расширении радиуса передачи. Для его у в е личени я до б ав лена с хе м а модуляции и кодирования MCS 10. Эта схема эквивалентна MCS0 с половинной кодовой скоростью, но при этом она повторяется дважды, чтобы расширить радиус передачи. В стандарте 802.11ac определена фиксированная пилотная последовательность, но стандарт 802.11ah добавляет новую пилотную последовательность под названием «блуждающий пилот». Этот пилот лучше справляется с эффектом Доплера и в результате лучше поддерживает мобильный прием. В ре жиме передачи с тандарт 8 02 .11ah п од держ ив ае т н ор м а ль ный S1G с коротким или д линным кадром и режимами повторения S1G_ DUP_1 МГц и S1G_DUP_2 МГц. В режиме S1G_DUP_1 МГц S1G 1 МГц повторяется во всех занимаемых полосах, поэтому для полосы 4 МГц требуется повторение сигнала S1G 1 МГц во всех четырех каналах шириной 1 МГц. Кроме того, стандарт 802.11ah поддерживает многопользовательский MIMO, но поток MIMO ограничен до четырех. Опционально этот стандарт поддерживает формирование диаграммы направленности в соответствии со стандартом 802.11ac. См. детальное сравнение стандартов 802.11ac и 802.11ah в таблице 1. Проблемы измерений

Как видно из таблицы 1, стандарт 802.11ah охватывает широкий диапазон скоростей передачи данных, типов модуляции и многопотоковых конфигураций, хотя большая часть сценариев применения рассчитана на один канал и малые скорости передачи. Кроме того, стандарту 802.11ah необязательно присущи проблемы измерения более высоких порядков модуляции, более высоких порядков MIMO ( до 4×4), формирования диаграммы направленности и многопользовательского MIMO. Для приложений, использующих сложные схемы модуляции, требуется контрольно-измерительное оборудование с соответствующими характеристиками. Например, если важна точность модуляции, то для измерения модуляции 256QAM необходимо тестирование передатчика с достаточно малым значением EVM. Очень важную роль играет в этом случае знание ограничивающих характеристик контрольно-измерительного оборудования, включая такие факторы как фазовый шум. Кроме того, д ля выполнения ВЧ-тестов стандарта 802.11ah измерительный прибор должен поддерживать

www.elcomdesign.ru

Таблица 1. Сравнение физического уровня стандартов 802.11ah и 802.11ac Параметр

802,11ac

Ширина канала, МГц

802,11ah

20/40/80/160

1/2/4/8/16

Размер БПФ

64/128/256/512

32/64/128/256/512

Поднесущие данных

52/108/234/468

24/52/108/234/468

4/6/8/16

2/4/6/8/16

Фиксированный

Фиксированный или блуждающий

312,5

31,25

Пилотные поднесущие Тип пилота Разнесение поднесущих, кГц Длительность символа OFDM, мкс Защитный интервал, мкс

4,0/3,6

40/36

0,4/0,8/1,6

4/8/16

Длительность преамбулы, мкс

16

320 (полоса 1 МГц)/160

BPSK/QPSK/16QAM/ 64QAM/256QAM

BPSK/QPSK/16QAM/64QAM/256QAM

Скорость кодирования

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

1/2 2 повтора, 1/2, 2/3, 3/4, 5/6

Схема модуляции и кодирования (MCS)

0-9

MCS0-9, 10

Режим VHT, режим дублирования не-HT

Нормальный режим S1G, режим дублирования 1 МГц, режим дублирования 2 МГц

Типы модуляции

Режим передачи Дублирование PPDU

Не-HT PPDU

S1G_DUP_1M, S1G_DUP_2M

MIMO

До 8

До 4

Несколько пользователей

До 4

До 4, только в S1G_LONG PPDU

Поддерживается

Поддерживается

Формирование диаграммы направленности

Таблица 2. Параметры приемников и передатчиков, которые следует тестировать в стандарте IEEE 802.11ah IEEE 802.11ah

Тест передатчика

IEEE 802.11ah

Тест приемника

24.3.17.1

Маска спектра

24.3.18.1

Минимальная входная чувствительность

24.3.17.2

Равномерность спектра

24.3.18.2

Подавление смежного канала

24.17.3.1

Утечка центральной частоты

24.3.18.3

Подавление несмежного канала

24.17.3.2

Разброс тактовой частоты символов

24.3.18.4

Максимальный входной уровень

24.3.17.4.3

Ошибка сигнального созвездия

24.3.18.5

Оценка состояния канала

24.3.17.4.4

Точность модуляции

24.3.18.6

RSSI

Рис. 4. Анализ модуляции для стандарта 802.11ah в полосе 1 МГц

Решения Keysight для WLAN (802.11a/b/g/j/p/n/ac и 802.11ah) Генератор сигналов Для тестирования приемников

Генератор сигналов серии X (MXG или EXG)

Анализатор сигналов Для тестирования передатчиков

Анализатор сигналов серии X

+ +

ПО Signal Studio N7617B WLAN

Измерительное приложение N9077A и W9077A WLAN

Одноприборный тестер Для производственного тестирования передатчиков/ E6640 EXM приемников без (без подачи сигнала) подачи сигнала

Для тестов MIMO и формирования диаграммы направленности

PXI VSA/VSG (M9381A/M9391A)

+ +

Измерительное приложение V9077A WLAN

Измерительное приложение M9077A WLAN

Рис. 5. Решения компании Keysight для стандарта 802.11ah

Один из способов решения этих метрологических проблем заключается в использовании ПО Signal Studio компании Keysight, которое поддерживает стандарт 802.11ah и упрощает создание сигналов для 802.11ah. ПО Signal Studio позволяет быстро изменять параметры сигнала в пределах, установленных стандартом. Кроме того, имеются готовые наборы параметров для специальных определенных в стандарте тестов, что дополнительно экономит время. Что же касается анализа, то измерительное приложение Keysight N9077A серии X поддерживает тестирование передатчиков 802.11ah и полностью отв ечае т т р е б ов ани я м с т ан д арт а (см. рис. 4).

Компания Keysight предлагает широкий выбор приборов, включая источники сигналов, анализаторы сигналов и одноприборные тестеры, которые помогут в исследованиях, проектировании, проверке и изготовлении устройств стандарта 802.11ah на протяжении всего жизненного цикла изделия (см. рис. 5). Литература 1. IEEE 802.11ah/D3.0. Часть 11. Специфи­ кации уровня управления доступом к среде (MAC) и физического уровня (PHY) беспровод­ ных сетей, поправка 6: работа в субгигагер­ цовом нелицензируемом диапазоне.

2. Р. В ег т. В оз мо ж н ы е ко мп р о мис­ сы для сценариев применения 802.11ah.

I E E E 8 02 .11–11/ 0 4 57r 0 . М а р т . 2 011 г . https://mentor.ieee.org.

электронные компоненты №3 2016

Беспроводные технологии

генерацию и анализ значительно более узкополосных сигналов, а также отвечать требованиям стандарта к узким полосам. Параметры, которые следует тестировать в приемниках и передатчиках, определены в черновом варианте стандарта 802.11ah (см. табл. 2). Эти параметры аналогичны параметрам других стандартов за исключением того, что они масштабированы вниз в соответствии с полосой и длите льнос тью пакетов. Например, в ходе тестирования минимального входного уровня приемника необ ходимо измерять уровень на 10 дБ ниже, поскольк у по сравнению со с тандартом 802.11ac требуетс я в 10 раз меньшая полоса.

29

Сравнительный анализ шкафов сухого хранения Людмила Чуйкова, инженер-технолог I-й категории, ООО «Совтест АТЕ», lchuikova@sovtest.ru

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

В статье описываются основные требования международных стандартов к хранению материалов и компонентов, чувствительных к влаге. Кроме того, проводится сравнительный анализ шкафов сухого хранения производства «Совтест АТЕ» (Россия) и его аналога Catec Dry 870EC (Китай).

30

Правильно подобранные условия хранения материалов и чувствительных к влаге компонентов помогут избежать многих технологических дефектов, возникающих в процессе монтажа изделий радиоэлектронной аппаратуры. Технологи, работающие с электронными изделиями, знают, что влажность – один из наиболее опасных воздействующих климатических факторов. Нарушение условий хранения компонентов и материалов для производства изделий электроники – основная причина выпуска дефектной продукции и, как следствие, увеличения издержек в производстве. Влажность вызывает механические повреждения радиоэлектронных изделий, например, коррозию внутренних слоев печатных плат, разбрызгивание припоя, нарушение паяемости, тепловой распад материалов, появление микротрещин в корпусе интегральных микросхем (ИМС), эффект попкорна и т. д. (см. рис. 1). Каким образом предотвратить появление дефектов?

Уже на протяжении нескольких лет Компания «Совтест АТЕ» производит и поставляет автоматизированные системы сухого хранения Sovtest Dry Box (SDB), которые являются превосходной защитой от воздействия климатических факторов внешней среды. Внутренняя среда систем сухого хранения Sovtest Dry Box обеспечивает отсутствие влаги при хранении электронных комплектующих, печатных плат, интегральных схем, полупроводников, что отвечает основным требованиям российских и международных промышленных стандартов,

Таблица. Уровни чувствительности электронных компонентов к влажности Уровень

Срок хранения после вскрытия упаковки при условиях ≤30°С/60%Rh

1

не ограничено при ≤30°С/85%Rh

2

365 дней

2а

28 дней

3

7 дней

4

3 дня

5

2 дня

5а

1 день

6

После вскрытия необходимо произвести пайку в течение указанного на упаковке времени

которые регламентируют общие технические условия хранения и эксплуатации изделий электроники. Например, согласно международному стандарту IPC/JEDEC J‑STD‑020D, все электронные компоненты в негерметичных корпусах подразделяются по степени чувствительности на восемь уровней (см. табл.). Каждый уровень соответствует виду производства, т. е. условиям хранения, времени термообработки. Большинство ИС и компонентов поверхностного монтажа должны быть использованы в течение 24 ч после их извлечения из герметичной упаковки. Вне герметичной упаковки корпуса поглощают влагу из окружающей среды, что приводит к появлению упомянутых технологических дефектов. Зачас т ую в процессе производства используются не все компоненты из упаковки, а ее повторная герметизация просто невозможна. Согласно стандарту IPC/JEDEC J‑STD‑020D, если между распаковкой и пайкой не выдержано стандартное время 24 ч (а для некоторых компонентов это время составляет

и четыре часа), необходимо скорректировать время термообработки (пайки). Если оно выходит за пределы стандартного, то свойства компонентов следует подвергнуть процессу восстановления. Влагочувствительные компоненты помещаются в тумбу (см. рис. 2) или шкаф (см. рис. 3) сухого хранения SDB с заранее установленной средой. Влажность варьируется в диапазоне 1–50% в зависимости от технических условий хранения компонентов и материалов. Дополнительно при заниженном значении к лиматических фак торов внешней среды в помещении и требованиях технологического процесса пайки в шкафах сухого хранения SDB можно установить опции поддержания температуры до 40°С (см. рис. 4) и подачи азота (см. рис. 5), что обеспечит более комфортные условия хранения влагочувствительных изделий вне зависимости от температуры окружающей среды и снизит риск окисления изделий электроники. Технические преимущества систем сухого хранения серии Sovtest Dry Box:

Рис. 1. Cлева направо: нарушение паяемости, коррозия внутренних слоев ПП, разбрызгивание припоя, эффект попкорна, микротрещина корпуса ИМС

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. Опция поддержания температуры

Рис. 5. Опция автоматической подачи азота

Рис. 2. Тумба сухого хранения SDB 210 ESD

Рис. 6. Текущее значение заданной влажности

Конструкция изделий

Оба образца выполнены в соответствии с требованиями, предъявляемыми к промышленному оборудованию. Однако, несмотря на то, что внешний

31

РЕКЛАМА

-- обеспечение влажности в заданном диапазоне (см. рис. 6); -- доступ к требуемым элементам в течение короткого времени; -- под держание низкого уровня влажности при 25 ±5°C; -- способность быстро восстанавливать внутренний уровень влажности после открывания/закрывания двери; -- поддержание внутреннего уровня влажности не более 10% относительной влажности для хранения неупакованных во влагонепроницаемый пакет компонентов поверхностного монтажа; -- х р а н е н и е н е у п а к о в а н н ы х во влагонепроницаемый пакет компонентов поверхнос тного монтажа согласно требованию по длительности атмосферной экспозиции (см. табл. 7–1 в IPC/JEDEC J -STD‑033 С); -- поддержание внутреннего уровня влажности не более 5% относительной влажности для хранения неупакованных во влагонепроницаемый пакет компонентов поверхностного монтажа;

восходной альтернативой зарубежным аналогам и превосходят их по качеству и надежности. Немаловажным является и то, что шкафы сухого хранения SDB производства российской компании «Совтест АТЕ» относятся к категории оборудования импортозамещения. С целью повышения удовлетворенности и лояльности клиентов специалисты «Совтест АТЕ» провели сравнительный анализ шкафов сухого хранения серии Sovtest Dry Box (образец № 1) и аналога производства Юго-Восточной Азии Catec Dry 870EC (образец № 2). Результаты исследования подтвердили высокую конкурентоспособность шкафов серии SDB по ряду параметров, в т. ч. в отношении качественных и технических характеристик. Исследования, проведенные по специально разработанной методике, предусматривали сравнение ряда основных функциональных особенностей и рабочих параметров образцов. Условия проведения испытаний: 25°C, Rh 60%.

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

Рис. 3. Шкаф сухого хранения SDB 1560F ESD

-- поддержание внутреннего уровня влажности не более 5% относительной влажности для неограниченного срока хранения упакованных во влагонепроницаемый пакет компонентов поверхностного монтажа; -- обеспечение дополнительного цик ла хранения компонентов с требуемыми режимами влажности и подержанием температуры до 40°C; -- проведение атмосферной экспозиции для компонентов различных классов чувствительности к влаге и воздействию окружающей среды; -- проведение с ушки смонтиро в анны х и не с м он т ир ов анны х изделий поверхностного монтажа при температ уре 40°C и 5% относительной влажности (см. табл. 4–1 в справочных условиях IPC/JEDEC J -STD‑033 С); -- обеспечение дополнительного цик ла хранения компонентов с требуемыми режимами влажности в среде азота. Компания «Совтест АТЕ» имеет многолетний опыт разработки, производства и продаж автоматических систем контроля влажности. Они являются пре-

электронные компоненты №3 2016

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

Рис. 7. Размещение осушителей в образце №2

Рис. 8. Размещение осушителей в образце №1

Рис. 9. График изменения уровня влажности в образце №1 после поочередного открытия дверей в разных комбинациях

вид и дизайн изделий идентичны (сварной стальной каркас), лакокрасочное покрытие у образца № 2 нанесено неравномерно. Отличаются также материалы, которые использовались в изготовлении внутренних узлов. Осушители образца № 1 – цельнометаллические; корпуса осушителей образца № 2 выполнены из пластмассы, что снижает срок службы и надежность изделия в ходе его эксплуатации. По сравнению с системой контроля влажности серии Sovtest Dry Box, образец № 2 имеет малоинформативную двухцветную панель индикации. Кроме того, у него отсутствуют звуковой сигнализатор открытия дверей шкафа и световой сигнализатор режима работы шкафа. О бр азец № 1 о снащен эргоно ­ мическими ручками-замками, предусмотрена возможность установки опорных ножек совместно или вместо колес. Функциональные характеристики систем

32 Рис. 10. Образец №1, заданное значение Rh 0%; измеренные значения: Rh (мин.) 0,75%, Rh (макс.) 1,48%

Рис. 11. Образец №2, заданное значение Rh 1%; измеренные значения: Rh (мин.) 3,6%, Rh (макс.) 10,27%

www.elcomdesign.ru

Полезный объем образца № 1 составляет 989 л, тогда как для образца № 2 этот показатель равен 870 л. Кроме того, поскольку в образце № 2 осушители установлены внутри шкафа (см. рис. 7), полезный объем азиатского аналога значительно ниже, чем у шкафов сухого хранения компании «Совтест АТЕ» (см. рис. 8). Примечательно, что в технических параметрах этот факт не указан. Согласно официальным техническим характеристикам, рабочие значения относительной влажности внутри рабочего объема системы № 1 и системы № 2 поддерживаются в диапазонах 0–100% с точностью поддержания заданного значения [(0…100) + 2]% и 0–10% с точностью поддержания заданного значения [(0…10) + 2]%, соответственно. Во время испытаний представленные образцы находились в равных условиях. Влажность внутри шкафов была доведена до состояния окружающей

отклонения значений влажности, превышающие заданную величину в несколько раз (см. рис. 11). Подобное явление было вызвано неуправляемым алгоритмом управления осушением среды шкафа. В образце № 1 реализован интеллектуальный алгоритм управления осушением с обратной связью, что обеспечивает высокостабильную работу оборудования в заданных режимах. В ходе исследований на ESD-защиту оба образца показали полное соответствие требованиям международных стандартов IEC (EN) 6340–5-1/2 по защите от электростатического разряда. Эксплуатация систем

Проанализировав эксплуатационную документацию образцов №№ 1 и 2, поставляемую вместе с оборудованием заказчику, был сделан вывод о том, что документация на шкаф сухого хранения компании «Совтест АТЕ» превосходит по информативности документацию аналога. Она включает в себя руко­водство по эксплуатации оборудования, паспорт, а также инструкцию по проверке технических характеристик оборудования. На сегодняшний день на мировом рынке технологического оборудования представлен широкий спектр шкафов сухого хранения. Однако стоит заметить, что компания «Совтест АТЕ» – единственный российский производитель, поставляющий это оборудование более шести лет на предприятия России, в страны таможенного содружества и Балтии. Высокое качество систем сухого хранения производства «Совтест АТЕ» подтверждено следующим рядом документов: –– Декларация соответствия Таможенного Союза (см. рис. 12); –– Декларация качества (см. рис. 13);

–– Протокол проверки оборудования на соответствие требованиям международного стандарта IEC (EN) 6340–5-1/2 по защите от электростатического разряда; –– Сертификат соответствия, выданный независимой лаборатор и е й п о р е з у л ьт а т а м у с п е ш н о пройденных испытаний, которые подтверждают стабильность технологического процесса на производстве и гарантируют высокое качество выпускаемой продукции на основании действующей конс трук торской, технологической и нормативной документации. Системы су хого хранения серии SDB полностью соответствуют требованиям экологичности, безопасности и энергоэффективности. Кроме того, шкафы серии Sovtest Dry Box входят в число «100 лучших товаров России» (см. рис. 14). Все это еще раз подтверждает высокое качество оборудования «Совтест АТЕ» и гарантирует правильную организацию хранения изделий электроники, чувствительных к влаге. Литература 1. IPC/JEDEC J‑STD‑020D. Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices («Обращение, упаковка, транспортировка и использо­ вание компонентов поверхностного мон­ тажа, чувствительных к влаге и пайка методом оплавления»).

2. IPC/JEDEC J -STD‑033 С. Handling, Packing, Shipping and Use of Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices. («Установка, упаковка, транспортирование и применение чувстви­ тельных к влажности и оплавлению SMDкомпонентов»).

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

среды (25 °C, Rh 60%), после чего дверцы в шкафах были закрыты, шкаф включен, и задан порог влажности Rh 0%. Проверка показала, что образец № 1 полностью соответствует заявленным характеристикам (Rh 0% ± Rh 2%), чего нельзя сказать об образце № 2. Фактическая влажность в шкафу производства «Совтест АТЕ», согласно показаниям внешнего поверенного устройства, достигла Rh 0,75%, тогда как уровень влажности внутри аналога достиг отметки 3,6% при заявленном значении Rh 0% ± Rh 2%. Дальнейшие исследования проводились с целью оценки динамических характеристик по определению времени выхода оборудования в рабочее состояние и по оценке точности поддержания заданных режимов. Определение времени восстановления заданного порога влажности осуществлялось при разных комбинациях открытия дверей шкафа. Динамические характеристики для обоих образцов имеют сходные показатели. На рисунке 9 приведен график изменения уровня влажности в образце № 1 после поочередного открытия дверей в разных комбинациях. Оценка точности поддержания заданных параметров в течение длительного времени проводилась по результатам наблюдения обоих образцов в течение пяти рабочих дней. Образец № 1 показал большую стабильность в поддержании заданных значений. В течение всего времени наблюдения после выхода в рабочее состояние влажность внутри шкафа поддерживалась с абсолютной погрешностью 1,48% (см. рис. 10). Что касается работы образца № 2, то в этом случае специалисты зафиксировали

33

Рис. 12. Декларация соответствия Таможенного Союза

Рис. 13. Декларация качества

Рис. 14. Сертификат соответствия

электронные компоненты №3 2016

Стандарты на изоляторы и их сертификация Андрей Кожевников, инженер-разработчик

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

Для защиты пользователей от опасных напряжений и уменьшения влияния электромагнитных помех используются изоляторы, которые обеспечивают гальваническое разделение цепей. На практике выбор изолятора может оказаться непростой задачей. На какие характеристики следует обратить внимание – электрическую прочность изоляции или рабочее напряжение? На соответствие изделия стандарту или его сертификат? Что важнее? В статье рассматриваются вопросы, касающиеся выбора изоляторов.

34

Не опасны м и счи т аютс я напр я жения величиной ±3,3; 5 и 12 В DC. Схемы под напряжением >30 ВСКЗ/42,2 Впик /60 В DC должны быть изолированы, чтобы обеспечить защиту пользователя от воздействия опасного напряжения. Необходимо разделить цепи с опасным напряжением с указанными значениями от цепей, с которыми пользователи контак тируют (≤30 ВСКЗ/42,2 Впик /60 В DC). Существует несколько уровней безопасной изоляции: базовая, двойная и усиленная. Усиленная изоляция применяется для разделения цепей под опасным напряжением и цепей, с которыми контактируют пользователи. Мы рассмотрим стандарты, вопросы обеспечения изоляции, проведения испытаний и номинальные параметры изоляторов, используемых в приложениях с опасными уровнями напряжения. Мы также обсудим следующие важные аспекты и параметры при выборе изоляторов: -- стандарты на используемые компоненты (IEC 60747–5-5, VDE 0884–101, UL 1577); -- усиленную изоляцию (испытания, безопасные воздушные зазоры и пути токов утечки); -- рабочее напряжение VIORM (напряжение питания); например, 150– 600 В AC (210–840 Впик); -- напряжение изоляции VIOTM (тестовое напряжение); например, 2500– 5000 В AC; -- сертификаты VDE и UL. Технологии изоляции

В настоящее время применяются три технологии изоляции. Оптическая. Свет (от светодиода) передается по прозрачному непрово1

дящему изоляционному барьеру. Преимущество – отличная гальваническая развязка. Используется силиконовая изоляция. Магнитная. Индук тивная связь с использованием трансформатора обеспечивает отличную гальваническую развязку на высоких частотах. Для изоляции применяется полиимид или двуокись кремния. Емкостная. Для передачи энергии с помощью конденсатора используется меняющееся электрическое поле. При этом обеспечиваются высокие скорости и относительно небольшой корпус. Для изоляции применяется двуокись кремния. В оптических изоляторах, или оптронах, в качестве изолятора применяется светонепроницаемый силикон. У оптронов сравнительно большие корпуса. Эти устройства обеспечивают высокие уровни изоляции при использовании пленочного барьера. У цифровых, магнитных и емкостных изоляторов более нового поколения – лучше рабочие характеристики, выше КПД и меньше размеры. В цифровых изоляторах

применяются полиимид или двуокись кремния. Степень изоляции оптических устройств зависит от толщины внутреннего зазора, а у цифровых изоляторов толщина изоляции не превышает одной тысячной дюйма и определяется соответствующими испытаниями (см. табл. 1). Разница между стандартами на компоненты и изделия

Необходимо понимать разницу между стандартами для компонентов и оборудования. У стандартов по безопасной эксплуатации оборудования и компонентов – разные области определения, испытания и требования. В качестве примеров стандартов безопасности для продукции (оборудования) можно привести IEC 60950–1 для оборудования информационных технологий, IEC 61010–1 для измерительного оборудования и IEC 60601–1 для медицинских изделий. В процессе испытания оборудование подвергается воздействию напряжения изоляции, или испытанию диэлектрика на электрическую прочность, а также воздействию высокого потенциала, или высокого

Таблица 1. Сравнение оптических и цифровых изоляторов Оптические изоляторы

Цифровые изоляторы

Диэлектрик или силикон

Полиимид

Двуокись кремния

Толщина (тип.): 100–400 мкм

Толщина (тип.): 20–32 мкм

Толщина (тип.): 7–15 мкм

Оптическая связь

Магнитная связь

Емкостная связь

Стандарты: IEC 60747-5-5 и UL 1577

Стандарты: VDE 0884-10 и UL 1577

В дальнейшем вместо стандарта цифровой изоляции VDE 0884–10 станет применяться стандарт IEC 60747–17 (VDE 0884–11).

www.elcomdesign.ru

Таблица 2. Области стандартов для компонентов и оборудования

1

Стандарты на использование оптических и цифровых изоляторов

Стандарты на оборудование

IEC 60747-5-5: оптоизоляторы Этот стандарт определяет терминологию, необходимые номиналы, характеристики, испытания на безопасное применение, а также методы измерения оптопар – оптоэлектронных устройств для передачи электрических сигналов путем оптического излучения. Связь осуществляется с использованием электрической изоляции между входом и выходом. Категория: усиленная изоляция1.

IEC 60950-1: оборудование информационных технологий Этот стандарт действует в отношении ИТ-оборудования с питанием от бытовых электросетей или батарей. Его действие распространяется также на производственное и вспомогательное оборудование с номинальным напряжением не выше 600 В.

VDE 0884-10: неоптические (цифровые) изоляторы Этот стандарт определяет терминологию, необходимые номиналы, характеристики, испытание на безопасное применение, а также метод измерения магнитных и емкостных устройств связи, которые состоят из передающего и приемного каскадов на каждой из сторон барьера с гальванической развязкой. Устройство передает сигнал через изолирующую границу, где его обнаруживает приемник, который использует полученную информацию для генерации выходного электрического сигнала. Стандарт определяет магнитный и емкостной механизмы работы барьера, а также изолирующие функции для категории базовой и усиленной изоляции1.

IEC 61010-1: контрольно-измерительное и лабораторное оборудование Этот стандарт определяет основные требования к безопасной эксплуатации электрооборудования следующих типов и вспомогательных средств, где бы они ни использовались: а) оборудование для электрических испытаний и измерения; б) электрическое промышленное оборудование для технологического контроля; в) электрическое лабораторное оборудование.

UL 1577: оптопары и цифровые изоляторы Стандарт описывает оптические изоляторы (оптроны), которые: а) обеспечивают однонаправленную передачу сигнала между диэлектрически изолированными цепями; б) предназначены для использования в оборудовании с напряжением питания не выше 600 В AC (СКЗ или DC). Эти требования определяют параметры гальванической развязки в случае одинарной и двойной (усиленной)1 защиты между изолированными

IEC 60601-1: изделия медицинские электрические Этот стандарт определяет общие требования безопасности с учетом основных функциональных характеристик изделий медицинских электрических и систем медицинских электрических.

Усиленная защитная изоляция

компонентов. В результате этих испытаний выявляются небольшие дефекты, которые со временем могут усугубиться. Испытание частичным разрядом в лучшей мере позволяет установить внутреннюю изоляцию, чем испытание напряжением изоляции. Рабочее напряжение VIORM определяется стандартами IEC 60747–5-5 (для оптопар) и VDE 0884–10 (для цифровых изоляторов). Под этим параметром подразумевается напряжение, которое в непрерывном режиме прик ладывается к функционирующему изолятору. Номинальные значения рабочего напряжения находятся в диапазоне 150–600 В AC. Рабочее напряжение изолятора может достигать напряжения питания оборудования. Как видно из таблицы 2, изоляторы являются компонентами, которые

не относятся к области определения стандартов на оборудование. Еще одной проблемой использования стандартов на компоненты является их неэквивалентность. Это значит, что изоляторы должны отвечать и требованиям стандартов IEC/VDE, и UL. Безопасные воздушные зазоры и пути утечки тока

Помимо испытаний, стандарты безопасности регламентируют разделение цепей для защиты пользователей. Между цепями с опасным и безопасным напряжениями должны быть зазоры определенных размеров. Безопасная изоляция имеет базовый, двойной и усиленный уровни. На базовом уровне используется одинарный защитный слой, на двойном – два слоя. Усиленная изоляция обеспечивает одинарную систему защиты, эквивалентную использованию двойного уровня. Изделия и компоненты должны обеспечивать безопасную эксплуатацию даже в случае единичного отказа изоляции. Допускается единичный отказ при одноуровневой изоляции. Усиленный уровень обеспечивает защиту пользователей в случае единичного отказа первого (базового) уровня. Другими словами, если при базовой системе изоляции случается отказ, безопасность эксплуатации обеспечивает второй уровень защиты. Стандарты безопасности регламенти-

Таблица 3. Значения воздушного зазора, пути тока утечки и испытательного напряжения при использовании стандарта IEC 60950-1 Напряжение питания, ВСКЗ AC

Напряжение питания, Впик или DC

Перенапряжение Категория II/Впик

Воздушный зазор при усиленной изоляции, мм

Путь тока утечки при усиленной изоляции, мм

Испытательное напряжение, Впик или DC

≤ 150

≤ 210

1500

2,0 (1,0)

3,0

2500

> 150 ≤ 300

> 210 ≤ 420

2500

4,0 (3,0)

6,0

4000

> 300 ≤ 600

> 150 ≤ 300

4000

6,4 (6,0)

12,0

6000

Значения приведены на основе стандарта безопасной эксплуатации оборудования IEC 60950-1. Значения в скобках действуют только в тех случаях, если производство участвует в программе контроля качества, которая предоставляет, по крайней мере, тот же уровень гарантий, что указан в приложении R.2 стандарта IEC 60950-1. Усиленная изоляция. Степень загрязнения 2. Категория перенапряжения II. Группа материалов IIIa, IIIb.

электронные компоненты №3 2016

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

напряжения. Изоляторы не могут непрерывно функционировать под (тестовым) напряжением изоляции. Стандарты на продукцию также допускают частичные разряды, которые могут повредить изоляционный барьер – в нем появляются пузырьки или примеси. Стандарты на оборудование не предусматривают испытаний, которые в полной мере воздействуют на изоляцию компонентов изолятора. Стандарты для оборудования основное внимание уделяют испытаниям диэлектриков на электрическую прочность. Этот тест выполняется в течение 1 мин в динамическом режиме при напряжении 2500–5000 В AC. Не следует рассчитываться на то, что изолятор с номинальным напряжением 2500 В AC станет непрерывно функционировать при этом напряжении. Компоненты представляют собой электротехнические или электронные элементы, которые используются в составе оборудования. К числу стандартов, регламентирующих безопасную эксплуатацию компонентов для изоляции, относятся IEC 60747–5-5 (для оптических изоляторов), VDE 0884–10 (для цифровых изоляторов) и UL 1577 (для оптических/цифровых изоляторов). Требования этих стандартов к безопасности и испытаниям часто отличаются и жестче требований стандартов на оборудование. Стандарты IEC/VDE, действующие в отношении изоляторов, регламентируют испытания с частичным разрядом, которые устанавливают прочность внутренней изоляции этих

Рис. 1. Иллюстрация понятий «воздушный зазор» и «путь тока утечки»

35

Кроме того, эти параметры можно легко измерить на образце проверяемого устройства. Более подробные данные см. в стандартах безопасности на оборудование.

Online Certifications Directory. Если же эта информация отсутствует, следует обратиться к производителю изоляторов за копиями сертификатов VDE и UL. Выводы

Спецификации и сертификаты

Необходимо знать критерии выбора изоляторов при проектировании изделия. Спецификации на изоляторы не всегда ясно составлены и не во всех случаях предоставляют исчерпывающие сведения. Например, в спецификациях нередко указывается только тестовое напряжение изоляции 2500–5000 В АС и со о т в е тс т ву ю щ и й с т ан д ар т I EC 60950–1, тогда как в первую очередь необходимо указать рабочее напряжение изолятора (150–600 В АС) и стандарты на используемые компоненты (IEC 60747–5-5 и т. д.). В других случаях в спецификации ошибочно заявляются параметры для усиленной защиты согласно стандарту на оборудование, хотя изолятор, на самом деле, имеет только базовый уровень защиты в соответствии со стандартом на компоненты. Следует помнить, что стандарты на оборудование и базовый уровень изоляции не обеспечивают безопасную защиту. Наличие необходимых сертификатов VDE и UL для конкретных изоляторов проверяется по базам данных VDE и UL

Необходимо проверять наличие соответствующих стандартов, методов испытаний и номинальные величины, используемые для оценки и сертификации изоляторов при их выборе для проекта. Соблюдение всех требований, предъявляемых к безопасности изоляторов, обеспечивает соответствие конечной продукции стандартам IEC, VDE, UL, CE и т. д. Стандарт IEC 60950–1 и ему подобные не обеспечивают безопасной эксплуатации изоляторов. Необходимо удостовериться, что для защиты конечных пользователей применяются такие стандарты как IEC 60747–5-5, VDE 0884– 10 и UL 1577. Литература 1. David Lohbeck. Understanding isolator standards and certification to meet safety requirements//www.edn.com.

2. David Lohbeck. Product safety testing limits risk of shock, fire, and injury. Part 1.

EDN. March 1. 2013.

3. David Lohbeck. Product safety testing limits risk of shock, fire, and injury. Part 2.

EDN. March 15. 2013.

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

руют использование усиленной защиты пользователей от опасных напряжений (>30 ВСКЗ/42,2 Впик/60 В DC). Безопасные воздушные зазоры и пути утечки тока между входами и выходами изолятора определяются по схеме на рисунке 1. Воздушный зазор является кратчайшим расстоянием между двумя цепями по воздуху. Путь тока утечки – кратчайшее расстояние по поверхности. Зазоры между внешними входами (AC) и выходами (DC) регламентируются стандартами на изделия исходя из напряжения питания. IEC 60950–1 является основным стандартом, описывающим требования к указанным расстояниям. Например, при использовании изолятора в изделии с напряжением питания 250 В AC воздушный зазор составляет 4,0/3,0 мм, а путь тока утечки – 6,0 мм (см. табл. 3). Вну тренний зазор в оптическом изоляторе представляет собой то расстояние, которое свет проходит через изоляцию. Как правило, ее толщина составляет 100–400 мкм. Внутренний зазор цифрового изолятора определяется путем тестирования. Это не толщина изоляции, типовое значение которой находится в диапазоне 7–32 мкм. В сертификатах VDE/UL, или в спецификациях от производителя, указаны значения внешних зазоров изоляторов.

36

РЕКЛАМА

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

Следующее поколение цифровых устройств для управления питанием Том Спорер (Tom Spohrer), менеджер по маркетингу продукции, Microchip Technology

И с т о ч н и к и п и та н и я

Цифровое управление источниками питания продолжает совершенствоваться благодаря самым последним новшествам в аналоговой и цифровой областях. В статье рассматриваются возможности цифрового управления с помощью нового семейства контроллеров третьего поколения dsPIC33EP GS от компании Microchip.

Дальнейшее внедрение средств цифрового управления силовыми преобразователями и системами распределенного питания осуществляется благодаря высокой функциональной гибкости и эффективности. Однако появление этих средств происходит не по мановению волшебной палочки, а в результате использования сложных современных алгоритмов, работающих с высокой скоростью обработки данных, позволяя оптимизировать эффективность импульсных источников питания (ИИП). Оптимизация ИИП позволяет повысить эффективность конечной продукции. Вопрос, однако, заключается в том, чтобы эффективное функционирование приложений стало возможным в широком диапазоне режимов

нагрузки. С разработкой метода коррекции коэффициента мощности появились новые возможности увеличить эффек тивность изделий в соответствии с рыночным спросом и нормативными требованиями. Этим методом воспользовались производители полупроводников, непрерывно совершенствующие свою продукцию с помощью цифрового управления питанием. Программные алгоритмы обеспечивают универсальные и эффективные решения при использовании соответствующего оборудования. Цифровое управление

Силовое преобразование всегда начинается с источника переменного тока, который выпрямляется до постоянной величины, а затем понижает-

38

01Рис. 1. Структурная схема AC/DC импульсного источника питания

www.elcomdesign.ru

с я до нескольких промеж у точных значений, пока не поступит в нагрузку. Коэффициент мощности системы представляет собой отношение активной мощности к полной; чем ближе он к единице, тем эффективнее система. Коррекция коэффициента мощности (ККМ) – способ повысить этот коэффициент. С этой целью используются понижающие, повышающие или понижающе-повышающие преобразователи с цифровым управлением. Переход между аналоговой и цифровой частями системы, как правило, вносит дополнительную задержку; задержка в контуре управления состоит из времени, необходимого на преобразование и измерение результатов этого преобразования. В установившемся режиме задача преобразования решается относительно

просто, но при изменении нагрузки скорость, с которой работает контур управления, непосредственно влияет на ККМ и эффективность системы. Эта задача усложняется, если POLкаскаду (point of load – локализованный к нагрузке) требуется малое напряжение, но большие уровни тока, как в современных встраиваемых системах. Современные ПЛИС и ASIC непрерывно работают при малых напряжениях величиной 3,3 В и ниже, но требуют намного большего тока. Более того, их потребности находятся в большой зависимости от условий эксплуатации. Как видно из рисунка 1, цифровое управление применяется на протяжении всего силового преобразования, чтобы не только обеспечить более высокую эффективность, но и функциональную гибкость в широком диапазоне нагрузок. Такое управление стало возможным благодаря непрерывному совершенствованию современных алгоритмов, в т. ч. адаптивных, которые реагируют на изменения в уровне нагрузки, а также нелинейных и предикативных алгоритмов, улучшающих динамические характеристики при переходных процессах. По мере развития полупроводниковых технологий производители получают возможность использовать эти алгоритмы, расширяя возможности решений по цифровому управлению, повышая частоту коммутации и, следовательно, эффективность приложений и плотность энергии.

Появление цифрового управления в силовых преобразователях, электроприводах и схожих приложениях, где применяется адаптивное управление, привело к созданию цифровых сигнальных контроллеров (Digital Signal Controllers, DSCs). Эти устройства, объединяющие в себе преимущества цифровых сигнальных процессоров (DSP), широко использующихся для обработки звуковых и видеосигналов, а также микроконтроллеров, относятся к новому классу устройств, успешно реализующих алгоритмы управления, слишком сложные для традиционных МК, и оснащены периферией и интерфейсами, которые, как правило, отсутствуют у DSP. Число DSC-контроллеров на рынке увеличивается. Те из них, которые наилучшим образом соответствуют спросу, позволяют увеличить скорость и точность работы контуров управления в приложениях, а также извлечь все преимущества самых последних разработок в области управляющих алгоритмов. По сути, DSC-контроллеры представляют собой полное решение, в котором

цифровая обработка сигналов объединена с аналоговой периферией. Поскольку обе части этих устройств должны функционировать как единое целое, полностью интегрированные контроллеры обеспечивают в этом смысле наилучшую реализацию. Сочетание аналоговой и цифровой технологий в одном устройстве требует определенных компромиссов, но не за счет ухудшения характеристик обеих частей, от которых, в первую очередь, требуется слаженная работа для обеспечения лучших решений. Обязательными элементами DSC-контроллеров является ядро, на котором выполняются алгоритмы обработки сигналов, один или несколько АЦП для преобразования сигналов, блок ШИМ для управления силовыми ключами в понижающе-повышающих цепях преобразования. Комбинация этих элементов в одной архитектуре, которая поддерживает быстродействующие управляющие контуры, является ключевой для успешной работы DSCконтроллеров, обеспечивающих эффективное AC/DC- и DC/DC-преобразование. Аналого-цифровые решения

Семейс тво третьего поколения dsPIC33EP GS от компании Microchip (см. рис. 2) обладает более совершенными характеристиками по сравнению с семейством второго поколения. Так, например, производительность ядра новых контроллеров увеличилась на 20 MIPS, составив 70 MIPS. Кроме того, более высокую производительность в приложениях с цифровым управлением питанием обеспечивают наборы контекстно-зависимых рабочих регистров ядер новых контроллеров. Ядро с двумя добавленными наборами рабочих регистров позволяет почти мгновенно осуществить переключение контекста. Были усовершенствованы также аналоговые периферийные устройства. Например, контроллеры этого семейства оснащены пятью 12‑разрядными АЦП, у которых задержка на преобра-

зование уменьшилась с 600 до 300 нс по сравнению с АЦП контроллеров предыдущего поколения. С 2 до менее чем 1 мкс уменьшилась задержка при использовании контура управления с тремя полюсами и тремя нулями, что повысило устойчивость функционирования за счет меньшего фазового размытия. Более высокая скорость работы управляющих контуров позволяет повысить коммутационную частоту и улучшить харак теристик у переходного процесса. Благодаря лучшим характеристикам выросла плотность мощности – появилась возможность уменьшить размеры источников питания, использовать меньше дискретных пассивных компонентов малого размера. К р о м е т о г о, а рх и т е к т у р а к о н троллеров семейства GS стала более совершенной благодаря двойным сегментам флэш-памяти, позволяющим реализовать функцию автоматического обновления. В результате управляющие алгоритмы или любое другое программное обеспечение DSCконтроллеров получило возможность обновляться в полевых условиях. При этом у источников питания сохраняется полная работоспособность. Новое программное обеспечение загружается во второй нерабочий сегмент флэш-памяти. Пос ле его проверки ядро переключается в режим исполнения из второго сегмента памяти. Эта функция очень востребована приложениями с высокой степенью готовности, например источниками питания для серверов, где даже небольшое увеличение эффективности позволяет существенно сократить эксплуатационные расходы. В отсутствие данной функции для обновления программного обеспечения требуются запланированные или незапланированные перерывы в работе оборудования либо отказ от модификации кода, что ведет к потере потенциальной выгоды. Разумеется, оба этих варианта неприемлемы для серверного оборудования.

электронные компоненты №3 2016

И с т о ч н и к и п и та н и я

Цифровые сигнальные контроллеры

Рис. 2. Семейство третьего поколения dsPIC33EP GS от компании Microchip

39

Выводы

Цифровое управление силовыми преобразователями продолжает совершенствоваться, все больше заменяя системы аналогового управления благодаря таким преимуществам как функциональная гибкость и более высокая эффективность. Несмотря на сложность реализации цифрового управления, его преимущества выглядят очень убедительно. Цифровое управление питани-

ем отвечает не только более строгим нормативным требованиям, но обеспечивает реализацию более эффективных решений за счет функции автоматического обновления даже в системах с высокой степенью готовности.

DSC-контроллеры успешно применяются в приложениях с цифровым управлением и многих других системах, в которых для выполнения сложных алгоритмов требуется аналоговая пери-

ферия с высокими показателями работы. Решения с использованием смешанных сигналов позволяют совершенствовать характеристики приложений на каждом уровне. Современные полностью интегрированные и программируемые решения dsPIC33EP GS, в которых реализована передовая технология DSC, позволяют создавать источники питания с функциями управления следующего поколения.

События рынка

И с т о ч н и к и п и та н и я

| В «Сколково» подвели итоги конкурса проектов в области беспилотных транспортных средств и систем помощи водителю |

40

Платформа «Степень Свободы» для подводных роботов получила право на минигрант «Сколково» в размере 5 млн руб. Три победителя получили право на минигранты фонда «Сколково» в размере 1–5 млн руб. и поддержку в развитии и продвижении проектов. Заявки на конкурс принимались с 17 декабря до 31 января 2016 г. Как результат, из полусотни проектов было отобрано 10 полуфиналистов, которые представили свои проекты перед жюри, в которое вошли эксперты из Федерального агентства научных организаций (ФАНО) России, ФПИ, Phystech Ventures, рабочей группы AeroNet, а также ректор Сколтеха, академик Александр Кулешов. Первое место в конкурсе, дающее право претендовать на минигрант фонда «Сколково» в размере 5 млн руб., занял проект единой интегрированной платформы дистанционного видеомониторинга подводных объектов на базе технологии телеуправляемых роботов. В рамках проекта реализуется технология удаленного управления подводным робототехническим комплексом. С его помощью можно осуществлять алгоритмический мониторинг (по заданным координатам) объектов под водой, моментально получать данные мониторинга в любой точке мира и передавать уведомления пользователям. В настоящее время команда проекта разработала линейку компактных телеуправляемых подводных аппаратов ГНОМ, которые уже продаются как в России, так и за рубежом. Важность разработки обусловлена необходимостью регулярной инспекции состояния потенциально-опасных подводных объектов – затонувших судов, контейнеров с отходами и пр. Аварии на таких объектах могут привести к негативным последствиям как для окружающей среды, так и для компаний (многомиллионные штрафы, простои, компенсации). Ряд аварий можно предотвратить, а последствия нивелировать при грамотно организованном мониторинге. Текущими и потенциальными заказчиками телеуправляемых «подводных роботов» являются судостроительные и сервисные компании, владельцы портовой инфраструктуры, плавучих хранилищ, судовладельцы, аквафермы, спасательные службы и другие организации. Второе место в конкурсе (право на минигрант 3 млн руб.) досталось проекту Micro Underwater Robot. Команда проекта создала программируемый конструктор для создания автономных подводных роботов, аналогов которого в настоящее время нет на рынке. Конструктор, как и интегрированная среда разработки для обучения программированию даже неподготовленных школьников, уже созданы. В настоящее время команда работает над созданием методического пособия по конструированию и отработке алгоритмов навигации, технического зрения, регуляторов для подводного робота. По заявлению разработчиков, уже в этом году готовые наборы начнут распространяться среди команд кружков робототехники по предзаказу (уже набралось более 50 предзаказов). Следующим шагом станет выход на массовый рынок, в т. ч. зарубежный, а затем команда планирует заняться производством и продажей сопутствующих товаров: датчиков, видеокамер и т. д. Третье место (право на минигрант в размере 1 млн руб.) занял проект дистанционно пилотируемых мультикоптерных летательных аппаратов малого класса с большой продолжительностью полета. В рамках проекта создается мультикоптер с продолжительностью полета, которая в 4–8 раз превышает имеющиеся решения. Длительность достигается за счет использования водородо-воздушных топливных элементов. «Основной целью нашего конкурса является развитие проектов в области беспилотной техники, выявление перспективных команд и проектов. Призовых мест удостоились два участника «Сколково» и одна компания, которая находится в процессе получения статуса. Следует заметить, что проект, занявший первое место, недавно участвовал в других конкурсах «Сколково», в т. ч. «Добыча 2.0». Думаю, именно это и позволило команде грамотно подготовиться и выступить лучше всех, – заявил Алексей Гонноченко, проектный менеджер ИТ-кластера фонда «Сколково» в Робототехническом центре. – Робототехнический центр «Сколково» готов продолжить работу со всеми десятью финалистами конкурса – им может быть оказана поддержка в развитии, поиске финансирования и получения статуса резидента «Сколково» для дальнейшей реализации проектов». Организаторами конкурса беспилотников и систем помощи водителям, направленного на стимулирование научно-исследовательских проектов в этой области, выступили Фонд «Сколково» и ФАНО России при поддержке Phystech Ventures. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

Датчики качества окружающей среды

Освещение

Портативное медицинское оборудование

Измерение и контроль расхода энергии

Промышленное оборудование

Оборудование для аккумулирования

Преобразователи мощности

энергии

Электропривод

Инверторы солнечных панелей

Некоторые способы получения отрицательного напряжения Александр Рыжов, разработчик

Довольно часто разработчикам приходится решать задачу, связанную с получением отрицательного напряжения из положительного. Известно немало способов ее решения. В этой статье рассматриваются наиболее часто встречающиеся схемы.

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

Введение

42

В о м но ги х си с те м а х т р е буе тс я использовать двухполярное напряжение питания. Однако в системах распределенного питания, как правило, имеются шины напряжения только одной полярности – положительной. Если даже не используется распределенная система питания, а применяется однокаскадное AC/DC-преобразование, то получение двухполярного выходного напряжения не всегда удобно, т. к. стабилизация выходного напряж е н и я A C / D C- п р е о б р а з о в а т е л я ос уще с тв ляетс я только по одной обмотке. Бывает и так, что напряжение отрицательной полярности требуется лишь для небольшого узла, и тогда нет смысла «городить огород» с AC/DC-преобразованием. Другими словами, в ряде случаев гораздо проще получить отрицательное напряжение из стабилизированного положительного напряжения. Самый простой способ заключается в использовании операционного усилителя (ОУ), но его можно использовать далеко не всегда. Во‑первых, в этом случае для питания ОУ также требуется отрицательное напряжение, т. е. с его помощью можно получить лишь отрицательное напряжение другой величины, меньшей по абсолютному значению, чем напряжение питания ОУ. Во‑вторых, этот способ годится лишь в случае небольшой нагрузки, не превышающей нескольких миллиампер или десятков миллиампер; при большей нагрузке потери возрастут. По этим причинам мы не станем рассматривать такой вариант. К тому же, известно немало схем для его реализации. Получение отрицательного напряжения с помощью трансформаторов

Это самый очевидный способ. Его использование не представляет какихлибо труднос тей – в продук товых

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Формирование отрицательного напряжения с помощью понижающе-повышающей топологии

Рис. 2. Формирование отрицательного напряжения с помощью обратноходовой топологии

линейках многих компаний имеются DC/DC-контроллеры для разных топологий силового каскада, позволяющие реализовать этот способ. Эти контроллеры производят, например, компании Analog Devices, TI, Linear Technology и т. д. Кроме того, выпускаются готовые трансформаторы для таких схем. Например, эти изделия выпускают известные на нашем рынке компании Coilcraft и Sumida.

На рис унке 1 приведен пример схемы, формирующей выходное двухполярное напряжение из входного положительного напряжения с помощью понижающе-повышающей топологии. В этой схеме положительное напряжение VOP формируется с помощью вторичной обмотки трансформатора. Можно сконфигурировать схему таким образом, чтобы отрицательное напря-

Рис. 3. Формирование отрицательного напряжения с помощью топологии Fly-buck

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

жение VON формировалось с помощью вторичной обмотки. Следует заметить, что величина формируемого сигнала обратной связи должна быть положительной, т. е. в любом случае регулирование осуществляется по положительному выходному напряжению. Для описанной схемы можно использовать практически любой понижающий DC/DC-преобразователь. При наличии выбора следует предпочесть преобразователь с большим диапазоном входного напряжения. В этом случае решение применяется для нескольких стандартных шин. Выбранный в данном случае DC/DC-преобразователь TPS54060 от TI имеет диапазон входного напряжения 3,5–65 В, что позволяет использовать схему со стандартными шинами 12, 24 и 27 В. Удобен и широкий диапазон рабочих частот 100 кГц…2,5 МГц, т. к. в этом случае упрощается выбор готового трансформатора. Впрочем, в данном случае используется сдвоенный дроссель L0. Подобные дроссели также производятся многими производителями моточных компонентов. Следует сделать еще одну оговорку. Использование преобразователя вместо контроллера позволяет обойтись без внешнего силового ключа, но в этом случае возникают ограничения, накладываемые параметрами встроенного ключа и худшими тепловыми свойствами. Поскольку в данном случае в TPS54060 встроен только верхний ключ с довольно большим сопротивлением открытого канала 200 мОм, во избежание потерь на проводимость следует ограничить ток величиной 200– 300 мА. В рассмотренной выше схеме отриц ате льное выходно е напря жение гальванически связано с землей входного напряжения, что не всегда удобно, т. к. может усложнить схемотехнику системы. Проблему решает гальваническое разделение выходного напряжения от входного. И в этом случае задача решается с помощью серийно выпускаемых DC/DC-преобразователей и контроллеров. На рисунке 2 показ а н у п р о щ е н н ы й в а р и а н т т а ко г о решения с использованием обратноходовой топологии. Поскольку регулирование напряжения осуществляется по первичной обмотке, на вторичной стороне необходимо установить LDOрегуляторы. Возможно и использование топологии Fly-buck (не путать с обратноходовой топологией Fly-back!). В этом случае трансформатор подключается к схеме, как и в случае обратноходового преобразователя (Fly-back), а регулирование напряжения происходит, как в пони-

Рис. 4. Зарядовый насос

43

Рис. 5. Структурная схема безиндукторного преобразователя LTC3260

электронные компоненты №3 2016

жающем (buck) преобразователе [1]. Этот вариант подключения показан на рисунке 3. Регулирование вторичного напряжения также осуществляется по первичной обмотке.

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

Получение отрицательного напряжения без помощи трансформаторов

44

Простейшим способом инвертирования напряжения является зарядовый насос (см. рис. 4). Поочередно открывается пара ключей: в первую половину периода открываются ключи S1 и S3, через которые конденсатор C1 подключается к входному напряжению и заряжается. Во вторую половину периода открываются ключи S2 и S 4 , конденсатор C1 подключается к конденсатору C2 и заряжает его. Нагрузка также подключена к конденсатору C2. На принципе зарядного насоса построены безиндукторные DC/DC-преобразователи. Они во множестве выпускаются рядом производителей. Для примера рассмотрим преобразователь LTC3260 от Linear Technology. Его с т ру к т у р н а я с хе м а п о к а з а н а на рисунке 5. В состав преобразователя входят два LDO-регулятора для положительного и отрицательного выходного напряжений. Преобразователь работает с фиксированной частотой, которая задается внешним резистором. Разумеется, чем выше частота, тем меньше пульсация напряжения на выходе VOUT. Помимо режима работы с фиксированной час тотой предусмотрен гистерезисный режим, при этом внутренний генератор отключается. Он включается при малой нагрузке, когда напряжение на выходе VOUT достигнет значения –0,94V IN . При этом преобразователь переходит в спящий режим, и его ток потребления снижаетс я до 100 мкА. При уменьшении напряжения на выходе VOUT ниже заданного уровня вновь открываются встроенные ключи заряда и остаются открытыми до тех пор, пока напряжение на выходе VOUT не достигнет значения примерно около –0,94V IN . Далее цикл повторяется. При увеличении нагрузки частота переключения начинает возрастать, и преобразователь вновь переходит в режим работы с фиксированной частотой. Подобные преобразователи просты в использовании, экономичны и генерируют гораздо меньше электромагнитных помех, чем преобразователи с индуктором. Однако их существенным недостатком является низкий КПД, в большой мере зависящий от нагрузки (см. рис. 6), и малые выходные токи. Как правило, максимальные выходные токи не превышают 100–200 мА.

www.elcomdesign.ru

Рис. 6. Зависимость КПД безиндукторного преобразователя LTC3260 от нагрузки

Рис. 7. Формирование отрицательного напряжения с помощью топологию силового каскада, предложенной Слободаном Цюком

Рис. 8. Формирование отрицательного напряжения с помощью повышающе-понижающей топологии и LDO-регулятора

Рис. 9. Формирование отрицательного напряжения с помощью преобразователя ADP5073

Д ля получения отрицательного напряжения можно использовать топологию силового каскада, предложенную Слободаном Цюком (см. рис. 7). Она довольно хорошо известна, но для ее

использования необходим контроллер, на который подается отрицательный сигнал обратной связи, а таких микросхем крайне мало. Можно с помощью операционного усилителя инверти-

ровать сигнал в цепи обратной связи, но возникают вопросы с точностью; к тому же, для питания усилителя понадобится двухполярное напряжение. Кроме того, в общем случае этот силовой каскад генерирует довольно-таки много электромагнитных помех и при его использовании возникают проблемы с электромагнитной совместимостью. Удобнее использовать повышающе-понижающую топологию и LDO, регулирующий отрицательное напря-

жение. Пример такого решения от Analog Devices показан на рисунке 8. Приведенная на рисунке топология известна давно, но лишь относительно недавно появились микросхемы DC/DC-преобразователей отрицательного напряжения, что значительно упрощает дело. Один из таких преобразователей выпустила Analog Devices. Схема преобразователя ADP5073 приведена на рисунке 9. В ней благодаря сдвигу уровня удалось объединить земли микросхемы и системы [3].

Литература 1. Сергей Чернов. Обратноходовой пони­ жающий DC/DC-преобразователь//Элек­ тронные компоненты. № 8. 2015.

2. Low Noise Dual Supply Inverting Charge Pump//www.linear.com.

3 . N e g a t i v e v o l ta g e s a r e n e e d e d i n many dif ferent applications, and the specifications for these voltages vary quite significantly//w w w.powersystemsdesign. com.

Новости технологий

| Intel еще поборется за закон Мура с переходом на 7-нм техпроцесс с EUV | Закон Мура был сформулирован в далеком 1965 г., уточнен в 1975-м и в целом оставался актуален практически все время до нынешнего момента. Основным приверженцем этого закона, а также основным двигателем отрасли, благодаря которому этот закон соблюдался, практически всегда оставалась компания Intel. Однако последнее время дела у компании с новыми разработками шли не так гладко, как хотелось бы. Нередко процессорный гигант переносил сроки появления новых процессоров. Стейси Смит (Stacy Smith), финансовый директор Intel, заявил, что с освоением 7-нм техпроцесса компания намерена вернуться к следованию закона Мура, т.е. к двухлетнему циклу обновления своей продукции, от которого сейчас несколько отстала. Надежды на стабилизацию графика Intel связывает с технологией EUV (сканеры, работающие в жестком ультрафиолетовом диапазоне). Ранее предполагалось, что она будет применяться при создании 10-нм ЦП, однако потом компания решила внедрить ее с переходом на нормы 7 нм www.russianelectronics.ru

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

45

РЕКЛАМА

электронные компоненты №3 2016

Операционные усилители ослабляют помехи в ближнем поле Сергей Владимиров, разработчик

В статье анализируются источники электромагнитных помех и их подавление в ближнем поле с помощью операционных усилителей нового поколения. Введение

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

В автомобильных, промышленных, медицинских и многих других приложениях используются аналоговые схемы, которые должны выполнять возложенные на них функции и в то же время иметь защиту от помех внешней среды. Источниками помех являются зашумленные цепи, которые расположены на той же печатной плате рядом с аналоговыми схемами. Один из наилучших способов уменьшить электромагнитные помехи (ЭМП) на печатной плате заключается в интеллектуальном использовании операционных усилителей (ОУ). К сожалению, к этому способу часто не прибегают, что, возможно, связано с убеждением в том, что операционные усилители подвержены ЭМП, и потому понадобится дополнительная защита от шума. И хотя это верно в отношении множества старых устройств, разработчики могут не знать, что новые операционные усилители намного лучше защищены от помех по сравнению с ОУ предыдущих поколений.

46

Источники ЭМП, жертвы помех и механизмы наводки

Источником электромагнитных помех является электрический шум, который непреднамеренно влияет на цепи, расположенные по соседству с этим источником. Сигнал шума представлен в виде напряжения, тока, электромагнитного излучения или комбинации этих трех параметров, которые в форме наводки воздействуют на схемы. Электромагнитный шум не ограничивается только радиопомехами. Такие источники сильных ЭМП как импульсные регуляторы, светодиодные цепи и электроприводы работают в диапазоне частот от десятков до сотен кГц. В качестве еще одного примера помех можно назвать шум в 60‑Гц линии.

Шум от источников передается в соседствующие схемы несколькими способами. Три из этих четырех механизмов классифицируются как связь в ближнем поле, включая кондуктивную связь, а также связь по электрическому и магнитному полям. Четвертый механизм относится к наводкам в дальнем поле, когда электромагнитная энергия излучается на нескольких длинах волн. Активная фильтрация шума в дифференциальном режиме

Активные фильтры операционных усилителей существенно понижают уровень ЭМП и шум на печатной плате в пределах полосы пропускания устройства. Однако во многих устройствах эти фильтры используются в недостаточной мере. Требуемый сигнал в дифференциальном режиме может оказаться ограниченным по полосе, пока отфильтровывается ненужный дифференциальный шум. На рисунке 1 показан механизм проникновения этого шума во входной сигнал по паразитной емкости CP. Полезный сигнал и шум поступают в активный фильтр низкой частоты (ФНЧ) первого порядка. Частота среза ФНЧ в схеме дифференциального ОУ задается с помощью R 2 и C1 и превышает полосу пропускания сигнала. На более высоких частотах сигналы ослабляются на 20 дБ на декаду. Активные фильтры высоких порядков (например, –40 или –60 дБ/декаду) применяются при необходимости обеспечить большее затухание. Рекомендуется, чтобы допуски на резисторы в этих случаях не превышали 1%. Аналогично, для наилучшей фильтрации требуются конденсаторы (NPO, COG) с очень хорошими температурными коэффициентами и допусками не более 5%.

Рис. 1. Поступление дифференциального и синфазного шума в активный фильтр ОУ

www.elcomdesign.ru

Уменьшение входного синфазного шума

сигнала (КОСССУММ) определяется только значениями резисторов и AV. В единицы дБ КОСССУММ преобразуется с помощью уравнения (2).

(1)

, дБ, (2) где A V – коэффициент усиления замкну того конт ура; RДОП – допуск на величины R1 и R2, %; КОССУСИЛ – значение коэффициента ослабления синфазных сигналов в десятичной форме (а не в дБ). Повышение защищенности к внешним радиопомехам и другим ВЧ ЭМП

Итак, активная фильтрация и КОСС позволяют уменьшить шум в схеме в полосе частот устройства, в т. ч. дифференциальные и синфазные электромагнитные помехи даже в мегагерцовом диапазоне. Однако под воздействием внешних радиопомех выше заданного диапазона рабочей частоты характеристика устройства становится нелинейной. Операционные усилители в наибольшей мере восприимчивы к внешним радиопомехам во входном высокоимпедансном дифференциальном каскаде, поскольку сигнал дифференциальной и синфазной помех выпрямляется собственными диодами (образованными p‑n‑переходами кристалла). В результате выпрямления возникает постоянное напряжение небольшой величины или смещение, которое усиливается и может появиться в виде ошибочного смещения постоянной составляющей на выходе. В зависимости от точности и чувствительности системы характеристика устройства может стать неприемлемой. К счастью, повышение защиты ОУ (или снижение его восприимчивости) от внешних радиопомех достигается с помощью одного–двух методов. Наилучший из них – использование операционного усилителя, защищенного от электромагнитных помех, с внутренней фильтрацией на входе, что позволяет подавить шум в диапазоне от нескольких МГц до ГГц. Более подробную информацию об ОУ с защитой от ЭМП см. в [2–3]. Второй метод состоит в установке на вход ОУ внешних фильтров ЭМП/внешних радиопомех. Этот метод может оказаться единственным, если системе требуется устройство без собственных ЭМП-фильтров. На рисунке 2 представлена конфигурация стандартного дифференциального усилителя с внешними фильтрами для подавления дифференциальных и синфазных ВЧ ЭМП. В отсутствие входных фильтров коэффициент усиления этой схемы составляет |R2 /R1 |. После установки пассивных входных фильтров, как правило, требуются резисторы R 3 ,

Рис. 2. Пассивные фильтры ЭМП и внешних радиопомех повышают защищенность системы от ВЧ-шума

электронные компоненты №3 2016

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

На рисунке 1 источники синфазного шума вносят помехи на входе схемы. Синфазный шум описывается как одинаковое напряжение на двух входах операционных усилителей. Этот шум не является частью помех дифференциальных сигналов, которые усилители измеряют или преобразуют. Известно множество причин возникновения синфазного шума. Например, он появляется в системе, в которой потенциал земли одной цепи иной, чем у другой цепи, с которой имеется взаимодействие. Эта разница в несколько милливольт или даже многие вольты возникает на разных частотах. В результате возникают непредусмотренное падение напряжения и токи, которые вносят шум в связанные цепи. В электронных системах, состоящих из нескольких конструктивов, синфазное напряжение и связанный с ним синфазный шум – явление привычное. В стандартах электробезопасности даже предусмотрен провод выравнивания потенциалов, т. к. их разность для разных конструктивов может оказаться весьма значительной. Главным преимуществом ОУ является его дифференциальная архитектура входного каскада и способность подавлять синфазный шум в конфигурации дифференциального усилителя. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio – КОСС) указывается для каждого операционного усилителя, но суммарный КОСС схемы должен учитывать влияние входных резисторов и резисторов обратной связи. Поскольку отклонения значений резисторов оказывают существенное влияние на КОСС, требуется использовать согласованные резисторы с допусками 0,1%, 0,01%, чтобы обеспечить требуемый коэффициент ослабления синфазного сигнала. Хорошие характеристики достигаются с помощью внешних резисторов, а также при использовании инструментальных или дифференциальных усилителей с собственными подстроенными резисторами. Например, КОСС инструментального усилителя INA188 с подстроенными резисторами составляет 104 дБ. На рисунке 1 синфазный шум (VCM_noise = VCM1 = VCM2) подавляется путем выбора КОСС операционного усилителя, если шум находится в диапазоне активной полосы пропускания этой схемы. Величина подавления зависит от того, насколько точно согласованы значения резисторов в отношении R2/R1. Для определения суммарного КОСС применяется уравнение (1), которое учитывает влияние допусков на значения резисторов (R ДОП) и КОСС ОУ, указанного в техническом описании. Например, если КОСС равен 90 дБ, то 1/КОСС = 0,00003. Во многих схемах допуск на значения резисторов является основным ограничивающим фактором, который препятствует обеспечению заданного суммарного КОСС. Уравнение (1) получено из уравнения [1] для КОСС идеального операционного усилителя, в котором предполагается, что КОССУСИЛ очень велик (стремится к бесконечности). У идеального операционного усилителя величина 1/КОССУСИЛ равна нулю, а суммарный коэффициент ослабления синфазного

47

чтобы конденсатор CDM не уменьшил запас по фазе усилителя. ФНЧ для фильтрации дифференциального шума (DM) состоит из двух резисторов R1, конденсатора CDM и двух конденсаторов CCM . В фильтре низкой частоты для подавления синфазного шума (CM) используются два резистора R1 и два конденсатора CCM . Ниже приведены два уравнения (3) и (4) для расчета значений частоты среза фильтров DM и CM (fC_DM и fC_CM): (3)

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

(4)

48

Частота fC_DM задается выше требуемой полосы пропускания схемы ОУ, а CDM, как правило, определяется в первую очередь. Значения емкостей конденсаторов CCM должны быть, по крайней мере, в 10 раз меньше величины CDM, чтобы минимизировать их влияние на частоту fC_DM. Кроме того, конденсаторы CCM предназначены для работы на высоких частотах. Таким образом, частота fC_CM должна быть выше fC_DM. Чтобы упростить рассматриваемую схему за счет исключения компонентов, обведенных красной пунктирной линией на рисунке 2, применяется устройство с защитой от ЭМП. Однако следует очень осторожно использовать пассивные входные фильтры. Дело в том, что разброс значений емкости от номинальных значений гораздо больше, чем аналогичный разброс сопротивлений резисторов. По этой причине постоянные времени пассивных фильтров на входах усилителя могут различаться, что, в свою очередь, приводит к разному подавлению высокочастотных составляющих синфазного напряжения на входах ОУ и к сдвигу фаз между ними. Таким образом, КОСС на частотах вблизи частоты среза пассивных фильтров уменьшается. На практике желательно, чтобы частота среза пассивных фильтров на порядок превышала частоту полезного сигнала. В этом случае разбросом величины емкости можно пренебречь, но следует выбирать конденсаторы с допуском не хуже чем ±5%. При выборе конденсаторов следует обратить внимание на их температурную стабильность. Не будет лишним пассивный фильтр и на выходе ОУ; в этом случае его частота среза может приблизиться к частоте полезного сигнала.

Рис. 3. Шум от синхросигнала накладывается на аудиосигнал

Малый выходной импеданс

Другой важной характеристикой операционных усилителей является их очень небольшой выходной импеданс, который в большинстве конфигураций, как правило, не превышает нескольких Ом. Чтобы понять, как его использовать для подавления ЭМП, проанализируем воздействие ЭМП на низкои высокоимпедансные схемы. На рисунке 3 представлены две схемы. Первая из них представляет собой входной каскад АЦП с входным 1‑В ПП синусоидальным сигналом с частотой 2 кГц (V S1), 600‑Ом импедансом источника (RS1) и 20‑кОм импедансом нагрузки (RL1). Величина 600 Ом является типовой для аудиоприложений с такими источниками звука как микрофоны, а 20‑кОм импеданс нагрузки – стандартное значение для АЦП, использующихся в этих системах. Второй схемой является 100‑кГц источник тактовых сигналов с амплитудой 3,3 В (VS2) с последовательно установленным согласующим резистором 22 Ом (RS2) и импедансом нагрузки 500 кОм (RL2). Высокоимпедансная нагрузка является цифровым входом другого устройства. На практике, в аудиоприложениях с АЦП применяются тактовые сигналы последовательной шины I2C в диапазоне

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. Схема операционного усилителя позволяет уменьшить электромагнитные помехи от источника синхронизирующих импульсов

100–400 кГц. И хотя синхросигналы передаются по шине I2C, как правило, в виде последовательностей импульсов (а не непрерывно), симуляция указывает на возможность воздействия синхросигналов на плотно расположенные чувствительные проводники аудиосистемы. Для возникновения емкостной связи и проникновения шумового тока синхросигнала в звуковой сигнал достаточно того, чтобы паразитная емкость печатной платы составляла несколько пФ. На рисунке 3 показаны результаты такой симуляции с использованием паразитной емкости величиной 1 пФ. Чтобы понизить уровень наведенного шума в звуковой схеме, необходимо уменьшить импеданс схемы-жертвы. В схемах с относительно высоким импедансом источника (> 50 Ом) наведенный шум уменьшается путем минимизации импеданса источника со стороны нагрузки. На рисунке 4 показано, как

используется неинвертирующая конфигурация операционного усилителя OPA350 в схеме для буферизации сигнала и изоляции источника импеданса от нагрузки. Выходной импеданс этого ОУ гораздо меньше 600 Ом, что позволяет значительно понизить шум от синхросигнала. Важность развязки

Установка развязывающих конденсаторов на выводах источника питания позволяет отфильтровать высокочастотные электромагнитные помехи, обеспечив защиту цепи ОУ. Обязательным элементом всех рассмотренных схем в этой статье является развязывающий конденсатор CD. Чтобы упростить развязку, используется несколько практических правил. В частности, выбираются конденсаторы со следующими характеристиками: 1) с очень хорошим температурным коэффициентом, который имеется у конденсаторов с диэлектриками X7R, NPO или COG; 2) с очень малой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL); 3) с минимально возможным импедансом в заданном диапазоне частот; 4) как правило, значения емкости развязывающих конденсаторов находятся в диапазоне 1–100 нФ; при этом, в первую очередь, следует руководствоваться вторым и третьим критериями. Устанавливать конденсаторы следует как можно ближе к выводам источника питания. Соединения конденсаторов с питающими и заземляющими плоскостями печатной платы должны быть минимально короткими. То же правило действует в отношении длины проводников и сквозных отверстий.

Выводы

Операционные усилители позволяют уменьшить ЭМП в ближнем поле и улучшить характеристики проектируемой системы. Итак, при разработке необходимо: -- уменьшить дифференциальный шум на входе от кабелей и схем, подобрав соответствующий активный фильтр (см. рис. 1); -- уменьшить синфазный шум от кабелей и схем, подобрав соответствующий операционный усилитель с большим КОСС и задействовать хорошо согласованные резисторы (см. рис. 1, уравнения 1–2); -- повысить защиту от высокочастотных ЭМП или радиопомех (дифференциальный и синфазный шум) с помощью защищенного от этих помех устройства или внешних пассивных фильтров (см. рис. 2); -- воспользоваться низкоимпедансным выходом ОУ, чтобы уменьшить уровень наведенного шума от тактовых импульсных последовательностей с других цепей печатной платы; -- уменьшить шум от источника питания, обеспечив развязку для ОУ и всех остальных схем. Литература 1. S. Franco. Circuits with Resistive Feedback. Design with Operation Amplifiers and Analog Integrated Circuits. 3rd ed. New York. McGraw-Hill.

2002. Ch. 2.

2. Chris Hall and Thomas Kuehl. EMI Rejection Ratio of Operational Amplifiers. Texas Instruments Application Note. (SBOA128). August 2011.

3. A Specification for EMI Hardened Operational Amplifiers.

Texas Instruments Application Note (SNOA497B). April 2013.

4. Jerry Freeman. Techniques to enhance op amp signal integrity in lowlevel sensor applications. Part 4. EETimes. Dec. 18. 2008.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

49

РЕКЛАМА

электронные компоненты №3 2016

Минимизация ошибок измерения в цепях с резисторными датчиками температ уры Гордон Ли (Gordon Lee)

Температура является наиболее часто измеряемым физическим параметром. Часто возникает необходимость в прецизионных измерениях температуры, чтобы обеспечить высокое качество изделий и их безопасность. С этой целью применяются температурные датчики разных типов, у каждого из которых имеются свои достоинства и недостатки. Чтобы в наибольшей мере задействовать возможности этих устройств, обеспечив точное измерение температуры, необходимо тщательно отрегулировать АЦП.

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

Резисторные датчики температуры

50

Резисторные датчики температуры (РДТ) состоят из резистивного элемента, чье сопротивление меняется в зависимости от температуры. Большинство элементов этих датчиков изготовлено из платины, никеля или меди. Платиновые РДТ имеют наилучшие характеристики благодаря наибольшей линейности и воспроизводимости зависимости между температурой и сопротивлением в широком температурном диапазоне. Температурный диапазон типового платинового датчика составляет –200…850 °C. Наибольшее распространение получили РДТ типа Pt100, у которых сопротивление при 0 °C равно 100 Ом. Поскольку, как правило, характеристики РДТ – более устойчивые и воспроизводимые по сравнению с характеристиками термопар и термисторов, РДТ обеспечивают большую точность измерений.

Рис. 1. Двухпроводная схема возбуждения током. Несмотря на свою простоту, она вносит погрешность в измерения

Схемы измерения РДТ

Двумя наиболее распространенными методами измерения РДТ является возбуждение током (см. рис. 1) и напряжением (см. рис. 2). Эти конфигурации позволяют точно измерить сопротивление РДТ и преобразовать его в значения температуры в соответствии со следующим уравнением или таблицей соответствия в идеальном случае при использовании схемы возбуждения током: Рис. 2. Двухпроводная схема возбуждения напряжением

При использовании схемы возбуждения напряжением:

При измерении сопротивления с помощью многих двухпроводных конфигураций следует учитывать сопротивление и длину выводов РДТ, которые влияют на точность измерений. Т. о., действительное сопротивление, измеряемое с помощью схем на рисунках 1–2, равно (РДТ + 2RВЫВ), где RВЫВ – сопротивление каждого вывода при условии, что оно одинаковое

www.elcomdesign.ru

у обоих проводов. Предполагается, что у обоих проводов – одинаковая длина и они изготовлены из одного материала, что обеспечивает одинаковые значения RВЫВ. Поскольку это условие не всегда выполняется в приложениях по измерению температуры, РДТ используются в трех- и четырехпроводных конфигурациях, чтобы уменьшить погрешность измерений из-за этих различий. На рисунке 3 представлена типовая трехпроводная схема с постоянным током, а на рисунке 4 – схема возбуждения постоянным напряжением. В обоих случаях АЦП оцифровывает результаты измерения сопротивления РДТ + RВЫВ3, где RВЫВ3 – сопротивление обратного вывода. В этой схеме исклю-

чено сопротивление RВЫВ2, поскольку входы АЦП, как правило, имеют высокий импеданс, и через RВЫВ2 ток фактически не протекает. Следовательно, АЦП измеряет только напряжение на РДТ и RВЫВ3. Таким образом, величина RВЫВ3 вносит вклад в погрешность измерения. По сравнению с двухпроводной конфигурацией, однако, погрешность с учетом сопротивления выводов уменьшается примерно на 50%. Чтобы повысить точность измерений, в схему добавляется аналоговый переключатель, после чего АЦП измеряет напряжение (Vx) на выходе и получает значение для R ВЫВ1. Предполагая, что величина R ВЫВ1 приблизительно равна RВЫВ3, можно упростить выражение. Для схемы возбуждения током на рисунке 3 величина RВЫВ1 рассчитывается следующим образом:

Рис. 3. Добавление третьего провода в схему с возбуждением постоянным током. Погрешности уменьшаются благодаря исключению сопротивления с одной стороны датчика

В таком случае для более точного расчета величины РДТ используется следующая формула:

В случае схемы с возбуждением напряжением используются следующие формулы:

Рис. 4. Трехпроводная схема с возбуждением постоянным напряжением

В этом случае ток не проходит ни по RВЫВ2, ни по RВЫВ3. Следовательно, напряжение на RВЫВ2 + РДТ + RВЫВ3 то же, что и на РДТ. К сожалению, при использовании схемы с возбуждением постоянным напряжением резисторы RВЫВ1 и RВЫВ 4 по-прежнему вносят погрешность в измерения РДТ, если у системы АЦП отсутствует способность измерять напряжение на выходе (Vx). Если же величина этого напряжения известна, опорный ток рассчитывается исходя из следующей формулы:

Рис. 5. Четырехпроводная схема с токовым возбуждением

51

, где RОП составляет 3,32 кОм в данном случае. Схожим образом: , т. е. та же формула, что и для схемы с возбуждением током. Многие другие факторы в цепи сигнала оказывают влияние на точность измерений. К этим факторам относятся входной импеданс системы АЦП, разрешение АЦП, величина тока через РДТ, стабильность опорного напряжения и стабильность возбуждающих сигналов.

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

Данный метод позволяет повысить точность измерения, но требует дополнительного оборудования и более сложного программного обеспечения. Четырехпроводная конфигурация обеспечивает наибольшую точность измерения. На рисунках 5–6 представлена схема возбуждения постоянным током и напряжением, соответственно. Для схемы с возбуждением током применяется следующая формула:

Рис. 6. Четырехпроводная схема возбуждения напряжением

У входов системы АЦП должен быть высокий импеданс во избежание падения напряжения на выводах (например, на RВЫВ2 и RВЫВ3 в четырехпроводной конфигурации). Если же импеданс невысок, следует установить буферы перед входами АЦП.

электронные компоненты №3 2016

Оценка быстродействия полупроводниковых элементов с помощью осциллографов серии R&S RTO Николай Лемешко, к.т.н., в.н.с., НТЦ Анализа ЭМС ФГУП НИИР, nlem83@mail.ru, Павел Струнин, руководитель группы, ООО «РОДЕ И ШВАРЦ РУС», pavel.strunin@rohde-schwarz.com)

В статье рассматривается вопрос об измерении характеристик быстродействия полупроводниковых элементов. Анализируются соответствующие методы. Показана необходимость использования высококачественного оборудования при проведении измерений осциллографическим методом. Рассмотрены принципы и схемы для измерения времени транзита носителей заряда для диодов, приведены примеры измерений с использованием оборудования фирмы Rohde&Schwartz.

Дискретные силовые компоненты

Введение

52

Развитие современной элек троники носит эволюционный характер, который определяется двумя факторами. К первому из них принято относить совершенствование программных средств, методов их отладки, верификации и оптимизации. Это позволяет расширить функциональные возможности устройств, способствует масштабируемости и открытости, являющихся неотъемлемыми атрибутами современных радиоэлектронных систем [1]. Второй фактор состоит в улучшении схемных решений, применяемых в радиоэлектронике. Как правило, его соотносят только с топологическим проектированием [2], что определяется невысокой скоростью обновления номенклатуры элементной базы и еще более длительным процессом внедрения новых производственных технологий [3]. Но это не совсем корректно, поскольку предельные частотно-временные показатели радиоэлектронных средств (РЭС) определяются используемой элементной базой, что все более проявляется с повышением степени интеграции используемых микроэлектронных компонентов. Потребность в измерении параметров быстродействия полупроводниковых элементов (ПЭ) определяется возникающими инженерными задачами. Например, при использовании режимов, близких к предельным, очень часто выполняется подборка ПЭ по конкретным требованиям. Аналогично

www.elcomdesign.ru

решается задача обеспечения тайминга в быстродействующих схемах [2]. Еще одной актуальной задачей является схемное и поведенческое моделирование цифровых устройств. В первом случае на основе экспериментально определенных характеристик быстродействия выполняется идентификация параметров моделей, например, значений емкостей, что обеспечивает адекватное отображение процессов при моделировании в частотной и временной областях. При логической отладке цифровых систем также необходимо использовать информацию о задержке распространения сигналов. Техническая документация на ПЭ, как правило, содержит лишь некоторые из необходимых характеристик, что во многом связано с трудностями их экспериментального определения, а зачастую и с отсутствием аттестованных методик таких измерений. Использование современных осциллографов, в частности серии R&S RTO, обладающих необходимой чувствительностью и полосой пропускания, а также качественных пробников позволяет оценить параметры быстродействия ПЭ, не привлекая специализированные измерительные комплексы. Методы определения характеристик быстродействия ПЭ

Применимость тех или иных методов оценки характеристик быстродействия ПЭ зависит от текущих задач исследова-

теля. Их принято разделять на теоретические и экспериментальные [4]. В свою очередь, в первой группе можно выделить расчетные и модельные методы. Суть расчетных методов сводится к построению математических соотношений, описывающих процессы в ПЭ. В настоящее время построено весьма точное физическое описание p‑n‑переходов и их систем, учитывающее свойства окружающей среды и, соответс твенно, процессы обо гащения/обеднения под действием потенциа ла элек т р иче ского пол я и сторонних сил [5]. Такое представление характеризуются количественными показателями микромира, например, удельной плотностью носителей заряда, ее градиентом и т. д. На е го о сн о в е м ож н о в ычи с ли т ь, врем я восс танов ления обратного сопротивления p‑n‑перехода, скорости нарастания фронтов при работе транзисторов в к лючевом и усилительном режимах и т. д. Дос тоинс твом расчетных мето дов оценки характеристик быстродействия ПЭ является их точнос ть и отсу тствие необходимости в экспериментах. Несмотря на это, на сегодняшний день они не получили распространения для решения прак тических задач. Причина кро ется не столько в их теоретической направленности, сколько в необходимом объеме данных [6]. Информация о собственных свойствах полупроводниковых областей элементов после

таким параметром является частота единичного усиления, а известное значение сопротивления коллекторной области позволяет оценить емкость перехода «база–коллектор» как определяющую скорости нарастания и спада при ключевом режиме [8]. Реализация измерений сводится к установлению значения такой частоты, как правило, с использованием спектрального анализа. Недостатком такого принципа измерений является его невысокая точность, в особенности при немонотонной форме частотной характеристики из-за резонансных явлений в измерительной цепи, а также неочевидная связь характерных частот с требующими оценки характеристиками. Как следует из анализа различных моделей ПЭ, параметры их быстродейс твия определяются, в первую очередь, их инерционнос тью, т. е. внутренними емкостями. В частности, это относится к входным и выходным цепям интегральных микросхем [9]. Для p‑n‑переходов в составе ПЭ, не обладающих резкой зависимостью емкостей от напряжений и высокой проводимос тью, применим метод источника тока. Переход подключают к источнику, работающему в режиме постоянства тока i. Через заданное время t измеряют уровень напряжения u t на ПЭ, который характеризует способность p‑n‑перехода накапливать заряд. Оценочное значение емкости составит С = t•ic /Uc. Таким методом можно приблизительно измерить емкости p‑n‑переходов для близких к нулю уровней смещения. Данный метод не требует дорогостоящего оборудования при реализации, однако имеет ограниченное применение. Применение осциллографических методов является наиболее информативным. Как правило, используются двухканальные измерения и рассматриваетс я возбу ж дающее воз дей ствие, например, импульс с коротким фронтом и его результат в виде отклика ПЭ. Этот принцип положен в основу измерений почти всех характеристик, которые можно оценить указанным соотнесением. Осциллографический анализ характеризуется универсальнос тью и широтой внедрения, что позволяет говорить о перспек тивности его использования в точных

измерениях характеристик быстродействия ПЭ. Однако для его успешного применения необходимо учесть повышенные требования к рабочей полосе, чувствительности осциллографов и следовать им. Проблемы при оценке быстродействия ПЭ осциллографическим методом

Одним из требований метрологии является объективность результатов измерений, которая достигается минимизацией влияния собственных свойств оборудования и условий исследований на их результат [10]. Поскольку особенности измерений для ПЭ обусловлены малыми значениями измеряемых временных параметров, обеспечение требуемой точности сопряжено с использованием очень качественной измерительной базы. Принято считать, что ес ли измерительные приборы и оснастка имеют на порядок большее быстродействие, то указанное условие выполнено. Однако для рассматриваемой задачи это требование очень трудно реализовать, особенно если рабочие частоты ПЭ превышают 300 МГц. По этой причине его смягчают, задавая минимальное соотношение полосы пропускания и ПЭ на уровне 5–6. Этот же принцип используется в цифровых системах при оценке необходимых свойств линий передачи [11]. Н е м е н е е же с т к и е т р е б о в ани я предъявляются к пробникам и дополнительной оснастке. Поскольку вопрос быстродействия ПЭ – это, прежде всего, вопрос емкостей, пробники и оснастка должны иметь лучшие из возможных характеристик. Т. о., исследование параметров ПЭ возможно только с использованием современной измерительной базы. Ниже рассматривается задача по измерению времени транзита носителей заряда в полупроводниковых диодах, для решения которой использовался осциллограф R&S RTO1044 с полосо й д о 4 Г Гц и в ы со к о ч а с т о т н ы е пробники R&S RT-ZS60 с минимальными паразитными характеристиками. Измерение времени транзита носителей заряда

Поскольку недостатком всех экспериментальных методов является

Рис. 1. Схема для измерения времени транзита носителей заряда

электронные компоненты №3 2016

Дискретные силовые компоненты

их изготовления непосредственно связана с технологическими процессами [7], которые не раскрываются производителями, а по с тоимос ти проведение дополнительных лабораторных исследований сопоставимо с самыми дорогими альтернативными методами. По той же причине трудно учесть разброс параметров полупроводниковых слоев. Модельные методы определения харак теристик быстродействия [4] сос тоят в использовании с хемных моделей ПЭ. При этом выполняется моделирование идеализированной измерительной схемы с конкретной структурой. Как правило, в данном случае используются не стандартные модели, заложенные в системы моделирования, а более сложные схемы, обладающие расширенной областью адекватности и повышенной точностью. При моделировании во временной области такой подход позволяет непосредственно оценить искомые параметры. Достоинством модельных методов является ясная физическая интерпретация результатов и их достаточная точность. Они обеспечивают проведение «чистых» исследований с исключением погрешностей измерительной установки. Их недостатки аналогичны указанным для расчетных методов. Если говорить об оценке параметров быстродействия ПЭ, то применимость теоретических методов оказывается весьма ограниченной. В первую очередь, это связано с отсутствием информации, достаточной для построения физической или схемной модели ПЭ. По этой причине они используются преимущественно в сфере микроэлектроники и теоретической физики [7]. Вторым аспектом является расхождение теории и практики, имеющееся в сфере радиоэлектроники: часто инженерам проще получить экспериментальные оценки для конкретного образца ПЭ, чем разбираться в тонкостях физических процессов. К экспериментальным методам относятся частотные, источника тока и, конечно же, осциллографические. Первая группа методов основана на обратной пропорциональности постоянных времени и характерной частоты. Для биполярных транзисторов, например,

53

Рис. 2. Функция TT(T1): а) для разных значений тока насыщения Is; б) для диодов Д310 и Д226Б

Дискретные силовые компоненты

а)

54

сложность учета паразитных свойств измерительной установки, что повышает общую погрешность измерений, оснастку, как правило, максимально упрощают, с тараясь использовать в ней только пассивные компоненты. Примером реализации такого похода является схема для измерения времени транзита (ВТ) носителей заряда, харак теризующего задержк у перехода диодов от закрытого состояния к открытому за счет накопления заряда барьерной емкостью. Рекомендуемая схема [12] представлена на рисунке 1. Она включает генератор импульсов с длительностью спада до 1 нс и ма лым выходным сопротивлением, равным 10 Ом. Выход генератора подключается без согласования к линии передачи без потерь, у которой время задержки и волновое сопротивление равны, соответственно, 1 нс и 50 Ом. К выходу линии передачи подключается сопротивление номиналом 500 Ом и исследуемый диод, на рисунке 1 обозначенный как VD1. Время транзита носителей заряда определяется по задержке появления импульса малой амплитуды, следующего за спадом сигнала на выходе линии передачи. Заметим, что далеко не все значимые параметры можно измерить непосредственно методами осцилло-

www.elcomdesign.ru

б)

Рис. 3. Измерительная установка: а) схема; б) фотография Таблица. Значения коэффициентов B и С аппроксимирующей функции для разных значений токов насыщения 10–10

10–8

10–6

10–4

B, нс

1,4

2,1

7,2

5,1

C, нс–1

12,5

6,3

1,3

0,9

Ток Is, А

графии, и измерение ВТ не является исключением. В [12] отмечается, что измеренное значение T1 соответствует времени транзита TT. Однако проведенные численные исследования показали, что это приближение действует лишь в небольшом интервале значений T1. Для уточнения границ применимости рассматриваемой на рисунке 1 схемы было многократно проведено ее моделирование с различными параметрами

диода VD1 с использованием программы WinSPICE 1.03 (некоммерческая версия). Достоинством используемой в ней модели диода является возможность задавать непосредственно численное значение времени транзита. Установлено, что интервал T1 нелинейно зависит от значения TT и проявляет значительную зависимость от тока насыщения диода Is. Функция TT (T1) для фиксированного значения Is является экспоненциальной и имеет вид:

, (1)

а)

б)

,

в)

Рис. 4. Осциллограммы спада импульсов: а) на выходе генератора при согласованной нагрузке; б) в контрольной точке – для диода Д310; в) в контрольной точке для диода Д226Б

т. е. тоже проявляет сильную зависимость от T1. Например, при измеренном значении T 1 = 10 нс с погрешностью ΔT1 =±0,1 нс и обратном токе Is = 10 нА погрешнос ть T T сос тавит 0, 34 нс, а при T1 = 15 нс – 3,8 нс. Т. о., представленный метод измерений не обладает постоянной характерной погрешностью. Схема, представленная на рисунке 1, реа лизует заяв ленный выше принцип измерений, но имеет весьма ограниченное применение. Импульсотклик формируется за счет системы отражений сигналов в измерительной схеме. Предлагаемое соотношение характеристического сопротивления линии и выходного сопротивления генератора предполагает большой коэффициент отражения с сохранением большой амплитуды обратного

электронные компоненты №3 2016

Дискретные силовые компоненты

где B и C – постоянные коэффициенты, а значения ТТ и Т1 измеряются в нс. Графики таких функций, наложенные на экспериментально определенные точечные зависимости для значений I s = 10 –10 ; 10 –8 ; 10 – 6 ; 10 – 4 А приведены на рисунке 2а. Аппроксимирующие функции с троились в интервале харак терных значений T T 6…30 нс и пок аз аны п у нк тир о м . Значени я коэффициентов B и С для указанных значений тока насыщения приведены в таблице. Как видно из представленных графиков, утверждение о линейности функций действенно только для ограниченных интервалов значений T1. Достоверность полученных результатов подкрепляется заданием времени транзита в модели в явном виде и ее адекватнос тью во временной области. Можно условно считать, что зависимость TT от других параметров не требует учета. Т. о., для практического использования измерительной схемы на рисунке 1 необходимо применять корректирующие функции и предварительно точно измерить время TD для линии передачи, в качестве которой удобно использовать короткий отрезок коаксиального кабеля. Особенностью представленного принципа измерений является экспоненциальный характер функции TT (T1), что позволяет говорить об особых требованиях к точности измерения интервала T1. Производная функции (1) имеет вид

55

смещения на диоде VD1 в установившемся режиме, что позволяет использовать генератор сигналов с небольшим выходным напряжением. Как правило, современные генераторы сигналов имеют выходное сопр отив ление, о б е спечив ающе е согласование с нагрузками сопротивлением 50 Ом. Их использование оказывается возможным при небольшой модификации схемы на рисунке 1.

Дискретные силовые компоненты

Пример оценки времени транзита с помощью осциллографов серии R&S RTO

56

На рис унке 3а показ ана с хема, сохраняющая изложенный принцип измерений. В данном случае на вход генератора с выходным сопро тив лением 50 Ом дополнительно, параллельно линии передачи, устанав ливаетс я нагру зка R n с тем же сопротивлением. В результате возникает рассогласование по выходу генератора и по входу линии, но снижается уровень регистрируемых импульсов. Таким образом, при аналогичных требованиях к временным характеристикам импульсов их амплитуда должна быть выше – не менее 6–7 В при высоком сопротивлении нагрузки. Уве личение сопротивления R1 до 1 кОм улучшает нагрузочный режим генератора, однако снижает крутизну фронта импульса-отклика. Как упоминалось, функция TT (T 1) имеет экспоненциальный характер, что сохраняется для схемы на рисунке 3а. Д ля проведения измерений были выбраны диоды Д310 и Д226 Б с номина льными токами насыще ния 20 и 100 мк А, соответственно. Исс ле дов ание с хе м ы с использо в анием с хемного моде лиров ания позволило получить оценки функции TT (T 1), представленные графически на рисунке 2б. Их следует использовать для определения времени транзита по измеренному значению T1. В общем с лучае д ля получения у точненных результатов значение обратного тока с ледует измерить предварительно экспериментальными методами. Для построения измер и т е л ьн о й с хе м ы и сп о л ьз о в а л с я генератор испытательных сигналов И1–15 [13], к которому через несо гласованный тройник подключалась нагрузочная головка и линия передачи в виде отрезка кабеля с предварительно измеренной задержкой, равной 1 нс. Исследуемый ПЭ и резис т о р R1 п о д к л ю ч а л и с ь к к а б е л ю наве сным монта жом с минима ль ной длиной проводников. Для снятия осциллограммы в контрольной точке использовался осциллограф

www.elcomdesign.ru

R&S RTO1044 с полосой пропускания до 4 ГГц и высокочастотный пробник R&S RT-ZS60 с входным сопротивлением 1 МОм и полосой частот до 6 ГГц. При проведении измерений амплитуда импульсов в контрольной точке составляла около 9 В, длительность спада – менее 1 нс. На рисунке 4а изображена осциллограмма переходного процесса после завершения спада импульса, полученная при согласованном подключении пробника к выходу генератора И1–15. Как видно, переходной процесс имеет ступенчатую структуру, что необходимо учитывать при оценке интервала времени T1. Второй скачок напряжения наблюдается через 15,7 нс (отмечен курсором) после начала спада импульса, соответствующего на осциллограммах 80 нс. Численное исследование схемы–модели позволяет говорить о слабой выраженности начала фронта импульса– отк лика. На рис унке 4б–в приведены осциллограммы сигналов в контрольной точке для диодов Д310 и Д226 Б. Ясно, что любое нарушение монотонности нарастания может быть принято за точку отсчета времени Т1. Для исключения неоднозначности следует сопоставить эти рисунки с рисунком 4а. В частности, для Д310 из рассмотрения следует исключить временные точки, соответствующие 84,1 и 95,6 нс, поскольку импульсы с началом в них обусловлены свойствами измерительной схемы. Это же касается и времени 82,2 и 95,6 нс на рисунке 4 в. Для рисунка 4 б в качестве точек начала фронта импульса–отклика следует выбрать точки 86,3 нс. На рисунке 4в он имеет явно выраженную форму и начинается, как показано к урсо ром, в точке 89,6 нс. Таким образом, измеренное значение T1 для диодов Д310 и Д226 Б составляет 6,3 и 9,6 нс. Используя график на рис унке 2 б, можно определить расчетное значение времени транзита, которое составит 1,4 и 3,3 нс, соответственно. Представленные результаты отражают общий принцип измерения времени транзита в качес тве примера характеристик быстродействия полупроводниковых элементов. При необходимости точность измерений можно повысить совершенствованием модели, используемой для определения функции TT (T 1), введя схему паразитных емкостей и индуктивностей, что позволит несколько точнее определять положение импульса–отклика на временной оси. Выводы

Экспериментальные методы определения характеристик быстродей-

ствия ПЭ не допускают формальных подходов и требуют тщательного подбора измерительного оборудования. Схемы измерений во многом определяют точность и достижимое качество результатов измерений, в особенности при последующем нелинейном пересчете, как это было показано для времени транзита. Уникальность используемых схем измерений, обусловленная большими рабочими частотами, принципиально не может быть устранена, что следует из приведенных примеров измерений. Однако использование качественных приборов и оснастки позволяет выявить их, что необходимо д ля однозначной трак товки результатов измерений. Литература 1. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Под ред. Ширма­ на Я. Д. М.: «Радиотехника». 2007.

2. Кечиев Л. Н. Проектирование печат­ ных плат для цифровой быстродейству­ ющей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ» 2007.

3. Иевлев В. И. Конструирование и тех­ нология электронных средств. Екатерин­ бург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2007.

4. Алексеев О. В., Головков А. А., Пиво­ варов И. Ю. и др. Автоматизация проек­ тирования радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов. Под ред. Алек­ сеева О. В. М.: Высшая школа. 2000.

5. Денисенко В. В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микрои наноэ лектр онике. М. : Физмат лит.

2010.

6. Назаров М. Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высшая школа. 2002.

7. Степаненко И. П. Основы микроэлек­ троники. М.: Лаборатория базовых знаний.

2001.

8. Лемешко Н. В. Основы проектиро­ вания интегральных микросхем. М.: б/и.

2010.

9. Лемешко Н. В., Кечиев Л. Н. Моделиро­ вание цифровых устройств с использова­ нием IBIS-описания интегральных схем. М.: МИЭМ. 2006.

10. Кузнецов В. А., Ялунина Г. В. Общая метрология. М.: Издательство стандар­ тов. 2001.

11. Кечиев Л. Н. Проектирование печат­ ных плат для цифровой быстродейству­ ющей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ».

2007.

12. IBIS-Standard. ver. 6.0. IBIS Open Forum 2013//http://eda.org.

13 . Ге н е р а т о р и с п ы т а т е л ь н ы х импульсов И1–15. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Документ ГВ3.264.107 ТО. 1985.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| Решения для пайки | Номенклатура паяльных паст, которые выпускаются на производстве Nordson EFD, сертифицированном по стандартам ISO9001, включает обширный набор качественных паяльных паст для трафаретной печати и дозирования. Они выпускаются в строгом соответствии с нормами IPC и требованиями международной системы классификации и маркировки химических веществ GHS. Компания Nordson EFD специализируется на разработке составов паяльных паст, которые отвечают самым высоким требованиям по эксплуатационным характеристикам, включая: -- малый шаг; -- повышенное смачивание; -- малый остаток; -- блестящий шов без свинца; отсутствие галогенидов. Паяльная паста Nordson EFD также идеально подходит для: -- трудноспаиваемых поверхностей (например, из нержавеющей стали); -- удлиненного цикла оплавления (более 6 мин); -- заполнения зазоров и пайки вертикальных поверхностей; -- быстрых циклов оплавления (менее 5 с); -- отслеживания в УФ-спектре; -- работы методом переноса или погружения. Компания Nordson EFD разрабатывает и поставляет не только традиционные, но и специализированные паяльные пасты, системы дозаторов и развивает партнерские взаимоотношения с заказчиками, предоставляя техническую поддержку, обеспечивая для них надежную пайку. Комплексные решения Nordson EFD позволяют существенно повысить выход готовых изделий и сократить расходы в производстве электроники. Подразделение по производству паяльных паст компании Nordson EFD четырежды получало награды за отличный сервис и поддержку производств электронной отрасли. www.nordson.com

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

57

РЕКЛАМА

электронные компоненты №3 2016

Гибридный силовой ключ на основе приборов из кремния и карбида кремния Александр Григорьев, workgral@gmail.com

Дискретные силовые компоненты

В статье рассматривается гибридный ключ Cross Switch XS, разработанный компанией ABB. Ключ состоит из параллельно включенных SiC MOSFET и Si SPT IGBT. Описываются экспериментальные исследования ключа. Полученные результаты сравниваются с модулями, построенными традиционным образом. В основу статьи лег материал [1].

58

Для приложений с высокой мощностью очень хорошо подходят силовые к лючи на основе карбида кремния (SiC). В настоящее время такие ключи с в ер т ик а л ьн о й с т ру к т у р о й п р о изводятся с достаточно большими максимально допустимыми токами. Максимально допустимое напряжение для традиционных униполярных кремниевых (Si) структур, таких как MOSFET и диоды с барьером Шоттки (SBD), составляет 1200 В, тогда как на SiC-приборах эта величина достигает 6500 В. В это м д и апа з о н е напр я же ни й конкуренцию SiC-приборам в широком диапазоне мощностей составляют популярные кремниевые IGBT. К достоинствам SiC MOSFET следует также отнести крайне низкие потери при малых токах, обусловленные только сопротивлением канала, тогда как у Si IGBT эти потери больше из-за пос тоянного падения напряжения 0,7 В на p‑n‑переходе даже при малых токах. Поэтому в приложениях, где потери ограничиваются во всем диапазоне токов нагрузки, SiC MOSFET выглядят привлекательной альтернативой. Однако для широкого внедрения SiC MOSFET необходимо преодолеть ряд проблем и ограничений. Одним из главных ограничений является высокая цена SiC-приборов, которая обусловлена производством подложки и дорогостоящим эпитаксиальным процессом, особенно когда речь идет о высоковольтных приборах с толстым базовым n‑слоем.

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Структура и схема включения гибридного ключа XS

Рис. 2. Сравнение структур IGBT

а)

б)

Рис. 3. Характеристики при 25°С: а) передаточные; б) вольтамперные

Дискретные силовые компоненты

а)

б)

Рис. 4. Выходные вольтамперные характеристики при 150°С: а) больших; б) малых токах

59

Рис. 5. Осциллограммы процесса выключения ключей

электронные компоненты №3 2016

Дискретные силовые компоненты

а)

б) Рис. 6. Зависимости энергии потерь при выключении и зависимость выброса напряжения в функции сопротивления затвора RG(OFF)

Уменьшение стоимости было бы возможно при уменьшении количества используемого карбида кремния, но при этом возрастает тепловое сопротивление прибора, и увеличиваются потери

60

Рис. 7. Осциллограммы токов короткого замыкания

www.elcomdesign.ru

на проводимость. Учитывая, что высоковольтные SiC MOSFET имеют положительный температурный коэффициент, потери из-за RDS(ON) увеличиваются в еще большей мене при высокой температуре.

При коммутации униполярных SiC MOSFET на фронтах возникает колебательный переходный процесс из-за отсу тствия избыточных носителей, которые всегда имеются в биполярных приборах, и из-за которых возникает токовый «хвост» при выключении биполярного ключа, обеспечивающий мягкое выключение. З а м е т и м т ак же, что по ср авне нию с биполярными устройствами, SiC MOSFET менее устойчивы к токам короткого замыкания, а диоды SBD – к импульсным токам. Таким образом, напр ашив ае тс я р е ш ение о бъ е ди нить в одну с трук т уру SiC MOSFE T и Si IGBT и таким образом использ о в ат ь до с то ин с т в о о б е и х с т ру кт у р. Ко м пани я AB B соз д а ла т ако е гибридное решение: матричный к люч – Cross Switch XS [1]. Струк т ура и с хема вк лючения гибридного ключа XS показана на рисунке 1. На практике такая гибридная топология, объединяющая разные типы полупроводниковых приборов, позволяет оптимизировать параметры ключа для разных приложений и суммировать преимущества обеих структур. В качестве антипараллельного диода для Si IGBT используется SiC SBD. Это довольно распространенная комбинация широко применяется в настоящее время. Такая топология позволяет уменьшить время обратного восстановления и потери на коммутацию по сравнению с использованием обычного кремниевого диода с быстрым восстановлением. Гибридная структура была исследована и в диапазоне напряжений менее 600 В, где, как правило, господствуют традиционные кремниевые MOSFET. И в этом случае были получены хорошие результаты.

нацией харак терис тик одиночных ключей. На рисунках 4а–б приведены выходные вольтамперные характеристики ключа XS и модулей из двух запараллеленных Si SPT IGBT и SiC M OSFE T. Испы т ани я пр о в од и ли сь в разном диапазоне токов, но при одинаковой температуре 150°C. Рисунок 4 показывает, что в гибридном к люче удается снизить потери при малых токах, т. е. при малых токах поведение гибридного ключа схоже с SiC MOSFET, а при больших токах падение напряжения на гибридном ключе меньше, чем на SiC MOSFET, т. е. он ближе к Si SPT IGBT. Таким образом, гибридный ключ в значительной степени унаследовал достоинства SiC MOSFET и Si SPT IGBT, попутно сгладив их недостатки. Дина м иче ск ие хар ак терис т ик и гибридного ключа оценивались при р аб оте на ин д у к т ив н у ю нагру зк у 60 нГн. В качес тве антипараллельного диода использовался 50 ‑А SiC SBD с номинальным напряжением 1200 В. Эксперимент проходил при температуре перехода 150 °C. На рисунке 5 показан процесс вык лючения гибридного ключа и модулей, состоящих из параллельных SPT IGBT и SiC MOSFET при сопротивлении в цепи затвора RG (OFF) = 10 Ом. Хорошо виден колебательный процесс при выключении SiC MOSFET модуля. На рисунке 5 отлично просматривается двойственная природа гибридного ключа; более раннее по сравнению с SPT IGBT отключение инициировано SiC MOSFET. Мягкий характер окончания процесса выключения и токовый хвост унаследованы от SPT IGBT. Отметим и отсутствие значительных выбросов напряжения и тока в процессе коммутации, что значительно облегчае т р ешение вопр о сов элек тр о магнитной совместимости силовых преобразователей и делает возможным использование гибридного ключа в высоковольтных и сильноточных приложениях при условии ограничения индуктивности рассеяния. При использовании только SiC MOSFET приходится вводить резистор RG (OFF) в цепь затвора, чтобы замедлить процесс коммутации и уменьшить колебательность переходного процесса. В описываемых экспериментах было также исследовано влияние резистора RG(OFF) в цепи затвора. Результаты представлены на рисунке 6. Зависимость эн ер гии потер ь пр и вык люч ении от резистора R G(OFF) определялась при 150°C (см. рис. 6а). Зависимость величины выброса напряжения VCEM определялась при температуре переходов 25°C (см. рис. 6б).

Как видно из полученных результатов, потери энергии при выключении в гибридном ключе практически при всех значениях R G(OFF) почти на 40% меньше, чем у SPT IGBT, но больше, чем у SiC MOSFET. Однако более мягкое выключение гибридного ключа по сравнению с SiC MOSFET с лихвой компенсирует этот проигрыш. Потери энергии гибридного к люча при вк лючении EON сос та вили 2,8 мДж. Измерения проводились при температ у р е пер е ходов 150 °C и резис торе в цепи затвора R G(OFF) =22 Ом. Сравнение с другими типами ключей показали, что потери в большей степени зависят от параметров антипараллельного диода SiC SBD и ус ловий комму тации, а не от параметра ключей. Разумеется, были проведены и испытания при коротком з а м ы к а н и и . Н а п р я же н и е з а т в о р а составило 15 В, а температура перехода – 150°C. Результаты испытаний показаны на рисунке 7. Как и следовало ожидать, ток короткого замыкания гибридного к люча равнялся сумме токов короткого замыкания одиночных SiC MOSFET и SPT. Этот же тест примерно с такими же результатами был повторен при увеличении напряжения на затворах до 19 В. Эксперименты показали успешнос ть гибридного к люча XS и возможность его работы в приложениях с напряжением 6,5 кВ, а в перспективе – и в приложениях с более высоким напряжением. В дальнейшем предполагается усовершенствование гибридного ключа с помощью параллельного соединения SiC MOSFET и RC IGBT или SiC MOSFET и BIGT (BIGT – объединение на одном кристалле RC IGBT и IGBT). В пос леднем варианте гибридный ключ сможет обойтись без внешнего антипараллельного диода и работать в двух квадрантах. Подытоживая результаты эксперимента, к преимуществам гибридного ключа следует отнести: -- малые потери на проводимость во всем диапазоне токов; -- малые потери на коммутацию; -- улучшенные тепловые характеристики; -- мягкое выключение, значительно меньшая колебательность переходного процесса. Литература 1. Munaf Rahimo. The Cross Switch “XS” Silicon and Silicon Carbide Hybrid//www.powermag.com.

2. Арендт Винтрих. IGBT/MOSFET: основ­ ные концепции и пути развития//www. power-e.ru.

электронные компоненты №3 2016

Дискретные силовые компоненты

Главная цель при создании гибридной топологии ключа Cross Switch XS состояла в уменьшении статических и динамических потерь при улучшении тепловых свойств, что позволит использовать гибридную топологию для множества приложений. Д ля исс ледования гибридной топологии на одной подложке использовалс я 120 0 ‑ В IGBT с максимально допус тимым током 25 А, изготовленный по фирменной техн о л о г и и A B B S o f t Pu n c h T h r o u g h (SPT), с параллельно установленным 120 0 ‑В SiC MOSFE T с максимально доп ус т и м ы м токо м 30 А и со пр о тивлением открытого канала R DS(ON) =80 мОм. Размер IGBT составил 6,5×6,5 мм, а размер SiC MOSFET – 4,1×4,1 мм. Соотношение ак тивных площадей IGBT и C MOSFET получилось равным 3:1. Номинальный ток этой гибридной топологии составил 50 А. Оба затвора были объединены и управлялись одним драйвером. Необходимо сделать небольшое отступление и буквально в двух словах описать технологию SPT для IGBT. Это, по сути, усовершенствованная технология Non Punch Through (NPT ). В н а с т о я щ е е в р е м я в се в е д у щ и е производители IGBT имеют в своей производственной линейке к лючи, реализованные по технологии NPT. Но в усовершенствованной технологии SPT от ABB за счет дополнительной зоны p+, которая играет роль поля FS (Field Stop), уменьшается толщина дрейфового слоя зоны n – по сравнению с технологией NPT. Следовательно, уменьшается и прямое падение напряжения. На рисунке 2 [2] показана структура IGBT с SPT-технологией (крайняя справа) и д ля сравнения показаны IGBT с PT-технологией (крайний слева) и IGBT с NPT-технологией (в центре). В экспериментальных исследованиях топологии Cross Switch XS для сравнения использовались еще два модуля: из двух параллельно соединенных Si SPT IGBT и из двух параллельно соединенных SiC MOSFET. Номинальный ток обоих модулей, как и ключа XS, составил 50 А. Напряжение управления затворами было одинаково для всех модулей. Испытаниям также были подвергнуты одиночные Si SPT IGBT и SiC MOSFET с номинальным током 50 А. На р и с у нке 3а пок аз аны пер е даточные характеристики при температуре 25°C, а на рисунке 3б – выходные вольтамперные характеристики гибридного ключа XS и одиночных Si SPT IGBT и SiC MOSFET при 150°C. Из рисунков видно, что характерис т ик и к люча X S яв л яю тс я ко м б и -

61

Разработка специализированного микроконтроллера для капсульной эндоскопии Сергей Шумилин, АО «ПКК Миландр»

Микроконтроллеры и микропроцессоры

В статье рассматриваются основные аспекты процесса и результаты разработки отечественной эндокапсулы. Разработка осуществлялась в компании АО «ПКК Миландр» по заказу ОАО НИИ «Компонент».

62

Капсульная эндоскопия – современный метод диагнос тики желудочно - к ишечного трак та. О снову метода составляет специальная эндоскопическая капсула – капсульный эндоскоп из оболочки, миниатюрной цифровой видеокамеры, устройства предварительной обработки, хранения и передачи видеоинформации и элементов питания. Благодаря миниатюрным размерам капсул эндоскопия с их помощью может проводиться даже у детей. Капсула проглатывается пациентом и за время естественного прохождения по желудочно-кишечному тракту осуществляет съемк у. Полученные результаты затем анализируются врачом-специалистом для определения диагноза. На капсулу накладывается ряд серьезных ограничений: габаритные размеры, время активной работы, объем обрабатываемой видеоинформации и многое другое. Эндокапсула представляет собой сложное высокотехнологическое устройство, которое выпускают многие иностранные компании. Капсульная эндоскопия получила широкое распространение благодаря значительно более щадящей, с точки зрения пациента, процедуре диагностики. Обычно пациенты соглашаются на традиционные методы эндоскопической диагностики, когда наличие проблем уже очевидно, тем самым упуская момент начала заболевания. Капсульная эндоскопия позволяет проводить диагностику заболеваний ЖКТ во время периодической или плановой диспансеризации. Но при этом существенным ограничением в распространении капсульной эндоскопии является высокая стоимость проведения процедуры. Цена

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Передача информации с эндокапсулы на внешний накопитель во время процедуры

Рис. 2. Накопление информации в эндокапсуле с ее последующим считыванием после окончания процедуры

представленного на рынке полного комплекта оборудования для капсульной эндоскопии превышает 1 млн руб. Стоимость существующих одноразовых капсул начинается с 10 тыс. руб. Стоимость процедуры для пациента варьируется в пределах 25–80 тыс. рублей. Основной целью разработки нового отечественного аналога было снижение стоимости не только самой капсулы, но и стоимости оборудования для проведения анализа и как следствие, снижение стоимости процедуры до уровня стоимости традиционного эндоскопического исследования. В настоящее время на рынке существует несколько эндокапсульных решений, в большинстве своем, импортного производства или с небольшой степенью отечественной локализации. Наиболее распространенные решения основаны на принципе прямой передачи видеоизображения по радиоканалу с капсулы на внешний накопитель, который пациенту необходимо носить с собой на протяжении всей процедуры. Принцип работы капсулы показан на рисунке 1. После окончания процедуры внешний накопитель передается врачу-специалисту для проведения анализа, а сама эндокапсула выходит из организма естественным путем и утилизируется. Основным недостатком метода является необходимость постоянного в течение длительного времени (до 12 ч) ношения закрепленного на теле специализированного накопителя. Это приводит к росту стоимости процедуры и усложняет ее проведение у детей или у людей с электрокардиостимуляторами. В другом методе видеоинформация накапливается в энергонезависимой памяти, встроенной в капсулу. Считывание информации с капсулы производится после ее естественного вывода из организма. Принцип работы показан на рисунке 2. Пациент в ходе процедуры полностью мобилен и не меняет своего распо-

Рис. 3. Структурная схема эндокапсулы разработки АО «ПКК Миландр» Оптическое – оптическое

ются и, при необходимости, обрабатываются (сжимаются) вычислителем системного контроллера. Сжатые изображения последовательно сохраняются в энергонезависимой памяти (ППЗУ1) с аппаратным контролем и коррекцией ошибок. Для экономии объема энергонезависимой памяти и энергии источника питания для получаемых датчиком изображений проводится «анализ движения», исключающий из обработки и сохранения избыточные (имеющие высокие значения по критерию схожести) изображения. Системный конт р о л л ер пр и в к люч е нии пи т ани я получает программный код и настройки для работы из внешней энергонезависимой памяти с последовательным интерфейсом (ППЗУ2). Вк лючение капсулы происходит непосредственно перед началом процедуры с помощью магнитного вык лючателя. Все питающие напряжения для элементов формируются с помощью встроенной

Микроконтроллеры и микропроцессоры

рядка дня, может покинуть медицинское учреждение и вести обычный образ жизни. Данный метод имеет наименьшую стоимость, поскольку не требует в ходе проведения процедуры какоголибо дополнительного оборудования. Возможная утеря капсулы нивелируется ее малой стоимостью. В результате именно этот метод был выбран для реализации капсулы в рамках данной работы. Электрическая схема капсулы представлена на рисунке 3. Капсула представляет собой встраиваемую систему, созданную на основе высокопроизводительной энергоэффективной программно-аппаратной вычислительной платформы с процессорным ядром и минимально необходимым набором периферийных устройств. Требуемая функциональность реализована, преимущественно, программно. Захваченные датчиком цветные изображения передаются в системную память, где анализиру-

63 Таблица. Характеристики эндокапсул различных производителей ФАКТУРА-П (техническое)

MiroCam

EC1

PillCam SB2

OMOM Capsule

Фирма

Миландр

IntroMedic

Olympus

Given Imaging

Jinshan Science Technology

Страна

Россия

Ю. Корея

Япония

Израиль

Китай

400×400

320×320

256×256

256×256

256×256

11/27

11/24

11/26

11/26

13/28

Название

Разрешающая способность сенсора, пикс. Размер, Ø/длина, мм Вес, г

4,5

3,2

3,8

3,45

6

Угол обзора, °

140

170

145

156

140

Кол-во кадров/с

5

3

2

2

2

Время автономной работы, ч

8

12

8

8

9

Встроенный, 512 Мбайт

Внешний

Внешний

Внешний

Внешний

70

45

45

45

–

Накопитель Время снятия данных, мин

электронные компоненты №3 2016

Микроконтроллеры и микропроцессоры

Рис. 4. Вид эндокапсулы: 1 – печатная плата с компонентами; 2 – светодиоды подсветки; 3 – магнитный выключатель; 4 – пружинные контакты к элементу питания; 5 – объектив; 6 – держатель объектива; 7 – элемент питания; 8 – прозрачный корпус; 9 – колпачок

подсистемы питания, обеспечивающей нормальное функционирование капсулы вплоть до полного разряда элемента питания. Для безопасного завершения работы системный контроллер отслеживает остаточный заряд на элементе питания, и при разряде ниже заданного уровня корректно завершает сбор информации и выключает капсулу. Вид эндокапсулы представлен на рисунке 4. В ходе разработки были получены данные по энергозатратам основных узлов, датчика изображения, энергонезависимой памяти и элементов освещения. Кроме того, были проанализированы существующие и уже мас-

сово выпускаемые микроконтроллеры, обладающие достаточным функционалом для реализации системного контроллера капсулы. Для решения задачи по обработке потока видеоинформации у существующих малопотребляющих микроконтроллеров не хватает производительности, а высокопроизводительные МК превышают лимит уровня энергопотребления. В результате для создания капсулы было принято решение о разработке специализированного 32‑разрядного микроконтроллера для построения капсулы. Основным требованием к микросхеме МК было ограничение по току потребления на уровне

64

Рис. 5. Кристалл специализированного микроконтроллера для эндокапсулы в корпусе QFN-48

www.elcomdesign.ru

не более 0,1 мА/МГц с максимальной тактовой частотой до 75 МГц. В ходе разработки микроконтроллера применялись разные методы, позволяющие уменьшить потребление схемы. Для создания конкретного алгоритма были получены профили токов потребления на разных этапах работы всего устройства. В результате была получена микросхема для изготовления по технологии 90 нм на фабрике TSMC. Фотография кристалла разработанной микросхемы представлена на рисунке 5. Размер кристалла специализированного микроконтроллера составил 2,6×2,9 мм. Кристалл упакован в корпус QFN‑48. На базе полученной микросхемы были получены экспериментальные образцы эндоскопических капсул. Для считывания информации с капсулы был разработан специальный считыватель, передающий всю накопленную информацию в ПК. Для полученных образцов были проведены предварительные испытания, которые показали полное соответствие всем техническим требованиям. Функциональные характеристики разработанной в АО «ПКК Миландр» эндокапсулы представлены в таблице в сравнении с аналогами. Полученные экспериментальные образцы эндокапсулы переданы заказчику для проведения полного комплекса испытаний и сертификации. Заказчик осуществляет разработку автоматизированного рабочего места врача, где с помощью специального программного обеспечения обеспечивается автоматический экспресс-анализ полученных результатов и более детальный ручной режим просмотра результатов для более точной диагностики.

РЕКЛАМА

65

РЕКЛАМА

электронные компоненты №3 2016

СБИС на базе ядра NMC3 для программного приемника навигационных сигналов Дмитрий Косоруков, Алексей Эйсымонт, Владимир Осипов, Аркадий Панфилов, Владимир Черников, Павел Виксне, Александр Шелухин, Илья Насонов, ЗАО НТЦ «Модуль» В статье представлены результаты разработки программного навигационного приемника класса «система-на-кристалле» на базе ядра NeuroMatrix NMC3, предназначенного для векторно-матричной обработки потока данных произвольной разрядности.

ПЛИС и СБИС

Введение

66

Развитие цифровых систем связи, телевидения, спутниковой навигации и связанное с этим создание многочисленных стандартов передачи и кодирования сигналов делают актуальной задачу создания универсальных аппаратных средств – т. н. цифрового программного радио (software defined radio, SDR) [1–2]. Примером такого подхода может служить полностью программный навигационный приемник от компании SPIRIT Telecom. Этот приемник, предназначенный для бытового применения, состоит из модуля высокочастотного преобразователя, подключаемого к персональному компьютеру. Все необходимые вычисления производит процессор персонального компьютера типа Atom или Core2Duo с SSE-расширением системы команд. При изменении стандартов или появлении новых навигационных систем необходимо только обновить программное обеспечение, оставив аппаратную часть без изменения. Однако эта реализация имеет и свои недостатки, которые заключаются в необходимости иметь мощный персональный компьютер. Подавляющее число приложений с программными приемниками относится к встраиваемым системам, что не позволяет задействовать традиционные компьютеры. Решение этой проблемы состоит в использовании высокопроизводительных процессоров цифровой обработки сигналов (ПЦОС). Усложнение структур сигналов и их многообразие требуют разработки новых архитектур ПЦОС с производительностью свыше 10 GMAC и построения на основе ядер таких процессоров микросхем типа система-на-кристалле. С другой стороны, уменьшение технологических норм позволяет повысить тактовую частоту и производительность СБИС. В традиционной же реализации

www.elcomdesign.ru

навигационного приемника частота работы СБИС для первичной обработки привязана к частоте поступающих данных, и переход на лучшие технологические нормы не обеспечит увеличения производительности. Т. о., была поставлена задача разработки программного навигационного приемника, архитектуру которого можно перенести с минимальными изменениями на более совершенные технологии; при этом производительность приемника при переходе на лучшую технологию должна увеличиться. Мы обсудим результаты разработки оригинального цифрового программного приемника класса SDR, который предназначен для применения в различных системах навигации на базе процессорного ядра с запатентованной архитектурой NeuroMatrix Core NMC3. Введение в архитектуру

Общепринято разделение процесса обработки навигационных сигналов на два этапа – первичную и вторичную обработку. В процессе первичной обработки происходит частотный перенос сигнала (гетеродинирование), передискретизация, форматирование отсчетов и корреляционная обработка. На этапе вторичной обработки выделяется информационная составляющая и дальнейшая целевая обработка. После первичной обработки существенно понижается темп отсчетов в потоке данных. Снижение темпа позволяет произвести дальнейшую, вторичную обработку отсчетов на процессорах общего назначения. Основными операциями первичной обработки являются: вычисление свертки; умножение с накоплением; преобразование Фурье; поиск максимума; комплексное умножение векторов. Первичная обработка является наиболее затратной, и наличие способно-

го ее выполнить процессора является основной задачей, которую необходимо решить при проектировании программного навигационного приемника. Только после обоснования возможности выполнить первичную обработку на ядре NMC3 было принято решение использовать именно это ядро [3]. Программная обработка подразумевает запись входных данных во внутреннюю память и их последующую обработк у процессорным ядром. Поскольк у входные данные могут поступать из разных источников и иметь разный формат, для приведения этих данных к формату, удобному для обработки и для записи в память, был добавлен блок каналов предварительной обработки (каналы ПОС). Кроме того, в него были выведены функции, требующие однократного применения и позволяющие значительно уменьшить входной поток. Для вторичной обработки желательно наличие арифметического узла с плавающей точкой. Помимо вторичной обработки также необходим процессор для управления всей системой (загрузка начального кода, инициализация интерфейсных блоков для обмена данными с внешними устройствами). Для минимизации аппаратуры было принято решение о том, что вторичной обработкой и управлением займется один и тот же процессор. Поскольку на текущий момент большинство интерфейсных IP-блоков имеет стандартные шины для подключения (PLB6, AMBA AXI и т. д.), то лучше, чтобы управляющий процессор имел данные шины. Архитектура процессорной системы на базе ядра NMC3

Основу процессорной системы для первичной обработки составляет ядро ПЦОС NeuroMatrix Core NMC3, разработанное в ЗАО НТЦ «Модуль». Пре-

Рис. 1. Операционное устройство векторного сопроцессора

Рис. 2. Зависимость производительности от разрядности входных данных

В з а в и си м о с т и о т п р и л оже н и я можно выбрать необходимую разрядность входных данных и результата (точность вычислений). Число умножений и сложений (MAC), выполняемых за один такт, зависит от разрядности операндов. Наибольшая производительность – 224 MAC – достигается при работе с двухразрядными операндами. Имеется возможность поднять точность вычис лений, ес ли увеличить разрядность операндов до 32‑х. В этом случае обеспечивается производительность 2 MAC и 64‑разрядный результат. Загрузка новых весовых коэффициентов в операционное устройство осуществляется за то количество тактов, за которое требуется загрузить строки весовых коэффициентов, т. е. за 1–32 такта. Чтобы компенсировать задержку при изменении весов, используется теневая матрица. Новые коэффициенты грузятся в теневую матрицу в фоновом режиме и затем за один такт переписываются в рабочую. Чтобы предотвратить переполнение, аппаратно реализована функция насыщения над 64‑разрядными словами

упакованных данных, причем границы насыщения задаются с помощью программно доступных регистров управления этой функцией. Функция насыщения не уменьшает разрядность входных операндов, но сокращает число значащих разрядов в каждом элементе входного вектора. Эта архитектура позволяет эффективно решать широкий круг задач, включая различные векторно-матричные вычислительные операции, вычисление преобразования Фурье, Адамара, цифровую фильтрацию, цифровую коммутацию [5–6]. Процессорная система на базе ядра ПЦОС NeuroMatrix Core NMC3 (см. рис. 3) содержит следующие функциональные узлы: NMC3 (NeuroMatrix Core 3) – ядро ПЦОС NeuroMatrix Core; NMUSC (NMU System Controller) – системный контроллер процессорной системы NMU. Этот контроллер содержит программно доступный со стороны периферийный регистр NMC3, который выполняет функции управления прерываниями другим процессорным системам.

электронные компоненты №3 2016

ПЛИС и СБИС

дыдущее поколение этого ядра было реализовано в процессорах Л1879 ВМ1 (NM6403) и 1879 ВМ2 (NM6404). Данное ядро реализовано в процессоре 1879 ВМ4 (NM6405) [7–8]. Ядро сос тоит из дву х основных частей: RISC-ядра, выполняющего скалярные арифметические логические операции, а также операции сдвига над 32‑разрядными данными и формирующего операции по управлению потоком команд и матрично-векторным сопроцессором, который осуществляет арифметические и логические операции над 64‑разрядными векторами данных произвольной разрядности. Обмен процессорного ядра с внешними устройствами осуществляется с помощью шести 64‑разрядных шин: команд (IB), скалярных данных (SDB), векторных входных данных (VDIB), весов (WB), входных данных векторного регистра (VRB) и векторных выходных данных (VDOB). Матрично-век торный сопроцессор содержит операционное устройство регулярной структуры, похожее на матричный умножитель (см. рис. 1). Оно состоит из ячеек, содержащих одноразрядную память (триггер) и комбинационную логику. Пользователь может поделить матрицу ячеек на макроячейки, используя программно доступные конфигурационные регистры. Эти регистры задают границы между строками и столбцами макроячеек таким образом, что каждая макроячейка выполняет операцию умножения элемента входного вектора Xi на заранее загруженный вес W ij . Результат прибавляется к выходному значению верхней макроячейки, расположенной в том же столбце. Т. о., за один такт в каждом столбце независимо вычисляется свой результат. Число операций умножений с накоплением зависит от разрядности входных операндов и весов. Конфигурация векторного узла может меняться динамически в процессе вычислений. Можно начать вычисления с небольшой разрядностью и с большой производительностью, а затем, по мере накопления разрядности в промежуточных результатах, перейти к обработке данных большей разрядности за счет снижения быстродействия. На рисунке 2 представлена зависимость производительности от разрядности входных операндов и весов. Т. о., архитектура векторного сопроцессора дает уникальную возможность варьировать между производительностью и точностью вычислений для базовой процедуры:

67

ПЛИС и СБИС

Рис. 3. Структура процессорной системы на базе ядра NMC3

68

T I M ER 0 и T I M ER1 – д в а 32‑ р а з рядных таймера. Таймеры идентичны по функциям, независимы друг от друга и предназначены для отсчета задаваемых интервалов времени для ядра NMC3. Каждый из таймеров может работать как в непрерывном режиме, так и в режиме однократного запуска.

PU (Permutation Unit) – блок упаковки/распаковки векторов данных. Этот блок выступает в роли сопроцессора для NMC3. Его задачей является преобразование потоковых данных в такой формат, который более удобен для обработки в NMC3 (распаковка/переупаковка) или для хранения в памяти (упаковка). Применение PU позволяет повысить эффективность ядра NMC3 для решения таких задач к ак корр е л яц и я и ли ф и льт р ац и я , сохранив коэффициенты для той же корреляции или фильтрации, а также результаты обработки в компактном виде. PU аппаратно под держивает следующие операции: -- распаковк у входного век тора в выходной с элементами заданной большей разрядности (до 64 разрядов), чем в исходном векторе, и возможностью распространения знака или нуля внутри элемента; -- распаковк у входного век тора с элементами одноразрядных данных. При этой операции единица во входном слове кодирует значение «–1», а нуль – «1». Данная функция позволяет экономить память при хранении длинных корреляционных последовательностей; -- у п а к о в к у в х о д н о г о в е к т о р а в выходной с элементами заданной меньшей разрядности (до одного разряда), чем в исходном векторе, с возможностью выбора любых необходимых разрядов (соседних) внутри элементов с отбрасыванием остальных;

www.elcomdesign.ru

-- преобразование входного вектора в диагональную матрицу (может использоваться для ускорения скалярного произведения векторов в NMC3); -- запись элементов входного вектора в столбцы выходной матрицы или обратное этому преобразование; -- доступ к хранящимся в памяти векторам с адресацией (начальным смещением) до элемента этих векторов (вплоть до одного разряда); -- возможность работы с блоками данных в памяти как с циклическими буферами (вычисление адреса данных по модулю заданного числа).

INTC (Interrupt Controller) – контроллер прерываний, который формирует запрос для NMC3 и соответствующий ему адрес-вектор INT VEC. AGU (Address Generator Unit) – блок адресных генераторов, который получает запрос на обмен данными с памятью от ядра NMC3 (начальный и конечный адрес, смещение, число обращений), затем формирует адреса и управляет

Рис. 4. Структура блока каналов ПОС

шинным коммутатором BS, освобождая от этого процессор. Благодаря шести шинам ядра NMC3 и наличию в блоке шести адресных генераторов имеется возможность осуществить до шести операций ввода-вывода за один такт.

BS (Bus Switch) – шинный коммутатор, позволяет процессорному ядру NMC3 и блоку PU организовать передачу данных от четырех банков внутренней памяти и двух внешних шин MB1, MB2 к внутренним шинам ядра.

NMB (NeuroMatrix Memory Bank) – банк памяти, в котором длина слов может достигать 32‑х или 64‑х разрядов. Обмен данными с другими процессорными системами и блоком общей памяти осуществляется через шины MB1, MB2 (инициатором обмена является ядро NMC3 или блок PU) или по шине SB (инициатором обмена является внешняя процессорная система). Наиболее эффективная работа ядра NMC3 достигается при работе с собственными банками памяти NMB3 – NMB0. Каналы ПОС

Как упоминалось, канал ПОС реализует функции, требующие одно кратного применения и позволяющие значительно уменьшить входной поток. Канал осуществляет упаковку результата в 64‑разрядные слова для записи в память, с которыми может работать ядро NMC3. Помимо этого, канал ПОС производит выбор источника сигнала. Разработанная структура блока каналов ПОС приведена на рисунке 4. Каждый канал ПОС имеет независимые входные мультиплексоры, которые позволяют выбрать источник входных данных: АЦПn – АЦП0, входы Sm/Mm – S0/M0 или данные из памяти. Данные с входов Sx/Mx могут принимать значения –2, –1, +1, +2.

мультиплексируются, и формируется адрес для записи в память. Возможно несколько вариантов формирования адреса: непрерывный и блочно-циклический. При непрерывной адресации данные для каждого канала записываются по последовательным адресам. При блочно-циклической адресации данные каждого канала записываются в память, используя два буфера. Таким образом, сначала записываются данные в буфер0, потом в буфер1, затем снова в буфер0 вместо старых данных и т. д. Смена буфера происходит по временной метке от интервального таймера, разделяя поток данных на кадры. Это позволяет обрабатывать данные в одном буфере, пока заполняется другой буфер. Если при этом буферы выделены в разных банках, конфликты при обращении к памяти не возникают. На фоне обработки текущего кадра управляющая программа осуществляет анализ и новую настройку каналов, используя теневые регистры. По приходу временной метки управляющая информация настройки канала переписывается из теневых регистров в рабочие, и каналы синхронно перестраиваются. Интервальный таймер, вырабатывающий временные метки (на рисунке не показан), может создавать программируемые временные метки. При настройке каналов ПОС следует уделять внимание суммарному выходному потоку данных со всех каналов. Каждый канал ПОС имеет аппаратные средства для контроля над превышением пропускной способности. Дос тоинс твом этой реализации является полностью программная первичная обработка (за исключением каналов ПОС). В полной мере применяется и главная особенность ядра NMC – программная настройка разрядности обрабатываемых данных. При фильтрации помех используются многоразрядные данные. Разрядность уже отфильтрованного сигнала уменьшается до двух бит, и вычисляется автокорреляционная функция. Использование малоразрядных данных позволяет увеличить производительность ядра NMC3. Таким образом, в зависимости от конкретной задачи появляется гибкость в выборе количества и качества обрабатываемых каналов. При недостаточной производительности одной процессорной системы NMC3 можно увеличить число процессорных систем на базе NMC3. Варианты архитектуры с высокой производительностью

В реализации, использующей только каналы ПОС, имеется несколько недостатков, а именно, количество

каналов ПОС должно соответство вать количеству спутников (поскольку каждый спутник имеет свою доплеровск ую частот у). Кроме того, д ля навигационных приемников геодезического класса необходима обработка большого количества каналов (200 и более). Практические расчеты показали, что для этого необходимо при использовании проектной нормы 90 нм увеличить число процессорных систем на базе NMC3 до 8–10. Это, в свою очередь, приведет к большому энергопотреблению. В результате был проработан еще один вариант по реализации навигационного приемника. Основная идея заключается в том, что канал ПОС настраивается на частоту спутниковой системы, и происходит выделение группы спутников. Далее программно-аппаратный блок корреляторов (БК) обрабатывает несколько раз на частоте процессора полученный пакет данных. Каждый раз происходит выделение конкретного спутника. При этом количество каналов ПОС определяется необходимым числом обрабатываемых частотных интервалов. Процессорная система NMC3 осуществляет поиск спутника, подавление промышленных помех, подготовку данных для БК, его настройку и анализ результатов работы БК. На рисунке 5 приведена структура канала блока корреляторов. Канал БК выделяет конкретный спутник, вычисляет корреляционную функцию полученных отсчетов и дальномерного кода, сформированного генератором дальномерного кода (ГДК). ГДК формирует точную (P), две опережающих (E, EE) и две запаздывающих (L, LL) последовательности. Способ формирования дальномерного кода и смещение для последовательностей E, EE, L, LL относительно последовательности (P) задается программно. Подкачка новых данных осуществляется из внутренней памяти СБИС без участия процессора. После обработки заданного числа отсчетов результат корреляции используется процессором, после чего канал может быть проинициализирован и запущен заново. Блок корреляторов состоит из нескольких каналов, количество которых зависит от требуемой производительности (см. рис. 6). Кроме того, БК содержит блок памяти для формирования дальномерного кода. Разрядность отсчетов для БК – два или четыре бита. Поскольку БК работает на частоте процессора, превышающей частоту поступления входных данных, один и тот же аппаратный канал может запускаться несколько раз за время накопления следующего пакета данных. Тем самым один

электронные компоненты №3 2016

ПЛИС и СБИС

Цифровой процессор позволяет модифицировать первичную обработку в соответствии с потребностями пользователя. Одной из важных задач современного навигационного приемника является подавление узкополосных (промышленный) помех при приеме навигационного сигнала. Было проработано несколько вариантов решения данной задачи на ядре NMC3 [4]. Поскольку при решении этой задачи во многих алгоритмах требуется увеличить разрядность входного сигнала до 8–12 бит, помимо стандартных 2‑бит данных в каналах ПОС предусмотрены многоразрядные входы. Наилучшие характеристики достигаются при подключении к этим входам выходов АЦП, которые должны находиться на том же кристалле. Интегрированный АЦП повышает потребительские свойства СБИС и упрощает проектирование конечного устройства. Если необходимости в подавлении помех нет, эти входы канала ПОС могут отсутствовать. Мультиплексор Т‑кодов подключает генератор к умножителю, осуществляющему умножение входных данных вещественного сигнала на сигнал генератора Т‑кода. Результат умножения может только изменить знак входных данных. Основное применение данной функции – калибровка входного тракта. После этого осуществляется цифровое гетеродинирование, накопление сигнала для каждой составляющей I и Q комплексного сигнала (выполняется на накапливающем сумматоре НС1) и нормализация. Число накоплений задается программно. Цифровой генератор смесителя основан на таблице sin/cos 4х или 6‑бит значений. Нормализация осуществляется путем арифметического сдвига в сторону младших разрядов каждой составляющей комплексного сигнала. Для дальнейшей обработки используются 8‑разрядные значения (I и Q) комплексного сигнала. Результат поступает на вход схемы накопления и упаковки (СНУ). СНУ упаковывает полученные результаты обработки в 64‑разрядные слова для записи в память. Упаковка комплексных отсчетов сигнала выполняется в два 64‑разрядных слова. Реализована упаковка 8-, 4‑и 2‑бит отсчетов. Частота поступления отсчетов с выхода схемы упаковки, соответственно, в 8, 16 или 32 раза меньше, чем на входе. Для удобства дальнейшей обработки составляющие I и Q комплексного сигнала могут чередоваться или упаковываться в отдельные слова. Выход каждого канала – одно или два 64‑разрядных слова. Число таких каналов ПОС должно соответствовать числу отслеживаемых спутников. Выходные данные с каналов

69

Рис. 5. Структура канала блока корреляторов

аппаратный канал может обрабатывать несколько спутников. Количество спутниковых каналов определяется формулой: P = F/Fвх. д., где P – количество спутниковых каналов; F – процессорная тактовая частота; Fвх. д. – частота поступления входных данных. Из приведенной формулы видно, что с повышением процессорной частоты количество спутниковых каналов увеличивается. Практическая реализация

ПЛИС и СБИС

Рис. 6. Структура блока корреляторов

70

Рис. 7. Структура СБИС 1879ВЯ1Я

www.elcomdesign.ru

В НТЦ «Модуль» была выпущена СБИС 1879 ВЯ1 Я, которая соответствует архитектуре с каналами ПОС. Структурная схема СБИС представлена на рисунке 7.

СБИС содержит две процессорные системы на базе NMC3, четыре 12‑разрядных АЦП, четыре входа S/M, 24 канала ПОС. Частота работы процессорных систем NMC3–320 МГц. В качес тве процессора вторичной обработки было выбрано ядро AR M1176 JZF-S (р аб оча я час тот а – 160 МГц). В состав ядра ARM1176JZF-S вход ят с ледующие основные компоненты: процессор целочисленной арифметики, векторный сопроцессор плавающей точки (VFP), блок отладки, кэш команд 16 Кбайт, кэш данных 16 Кбайт, блок управления памятью, шинный интерфейс AMBA AXI, совместимый с шинной спецификацией AMBA 3.0.

Кроме того, процессорная система осуществляет обмен данными с внешними устройствами через интерфейсы (SPI, UART, GPIO, USB). У этого процессорного ядра – достаточная производительность для вторичной обработки и обмена данными с внешними вычислителями. Экспериментальные данные, полученные на данной СБИС, свидетельствуют о том, что одна процессорная система на базе NMC3 может осуществлять поиск и слежение за 20 спутниковыми каналами. Структура варианта с БК реализована в СБИС СНП-ВП. Структурная схема СБИС представлена на рисунке 8. Количество каналов ПОС – 8. Количество аппаратных каналов в БК – 16. На текущий момент ведется отладка программных алгоритмов обработки. Ожидается, что эта микросхема позволит обрабатывать до 250 спутниковых каналов. Выводы

Предложенная архитектура вычислительной системы на базе ядер ПЦОС NMC3 позволяет создавать высокопроизводительные программные приемники навигационных сигналов всех существующих спутниковых навигационных систем. Разработанный многосистемный программный навигационный приемник на процессорном ядре NMC3 подтверж-

дает, что эта идея является реализуемой уже на технологии с проектными нормами 90 нм. При снижении проектных норм и повышении частоты процессорной системы характеристики программного приемника будут существенно улучшаться. Основными достижением данного подхода является: -- использование этой элементной базы не только для существующих, но и для будущих навигационных систем и изменений/дополнений уже существующих стандартов; -- высокая производительность, повышающаяс я при переходе на технологию с лучшими характеристиками; -- использование этой элементной базы при решении широкого круга задач. Литература 1. Rajagopal Sridhar, Rixner Scott, Cavallaro Joseph R. A programmable baseband processor design for software defined radios//IEEE Midwest Conference on Circuits and Systems. 2002.

August.

2. Glossner John, Iancu Daniel, Lu Jin, Hokenek Erdem, Moudgill Mayan. A software defined communications baseband design//IEEE Communication magazine. 2003. January.

3. Применение нейропроцессора Л1879 ВМ1 для поиска и обнаружения сиг­

налов ГЛОНАСС/GPS//Нейрокомпьютеры: разработка и применение. № 10–11 б 2005.

4. Добриков В. А., Сахно И. В. Примене­ ние нейропроцессора Л1879 ВМ1 для пода­ вления узкополосных помех в системах с шумоподобными сигналами//Нейроком­ пьютеры: разработка и применение. 2005. № 10–11.

5. Мушкаев C. В. Реализация ранжирую­ щих и медианных фильтров на процессоре NM6403 (Л1879 ВМ1)//Цифровая обработка сигналов. 2005. № 1.

6. Кашкаров В. А., Мушкаев С. В. Организа­ ция параллельных вычислений в алгоритмах БПФ на процессоре NM6403//Цифровая обра­ ботка сигналов. 2001. № 1.

7. Черников В. М., Виксне П. Е., Шелухин А. М., Шевченко П. А., Панфилов А. П., Косоруков Д. Е., Черников А. В. Семейство процессоров обра­ ботки сигналов с векторно-матричной архитектурой NeuroMatrix//Электронные компоненты. 2006. № 6.

8. Черников В. М., Виксне П. Е., Шелу­ х и н А . М . , П а н ф и л о в А . П . О т е ч е ­ ств е нны е в ысо ко п р о изв о д и т е л ьн ые процессоры цифровой обработки сигна­ лов векторно-матричной архитектуры, перспективы развития//Материалы кон­ ференции. Перспективы развития высоко­ производительных архитектур. История, современность и будущее отечественного компьютеростроения. Сборник научных трудов ИТМиВТ. М. ИТМиВТ им С. А. Лебедева РАН. 2008. Вып. № 1.

ПЛИС и СБИС

71

Рис. 8. Структура СБИС СНП-ВП

электронные компоненты №3 2016

Способы интеграции системы-на-кристаллах Рон Уилсон (Ron Wilson), компания Altera

ПЛИС и СБИС

В системах-на-кристалле все необходимые элементы размещаются на одном кристалле кремния. Несовершенство и несовместимость технологий, а также физические ограничения до сих пор не позволяли создавать системы на нескольких кристаллах кремния, но все эти проблемы уходят в прошлое.

72

В настоящее время благодаря снижению стоимости установки нескольких кристаллов в один корпус, новым высокоскоростным последовательным приемопередатчикам, а также неэлектрическим соединениям появилась возможность размещать ядра, входящие в состав системы, в нескольких кристаллах. Разработчики получили возможность воплощать идеи, которые прежде были неосуществимы из-за ограничений на полосы пропускания или потребляемую мощнос ть. Э то значит, что новые сочетания таких параметров как производительность, эффективность и компактность стали намного опережать харак теристики сис тем, которые пред лагаютс я на рынке в настоящее время. Разделение системы

Любое обсуждение системы из нескольких кристаллов должно начинаться с ее разделения на функциональные части. Варианты размещения определяются требованиями, предъявляемыми к пропускной способности и задержкам между подсистемами разрабатываемого устройства. Необходимо понимать различие меж ду двум я этими параметрами. В широких синхронных параллельных шинах пропускная способность и задержки, как правило, связаны обратно-пропорциональной зависимостью: чем меньше задержки, тем выше пропускная способность. Необходимо понимать, что проис ходит в каждом канале между подсистемами (см. рис. 1): эти связи критичны по задержкам или по пропускной способнос ти? А , может, по обоим параметрам? Как правило, система раз-

www.elcomdesign.ru

деляется таким образом, чтобы минимизировать количество ограничений на связь между блоками. Такой подход обеспечивает наибольшую свободу при размещении систем-на-кристалле, ПЛИС или при разделении системы на блоки, размещаемые на нескольких кристаллах. Поскольк у использование некотор ы х из н аи б о л е е э ф ф е к т и в н ы х методов построения межсоединений на одном крис талле и меж ду кристаллами сопряжено со значительной начальной задержкой при высокой скорости, необходимо создать блоки, допускающие большие задержки. Очевидно, что для некоторых приложений это не всегда является возможным. Например, небольшая дополнительная задержка внутри цикла управления может перевести систему в нестабильное состояние. В таких случаях не остается иного выбора кроме как

интегрировать все блоки, входящие в этот цикл, в один кристалл либо же увеличить расходы и мощность, перейдя на широкую параллельную шину для параллельных межкристальных соединений. Существуют и приложения, у которых требования к величине начальной задержки не очень строгие, но сущес твенна пропускная способнос ть. Примером таких приложений служат системы обработки сигналов и построения видеоизображений, осуществляющие обработку больших потоков данных. Часто такие вычисления реализуются с помощью конвейерной архитектуры, которая относительно невосприимчива к предсказуемым задержкам. В большинстве конвейерных систем задержки между блоками влияют только на время появления сигнала на выходе относительно входа, но не на общую пропускную способность.

Рис. 1. Требования к соединениям между функциональными блоками. Функциональные блоки ограничивают выбор при размещении на одном и на нескольких кристаллах

В д р у г и х п р и л о ж е н и я х , к о гд а алгоритм не поддается легкой конвейеризации, данные разделяются на большое количество отдельных потоков. При этом можно эффективно компенсировать продолжительные и даже непредсказуемые задержки, выбирая другой, готовый к выполнению поток, если обработка текущего потока задерживается. Аппаратная поддержка многопоточного режима, которая предоставляется некоторыми современными компьютерными ядрами и особенно широко применяется в графических процессорах, минимизирует издержки при переключении потоков. Таким образом, несмотря на то, что задержки между входными потоками данных и результатами их обработки на выходе значительные и даже непрогнозируемые, общая пропускная способность системы остается высокой и почти не зависит от внутренних задержек. Как бы то ни было, ес ли проектируемое приложение не зависит от роста задержки, появляется возможность повторно разделить систему с использованием сетей-на-кристалле GALS (globally asynchronous, locally synchronous). Эта архитектура позволяет компенсировать длинные межсоединения, а также размещать некоторые блоки на отдельных кристаллах. Мы обсудим варианты соединения блоков в системах на нескольких кристаллах. Размещение на нескольких кристаллах

меньшую задержку ценой усложнения конструкции и изготовления. Ведется работа и в другом направлении, чтобы обеспечить высок ую плотность упаковки и малый импеданс сквозных переходных соединений, не усложняя техпроцесс и не снижая выход годных. Одним из результатов такой работы стала технология EMIB (emb e dde d multi - die interconne c t bridge – встроенный мост для межкристальных соединений), которая применяется на фабриках Intel. Технология EMIB, как и CoWoS, относится к классу 2.5D – в ней отдельные кристаллы устанавливаются на подложку лицевой поверхностью вниз. Однако в технологии EMIB для связи м е ж д у крис та л лами прим еняетс я не промежуточный слой со сквозными переходными отверстиями, а контактные выводы на лицевой стороне подложки и шариковые выводы на нижней части корпуса. Стандартная подложка позволяет реализовать много вариантов межсоединений, но ее металлические проводники расположены с широким шагом, чтобы обеспечить соответствие контактам ввода/вывода на корпусе микросхемы. Поскольк у плотность таких межсоединений недостаточно высока для связи между отдельными кристаллами, компания Intel ввела в конструкцию мост. Согласно технологии EMIB, на лицевую сторону подложки устанавливаются небольшие прямоугольные кремниевые вставки таким образом, чтобы при монтаже кристалла дальние от кристалла края моста оказались под краями соседних кристаллов. При этом образуется очень плотное и короткое электрическое соединение между соседними кристаллами кремния. При возможности обойтись менее плотными соединениями между кристаллами на стандартной подложке применяются менее дорогостоящие подходы. Один из них – InFO (integrated fan-out – компоновка с интегрированным разветвлением) от TSMC. Эта технология, изначально разработанная для производства пластин со стан-

Рис. 2. С помощью технологии InFO на синтетической пластине создаются уровни межсоединений под многокристальными кластерами, благодаря чему многокристальные модули получают общую подложку

электронные компоненты №3 2016

ПЛИС и СБИС

И н т у и т и в н о п о н я т н о, ч т о л у ч ший способ максимально увеличить пропускную способнос ть и мини мизировать задержку между блоками – расположить их как можно ближе друг к другу. С этим принципом связаны надежды на корпусирование кристаллов по схемам 2.5D и 3D. Традиционно ассоциировавшиеся с высокими затратами и вопросами по надежности, эти подходы переживают ренессанс, расширяя области своего применения высокопроизводительной военной техникой, стандартными системами и даже решениями с малой стоимостью. П ож а л у й , с а м ы й о б с у ж д а е м ы й 2.5D/3D-поход, а именно, технология сквозных межсоединений в кремниевой подложке (through-silicon vias – TSV), по-прежнему применяется для р е ш е н и й с т ар ш е го к л асс а . П е р е ходные отверс тия проход ят через всю толщину кристалла, передавая сигнал или питание с его верхней поверхности, где расположен стек соединений, на контактные выводы на обратной с тороне кремниевой

пластины. Переходные очень узкие и глубокие отверс тия образуютс я методом травления. На стенки этих отверстий осаждается промежуточный слой, а остальное пространство заполняется проводящим материалом, например вольфрамом, после чего задняя поверхность подложки шлифуется. Каж дый из этих этапов, не говоря у же об обработке очень тонкой под ложки, являетс я дос таточно сложной процедурой. В настоящее время два производителя применяют технологию TSV, но ни один из них не делает этого в больших объемах. Компания TSMC использует процесс CoWoS (chip-onwafer-on-substrate – объемная компоновка кристаллов на подложке). В этом процессе переходные отверс тия в рабочем крис талле микро с хем не создаютс я – крис таллы устанавливаются лицевой стороной вниз на силиконовый промежуточный слой (интерпозер). Этот слой использует сквозные отверстия для формирования соединений между лицевой и задней сторонами кристалла с контактными выводами корпуса. Иной способ применяется в сборках DRAM. Технологии HMC (Hybrid Memory Cube – многослойный модуль из кристаллов DRAM, дополненных высокопроизводительной управляющей логикой) и HBM (High-Bandwidth Memory – широкополосная память) используют переходные отверстия для передачи сигналов в вертикальной сборке от одного кристалла к другому. Изготовление переходных отверстий, проходящих через плотную активную матрицу, наряду с технологическими операциями, связанными с использованием шаблонов, литографических методов и т. д. – нетривиальная задача. Но велики выгоды от применения этих технологий. Технология переходных отверстий обеспечивает огромное количество соединений меж ду кристаллами в вертикальной сборке и значительно меньшую индук тивность, чем при использовании проволочных выводов, более широкую полосу пропускания и относительно

73

дартным разветвлением, в настоящее время применяется для сборки корпусов с несколькими кристаллами на уровне подложки. Отдельные кристаллы устанавливаются лицевой с тороной вверх на синтетическ ую пластину. Затем на ней формируется многослойная подложка и соединения между кристаллами с использованием нескольких слоев, если это необходимо. В самом верхнем слое располагаются внешние шариковые выводы для пайки. Затем отдельные многокристальные сборки отделяются друг от друга и от синтетической пластины. У полученного после пассивации модуля класса 2.5D плотность упаковки та же, что и у стандартной сборки (см. рис. 2). Одним из важных аспектов применения всех этих технологий является маршрут проектирования. Поскольку межкристальные соединения становятся частью системы, их нельзя проектировать отдельно от нее. Точный расчет задержек и мощнос ти, а в некоторых случаях тепловых, механических и электромагнитных параметров, жизненно необходим и должен выполняться наряду с разработкой отдельных крис таллов. Например, на форуме экосистемы TSMC настоятельно рекомендуется использовать пакет совместного проектирования даже для сравнительно простых корпусов InFO. Альтернативные решения

74

С р а в н е н и е т е х н о л о г и й C oWo S и InFO показывает, что чем меньше соединений между отдельными кристаллами, тем меньше затраты на упаковку и анализ. С этой точки зрения, роль высокоскоростных последовательных приемопередатчиков, обеспечивающих очень высокие скорости передачи данных по малому количеству проводов (хотя и с некоторыми дополнительным задержками), становится все более значимой. С помощью последовательных приемопередатчиков только по одной паре проводников уже достигается скорость передачи данных 28 Гбит/с, а в перспективе возможны и гораздо большие скорости – до 56 Гбит/с. Но и эта ве личина не яв ляетс я пределом. Моделирование показало, что на скорости 56 Гбит/с длина линии передачи составляет порядка 25 см. По расчетам, при использовании стандартных корпусов микросхем скорость достигает 110 Гбит/с. Более высокие скорости сначала реализуются в соединениях меж ду отдельными кристаллами внутри модуля, а уже потом – на плате. На создание

www.elcomdesign.ru

соответствующих разъемов и кросспанелей для межплатных соединений потребуется больше времени. Последовательные каналы с умеренной скоростью уже применяются для связи внутри модулей 2.5D. Учитывая возможность создания очень качественных и коротких межблочных трасс в модуле 2.5D, скорости, вероятно, буду т ограничиваться характеристиками приемопередатчиков и потребляемой мощностью, а не параметрами каналов. Вне корпуса, в котором установлен многокристальный модуль, становится труднее обеспечить высокую скорость передачи данных. Проблема заключается не столько в больших потерях, сколько в искажениях сигнала и перекрестных помехах. Неточности изготовления печатных плат и анизотропия материала не позволяют добиться и ск а же ний м е ньш е 4 п с . Ес ли же искажения немного превышают это значение, последовательные каналы перестают работать. Некоторые исс ледователи пре одолевают данное ограничение с помощью новых материалов д ля изготовления печатных плат. Такие материалы как политетрафторэтилен (PTFE) являются весьма однородными и изотропными, но отраслевые компании пока не имеют соответствующих технических средств и опыта работы с подобными материалами. Прогнозы

Чтобы выйти за пределы и ограничения, налагаемые печатными платами, применяются технологии, которые позволяют изготав ливать корпуса с боковыми отводами для оптических или элек трических соединителей, расположенных поверх слоев печатного монтажа. В результате вне платы формируются управляемые высокоскоростные последовательные каналы. Э ти отводы можно применять для создания твинаксиального кабеля – электрического провода с двумя осями, в котором проводники размещены параллельно. Стандартные кабели позволяют повысить скорость передачи данных в 3–4 раза по сравнению с проводниками на печатной плате. Передача критических сигналов по кабелю оказывается более дешевым решением, чем применение специальных и дорогих печатных плат. В п р и н ц и п е, о п т ич е с к а я с в я з ь является еще эффективнее. Однако электронно-оптические преобразователи являются слишком большими для использования внутри платы. Кроме того, отс у тс твует инфрас трук т ура для изготовления плат с оптическими

каналами. С этой целью необходимы оптические компоненты, интегрированные в ИС. К настоящему времени у же из в е с т н о, к ак из го т ав л и в ат ь на кристалле оптические модуляторы, мультиплексоры, разветвители, волноводы и детекторы. Однако до сих пор не решена задача по созданию источника света, который не удается установить на кристалл. Возможно, ее удастся решить с помощью полупроводниковых квантовых точек на поверхности кристалла. В каждой из них находится один электрон, перемещение которого ограничено. Таким образом, электрон не учас твует в передаче тепловой энергии и может только отдавать или принимать энергию путем изменения своего квантового состояния. Двумерный массив таких точек образует твердотельный лазер с высокой чистотой спектра и очень малой зависимостью от температуры, который идеально подходит для оптической связи. Такие лазеры позволили бы создать многоканальный оптический приемопередатчик на кристалле для использования в корпусах с боковыми отводами. Кроме того, имеется механическая проблема выравнивания и крепления оптического волокна к кристаллу. Сборки занимают много места и требуют сложных методов реализации. Эта задача сложнее вопросов, связанных с электроникой и оптикой. Одним из решений может оказаться радиосвязь. В одном из предложенных решений используются 60‑ГГц трансиверы для передачи данных на малых расстояниях. К настоящему времени была достигнута скорость 6 Гбит/c при очень малом уровне электромагнитного излучения. Помимо подхода, который направлен на замещение платных разъемов и кабелей между устройствами, появилась другая технология. Представьте себе печатную плату, над которой располагается сеть коротких каналов, обеспечивающих микро волновую связь типа «точка–точка». Антенны этой сети встроены в корпуса с боковыми отводами. Независимо от того, какие из перечисленных решений окаж у тся лучшими, быстрые внутрикристальные со е д и н е н и я и м н о г о к р и с т а л ьн а я упаковка открывают новые возможности для разделенных систем-накрис талле. Такое проек тирование становится жизненно важным шагом для успеха будущих разработок, обеспечивая не только максимальную производительность, но и оптимальную стоимость, а также потребляемую мощность.

РЕКЛАМА

Что понимать под надежностью ПЛИС? Пол Диллиен (Paul Dillien), директор компании High Tech Marketing

ПЛИС и СБИС

Надежность – многоаспектная проблема, которая может привести к печальным последствиям, когда ситуация вышла из-под контроля.

76

Недавно на вебинаре компании Microsemi прозвучала фраза о том, что ПЛИС производства Microsemi надежнее других аналогов. Такое заявление натолкнуло автора этой публикации на размышления о том, действительно ли надежность ПЛИС отличается от надежности других полупроводниковых устройств. Перед обсуждением этой проблемы следует уточнить, что, даже обладая определенным пониманием в вопросах надежности полупроводниковых приборов, автор не является экспертом в данной области, и потому приведенные соображения, прежде всего, отражают точку зрения эксперта в маркетинге. В первую очередь, следует определиться с тем, что подразумевается под надежностью полупроводниковых устройств. Wikipedia утверждает, что «качество готового изделия зависит от множества иерархичных взаимосвязей каждой составляющей полупроводникового прибора». Если понимать под надежностью ПЛИС безотказную работу, то даже такое простое определение не является исчерпывающим. Попробуем пояснить это на примере. В случае, если автомобиль не заводится, считается, что произошел отказ в его работе. Однако если во время поездки закончилось топливо из-за неточных показаний датчика расхода горючего, как считать случившееся – отказом или результатом неправильной калибровки оборудования? Многие компании-производители полупроводниковых приборов периодически публикуют отчеты о надежности, в которых детально описывается работа, проделанная ими в этом направлении. Сравним надежность ПЛИС производства компании Microsemi с изделиями их главных конкурентов – Altera и Xilinx. Компания Microsemi уже представила данные в отчете о надежности микросхем семейства SmartFusion2, выполненных по 65‑нм флэштехнологии. В нем опубликованы результаты ряда исследований, предназначенных для определения таких характеристик как вероятность отказа в работе микросхем, вероятность сбоя конфигурации, стойкость к электростатическим разрядам, а также механические характеристики корпусов микросхем. Эти исследования были проведены в отношении очень большого количества производимых изделий. Производители ПЛИС, как правило, подвергают часть микросхем из партии многочасовой эксплуатации в термокамере при максимально допустимой температ уре

www.elcomdesign.ru

p‑n‑перехода (Tj). Периодически устройства тестируются, а затем возвращаются в термокамеру для дальнейших испытаний. Эта процедура, называемая ускоренным испытанием на долговечность, должна подтвердить, что микросхемы будут исправно работать и сохранять свои характеристики согласно спецификации на протяжении многих лет эксплуатации в нормальных условиях, например при 55°C. Поскольку покупатели не могут ж дать 10 лет, чтобы получить подтверждение того, что устройства исправно работают в течение этого периода времени, для быстрого выяв ления уязвимых мес т провод ятс я испытания при высоких температурах. Для набора статистических данных испытаниям подвергаютс я дес ятки, а иногда и сотни микросхем. Результаты представляются в виде наработки в микросхем–часах для определения вероятности бессбойной работы. Однако вернемся к примеру с ав то м о б и ле м . Ес ли он, напри м ер, испр авно з ав о дитс я с первого поворота к люча каж дый день, яв ля ется ли это гарантией того, что автомобиль заведется и з ав тра? Конечно, не т. Но на личие с татис тиче ск и х данных о бесперебойной работе множес тва автомо би лей той же марк и в течение б ольшого интерв а ла времени даст больше уверенности в том, что машина станет успешно работать в течение с ледующей неде ли. Инженеры по надежности рассчитывают среднюю наработк у на отказ на определенном доверительном интервале. Надежность микросхемы можно численно описать с помощью такого параметра как частота отказов. Как правило, его значение указывается в единицах FIT (failure intensity – единица интенсивности отказов, равная 1 отказу за 1 млрд ч работы устройства). С точки зрения математики, большее количество часов работы дает больше оснований доверять данным, полученным путем расчета FIT. ПЛИС существенно отличаются от других полупро водниковых приборов. Эти ус тройс тва пос тавляются п о т р е б и те л я м к ак « б о лв анк и», ко тор ы е з ате м пр о граммируютс я в соответс твии с проек том заказчика. Конфигурации микросхем компании Microsemi хранятся во флэш-памяти, а д ля микрос хем компаний Xilinx и Altera с этой целью используется SRAM. И в этом случае компания Microsemi заявляет о том, что ее изделия имеют ряд преимуществ, включая устойчивость флэшэлементов к одиночным сбоям (SEU). Одиночный сбой

События рынка

ПЛИС и СБИС

| Торжественная закладка первого камня в основание завода Phoenix Contact GmbH & Co. KG в России | 4 марта 2016 г. на территории особой экономической зоны «Ступино Квадрат» состоится торжественная церемония закладки первого камня в основание завода по производству высокотехнологичных электротехнических изделий и промышленной электроники НПО «Феникс Контакт». На мероприятие были приглашены Заместитель председателя правительства МО Д. П. Буцаев, Глава Ступинского муниципального района П. И. Челпан, а также Михаэль Хармс, Председатель правления Российско-Германской внешнеторговой палаты. На площади более 1 га будет локализовано производство пружинных и винтовых клемм, модулей защиты от импульсных перенапряжений, реле PLC. Запланировано создание Центра региональных компетенций (R&D) по разработке новых изделий электромеханики и электроники для рынка РФ. Проект предусматривает трансфер технологий и Know-how. Общий объем выпускаемой продукции составит 9 млн электромеханических компонентов и 700 тыс. релейных модулей ежегодно. Планируемый объем инвестиций – около 10 млн евро, предполагается создание примерно 100 новых рабочих мест. В настоящее время предприятие разрабатывает проектную документацию, планирует построить и ввести завод в эксплуатацию не позднее II кв. 2017 г. Россия является для Phoenix Contact GmbH & Co. KG важным стратегическим рынком, и создание собственного производства в Подмосковье станет закономерным шагом в глобальной стратегии развития предприятия. Краткая справка о предприятии Предприятие Phoenix Contact GmbH & Co. KG (Германия) является лидером в производстве высокотехнологичного оборудования, используемого в разных отраслях промышленности: нефтегазовой, энергетике, машиностроении и многих других. В 2002 г. было открыто дочернее предприятие в России – ООО «Феникс Контакт РУС», занявшее в 2014 г. первое место рейтинга в топ‑50 среди импортеров Российской Федерации по виду внешнеэкономической деятельности ТН ВЭД ТС 853690. В 2015 г. компания внедрила более 130 больших и малых инновационных продуктов, которые помогут повысить эффективность производственных процессов и снизить издержки.

77

www.russianelectronics.ru

РЕКЛАМА

происходит, когда элементарная частица, попадая в кристалл микросхемы, перек лючает триггер, отвечающий за хранение конфиг урации. Вопрос у взаимодейс твия ионизирующих излучений с полупроводниками можно посвятить целый блог, но достаточно заметить, что этот эффект можно зафиксировать и измерить. Понятно, что с уменьшением технологических норм производс тва полупроводниковых приборов чувствительность отдельных триггеров к воздействию элементарных частиц значительно меняется. Извес тно, что одиночные сбои мог у т пов лиять на память, используемую приложениями в ПЛИС. Поскольку в этой памяти хранится информация, исполняемый код или другие важные данные, любая ошибка может вызвать нарушение в работе всей системы. Но является ли оно отказом? Скорее всего, его можно классифицировать как ненадежную работу. Компания Microsemi утверж дает, что производимые корпорацией микросхемы семейства SmartFusion2 устойчивы к сбоям конфиг урации в ус ловиях радиации на земле, в воздухе и в околоземном космическом пространстве в диапазоне высот до 800 км. Компания Xilinx пр е д у пр е ж д ае т о б уязви м о с ти конфиг у рации П ЛИС и пользовательских данных. Следует заметить, что подверженность SRAM-микросхем одиночным сбоям является общепризнанным фактом, и потому компании Cypress, Atmel и Honey well выпускают устойчивые к радиации микросхемы для авиакосмических приложений. Другим ключевым отличием ПЛИС друг от друга является программное обеспечение, специфичное для разных проектов. Алгоритмы трассировки связей, верификации дизайна являются уникальными для архитектуры микросхемы. Производители микросхем создают временные модели изделий исходя из их работы согласно спецификациям. Эти модели, как правило, корректируются по мере готовности изделий, начиная с ранних образцов до выхода в производство, а так же на основе отчетов пользователей об ошибках и сбоях в работе. Компании Xilinx и Altera сообщают о более чем 15000 подобных сообщений от своих заказчиков, благодаря чему проблемы решаются быстро. Семейство SmartFusion2 компании Microsemi и изделия ее конк урентов, помимо всего прочего, оснащены процессорами ARM. Они представляют собой аппаратные ядра на кремниевой основе и, следовательно, их характеристики можно точно охарактеризовать. Преимущество процессоров с архитектурой ARM заключается в их широком применении во всем мире. Но сколько разработчиков программного обеспечения написало абсолютно корректные коды? Процессоры ARM в сос таве крис та ллов Microsemi и м е ю т ср ав ни те льн о низ к у ю час то т у т ак т и р о в ани я (166 МГц) по сравнению с последними 28‑нм изделиями от компании Xilinx (до 1 ГГц). Однако у разработчиков имеется великое множество возможностей испортить программную структуру на любой скорости синхронизации. Например, в интерфейсе между ARM и ПЛИС. Если данные будут храниться на FIFO до их загрузки на шину, понадобится контроль над передачей данных. Проек т должен учитывать, какие инструменты поддерживают эту передачу и что произойдет, если в ее процессе прервется сигнал. Мы рассмотрели лишь несколько причин, по кото рым следует задуматься о надежности. На самом деле, это многоаспектная проблема, которая может привести к печальным последствиям, если ситуация выйдет из-под контроля.

электронные компоненты №3 2016

Windows 10 IoT: средства разработки Сергей Антонович, Microsoft MVP, системный инженер, «Кварта Технологии», Валерий Милых, технический директор, «Кварта Технологии», info@quarta.ru

С р е д с т в а ра з ра б о т к и

Введение

78

В последние годы фокус интересов компании Microsoft сместился в сторону облачных технологий, интернета вещей (IoT) и связанных с ними сервисов. При этом многие устройства, взаимодействующие с облачными сервисами, оснащены операционными системами (ОС). Windows 10, выпущенная в 2015 г., претендует на роль универсальной системы практически для любых типов устройств. Вместе с новой системой появились новые концепции модели приложений, обслуживания и доставки обновлений, а также средства разработки, не имеющие аналогов в предыдущих версиях ОС. Чтобы понять, что привело к радикальным изменениям в Windows 10 (IoT) и какие преимущества она принесет разработчикам встраиваемых устройств, мы проследим развитие средс тв д ля создания образов ОС от компании Microsoft. Семейство операционных систем Windows Embedded/IOT

Для применения во встраиваемых (т. е. функционально законченных) системах компания Microsoft предлагает отдельное семейство операционных систем Windows Embedded со специальными условиями лицензирования и дополнительными компонентами, позволяющими упростить создание встраиваемых решений «из коробки» [1]. Семейство Windows Embedded полностью поддерживает программное обеспечение (ПО) для компьютеров общего назначения (это не относится к Windows CE/Compact). Работа компонентов ОС, обеспечивающих бесперебойную работу встраиваемых решений, прозрачна и незаметна для прикладного ПО. Семейство ОС Windows Embedded можно условно разделить на несколько групп. Наиболее интересными для рассмотрения являются следующие две из них.

www.elcomdesign.ru

–– Windows Embedded Standard – компонентные ОС с возможностями вс траивания, такими как фильтры записи, клавиатуры, USB и т. д. Совмес тимы с приложениями и драйверами устройств классических ОС Windows. Требуют разработки образа ОС, которая заключается в выборе требуемой комбинации компонентов. Т. о., это позволяет иск лючить лишние компоненты в проекте, уменьшить занимаемый объем на диске и увеличить стабильность системы. Необходимо специальное средство разработки.

–– W in d ows Emb e d d e d P OSR ea d y/ I n d u s t r y / I oT – п р е д в а р и т е л ь но собранные версии из группы Standard с максимальным набором компонентов, не требующие специального средства разработки. Оснащены специальными возможностями встраивания. В работе с этими ОС используются привычные средства разработки из систем Windows для компьютеров общего назначения.

Windows 10 IoT можно отнес ти к последней группе. Вместе с тем, имея черты классических систем Windows и включая в себя специальные возможности встраивания, эта ОС не требует отдельного конфигурирования, а процесс разработки сводится к простейшей установке системы с загрузочного диска. Однако средства разработки (скорее, точной кастомизации) для Windows 10 IoT все же существуют. Они позволяют упростить получение готового образа системы, сразу же сконфигурированной под конкретные требования проекта. Сущес твуют три разновиднос ти Windows 10 IoT. Они несколько отличаются друг от друга, но основаны на едином ядре [2]. Акцент в этой статье сделан на систему Windows 10 IoT Enterprise (в ряде источников она называется Windows 10 Enterprise LTSB, что связано со специальным способом доставки обновлений для нее [3]).

Модели настройки образов (до Windows 10)

Под моделью настройки образов ОС (Customization Framework) понимается определенный процесс внесения в образ ОС настроек, связанных с внешним видом системы, способами подключения к сети, взаимодействием с пользователем, элементами брендирования, адаптацией под целевой рынок, на который поставляется устройство. К настройкам, выполняемым в рамках модели, может относиться также добавление приложений, модификация значков и меню, звуков, сетевых и других настроек системы [4]. До появления Windows 10 для различных ОС Windows Embedded использовались разные модели настройки образов: -- в Windows Embedded CE/Compact – ряд файлов в разных форматах, данные которых содержат конфигурацию образа ОС [5], средство разработки – Microsoft Visual Studio с дополнениями; -- для мобильных систем, начиная с Windows Phone 8.1, – Managed Centralized Settings Framework (MCSF) [6]; средство разработки поставляется вместе с ОС; -- д ля всех ос та льных сис тем – Unattend Framework [7]. Суть этой модели заключается в использовании т. н. файлов ответов (Answer files) с описанием конфигурации конкретного образа ОС в формате XML. Файлы ответов позволяют автоматизировать установку, обслуживание, тиражирование, в т. ч. с использованием сетевых служб. Средства разработки файла ответов – Image Configuration Editor (для ОС семейства Standard) или System Image Manager (SIM; для всех остальных ОС). К моменту выхода Windows 10 возникла большая фрагментированность моделей настройки и средств разработки, что привело к тому, что раз-

работчикам, осваивавшим новую для себя версию Windows, приходилось изучать новые технологические приемы. Назрела необходимость качественного изменения – перехода к универсальной модели и средству разработки, единому для всех ОС Microsoft, что и было сделано к появлению Windows 10. Модель настройки образов Windows 10

Заметим, в Windows 10 универсальны не только модель настройки и средства разработки, но и сама система, и приложения Windows Store [8]. Универсальная модель настройки образов в Windows 10 носит название Provisioning Framework [9]. Соответствующий инструмент разработки Windows Imaging and Configuration Designer (ICD) (см. рис. 1) из комплекта ADK [10] объединяет работу с компонентами, обслуживание и подготовку к развертыванию образов не только с использованием графического интерфейса, но и командной строки. Поддерживаются все редакции Windows 10. Струк т урная с хема Provisioning Framework приведена на рисунке 2. Образ любой редакции Windows 10 содержит метаданные (Settings Manifest) с описанием компонентов и их возможных настроек. В процессе разработки образа при помощи ICD все возможные настройки, полученные из этих метаданных, доступны в хранилище настроек (Settings Store). Из схемы нетрудно увидеть, что в Windows 10 по-прежнему доступны

Рис. 1. Средство разработки Imaging and Configuration Designer

параметры компонентов из предыдущих моделей разработки. Более того, в сос тав ADK по -прежнему входит инструмент Windows SIM из ранних версий Windows для создания файлов ответов в рамках модели Unattend Framework, что позволяет использовать знакомые средства разработки и постепенно осуществлять переход на новые.

Выполненные в ICD настройки образа сохраняются в новом формате файла ответов под названием WPAF (Windows Provisioning Answer File). Файл WPAF далее преобразуется в пакет Provisioning Package, который содержит и настройки, и дополнительные компоненты (Deployment Assets) – драйверы, приложения, обновления, языковые пакеты и т. д. Уникальной особенностью такоС р е д с т в а ра з ра б о т к и

79

Рис. 2. Структурная схема Provisioning Framework

электронные компоненты №3 2016

С р е д с т в а ра з ра б о т к и

Рис. 3. Типы установочных носителей, доступные в Imaging and Configuration Designer

80

го пакета является то, что его можно использовать как при исходном развертывании образа (на схеме – Imaging Tool), так и уже на работающем образе (с помощью Provisioning Engine). Совмещение настроек и дополнительных компонентов в одном пакете (Provisioning Package) решило одну из проблем Unattend Framework, когда дополнительные компоненты и файл ответов, содержащий путь к ним, были разделены. Это могло создать сложности, когда файл по указанному пути в момент применения файла ответов был недоступен, например, из-за ошибок и неточностей проектирования. Одним из способов решения этой проблемы является применение наборов конфигураций и папок OEM (Configuration Sets, OEM Folders) [11] или пользовательских модулей в Windows Embedded Standard 8 [12], что не всегда было удобно. Т. о., разработка образа Windows 10 фактически состоит в модификации одного из базовых образов. Как и любой новый и универсальный инструмент, ICD не во всех случаях оказывается наиболее подходящим средством для решения задачи. Так, разработчики [13] замечают некоторые сложности при использовании ICD. Действительно, ICD не поддерживает «запечатывание» образа с файлом ответов, т. к. утилита sysprep, используемая для этой операции, ожидает файл ответов модели Unattend Framework, а ICD может сохранить настройки только в WPAF. На наш взгляд, это связано с тем, что в новой модели предлагается вносить максимум настроек непосредственно в файл ответов, а не выполнять их на работающем образе с его последующим тиражированием. Таким образом, каждый раз получается уже настроенная система с «чистой» установкой, и использование sysprep не требуется. Некоторую путаницу создает то, что при помощи утилиты обслуживания образов DISM к образу нельзя напрямую применить файл ответов WPAF, но сделать это можно, если WPAF находится в составе Provisioning Package, что, тем не менее, вполне согласуется с идео-

www.elcomdesign.ru

логией модели Provisioning Framework (см. схему выше). Сложности, возникающие при использовании ICD, могут быть связаны с тем, что он был создан как универсальный инструмент, мощь которого скрывается за внешней простотой, и, как любой подобный инструмент, он требует некоторого времени на устранение недочетов. Интерфейс ICD гораздо проще по сравнению с SIM или ICE и не требует глубокой подготовки для работы с ним, а все настройки оснащены мгновенно появляющимися подсказками. ICD, в отличие от SIM или ICE, не требует знания особенностей фаз установки Windows, что позволяет сосредоточиться на разработке образа, а не на изучении особенностей работы программы установки. Нельзя не обратить внимание на то, что Microsoft рекомендует постепенный переход на новые средства разработки. Помимо перечисленного, ICD удобен тем, что в нем существует возможность быстрого и удобного создания загрузочных носителей для чистой установки (Clean Install), производственного процесса (Production), восстановления (Recovery) (см. рис. 3). Поддерживается включение технологии сжатия образов Compact OS непосредственно при развертывании. Эта технология избавлена от недостатков предшественницы – WIMBoot [14]. Поддерживается и новый формат хранения образов Full Flash Update (FFU). В отличие от своего предшественника Windows Image (WIM), традиционно применявшегося для тиражирования Windows, новый формат является секторным, а не файловым, а значит, позволяет вместе с файлами образа сохранить разметку разделов целевого устройства. Сравнение форматов см. в [15]. В завершение заметим, что некоторые из ставших классическими компонентов встраивания (например, отдельный фильтр клавиатуры) отсутствуют в текущей сборке Windows 10 Enterprise LTSB 2015, что связано с ориентацией системы на современную технологию блокировки системы Assigned Access, при использовании которой оболочкой выступает приложение Магазина Windows. Эта технология уже включает в себя фильтр клавиатуры,

жестов и запуск приложения Магазина Windows как оболочки, однако в указанной системе доступны все возможности настольной Windows 10 Enterprise, например BitLocker. Исключением является Магазин (Store) и некоторые приложения. Имеется также возможность полностью отключить сбор телеметрии. П о н а ш е м у м н е н и ю, н е с м о т р я на некоторые шероховатости, с течением времени новая модель разработки и инструменты займут достойное место в разработке образов Windows. Литература 1. Антонович С. В. Windows 8 Embedded Lockdown – возможности для встраивания.

Control Engineering Russia. 2013. № 3 (45)//www. controlengrussia.com.

2. Windows 10 IoT для встраиваемо­ го применения//www.quarta-embedded. ru/windows10.html.

3. Understanding the Long Term Servicing Branch and Current Branch in Windows 10//http://windowsitpro.com.

4. Windows 10 Customization//https://msdn. microsoft.com.

5. Run-Time Image Configuration Files (Compact 2013)//https://technet.microsoft. com/ru-ru/ee478986.

6. Managed Centralized Settings Framework (MCSF)//https://msdn.microsoft.com.

7. Customize using the desktop Unattend framework. https://msdn.microsoft.com.

8. Guide to Universal Windows Platform (UWP) apps//https://msdn.microsoft.com.

9. Customize using the Windows Provisioning framework//https://msdn.microsoft.com.

10. Загрузка Windows ADK//https://msdn. microsoft.com.

11. Добавление файлов и папок с помощью папок $OEM$//https://technet.microsoft.com.

12. Modules (Standard 8)//https://msdn. microsoft.com.

13. Sean D. Liming and John R. Malin.

Addendum 1: Windows 10 IoT Enterprise Build 10240//http://annabooks.com.

14 . W I M B o o t и W i n d o w s E m b e d d e d 8.1 Industry. Тестирование на Intel NUC DC3217IYE//http://ruemb.blogspot.ru.

15. WIM-, VHD- и FFU-файлы: сравнение форматов файлов образов//https://msdn. microsoft.com.

Конденсаторы для источников питания и преобразователей Алексей Чистяков, AlChis1248@mail.ru

В статье рассмотрены особенности современных танталовых и керамических конденсаторов, используемых в схемах источников питания и силовых преобразователей взамен электролитических конденсаторов. Приведены их характеристики и описаны особенности применения. К основным преимуществам танталовых и керамических конденсаторов можно отнести высокую надежность и долгий срок службы, а также малые значения паразитных параметров.

Введение

Электролитические конденсаторы можно встретить практически в любом источнике питания и преобразователе. Они же являются и наиболее слабым звеном этих устройств – фактически, срок службы и надежность источников питания и преобразователей ограничивается именно этими конденсаторами. Способы увеличения надежности и срока службы хорошо известны и следуют из эмпирического соотношения: L = LB ∙ MV ∙ 2 ((Tm – Tc)/10),

MV = 4,3–3,3 (VA/VR), где VA – приложенное к конденсатору напряжение; VR – максимальное напряжение, указанное производителем. Формулы действительны, если параметры TС и VA не превышают значений, указанных производителем. Из приведенных соотношений следует, что для увеличения срока службы и надежности электролитических конденсаторов необходимо выбирать компоненты с нормированным напряжением заметно выше рабочего и разработать конструкцию таким образом, чтобы обеспечить их охлаждение. Выполнение этих условий приведет к увеличению габаритов устройства, что во многих случаях неприемлемо. Высокие значения паразитных величин ESR и ESL являются еще одним серьезным недостатком конденсаторов с жидким электролитом. В ходе стандартных тестовых испытаний на определение пределов экс-

Танталовые конденсаторы

Танталовые конденсаторы с твердым электролитом нашли применение во многих приложениях. К их плюсам следует отнести стабильность емкости, надежность и отличную объемную плотность энергии. Традиционно они производятся с катодом из двуокиси марганца MnO2. Этот материал характеризуется хорошей механической прочностью, стабильностью в широком диапазоне

температур и влажности. Танталовые конденсаторы с этим катодом работают вплоть до 230°C. Согласно данным исследований [1], срок жизни танталовых конденсаторов при 230°C в зависимости от приложенного напряжения достигает 2000 ч. При этом лишь через 800 ч и приложенном напряжении 40–50% от номинального происходят ощутимые изменения емкости конденсатора. Однако у танталовых конденсаторов с катодом из двуокиси марганца имеются и недостатки. У них довольно большое ESR, они неуправляемо нагреваются. При эксплуатации за пределами параметров, предусмотренных производителем, происходит тепловой пробой. Эти недостатки можно исправить, используя в качестве катода проводящие полимеры, а также последние технологии с дисперсионным полиэтилендиокситриофеном (PEDOT). В этом случае максимально допустимое напряжение танталовых конденсаторов с твердым электролитом превышает 125 В. Но и конденсаторы с катодами из проводящих полимеров не лишены недостатков. Они чувствительны к воздействиям внешней среды – повышенной влажности, механическим стрессам. Органически материалы катода также деградируют при повышении температуры, особенно при повышенной влажности и повышенном содержании кислорода. Деградация материала катода приводит к ухудшению его проводимости и возрастанию ESR или снижению емкости. Для того чтобы уменьшить влияние окружающей среды, танталовые конденсаторы с органическим диэлектриком заключают в герметичный корпус. Кроме того, их предварительно отсеивают и подвергают дисперсионному отвердению (принудительному старению). В результате этих процедур

электронные компоненты №3 2016

Пассивные компоненты

где L B – базовый срок службы, указанный производителем; T М – максимальная температура конденсатора, указанная производителем; TС – температура конденсатора в устройстве; MV – поправочный коэффициент, зависящий от напряжения:

плуатационных ресурсов алюминиевых конденсаторов, проводимых при номинальном напряжении и максимальной номинальной температуре, как правило, измеряется фактическое время, за которое: -- конденсатор теряет 20 или 30% емкости от своего начального значения; -- в 2 или 3 раза увеличивается тангенс потерь; -- ток утечки возрастает в 2 раза. Помимо конденсаторов с жидким электролитом используются электролитические конденсаторы с твердым диэлектриком. У них больше срок службы, меньше значения ESR и ESL, однако и у них немало недостатков. Перечислим некоторые из них: -- не рекомендуется использовать полимерные конденсаторы в цепях с быстрым зарядом и разрядом, а также в схемах, где токи утечки могут повлиять на работоспособность; -- температурные стрессы влияют на ток утечки; -- чувствительность к механическим воздействиям; -- токи пульсаций не должны превышать значений, указанных в документации; -- при параллельном соединении необходимо принять меры для выравнивания токов.

81

Пассивные компоненты

82

уменьшаются токи утечки, увеличивается максимально допустимое напряжение, и отсеиваются конденсаторы с нестабильными параметрами. Таким образом, герметичные танталовые конденсаторы с полимерным проводящим катодом удовлетворяют требованиям большого числа приложений, в т. ч. силовой электронике. При изготовлении танталовых конденсаторов повышенной надежности для силовой электроники применяется специальный технологический процесс, позволяющий получить аморфный ди­э лектрик с минимумом дефектов. Затем на слой диэлектрика накладывается проводящий полимер с помощью процесса окунания. Изготовленный таким образом конденсатор помещают в керамический корпус, сушат и герметизируют в газовой среде из инертных газов. Были проведены ресурсные испытания герметичных танталовых конденсаторов емкостью 100 мкФ с нормированным напряжением 35 В. Испытания проводились при температуре 125°C в течение 10 тыс. ч. При этом постоянно измерялись емкость конденсатора и его ESR. Результаты измерений представлены на рисунках 1–2. Как видно из этих рисунков, за время испытаний емкость незначительно уменьшилась, и немного увеличилось ESR. Установившийся ток утечки в этих условиях не превышал 250 нА, что гораздо меньше стандартного значения 0,1CV. Для нашего случая этот ток составляет 0,1 ∙ 100 ∙ 35 = 350 мкА для стандартных негерметичных танталовых конденсаторов. После окончания ресурсных испытаний оценивалось время установления тока утечки при подаче на конденсаторы максимального напряжения 35 В. Испытания проводились при температурах 25, 85 и 125°C. Результаты приведены на рисунке 3 [2]. Заметим, что в стандартных танталовых конденсаторах ток утечки устанавливается быстрее. В документации на герметичные конденсаторы указывается значение тока утечки, полученное при комнатной температуре через 5 мин после подачи напряжения. Длительное время установления тока утечки, как правило, бывает при использовании полиэтилендиокситриофена (PEDT) в полимерной дисперсионной технологии. Время перехода этого тока в установившиеся состояние зависит от температуры и в большей степени – от влажности. На рисунке 4 показаны результаты испытания герметичных и негерметичных танталовых конденсаторов. Обе группы конденсаторов хранились в стандартных условиях при температуре 25°C и относительной влажности 50%. Как видно из рисунка, при увлажнении ток утечки негерме-

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Изменение емкости танталовых конденсаторов

Рис. 2. Изменение ESR танталовых конденсаторов

Рис. 3. Установление тока утечки танталовых конденсаторов

Рис. 4. Установление тока утечки герметичных и негерметичных танталовых конденсаторов

тичных конденсаторов существенно быстрее выходит на установившееся значение. Причем, при повышении температуры разница времени установления уменьшается.

Таким образом, можно утверждать, что ток утечки танталовых конденсаторов, изготовленных по дисперсионной технологии PEDT-PSS, невелик и гораздо меньше, чем у обычных танталовых

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики многослойных керамических и полимерных конденсаторов

Рис. 6. Пульсации выходного напряжения при использовании керамических и полимерных конденсаторов

Многослойные керамические конденсаторы

Современные многослойные керамические конденсаторы (multilayer ceramic capacitor, MLCC) также могут составить

серьезную конкуренцию алюминиевым электролитическим конденсаторам. Емкость присутствующих на рынке MLCC в корпусе 1210 достигает 330 мкФ и в ближайшем будущем сос тавит 1000 мкФ. Такие керамические конденсаторы смогут в большинстве случаев заменить электролитические конденсаторы в сглаживающих фильтрах источников питания и преобразователей. Даже если прямая замена невозможна, желательно подключить MLCC параллельно электролитическим конденсаторам, расположив их на печатной плате таким образом, чтобы они находились ближе

Пассивные компоненты

конденсаторов, но время выхода тока утечки на установившееся значение существенно зависит от влажности конденсатора. При повышенной влажности это время сокращается. У сухих герметичных конденсаторов время установления тока утечки зависит от температуры – чем она ниже, тем дольше устанавливается ток утечки.

всего к источнику фильтруемого напряжения. В этом случае высокочастотная составляющая тока, «пички» и «иголки», в основном, будут протекать через керамический конденсатор. Керамические конденсаторы более ус тойчивы к ме ханическим воздействиям и выглядят более предпочтительно при сравнении электрических параметров. В частности, у них значительно выше надежность и срок службы и заметно ниже значения ESR и ESL. Пос леднее обсто я т е л ь с т в о н а гл я д н о п р о я в л я е тс я на рисунке 5 [3], где показана амплит уд н о - ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а импедансов керамических конденсаторов с разными номинальными значениями и АЧХ полимерного конденсатора. К тому же, высокие значения ESR приводят к возрастанию п о т е р ь и п о в ы ш е н н о м у н а г р е в у. До б а в и м е щ е, ч т о и н а п е ч а т н о й п л а т е M LCC- к о н д е н с а т о р ы з а н и м аю т гор аз до м е ньш у ю п л о щ а д ь: 3 , 2 м м ∙ 2 , 5 м м = 8 м м 2. П л о щадь, занимаемая полимерным конденсатором, составит 7,3 мм ∙ 4,3 мм = 31,39 мм2. Меньшее значение паразитных параметров позволило улучшить фильтрующие свойств конденсатора, что видно из рисунка 6, на котором представлены пульсации выходного напряжения преобразователя MAX1717 с рабочей частотой 550 кГц при различных сглаживающих конденсаторах. В момент времени Т0 произошел наброс нагрузки, и выходной ток увеличилс я с 1 до 6 А. Как видно из эксперимента, при использовании керамических конденсаторов пульсации выходного напряжения заметно меньше, чем при использовании полимерных. Еще раз подчеркнем, преимущество керамических конденсаторов не только в электрических свойствах, но и в размерах – они

83

Рис. 7. Изменение емкости керамических и полимерных конденсаторов

электронные компоненты №3 2016

Пассивные компоненты

Рис. 8. Механизм формирования пульсаций выходного напряжения

84

занимают на плате в несколько раз меньшую площадь. В данном эксперименте полимерный конденсатор занимал площадь 31,39 мм 2, а керамические – 5,12 и 8 мм2. Рекомендуем любителям сглаживать пульсации выходного напряжения исключительно за счет увеличения емкости конденсатора присмотреться к пульсациям выходного напряжения при использовании полимерных конденсаторов емкостью 330 и 470 мкФ. Как видно из рисунка, амплитуды пульсаций в обоих случаях различаются весьма незначительно, несмотря на различие емкости почти в 1,5 раза. Этот факт говорит о том, что при выборе конденсатора следует обращать внимание не только на емкость и номинальное напряжение, указанные в справочных материалах, но и на значения ESR и ESL, а также на их зависимость от частоты и температуры. Нема лов а жным значением при выборе конденсатора для импульсных

источников питания и преобразователей является стабильность параметров в зависимости от частоты коммутации. На рисунке 7 представлены экспериментальные результаты измерения емкости различных емкости керамических и полимерных конденсаторов в функции частоты коммутации. Можно видеть, что и в этом случае преимущество на стороне керамических конденсаторов. На рисунке 8, где подробно показан механизм возникновения дополнительных пульсаций, иллюстрируется утверждение о значимости паразитных параметров ESR и ESL. Очевидно, что чем выше частота коммутации, тем значительнее влияние этих параметров. Примерно так же влияют ESR и ESL в случае, когда MLCC-конденсаторы применяются в качестве блокирующих на шинах питания быстродействующих микросхем. Чем круче фронты потребляемого тока, тем больше провал напряжения питания микросхемы

Рис. 9. Уровень звукового давления керамических конденсаторов

www.elcomdesign.ru

из-за падения напряжения на паразитных элементах. Следует упомянуть и о таком недостатке керамических конденсаторов как акустический шум, который возникает из-за механических колебаний ферроэлектрического керамического материала, используемого в MLCC. Шум возникает, когда к конденсатору прикладывается переменное напряжение. На рисунке 9 показан уровень звукового давления для различных конденсаторов с диэлектриком X5R емкостью 10 мкФ и напряжением 25 В. Литература 1. I Zednickova, M . Biler, J. Petr zilek , T. Zednicek. Hermetically Sealed SMD Tantalum Capacitors//www.avx.com.

2. M. Weaver, J. Petrzilek, and M. Biler. Serving high power & high reliability applications//www. powersystemsdesign.com.

3. Jun Nakajima. Replacing electrolytics with MLCCs in power applications//www. powersystemsdesign.com.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Изделие

Диапазон температур

КИВ18

Индуктивность, нГн

Добротность, Q, не менее

4,7 ÷ 470, ряд Е12

15 (100 МГц)

Макс. рабочий ток, А

Макс. рабочая частота, ГГц

0,05 ÷ 0,3

МДГ1

4,7 ÷ 1500, ряд Е12

15 (100 МГц)

1÷5

МДГ2

5,6 ÷ 2200, ряд Е12

12 (100 МГц)

1,9 ÷ 5

МДГ3

6,8 ÷ 10000, ряд Е12

19 (100 МГц)

1,5 ÷ 5

МИ1

4,7 ÷ 3300, ряд Е12

18 (100 МГц)

0,12 ÷ 1,0

5,6 ÷ 5600, ряд Е12

11 (100 МГц)

8,2 ÷ 1500, ряд Е12

19 (100 МГц)

0,12 ÷ 1,0

МИ2

от -60 ºС до +85 ºС

МИ3

До 2 ГГц

0,12 ÷ 1,0

КИВ21К

5.6 ÷ 91, ряд Е12

50÷60 (500, 1000 МГц)

0,05 ÷ 0,3

МИ31К

8.8 ÷ 100

50÷60 (400 – 1000 МГц)

0,05 ÷ 0,3

МД21К

3 ÷ 1800

—

МД43Ф

(39 ÷ 2200)×103

—

До 100 МГц

0,03 ÷ 0,24

0,17 ÷ 0,80

МДБ19

680

—

—

35

0,8±0,2

0,8±0,2

КИВ18

D

G*

H

1,6±0,2 0,3±0,10

Типоразмер дросселя

Масса, г max

Типоразмер дросселя

H, max

G*, max

МДГ1 / МИ1

5 / 4,5

4,8 / 4,6

1,4 / 1,4

1,5 / 1,0

МДГ2 / МИ2

6 / 5,6

6 / 5,8

2,0 / 2,0

2,0 / 1,5 2,5 / 2,0

МИ31К

МД43Ф

МДГ3 / МИ3

РЕКЛАМА

Размеры, мм D, max

9,5 / 7,8

6,3 / 5,9

2,5 / 2,2

Размеры, мм Высота, max

Масса, г max

Длина, max

Ширина, max

MД21К

2,30

1,73

1,53

КИВ21К

2,30

1,70

1,52

0,4

3,50

1,80

2,0

2,0

0,5

РЕКЛАМА

Нанокристаллические материалы для аудиотехники Эдуард Фоченков, начальник бюро механизации и автоматизации ОАО МСТАТОР, технический консультант по применению магнитопроводов, edf01@yandex.ru

В статье рассматриваются вопросы применения нанокристаллических магнитомягких материалов в аудиотехнике. Даются детальные технические характеристики в сравнении с электротехнической сталью и аморфными материалами на основе железа. Приводятся практические данные и зависимости, полученные опытным путем. Даются рекомендации по применению, ссылки на источники информации и методику расчета.

ческие свойства и особенности материалов применительно к аудиотехнике. Впервые нанокристаллический материал появился в Японии под маркой FINEMET в 1987 г. В настоящее время ряд нанокристаллических материалов освоен в Германии, США, Израиле, Китае, России и в других странах. Получение и объяснение физических свойств аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов дается в [1]. В настоящее время ОАО МСТАТОР выпускает пять типов нанокристаллических лент, свойства которых представлены в таблице 1.

В ноябре 2015 г. предприятие российского оборонно-промышленного комплекса ОАО МСТАТОР (г. Боровичи) отметило 50‑летний юбилей. Более 35 лет завод развивает технологии магнитомягких аморфных и нанокристаллических материалов [1]. Область применения этих материалов весьма обширна [2]. Возможности материалов в типичных областях применения описаны в [3–5, 18]. В настоящей статье рассматривается совершенно иная область – аудио. Автор этой статьи не является экспертом в данной области и потому не берется утверждать, как именно свойства материалов отражаются на субъективном восприятии звука. В статье сделана попытка раскрыть физиТаблица 1. Свойства нанокристаллических лент Свойства сплавов

АМАГ-200С

АМАГ-201

АМАГ-204

АМАГ-211

1,20

1,16

1,20

1,20

1,25

0,8

0,8

1,5

2,0

3,2

Проницаемость µ при частоте 10 кГц, ×103

Коэрцитивная сила Нс, А/м

30 ÷80

50 ÷110

20 ÷30

10 ÷15

3 ÷8

Температура начала кристаллизации Ткр, ºС

515

515

515

515

510

Температура Кюри Тс, ºС

570

560

>560

>560

>560

Плотность γ, г/см3

7,3

7,3

7,3

7,4

7,6

Коэффициент прямоугольности линейной петли гистерезиса (отжиг в поперечном поле), не более

0,1

0,1

0,1

0,05

0,05

Удельные потери Pуд., Вт/кг на частотe F =10 кГц при Bm = 0,2 Тл на частоте F = 100 кГц при Bm = 0,2 Тл на частоте F = 100 кГц при Bm = 0,3 Тл

0,5 ÷1,0 25 ÷35 55 ÷65

0,5 ÷1,0 25 ÷35 55 ÷65

1 ÷1,5 30 ÷40 –

1 ÷2 30 ÷50 –

1,5 ÷2,5 40 ÷55 90 ÷120

Магнитострикция насыщения λs, ×10–6

2

0,5

3

4,5

8

Finemet 5БДСР ГМ412В

Vitroperm 500F Vitroperm 800 Nanoperm

Vitroperm 500F

–

Vitroperm 250F

Отечественные и зарубежные сплавы – аналоги по применению

Использованные сокращения: ПГ – петля гистерезиса; АЧХ – амплитудно-частотная характеристика; ФЧХ – фазочастотная характеристика; Кпр – коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, Кпр=Br/Bm; НЧ – низкие частоты; ВЧ – высокие частоты; PP – Push-Pull, двухтактный ламповый каскад; SE – Single-Ended, однотактный ламповый каскад; КНИ – коэффициент нелинейных искажений; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; SRPP – Shunt regulated push-pull amplifier, распространенный двухламповый каскад; ООС – отрицательная обратная связь.

Свойства нанокристаллических материалов можно эффективно регулировать режимом отжига. Поскольку уровень технологии определяет итоговые качественные характеристики сердечников, характеристики изделий у разных производителей далеко не одинаковы. На МСТАТОРе, используя АМАГ‑200 С, разным режимом отжига получают четыре типа петли гистерезиса: 1) прямоугольную (серия MSSN, отжиг в продольном магнитном поле, Кпр > 0,98); 2) округлую (отжиг без поля, по форме напоминает ПГ феррита); 3) линейную с максимальной начальной проницаемостью (серия MSFN, типовой Кпр = 0,45, отжиг с оптимизацией по проницаемости); 4) максимально линейную (серия MSTAN, типовой Кпр = 0,1…0,15, отжиг с оптимизацией

электронные компоненты №3 2016

Пассивные компоненты

АМАГ-200

Индукция насыщения В10, Тл

87

Рис. 1. Упрощенная эквивалентная последовательная схема лампового каскада, нагруженного на первичную обмотку трансформатора

Рис. 2. Векторная диаграмма для импеданса катушки индуктивности

по линейности). Последняя серия используется для аудиоприложений.

Пассивные компоненты

Основные особенности серии MSTAN

88

1. Индукция насыщения сравнима с аморфными сплавами на основе железа и трансформаторной сталью (соответственно 1,16 в сравнении с 1,56 и 1,85).

2. Линейность кривой намагничивания. Типовой коэффициент прямоугольности 0,1…0,15. Отношение максимальной магнитной проницаемости к начальной магнитной проницаемости 1,25…1,3.

3. Высокая начальная относительная магнитная проницаемость (до 70000). Слабая зависимость магнитной проницаемости от амплитуды индукции и частоты.

4. Низкая магнитострикция (0,5•10 –6). Примерно 1/40 в сравнении с аморфными сплавами на основе железа, примерно вдвое ниже в сравнении с трансформаторной сталью. Менее подвержены механическим воздействиям, малый звуковой уровень шума.

5. Отличные высокочастотные характеристики. Очень малые потери. Примерно 1/5 в сравнении с аморфными сплавами на основе железа и примерно одинаковые потери в сравнении с аморфными сплавами на основе кобальта. Примерно 1/35 в сравнении с трансформаторной сталью (на частоте 100 Гц).

6. Отличные температурные характеристики и слабый эффект старения. Для материала АМАГ‑200 С характерно изменение проницаемости менее ±10% в температурном диапазоне – 50…150°C. 7. Тороидальная форма магнитопроводов обеспечивает небольшие габариты и массу, малую индуктивность рассеяния, малое активное сопротивление обмоток и улучшает коэффициент качества трансформатора [6]. Основное применение этой серии – во входных малосигнальных трансформаторах, микрофонных усилителях, корректорах, согласующих трансформаторах после ЦАП, дифференциальных каскадах, каскадах SRPP, фазоинверторах, двухтактных PP-каскадах (межкаскадные и выходные трансформаторы) и т. д. без подмагничивания постоянным током. Рассмотрим ламповый каскад, нагруженный на первичную обмотку трансформатора. Его можно представить как источник напряжения с выходным сопротивлением Rвых. Для простоты мы не рассматриваем нагрузку трансформатора. Нагрузка улучшает АЧХ и ФЧХ в области НЧ, но не меняет радикально суть процессов. Детально теория и расчет звуковых трансформаторов изложены в [14, 15, 17]. Для понимания процессов в первом приближении достаточно упрощенной эквивалентной последовательной схемы, представленной на рисунке 1. Реальный дроссель (трансформатор) имеет сопротивление провода обмотки Rпров и сопротивление потерь в магнитопроводе Rпот. Как известно, вектор импеданса катушки индуктивности представляет собой геометрическую сумму активной и реактивной части (см. рис. 2):

www.elcomdesign.ru

Рис. 3. Петля гистерезиса отожженной холоднокатанной трансформаторной стали (0,3 мм)

Рис. 4. Петля гистерезиса аморфного сплава на основе железа

Рис. 5. Петля гистерезиса нанокристаллического сплава АМАГ-200С серии MSTAN

Zвх = R + jωL

(1)

В нашем случае: R = Rпров + Rпот φ = arctg (ωL/R)

Рис. 6. Кривые намагничивания

Рис. 7. Начальный участок кривых намагничивания

Рис. 9. Начальный участок зависимости проницаемости от амплитуды индукции (F = 100 Гц)

Для идеальной индуктивности, которая не имеет потерь в сердечнике и в проводе, R = 0, φ = 90°. Идеальная индуктивность линейна, т. е. не зависит от амплитуды индукции и частоты. В этом случае АЧХ и ФЧХ последовательной RL-цепи (см. рис. 1) определены отношением R вых /ωL. Это RL-фильтр высоких частот с граничной частотой F0 = Rвых /2πL, на которой неравномерность АЧХ составляет 3 дБ, а сдвиг фазы равен 45°. Отсюда следует важный вывод: чтобы получить хорошую АЧХ и ФЧХ в области НЧ, следует либо понизить выходное сопротивление лампового каскада, либо увеличить индуктивность таким образом, чтобы граничная частота составляла единицы Гц. В реальном дросселе (трансформаторе) потери возникают в проводе и сердечнике. Реальная индуктивность нелинейна, т. е. ее величина зависит от амплитуды индукции и частоты. Но для различных магнитомягких материалов эта зависимость не одинакова. Сравним основные свойства трех материалов, часто применяемых в звуковых трансформаторах: 1) отожженная холоднокатаная трансформаторная сталь, толщина ленты: 0,3 мм; 2) аморфный сплав на основе железа, толщина ленты: 25 мкм; 3) нанокристаллический сплав АМАГ‑200 С, толщина ленты: 20 мкм. Серия MSTAN. Типовые петли гистерезиса представлены на рисунках 3–5. Кривые намагничивания изображены на рисунке 6, начальный участок – на рисунке 7. Поскольку нас интересует отношение Rвых/ωL, наибольший практический интерес представляет зависимость относительной магнитной проницаемости от амплитуды индукции и от частоты. На рисунках 8–10 жирными линиями показан модуль комплексной относительной магнитной проницаемости (амплитудная проницаемость), который определяется из соотношения µ = Bm/µ0Hm и приводится производителями в спецификациях на различные сорта стали. Но индуктивность (и граничная частота) определяется не этой проницаемостью, а ее индуктивной частью. Ее называют упругой проницаемостью. Обозначим ее µ´. На рисунках 8–10 µ´ показана тонкими линиями. На рисунках 8–9 для АМАГ‑200 С она практически совпадает с µ. Так происходит потому, что потери в сердечнике на частоте 100 Гц ничтожно малы, угол сдвига между током и напряжением φ = 87° (при Bm = 1 Тл), а tgδ = Rпот/ωL = 0,05. Для сравнения, у стали при тех же условиях φ = 32°, tgδ = 1,6. Сопротивление потерь увеличивает выходное сопротивление лампового каскада, увеличивает граничную частоту, ухудшает АЧХ и ФЧХ. Граничная частота уходит в слышимую область, появляются фазовые искажения. Однако сопротивление потерь для стали зависит еще и от амплитуды индукции. Это значит, что с ростом уровня сигнала изменяется сдвиг фазы и АЧХ! К примеру, в таблицах 2–3 представлена ФЧХ и АЧХ трансформатора при Rвых = 0,3 ωL на частоте 100 Гц при одинаковой индуктивности обмотки (измеренной в точке Bm = 0,5 Тл). Для стали величина фазового сдвига и спад АЧХ резко изменяются при изменении амплитуды индукции. Для АМАГ‑200 С ФЧХ и АЧХ во всем диапазоне остаются близкими к расчетным значениям (для линейной RL-цепи: 16,5°; –0,56 дБ). Для стали характерен резкий завал проницаемости при малых значениях амплитуды индукции. Магнитные домены в классических кристаллических материалах «прилипают», и требуется определенное стартовое усилие, чтобы сориентировать их. За счет этого снижается магнитная проницаемость и возникает «эффект первого Ватта». На малой громкости качество звука

электронные компоненты №3 2016

Пассивные компоненты

Рис. 8. Зависимость проницаемости от амплитуды индукции (F = 100 Гц)

(2)

89

Пассивные компоненты

90

резко снижается. Появляются нелинейные искажения, портится АЧХ и ФЧХ. Этот эффект отсутствует в нанокристаллических материалах, где нет обычной кристаллической решетки. Сверхмелкокристаллическая структура (10–20 нм) заложена в аморфную матрицу, домены очень подвижны и материалы хорошо работают в слабых полях [1]. Нелинейность кривой намагничивания стали и низкая проницаемость в начальной области приводят к трем видам искажений – нелинейным, частотным и фазовым [7]. Возникновение нелинейных искажений за счет нелинейности петли гистерезиса и влияние свойств материала на качество трансформатора хорошо описано в статьях [8, 9]. Важно, что величина искажений всех трех видов определяется отношением ωL/Rвых. [8]. Чем больше это отношение, тем ниже коэффициент нелинейных искажений, шире полоса частот в НЧ-области и меньше величина фазового сдвига, а также зависимость его от частоты (фазовые искажения). Вопрос искажений рассмотрим немного подробнее.

1. Нелинейные искажения. Нелинейная кривая намагничивания магнитного материала, означающая нелинейность импеданса цепи, приводит к искажениям формы тока. Для синусоидального входного сигнала этот ток вызывает несинусоидальное падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых лампового каскада (см. рис. 1). Это падение напряжения вычитается из входного синусоидального сигнала. На первичную обмотку трансформатора поступает уже разностный искаженный сигнал, что вызывает нелинейные искажения на выходе [8]. Очевидно, что с ростом ωL снижается ток и, соответственно, падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых, что приводит к уменьшению искажений. Чтобы увеличить отношение ωL/Rвых, как правило, снижают Rвых, применяя более мощные лампы и используя обратную связь (ультралинейный каскад). Кроме того, увеличивают габариты сердечника и число витков. Тем самым снижают амплитуду индукции, стремясь работать на более линейном участке ПГ и расширить полосу частот до единиц Гц. Разумеется, преимущество высокой индукции стали при этом теряется, а трансформатор набирает вес. Однако очевидно, что увеличить ωL/Rвых и уменьшить нелинейные искажения можно с помощью материалов с высокой проницаемостью (увеличивается индуктивность) и линейной петлей гистерезиса (исчезает сама причина нелинейных искажений).

2. Частотные искажения. В НЧ-области на частоте F0 = Rвых/2πL возникает спад в 3 дБ (для ненагруженного трансформатора). Применяя нанокристаллические материалы, при небольшом количестве витков легко получить индуктивность 500–700 Гн. При этом значение F0, как правило, составляет единицы Гц, и импеданс первичной обмотки практически не влияет на входное приведенное сопротивление трансформатора. Для нанокристаллических материалов в НЧ-области вследствие малых потерь импеданс в малой степени зависит от амплитуды индукции и частоты. При этом даже при одинаковой (по сравнению со сталью) индуктивности первичной обмотки (например, в SE с использованием зазора) за счет малых потерь полоса частот для нанокристаллического материала оказывается существенно шире в обе стороны. В ВЧ-области определяющими являются индуктивность рассеяния и приведенная емкость трансформатора. Высокая проницаемость заметно уменьшает рассеяние магнитного потока, обеспечивает хорошую электромагнитную связь и снижает величину индуктивности рассеяния. Для хорошей АЧХ на НЧ требуется меньшее количество витков, что, соответственно, уменьшает приведенную емкость трансформатора. Резонансная частота для тороидальных трансформаторов на основе нанокристаллического сплава значительно выше, чем у классических трансформаторов. Согласно данным [6], оптимальной является тороидальная форма сердечника. Например, типовое значение индуктивности рассеяния для выходных тороидальных трансформаторов из сплава с высокой магнитной проницаемостью составляет 1,3 мГн. Для сравнения, у классиче-

www.elcomdesign.ru

Рис. 10. Зависимость проницаемости от частоты при постоянном входном напряжении (Bm = 1 Тл при F = 100 Гц) Таблица 2. ФЧХ, ° (F = 100 Гц) Bm, Тл

0,01

0,05

0,1

0,5

1

1,5

Трансформаторная сталь

32

14,6

10,6

4,7

2,6

1,8

АМАГ-200С

17,5

16,6

15,9

15,8

16,7

–

0,005

0,01

0,02

0,1

0,5

Таблица 3. АЧХ, дБ (F = 100 Гц) Bm, Тл Трансформаторная сталь

–3,8

–2,8

–2,1

–1,8

–1,0

АМАГ-200С

–0,55

–0,51

–0,54

–0,57

–0,5

Рис. 11. Схема измерений

ских трансформаторов EI этот показатель равен 19 мГн [6]. Для нанокристаллических сплавов благодаря малой индуктивности рассеяния и малым паразитным емкостям частотный диапазон расширяется до частот порядка 200 кГц и выше. Эти частоты не слышны, но широкий диапазон важен для снижения фазовых искажений и обеспечения возможности работы с ООС [6].

3. Фазовые искажения. Их трудно заметить, работая с генератором синусоидального сигнала и осциллографом. Однако для сложного сигнала, например прямоугольного, представляющего собой набор гармоник, каждая гармоника сдвигается на разный угол, и в результате на выходе сигнал принимает совсем другую форму. Подробнее о фазовых искажениях см. [7]. С ростом ωL сдвиг фазы уменьшается. На частоте F0 = Rвых/2πL угол фазового сдвига для ненагруженного трансформатора составляет 45° (для нагруженного – меньше). Увеличивая индуктивность до сотен Гн, мы уводим частоту F0 в область инфразвука. Для такого трансформатора фазовый сдвиг в звуковом диапазоне 20 Гц…20 кГц приближается к нулю и мало зависит от частоты [6]. Таким образом, фазовые искажения в слышимой области отсутствуют. Заметим, что для сигнала стабильной амплитуды с ростом частоты обратно пропорционально снижается амплитуда индукции (Bm = 1 Тл при F = 100 Гц; Bm = 0,01 Тл при F = 10 кГц), а это, в свою очередь, дополнительно снижает проницаемость стали (см. рис. 9). На высоких частотах сердечник всегда работает на начальном участке ПГ, где проницаемость стали уже на 100 Гц около 1000, а за счет потерь на ВЧ она еще снижается. На рисунке 10 представлена фактическая зависимость упругой проницаемости µ´ от частоты при стабиль-

Рис. 12. АЧХ трансформаторов

Рис. 13. ФЧХ трансформаторов

ном входном напряжении. Из-за уменьшения амплитуды индукции (см. рис. 10) проницаемость для АМАГ‑200 С и аморфного сплава на основе Fe сначала растет с увеличением частоты, а затем снижается. Для стали на частоте 100 Гц µ´ = 10600, на частоте 1 кГц µ´ = 1500, а на 10 кГц µ´ = 220! Низкая проницаемость стали на ВЧ ухудшает электромагнитную связь, повышает индуктивность рассеяния, портит ФЧХ. В области ВЧ стальной сердечник уже практически не работает, передача сигнала, в основном, осуществляется через межобмоточную емкость. По этим причинам для получения хорошей АЧХ в области ВЧ в межкаскадных трансформаторах часто применяется бифилярная намотка. За счет большой распределенной емкости длинной связанной линии трансформаторы имеют хорошую АЧХ в области ВЧ. Некоторым любителям аудио звук бифилярных трансформаторов нравится, некоторым нет. Трудно судить, кто прав, но на материалах с малыми потерями и высокой проницаемостью в бифилярной намотке нет необходимости.

электронные компоненты №3 2016

Пассивные компоненты

Рис. 14. КНИ трансформаторов

Другим классическим способом обеспечить хорошие свойства является секционирование слоями по толщине намотки с целью улучшить электромагнитную связь и снизить емкость. Конструкция таких трансформаторов далеко непроста. Характеристики в большой мере зависят от способов намотки, ее направления, материала изоляции, числа секций и способов их соединения [14–17]. В инвертирующем и неинвертирующем включении трансформатора характеристики могут быть совершенно разными. Например, известный производитель Hashimoto сообщает: «Методы намотки являются результатом многочисленных проб и ошибок. Конечной целью является определение наилучшей схемы, обеспечивающей минимальную индуктивность рассеяния и паразитную емкость. Конструкция содержит оптимально подобранное количество вертикальных и горизонтальных секций при оптимальном способе их чередования». Для тороидальных PP-трансформаторов при использовании высокочастотных магнитомягких материалов ситуация проще. Начальная проницаемость для серии MSTAN на частоте 100 кГц превышает 30000. В этом случае хороший межкаскадный трансформатор можно получить на торе, используя секционирование секторами по окружности, а не слоями по толщине обмотки. Например, тор делится на шесть секций по 60°. Секции первичной и вторичной обмоток чередуются: три секции первичной обмотки и три – вторичной. При этом распределенные емкости обмоток уменьшаются за счет последовательного соединения секций. Поскольку емкостная связь обмоток в данном случае, в основном, осуществляется через сердечник, межобмоточная емкость также мала за счет толщины материала контейнера магнитопровода. Например, для межкаскадного трансформатора на торе 60–40– 30 мм (D–d–h) с двумя обмотками по 1000 витков межобмоточная емкость составляет около 75 пФ, что на порядок меньше емкости конструкций с секционированием по толщине обмотки и на два порядка меньше емкости бифилярных конструкций. За счет тороидальной формы сердечника, высокой проницаемости и чередования секций индуктивность рассеяния при этом составляет единицы мГн. Такой трансформатор работает на ВЧ за счет свойств магнитного материала сердечника, а не за счет емкостной и воздушной электромагнитной связи обмоток. В качестве иллюстрации рассмотрим межкаскадный трансформатор для лампового каскада. Исходные данные: выходное сопротивление каскада: 3,9 кОм; приведенное входное сопротивление трансформатора: 15 кОм; сопротивление нагрузки: 7,5 кОм (Ктр = 1,43); максимальное входное напряжение: 30 В на частоте 50 Гц. Возьмем два магнитопровода размером 45–25–20 (D–d–h) из АМАГ‑200 С и отожженной трансформаторной стали (0,3 мм). При условии B m = 1,0 Тл на частоте 50 Гц при Uвх = 30 В число витков обмоток W1 = 1000, W2 = 700. Провод имеет диаметр 0,2 мм. Напомним, трансформатор на основе АМАГ‑200 С выполнен с секционированием по окружности (шесть чередующихся секторов по 60°). Такой вариант для стали неприемлем в связи с малой проницаемостью на ВЧ. В трансформаторе на основе стали первичная обмотка разделена на две секции. Последовательность намотки: половина первичной обмотки по всему тору – вторичная – вторая половина первичной. Для АМАГ‑200 С индуктивность первичной обмотки L = 110 Гн, индуктивность рассеяния Lрасс = 9 мГн, межобмоточная емкость С1–2 = 190 пФ. Для стали, соответственно: L = 19 Гн; Lрасс = 1,3 мГн; С1–2 = 2500 пФ. За счет отсутствия перекрытия обмоток [14] индуктивность рассеяния трансформатора на АМАГ‑200 С выше, но межобмоточная емкость в 13 раз ниже. Испытания трансформаторов проводились по схеме, представленной на рисунке 11. На рисунке 12 приведены АЧХ трансформаторов, на рисунке 13 – ФЧХ, на рисунке 14 – КНИ. На рисунках 15–16 – форма меандра на выходе трансформаторов. Заметим, для стали АЧХ и ФЧХ на низких частотах значительно проигрывают. А ведь мы не использовали весь запас индукции стали, взяв толь-

91

ко 1,0 Тл. Очевидно, чтобы улучшить характеристики по НЧ на стали, следует либо увеличить габариты трансформатора, либо число витков. Таким образом, высокая индукция стали для PP не дает выигрыша в габаритах и весе трансформатора. Выводы по материалам для PP и других каскадов без смещения постоянным током

Пассивные компоненты

1. Трансформаторная сталь Для двухтактного каскада трансформатор на основе стали дает худший результат и требует обязательных мер коррекции (обратная связь). В качестве мер улучшения ситуации в PP можно: -- выбрать марку стали с максимальной линейностью ПГ, максимальной начальной проницаемостью и минимальными потерями; -- использовать минимальную толщину ленты 0,08 мм и менее; -- использовать небольшой зазор для улучшения линейности; -- исключить использование неразрезного тора (любой рез дает эффективный зазор); -- использовать сдвиг рабочей точки по ПГ от нуля на наиболее линейный участок (за счет асимметрии плеч по постоянному току); -- увеличить вес и габариты для снижения размаха индукции; -- минимизировать выходное сопротивление лампового каскада; -- использовать составной магнитопровод из двух материалов. Последний метод был описан в [10]. По своим магнитным свойствам составной сердечник из двух сердечников с одинаковой средней линией и площадью поперечного сечения S1, S2 эквивалентен сердечнику с площадью поперечного сердечника S = S1 + S2 из магнитного материала, обладающего следующими характеристиками:

92

B = η1B1 + η2B2,

(3)

где η1 = S1/(S1+S2); η2 = S2/(S1+S2). Магнитная проницаемость такого сердечника: µ = η1µ1 + η2µ2.

(4)

До п ус т и м , со с т ав н о й сердечник на 8 0 % со с то и т из трансформаторной стали с начальной проницаемостью µ нач1 = 1000 и индукцией насыщения Bs1 = 1,9 Тл, а на 20% – из АМАГ‑200 С, у которого µ нач2 = 90000 и Bs2 = 1,2 Тл. Тогда характеристики составного сердечника µ нач = 18800, B s = 1,76. Такой способ улучшает зависимость проницаемости от индукции, устраняет «эффект первого ватта» и снижает искажения за разумные деньги. При малой амплитуде индукции (высокие частоты или слабый сигнал) работает нанокристаллический материал, при высокой (низкие частоты с большой мощностью) – сталь. Сердечник имеет одновременно и высок ую начальную проницаемость и достаточно высокую индукцию, что уменьшает требуемые габариты и цену.

2. Аморфные сплавы на основе железа В PP дают неплохие результаты за счет малой толщины ленты, небольших потерь, высокой начальной проницаемости, высокой индукции насыщения. Хорошее соотношение цена/качество. Желательно принимать меры к снижению выходного сопротивления лампового каскада, выбирать магнитопроводы с максимальной линейностью (оптимальный отжиг), применять ООС.

www.elcomdesign.ru

Рис. 15. Форма меандра с выхода трансформатора на основе стали (F = 1 кГц)

Рис. 16. Форма меандра с выхода трансформатора на основе АМАГ-200С (F = 1 кГц)

3. АМАГ‑200 С Нанокристаллические материалы с высокой проницаемостью дают наилучший результат в PP, малые нелинейные, частотные и фазовые искажения даже без принятия мер по снижению выходного сопротивления и без использования обратной связи. Они обеспечивают минимальные размеры и вес тороидального трансформатора, отличный коэффициент качества, хорошую электромагнитную связь и малую индуктивность рассеяния, широкий частотный диапазон, малый шум, высокий КПД. Тороидальная форма сердечника является оптимальной [6, 11]. Однако эти материалы требуют обязательного принятия специальных жестких мер для симметрии плеч по постоянному току. Это очень важно, иначе хорошие характеристики не получить. Часто постоянный ток величиной 1–2 мА приводит магнитопровод к насыщению. В межкаскадных трансформаторах это 5–10% от тока покоя лампы. В выходных трансформаторах это уже 1–3%. Для хорошей работы выходного трансформатора необходимо обеспечить разбаланс тока покоя ламп не более 0,5% [6]. С этой целью применяются источники тока в анодах ламп или используются специальные модули смещения [6, 13]. Не всегда целесообразно обеспечивать самую высокую проницаемость. ОАО МСТАТОР выпускает ряд из пяти нанокристаллических материалов с индукцией около 1,2 Тл и различной проницаемостью (см. табл. 1). Применив материал с меньшей проницаемостью, можно, например, получить разумный компромисс по разбалансу тока покоя ламп или обеспечить работу с небольшим постоянным током смещения в межкаскадных трансформаторах SE. Однотактные SE-каскады В этом случае появляется неприемлемое для материалов с высокой проницаемостью требование – работа со смещением, что исключает применение неразрезного тора. Однако существует способ использовать все описанные преимущества материала за счет усложнения схемы. Это компенсация смещения от источника тока с высоким выходным сопротивлением. Такая конфигурация схемы упоминается в [12]. Компенсационная обмотка может иметь меньшее количество витков и, соответственно, больший ток. Необходимо, чтобы источник смещения имел высокое сопротивление и небольшую емкость, иначе он будет ощутимой дополнительной нагрузкой для лампового каскада. Однако классически в SE применяются разрезные магнитопроводы с зазором. Зазор делает очень полезное дело – он линеаризует ПГ и уменьшает тангенс угла потерь (ПГ становится уже). В результате магнитная проницаемость слабо зависит от амплитуды индукции и от частоты. Вследствие этого заметно уменьшаются нелинейные, частотные и фазовые

на основе Fe, на рисунке 19 – ПГ для сплава АМАГ‑200 С. Зазор выбран так, чтобы проницаемость была сопоставима – около 850. Рабочая частота: 100 Гц. Петли разные и по ширине (потери), и по линейности. Дело в том, что исходная ПГ влияет на результирующую. Вспомним формулу для проницаемости тора с зазором:

, (5)

Рис. 17. Петля гистерезиса трансформаторной стали с зазором

Рис. 18. Петля гистерезиса аморфного сплава на основе Fe с зазором

Выводы по однотактным каскадам

Рис. 19. Петля гистерезиса АМАГ-200С с зазором

искажения. Рабочий ток смещения в SE уводит рабочую точку с проблемного нуля на очень линейный участок. К сожалению, немагнитный зазор уничтожает главное преимущество аморфных и нанокристаллических сплавов – высокую проницаемость. Она становится точно такой же, как у стали, и даже ниже, т. к. запас по индукции меньше. Высокая индукция обеспечивает неоспоримое преимущество стали – способность работать с наибольшим смещением и минимальные габариты трансформатора. С появлением зазора новые материалы не имеют преимуществ хорошей связи, индуктивность рассеяния повышается. Требуются специальные способы намотки, оптимальное секционирование и т. д., как и в случае со сталью. Но тогда имеется ли смысл использовать в SE новые материалы? Оказывается, имеется. На рисунке 17 представлена ПГ трансформаторной стали с зазором, на рисунке 18 – ПГ аморфного сплава

1. Трансформаторная сталь. При наличии зазора она дает неплохие результаты, минимальный вес и габарит трансформатора. Хорошее соотношение цена/качество. Следует принять дополнительные меры для снижения фазовых искажений, использовать максимально линейный участок ПГ, выбрать сталь с минимальной толщиной ленты и максимальной линейностью ПГ.

2. Аморфные материалы на основе Fe. За счет сравнимой со сталью индукции, высокой начальной проницаемости и малых потерь – хороший вариант для выходных трансформаторов. Лучшее соотношение цена/качество, малые искажения.

3. Нанокристаллические материалы с высокой начальной проницаемостью и зазором. Преимущества: отличные характеристики за счет идеально линейной ПГ и ничтожных потерь. Минимальные искажения. Индуктивность линейна. Недостатки: большие габариты и вес относительно стали и аморфных материалов за счет меньшей индукции. Высокая цена. Как и сравниваемые материалы, требуют очень качественной намотки с соблюдением всех мер снижения паразитных емкостей и индуктивности рассеяния. И, наконец, информация к размышлению по поводу альтернативы зазору. Традиционно считалось, что любой ферромаг-

электронные компоненты №3 2016

Пассивные компоненты

где l – длина средней линии; δ – зазор; µн – исходная магнитная проницаемость. В знаменателе имеется член, обратно пропорциональный исходной проницаемости до реза. С ростом исходной проницаемости он стремится к нулю, а петля приближается к линейной. Видно, что для АМАГ‑200 С петля очень линейна и не имеет видимого глазом гистерезиса! Значит, высокая проницаемость материала все же работает, но в другом качестве. В двухтактных каскадах без смещения мы заметно уменьшили нелинейные, частотные и фазовые искажения за счет большой индуктивности и очень малого падения напряжения на выходном сопротивлении лампового каскада. В SE каскадах мы опять получим лучший результат по качеству, но за счет отличной линейности петли и ничтожно малого тангенса угла потерь. На рисунке 20 приведена зависимость модуля комплексной относительной магнитной проницаемости от амплитуды индукции. На рисунке 21 показана зависимость проницаемости от частоты. Для АМАГ‑200 С эти зависимости очень незначительны, т. е. это почти идеальная линейная индуктивность! Как следствие, в принципе отсутствуют искажения всех трех упомянутых выше видов. Для стали c зазором на частоте 100 Гц проницаемость в гораздо меньшей степени зависит от амплитуды индукции, чем для стали без зазора (см. рис. 8). Отношение максимальной проницаемости к начальной составляет около 1,5, tgδ ≈ 0,07, и это уже хорошо. Однако существует значительная зависимость tgδ и, соответственно, угла фазового сдвига φ между током и напряжением от частоты F (см. рис. 22). Зазор уменьшил фазовые искажения, но не устранил их полностью. Возможно, поэтому некоторые аудиолюбители предпочитают пентоды с высоким выходным сопротивлением, которые уменьшают эти фазовые искажения и частично компенсируют безобразную зависимость импеданса динамиков от частоты (режим источника тока), т. к. сила Ампера зависит от тока, а не от напряжения.

93

Рис. 20. Зависимость проницаемости от амплитуды индукции для сердечников с зазором

Рис. 23. Петля гистерезиса железо-никелевого сплава АМАГ-223

ПГ, схожую по форме с АМАГ‑223 (см. рис. 23), и также могут применяться в SE-каскадах со смещением по постоянному току, например в межкаскадных трансформаторах. В ближайшее время на сайте МСТАТОРа в группе «Дизайнцентр» планируется выложить упрощенный калькулятор (в Microsoft Excel) для приближенного расчета тороидальных звуковых трансформаторов.

Пассивные компоненты

Рис. 21. Зависимость проницаемости от частоты для сердечников с зазором

94

Рис. 22. Зависимость угла сдвига фазы между током и напряжением φ от частоты для дросселя (трансформатора) с зазором

нетик – очень нелинейный элемент, и потому он всегда вносит нелинейные искажения [8, 9]. Однако благодаря дальнейшему развитию технологий освоен серийный выпуск современных материалов с линейной петлей гистерезиса и достаточно малой проницаемостью. Малая проницаемость и линейность обеспечиваются не зазором, а составом и термомагнитной обработкой. Например, аморфный железоникелевый сплав АМАГ‑223 имеет проницаемость 1800, индукцию насыщения – 1,35, малые потери и линейную петлю гистерезиса (см. рис. 23). Для АМАГ‑223 при изменении амплитуды индукции в диапазоне 0,05–1,1 Тл магнитная проницаемость µ меняется в пределах 1920…1800. Более дорогие аморфные сплавы на основе кобальта АМАГ‑186 С, АМАГ‑186 В, АМАГ‑186 А имеют индукцию насыщения, соответственно, 1,0; 0,9; 0,85 Тл и проницаемость, соответственно, 1400; 2200; 3300. Эти материалы успешно используются в прецизионных датчиках тока, имеют линейную

www.elcomdesign.ru

Литература 1. Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие спла­ вы//www.mstator.ru.

2. Ленты аморфных и нанокристаллических сплавов АМАГ//www. mstator.ru.

3. Э. Фоченков. Программы расчета моточных изделий в импульс­ ных преобразователях. Электронные компоненты. № 2. 2014.

4. Э. Фоченков. Применение аморфных магнитопроводов насы­ щения серии MSSA в многоканальных импульсных источниках пита­ ния//www.mstator.ru.

5. Э. Фоченков. Применение малогабаритных помехоподавляю­ щих магнитопроводов из аморфных металлических сплавов». Радио. № 2. 2003.

6. Ir. Menno Van der Veen. Wide bandwidth toroidal audio signal transformers. Lecture by the designer//www.trafco.rs/tubeaudio-ru.php.

7. Е. Снигирев. Частотные, нелинейные и фазовые искаже­ ния//www.musicangel.ru.

8. James Moir. GA3. 1994. Выходные трансформаторы//www. musicangel.ru.

9. Трансформаторы в однотактных усилителях. Dr. Tom Hodson.

Single-ended Amplifiers, Feedback and Horn: Some History». Sound Practices. Spring. 1994//www.musicangel.ru.

10. М. А. Розенблат. Магнитные элементы автоматики и вычис­ лительной техники. М. «Наука». 1966.

11. Ir. Menno Van der Veen. Modern High End Valve Amplifier based on toroidal output transformers//www.mennovanderveen.nl.

12. Ir. Menno Van der Veen. Universal system and output transformer for valve amplifiers. 118th AES Convention 2005. Barcelona. Paper 6347//www.mennovanderveen.nl.

13. Ir. Menno Van der Veen. Why auto-bias sounds so good//www. mennovanderveen.nl.

14. Ю. Н. Стародубцев. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. ИП РадиоСофт. 2005.

15. Ю. С. Русин. Трансформаторы звуковой и ультразвуковой частоты. Л. Энергия. 1973.

16. Ю. С. Русин. Определение собственной емкости обмоток. Радиотехника. № 2. 1964.

17. Г. С. Цыкин. Трансформаторы низкой частоты. Теория, расчет и конструирование. М. Связьиздат. 1955.

18. В. С. Чернов, О. Г. Иванов и др. Российские аморфные и нанокри­ сталлические магнитные материалы: Физические свойства и при­ менение. М. Наукоемкие технологии. № 10. 2008.

Новинки месяца. Редакционный обзор

Предлагаем нашим читателям обзор новинок за прошедший месяц. В него вошли наиболее интересные, по нашему мнению, продукты. Сразу оговоримся, что мы рассматривали только компании, широко представленные на российском рынке.

АЦП и ЦАП

8‑канальный 18‑разрядный АЦП LTC2335–18 производительностью 1 Мвыб/с от компании Linear Technology. Диапазон входных напряжений может устанавливаться программным способом. Основные параметры LTC2335–18: -- шкалы входных сигналов: ±10,24; 0–10,24 В; ±5,12; 0–5,12; ±6,25; 0–6,25; ±12,5; 0–12,5 В; -- соотношение сигнал/шум (SNR): 96,7 дБ; -- нелинейные искажения (THD): –109 дБ при 2 кГц; -- интегральная нелинейность (INL): ±3 МЗР при входной шкале ±10,24 В; -- интерфейсы: SPI и LVDS; -- потребляемая мощность: 180 мВт; -- диапазоны рабочих температур в зависимости от модификации: 0…70°C; –40…85°C; 0…125°C.

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Беспроводные технологии

96

Компания Microsemi заявила о выпуске приемопередатчика ZL70550 в субгигагерцовом диапазоне. ZL70550 работает в полосе 779–965 МГц. Как утверждают в компании, он имеет самое низкое энергопотребление в отрасли по сравнению с аналогами. В состав микросхемы входит усовершенствованный MAC-контроллер. Основные параметры ZL70550: -- ток потребления в режиме передачи при мощности сигнала 10 дБм: 2,8 мА; -- ток потребления в режиме приема сигнала: 2,5 мА; -- ток потребления в режиме сна: 10 нА, что также является наилучшим результатом в отрасли; -- напряжение питания: 1,7–3,6 В; -- максимальная скорость передачи данных: 250 Кбит/с; -- чувствительность: до –107 дБм; -- размер корпус микросхемы: 3×2 мм. Компания Skyworks разработала ВЧ-ключи с высоким уровнем изоляции. Основные параметры SPDT-ключа SKY13522–644LF: -- диапазон частот: 0,7–3,0 ГГц; -- 2‑разрядное управление выбором канала; -- изоляция: более 45 дБ при 2 ГГц; -- потери: 0,5 дБ при 2,0 ГГц; -- корпус: QFN 14L (1,6×1,6×0,45 мм). Основные параметры SP3T-ключа SKY13523–639LF: -- диапазон частот: 0,7–3,0 ГГц; -- изоляция: более 45 дБ при 2 ГГц; -- потери: 0,5 дБ при 2,0 ГГц; -- корпус: QFN 14L (1,6×1,6×0,45 мм). Основные параметры SP4T-ключа SKY13524–639LF: -- диапазон частот: 0,7–3,0 ГГц; -- 2‑разрядное управление выбором канала; -- изоляция: более 47 дБ при 2 ГГц; -- корпус: QFN 14L (1,6×1,6×0,45 мм).

www.elcomdesign.ru

Генераторы, таймеры и синтезаторы сигналов

Два новых синтезатора частот от TI – LMX2582 и LMX2492. В состав LMX2582 входит генератор, управляемый напряжением (VCO). В компании утверждают, что это лучшие в отрасли синтезаторы частот с минимальным фазовым шумом. Основные параметры LMX2582: -- выходная частота: 20–5500 МГц; -- нормализованный фазовый шум PLL: –231 дБн/Гц; -- фазовый шум VCO: –129 дБн/Гц; -- шум 1/f (смещение 10 кГц, несущая 1 ГГц): –126 дБн/Гц; -- напряжение питания: 3,15–3,45 В; -- ток потребления: 250 мА; -- корпус: 40VQFN. Основные параметры LMX2492: -- выходная частота:400–1400 МГц; -- нормализованный фазовый шум PLL: –227 дБн/Гц; -- шум 1/f (смещение 10 кГц, несущая 1 ГГц): –120 дБн/Гц; -- напряжение питания: 3,15–3,45 В; -- ток потребления: 60 мА; -- корпус: 24VQFN. Источники и модули питания

Компания Murata предлагает серию источников питания D1U54P‑650–12‑HBxC. По энергоэффективности источники отвечают требованиям 80 PLUS Platinum. Возможно параллельное включение восьми источников с активным делением тока (ORING FET). Источники предназначены для систем с распределенным питанием. Основные параметры источников: -- выходная мощность: 650 Вт; -- диапазон входных напряжений: 90–264 В; -- выходное напряжение: 12 В; -- выходной ток (макс.): 54,2 А; -- пульсации выходного напряжения: 100 мВ; -- емкость нагрузки: до 4000 мкФ; -- КПД: 94% при нагрузке 50% от максимальной; -- интерфейс управления: I2C/PMBus; -- размеры: 54,5×228,6×40 мм (1U). У компании Linear Technology, как обычно, целый ряд новинок. Начнем с понижающего двухканального DC/DC-преобразователя LTM4650 семейства µModule. Если соединить его выходы, максимальный выходной ток достигнет 50 А. В этом преобразователе, как и практически во всех других этой компании, для усиления сигнала обратной связи используется дифференциальный усилитель (Differential Remote Sense Amplifier). На положительный вход усилителя подается сигнал обратной связи, а на отрицательный – земля. Причем, для земли должен быть выделен отдельный проводник, по которому не текут токи нагрузки. В этом случае возрастает точность регулирования выходного напряжения.

Основные параметры LTM4650: -- диапазон входных напряжений: 4,5–15 В; -- диапазон выходных напряжений:0,6–1,8 В; -- погрешность выходного напряжения: не более ±1,5%; -- управление по току; -- регулируемая рабочая частота; -- диапазон рабочих температур: –40…125°C; -- корпус: BGA (16×16×5,01 мм). В понижающем DC/DC-преобразователе LT8641 используется технология распределенного спектра (spread spectrum), что наряду с фирменной технологией Silent Switcher позволило значительно (на 25 дБ) уменьшить излучение электромагнитных помех и увеличить максимальное значение рабочей частоты до 2 МГц. Основные параметры LT8641: -- диапазон входных напряжений: 3–65 В; -- напряжение ИОН: 0,81 В; -- длительный выходной ток (макс.): 3,5 А; -- максимальный пиковый выходной ток: 5 А; -- регулируемая рабочая частота: 200–2000 КГц; -- пульсации выходного напряжения: не более 10 мВ (пикпик); -- КПД: до 95%; -- диапазон рабочих температур: –40…125°C; -- корпус: QFN18 (3×4 мм). Основные параметры изолированного обратноходового DC/DC-преобразователя LTM8067: -- диапазон входных напряжений: 2,8–40 В; -- электрическая прочность изоляции: 2 кВ (АС); -- выходной ток (макс.): 450 мА; -- пульсации выходного напряжения в полосе 1 МГц при токе 0,1 А: 30 мВ. Микроконтроллеры и микропроцессоры

Компания Atmel продолжает совершенствовать ассортимент изделий 8‑разрядными МК. На этот раз анонсирован самый быстродействующий в отрасли 8‑разрядный МК ATtiny102/104 с малым энергопотреблением. Основные параметры: -- напряжение питания: 1,8–5,5 В; -- производительность: 12 MIPS при тактовой частоте 12 МГц; -- флэш-память: 1 Кбайт; -- ОЗУ: 32 байт; -- 10 разрядный АЦП;

USART; уникальный 10‑байт ID (серийный номер); диапазон рабочих температур: –40…85°C и –40…105°C; корпус: UDFN8 (ATtiny102) и 14‑выводной SOIC150 (ATtiny 104)

Компании Renesas Electronics и emtrion анонсировали систему на модуле emCON-RZ/G1E. В ней используются микропроцессоры серии RZ/G с двумя ядрами ARM Cortex A7 производительностью 10500 DMIPS. Все модули нового семейства совместимы по выводам. Их основные параметры: -- тактовая частота ядра: 1 ГГц; -- число ядер: 2; -- емкость памяти DDR3‑SDRAM: 1024–2048 Мбит; -- емкость памяти eMMC NAND-Flash: 4–32 Гбит; -- мультимедиа: • интерфейс камеры; • ЖКД-интерфейсы LVDS и RGB; • SSI для аудио; -- коммуникационные интерфейсы: CAN LVTTL (2×); GPIO (6×); Ethernet 1000BaseT (1×); Ethernet 100BASE-TX (1); I²C (2×); MMC/SDC (2×); SPI (2×); UART LVTTL (3×) USB Device 2.0 (1×) USB Host 2.0 (1×); -- диапазон рабочих температур: 0…70°C и –20…85°C (опц.); -- размер платы: 82×50×10 мм. Пассивные компоненты

Компания Murata анонсировала высокотемпературные многослойные керамические конденсаторы (MLCC) серии GCB. Они отвечают требованиям стандарта AEC-Q200 для автомобильной электроники. Электроды изготовлены по новейшей технологии из никеля и палладия. Основные параметры конденсаторов: -- производятся в корпусах размером 0402 и 0603; -- диапазон номинальных емкостей: 1,000 пФ…0,47 мкФ; -- диапазон рабочих напряжений: 10–100 В (DC); -- диапазон рабочих температур для X8R: –55…150°C; -- диапазон рабочих температур для X9M: –55…200°C. Кроме того, компания представила монолитные керамические конденсаторы с температурной компенсацией в корпусе 0201 (0,6×0,3 мм). Диапазон номинальных значений емкости: 1,000–220 пФ. Номинальное напряжение: 25 В. У танталовых конденсаторов vPolyTan для поверхностного монтажа новой серии от компании Vishay Intertechnology увеличена объемная плотность энергии. В них сочетается полимерная танталовая технология и фирменный метод корпусирования Vishay MicroTan. Основные параметры конденсаторов серии Т58: -- номинальная емкость: 10–330 мкФ; -- отклонение от номинального значения: ±20%; -- номинальное напряжение: 4–25 В (уменьшается при 85°C); -- малое ESR: 50–500 мОм; -- допустимый ток пульсации (макс.): 0,224–1,3 А при 100 кГц; -- диапазон рабочих температур: –55…105°C. Сети и интерфейсы

Компания Broadcom пополнила семейство HBA новыми 24‑и 16‑портовыми модулями. Их использование должно облегчить масштабирование систем. Основные параметры семейства модулей SAS+SATA 9305 HBA: -- скорость передачи данных (макс.): 12 Гбит/с; -- мощность потребления: не более 1 Вт/канал; -- поддержка восьми линий PCI со скоростью передачи до 8 ГТ/с на одну линию; -- PCI Express 3.0;

электронные компоненты №3 2016

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Микроконтроллеры серии ADuCM302x от Analog Devices имеют очень малое энергопотребление, поддерживаются аппаратными и программными средствами разработки. Основные параметры микроконтроллеров ADuCM3029: -- ядро ARM Cortex-M3; -- ток потребления в ак тивном режиме: не более 38 мкА/МГц; -- три режима с пониженным энергопотреблением; -- ток потребления в режиме останова (Shutdown): не более 60 нА; -- напряжение питания: 1,8–3,6 В; -- флэш-память: 256 Кбайт; -- кэш: 4 Кбайт; -- ОЗУ: 64 Кбайт; -- аппаратный криптоускоритель поддерживает AES‑128, AES‑256, SHA‑256; -- интерфейсы: 3×SPI; I2C; UART; SPORT; GPIO; -- 8‑канальный, 12‑разрядный АЦП последовательного приближения производительностью 1,8 Мвыб/с; -- цифровой компаратор; -- диапазон рабочих температур: –40…85°C; -- корпуса: LFCSP64, WLCSP54.

-----

97

-- контроллеры SAS 3224, SAS 3216, SAS+SATA четвертого поколения; -- поддерживаются Microsoft Windows, Linux (SuSE, Red Hat), Solaris, VMware, FreeBSD. Два аттенюатора с цифровым управлением для широкополосных приложений от компании IDT. 75‑Ом аттенюаторы F1975 и F1977 имеют отличную линейность. Их основные параметры: F1975: -- диапазон частот: 5–3000 МГц; -- шаг: 0,5 дБ (6‑бит управление шагами); -- мощность (макс.): 28 Вт; -- Р0,1 дБ (1 ГГц): 31 дБм;

-----

вносимые потери (1 ГГц): 1,2 дБ; потери на отражение: 18 дБ; IIP3 (1 ГГц): 64 дБм; корпус: 4×4 мм.

F1977: -- диапазон частот: 5–3000 МГц; -- шаг: 0,25 дБ (7‑битное управление шагами); -- мощность (макс.): 28 Вт; -- Р0,1 дБ (1 ГГц): 32 дБм; -- вносимые потери (1 ГГц): 1,4 дБ; -- потери на отражение: 18 дБ; -- IIP3 (1 ГГц): 64 дБм; -- корпус: 5×5 мм.

Новости технологий

| Представлена MRAM-память с высокой плотностью записи | Исследователи из Университета Эйндховена (Eindhoven University of Technology, Нидерланды) предложили интересный метод записи в ячейку MRAM с помощью эффекта Холла и «кривой тока». Память на основе магниторезистивной ячейки показывает хорошие скоростные и энергоэффективные характеристики, но с плотностью размещения элементов у нее все не очень хорошо. Магнитные поля в соседних ячейках наводят взаимные помехи, не позволяя создать достаточно плотную память типа MRAM. Намного лучше себя показала память MRAM с записью с помощью переноса информации спином электронов (STT-MRAM), но у нее также имеются проблемы с масштабированием. В общем случае, бит данных в ячейке MRAM хранится в виде намагниченности тонкого слоя в ячейке. Для изменения знака намагниченности требуется приложить магнитное поле определенной силы, на что требуется дополнительная мощность (что уменьшает энергоэффективность). Для слоя намагниченности была предложена бесполевая запись и специальный антиферромагнитный материал. Изменение намагниченности происходит после подачи на ячейку импульсного сигнала малой мощности. Импульсный сигнал поляризует поток электронов. Таким образом, возникает эффект Холла, когда электроны с одинаковым спином отклоняются от электронов с противоположным моментом вращения. Кривая тока с потоком электронов с одинаковым спином меняет намагниченность и, следовательно, значение записанного в ячейку бита данных.

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

www.russianelectronics.ru

98

РЕКЛАМА

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| НОВОСТИ КОМПАНИИ «ГАММА» |

Дифференциальный усилитель LT6375 с синфазным входным сигналом до ±270 В

Linear Technology представляет дифференциальный усилитель LT6375 с единичным коэффициентом усиления, который интегрирует делитель на основе точно согласованных резисторов. Он может использоваться в высокоточных схемах сдвига уровня и буферах слабых дифференциальных сигналов при величине синфазных входных напряжений до ±270 В. Версия LT6375A имеет выдающиеся характеристики: минимальный коэффициент подавления синфазного сигнала: 97 дБ; максимальная погрешность усиления: 0,0035%; максимальный температурный дрейф усиления: 1•10–6/°C; максимальная нелинейность усиления: 0,0002% при коэффициенте деления синфазного сигнала 25:1. Последний параметр может задаваться в пределах 7:1–25:1, позволяя настроить прибор на лучшую производительность при заданных величинах входного синфазного сигнала. Основу LT6375 составляет высокоточный усилитель Over The Top, работающий с входными сигналами как в пределах, так и вне диапазона напряжений питания –3,3…50 В, что позволяет применять усилитель в схемах с широким диапазоном входных сигналов и малым напряжением питания.

LT6375 поддерживает множество других полезных функций: выход с напряжением, равным всему диапазону напряжений питания (Rail-to-Rail); малый ток потребления и режим отключения. Устройства оснащены 12‑выводным корпусом DFN размером 4×4 мм или 12‑выводным MSOP. Оба корпуса имеют пропущенные выводы, обеспечивающие работу с высоковольтными входными сигналами. LT6375 выпускается в промышленном (–40…85°C) и расширенном (–40…125°C) исполнениях.

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Синхронный понижающий преобразователь LTC3649 с входным напряжением 60 В и выходным током 4 А

100

Синхронный понижающий преобразователь напряжения LTC3649 с высоким КПД выполнен на основе архитектуры с управлением по току и постоянной частотой преобразования, уровень выходного напряжения и сила тока в которой устанавливаются с помощью одного внешнего резистора. Широкие диапазоны входного и выходного напряжений преобразователя идеально подойдут для различного тестового, контрольно-измерительного и промышленного оборудования. Уникальная конструкция LTC3649 включает в себя прецизионный внутренний генератор, формирующий ток 50 мкА на выводе ISET. Он позволяет установить выходное напряжение равным 0 В с помощью одного внешнего резистора. Кроме того, величина нестабильности выходного напряжения в пределах ±0,8% и точность установки выходного тока в диапазоне ±4% поддерживается без использования резистивного датчика тока. Рабочая частота преобразования устройства устанавливается пользователем в диапазоне от 300 кГц…3 МГц. LTC3649 выпускается в компактном 28‑выводном корпусе QFN (LTC3649EUFD), размером 4×5 мм, или в 28‑выводном TSSOP (LTC3649EFE) с улучшенными тепловыми характеристиками. В LTC3649 встроен силовой каскад на двух N‑канальных MOSFET-транзисторах. Для поддержания высокого КПД устройства в условиях малой нагрузки в нем предусмотрен пакетный режим Burst Mode, ток потребления в котором не превышает 440 мкА. При использовании преобразователя в схемах, чувствительных к шумам, он переводится в принудительный режим непрерывной проводимости (FCM), обеспечивающий низкий уровень выходных пульсаций. Промышленные версии преобразователя LTC3649IUFD и LTC3649IFE рассчитаны на работу в диапазоне температур –40…125°C.

Четырехканальный, многофазный контроллер понижающего DC/DC преобразователя с управлением по постоянному напряжению с током нагрузки до 260 А

Linear Technology представляет четырехканальный многофазный контроллер синхронного преобразователя напряжения LTC7851/LTC7851–1 с прецизионной схемой распределения тока между фазами и схемой контроля выходного напряжения на основе дифференциального усилителя. Контроллер предназначен для совместной работы с внешними силовыми блоками и схемами DrMOS, а также с дискретными N‑канальными MOSFET-ключами и драйверами затворов. При параллельном асинхронном включении двух контроллеров возможно построение 8‑фазной системы преобразования с минимальным количеством фильтрующих компонентов, которая обеспечивает общий ток нагрузки до 260 А. Областью применения LTC7851 служат системы распределенного электропитания, промышленные системы, источники питания для ПЛИС, цифровых сигнальных процессоров и специализированных микросхем. Преобразователь построен на основе архитектуры с управлением по напряжению с фиксированной рабочей частотой, устанавливаемой в пределах 250 кГц…2,25 МГц, которая синхронизуется с внешним источ-

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

ником тактового сигнала. Выходной ток измеряется по падению напряжения на выходной индуктивности или с помощью датчика тока на основе низкоомного резистора. Встроенные в контроллер дифференциальные усилители обеспечивают удаленное измерение выходного напряжения в каждом канале как по выходной линии VOUT, так и по линии заземления. Версия LTC7851–1 отличается от базовой модели LTC7851 меньшим коэффициентом усиления сигнала датчика выходного тока и идеально подходит для управления шинами питания на основе DrMOS-каскадов с внутренним датчиком тока.

LTC7851/LTC7851–1 выпускаются в 58‑выводном корпусе QFN размером 5×9 мм.

Понижающие DC/DC-преобразователи PowerSoC компании Altera

В новейших устройствах PowerSoC, оптимизированных по параметрам, предварительно смоделированных и полностью протестированных в качестве завершенной системы питания, плотность мощности достигает 56 Вт/см2 при размере, который на 45% меньше по сравнению с ближайшим конкурентом. Компания Altera заявила о расширении своего семейства устройств Enpirion новыми понижающими преобразователями напряжения с током нагрузки до 6 А, выполненными в виде высокоинтегрированной, полнофункциональной и полностью протестированной системы-питания-накристалле (PowerSoC) со встроенной катушкой индуктивности. Новые преобразователи PowerSoC EN6362QI – первые представители нового поколения систем управления питанием с пониженным входным напряжением. Эти устройства соответствуют самым жестким требованиям приложений к системе питания. Преобразователи PowerSoC, специально адаптированные для совместной работы с ПЛИС семейств Cyclone и MAX компании Altera, оптимизируют мощность потребления систем, в которых необходим компактный высокоточный и высокоэффективный источник питания.

PowerSoC EN6362QI на 75% меньше самого конкурентоспособного решения на дискретных компонентах. Устройство имеет самую высокую в отрасли эффективность преобразования, а также превосходные температурные характеристики, поддерживая постоянный ток нагрузки до 6 А при температуре окружающей среды вплоть до 85°C. EN6362QI позволяют значительно увеличить надежность решения по сравнению с дискретными источниками питания.

Серия приемопередатчиков интерфейса RS‑485 со скоростью передачи данных до 20 Мбит/с и напряжением питания 3,3/5 В

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

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

электронные компоненты №3 2016

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Компания Exar Corporation представляет новую серию приемопередатчиков интерфейса RS‑485/RS‑422 (TIA‑485/TIA‑422), обладающих стойкостью к импульсным помехам величиной ±60 В. Устройства оснащены схемой защиты от перенапряжения и короткого замыкания, не требующей использования дополнительных внешних компонентов. Новые приемопередатчики отличаются легкостью применения в сетях автоматизации зданий, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, автоматизации производственных процессов и других промышленных приложениях. На текущий момент серия представлена четырьмя устройствами – XR33053, XR33152, XR33156 и XR33158. Приемопередатчик XR33156 является самым функциональным на рынке устройством, выдерживающим скачки напряжения на шине данных до ±60 В, со схемой инвертирования кабельных линий для коррекции реверсно-подключенных линий данных.

XR33053, XR33152, XR33156 и XR33158 работают в широком диапазоне напряжения питания 3–5,5 В, имеют самый малый в отрасли ток потребления в режиме ожидания – 1 мкА (макс.) и 1 нА (тип.). Устройства обеспечивают скорость передачи данных до 20 Мбит/с в дуплексной и полудуплексной конфигурациях, устойчивы к электростатическим разрядам величиной выше +15 кВ на линиях шины и предназначены для использования в промышленном диапазоне температур –40…85°C. Приемопередатчики выпускаются в экологичных корпусах SOIC‑8 и SOIC‑14, соответствующих требованиям директивы RoHS.

101

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ И С П Ы ТА Н И Е И Т Е С Т И Р О В А Н И Е

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Keysight Technologies дополнила возможности многоформатного тестирования UXM

102

Компания заявила о добавлении функций тестиро вания GSM, GPRS, EGPRS, TD -SCDMA и HSPA в решение д ля тес тирования средс тв беспроводной связи UXM E7515A. Благодаря этим дополнениям разработчики абонентского оборудования получили возможность проверять современные многоформатные устройства для сетей LTE с помощью одного комплекта UXM. Новые приложения для тестирования GSM и TD-SCDMA позволяют быстро переключаться между форматами W‑CDMA, GSM и TD-SCDMA в одном комплекте UXM с помощью всего одной аппаратной настройки трансивера. Кроме того, новое программное обеспечение включает в себя мощные измерительные приложения серии X для GSM и TD-SCDMA, предназначенные для комплексного ВЧ-тестирования с согласованными и воспроизводимыми результатами. Измерительные приложения серии X позволяют быстро настраивать параметры тестирования в соответствии с требованиями стандартов 3GPP или использовать весь диапазон возможностей приложений серии X для измерения параметров за пределами спецификаций. В совок упнос ти с расширенными возможнос тями ВЧ-тестирования добавление функций измерения GSM и TD-SCDMA позволяет выполнять тесты LTE и 2G/3G с помощью одного прибора, включая измерение CSFB и SRVCC с синхронным анализом многоформатных сообщений протокола с использованием приложения для регистрации и анализа протоколов на основеWireshark.

Keysight Technologies www.keysight.ru Дополнительная информация: см. Keysight Technologies Функции многоканальной записи для широкополосного цифрового приемника в формате AXIe от Keysight Technologies Компания представила систему многомодульной синхронизации для своего высокоскоростного дигитайзера/широкополосного цифрового приемника M9703B в формате AXIe, повышающую общее число каналов записи и потоковой передачи в M9703B. Новые конфигурации прибора (-CB1 и -CB2) обеспечивают когерентное многоканальное понижающее цифровое преобразование частоты (DDC), которое применяется при тестировании устройств 5G, РЛС и спутниковых систем связи, а также в авиакосмической и оборонной промышленностях.

www.elcomdesign.ru

Основные возможности: Новый пакет опций позволяет использовать функции цифрового понижения частоты многоканальных сигналов при записи и потоковой передаче в широкополосном цифровом приемнике. Новые опции идеально подходят для систем тестирования 5G, РЛС и спутниковых систем связи, а также в авиакосмической и оборонной промышленностях. Гарантируемое время записи обеспечивает сохранение всех выборок I/Q‑сигнала вплоть до полного заполнения накопителя управляющего компьютера, что позволяет выполнять последующий анализ в частотной области длительных фрагментов сигнала Благодаря мгновенной полосе частот (IBW) до 320 МГц и настраиваемой промежуточной частоте, этот высокоскоростной дигитайзер отвечает требованиям, предъявляемым к разработке новых технологий для мобильной широкополосной связи 5G. При работе с управляющим компьютером рекомендуемой конфигурации новые опции обеспечивают гарантированное время записи, сохраняя все выборки I/Q‑сигнала для последующего анализа. В состав пакета входит ПО для командной строки, которое облегчает управление записью и потоковой передачей. Являясь составной частью решения компании Keysight, высокоскоростной дигитайзер/широкополосный цифровой приемник M9703B в формате AXIe (в конфигурациях -CB1 и -CB2) позволяет быстро оценивать поведение канала в соответствующих частотных диапазонах и создавать модели каналов для проектирования и проверки радиоинтерфейсов. В других приложениях, где не требуется непрерывная запись и потоковая передача, но необходимо одновременное чтение во время регистрации сигнала, новое встроенное программное обеспечение для обработки сигнала (опция -TSR) позволяет одновременно захватывать и синхронно передавать регистрируемые данные в управляющий компьютер.

Keysight Technologies www.keysight.ru Дополнительная информация: см. Keysight Technologies М И К Р О КО Н Т Р ОЛ Л Е Р Ы И М И К Р О П Р О Ц Е ССО Р Ы

Microchip анонсирует контроллеры ввода/ввода Microchip анонсировала новое семейс тво SCH322 X полно фу нк циона льны х и гибк и х контр ол лер ов ввод а /ввод а, предназначенных для разработки промышленных и встраиваемых вычислительных систем. Это семейство контроллеров следующего поколения имеет меньший по размеру корпус и продолжительный жизненный цикл, что позволяет создавать экономичные решения для промышленных и встра-

иваемых приложений. Микросхемы семейства SCH322X выпускаются для коммерческого и промышленного диапазонов температур. В семейство контроллеров SCH322X Super I/O входят микросхемы для промышленных и встраиваемых приложений. Каждый контроллер семейства имеет свои особенности, в т. ч. разное сочетание последовательных, параллельных и PS/2‑портов с вводом/выводом общего назначения (GPIO). Кроме того, в состав контроллеров входит монитор напряжения и температуры, соответствующий лучшим мировым образцам. Все эти особенности позволяют создавать экономичные изделия для промышленных приложений. Контроллеры семейства SCH322X предлагаются в корпусах BGA, позволяющих сэкономить место на плате. Контроллеры семейства SCH322X, предназначенные для работы с архитектурой x86, содержат шесть микросхем для различных приложений. Разное число последовательных портов в сочетании с аппаратным мониторингом, наличие или отсутствие контроллера клавиатуры – несколько примеров доступного выбора. МК семейства SCH322X Super I/O содержат шесть контроллеров: SCH3221, SCH3222, SCH3223, SCH3224, SCH3226 и SCH3227. Они выпускаются не только как единичные образцы, но и для серийного производства в корпусах 64‑WFBGA (6×6 мм), 84‑WFBGA (7×7 мм), 100‑WFBGA (8×8 мм) и 144‑WFBGA (9×9 мм).

Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО

С Р Е ДС Т В А РА З РА БОТ К И

Первый в отрасли комплект разработчика панелей (PCAP) и дисплеев с распознаванием 3D-жестов от Microchip Комплек т разработчика 2D/3D Touch and Gesture Development Kit (DV102014) упрощает доступ к запатентованным сенсорным технологиям 2D и 3D GestIC от Microchip

Keysight Technologies

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

Microchip Technology Тел.: +7 (812) 325–5115 sale@gamma.spb.ru www.microchip.com

ЭЛТЕХ, ООО

196247, С.-Петербург, пл. Конституции, д. 3 А (бизнес-центр «Пирамида», 5 эт.) тел.: +7 (812) 635–5060 факс: +7 (812) 635–5070 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

электронные компоненты №3 2016

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

MTCH10x – контроллеры датчиков приближения и прикосновения Компания ЭЛТЕХ предлагает MTCH102, MTCH105 и MTCH108 – контроллеры датчиков приближения и прикосновения, которые можно использовать, например, для замены традиционных механических кнопок и переключателей. Контроллеры этого семейства работают с датчиками прикосновения с защитной функцией (Active Guard), имеет регулируемую чувствительность (вывод MTSA), три режима питания (вывод MTPM), а также используют улучшенный алгоритм подавления помех для уверенного определения прикосновения и приближения. Основные функции MTCH102/5/8: • емкостное определение прикосновения/приближения; • высокое соотношение сигнал/шум; • система подстройки чувствительности для датчиков разных размеров и формы; • активная система подавления помех; • простой цифровой интерфейс; • рабочее напряжение: 2,05–3,6 В; • корпус: 28‑выводной QFN, 5×5 мм; • рабочая температура: –40…85°C. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО

и облегчает интеграцию систем 2D с множественными касаниями и распознавания 3D-жестов в приложения с дисплеями. Технология, базирующаяся на использовании электрического поля, позволяет отслеживать жесты пальцев и кисти не только на поверхности дисплея, но и на расстоянии до 20 см от него. Комплект разработчика помогает приобрести опыт использования решений нового уровня, которые даже не требуют создания кода. Параметризация, диагностика и установка опций реализуются через свободно распространяемый графический интерфейс пользователя (GUI) Aurea 2.0. Комплек т разработчика 2D/3D сенсорных панелей и систем распознавания жестов оснащен самым новым PCAPконтроллером Microchip MTCH6303 и контроллером 3D-жестов MGC3130. В состав комплекта входит 8‑дюймовая прозрачная сенсорная панель, что позволяет быстро осуществить прототипирование для широкого ряда приложений с дисплеями.

MTCH6303 реализует технологию множественного касания (multi-touch) при работе пятью пальцами, частота сканирования составляет 100 Гц. Интегрированная технология одновременного прикосновения несколькими пальцами (multi-finger surface) хорошо подходит не только для использования в приложениях с операционными системами, но и во встраиваемых приложениях без операционных систем. Контроллер имеет малое энергопотребление и устойчив в работе, частота сканирования для определения жеста составляет 200 Гц. Технология GestIC использует улучшенную скрытую модель Маркова, позволяя уверенно распознавать 3D-жесты более чем в 95% случаев. Управление жестами гигиеничнее и универсальнее. Жесты легко запоминаются и отлично подходят для использования в приложениях с дисплеями.

Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО

103

Осциллографы Keysight

Серия 2000X

Серия 3000X

Серия 4000X

Серия 6000X

Полоса пропускания

70 МГц – 200 МГц

100 МГц – 1 ГГц

200 МГц – 1,5 ГГц

1 ГГц – 6 ГГц

Встроенные функции

Генератор сигналов произвольной формы, цифровой вольтметр, анализатор протоколов, БПФ, частотомер, осциллограф смешанных сигналов

РЕКЛАМА