sb11

5/2019 (c. 6)

Дмитрий Боднарь, генеральный директор АО «Синтез Микроэлектроника»: почему Россия не Сингапур?

(c. 22)

Надежный поставщик – главный метод избавления от контрафактной продукции в микроэлектронике

(c. 24)

Диагностика промышленных ethernet-кабелей рефлектометрическим методом

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

содержание ЭК

№05/2019 РЫНОК 6 Дмитрий Боднарь Сингапурские впечатления. Имеет ли Россия шансы стать Сингапуром в экономике и электронике?

ТОПОЛОГИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ 15 Андрей Таланов Микрополосковые фильтры

ИСПЫТАНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ 22 Павел Гребенщиков Выявление контрафактной продукции в микроэлектронике

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 28 Александр Кораблев Линейные гальванические развязки компании Broadcom

ИСТОЧНИКИ И МОДУЛИ ПИТАНИЯ 32 Тимур Улудаг Изолированные силовые модули MagI3C для управления 24-В промышленными шинами 36 Евгений Дабуров AC/DC- и DC/DC-преобразователи компании Analog Devices

журнал для разработчиков

18 Сергей Краснов Эффект близости в проводниках печатной платы

24 Андрей Пересадин Диагностика промышленных Ethernet-кабелей рефлектометрическим методом

www. elcp.ru

редакционная коллегия: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распрост­ра­нение и подпис­ка: Марина Панова, Василий Рябишников; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35, тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:electronica@nsys.by, www.electronica.by. Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по пе­риодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­сия ре­дак­ции. При пе­ре­ пе­чат­ке ма­те­ри­а­лов ссыл­ка на жур­нал «Эле­к­трон­ные ком­по­нен­ты» обя­за­тель­на. От­вет­ст­вен­ность за до­сто­вер­ность ин­фор­ма­ции в рек­лам­ных объ­яв­ле­ни­ях не­сут рек­ла­мо­да­те­ли. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному катало­ гу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по пе­ чати. ПИ №77-17143. Издание зарегистрировано на Украине, свидетельство о государственной регистрации КВ№17602-6452 ПР. Подписано в печать 06.05.2019 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 6000 экз. Отпечатано в типографии «Премиум Пресс» 197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4

электронные компоненты

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

РЕКЛАМА

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

содержание

40 Владимир Ливанов Двухступенчатая синхронизация – новый метод предварительной синхронизации фазы

4

45 Виктор Моряков Обновление прошивки с помощью технологии LoRa при сохранении низкого энергопотребления 48 Юрий Сенякин Эффективные возвратные потери

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И ПРИБОРЫ 52 По материалам компании Rohde & Schwarz Запуск по циклам чтения и записи в модулях памяти DDR3

ДАТЧИКИ 54 Ян Пеккола Точное определение координат автономных транспортных средств

АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ 58 Виталий Копаев Логарифмические усилители 62 Томас Болц Уменьшение высокочастотных шумов путем повышения устойчивости к ЭМ

www.elcomdesign.ru

ГЕНЕРАТОРЫ, ТАЙМЕРЫ И СИНТЕЗАТОРЫ СИГНАЛОВ 64 Зонг Ли МЭМС-осцилляторы для автомобильной электроники

СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ 67 Татьяна Колесникова Применение стандартных функций ввода/вывода среды CodeVisionAVR для управления буквенно-цифровыми дисплеями

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ 76 Юрий Сенякин Преимущества танталовых и керамических конденсаторов 80 Евгений Рябинин Суперконденсаторы. Pro et contra

СПРАВОЧНЫЕ СТРАНИЦЫ 84 Новинки месяца. Редакционный обзор 90 НОВЫЕ

КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 0 5 / 2 0 1 9

E L E C T R O N I C CO M P O N E N T S # 05 / 2019 MARKET 6 Dmitry Bodnar Singaporean Impressions. Has Russia Any Chance to Achieve Singapore’s Economic Performance?

PCB LAYOUT 15 Andrey Talanov Microstrip Filter Topologies 18 Sergey Krasnov Proximity Effect in PCB Design

TESTING 22 Pavel Grebenschikov Detection of Counterfeit Microelectronic Products 24 Andrey Peresadin How TDR Enables Predictive Maintenance for Industrial Ethernet

DESIGN and DEVELOPMENT

POWER SUPPLIES 32 Timur Uludag Isolated MagI3C Power Module Masters the 24V Industry Bus 36 Yevgeny Daburov AC/DC- and DC/DC Converters from Analog Devices

NETWORKS and INTERFACES 40 Vladimir Livanov Two-phase Synchronization: A New Method for Coarse Phase Synchronization 45 Victor Moryakov Updating Firmware with LoRa Technology and Low Power Consumption 48 Yury Senyakin What’s Effective Return Loss, Anyway?

52 Rohde & Schwarz Triggering on Read and Write Cycles in DDR3 Memory Modules

SENSORS 54 Jan Pekkola Perfectly Positioned: Accurate Location Functionality for Autonomous Vehicles

ANALOG 58 Vitaly Kopaev Log Amplifiers 62 Thomas Bolz EMI Immunity Reduces HF Disturbances

OSCILLATORS, TIMERS and WAVEFORM SYNTHESIZERS 64 Song Li Revolutionary Timing for Auto-Qualified MEMS Oscillators

DEVELOPMENT TOOLS 67 Tatyana Kolesnikova Applying Standard CodeVisionAVR Input/Output Control Functions for Alphanumeric Displays

содержание

28 Alexander Korablyov Broadcom’s Linearity Analog Optocouplers and Isolation Amplifiers

INSTRUMENTATION

5

PASSIVE 76 Yury Senyakin The Basics and Benefits of Tantalum and Ceramic Capacitors 80 Yevgeny Ryabinin Supercapacitors. Pro et Contra

REFERENCE PAGES 84 Newly-Designed Products. Monthly Editorial Review 90 NEW

COMPONENTS in THE RUSSIAN MARKET электронные компоненты №5 2019

Сингапурские впечатления. Имеет ли Россия шансы стать Сингапуром в экономике и электронике? Дмитрий Боднарь, к.т.н., генеральный директор, АО «Синтез Микроэлектроника»

Автора давно интересовала эта удивительная страна Сингапур, о которой написано очень много. Все пытаются понять, как ей удалось за столь короткий исторический срок превратить этот благодатный только по климатическим условиям клочок земли в символ экономического, финансового и человеческого благополучия, избежав глубоких провалов даже в условиях мировых кризисов, а высокотехнологичные отрасли промышленности и электронику сделать главными драйверами роста экономики. Автор делится с читателями своими впечатлениями и суждениями после посещения Сингапура.

рынок

Вступление

6

Экономические преобразования и достижения азиатского города–государства Сингапур за последние десятилетия не оставляют равнодушным профессиональных политологов и экономистов. История преобразования и его удивительные результаты совершенно справедливо связаны с деятельностью премьер-министра Ли Куана Ю, посвятившего всю свою жизнь этой стране. Ли Куан Ю вошел в мировую историю как один из наиболее эффективных руководителей страны, достигший поразительных результатов и увидевший их еще при своей жизни. За 40 лет Сингапур совершил восхождение даже не из третьего мира, а из подвалов мировой цивилизации в группу самых благополучных и процветающих стран. Автор этой статьи не очень большой любитель чтения мемуаров бывших и текущих политиков. Часто такие мемуары, особенно отставных политиков, имеют цель приукрасить свой вклад и роль в развитии страны. В некоторых случаях сторонний наблюдатель и читатель не видит развития этой страны. Но, читая ранее книгу воспоминаний Ли Куана Ю [1], меня не покидало ощущение, что, возможно, в нашей стране все сложилось бы по-другому, если бы ее в свое время возглавил такой человек. Масштаб тех трудностей, который ему пришлось преодолеть для становления Сингапура, можно оценить, только прочитав эту книгу. Единственный актив, который достался Сингапуру и ему как премьер-министру после ухода англичан из этой бывшей колонии – морской порт, да и тот в плохом состоянии. Все остальное – сплошной пассив и негатив. Только человек, глубоко преданный интересам своей страны и ее народа, был способен выполнить ту титаническую и трудную работу, которую проделал Ли Куан Ю для политического и экономического становления Сингапура. И эту деятельность, и ее результаты по достоинству оценили не только жители Сингапура, коллеги из других мировых стран разных формаций, но и оппоненты, а также вчерашние враги.

www.elcomdesign.ru

С уходом Ли Куана Ю страна сохранила преемственность в развитии, не занялась строительством памятников, переименованием улиц, площадей и возвеличением своего премьер-министра. Главный памятник ему – страна с одними из лучших в мире условиями жизни для людей. В этой стране хочется жить. Сингапур вчера и сегодня

Знакомство с Сингапуром начинается с аэропорта Чанги, который согласно рейтингу мировых аэропортов занимает 18‑е место с пассажиропотоком 62,2 млн человек. Для сравнения: крупнейшие российские аэропорты Шереметьево – на 50‑м месте с показателем 39,6 млн пассажиров, а Домодедово – на 65‑м с 30,6 млн пассажиров. Отличительной особенностью аэропорта Чанги является то, что часть его территории образована намывом моря. По качеству сервиса, комфорту, цифровизации обслуживания Чанги – лучший из аэропортов, который пришлось посетить автору. Уже сейчас он во многом соответствует определению «аэропорт будущего». Авиакомпания «Сингапурские авиалинии» в 2018 г. заняла 1‑е место среди всех мировых компаний по качеству обслуживания. И с этим автор также готов согласиться. Состояние и инфраструктура города Сингапура может вызвать восхищение даже у подготовленного путешественника. Идеальная чистота во всем городе (даже в чайнатауне, маленькой Индии, малазийском квартале), аккуратно подстриженные кустарники, деревья, газоны, цветы на мостах и эстакадах, отличные дороги с текстовым дублированием дорожных знаков, отсутствие пробок, безукоризненное поведение водителей и пешеходов поражают своей организованностью и упорядоченностью. В то же время в городе не видно людей, которые поддерживают этот порядок. На мой вопрос, в какое время суток выполняются соответствующие работы, жители не смогли однозначно ответить и сказали, что, наверное, ранним утром.

служителей порядка, караулящих свою жертву. В то же время весь Сингапур покрыт сетью видеокамер, контролирующих максимальное пространство. Даже те иностранцы, которые не приучены к подобной аккуратности, соблюдают эти непростые правила. Поведение жителей и туристов в городской среде Сингапура резко контрастирует с другими мировыми мегаполисами Америки, Европы, Азии. Отсутствие агрессии в поведении, доброжелательность, общение в спокойных тонах создают впечатление, что человек находится на съемках фильма о городе и людях будущего. В этом отношении Сингапур не уступает, а даже превосходит мононациональный Токио и является более комфортным для европейцев, чем японская столица. Этому способствует то, что государственным языком в Сингапуре является английский язык, и преподавание в учебных заведениях ведется на английском. Крайне необычно было наблюдать, как китайская семья с ребенком общается между собой на английском. Национальные языки также используются и желательны, особенно в бизнесе между сингапурскими и китайскими и малазийскими компаниями. Стратегическое решение о переходе на английский язык, принятое Ли Куаном Ю в 1960‑х гг., позволило вписать Сингапур в группу передовых стран Америки, Европы, хотя было резко и негативно встречено в свое время. Основная стратегия правительства Ли Куана Ю преду­ сматривала превращение Сингапура в финансовый и торговый центр Юго-Восточной Азии, а также привлечение иностранных инвесторов и создание им максимально комфортных ус ловий д ля организации производства и бизнеса в стране. В настоящее время Сингапур является финансовой столицей Юго-Восточной Азии. А финансо в ый сер в и с и на л о г и с д ву х к аз ин о в Синг ап у р е ежегодно приносят 6 млрд долл. По этому показателю Сингапур занимает 2‑е место в мире после Лас-Вегаса с его 7, 5 м лрд долл., в котором , однако, 70 казино. Ли Куан Ю лично встречался с руководителями крупнейших американских и европейских транснациональных компаний и убеждал их в целесообразности открытия производства и бизнеса в Сингапуре. Именно на высокотехнологические сферы и на электронную промышленность был сделан основной упор в 1960–1970‑е гг. при выборе направлений стратегического развития Сингапура. До середины 1970‑х гг. торговля являлась ведущей отраслью, которая давала более 20% ВВП страны. Сингапур планомерно наращивал и сферу обрабатывающей промышленности, которая выросла с 13,5% в 1965 г. до 26,5% в 1980 г. С 1980‑х гг., когда стали развиваться наукоемкие отрасли, производство

рынок

Все, что делается в Сингапуре, направлено, в первую очередь, на интересы жителей и гостей Сингапура и выполняется с безукоризненным качеством. Характерной иллюстрацией этого умозаключения, по мнению автора, являются сертифицированные бесплатные 6‑звездочные туалеты (!!!) в общественных местах района Marina Bay, по чистоте и комфорту превосходящие фойе фешенебельных 5‑звездочных отелей в некоторых других странах. Хотя методы борьбы с автомобильными пробками и экологией в Сингапуре и вызывают критику некоторых оппонентов, показывают высокую эффективность и уже давно копируются многими азиатскими государствами, включая Китай. Главными особенностями этих методов является организация безукоризненной работы общественного транспорта (метро, автобусы) и ограничение использования индивидуального автотранспорта владельцами с помощью системы дополнительных платежей. Проезд в общественном транспорте настолько комфортный, организованный и относительно недорогой (даже в такси), что использование личного автотранспорта связано только с острой необходимостью или фактором престижа. Правительство Сингапура строго контролирует покупку новых автомашин, устанавливая ежегодную жесткую квоту, в со­о тветствии с которой количество проданных новых автомобилей не должно превышать количество покинувших рынок. Однако в 2018 г. правительство решило не выдавать сертификатов. На приобретение нового автомобиля необходимо получить платный сертификат, стоимость которого превышает 100% от цены этого автомобиля. Так, один из топменеджеров компании, с которой мы вели переговоры, приобретая кроссовер «Ягуар» стоимостью 45 тыс. долл., за сертификат заплатил еще 65 тыс. Сертификат выдается на 10 лет, после чего его необходимо приобрести повторно. Таким образом, все автомобили – в хорошем состоянии, поскольку обновляются до того, как пройдет 10 лет. По этой же причине Сингапур занимает второе место в Азии (после Японии) по продаже в другие страны подержанных автомобилей. О жестких правилах поведения в Сингапуре и о наказаниях за их нарушения ходят легенды, которые, вероятно, были правдивыми на стадии становления и роста сингапурского государства. Похоже, что сформированная среда обитания, привычки жителей Сингапура, а также многочисленные публикации о «Стране 1000 правил» для иностранных граждан и туристов завершились победой порядка. Бесполезными оказались наши попытки в течение нескольких дней найти брошенные мимо урны пакеты, бутылки или хотя бы жевательную резинку. Не было заметно и выглядывавших из-за кустов

Таблица 1. Основные макроэкономические показатели Сингапура за период 2007–2017 гг.

2000

2007

2008

2009

2013

2014

2015

2016

2017

ВВП реальный, % к предыдущему году

8,9

9,1

1,8

–0,6

5,1

3,9

2,2

2,4

3,6

ВВП ном., млрд долл. США

95,8

1180,0

192,2

192,4

304,5

311,6

304,1

309,8

323,9

ВВП на душу населения по ППС, тыс. межд. долл. (2011 г.)

51,7

68,4

66,0

63,7

78,9

80,9

81,7

82,6

85,5

Норма накопления, % ВВП

34,9

23,2

30,5

27,8

30,7

30,2

27,1

27,0

27,6

Среднегодовая инфляция, %

1,3

2,1

6,6

0,6

2,4

1,0

–0,5

–0,5

0,6

Импорт (товары и услуги), прирост, %

20,1

7,5

10,3

–10,6

6,7

4,4

10,6

0,7

3,8

Экспорт (товары и услуги), прирост, %

14,4

8,6

4,8

–7,7

5,9

3,4

4,7

1,1

4,1

Безработица, % рабочей силы

2,7

2,1

2,2

3,0

1,9

2,0

1,9

2,1

2,2

Население, млн человек

4,0

4,6

4,8

5,0

5,4

5,5

5,5

5,6

5,6

Сальдо госбюджета, % ВВП

10,3

10,1

6,1

0,0

6,6

5,4

3,6

3,3

6,0

Госдолг, % ВВП

79,9

84,7

95,3

99,7

101,5

96,6

100,5

106,8

110,9

Счет текущих операций, % ВВП

10,8

26,1

14,5

16,8

16,5

18,7

18,6

19,0

18,8

Источник: данные МВФ

электронные компоненты №5 2019

7

рый он вкладывался, были люди, жители Сингапура и их благосостояние. Оно постоянно росло не за счет роста цен на природные ресурсы, а за счет постоянных инвестиций в людей. Жители Сингапура это отчетливо видели и снова голосовали за Ли Куана Ю. Он никогда не терпел неэффективность – устранял от власти жесткими методами людей, которые неэффективно работали. Можно себе представить, что было бы с руководством и членами Правительства России после анализа в Правительстве Ли Куана Ю выполнения принимаемых решений, предвыборных обещаний, майских указов и т. д. Хотя, скорее всего, никто из этих людей в Правительство Ли Куана Ю не попал бы или через полгода был бы уволен. Сингапур и борьба с коррупцией

Источники: ЦБ РФ, World Bank, World Databank

рынок

Рис. 1. Курсы валют России и Сингапура к доллару США, 1980–2016 гг.

8

изделий электронной промышленности выросло к 2017 г. в 16,7 раза, транспортных средств – в 1,6 раза, фармацевтики – в 73,2 раза [2] (см. табл. 1). Страна, в которой нет каких-либо природных ресурсов, и даже питьевая вода завозилась из соседней Малайзии, за несколько десятков лет превратилась в промышленного азиатского «дракона» высокотехнологичной продукции. За период 1965–1990 гг. ВВП на душу населения Сингапура вырос с 400 до 12,2 тыс. долл., а в следующее десятилетие Сингапур вошел в десятку самых богатых государств мира. За период 2007–2017 гг. ВВП вырос на 11 тыс. долл. и составил 55 тыс. долл. В рейтинге конкурентоспособности экономика Сингапура в 2006–2008 гг. занимала 5–7 место из 134 стран, а в 2014 г. поднялась на 2‑е место. ВВП на душу населения по паритету покупательной способности в Сингапуре – один из самых высоких в мире. Он составил в 2015 г.

85 тыс. долл. [2–3]. В среднем ВВП Сингапура растет более чем на 6,3% ежегодно с 1980 г. и на 7,3% ежегодно с 1960 г. После наступления независимости в 1965 г. ВВП страны вырос более чем в 42 раза, а с 1980 г. – в 9,6 раза. Снижение валового выпуска с 1980 г. наблюдалось только 4 раза и продолжалось не более одного года, в основном в период мировых финансовых кризисов. Для сравнения, ВВП России за последние 10 лет вырос всего на 8,5%, т. е. в среднем он увеличивался по 0,85% в год. Таким образом, Сингапур достигает за один год темпов роста, на которые Россия тратит 10 лет. Курс национальной валюты Сингапура является одним из самых стабильных на протяжении последних 30 лет. Особенно четко это видно на фоне провалов российского рубля (см. рис. 1) [3]. Руководители постсоветских государств, оправдывая свою безальтернативность, борьбу со свободой слова, СМИ и продолжительное нахождение у власти, любят ссылаться на Ли Куана Ю, который руководил страной 30 лет, а после ухода его сын стал премьер-министром. Однако они ничего не говорят о том, что он побеждал на выборах без обмана по-чуровски, а за все время управления страной главным активом, в кото-

www.elcomdesign.ru

Оценить масштабы коррупции, с которой столкнулся в Сингапуре Ли Куан Ю, можно по его высказыванию, что такие жаргонные слова как «процент», «вознаграждение», «бакшиш», «грязь» отражали одну из сторон азиатского образа жизни. Для того чтобы понять взгляды Ли Куана Ю на проблему борьбы с коррупцией, оценим некоторые его крылатые фразы [1]: –– «Если люди во власти не являются образцом честности, борьба с коррупцией невозможна»; –– «Чтобы побороть коррупцию, посадите для начала трех своих друзей. Вы точно знаете, за что, и они знают, за что»; –– «Человеческая изобретательность практически бесконечна, когда дело касается конвертации власти в личную выгоду»; –– «Если власть государства, которым мы управляем, будет использована не чтобы улучшить жизнь большинства, а чтобы набить карманы меньшинства из властной иерархии, то нам придется плохо»; –– «У меня было два пути. Первый: воровать и вывести друзей и родственников в список «Форбс», оставив свой народ на голой земле. Второй: служить народу и вывести страну в десятку лучших стран мира. Я выбрал второе…». (Это ничего не напоминает?) Пропагандисты российских властей в обоснование их нежелания заниматься реальной борьбой с коррупцией и в оправдание неудач в этом деле очень часто вспоминают о нашем менталитете, о взятках как смазке шестеренок для развития экономики, а в качестве аргумента бесполезности и обреченности процесса борьбы с коррупцией даже обращаются к классику Салтыкову-Щедрину и его высказыванию: «Если я усну и проснусь через сто лет и меня спросят, что сейчас происходит в России, я отвечу: пьют и воруют». Но властные чиновники не любят комментировать результаты, которые получил в борьбе с коррупцией Ли Куан Ю, и причины, почему их не заимствуют и не внедряют. Сначала Ли Куан Ю уволил всех судей и всю полицию. Судьями он назначил адвокатов, которые не были во властных структурах и досконально знали все издержки судебной системы. Полицию сформировали из китайцев, которые составляли 3/4 населения Сингапура. Вновь назначенным судьям и полицейским установили высок ую зарплату, но приняли жесткие уголовные нормы против взяток. Было полностью реформировано Бюро по расследованию коррупции (БРК) с его переподчинением премьер-министру и наделением безграничными полномочиями. Была установлена презумпция виновности агентов правительства, любого государственного ведомства или государственной общественной организации. Это значило, что живущий не по средствам государственный чиновник должен был доказывать свою невиновность и происхождение денег, а также несоответствие между доходами и расходами. Т. е. работа в госорганах являлась отягчающим обстоятельством при назначении наказания. В свое время Госдума РФ

Электронная промышленность Сингапура

Отдавая должное крайне эффективной борьбе с коррупцией, многие не до конца оценивают ту гигантскую работу, которую провел Ли Куан Ю по становлению экономики Сингапура. Желание развивать электронную промышленность в Сингапуре, привлекать инвесторов, строить предприятия было у правительства Сингапура и Ли Куана Ю изначально. С этой целью он неоднократно выезжал в США, встречался с руководством крупнейших электронных компаний США. Власти Сингапура предлагали инвесторам освобождение от налогов на 5 лет с их продлением до 10 лет для тех, кому сертификаты по налоговым льготам были выданы после 1975 г. Процесс

Таблица 2. Некоторые мировые полупроводниковые транснациональные компании в Сингапуре Компания

Расположение головного офиса

Продукция и сервис в Сингапуре

Broadcom

Сингапур, США

ИС, модули, 5-я по рейтингу полупроводниковая компания мира в 2018 г. с оборотом 16,261 млрд долл.

Micron Technology

США

Производство чипов и сборка флэшпамяти NAND, NOR, пять производственных фабрик, Технологический центр, Головной азиатский офис

Texas Instruments

США

Производство ИС, датчики, дискретные приборы

Global Foundries

США

5 фаундри-фабрик, 40–350 нм

UMC

Тайвань

Фаундри-производство, 40–130 нм

STMicroelectronics

Европа

Производство чипов и сборка ИС, MOSFET, IGBT, Головной азиатский офис

Infineon

Европа

Производство ИС, Центр разработки, Головной азиатский офис

NXP

Европа

Головной азиатский офис, Дизайн-центр беспроводных технологий, Центр технической поддержки

Amkor

США

Сборка ИС

ASE

США

Сборка ИС

STATS ChipPAC (JCET)

Сингапур

Сборка ИС

пошел в октябре 1968 г. после визита делегации компании Texas Instruments, представители которой обещали начать производство всего через 50 дней после принятия решения. Почти сразу же приехали делегации National Semiconductor и Hewlett Packard. Характерным является интересный случай с организацией лифта для арендуемого НР помещения на 5–6‑м этажах. Поскольку лифта в этом здании вначале не было, то для президента НР в считанные дни проложили толстый кабель из соседнего здания и смонтировали лифт, чтобы он не поднимался пешком. Чиновники правительства Сингапура из кожи вон лезли, работали с инвестором круглосуточно, немедленно предоставляли любую информацию. В 1970 г. компания General Electric основала в Сингапуре шесть предприятий по производству электрических, электронных изделий, предохранителей, электродвигателей. Появляющиеся регулярно в американской и сингапурской прессе сообщения о строительстве и расширении производства в Сингапуре играли свою положительную роль. Американские компании по производству электроники создали так много рабочих мест, что серьезная проблема безработицы после ухода англичан перестала быть проблемой и безработица исчезла. Texas Instruments стала первой электронной компанией, начавшей работу в Сингапуре и не покинувшей эту страну до настоящего времени. Сегодня девять из десяти глобальных мировых электронных многонациональных компаний из списка Топ‑10 имеют свои предприятия, офисы, лаборатории в Сингапуре. В таблице 2 представлены некоторые из этих компаний, имеющие в Сингапуре производственные предприятия по выпуску электронных компонентов, чипов, ИС, модулей, сборок, а также центры разработок, продаж и технической поддержки для всего азиатского региона [4–5]. Доля электронной отрасли в обрабатывающей промышленности Сингапура росла и в 2017 г. составила 37,1% (см. рис. 2) [6]. Приведем некоторые статистические данные [6–8] -- в 2015 г. объем электронной промышленности в Сингапуре составил 64,8 млрд долл., а с 2005 по 2014 год средний темп роста отрасли – 5%;

электронные компоненты №5 2019

рынок

заблокировала все гораздо более мягкие отечественные инициативы по борьбе с коррупцией, оправдывая это решение презумпцией невиновности. Поскольку слова Ли Куана Ю не расходились с делами, несколько его друзей из правительства попали под уголовное преследование и были осуждены, а один из них покончил жизнь самоубийством в тюрьме. Причем, БРК несколько раз проводило расследование против самого Ли Куана Ю и его семьи, но безрезультатно. Против жены и сына Ли Куана Ю было возбуждено дело о получении скидки 5–7% при покупке недвижимости. Застройщик предлагал такую скидку и другим покупателям в период застоя продаж недвижимости, но брат Ли Куана Ю входил в руководство компании–застройщика. Ли Куан Ю настоял не только на том, чтобы скидки были уплачены в бюджет, но и на том, чтобы это дело рассмотрел парламент. Однако даже лидеры оппозиции признали, что скидки – обычная практика, и коррупция в данном случае отсутствует. Повышение зарплат государственным служащим привело к тому, что в госсектор перешли лучшие специалисты. Для борьбы с коррупцией на нижних уровнях порядок выдачи всех разрешений, лицензий и т. д. был упрощен. При приеме на госслужбу требуется указать банковские счета, имущество жены, отца, матери, братьев, сестер. Когда зарплаты чиновников стали расти вместе с ростом экономики Сингапура, Ли Куан Ю «привязал» зарплату министров, судей и высших государственных служащих к сумме налогов на доходы, уплачиваемые частным сектором. Уровень оплаты чиновника определялся как 2/3 дохода работников частного сектора сопоставимого ранга, указанного ими в налоговых декларациях. В настоящее время зарплата премьер-министра (которым является сын Ли Куана Ю) является самой высокой среди мировых лидеров и составляет около 1,5 млн долл. в год, что в 4 раза превышает зарплату президента США. В России руководители неэффективных госкорпораций получают такие деньги в месяц, а представление деклараций госчиновников превратилось в пародию. Всего несколько лет потребовалось властям Сингапура, чтобы искоренить коррупцию в исторически ранее пропитанной ею стране. Даже беглого взгляда и сравнения с тем, что происходит в России, достаточно, чтобы понять, что наши власти реально не борются с коррупцией, а фактически своими действиями поощряют ее, сами не являются образцом честности, о чем неоднократно говорил Ли Куан Ю. Стоит ли удивляться крылатой русской пословице «Какой поп, такой и приход»? Борьбу с коррупцией следует начинать с себя, а не подменять ее отвлекающими лозунгами и историческими экскурсами. Тогда и результат не замедлит себя ждать. В международном рейтинге по индексу восприятия коррупции в стране в 2018 г. Сингапур занимает 3‑е место, а Россия – 138‑е из 180 стран, рядом с Папуа-Новой Гвинеей, Ливаном, Ираном, Мексикой. Незавидная компания. В 2018 г. мы опустились на 3 места по сравнению с 2017 г.

9

а)

б)

Рис. 2. Доли отраслей перерабатывающей промышленности Сингапура в 2007 и 2017 гг.

рынок

-- объем инвестиций в электронную промышленность Сингапура составил в 2015 г. 3,3 млрд долл., т. е. 28% от всех инвестиций, уступив только химической промышленности с показателем 31%; -- компания Micron Technology имеет в Сингапуре самые большие из своих зарубежных предприятий с персоналом в 7500 человек; -- в последние годы такие изделия сингапурской электронной промышленности как смартфоны, домашние роботы и беспилотники показали рост в 100% от года к году; -- объем продаж электронных товаров достигнет 30 млн шт. к 2020 г., принеся доход более 5 млрд долл.; -- в электронной промышленности Сингапура, включая полупроводники, работают 68000 рабочих и специалистов, т. е. 17% трудовых ресурсов Сингапура;

10

Рис. 3. Производство электронной промышленности в Сингапуре в 2000–2017 гг.

www.elcomdesign.ru

-- ежегодно Сингапур готовит и обучает 13000 инженернотехнических работников для своей полупроводниковой отрасли; -- в 2017 г. рост полупроводниковой отрасли составил 48%, а вся электронная промышленность выросла на 30% в сравнении с 2016 г.; полупроводниковое производство составило 67% ВВП от всей электроники; -- выпуск продукции всей обрабатывающей промышленности Сингапура в 2016 г. вырос на 11,9% благодаря скачку рынка электроники на 24,2%; -- в настоящее время Сингапур производит около 25% от мирового рынка принтеров; -- 3 лучшие мировые фабрики производства чипов, 3 лучших мировых сборочных завода и 4 лучшие фаблесс-компании имеют предприятия в Сингапуре;

а)

б)

Рис. 4. Производство электро-, электронного, оптического оборудования в России и Сингапуре в 1995–2016 гг.: а) всего; б) на душу населения

тронной промышленности Сингапура и ближайших стран, и о них хорошо отзываются. К сожалению, после 2014 г. поток эмигрантов из России за рубеж, особенно среди молодежи и людей с высшим образованием, резко вырос. 41% опрошенных «Левада-центром» в начале 2019 г. молодых людей в возрасте от 18 до 24 лет заявили о желании уехать из страны, что дает основание классифицировать отъезд как новый исход эмигрантов. Причем, основной причиной отъезда большая часть считает не получение образования за рубежом, а недовольство политической и экономической обстановкой в стране. Это очень опасная тенденция, не оставляющая России шансов осуществить рывок, экономические преобразования и модернизацию. Однако власти страны вместо устранения причин эмиграции формирует в обществе девиз «Кому не нравится – валите». Чем это кончается, хорошо видно на примере России и других стран. В процессе становления своего государства правительство Сингапура максимально стимулировало получение молодежью образования за рубежом и их последующее возвращение в страну. В настоящее время сингапурские учебные заведения готовят кадры для своей страны и многих соседних государств. По прогнозу Международного валютного фонда, рынок пяти стран ACEAH, включая Сингапур, будет расти на 5,5% ежегодно до 2020 г. по сравнению с 1,9% для стран G7. Для привлечения бизнеса и инвестиций правительство Сингапура развернуло программы «Будущее Сингапура», «Умная нация», «Цифровая экономика». На последнюю программу правительство выделяет 1,68 млрд долл. на четыре года. Большое значение придается здравоохранению, включая установку электронных датчиков в квартирах для наблюдения за пожилыми людьми, а также систему телемедицинской помощи для удаленной связи с врачом. У российской электроники и микроэлектроники имеются застарелые проблемы: -- мизерный объем российского рынка, который слабо вырос за последние 10 лет; -- изолированность от мировой отрасли; -- отсутствие зарубежного и отечественного капитала; -- милитаризация отрасли.

электронные компоненты №5 2019

рынок

-- в 2016 г. 11% мирового объема фаундри-пластин произведено в Сингапуре; -- почти в каждом электронном устройстве в мире содержится, по крайней мере, один элемент полупроводниковой промышленности Сингапура. Производство электронной продукции в Сингапуре растет, и полупроводниковые изделия в ней составляют основную долю (см. рис. 3) [5]. Сравнение абсолютных значений производства электро-, электронного, оптического оборудования и особенно на душу населения Сингапура и России показывает, в каких разных категориях находятся эти государства (см. рис. 4) [3]. В начале производственной деятельности американских электронных компаний в Сингапуре основную долю составляли сборочные предприятия. В настоящее время в стране работают полупроводниковые предприятия всего цикла производства электроники. В Сингапуре также находится один из наиболее известных в Азии Научно-исследовательский институт микроэлектроники A*STAR, работающий над решением самых насущных задач микроэлектроники. Страна не испытывает кадровых проблем и имеет большое количество высших учебных заведений, готовящих специалистов для Сингапура, Азии и Америки. Начальная зарплата молодого инженера после окончания учебного заведения составляет 3300 долл. Поскольку нехватка земли существенно ограничивает возможности строительства наземных солнечных электростанций, в Сингапуре используются плавучие солнечные батареи. Самая большая в мире в свое время плавучая солнечная электростанция мощностью 1 МВт установлена на водохранилище Тенге на западе Сингапура. Ее площадь эквивалентна 1,5 футбольным полям, а эффективность на 11% выше в сравнении с наземными системами за счет охлаждения водой. Такой подход лишний раз демонстрирует, что в инновационных странах не бывает недостатков, которые нельзя обойти или превратить их в преимущества. По самым скромным оценкам аналитиков Всемирного банка, суммарная мощность плавучих электростанций в мире достигнет 400 ГВт. В технических вузах Сингапура учатся так же наши со­о течественники. Работают они на предприятиях элек-

11

Сингапур хорошо вписан в мировую экономическую систему и лишен этих недостатков. В 2014 г. после присоединения Крыма самым проблемным для отечественной электронной промышленности стали зарубежные санкции, которые еще больше закрыли доступ к зарубежной продукции, технологиям и оборудованию. Это значит, что Сингапур вместе со всем миром будет двигаться вперед, а отечественная микроэлектроника будет все больше отставать, не имея шансов даже приблизиться к Сингапуру.

рынок

Почему Россия не Сингапур?

12

Анализируя чужие успехи и свои неудачи, каждый человек должен сначала сформировать для себя определенные выводы и понять причины неудач. Почему Россия при наличии больших природных богатств, образованного населения (хотя сейчас уровень образования катастрофически падает), обилия плодородной земли, не самых худших климатических условий в течение столетий не может стать процветающей и стабильной (не путать с застоем)? Почему это получается у европейских и американских стран, у Южной Кореи, Тайваня, Японии, Китая, а наша страна, как заколдованная, ходит по кругу неудач? Почему эти страны и Сингапур блистательно доказали, что можно динамично развиваться без природных ископаемых, войны с соседями и захвата чужих территорий, ядерного шантажа и угроз, занимаясь только обеспечением благополучия своей страны и ростом благосостояния своего населения? Можно, как Китай, не прибегая к войнам, мирно присоединить две новые «жемчужины» к своим территориям (Гонконг, Макао), не вызвав напряженности с соседями и внутреннего противостояния между своими территориями, а только преумножив экономический рост. Ли Куан Ю сказал о России: «Русским, конечно, виднее, но с соседями надо не воевать, а торговать…» Пример Ли Куана Ю и Дэн Сяо Пина показывает, насколько велика роль личности в истории страны и мира. Главный принцип любого успешного руководителя страны: для процветания интересы государства и его народа должны быть безусловным приоритетом перед собственными интересами, а также интересами родственников и друзей. Ли Куан Ю всей своей жизнью подтвердил незыблемость этого принципа. Автор попытался сформулировать 10 основных принципов именно такого руководителя успешного государства в порядке приоритета, из которых будет понятно, почему Россия не Сингапур.

1. Безусловный приоритет интересов страны перед собствен­ ными и интересами родственников и друзей. За 30 лет работы премьер-министром следование этому принципу в полной мере продемонстрировал Ли Куан Ю. У российских руководителей страны с 1990‑х гг. интересы семьи и друзей превалировали над интересами страны. Ли Куан Ю с большим плюсом вошел в мировую историю и историю Сингапура, а у руководителей нашей страны с этим большие проблемы.

2. Политическая воля руководителя к преобразованиям в стране. Необходимо не желание, а именно политическая воля, в т. ч. для принятия непопулярных, жестких мер даже авторитарного характера. В истории СССР был пример Горбачева с желанием преобразований, но при отсутствии политической воли и характера. Итогом стал распад СССР. У текущего российского руководства нет ни желаний, ни политической воли к преобразованиям.

3. Жесткая и независимая правовая система с неотвратимо­ стью наказания для всех граждан и нерезидентов незави­ симо от политического, расового, финансового статуса. Сингапур получил в наследство систему английского права, а Ли Куан Ю сделал ее реально независимой и равноправной

www.elcomdesign.ru

для всех, включая членов своей семьи и близких друзей. В России правовую систему и ее зависимость от власти критикуют даже ее представители, но ситуация только ухудшается. И это при том, что первые два лица в российской властной иерархии по образованию юристы.

4. Безусловный приоритет задач реформирования экономики перед политикой. Об этом неоднократно говорил Ли Куан Ю и строго следовал этому принципу. В России все ровно наоборот, и это также отмечал Ли Куан Ю, характеризуя Россию и ее положение.

5. Защита прав собственности юридических и физических лиц. Сингапур занимает первое место в мире по этому показателю, а в России отъем собственности – обычное для властей занятие, прикрываемое лозунгом, что власти не могут вмешиваться в правосудие.

6. Политическая стабильность и предсказуемость страны с главенством принципа, что политика и геополитика не должны препятствовать экономике. Именно благодаря политической стабильности и предсказуемости и неизменным правилам Сингапур – один из мировых лидеров по инвестиционной привлекательности. Россия же действует ровно наоборот, вытесняя за счет геополитических амбиций и войн приток инвестиций в свою страну. Более того, играя в геополитику, руководство страны пытается сплотить население, что в еще большей мере ухудшает ситуацию. Таким образом, власти скрывают свою полную экономическую несостоятельность, т. к. никаких других способов поддержания экономики кроме высоких цен на нефть руководство страны не знает.

7. Интеграция в мировую экономику и политическую систему. Сингапур занимает первое место в десятке самых глобализованных стран мира и прекрасно вписан в мировую экономическую и финансовую систему. Россия добилась только изоляции и непрекращающихся санкций, толкающих ее на дно.

8. Диверсификация экономики. Сингапур добился того, что перерабатывающая промышленность, финансовые услуги, фармацевтика, туризм и др. позволяют гарантировать рост экономики. В России сырьевая зависимость только растет, а диверсификация остается пустым лозунгом, который уже 20 лет повторяет президент страны.

9. Авторитаризм по-антироссийски. Основная критика, которой подвергался Ли Куан Ю, – авторитарные методы управления и жесткое уголовное право с применением смертной казни за тяжкие преступления, и в этом есть сходство с действующей российской властью. Но главное отличие: Ли Куан Ю делал это не для сохранения и продления личной власти, а также защиты друзей, как это происходит в России.

10. Политические свободы и демократия. При главенстве этого принципа над экономическими свободами, независимостью правовой системы и защитой прав собственности повторится горбачевская перестройка. Дэн Сяо Пин, подавивший выступление студентов на площади Тяньаньмэнь, и Ли Куан Ю неоднократно заявляли, что создание экономического фундамента должно предшествовать политическим свободам, а не наоборот. К сожалению, в России нет ни экономического фундамента, ни политических свобод. И, похоже, пока не предвидится. В вопросах демократии Ли Куан Ю считал, что для создания открытой политической конкуренции и свободных СМИ нужно, чтобы 40–50% населения принадлежали к среднему классу, имели доход выше 5000 долл. в месяц и были хорошо образованы. Т. е. к демократии страна должна переходить по мере улучшения благосостояния нации. В России в появлении высокой доли среднего класса власти не заинтересованы, т. к. средний класс имеет свойство анализировать, задавать неприятные вопросы

мобиль» самым богатым должен быть владелец нефтяной вышки, поскольку его добавленная стоимость формируется при минимальных затратах и дарована ему природой. А вот создатель автомобиля должен вкладываться в человеческий капитал и конкурировать с другими создателями. Но даже дарованными природой богатствами требуется правильно и эффективно распорядиться. Арабские Эмираты и Венесуэла в текущей жизни по-разному это и демонстрируют. Однако Россия и в этой сфере умудряется показывать неэффективность, а 20 млн россиян, живущих за чертой бедности, – лишнее тому подтверждение. Так что размеры страны и населения не являются оправдывающими факторами. Главным является правильный выбор сферы деятельности и ее эффективность. Сингапур выбрал свое место в глобальном мире и показывает высочайшую эффективность именно там, где важен человеческий капитал. Россия же все больше превращается в провинциальную нефтяную вышку для обслуживания передовых стран. И свою добавленную стоимость она пытается получить за счет спекулятивных договоренностей от повышения цен нефти, где человеческий капитал играет незаметную роль. В тех же сферах, где требуется конкуренция и постоянный поиск, мы проигрываем. Электронная промышленность – тому подтверждение. Во всех международных рейтингах в сферах, связанных с человеческим капиталом, Сингапур и Россия находятся на противоположных полюсах. Глобальное различие в политических и экономических системах, созданных в России и Сингапуре: в России система работает на интересы узкой группы людей и на продление их нахождения на властных этажах, а в Сингапуре она постоянно ориентирована на интересы страны и благополучие населения. По этой причине даже из публичного лексикона руководства нашей страны исчез термин «Россия – социальное государство», который ранее так любили употреблять (даже не к месту) наши руководители. И пока так будет продолжаться, у России нет даже теоретических шансов стать экономическим Сингапуром. А зачем? Некоторые группы людей и так хорошо кормят.

От редакции Уважаемые читатели, предлагаем вашему вниманию статью нашего постоянного автора Дмитрия Боднаря. Признаем, что она несколько выбивается из тематики нашего журнала. Как правило, мы стараемся публиковать материалы, имеющие практическую значимость и пригодные в повседневной инженерной практике. Предлагаемая же статья носит, скорее, философский характер – она не поможет создать новый источник питания или разработать схему аналогового тракта. Тем не менее, мы решили напечатать этот материал. Мы отлично знаем Дмитрия Боднаря. Уверяем вас, что совсем не часто встречаются люди, столь радеющие за нашу электронику, как он. Изложенные в статье принципы эффективного управления государством ни для кого не секрет. Возникает закономерный вопрос – почему мы так и не увидели экономического чуда в современной России? В качестве примеров удачного развития экономики автор приводит не только Сингапур, площадь которого, как известно, составляет четверть площади Москвы, но и азиатских тигров, а также Китай, Японию и Индию. О корректности каждого из этих сравнений можно долго спорить, учитывая несопоставимость менталитетов, разницу в историческом развитии России и каждой из упомянутых стран, территориальные, географические различия и т.д. О причинах того, почему российская экономика не может стать процветающей, написано и сказано тоже немало. В частности, на ум приходит нашумевшая в 1990-х гг. книга А.П. Паршева «Почему Россия не Америка», также написанная неэкономистом. По всей видимости, изложенные в статье Дмитрия Боднаря принципы являются необходимым, но недостаточным условием для реализации чуда, т.к. экономические законы не сводятся к нескольким простым рецептам типа упомянутого автором закона Ома, в котором две известные величины определяют третью. Не скроем, что статья вызвала горячее обсуждение в редакции, – оценки не были однозначными, но ни у кого не было сомнений в необходимости публикации этого материала в нашем журнале. Насколько прав Дмитрий Боднарь в своих оценках, мы предлагаем судить читателям. Свои отзывы вы можете отправить в адрес редакции или воспользоваться для этого формой обратной связи на нашем сайте www.elcomdesign.ru.

электронные компоненты №5 2019

рынок

и делать выводы. А это никак не входит в планы наших властей, что они и показали после 2012 г. Сравнение России с Сингапуром по этим 10 принципам четко демонстрирует диаметральную противоположность в интересах, методах и целях руководства этих стран. И пока главенствующим принципом нашей политической элиты будет собственное обогащение, а не процветание страны и ее населения, ничего не изменится. Друзья и преемники будут сменять друг друга на троне и возле него, но сингапурского чуда не случится. Потребуется смена двух поколений россиян, а новый руководитель страны должен будет пройти процесс получения образования, становления или значительный период своей жизни проработать за рубежом и впитать методы эффективного управления экономикой в стране, где главной ценностью является человеческий капитал. Именно через это прошел Ли Куан Ю, получивший образование в Кембриджском университете, но всю свою жизнь посвятивший своей стране. Однако если своей целью руководитель страны видит личное благополучие, то результат будет противоположным и даже ужасным. Получившие образование за рубежом, а свои страны по наследству руководители Северной Кореи Ким Чен Ын и Сирии Башар Асад в полной мере это продемонстрировали. К сожалению, за последние 50 лет у нашей страны ни разу не было каких-либо шансов стать экономическим Сингапуром. Вначале страна победившего социализма рисовала пятилетние планы, затем проводила «гонки лафетов» с похоронами престарелых вождей, много говорила о перестройке и ничего не делала, а потом в противоположность Сингапуру в 1990‑х гг. провалилась из первого (формального) мира в третий. С 2000‑х гг. власти с радостью взирали на растущие цены на нефть, пухли от нефтедолларов и собственного величия. Однако наша страна так и не смогла построить общество для людей с хорошей медициной, образованием и экономикой. Более того, за последние 20 лет руководство страны ни разу не классифицировало, какую страну, строй, общество мы строим и какие цели ставим. Политологи сами дают этому строю название – дикий государственный капитализм. Поскольку власти не возражают, значит, согласны. Население нашей страны психологически тянется в советское прошлое потому, что не видит справедливости и улучшения в настоящем. Людям кажется, что тогда было лучше, а власти играют на этой ностальгии, хотя они же и несут ответственность за несостоявшееся настоящее. В Сингапуре население видело не только динамичное улучшение, но и понимало, за счет чего оно достигалось. И снова голосовало за Ли Куана Ю. Во время обсуждения феномена Сингапура наиболее частый аргумент, который приходится слышать автору в оправдание экономических неудач нашей страны в сравнении с Сингапуром – это малые размеры страны Сингапур и несопоставимые размеры России. Но экономические успехи других азиатских «тигров», начиная с громадных Китая и Индии с их полуторамиллиардным населением и заканчивая Южной Кореей, Тайванем, а сейчас уже и Вьетнамом, а также Арабскими Эмиратами говорят о том, что эта неудачная попытка оправдания несостоятельна. Нежелание увидеть истинную причину своих неудач никогда не помогает их решению. Самое главное, Сингапур создает добавленную стоимость при производстве и продаже товаров, в которых основным является высокий уровень человеческого капитала. В России добавленная стоимость формируется за счет природных ископаемых. Товары, где важен человеческий капитал, у нас получаются неконкурентными. Но парадокс еще в том, что в цепочке «нефтяная вышка – топливо – авто-

13

Второе различие: российская система не дает возможности перезагрузить себя, даже когда дела в стране идут плохо. В ход идут все методы: законодательные ограничения, подавление оппозиции и конкретных людей, контроль над СМИ, пропаганда, выборные фальсификации. Ли Куан Ю был отнюдь не демократом, а автократом, но созданную им выборную систему характеризуют его слова: «У нас свободные выборы каждые пять лет. Мы создали такую систему, что если сингапурцы посчитают, что мы не подходим для управления страной, они могут нас переизбрать. Это их выбор. Но нужно ли к этому стремиться? Нет смысла отбрасывать Сингапур назад. Наш главный плюс, что правительство можно поменять без насилия. В Китае главный минус, что правительство можно поменять только путем восстания». Именно прогресс, динамичное улучшение экономики Сингапура и благосостояния его жителей помогали Ли Куану Ю и его партии выигрывать выборы и оставаться во власти столь длительное время.

рынок

Некоторые рейтинги Сингапура

14

–– Сингапур – 2‑я страна в мире по простоте ведения бизнеса; –– 3‑е место в мире по доходам населения (Forbes); –– 1‑е место в десятке наиболее глобализированных экономик мира (Mc Kinsey 2016); –– Сингапур – наиболее политически стабильная страна в Азии; –– 1‑е место в мире по качеству рабочей силы; –– 1‑е место в Азии по качеству жизни; –– Сингапур – самый умный город планеты по данным Juniper Research за 2015 г; –– 1‑е место среди стран по развитию информационных технологий; –– 6‑еместо в мире по развитию инновационной экономики; –– в Сингапуре одна из сильнейших правовых систем по защите интеллектуальных прав; –– лучшее среднее образование в Азии; –– 1‑е место в мире по оценке прав собственности; –– 3‑е место в мире по эффективности судебной системы; –– 1‑е место в мире по свободе труда; –– 3‑е место в мире по индексу восприятия коррупции, (Россия – 138‑я из 180 стран); –– один из самых высоких в мире индикаторов государственного управления; –– 2–3‑е места по индексу глобальной конкурентоспособности (Россия – 38‑я); –– 2–е место в мире в рейтинге конкурентоспособности экономики; –– 4–5‑е места в мире по индексу человеческого развития, который учитывает ВВП на душу населения по паритету

покупательной способности, состояние образования, продолжительность жизни, (Россия – 49‑я). Какой избиратель согласится переизбирать свое правительство, добивающееся таких результатов? Выводы

Готовя эту статью, автор рассчитывал, что образованный инженерный персонал, для которого предназначена эта статья, задаст себе вопросы. Среди них – главный: почему многонациональная отсталая территория (даже не государство в классическом понимании), которую представлял собой Сингапур в 1960‑е гг., сумела превратиться за несколько десятилетий в одно из самых передовых в мире государств с развитой экономикой, финансами, инновациями и лучшими в мире условиями жизни для людей? Второй вопрос: почему у нашей страны так не получается уже более 100 лет? Возможности у всех людей одинаковы, а цели, задачи и методы для их реализации различаются. К сожалению, не в лучшую для нас сторону. Образованному человеку полезно включать голову не только для решения инженерных задач, но и для анализа жизни и возможности влияния на тех людей, которым мы временно доверили функции управления страной. К сожалению, очень часто наша страна и население живут только «задним умом», не пытаясь увидеть и понять то, что происходит вокруг нас, чтобы внести коррективы, пока не поздно. Надо гордиться не своим величием по количеству ядерных боеголовок и способностью показать кому-то «кузькину мать», а своим экономическим могуществом и уровнем благосостояния населения. С этой целью очень полезно оглядываться вокруг себя и перенимать положительный опыт успешных стран, а не ссылаться на свою исключительность и особый путь развития, которого нет. Как нет закона Ома, действующего по-особому на отдельной территории. Литература 1. Ли Куан Ю. «Сингапурская история: из третьего мира – в пер­ вый». Москва. 2005.

2. Сингапур: социально-экономические основы процветания. Бюл­ летень о текущих тенденциях мировой экономики. Сентябрь. 2018.

3. И. Г. Каламбеков. Россия и Сингапур в цифрах. Справочное изда­ ние. Москва. 2018.

4. List of semiconductor fabrication plants//www.wikipedia.org.

5. Micron in Singapore//www.micron.com.

6. 16 Singapore Semiconductor Industry Statistics. Trends & Analysis.

Jul. 29. 2018//www.brandongaille.com.

7. No swan song for Singapore Semiconductors. The Business Times.

11 Jun. 2018.

8. Electronics Industry in Singapore//www.edb.gov.sg.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

| Рынок профессиональных услуг в сфере интернета вещей к 2023 г. достигнет 189 млрд долл. |

Рынок профессиональных услуг в сфере интернета вещей в 2018 г. составил 79 млрд долл. Согласно прогнозам, к 2023 г. его объем достигнет 189,2 млрд долл. Согласно отчету ReportLinker, средний ежегодный рост (CAGR) рынка в этот период составит 19%. Ожидается, что в ближайшие годы распространение подключенных устройств по всему миру и потребность в узкоспециализированных профессиональных услугах в области IoT в промышленном и транспортном сегментах будут способствовать общему росту рынка. Отсутствие единых нормативных стандартов и универсальных протоколов ограничивает рост рынка по всему миру. Лидировать на рынке услуг будут сегменты интеллектуального транспорта и логистики. Эксперты объясняют это возросшим спросом на IoT для управления трафиком, цепочками поставок и логистикой, запасами, информационными системами для пассажиров, автопарками, грузоперевозками, парковками и т. д. Рынок услуг в сфере проектирования и системной интеграции будет расти максимальными среднегодовыми темпами в течение прогнозируемого периода. Наибольший рост рынка профессиональных услуг в сфере IoT покажет Азиатско-Тихоокеанский регион. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

Микрополосковые фильтры Андрей Таланов, инженер

В статье описаны основные топологии фильтров на микрополосковых линиях, их достоинства и недостатки.

Микрополосковые линии – линии передачи планарного типа, у которых проводящая полоска отделена от заземляющего слоя диэлектрической подложкой. Отдельные компоненты и устройства, например антенны, разъемы, фильтры и делители мощности формируются из металлических структур, нанесенных на подложку. Благодаря этому микрополосковые линии более легкие, компактные и доступные, чем другие типы линий передач, например на волноводах. Микрополосковые линии были впервые предложены в 1952 г. С тех пор они были значительно улучшены с технологической точки зрения и получили широкое распространение. Микрополосковые блоки

Рис. 3. Закороченное ответвление (четверть длины волны)

Рис. 1. Микрополосковая линия передачи

Рис. 2. Микрополосковая линия со ступенчатым изменением импеданса

Рис. 4. Разомкнутое ответвление (половина длины волны)

Рис. 5. Связанные линии

Рис. 6. Фильтр со связью на концах

электронные компоненты №5 2019

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

Структура микрополосковых фильтров очень похожа на схемы на печатной плате, однако имеется существенное различие: металлические проводники, нанесенные на диэлектрическую подложку, образуют не только соединения между компонентами, но и сами компоненты (резонаторы). Металлические компоненты схемы располагаются на твердом диэлектрическом изолирующем слое, под которым находится металлический слой заземления (см. рис. 1). Поля вокруг полосок проникают в подложку и воздушную среду. Диэлектрическая подложка имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, благодаря чему электрическое поле сосредоточено в подложке. Это значит, что потери, вызванные материалом подложки, являются важным фактором. Стандартные материалы печатной платы, например FR4,

могут использоваться на частотах ниже 1 ГГц для фильтров с низкой добротностью (Q). Керамические материалы имеют меньшие потери и более высокую добротность. Ширина полоски, диэлектрическая проницаемость подложки и ее толщина определяют характеристический импеданс. Его изменение (за счет изменения структуры полоскового элемента) приводит к разрыву характеристики передачи. На этом эффекте построены системы с распределенными элементами. Разрывы в линии передачи представляют собой реактивный импеданс для распространяющейся по линии волны. Его можно использовать как приближенную модель дискретных компонентов (дросселей, конденсаторов, резонаторов), которые используются в фильтре. Меняя ширину полоски, можно повышать (путем сужения) или понижать (путем расширения) ее импеданс (см. рис. 2). Если длина линии передачи составляет половину длины волны, входной импеданс равен импедансу нагрузки. Для линии передачи в четверть длины волны входной импеданс обратно пропорционален импедансу нагрузки, т. е. четверть длины волны превращает разрыв цепи в короткое замыкание, и наоборот. Линия передачи в четверть длины волны с коротким замыканием на конце выглядит как разомкнутая и работает как параллельный резонансный контур. Линия передачи длиной в половину длины волны с разомкнутым концом является разомкнутой и тоже работает как параллельный резонансный контур. Такие контуры можно использовать как резона-

15

Рис. 7. Фильтр со связью по краям

Рис. 10. Гребенчатый полосовой фильтр Рис. 8. Фильтр с U-образными резонаторами

Рис. 11. Псевдогребенчатый фильтр

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

Рис. 9. Фильтр на встречно-штыревой структуре

торы с одним входом. Это своего рода основные элементы микрополосковых фильтров, которые часто изготавливаются с помощью ответвлений (stubs) или набора связанных линий (coupled lines). Ответвления образуются полосковым элементом на конце линии (см. рис. 3). Ответвление может представлять собой короткое замыкание (тракт, ведущий к заземлению) или разомкнутый проводник (см. рис. 4). Связанные линии также могут выступать в роли резонатора – их можно закоротить или оставить разомкнутыми в зависимости от требуемых резонансных характеристик (см. рис. 5).

Изменяя форму и размеры металлических полосок, можно получить фильтры стандартных типов (ФНЧ, полосовой, ФВЧ, заграждающий). За годы существования микрополосковой технологии были разработаны стандартные топологии. Далее мы рассмотрим основные топологии полосовых фильтров. Классические топологии полосовых фильтров можно разделить по принципу построения резонаторов: a) разомкнутые линии длиной в половину волны; б) короткозамкнутые четвертьволновые линии. Рассмотрим их достоинства и недостатки. Полуволновые фильтры

Фильтр со связью на концах. Он состоит из отрезков линии передачи длиной в половину длины волны на центральной частоте f0. Отрезки представляют собой резонаторы с емкостной связью на зазорах линии передачи (см. рис. 6).

Таблица. Достоинства и недостатки микрополосковых фильтров разных типов Фильтр

Частотный диапазон

Полоса пропускания (тип.)

Достоинства

Фильтр со связью на концах

Более 10 ГГц

2–10%

Преимуществом связи на концах по сравнению со связью по краям заключается в том, что ширина фильтра может быть значительно меньше, хотя ширина полосок-резонаторов остается прежней. Фильтр подходит для схем с узкой полосой частот, и у него высокая частота среза

Увеличивается длина изделия. Более высокие вносимые потери по сравнению с другими типами фильтров

Более крутой спад характеристики в полосе пропускания

16

Недостатки

Фильтр со связью по краям

Более 10 ГГц

4–20%

Преимущество этого фильтра над фильтром со связью на концах заключается в том, что его длина сокращается примерно наполовину. Кроме того, обеспечивается симметричный частотный отклик. За счет параллельного расположения полосок достигается достаточно сильная связь для данного пространства между резонаторами, что обеспечивает более широкую полосу пропускания, чем в фильтрах со связью на концах

Фильтр с U-образными резонаторами

Более 10 ГГц

4–30%

Широкая и пологая полоса пропускания

Фильтр имеет большую ширину

Фильтр со встречноштыревой структурой

Менее 10 ГГц

10–50%

Низкие вносимые потери. Уже, чем полуволновые структуры. Симметричное заграждение

Более чувствителен к производственным допускам

Гребенчатый полосовой фильтр

Менее 10 ГГц

10–50%

Низкие вносимые потери. Уже, чем полуволновые структуры

Более чувствителен к производственным допускам. Асимметричная характеристика. Требуются дискретные конденсаторы

Псевдогребенчатый фильтр

Менее 10 ГГц

10–50%

Низкие вносимые потери. Уже, чем гребенчатые структуры

Более чувствителен к производственным допускам. Асимметричный отклик. Требуются дискретные конденсаторы

www.elcomdesign.ru

Фильтр со связью по краям. В нем соседние резонаторы расположены параллельно друг другу, но сдвинуты друг относительно друга на половину своей длины. Благодаря этому между ними возникает сравнительно сильная связь, и в результате полоса пропускания становится шире по сравнению с фильтрами со связью на концах (см. рис. 7). Фильтр с U‑образными резонаторами. В фильтрах этого типа используются U‑образные резонаторы (см. рис. 8).

зованы из линейного элемента, один из концов которого закорочен, а на втором имеется сосредоточенная емкостная нагрузка между этим элементом и заземлением. Псевдогребенчатый фильтр образован массивом связанных четвертьволновых резонаторов. Резонаторы состоят из элементов линии, которые разомкнуты на одном конце и имеют емкостную нагрузку на другом (см. рис. 11). Достоинства и недостатки описанных фильтров приведены в таблице.

Четвертьволновые фильтры

Фильтр со встречно-штыревой структурой. В этой топологии используются четвертьволновые резонаторы, один конец которых замкнут накоротко, второй разомкнут. Ориентация резонаторов чередуется (см. рис. 9). Гребенчатый полосовой фильтр состоит из массива четвертьволновых резонаторов (см. рис. 10). Резонаторы обра-

Выводы

Мы рассмотрели основные топологии микрополосковых фильтров. Выбор подходящего фильтра осуществляется в зависимости от требований конкретного приложения. Следует иметь в виду, что некоторые топологии более чувствительны к производственным допускам, чем другие.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

| Проверенные BSDL-описания от компании «Миландр» для микросхем с поддержкой периферийного сканирования |

Компания «Миландр» первой на территории России закупила уникальный программно-аппаратный комплекс BSDL Verifier производства JTAG Technologies. Устройство является профессиональным инструментом, позволяющим проверять BSDL-файлы на реальной микросхеме. Причем, обнаруживает оно не только синтаксические и семантические ошибки, но и несоответствие содержимого BSDL-файла самому кристаллу. Все новые и разрабатываемые цифровые микросхемы ПКК «Миландр» поддерживают технологию периферийного сканирования. Регистры сканирования описываются в виде BSDL-файлов, которые при тестировании собранных плат автоматически обрабатываются тестовыми системами JTAG. Использование устройства BSDL Verifier позволит компании и ее клиентам быть уверенными в точном соответствии JTAG-инфраструктуры микросхем ее описанию. ПКК «Миландр» использует периферийное сканирование во всех сферах своей деятельности: в тестировании микросборок, микросхем и собранных печатных плат. Т о п о л о г и я п е ч ат н ы х п л ат

www.jtag.com/ru

17

РЕКЛАМА

электронные компоненты №5 2019

Эффект близости в проводниках печатной платы Сергей Краснов, инженер

В статье рассматриваются нежелательные явления – поверхностный эффект и эффект близости, которые разработчикам следует учитывать при проектировании печатных плат, а также предлагаются рекомендации по нейтрализации этих эффектов.

Введение

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

Поверхностный эффект и эффект близости являются проявлениями одного и того же принципа – линии магнитного потока не проникают в идеальный проводник. Разница между этими эффектами в том, что поверхностный эффект представляет собой реакцию на магнитные поля, которые генерируются током в проводнике (см. рис. 1), а эффект близости возникает при протекании тока по рядом расположенным проводникам или слоям. Оба эффекта начинают проявляться на одинаковой частоте.

18

Эффект близости

У многослойных печатных плат этот эффект возникает на достаточно низких частотах около 30 МГц. Ниже этого значения напряженность магнитного поля слишком мала, чтобы влиять на протекание тока. На низких частотах обратный ток течет по тракту с наименьшим сопротивлением, заполняя всю площадь поперечного сечения проводника. При возврате к источнику через слои питания или заземления этот ток стремится занять всю медную плоскость. Однако по мере увеличения частоты сигнала напряженность магнитного поля вокруг проводника возрастает, выну ж дая обратный ток протекать по цепям с наименьшей индуктивностью. В результате ток течет по узкому тракту непосредственно над или под проводником опорного слоя. Как видно из рисунка 1, под влиянием магнитного поля ток протекает на небольшой глубине по периметру проводника (эта область показана красным цветом), что увеличивает его кажущееся сопротивление. Данное явление носит название поверхностного эффекта. Под влиянием магнитного поля ток неравномерно распределяется по поверхности двух близко нахо-

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Сравнение поверхностного эффекта с эффектом близости

дящихся проводников (см. рис. 1). Так происходит в результате эффекта близости. В результате ток в основном сосредоточен на стороне проводника, обращенной к опорному слою, где наибольшая концентрация тока наблюдается на поверхности непосредственно под проводником. На рисунке 2 показано, как распределена плотность обратного тока в микрополосковой линии. В асимметричной полосковой конфигурации (см. рис. 3)

под действием эффекта близости ток распределяется неравномерно между центральной частью проводника и дальними опорными слоями. Необходимо точно понимать, куда потечет обратный ток. Особенно важно иметь это представление в случае использования асимметричной полосковой конфигурации, в которой один или два сигнальных слоя находятся между двумя плоскостями. В первую очередь, следует точно знать, не по какому слою потечет обратный ток, а как он распределится на каждом слое. Кроме того, при наличии разрывов импеданса в тракте обратного тока площадь токового контура увеличивается, возрастает индуктивность и задержка. Разрыв импеданса возникает из-за сквозных переходных отверстий, через которые осуществляется связь между сигнальными проводниками и опорными слоями с разными потенциалами. Иначе говоря, обратному току прихо-

Рис. 2. Плотность обратного тока в микрополосковой линии

На заметку • На низких частотах обратный ток выбирает тракт с наименьшим сопротивлением, заполняя всю площадь поперечного сечения проводника.

• По мере увеличения частоты сигнала напряженность магнитного поля вокруг проводника возрастает, вынуждая обратный ток протекать по цепям с наименьшей индуктивностью.

• Высокочастотный ток течет по тракту с малой площадью сечения непосредственно над или под проводником опорного слоя.

• Под влиянием магнитного поля ток протекает на небольшой глубине по периметру проводника. Это явление носит название поверхностного эффекта.

• При эффекте близости ток под влиянием магнитного поля неравномерно распределяется по поверхности двух близко находящихся проводников.

• Необходимо точно знать путь, по которому потечет обратный ток.

• При наличии разрывов импеданса в тракте обратного тока площадь токового контура увеличивается, возрастает индуктивность и задержка.

• Если опорные слои имеют одинаковый потенциал по постоянному току, их можно соединить методом сшивания, расположив рядом с сигнальным переходным отверстием массив переходных отверстий, позволяющих уменьшить тракт для обратного тока.

• Если у опорных слоев – разные потенциалы по постоянному току, между слоями устанавливаются развязывающие конденсаторы, чтобы обеспечить протекание обратного тока.

• Установка двух развязывающих конденсаторов между слоями питания является намного лучшим решением, т. к. оно позволяет исключить передачу шума от одного источника питания другому.

• Уравнение для расчета распределения тока позволяет определить направление, в котором течет обратный ток.

• Уравнение для распределения тока позволяет также оценить величину перекрестной помехи.

Однако в случае полосковой конфиг урации необходимо учитывать соотношение между высотой слоя над проводником h1 и высотой слоя под проводником h2. В этом случае высота h для верхней части слоя определяется следующим образом: . (2) Высота h для нижней части слоя определяется следующим соотношением:

. (3) Эти уравнения легко экстраполируются на случай использования двойной полосковой линии путем добавления высоты соответствующих диэлектрических с лоев к каж дой плоскос ти. В результате выражение (h1 + h2) из двух предыдущих уравнений заменяется выражением (h1 + h2 + h3). Соответствующее распределение тока мы уже видели на рисунке 3.

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

дится «перепрыгивать» через границу между слоями, чтобы замкнуть токовый контур, что увеличивает его индуктивность и ухудшает качество сигнала. При протекании обратного тока возникает режим резонанса в параллельно расположенных слоях, что приводит к сильным электромагнитным помехам из-за краевых эффектов. Если опорные слои имеют одинаковый потенциал по постоянному току, их можно соединить методом сшивания, расположив рядом с сигнальным переходным отверстием массив переходных отверстий, обеспечивающих более короткий тракт для обратного тока. Если же у опорных слоев – разные потенциалы по постоянному току, между ними устанавливаются развязывающие конденсаторы (см. рис. 4а). Однако в результате такого соединения может возникнуть шум по переменному току между источниками питания. Способ использования двух развязывающих конденсаторов, представленный на рисунке 4б, является намного лучшим решением, т. к. оно позволяет исключить передачу шума от одного источника питания другому. И хотя площадь токового контура в этом случае немного больше, между слоями обеспечивается дополнительная развязка, что уменьшает импеданс схемы разводки питания. Кроме того, некоторая часть обратного тока, замыкая контур, протекает через межслойную емкость.

Рис. 3. Распределение плотности тока в случае двойной асимметричной полосковой линии

Уравнения для распределения тока

Распределение тока в трех базовых конфигурациях показано на рисунке 5. Распределение тока J(D) в случае сплошной микрополосковой линии определяется следующим образом: , (1)

где h – высота проводника над/под слоем, мил; d – расстояние по горизонтали от центра проводника, мил.

Рис. 4. а) пример неправильно установленного развязывающего конденсатора между двумя слоями питания; б) удаление шума в тракте обратного тока между разделенными слоями питания

электронные компоненты №5 2019

19

Рис. 5. а) микрополосковая; б) полосковая; в) сдвоенная полосковая конфигурации

Говоря точнее, в полосковых конфигурациях проводник толщиной t полностью погружен в слой препрега, благодаря чему проводник расположен ближе к опорному слою, а его импеданс – меньше. Следовательно, приведенное выше уравнение немного усложняется из-за растекания эпоксидной основы препрега. Однако если известно, какой материал используется как основа, а какой – в качестве препрега, высоту препрега можно считать равной t. Уравнение для распределения тока позволяет также оценить величину перекрестной помехи (ПП). Эта помеха в случае микрополосковой линии определяется следующим образом: .

Перекрестная помеха выражается как отношение шумового напряжения к амплитуде управляющего сигнала. Постоянная k зависит от времени нарастания фронта и длины взаимодействующих участков проводников. Выводы

При моделировании проводника, находящегося над сплошной плоскостью, видно, что максимальная плотность тока больше на той стороне опорной плоскости, которая обращена к проводнику. Тот же принцип действует в отношении параллельных участков двух установленных рядом проводников: максимальный ток сосредоточен на двух обращенных друг к другу поверхностях. Эффект близости является следствием общего правила, в со­ответствии с которым высокочастотный ток сосредотачивается вблизи своего обратного тракта.

СОБЫТИЯ, ЛЮДИ

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

| 25 лет в борьбе с неопределенностью |

20

12 апреля компания «ПриСТ» отметила 25‑летний юбилей со дня своего основания. На сегодняшний день АО «ПриСТ» является одним из крупнейших поставщиков измерительной техники, измерительных аксессуаров и услуг технического обслуживания, поверки и калибровки в области радиоизмерений и электроизмерений. Основными чертами деятельности компании являются надежность и обязательность, профессионализм и поступательное развитие сервисов в интересах наших клиентов. Комбинация сервисов, предоставляемых компанией «ПриСТ», уникальна на рынке: – благодаря длительным партнерским отношениям с ведущими мировыми производителями измерительного оборудования мы можем в разумные сроки поставить практически любое доступное оборудование; – в компании работают настоящие эксперты в области метрологии, радиоизмерений, электроизмерений, которые помогают клиентам компании найти и выбрать оборудование для решения необходимых задач; – одна из лучших частных метрологических лабораторий в России – метрологическая служба АО «ПриСТ», оснащенная превосходными эталонами, автоматизированными рабочими местами, аккредитованная на право проведения поверки в широких диапазонах; – отдел сертификации и испытаний проводит испытания для утверждения типа средств измерений для ведущих производителей, к которым относятся Fluke, Rohde&Schwarz, TDK-Lambda, Teledyne LeCroy; – АО «ПриСТ» – одна из немногих компаний в России, которая имеет большой склад готовой продукции и большую часть номенклатуры может поставить в кратчайшие сроки; – один из новых сервисов – аренда средств измерений активно развивается последний год; – сервисный центр АО «ПриСТ» аккредитован на право ремонта такими компаниями как Teledyne LeCroy, National Instruments, GW Instek. Клиенты компании в полной мере обеспечены гарантийным и постгарантийным сервисом. АО «ПриСТ» является эксклюзивным поставщиком продукции торговых марок APPA, Center, GW Instek, MULTI, SEW, Tabor, Teledyne LeCroy, Wayne Kerr. Как официальный дистрибьютор мы поставляем продукцию Anapico, Anritsu, Fluke, K&H, National Instruments, Pendulum, Pico Technology, Rohde & Schwarz, Spectracom, Testo и других компаний. Партнерские отношения связывают нас с компанией Keysight Technologies, продукцию которой мы предлагаем на российском рынке. В номенклатуре компании – более 1500 позиций средств измерений и аксессуаров под собственной торговой маркой АКИП. Под этой торговой маркой у разных зарубежных производителей из Европы, Азии и Америки АО «ПриСТ» заказывает изготовление средств измерений. За 25 лет мы научились сокращать неопределенность во многих вопросах: цены сроки, качество, надежность, сервис и т. д. Мы готовы делиться опытом, учить и поддерживать. Обращайтесь за определенностью! www.prist.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

Выявление контрафактной продукции в микроэлектронике Павел Гребенщиков, начальник ИЛ ЭКБ, АО «ТЕСТПРИБОР»

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Проблема контрафакта затрагивает все сферы жизнедеятельности, к которым относятся продукты питания, парфюмерия, медикаменты. По данным журнала Business Week, на долю поддельной продукции приходятся не менее 7% от объема внешней мировой торговли. Микроэлектронная промышленность также не осталась в стороне; при этом объем контрафактной продукции растет с каждым годом.

22

Реальные масштабы контрафактной элек троники трудно оценить. Производителю электронного оборудования сложно определить контрафактную продукцию среди тысяч изделий, использованных для сборки системы. В некоторых случаях подделка может быть введена несколькими этапами ранее в цепочке поставок и стать частью модуля или сборки, продаваемой авторитетной компанией. Большинство производителей не имеют ресурсов для отслеживания фактического происхождения каждой части продукта. Иногда изделия могут действительно работать, по крайней мере, при выполнении некоторых функций в течение короткого периода времени. По некоторым оценкам, законные производители электроники ежегодно теряют около 100 млрд долл. из-за подделок. Эти данные учитывают только прибыль, которую мошенники уводят от производителей, без учета дополнительных расходов на ремонт и техническое обслуживание, вызванных неисправными поддельными деталями, а также затрат на выявление и обнаружение таких компонентов. Микросхема становится привлекательной целью для производителей контрафакта только в том случае, если рыночный спрос на нее очень высок. Такое происходит, например, когда производитель прекращает производство микросхемы определенного типа, что вынуждает любого, кто хочет ее использовать, покупать через дистрибьютора, у которого все еще имеется некоторый запас. Таким образом, со временем микросхема становится дефицитной, стоимость ее увеличивается и, соответственно, возрастает вероятность подделки этой ИС недобросовестными производителями.

www.elcomdesign.ru

Виды контрафактной продукции:

Основные виды контрафактных изделий: -- повторно используемые перемаркированные изделия; -- клонированная продукция; -- микросхемы с замененным кристаллом.

80% от контрафак тных изделий со с т ав л яю т п о в тор н о и сп ользуе мые изделия. Они уже применялись в снаряжении, оборудовании или элек тронных ус тройс твах. От ходы электроники собираются и продаются в развивающиеся страны или в учреждения. Вышедшие из строя устройства разбираются на запасные части, компоненты извлекаются из печатных плат при очень высокой температуре, а затем продаются на рынке как новые. С помощью специального оборудования демонтированные компоненты обретают торговый вид – стирается старая надпись, создается матовая поверхность, наносится новая надпись, подобная бывшей, чис т ятс я и создаются «непаяные выводы» и т. д. Маркировка на компонентах изменяется – исправляется год производства микросхемы, уровень качества и т. д. Клонированные компоненты изготавливаются неавторизованными производителями, не имеющими законных прав на производство кристалла. Само по себе клонирование – процесс копирования дизайна мошенниками, главным образом для уменьшения больших затрат на разработку компонента. Фальсификация может осуществляться на уровне кристалла, когда производитель контрафакта устанавливает в микросхему кристалл, который по характеристикам хуже оригинального. Кроме того, может быть установлен чип со скрытой функциональностью

(«аппаратный троян»), позволяющей отправлять секретную информацию потенциальному противнику. Это может представлять реальную угрозу, если чипы используются на предприятиях военно-промышленного комплекса или в военной технике. Методы обнаружения подделок

Основные методы обнару жения п о д д е л ьн ы х ко м п о н е н т о в м ож н о разделить на физические и электрические. Физические методы включают в себя идентификацию, контроль маркировки, контроль массогабаритных параметров, рентгенологическое обследование, контроль герметичности, сканирующую ак устическ ую микроскопию. К электрическим методам относят параметрический

Рис. 1. Пример задвоенной маркировки

Рис. 2. Пример перемаркировки Рис. 4. Отказы электронных компонентов в течение жизненного цикла

и функциональный контроль, а также электротермотренировку. На этапе входного контроля необходимо осуществить проверку сопроводительной документации, детально оценить внешний вид и массогабаритные параметры, проверить однородность партии. Уже на этапе входного контроля выявляются следующие несоответствия по маркировке (см. рис. 1–2): -- н е к о р р е к т н а я м а р к и р о в к а (напри­м ер, неверный код даты, орфографические ошибки, просвечивающая старая маркировка); -- низкое качество маркировки; -- маркировка смывается после воздействия растворителей.

Рис. 5. Вид микросхемы со вскрытым корпусом

позволяет обнаружить компоненты коммерческого качества, помеченные как военные, а также выявить компоненты, которые преж де длительно эксплуатировались и были повторно проданы как новые. Д ля выяв ления несоответс твий кристалла и внутренних соединений так же используется разрушающий физический анализ (РФА), который проводится на выборке. В процессе РФА происходит декапсуляция образца и оценка внутреннего состояния компонента. Выводы

Первоочередной задачей, направленной на уменьшение вероятно с ти приобретения контрафак тной продукции, является выбор надежного поставщика. Необходимо приложить максимальные усилия, чтобы закупить изделия у основного изготовителя или официального дилера и с максимально возможной документацией. Каждая партия должна проходить стопроцентный входной контроль, включая идентификацию, контроль внешнего вида, массогабаритных параметров, а также проверку электрических параметров. Для выявления поддельных компонентов рекомендуется использовать комплексный набор испытаний, в который может входить проверка физических размеров и постоянства всех маркировок, рентгеновские и электрические испытания.

электронные компоненты №5 2019

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Рис. 3. Рентгенографический контроль

Кроме того, для контроля маркировки используетс я ак ус тический микроскоп. В методах акустической микроскопии применяются упругие механические колебания, обеспечивающие распространение волн в твердой среде. Скрытые дефекты внутри компонентов выявляют рентгенографическим оборудованием (см. рис. 3). Рентгенографический контроль определяет наличие кристалла, его постоянный размер/форму, целостность внутренних соединений, точное расположение кристалла и разводки. Использование физических методов контроля вместе с электрическими дает большой шанс выявить контраф ак тные из де ли я. Так , напри м ер, одним из способов определения однородности партии, помимо проверки кодов данных, является контроль электрических параметров по ужесточенным нормам. Комплексный набор испытаний должен включать в себя проверку физических размеров и постоянства всех маркировок, рентгеновские и электрические испытания. Электрические параметры должны проверяться при граничных температурах. Важный этап отбраковки поддельных компонентов – проведение эл е к т р отер м от р е нир о в к и. М е тод электротермотренировки (ЭТТ) основан на том, что изделия электронной техники, в т. ч. микросхемы, имеют тенденцию к отказам на ранней стадии (см. рис. 4) функционирования из-за наличия в поставляемой партии контрафак тных изделий, скрытых дефек тов, что и обуславливает срабатывание механизмов отказов с низкой энергией активации. Электротермотренировка позволяет выявить вну тренние и поверхностные дефекты компонентов, а также дефекты металлизации. Такой вид контроля

23

Диагностика промышленных Ethernet-кабелей рефлектометрическим методом Андрей Пересадин, инженер

В статье рассматриваются основы рефлектометрического метода, включая способы реализации сравнительно простых измерительных рефлектометрических установок, в которых не применяются высокоскоростные АЦП или ЦАП. На примере из практики показано, как интеграция таких установок в Ethernet PHY-устройства от компании TI позволяет осуществлять диагностику.

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Введение

24

С увеличением потребности в сокращении времени разработки и вывода изделий на рынок возрастает необходимость в эффективной и своевременной диагностике Ethernet-кабелей. Рефлектометрия с временным разрешением (TDR) позволяет разработчикам обнаружить скрытые разомкнутые и закороченные цепи, промежуточные контакты и выявить многие иные проблемы, которые могут повлиять на надежность связи с помощью технологии Ethernet, используемой в заводских цехах, на обрабатывающих предприятиях, в логистических центрах и даже в больших фермерских хозяйствах. Обзор рефлектометрического метода

Рефлектометрические измерения предоставляют непосредственную информацию об электрической целостности Ethernet-кабелей. Рефлектометр отправляет короткие тестовые импульсы по кабелю и по отраженным сигналам определяет участки скачкообразного изменения (разрыва) импеданса. Этими участками могут являться разомкнутые или короткозамкнутые цепи, а также повреждения диэлектрического слоя.

Д ля описания распространения сигналов и импеданса линии передачи рефлектометрический метод использует соответствующий математический аппарат [1–2]. Часть энергии тестового импульса, встретившего в линии передачи препятствие на пути своего распространения, отражается в обратном направлении. По амплитуде и времени возвращения отраженного сигнала определяется местонахождение препятствия и относительное рассогласование импедансов. Если импульс отразился от разомкнутой цепи, его амплитуда удваивается. Если отражение произошло из-за короткого замыкания, у эха – отрицательная амплитуда. В отсутствие рассогласования импеданса эхо не наблюдается. В соответствии с рефлектометрическим методом, чем меньше время нарас тания фронта импульса, тем меньше размер элементов, которые позволяет обнару жить рефлек то метр. В настоящее время некоторые рефлек тометры, у которых врем я нарастания фронта импульсов составляет несколько пикосек унд , применяются для инспекции печатных плат и проводников корпусов интегральных схем.

Рис. 1. Взаимосвязь между видом отраженных сигналов и проблемами в промышленном Ethernet-кабеле

www.elcomdesign.ru

Что значит TDC?

Несмотря на свое название, большин с т в о ана л о го - ц и фр о в ы х пр е образователей, по с у ти, являютс я преобразователями напряжения в цифровые сигналы, т. е. разновидностью АЦП. TDC – еще одна разновидность этих устройств, которые преобразуют временные интервалы в цифровые величины. Исходное назначение АЦП состояло в обеспечении передачи голосовых данных, поступающих в преобразователи в виде напряжения. Однако в свое время Европейской организации ядерных исследований (CERN) понадобилось устройство, которое преобразовывало бы интервалы времени между двумя фронтами сигналов. В результате появились первые преобразователи TDC. С тех пор спрос на эти устройства растет в тех приложениях, где нельзя использовать АЦП или их применение не вполне оправдано. Использование TDCпреобразователей в рефлектометрических измерениях

Необходимо хорошо понимать, для чего предназначена система дискретного измерения. На рисунке 1 показаны

КЗ на расстоянии 20 м

TX ПУСК

VREF

Потенциометр

Комп. 1

TDC

СТОП

SPI

Контроллер

VREF Потенциометр

Комп. 2 RX VREF

Амплитуда, В

сигналы, отраженные от разных препятствий. Диагностика проводится по величине амплитуды импульса на участке с препятствием. Для использования TDC-преобра­ зователя в рефлектометрических измерениях запуск измерения настраивается для работы с определенными положительными и отрицательными приращениями напряжения. Во многом как и АЦП, которые осуществляют выборку через равные интервалы времени, TDC-преобразователи работают при равных приращениях амплитуды. Они характеризуются очень малым энергопотреблением при высоком разрешении и используются для определения амплитуды фронтов сигнала.

TX RX Время, нс

Потенциометр

Комп. N

Настройка TDCпреобразователя Рис. 2. Структурная схема рефлектометрической установки с использованием TDC-преобразователя

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

На рисунке 2 показана типовая схема рефлектометрической измерительной установки с использованием TDCпреобразователя. Передний и задний фронты распространяющегося по кабелю импульса служат триггерами для TDC-преобразователя, который измеряет значения времени поступления отраженных сигналов. Рассмотрим простой случай с сигналом в цепи с разомкнутым проводником (см. рис. 1). Как только принятый сигнал достигает порогового значения, заданного одним из цифровых потенциометров (DPOT), срабатывает компаратор и затем – стоплиния TDC-преобразователя. Поскольку такие преобразователи как, например, TDC7201 от TI способны захватывать несколько стоп-сигналов по переднему и заднему фронтам, можно задать ряд пороговых значений для этих фронтов с помощью нескольких компараторов и цифровых потенциометров (или ЦАП). В результате реализуется более полное извлечение информации из отраженных сигналов в Ethernet-кабеле. Рефлектометрические измерения с использованием Ethernet-устройств

Устройства DP83822 и DP83867 физического уровня Ethernet поддерживают функциональный блок диагностики кабеля как часть зависящего от среды интерфейса (MDI) с интегрированным TDR-рефлектометром (см. рис. 3). Эта встроенная функция используется для профилактического обслуживания и диагностики неисправностей Ethernet-кабелей промышленного оборудования. Данный метод позволяет обнаружить разрывы в кабелях, а так же повреж дения в кабельных парах и плохо подключенные разъемы. Такие неполадки могут происходить на предприятиях с жесткими условиями

25 Рис. 3. Блок диагностики кабелей как часть зависящего от среды интерфейса

эксплуатации, где применяется робототехника или автоматизированные модули, а также случаться из-за небрежных действий операторов. Рефлектометрия для наблюдения за формой отраженного сигнала – метод активных измерений, для реализации которого требуется неактивный Ethernetканал. Рефлектометрическая функция, интегрированная на физическом уровне, генерирует импульсы и измеряет все

отражения в Ethernet-кабеле. В памяти хранятся значения пяти отраженных сигналов, включая их время задержки, амплитуду и ее знак. Хост-микроконтроллер занимается конфигурацией, запуском и считыванием результатов с помощью интерфейса MDIO/MDC (managementdata input/output, management-data clock) меж ду микроконтроллером и уровнем Ethernet PHY. Доступ к функ-

электронные компоненты №5 2019

И с п ы та н и я и т е с т и р о в а н и е

Рис. 4. Интерфейс MDIO/MDC между микроконтроллером и уровнем Ethernet PHY

26

Рис. 5. Измерение сигнала, отраженного на дальнем конце разомкнутого кабеля

ции диагностики кабеля, являющейся частью расширенного регистрового пространства на этом уровне, осуществляется с помощью блока MDIO хоста-микроконтроллера (см. рис. 4). Хост-микроконтроллер конфигурирует функцию TDR в заданном рабочем режиме. Импульс рефлектометра можно генерировать вручную с помощью программного обеспечения или автозапуска по событию в нисходящем Ethernet-канале. Применяются конфигурации для выбора пар приемник/временная область, перекрестных режимов и усредняющих циклов TDR, а также для самопроверки, обнаружения отражений в длинных кабелях и пороговой величины отраженных сигналов большой амплитуды в коротких кабелях. После запуска измерителя отраженного сигнала с уровня PHY отправляется короткий импульс по Ethernet-кабелю. Этот импульс отражается на дальнем конце, если линия разомкнута, короткозамкнута или у нее несогласованный импеданс (см. рис. 5). Отражения не наблюдаются на дальнем конце кабеля с согласованной оконечной нагрузкой 100 Ом. В таких случаях на экране рефлектометра не регистрируются отраженные сигналы. По полученному из рефлектометра сигналу хостмикроконтроллер определяет задержку, амплитуду и ее знак, чтобы установить вид ошибки в кабеле и расстояние от ее источника до рефлектометра. На рисунке 6 показан результат рефлектометрического измерения закороченного Ethernet-кабеля: сначала следует первый импульс, за ним – отраженный от дальнего конца закороченного кабеля. Время прохождения электрического сигнала по медному кабелю составляет около 5 нс/м. Время между моментом генерации импульса и его регистрацией рефлектометром (Δt) равно 244 нс. Поскольку сигнал проходит одно и то же расстояние до места повреждения в кабеле и обратно до рефлектометра, для определения этого расстояния необходимо время разделить на скорость распространения сигнала 5 нс/м и на два: 244 нс: 5 нс/м: 2 = 24,4 м. Отрицательный знак амплитуды отраженного импульса свидетельствует о наличии короткого замыкания в кабеле. Выводы

Рис. 6. Пример измерения отраженного импульса в закороченном кабеле

Рефлектометрия во временной области – очень мощное средство испытаний, которое позволяет установить местонахождения разрыва или короткого замыкания в кабеле, а также определить попадание воды в кабель, что влияет на его изоляционные свойства. На основе этой информации производители могут своевременно осуществить ремонтные работы и повысить продуктивность.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| ABB открывает первый российский Инжиниринговый центр в Калининграде |

Компания ABB, мировой технологический лидер в области промышленной автоматизации и решений для энергетики, открыла первый Инжиниринговый центр в Калининграде. Новый центр расширит сеть существующих центров, один из которых находится в Бангалоре, Индия, другой – в Остраве (Чехия). Более 100 инженеров новой технологической площадки будут развивать системный бизнес ABB, предоставляя сервис мирового уровня для российского и глобального рынков металлургической, горнодобывающей, морской, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности. В среднем работа над подобными типовыми проектами составляет до 50 тыс. человеко-часов. Привлекая местные профессиональные кадры и развивая отношения с техническими вузами, ABB приняла на работу высококвалифицированных инженеров со знанием английского языка из Калининграда и других регионов России, а также из стран СНГ. Новые сотрудники прошли обучение в чешском операционном центре ABB в Остраве и уже принимают непосредственное участие в текущих проектах. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| NVIDIA переходит на язык Ada |

www.avdsys.ru/ada

электронные компоненты №5 2019

новости

Компания AdaCore, производитель средств разработки и верификации ПО критических для безопасности встраиваемых систем, объявила о начале сотрудничества с корпорацией NVIDIA по применению языков программирования Ada и SPARK при разработке критического для информационной безопасности (security critical) ПО будущих систем-на-кристалле NVIDIA, построенных на базе новой открытой архитектуры RISC–V. Переходы NVIDIA на архитектуру RISC–V и на языки Ada и SPARK обусловлены возросшими требованиями к безопасности и защищенности ПО, предъявляемыми новыми ответственными применениями, такими как автоматизированные и автоматические транспортные средства. На странице www.adacore.com/resources можно загрузить руководство AdaCore Technologies for Cyber Security по применению языков Ada и SPARK и продуктов AdaCore для разработки ПО, критически важного для информационной безопасности. Архитектура RISC–V разработана в Университете Беркли и поддерживается консорциумом RISC–V Foundation, объединяющим более 200 компаний, таких как NVIDIA, NXP, Marvell, Google, Thales, Samsung, Qualcomm и Western Digital. Недавно компания AdaCore стала членом консорциума RISC–V Foundation и внесла свой вклад в поддержку архитектуры выпуском компиляторов GNAT Pro Ada и GNAT Pro C для 32‑бит и 64‑бит RISC–V, а также бесплатного варианта компилятора GNAT Community для 32‑бит RISC–V. Язык программирования Ada создавался специально для разработки ПО с повышенными требованиями к надежности. В настоящее время Ada является основным языком для разработки ПО систем, критически важных для безопасности. Язык Ada является международным стандартом ISO 8652. В последней редакции стандарта ISO 8652–2012 (Ada 2012) введена конструкция для задания «контрактов» – требований к результатам работы программного модуля, описанных непосредственно в тексте программы на языке Ada. «Контракт» предназначен для использования компилятором для вставки динамических проверок или средствами статического анализа для формальной верификации. Язык SPARK является подмножеством Ada 2012, позволяющим проводить формальную верификацию ПО – доказательство математическими методами, что ПО делает то, что от него требуется, и не делает того, что не требуется. Недавно компания AdaCore завершила исследовательский проект, целью которого было продемонстрировать применение формальных методов для выполнения требований стандарта функциональной безопасности автомобильного ПО ISO 26262 в части обеспечения Freedom from Interference («свободы от вторжений») – защиты приложений с высоким уровнем критичности для безопасности ASIL (Automotive Safety Integrity Level) от влияния сбоев, возникших в приложениях с низким уровнем критичности ASIL, унаследованных (legacy) из предыдущих проектов и написанных на языке Си. В этом проекте компания AdaCore выступила не только поставщиком средств формальной верификации ПО на языке SPARK, но и разработчиком методологии создания «контрактов» для обеспечения требований Freedom from Interference в ISO 26262, а также технологии «гибридной верификации» – совмещения формальных методов с традиционной верификацией ПО, основанной на тестировании. Комплекс инструментальных средств GNAT Pro Ada включает в себя компилятор, поддерживающий все версии стандартов Ada (Ada 83, Ada 95, Ada 2005 и Ada 2012), интегрированную среду разработки, визуальный отладчик, средства автоматизации тестирования, средства статического анализа (контроль стандартов кодирования, сбор метрик программного кода, анализатор стека), средства формальной верификации (доказательства корректности работы ПО с помощью математических методов) и средства интеграции Ada и C/C++ программ. Комплекс GNAT Pro Ada поддерживает микропроцессорные архитектуры x86, PowerPC, ARM и LEON. Поддерживаются целевые платформы с операционными системами LynxOS, PikeOS, QNX, VxWorks, Embedded Linux и без ОС (bare metal). Вариант GNAT Pro Assurance предназначен для разработки ПО систем, сертифицируемых по стандартам функциональной безопасности, таким как DO‑178C (авионика), EN 50128 (ж/д системы), ISO 26262 (автоэлектроника) и ECSS-E‑ST‑40C/Q‑ST‑80C (космическая техника). Другие продукты AdaCore: CodePeer – статический анализатор/детектор потенциальных ошибок и уязвимостей в программах на языке Ada; SPARK Pro – комплекс средств верификации ПО на языке SPARK – формально верифицируемом подмножестве языка Ada; QGen – квалифицируемый генератор программного кода на языках MISRA C и SPARK из моделей Simulink/Stateflow. Дистрибьютор компании AdaCore в России – компания «АВД Системы», поставщик средств разработки программного обеспечения критически важных для безопасности сертифицируемых встраиваемых компьютерных систем. Предлагаем предприятиям, заинтересованным в получении дополнительной информации о языках Ada и SPARK и современных технологиях разработки и верификации ПО, проведение бесплатного семинара.

27

Линейные гальванические развязки компании Broadcom Александр Кораблёв, инженер В статье рассматриваются линейные гальванические развязки компании Broadcom. Описываются основные особенности оптоэлектрических развязок и указаны области их применения. Линейные развязки представляют собой лишь малую толику продуктовой линейки компании, но памятуя о том, что нельзя объять необъятное, для знакомства с этим типом продукции мы выбрали именно их. В следующей статье мы планируем рассказать о цифровых гальванических развязках компании.

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

Введение

28

После того как в 2015 г. в состав компании Broadcom вошла компания Avago, продуктовая линейка оптоэлектронных компонентов компании оказалась логически завершенной. К оптоволоконным компонентам и оптическим датчикам добавились оптоэлектронные гальванические развязки (ГР) компании Avago, история которой насчитывает несколько десятилетий. Причем первые 30 лет, прежде чем стать независимой, компания была подразделением HP. За время своего существования Avago получила огромный опыт в области разработки и производства аналоговых компонентов, компонентов смешанных сигналов и оптоэлектронных ГР. О последних и пойдет речь в этой статье. Пожалуй, не будет большим преувеличением сказать, что для специалистов компании не осталось секретов в этом приложении – тому порукой высокая надежность производимых ГР и их отменные технические характеристики. Помимо Broadcom на российском рынке широко представлены еще две компании, производящие оптоэлектрические ГР, – Vishay и Toshiba, однако наш выбор пал на Broadcom, поскольку продуктовая линейка ГР этой компании охватывает практически все возможные области применения. Таким образом, разработчики, использующие оптоэлектронные ГР, в подавляющем большинстве случаев могут обойтись компонентами от одной компании, что, конечно, удобнее, чем набирать с бору по сосенке. Однако прежде чем перейти к рассмотрению оптоэлектронных ГР Broadcom, кратко остановимся на ГР других типов.

–– Емкостная развязка, или развязка по переменному току представляет собой две пластины конденсатора, между которыми находится изоляционный барьер. В производстве подобных ГР более всех преуспела компания TI. –– Электромагнитная развязка работает по тому же принципу, что и трансформатор. Пальму первенства в производстве таких ГР можно присудить компании Analog Devises.

–– Принцип действия РЧ ГР заключается в передаче модулированных РЧ-импульсов через изоляционный барьер. Подобные ГР изготавливает SiLabs. У каждой из перечисленных технологий имеются свои плюсы и минусы. Маркетологи компаний добросовестно отрабатывают свой хлеб, стараясь подчеркнуть преимущества технологии ГР, которые производят их компании. Иногда они, к сожалению, перегибают палку, указывая на недостатки иных технологий и при этом частенько упоминая оптоэлектронные ГР. Мы не будем уподобляться их примеру – лишь скажем несколько слов в защиту оптического метода. На рис у нке 1 с хематично изо бра жена оптоэлектронная ГР. Толщина диэлек трического изоляционно-

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Схематичное изображение конструкции оптоэлектронной гальванической развязки

го барьера у оптоэлектронных ГР находится в пределах 80–1000 мкм, тогда как у ГР других технологий эта толщина обычно не превышает 17–20 мкм. Следовательно, оптоэлектронные ГР значительно лучше защищены от электростатических разрядов и всплесков перенапряжения. ГР Avago выдерживали и сохраняли работоспособность при испытаниях на электростатический разряд напряжением 20 кВ, что значительно превышает возможности ГР других технологий. Кроме того, оптоэлектронные ГР Broadcom гораздо лучше переносят повторяющиеся пиковые значение напряжения V IORM , прикладываемого к изоляционному барьеру. В компании провели сравнительные испытания электрической прочности изоляции ГР Broadcom и электромагнитной ГР другого производителя. Между закороченными входами и выходами ГР прикладывалось высокое напряжение. Его величина для электромагнитной ГР составила 2,5 кВ, а для ГР Broadcom – 3,5 кВ. Электромагнитные ГР вышли из строя через 10,5 ч, а ГР Broadcom сохранили работоспособность и после 168 ч испытаний. Другим очевидным преимуществом оптоэлектронных ГР является их электромагнитная совместимость. Они практически невосприимчивы к электромагнитным помехам и заметно меньше генерируют электромагнитные помехи.

Рис. 2. Структурная схема изолированного усилителя Изолированные усилители и линейные оптопары

Структурная схема изолированного усилителя показана на рисунке 2. Его входной сигнал модулируется сигма-дельта модулятором, который преобразует входное напряжение в высокоскоростную последовательность битов. Далее битовый поток кодируется и передается через изоляционный барьер. На вторичной стороне происходит декодирование сигнала и преобразование его в аналоговый фильтр. Фильтр на выходе усилителя сглаживает помехи, возникающие в тракте преобразования. Компания Broadcom производит довольно много модификаций изолированных усилителей, и попытка представить их основные параметры привела бы к появлению громоздкой и плохо читаемой таблицы. Мы только перечислим значения основных параметров усилителей в общем виде, не указывая их конкретный типы: -- элек трическая прочнос ть изоляции: 3750; 5000; 7500 В (СКЗ); -- допустимые повторяющиеся пиковые значения напряжения изоляционного барьера VIORM: 891; 1414; 2252 В; -- напряжение питания: 3–5,5; 4,5–5,5; 3,3 В; -- входы: дифференциальные на 0–200 мВ и на 0–2 В; -- выходы: дифференциальный несимметричный; -- ошибка коэффициента усиления при 25°C: ±0,5; ±1; ±3; ±5%; -- нелинейность: 0,0037; 0,04; 0,05; 0,06%;

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

Итак, оптоэлектронные ГР Broadcom отлично подходят для эксплуатации в зашумленной электромагнитными помехами среде с частыми всплесками перенапряжений, возникающими при работе промышленного оборудования. Другими словами, наилучшими областями их применения является промышленная и автомобильная электроника, а также авиакосмическая промышленность. Именно для этих приложений в основном и производятся ГР Broadcom. По сферам применения Broadcom и, соответственно, по конструктивному исполнению производитель разделяет оптоэлектронные развязки следующим образом: -- для автомобильной электроники с расширенным диапазоном рабочих температур; -- для промышленных приложений в пластмассовых корпусах; -- герметичные развязки для жестких условий эксплуатации в военной и авиакосмической промышленностях. По своему функциональному назначению оптоэлектронные ГР охватывают практически все возможные области применения. Однако в первой части нашего обзора мы рассмотрим только линейные оптоэлектронные ГР, к которым относятся изолированные усилители и линейные оптопары.

29

Рис. 3. Типовая схема включения изолирующего усилителя

электронные компоненты №5 2019

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

30

-- полоса пропускания: 30; 100; 200 кГц; -- максимально допустимое синфазное напряжение: 1000 В; -- максимально допустимое изменение синфазного напряжения: 15000 В/мкс; -- диапазон рабочей температуры: –40…85; –40…105; –40…110°C; -- корпуса: SO8; SSO8; SO16; DIP8. Изолированные усилители с таким параметрами отлично подходят для применения в низковольтных (до 1000 В) силовых преобразователях, электроприводах, в промышленном оборудовании. Максимально допустимое синфазное напряжение 1000 В позволяет использовать изолированные усилители в 600‑В инверторах. Если в системе имеются мощные токоприемники, порождающие при коммутации переходные процессы с выбросами перенапряжения, следует выбирать изолированные усилители с максимальным значением напряжения V IORM = 2252 В. Устойчивость к изменению синфазного напряжения до 15000 В/мкс означает, что допускается изменение синфазного напряжения 600 В в течение 40 нс, что обеспечивает солидный запас при работе усилителей в качестве токочувствительного усилителя с токовым шунтом или измерителя напряжения. Однако следует учесть, что в преобразователях и инверторах при коммутации силовых ключей могут возникать высокочастотные переходные процессы частотой в десятки МГц. Поскольку частота этих помех превышает частоту модуляции сигналов в усилителе, сигнал может исказиться. Чтобы избежать искажений, следует установить фильтрующие емкости параллельно шунту или резистору, если речь идет об измерении напряжения. Типовая схема включения изолирующего усилителя показана на рисунке 3 со структурной схемой управления электроприводом; изолированный усилитель используется в качестве токочувствительного усилителя, подключенного к шунту RS. Конденсатор С1, включенный параллельно шунту, обеспечивает фильтрацию коммутационных помех. Линейные аналоговые оптопары HCNR 200 и HCNR 201 (см. рис. 4) в ряде случаев могут служить экономичной альтернативой изолированным усилителям. К тому же, у них больше полоса пропускания. Как видно из рисунка 3, в оптопаре используются два фотодиода, один из которых (PD1) установлен на первичной стороне, а другой, выходной фотодиод PD2, – на вторичной стороне. Таким образом, с помощью фотодиода PD1 и внешней схемы можно организовать обратную связь, что позволяет значительно улучшить линейность характеристики. На рисунке 5 показана упрощенная схема включения аналоговой оптопары. Обратная связь операционного усилителя А1 не показана – она зависит от назначения схемы. Для простоты положим, что усилитель А1 обладает идеальными характеристиками – входные токи отсутствуют, коэффициент усиления бесконечен, следовательно, напряжения на инвертирующем и неинвертирующем

Рис. 5. Упрощенная схема включения аналоговой оптопары

www.elcomdesign.ru

Рис. 4. Линейные аналоговые оптопары HCNR 200 и HCNR 201

входах равны. При соблюдении этих условий ток через фотодиод PD1 определится следующим выражением: IPD1 = VIN/R1. (1) Из (1) следует, что ток через фотодиод PD1 пропорционален входному напряжению, и это обеспечивает довольно высокую линейность передаточной характеристики. Например, дрейф светового потока из-за изменения температуры светодиода вызовет изменение выходного напряжения усилителя А1, что приведет к соответствующему изменению тока светодиода в соответствии с уравнением (1). Распределение светового потока между фотодиодами зависит от конструкции оптопары и описывается коэффициентом К: К = IPD1/IPD2. (2) Выходной сигнал схемы на рисунке 4 можно выразить со­отношением: VOUT = IPD2 ∙ R2. (3) С учетом соотношений (2) и (3) окончательно получаем выражение для выходного сигнала: . (4) В заключение приведем основные параметры линейных оптопар. В скобках указаны значения для HCNR 201: -- коэффициент передачи: 200 ±15% (201 ±5%); -- нелинейность: 0,01%; -- температурный дрейф: 65 ppm; -- VIORM: 1414 В; -- диапазон рабочей температуры: –40…85°C; -- корпус: DIP8.

РЕКЛАМА

Изолированные силовые модули MagI 3C для управления 24-В промышленными шинами Тимур Улудаг (Timur Uludag), менеджер по продукции, Wurth Elektronik

В статье рассматриваются вопросы гальванического разделения питания в промышленных приложениях с 24‑В шиной с помощью модулей изолированных DC/DC-преобразователей. Каждому блоку промышленного контроля требуется напряжение питания, но поскольку этот блок является лишь малой частью оборудования, для корректного выбора источника питания (ИП) следует учесть много параметров. При проектировании DC/DC-преобразователя принимаются во внимание диапазоны входного и выходного напряжения, а также потребляемая мощность. В этой статье кратко рассматриваются основные факторы, которые определяют выбор ключевых параметров.

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

Выбор изолированного силового модуля

В промышленном оборудовании для металлопрокатных заводов, конвейерных лент и печатных станков востребованы следующие приложения: -- гальваническая изоляция шин или интерфейсов RS232, RS485, CAN, Interbus, Profibus; -- гальваническая изоляция цифровых цепей; -- изолированный усилитель источника сигнала, АЦП; -- измерение и сбор данных. Все эти приложения имеют одну общую черту – их входное напряжение изолировано от напряжения шины. Гальваническая развязка с шиной или коммутационными компонентами

32

Рис. 1. Типовое применение изолированного силового модуля

www.elcomdesign.ru

предотвращает сбои в работе системы в результате падения напряжения питания на шине. На рисунке 1 представлен типовой случай применения изолированного силового модуля и схема изолированной связи по протоколу RS485 с основными функциональными блоками. Изолированной системе связи требуется микроконтроллер (МК), который передает данные приемопередатчику RS485 и принимает их от него. Гальваническая развязка сигналов осуществляется с помощью оптопар. Гальваническая изоляция земляного потенциала между этим модулем и приемопередатчиком обеспечивается с помощью силового модуля DC/DC-преобразователя. Широкий диапазон напряжения – расширенная область применения

В течение многих десятилетий типовым диапазоном входного напряжения является 8–42 В, который был выбран по двум причинам. Во‑первых, он обусловлен требованиями соответствующих стандартов, например IEC61131–2 для программируемых логических контроллеров (ПЛК). Во‑вторых, выбор именно этих значений подтвердился на практике условиями эксплуатации оборудования.

Рис. 2. Диапазон входного напряжения для промышленных приложений

Заметим, что большинство востребованных значений напряжения шины, например 12 и 24 В, находятся в этом классическом диапазоне напряжения. Как правило, в промышленности используются изолированные преобразователи с соотношениями 2:1 и 4:1. Как видно из рисунка 2, они покрывают широкий диапазон входного напряжения 8–42 В. Например, диапазон входного напряжения преобразователя с соотношением 2:1 при минимальном входном напряжении 4,5 В составляет 4,5–9 В. Использование преобразователя 5:1 в корпусе SIP‑8 в широком диапазоне входного/выходного напряжений позволяет сократить потребность в преобразователях других типов, а также количество схемных решений, которые необходимо разработать, сконфигурировать, испытать, проверить

на электромагнитную совместимость, реализовать и хранить на складе. Пределы входного напряжения

Рассмотрим структуру современной промышленной системы с точки зрения применяемого напряжения питания. Между отдельными частями промышленного оборудования используются соединительные линии, длина которых достигает нескольких десятков метров. На рисунке 3 показана базовая структурная схема энергопитания на промышленном предприятии. В настоящее время электроснабжение осуществляется с помощью стоек питания с импульсными или трансформаторными источниками питания. Последние по-прежнему широко используются в высо-

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

33

Рис. 3. Структурная схема энергопитания на промышленном предприятии

электронные компоненты №5 2019

комощных системах. Отдельные части системы получают питание через шину постоянного тока. На рабочих участках каждая отдельная электрическая нагрузка подключена через 24‑В распределительную цепь, поскольку проще генерировать 24 В в центральном управляющем шкафу и распределять питание с помощью шины постоянного тока, чем подводить к нагрузке кабели под опасным напряжением 230 или 400 В. В результате сокращается количество отдельных источников питания. Величину напряжения шины постоянного тока на промышленном предприятии определяют три основных фактора: -- напряжение подаваемого электропитания; -- помехи, наводимые на шину постоянного тока параллельно проходящими кабелями; -- перепады напряжения при прохождении тока. Чтобы определить нижнюю границу напряжения, следует учесть перепад напряжений при прохождении тока. Нижняя граница входного напряжения

Как правило, поперечное сечение кабеля для шины постоянного тока выбирается на основе имеющегося опыта, грубой оценки или соответствующих таблиц. Заметим, что стандартные проектные ограничения на размеры кабелей позволяют избежать их перегрева. При этом часто не учитывается перепад напряжений на соединительной линии. Под перепадом напряжений подразумевается разность между выходным напряжением VВЫХ и напряжением на входе системы VВХ. Это напряжение определяется как произведение постоянного тока I через шину на сопротивление кабеля R. Величину R можно получить с помощью следующей формулы:

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

, (1)

34

где ρ – удельное сопротивление кабеля; l – его длина; S – площадь поперечного сечения. Отсюда: . При использовании источника питания мощностью 100 Вт через 24‑В шину протекает номинальный ток 4 А. Следовательно, величина перепада напряжений составляет: V = 4 А ∙ 1,376 Ом = 5,504 В. (2) Это значит, что на питающем входе приложения, например ПЛК, не обеспечивается номинальное напряжение величиной 24 В, поскольку напряжение питания составляет только 24–5,5 = 18,5 В. Стандарт IEC 61131–2 для ПЛК определяет входное напряжение питания в диапазоне 19,2–30 В. При 18,5 В контроллер прекратит работу из-за посадки напряжения. Сравнительно меньшая предельная величина 8 В рабочего напряжения преобразователя в корпусе SIP‑8 позволяет установить ПЛК достаточно далеко от управляющей стойки. Кроме того, в приложении с током питания 9 В можно установить защиту от посадки входного напряжения. Верхняя граница входного напряжения

Чтобы получить максимальное входное напряжение, рассмотрим отдельные функциональные блоки схемы питания промышленного предприятия – электропитание, шину постоянного тока и электрическую нагрузку (см. рис. 3). На блок электропитания или трансформаторный ИП без последующей стабилизации подается напряжение 3 ∙ 380 В переменного тока –15/+20%, т. е. напряжение на шине постоянного тока

www.elcomdesign.ru

может отличаться от номинального значения 24 В. Кроме того, из-за колебаний входного напряжения переменного тока при уменьшении нагрузки на параллельно соединенные приводы изменяется выходное напряжение трансформаторного ИП. Как уже упоминалось, источник питания и нагрузка подключены через шину постоянного тока с помощью кабелей длиной до 10 м. Эти кабели могут работать как антенна и принимать помехи от соседних импульсных нагрузок, например от преобразователей частоты. Далее помехи могут распространяться на всю шину и все подключенные приложения. Кроме того, при физическом подключении к шине разные приложения могут создавать взаимные помехи. К числу этих помех, например, относятся скачки напряжения, вызванные индуктивной связью при коммутационных переходных процессах, и броски питания при включении или отключении электроприводов. Для определения максимальной величины входного напряжения рассматриваются два параметра. Первым из них является технически достижимая максимальная величина выходного напряжения источника питания, вторым – максимальное пиковое значение входного напряжения на защитном элементе, предохраняющем от перенапряжения, в системе с номинальным напряжением 24 В. Каждый импульсный или трансформаторный источник питания оснащен выходными электролитическими конденсаторами для стабилизации и фильтрации выходного напряжения. Номинальное напряжение этих конденсаторов составляет 35 В в случае приложения с номинальным напряжением 24 В. Стандарт IEC 60384–4 определяет пиковые напряжения и их частоту с учетом срока службы электролитического конденсатора, которые не причиняют видимых повреждений этого компонента, или требует, чтобы емкость изменялась не более чем на 15%. Поскольку допустимое пиковое напряжение в 1,15 раз превышает номинальную величину, у 35‑В конденсатора оно составляет 40,25 В. Для защиты приложения от бросков напряжения в переходных процессах, как правило, применяются ограничительные диоды (TVS), или супрессоры. Ограничительный диод находится в состоянии проводимости при напряжении пробоя VПР. Энергия импульса при этом отводится через диод, что позволяет защитить нагрузку. Падение напряжения на диоде не превышает максимального импульсного напряжения ограничения VОГР. Для защиты 24‑В схемы от бросков напряжения при переходных процессах используется следующая методика. Диод начинает проводить при максимальном обратном напряжении VМАКС ОБР, когда величина тока не превышает нескольких мкА. Следовательно, номинальное рабочее напряжение нагрузки и ее допустимые значения должны превышать VМАКС ОБР. При номинальном напряжении шины 24 В приемлемым значением напряжения V МАКС ОБР ограничительного диода от Wurth Elektronik является 26 В. Как только напряжение при переходном процессе достигает значения V ПР, диод начинает проводить. При этом протекает ток величиной 1 мА. Благодаря защите, реализованной с помощью ограничительного диода, допуск на напряжение пробоя находится между минимальной и максимальной величинами. Таким образом, нельзя точно определить граничное значение для отключения. При V МАКС ОБР = 26 В величина граничного отключения находится в диапазоне 28,9–31,9 В. Диод ограничивает максимальное напряжение VОГР, обеспечивая прохождение максимально допустимого тока I ПИК . У TVS-диода с обратным напряжением VМАКС ОБР = 26 В величина VОГР, как правило, достигает 42,1 В. Если сравнить ограничительные диоды разных производителей, то окажется, что типовые значения этих компонентов находятся примерно в одном и том же диапазоне.

Рис. 4. Возможность повышения номинальной мощности

Пределы выходного напряжения

3,3 и 5 В являются стандартными значениями напряжения питания ИС в следующих промышленных системах управления: -- гальваническая изоляция шины/интерфейса – RS232, RS485, CAN, Interbus, Profibus; -- гальваническая изоляция цифровых цепей; -- изолированный усилитель источника сигнала, АЦП; -- измерение и сбор данных. У предлагаемых на рынке стандартных изолированных силовых модулей выходное напряжение имеет фиксированную величину. Изолированный DC/DC-модуль в корпусе SIP‑8 обеспечивает регулируемый диапазон напряжения, поскольку в некоторых случаях требуется, чтобы выходное напряжение несколько превышало номинальное рабочее напряжение нагрузки для защиты, например, от кратковременных посадок напряжения. Таким образом, емкость сглаживающего конденсатора на нагрузке тоже можно уменьшить за счет того, что отрицательный выброс на выходе модуля меньше. Повышение номинальной мощности

На промышленном предприятии с большим количеством работающих систем происходит взаимодействие между сетями электропитания и нагрузками. Поскольку многие факторы заранее трудно учесть в точности, на практике их влияние может отличаться от прогнозируемого. Одним из таких важных факторов является питание нагрузки. При проектировании системы необходимо обеспечить некоторый допуск, который обеспечивает гибкость функционирования при неизменном схемном решении. Например, в силовом модуле можно реализовать функцию повышения номинальной выходной мощности двумя способами – статиче-

ским и динамическим. В статическом режиме дополнительный уровень мощности обеспечивается в течение продолжительного времени. Динамический режим позволяет реализовать несколько уровней номинальной мощности в течение ограниченного времени. В этом режиме требуются периодические циклы охлаждения. При работе в этих режимах максимальная номинальная температура окружающей среды ниже, что обусловлено повышенным рассеянием мощности силового модуля. Благодаря функции повышения уровня номинальной мощности расширяются возможности применения силовых модулей. В частности: -- поддерживается непредусмотренное повышение нагрузки (см. рис. 4); -- зарядка емкостных нагрузок осуществляется без кратковременной посадки напряжения (см. рис. 4); -- обеспечивается резервное питание при мгновенно появившейся необходимости повысить энергопотребление; -- при перегрузках срабатывают предохранители на входах систем в нисходящем направлении (при этом обеспечивается более высокий уровень тока для безопасного срабатывания) (см. рис. 4). В с е м э т и м т р е б о в а н и я м с о о т в е т с т в у е т м о д у л ь VISM 17791063215 в корпусе SIP‑8 серии Fusion. Рабочее напряжение нового модуля MagI3C составляет 9/12/24 и 36 В при очень широком диапазоне входного напряжения 8–42 В. Этот модуль является функционально изолированным DC/DC-преобразователем, в состав которого входит ИС ШИМ-управления, силовой каскад, трансформатор, входные и выходные конденсаторы. Диапазон точно регулируемого выходного напряжения составляет 3,3–6,0 В. Модуль оснащен постоянной защитой от короткого замыкания. Допустимая мощность 1‑Вт модуля в три раза превышает номинальное значение; при этом имеется функция повышения мощности. Таким образом, модуль обеспечивает питание приложений с пиковой потребляемой мощностью до 3 Вт. Вывод ON/OFF позволяет превратить модуль в удаленно контролируемый источник питания. Благодаря своим уникальным особенностям это устройство пригодно для питания интерфейсов, микроконтроллеров, промышленных систем контроля, а также контрольно-измерительного оборудования.

электронные компоненты №5 2019

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

TVS-диод защищает силовой модуль DC/DC-преобразо­ вателя в 24‑В системе от выбросов, превышающих абсолютные номинальные значения VВХ МАКС. Как правило, чем больше это значение, тем легче выбрать ограничительный диод и входной фильтр. Это значит, что поиск подходящего диода затрудняется, если номинальная величина рабочего напряжения на входе близка к максимальной величине VВХ МАКС модуля. Таким образом, если максимальное рабочее напряжение VВХ составляет 42 В, этого вполне достаточно для защиты от выбросов величиной 40,25 и 42,1 В при переходных процессах.

35

AC/DC- и DC/DC-преобразователи компании Analog Devices Евгений Дабуров, разработчик

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

В статье кратко рассматривается несколько самых новых преобразователей и контроллеров компании Analog Devices (подразделение Linear Technology). Автор не исследует все тонкости работы каждого из преобразователей, но лишь обращает внимание инженеров на один из возможных вариантов выбора элементной базы для построения систем питания. Для проектирования систем питания не существует единого метода, позволяющего оптимально решить задачу. В зависимости от вида изделия задача может решаться разными способами. Например, если требуется создать распределенную систему питания для изделий мощностью сотни ватт, возможно, стоит приглядеться к изолированным модулям преобразователей серии BMR с цифровым управлением от компании Ericsson. Их наработка на отказ MTBF достигает 2,9 млн ч, а выходная мощность – 300 Вт. Эти модули могут найти применение в телекоме или разветвленных промышленных системах управления. В случае, когда необходимо построить распределенную систему питания и получить максимальную плотность мощности, следует обратить внимание на преобразователи компании Vicor. Их фирменная технология ZVS (коммутация при нулевом напряжении) позволяет решить эту задачу, а модульный принцип, которого придерживается компания, упростит создание даже сложной системы питания.

Однако далеко не всегда требуется решать столь сложные задачи. Часто изделие состоит из нескольких печатных плат в одном корпусе. В этом случае потребляемая мощность, как правило, не превышает 10–20 Вт, не требуется формирования промежуточных шин с разными напряжениями, достаточно использовать одинединственный AC/DC-преобразователь и 1–3 DC/DC-преобразователя. Именно такой случай мы и рассмотрим в статье. На наш взгляд, для построения подобных систем питания лучше всего подходят модули преобразователи компаний Texas Instruments и Analog Devices (подразделение Linear Technology). О последних и пойдет речь. Продуктовая линейка модулей питания, в т. ч. LDO-регуляторов компании, очень велика, и нет возможности рассмотреть все. Мы ограничимся несколькими самыми новыми изделиями. Для начала рассмотрим вариант построения AC/DC-преобразователя. Схема включения преобразователя, основанная на контроллере LT8316, показана на рисунке 1. Эта схема довольно проста

36

Рис. 1. Схема AC/DC-преобразователя на основе контроллера LT8316

www.elcomdesign.ru

и много раз подтверждена использованием на практике. Третья, дополнительная обмотка трансформатора (соотношением числа витков трансформатора 8:1:1), применяется для создания обратной связи по напряжению и напряжения смещения контроллера LT8316. Диод и стабилитрон, подключенные параллельно первичной обмотке, играют роль пассивной снабберной цепочки. Впрочем, вместо изображенного на рисунке 1 снаббера можно использовать последовательную RC-цепочку. В этом случае активнее подавляются колебания переходного процесса, вызванные комму тацией силового ключа М1. Следовательно, коммутация порождает меньше электромагнитных помех, зато снаббер, составленный из диода и стабилитрона, лучше ограничивает перенапряжения, возникающие при коммутации, а его потери несколько меньше. Преобразователь работает в граничном режиме с обратной связью по току дросселя (первичная обмотка трансформатора), с помощью которой ограничивается ток первичной обмотки. Для получения ОС по току используется шунт 40 мОм. При выборе величины сопротивления шунта следует иметь в виду, что максимальное напряжение на нем не должно превышать 100 мВ. Благодаря наличию токового контура возможен режим работы в качестве источника постоянного тока, величина которого ограничивается путем задания напряжения на внешних выводах. Граничный режим позволяет уменьшить габариты трансформатора и, в отличие от режима непрерывной проводимости, не порождает субгармонических колебаний. Однако при уменьшении нагрузки для поддержания граничного режима приходится увеличивать частоту; при этом, однако, возрастают коммутационные потери. Таким образом, при достижении максимальной частоты коммутации 140 кГц контроллер переходит в режим прерывистой про-

1

Рис. 2. Схема включения контроллера LT8711 в режиме повышающе-понижающего преобразователя

спечить соответствие самым строгим стандартам ЭМС и при этом минимизировать размеры изделия, возможно, с этой целью подойдут DC/DC-преобра­зователи LTM8053/LTM8053–1 и LTM8073. Схема включения LTM8053/LTM8053–1 показана на рисунке 3. Как и практически все современные DC/DC-преобразователи, в LTM8053/LTM8053–1 при малых нагрузках предусмотрен режим с пропуском рабочих циклов (Burst Mode), что повышает КПД преобразователя при малых нагрузках. Конт ур обратной связи по току позволяет ограничить максимальный ток дросселя. Заметим, что DC/DC-преобразователи LTM8053/LTM8053–1 и LTM8073 выполнены по технологии Silent Switcher, благодаря которой обеспечивается минимальное излучение электромагнитных помех. Обычно д ля решения этой задачи уменьшают крутизну фронта переключения силовых ключей, но это приводит к росту коммутационных потерь и снижению КПД. Другими словами, возникает знакомая ситуация, именуемая «палкой

о двух концах». Однако, по заверению инженеров компании, им удалось избавиться от одного конца палки и, уменьшив излучаемые помехи, не снизить КПД преобразователя. Не правда ли, напоминает известный дзенский коан о хлопке одной ладонью?1. При корпусировании использовался монтаж методом перевернутого кристалла (Flip-Chip). Таким образом, удалось существенно уменьшить паразитную индуктивность соединительных проводов, которая в основном и порождает помехи. За счет внутренней топологии, расположения выводов VIN и GND удалось компенсировать магнитные поля «горячего контура». Усложнение топологии потребовало использование 48‑выводного корпуса BGA. И, наконец, размещение дросселя внутри корпуса преобразователя упрощает топологию печатной платы, что приносит свои плоды в виде уменьшения излучаемых электромагнитных помех, благодаря чему преобразователи LTM8053/LTM8053–1 и LTM8073 без труда

Рис. 3. Схема включения DC/DC-преобразователей LTM8053/LTM8053-1

Ты можешь слышать звук двух хлопающих ладоней, – сказал учитель своему ученику. – Покажи мне, как звучит одна.

электронные компоненты №5 2019

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

водимости и снижает частоту коммутации вплоть до минимального значения 3,5 кГц. Приведем некоторые основные параметры контроллера LT8316: -- диапазон входного напряжения: 15–600 В; -- ток собственного потребления: 470 мкА; -- частота коммутации (макс.): 140 кГц; -- частота коммутации (мин.): 3,5 кГц; -- частота коммутации в режиме ожидания: 220 Гц; -- диапазон рабочей температуры: –40…125°C; -- корпус: TSSOP20.

DC/DC-контроллер LT8711 привлекает внимание своей универсальностью. Он достаточно просто конфигурируется для работы в режимах повышающего, понижающего и повышающе-понижающего преобразователей, а также с топологиями SEPIC и ZETA. Схема включения контроллера показана на рисунке 2, где он используется для управления несинхронным преобразователем с повышающе - пониж ающей топологией. Контроллер, используя фиксированную частоту коммутации, обеспечивает отличную линейную и нагрузочную регулировочные характеристики. Отметим интересную особенность этого контроллера: в нем используется опережающая обратная связь по входному напряжению, которая точнее помогает установить максимально значение тока дросселя при изменяющемся входном напряжении. При желании использовать эту опцию на внешний вывод EN/FBIN следует подать соответствующую величину напряжения с помощью простого резисторного делителя напряжения. Основные параметры контроллера LT8711: -- диапазон входного напряжения: 4,5–42 В; -- ток собственного потребления: 2 мА; -- фиксированная частота коммутации выбирается из ряда 100– 750 кГц; -- ток драйвера (макс.): 2 А; -- время нарастания выходного сигнала драйвера BG: 14 нс; -- время нарастания выходного сигнала драйвера TG: 11 нс; -- время спада выходного сигнала драйвера BG: 12 нс; -- время спада выходного сигнала драйвера TG: 14 нс; -- диапазон рабочей температуры: –40…125°C; -- к о р п у с : T S S O P 2 0 и л и Q FN 2 0 (3×4 мм). Если одним из требований к системе питания является необходимость обе-

37

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

Рис. 4. Результаты испытаний на соответствие требованиям стандартов ЭМС преобразователей LTM8053/ LTM8053-1

укладываются в самые жесткие требования стандартов по электромагнитной совместимости. На рисунке 4 приведены результаты испытаний преобразователя на электромагнитную совместимость. Как видно из рисунка, преобразователь соответствует требованиям стандартов более чем с 10‑кратным запасом. Кроме того, благодаря встроенному в корпус дросселю заметно меньше место, занимаемое внешними компонентами. Разумеется, по технологии Silent Switcher, как и по более поздней технологии Silent Switcher2, изготавливаются не только LTM8053/LTM8053–1 и LTM8073, но и другие преобразователи. В более поздней технологии Silent Switcher2 в корпус преобразователя встроены развязывающие конденсаторы, благодаря чему максимальный КПД этих преобразователей достигает 95–96%. Приведем основные параметры преобразователей LTM8053/LTM8053–1 (в скобках указаны значения для LTM8073): -- диапазон входного напряжения: 3,4–40 В (3,4–60 В); -- выходное напряжение регулируется в пределах 0,97–15 В (0,8–15 В);

-- длительный выходной ток (макс.): 3,5 А (3,0 А); -- длительный выходной ток (макс.): 6 А; -- линейная регулировочная характеристика: 0,5%; -- нагру зочная рег улировочная характеристика: 0,5%; -- фиксированная рабочая частота выбирается из ряда 200–3000 кГц; -- диапазон рабочей температуры: –40…125°C; -- корпус: BGA48 (6,25×9×3,32 мм). Как правило, довольно редко требуется только одно напряжение питания. Например, микроконтроллерам обычно необходимы отдельные напряжения питания для ядра и периферии. В этом случае удобно использовать дву хканальный DC/DC-преобразователь LTC3636 со схемой включения, показанной на рисунке 5. Как и во всех описанных выше преобразователях, в LTC3636 применяется токовый контур для ограничения тока дросселя. В преобразователе предусмотрена возможность использовать разные входные напряжения для каждого из кана-

38

Рис. 5. Схема включения DC/DC-преобразователя LTC3636

www.elcomdesign.ru

лов. В этом случае входные напряжения подаются на внешние выводы VIN1 и VIN2. Если используется только одно входное напряжение, оно подается на оба входа – V IN1 и V IN2. Кроме того, предусмотрена защита от перенапряжения по каждому из этих входов. Защита включается при напряжении 22,5 В и отключается при 21,5 В. Преобразователь работает при фиксированной частоте коммутации, которая программируется внешним резистором. Д ля увеличения максимального выходного тока предусмотрена возможность параллельного включения каналов. Поскольку более ничего интересного об этих преобразователях сказать нельзя, мы просто предъявим на суд читателя их основные параметры (в скобках указаны значения для преобразователя LTC3636–1): -- диапазон входного напряже ния VIN1: 3,1–20 В; -- диапазон входного напряже ния VIN2: 1,5–20 В; -- выходное напряжение регулируется в пределах 0,6–5 В (1,8–12 В); -- длительный выходной ток по каждому каналу (макс.): 6 А; -- линейная регулировочная характеристика ИОН: 0,002%; -- нагру зочная рег улировочная характеристика: 0,05%; -- КПД: до 95%; -- фиксированная рабочая частота выбирается из ряда 500–4000 кГц; -- диапазон рабочей температуры: –40…125°C; -- корпус: QFN28 (4×5 мм). Если требуется большой выходной ток, можно использовать DC/DC-преобра­ зователь LTC7150S: его максимальный выходной ток составляет 20 А. При этом допускается параллельное включение до 12 преобразователей! На рисунке 6 показан вариант с параллельным включением двух преобразователей. В данном случае максимальный выходной ток нагрузки возрастает до 40 А. В случае параллельного включения нескольких преобразователей рекомендуется использовать многофазный режим работы, при котором их фазы включения сдвинуты относительно друг друга на 90, 120 или 180°. Необходимо учесть, что при повышении температ уры максимально допустимый ток уменьшается. Например, при рабочей час тоте 50 0 кГц и отсутствии принудительного охлажд е н и я у м е н ь ш е н и е м а кс и м а л ь н о допус тимого значения выходного тока начинаетс я при температ уре 70–75°C. А при рабочей частоте 1 МГц уменьшение максимально допустимой величины выходного тока начинается с 50 – 60°C. Основные параметры DC/DC-преобразователя LTC7150S:

Рис. 6. Схема параллельного включения двух преобразователей LTC7150S

Выводы

Мы кратко рассмотрели некоторые последние модели преобразователей компании Analog Devices, с помощью которых можно построить относительно простую (не распределенную) систему питания без нескольких промежуточных шин и шинных преобразователей. Заметим, что на всех рисунках указаны значения компонентов, требуемые для того, чтобы получить заданную величину выходного напряжения или ограничения тока. Если требуются иные значения этих величин, следует произвести пересчет делителей напряжения и токочувствительных резисторов. Мы не ставили себе цель во всех подробностях рассмотреть режимы работы преобразователей, но лишь обратили внимание разработчиков на элементную базу для построения несложных систем питания. Поскольку невозможно рассмотреть все новинки компании, мы выбрали наиболее, на наш взгляд, характерные модули, дающие представление о продуктовой линейке производителя. Очень многие из последних преобразователей компании имеют токовый контур обратной связи, что позволяет не допустить насыщение дросселя и сократить время протекания переходных процессов. На эту тему написано достаточно много статей, например [1]. Читатель легко найдет их в специализированных СМИ.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

| «Микрон» представил линейку IoT-устройств на базе криптозащищенного микроконтрол­ лера первого уровня |

На выставке «Экспоэлектроника‑2019» была представлена линейка IoT-устройств на базе криптозащищенного микроконтроллера первого уровня MIK51SC72D производства «Микрон». МК MIK51SC72D, сертифицированный как средство криптографической защиты информации по классу КС3, поддерживает отечественные алгоритмы шифрования ГОСТ Р34.12–2015 и ГОСТ 28147–89. В линейку IoT-устройств входит контроллер систем освещения, трекер для грузоперевозок, промышленные датчики, счетчики ЖКХ, а также датчик контроля наполненности контейнеров бытовыми отходами. Устройства разработаны и производятся совместно с российскими партнерами для предприятий, заинтересованных в использовании отечественной ЭКБ в своей инфраструктуре. http://mikron.ru

39

РЕКЛАМА

Литература 1. В. Стрешнев. Улучшенный метод управления по току DC/DC-преобразователями//Электронные компоненты № 3. 2018.

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

-- диапазон входного напряжения: 3,1–20 В; -- выходное напряжение регулируется в пределах: 0,6–5,5 В; -- длительный выходной ток при отсутствии перегрева (макс.): 20 А; -- фиксированная рабочая частота выбирается из ряда 400–3000 кГц; -- время открытия верхнего ключа (мин.): 20 нс; -- время закрытого состояния верхнего ключа (мин.): 50 нс; -- диапазон рабочей температуры: –40…125°C; -- корпус: BGA42 (6×6×1,3 мм).

электронные компоненты №5 2019

Двухст упенчатая синхронизация – новый метод предварительной синхронизации фазы Владимир Ливанов, инженер

Сети и интерфейсы

В настоящей статье рассматривается предложенная компанией CEVA усовершенствованная процедура исходной синхронизации, которая обеспечивает меньшую задержку при обнаружении сигнала NPSS. В заключительной части статьи разъясняются основные параметры и понятия, имеющие отношение к этой процедуре.

40

Поскольку многие устройства интернета вещей (IoT) предназначены для удаленной работы или в труднодоступных местах, требование обеспечить их низкое энергопотребление является критичным. Для уменьшения потребляемой мощности большую часть времени они находятся в режиме сна или глубокого сна. Переход в активный режим осуществляется по таймеру или внешнему событию. Таким образом, передача данных производится время от времени, а скорость передачи не должна быть высокой. Для обеспечения обмена информацией между устройствами этого типа был разработан протокол узкополосной передачи Narrowband IoT (NB-IoT) для сетей с низкой потребляемой мощностью (low power wide area, LPWA). В силу специфичных характеристик межмашинного (М2М) обмена этот протокол учитывает следующие особенности.

–– Низкое отношение сигнал–шум (SNR), обусловленное условиями эксплуатации IoT-устройств.

–– Смещение частоты. IoT-устройства часто имеют низк ую стоимость, изготовлены из дешевых компонентов. В частности, к этим устройствам относятся встроенные осцилляторы, которые вносят изначальный сдвиг несущей частоты (CFO).

–– Сложность. Поскольку малопотребляющие узлы IoT имеют ограниченную вычислительную мощность, алгоритмы обработки сигналов NB-IoT должны быть относительно простыми.

–– Малое время обнаружения. Поскольку РЧ-компоненты имеют высокое потребление, они должны находиться в активном режиме в течение как можно меньше времени (фаза RF-ON).

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Сигналы синхронизации радиокадра

Рис. 2. Структура NPSS-сигнала (частотная область)

Когда устройство выходит из режима сна, оно должно обнаружить сигнал синхронизации (Narrowband Primary Synchronization Signal, NPSS) и синхронизоваться с сигналом несущей ближайшей базовой станции. Этот процесс может занять большую часть фазы RF-ON, поэтому следует минимизировать время обнаружения. Процедура синхронизации

сопряжено с высокой вычислительной перегрузкой устройства. Сигнал NSSS имеет похожую на NPSS структуру, как видно из рисунка 3, однако используются все 12 поднесущих РБ, т. е. всего 132 частотных элемента, по 12 поднесущих на каждый из 11 OFDM-символов. Поскольк у д ля генерации NSSS используе тс я б инар ный код , I oTустройству этот сигнал известен заранее. Он требуется для определения ID ячейки сети, а также индекса радиокадра. Устройство может определить данные параметры только после проведения синхронизации по времени и частоте. После оценки временных отсчетов, определения ID ячейки и границ кадра устройство приступает к декодированию каналов управления и данных. Синхронизация NB-IoT

Описанная выше процедура первичной синхронизации состоит из двух этапов: грубой и точной синхронизации (см. рис. 4). Грубая синхронизация производится на пониженной частоте 240 кГц в целях уменьшения вычислительной нагрузки. Ее целью является оценка частоты

и определение временных отсчетов полученного сигнала. Точная синхронизация имеет меньшую погрешность. Производится выборка сигнала на частоте 1,92 МГц вблизи грубой оценки временных параметров сигнала, затем частота сигнала переключается на основную, полученную при оценке частоты. После оценки временных параметров и частоты устройство IoT может заняться определением ID ячейки и границ кадра на основе сигнала NSSS. Взаимная корреляция

Полная взаимная корреляция подразумевает, что сигнал синхронизации известен. Она осуществляется путем соотнесения принятого сигнала в момент времени Т с сопряженным сигналом NPSS для заданной частоты. При полной взаимной корреляции оценка временных отсчетов и частоты выполняется одновременно. В алгоритме используется сеть возможных частот для определения частоты несущей сигнала. Для максимального использования этого метода количество частот–кандидатов велико, что усложняет вычисления сложности и повышает использование Сети и интерфейсы

Когда происходит событие, заставляющее устройство IoT выйти из спящего режима, оно выполняет следующую последовательность действий: -- синхронизует свою частоту несущей с базовой станцией (первичная синхронизация); -- извлекает информацию из радиокадра базовой станции об ID ячейки базовой станции и о границе кадра в интервале 80 мс. Этот процесс называется вторичной синхронизацией; -- декодирует широковещательный физический канал (Narrowband Physical Broadcast Channel, NPBCH) и физический управляющий канал линии нис ход ящей пер е д ачи (Narrowband Physical Downlink Control Channel, NPDCCH), а также физический канал с разделением пользователей линии нисходящей передачи (Narrowband Physical Downlink Shared Channel, NPDSCH). Первичные и вторичные узкополосные сигналы NPSS и NSSS используются в процессе синхронизации. Они повторяются каждые один или два радиокадра. Устройство продолжает получать данные с базовой станции до тех пор, пока не будет обнаружен сигнал NPSS. Поскольку NB-IoT основан на протоколах LTE, сигналы синхронизации были полностью переработаны, чтобы задействовать несущие LTE. На рисунке 1 показано расположение сигналов синхронизации внутри радиокадра. Сигналы имеют полосу 180 кГц. Сигнал NPSS расположен в шестом подкадре, NSSS – в десятом подкадре радиокадра. Сигнал NPSS (см. рис. 2), передающийся каждые 10 мс, состоит из последних 11 ОFDM-символов подкадра. Используются первые 11 поднесущих назначенного ресурсного блока (РБ). Для повышения эффективности процесса синхронизации при генерации символов OFDM используется псевдослучайный код, как показано на рисунке 3. Поскольку этот код предопределен, сигнал NPSS известен устройству заранее. В то же время значительная неопределенность во временных отсчетах и частоте переданного сигнала приводит к тому, что детектирование NPSS

Рис. 3. Структура NPSS-сигнала (временная область)

41

Рис. 4. Стандартная процедура первичной синхронизации

электронные компоненты №5 2019

памяти. Достоинством подхода является малая задержка, особенно при низком соотношении сигнал–шум. Высокая сложность и большой объем памяти снижают эффективность для систем NB-IoT. Автокорреляция

Как уже упоминалось, NPSS-сигнал сос тоит из 11 идентичных OFDM символов. Метод автокорреляции заключается в умножении NPSS на предварительно известную двоичную псевдос лучайную пос ледовательнос ть длиной 11 бит по следующему алгоритму:

где x(l, τ) – l‑й символ, начиная с кандидатной точки синхронизации ττ; s(k) – двоичная псевдослучайная последовательность. Автокорреляция проста в исполнении, позволяет оценить исходную точку NPSS, а также частоту несущей. При этом частота определяется неоднозначно, и для улучшения оценки требуется накапливать больше значений. В результате увеличивается потребляемая мощность.

Сети и интерфейсы

Двухфазная синхронизация

42

Двухфазная синхронизация ячеек является новой процедурой, разработанной специально для систем NB-IoT. На рисунке 5 показаны основные этапы процедуры, с помощью которой определяется смещение NPSS-сигнала по времени и несущая принятого сигнала. Шаг 1. Сегментная взаимная корреляция Поскольку структура NPSS-сигнала периодична, ее короткий сегмент может быть взаимно коррелировать с принятым сигналом, что уменьшает количество требуемых предположительных частот. Это, в свою очередь, упрощает схему. Кроме того, уменьшается и количество вычислений (рекурсивный алгоритм). Шаг 2. Посегментная корреляция После выполнения первого шага отношение сигнал–шум в выходном взаимнокоррелированном сигнале значительно уменьшается. Посегментную автокорреляцию можно вычислить рекурсивным методом, обеспечив выходной сигнал с более высоким отношением сигнал–шум, чем в принятом сигнале, согласно формуле:

.

www.elcomdesign.ru

Рис. 5. Двухфазная синхронизация

Поскольку структура NPSS и значения известны, этот метод обеспечивает лучшие характеристики, чем автокорреляция. Шаг 3. Функция затрат Функция затрат для данного метода вычисляется с помощью взвешенной комбинации выходных сигналов, полученных на предыдущем шаге:

где ρ(Σ, h)(τ) – накопленная функция затрат, α – коэффициент спада. Шаг 5. Порог обнаружения NPSS-сигнала На этом последнем шаге осуществляется обнаружение NPSS-сигнала путем сравнения пика функции затрат и динамического порога. Когда порог превосходит NPSS, оценивается сдвиг частот. На стадии точной синхронизации эти оценки обновляются.

. Результаты

Затем рассчитывается временной сдвиг от максимального значения функции затрат: . Частотный сдвиг рассчитывается следующим образом: . Шаг 4. Когерентное сложение В сложных средах с низким отношением сигнал–шум сигнал NPSS передается каждые 10 мс, что позволяет повысить точность оценки. Функция затрат накапливается с помощью БИХ-фильтра:

На рисунках 6–8 показаны результаты моделирования для трех рассмотренных методов синхронизации. Моделирование осуществляется по трем сценариям: -- внешняя типичная городская среда (ETU) с допплеровским отклонением 1 Гц (см. рис. 6); -- расширенная модель А для транспорта (E VA) с допплеровским отклонением 5 Гц (см. рис. 7); -- расширенная модель А для пешеходов (EPA) с допплеровским отклонением 0 Гц (см. рис. 8). Задержки, присущие каждому методу, нормированы с помощью функции взаимной корреляции, поскольку она обеспечивает наибольшее усиление и меньшую задержку относительно принятого сигнала. Из этих рисунков видно, что характеристики при синхронизации в два этапа близки к характеристикам, полученным методом взаимной корреляции даже

при меньшем отношении сигнал–шум. При этом задержка при автокорреляционном методе гораздо больше. Метод синхронизации в два этапа обеспечивает меньшую задержку, чем при автокорреляции, нуждается в меньшем объеме памяти, чем при взаимной корреляции, и проще. Испытания показали, что данный метод можно применять на начальной стадии первичной синхронизации устройства. Сети LPWA и NB-IoT

Сети с низкой потребляемой мощностью (LPWA) являются разновидностью беспроводной сети, предназначенной для связи на дальнем расстоянии на малой скорости между такими объектами как датчики с питанием от батареи. Скорость передачи данных составляет 0,3–50 Кбит/с на канал. Сеть NB-IoT представляет собой LPWA для большого количества беспроводных устройств и сервисов. Сети NB-IoT предназначены, в первую очередь, для использования внутри помещения. Они имеют низкую скорость, продолжительный срок службы от батареи, высокую плотность соединений. В NB-IoT используется набор из стандарта LTE, однако полоса пропускания ограничена одним диапазоном 200 кГц. Для передачи в нисходящем направлении используется модуляция OFDM, в восходящем направлении – SC-FDMA.

Рис. 6. Сравнение методов синхронизации в условиях городской застройки (ETU-1)

Протокол LTE

Рис. 7. Сравнение методов синхронизации для транспорта (EVA-5)

43

Физические ресурсные блоки

Беспроводные протоколы связи, например LTE, предусматривают кадровую передачу. Она ведется от устройства (нисходящее направление) и к устройству (восходящее направление). Кадр LTE показан на рисунке 9. Он имеет длину 10 мс и разбит на четыре временных интервала: кадр (10 мс), полукадр (5 мс), подкадр (1 мс) и слот (0,5 мс). Ресурсный блок является наименьшей ресурсной единицей, которая назначается пользователю. Ресурсный блок занимает полосу 180 кГц, один временной слот. Сигналы NPSS и NSSS

В системе NB-IoT наличие сигнала для передачи в нисходящем направлении

Сети и интерфейсы

Стандарт LTE обеспечивает высокоскоростную передачу данных по беспроводному каналу. От сетей 3G он отличается более высокой пропускной способностью и скоростью передачи, которые достигаются за счет использования разных интерфейсов радиосвязи, а также за счет некоторых улучшений в ядре сети. Часто LTE обозначают 4G, однако на самом деле LTE немного не соответствует техническим требованиям 4G.

Рис. 8. Сравнение методов синхронизации для пешеходов (EPA-0)

электронные компоненты №5 2019

Рис. 9. Кадр LTE

обнаруживается с помощью двух сигналов синхронизации. Сигнал NPSS позволяет оценить временные отсчеты кадра и частоту несущей, сигнал NSSS обеспечивает идентификацию ячеек и границ кадра в окне 80 мс, а также осуществляет отслеживание ячейки. Сигналы синхронизации занимают полосу 180 кГц, сигнал NPSS содержится в шестом подкадре каждого кадра. Сигнал NSSS содержится в десятом подкадре каждого четного кадра (см. рис. 1).

Сети и интерфейсы

Каналы NPBCH и NPDCCH

44

Канал NPBCH используетс я д ля передачи кадров NB - IoT в нис хо дящем направлении. Каж дый кадр начинается передачей канала NPBCH, который занимает нулевой субкадр и несет главный информационный блок (master information block, MIB).

MIB – первый из блоков системной информации (system information blocks, SIB), передаваемый узлом LTE. Он включает ограниченный набор самых важных и наиболее часто передаваемых параметров, которые требуются для получения другой информации от ячейки. Канал NPDCCH используется в кадрах, передаваемых в нисходящем направлении. Он несет информацию о планировании передач данных в обоих направлениях. Кроме того, он содержит запрос HARQ (для исправления ошибок), сигнал подтверждения для восходящей передачи, указатели на страницы памяти, информацию о планировании сообщений случайного доступа (randomaccess response, RAR).

M2M

M2M подразумевает прямой обмен данными между устройствами по любому каналу связи – и проводному, и беспроводному. Связь М2М осуществляется между промышленными механизмами и инструментами. Например, датчики или счетчики могут отсылать свои показания (температура, давление, скорость потока и т. д.) на обработку в приложе-

www.elcomdesign.ru

ние (например, устройство открывания и закрывания клапана для регулировки скорости потока в зависимости от температуры). Ме ж м ашинна я св язь т ак же и с­поль­­зуется для передачи данных персональным устройствам. Распространение IP-сетей по миру сделали связь M2M быстрее и проще, при этом снизив потребляемую мощность.

го сигнала, доступ DSL, беспроводные сети, сети электропитания, мобильная связь 4G. Данные передаются с помощью многочисленных близко расположенных ортогональных поднесущих с накладывающимися спектрами. Демодуляция осуществляется с помощью быстрого преобразования Фурье. Каждая поднесущая модулируется (может применяться квадратурная амплитудная модуляция и модуляция с фазовым сдвигом). При этом общая скорость данных близка к скорости в традиционных схемах модуляции с одной несущей, занимающей ту же полосу. Главным преимуществом OFDM над схемами с одной несущей является возможность работы при сложных условиях в канале (например, ослабление высоких частот при передаче по длинному медному кабелю, узкополосная интерференция, частичное подавление частот из-за многолучевости) без использования сложных фильтров. Отношение сигнал–шум

Смещение несущей

Смещение несущей частоты (Carrier frequency offset, CFO) является одной из проблем, возникающих из-за отклонения реальных характеристик приемника от идеальных (теоретических). Оно происходит в случаях, когда сигнал осциллятора для понижающего преобразования в приемнике не синхронизован с сигналом несущей, содержащейся в принятом сигнале. Это рассогласование может быть вызвано несоответствием частот между приемником и передатчиком, а также эффектом Допплера, когда приемник или передатчик перемещается. Из-за смещения несущей частоты принятый сигнал имеет другую частоту, что приводит к появлению интерференции между несущими. РЧ-компоненты

Диапазон радиосвязи находится в пределах 20 кГц…300 ГГц – примерно между верхней границей звуковых частот и нижней границей ИК-частот. Радиосигналы генерируются и обрабатываются большим количеством компонентов, в т. ч. приемниками, передатчиками, фильтрами, ФАПЧ, гетеродинами.

OFDM

Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM), часто применяемое при широкополосной цифровой передаче, является одним из способов кодирования цифровых данных на нескольких несущих частотах. OFDM применяется в таких областях как цифровое телевидение, широковещательная передача звуково-

Отношение сигнал–шум позволяет сравнить уровень полезного сигнала с уровнем фонового шума. Оно выражается соотношением или в децибелах. Значение больше 1:1 (или больше 0 дБ) обозначает, что полезный сигнал превышает шум. БИХ-фильтр

Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой используются во многих линейных инвариантных ко времени системах, например в аналоговых и цифровых электронных фильтрах. Импульсна я харак терис тик а БИХ- фи льтра не достигает нуля в конкретной точке – она продолжается бесконечно. Аналоговые электронные фильтры, состоящие из резисторов, конденсаторов, дросселей являются, как правило, БИХфильтрами, поскольку конденсаторы «помнят» свое внутреннее состояние и никогда не разряжаются полностью. Сценарии моделирования

В беспроводных системах связи используются модели распространения сигнала для описания того, как изменяется сигнал по мере прохождения от передатчика до приемника. Путь прохождения сигнала может значительно меняться в зависимости от многих факторов, к которым, например, относится перемещение пользователя или его местонахождение в зоне прямой видимости. Соответственно, при моделировании используются сценарии, позволяющие предсказать поведение системы в реальных условиях эксплуатации.

Обновление прошивки с помощью технологии LoRa при сохранении низкого энергопотребления Виктор Моряков, инженер-разработчик

В статье рассматривается один из возможных способов снижения потребляемой мощности при записи прошивки в микроконтроллер. Он основан на использовании микроконтроллера с FRAM и усовершенствованного приемопередатчика LoRa. Это решение является менее потребляющим, чем стандартная схема на основе микроконтроллера с флэш-памятью.

Стандарт LoRa

Одной из задач интернета вещей (IoT) является беспроводная передача данных при как можно меньшем энергопотреблении. Особенно это касается низкоскоростной передачи показаний датчиков на дальние расстояния (несколько км). Среди существующих решений можно отметить технологии Bluetooth и Zigbee, однако они рассчитаны на небольшое расстояние передачи. Сотовая связь также является возможным вариантом, однако ее потребление достаточно высоко. Стандарт беспроводной связи LoRa (long range – дальний радиус действия) появился как раз для решения этой проблемы. Стандарт LoRa разработан для передачи данных на низкой скорости на большие расстояния при малом потреблении

для систем, не работающих в режиме реального времени. Скорость передачи данных составляет 0,3–5,5 кбит/с, что делает ее пригодной для периодической пересылки показаний датчиков. Стандарт LoRa описывает электрические характеристики и параметры моделирования, тогда как LoRaWAN – протоколы и формат данных в сетях LoRa. Сигналы LoRa похожи на частотно модулированные, однако изменение частоты происходит не мгновенно. Частота сигнала LoRa постепенно растет и уменьшается в течение некоторого интервала времени. Этот процесс называют внутриимпульсной линейной частотной модуляцией. Сети LoRaWAN всегда ус троены по принципу звезды – протокол доступа и обработки сигнала оптимизирован так, чтобы потребление было минимальным, а коллизии между сигналами для разных оконечных точек случались редко. Каждая оконечная точка LoRaWAN высылает свои данные шлюзу, который их передает по другой сети (Ethernet или Wi-Fi) центральному компьютеру для

хранения или дальнейшей обработки. Дальность передачи любого протокола связи зависит от среды. В условиях городской застройки она ограничивается несколькими километрами. В сельскохозяйственной местности дальность достигает 5–15 км, а в условиях прямой видимости – до 210 км. Зарегистрирован случай, когда метеозонд передал данные на шлюз, расположенный на земле на расстоянии более 700 км, затратив всего 25 мВт. Каждая оконечная точка LoRa делится на три части: датчики для сбора данных; микроконтроллер; радиочип для передачи. Д а т ч и к и п р и с у т с т в у ю т в се гд а , поскольку оконечная точка должна выполнять измерения: осуществлять мониторинг температуры, давления и влажности, измерение скорости потока. Такие датчики собирают статичные данные, которые не меняются быстро во времени, и передают их со скоростью 5,5 Кбит/с. Радиочип и антенна взаимодейс твуют напрямую. Рассмотрим эт у

Рис. 1. Радиомодули Semtech SX1262IMLTRT и SX1261 для полудуплексной передачи

электронные компоненты №5 2019

Сети и интерфейсы

В ок т ябре прошлого года LoRa Alliance анонсировала спецификацию, упорядочивающую обновление прошивки оконечных точек IoT-сетей с помощью беспроводной связи (firmware over the air, FOTA). В целом, это перспективная инициатива, хотя она и в некоторой степени усложняет разработку малопотребляющих оконечных точек IoT LoRa, основанных на микроконтроллерах с флэш-памятью. При чтении проблем не возникает, а потребление мощности на некоторое время значительно увеличивается при записи во флэш-память микроконтроллера (МК). Мощность возрастает настолько, что требуется регулятор с большим напряжением. Мы обсудим, как решить эту проблему с помощью микроконтроллера с FRAM.

45

процедуру на примере радиочипов компании Semtech, которые в настоящее время являются наиболее распространенными. Приемопередатчик Semtech SX1262IMLTRT LoRa содержит стандартный передатчик LoRaWAN (см. рис. 1). При передаче или приеме данных он потребляет всего 4,2 мА при выходной мощности 22 дБм. Выходная мощность модели SX1261 с меньшим энергопотреблением составляет 15 дБм. Оба передатчика ос ущес твляют обмен в пол уд у п лексно м р е ж и м е в с у б гигагерцовом диапазоне. На плате устройства установлены понижающие преобразователи постоянного напряжения и линейный LDO-регулятор.

Таблица. Минимальные требования к микроконтроллерам в конечных точках LoRaWAN с SX1262 Параметр

Мин. требования

Рекомендуемые требования

Флеш-память, кбайт

128

Не менее 256

ОЗУ, кбайт

8

Не менее 16

Кодирование AES-128

Выполняется прошивкой

Аппаратно (требуется для многопользовательской передачи в нисходящем направлении)

Часы реального времени с разрешением 1 мс

Не требуется, если используется внутренний таймер

Требуется для обновления прошивки, многопользовательской передачи и синхронизации тактовых сигналов

Внешние выводы прерывания SX126x

Два вывода IRQ: BUSY и программируемый вывод IRQ (DIO1)

Четыре вывода IRQ: BUSY и три программируемых вывода IRQ (DIO1:3)

SPI-интерфейс для SX126x

Требуется: SCK, MOSI, MISO, CS

Требуется: SCK, MOSI, MISO, CS

Генерация IEEE Требуется, 64-разрядного номера EUI выполняется прошивкой

Требуется, выполняется прошивкой или аппаратно

Ядро МК

16- или 32-разрядное

8-разрядное

Выбор микроконтроллера

передает большой объем данных либо производит обработку показаний, следует ориентироваться на рекомендуемые показатели. При этом очевидно, что чем больше память и вычислительная мощность оконечной точки, тем больше ее потребление. При разработке оконечной точки LoRaWAN необходимо поддерживать минимальную мощность потребления. При выборе микроконтроллера следует учитывать тактовую частоту и размер памяти – они должны быть минимальными, поскольку в значительной мере влияют на потребление.

Сети и интерфейсы

Микроконтроллер для оконечной точки LoRaWAN выполняет считывание и обработку показаний датчиков, а также поддерживает интерфейс с SX1262 для передачи данных в сеть. Микроконтроллер должен иметь достаточно памяти для хранения драйверов устройств (SX1262, датчики) и кода приложения. Основные требования к микроконтроллерам в конечных точках LoRaWAN перечислены в таблице. Из нее видно, что для обеспечения минимальных требований достаточно 8‑разрядного микроконтроллера. В то же время, если оконечная точка

46

Рис. 2. Структурная схема микроконтроллера MSP430FR6047

www.elcomdesign.ru

Обновление прошивки микроконтроллера

В октябре прошлого года организация LoRa Alliance стандартизовала процедуру обнов ления прошивки «по воздуху» для оконечных точек LoRa. Новый стандарт обеспечивает единое тактирование по всей сети, что значительно сокращает количество потерянных пакетов. Кроме того, он упорядочивает многопользовательскую передачу, которая необходима при обновлении нескольких оконечных точек. Как тактирование, так и многопользовательская передача требуют точные временные отсчеты, что,

ко он не рекомендован для оконечных точек LoRaWAN. Потребление в этом режиме равно 30 нА. Средства разработки

Рис. 4. Защита MBED на оценочной плате SX1262 Semtech

Рис. 3. Оценочная плата EVM430-FR6047 Texas Instruments для MSP430FR6047

Выводы

Стандарт LoRa стал популярным в IoT-системах. Он хорошо подходит для передачи показаний датчиков, когда наиболее важным является низкое потребление. Впоследствии стандарт стал предусматривать возможность обновления прошивки по каналам беспроводной связи, что позволило продлить срок службы батареи. Переход на FRAM-микроконтроллеры позволяет сократить потребляемую мощность, особенно в процессе записи обновлений в память устройства.

электронные компоненты №5 2019

Сети и интерфейсы

в свою очередь, означает, что микроконтроллеры в оконечных точках должны иметь часы реального времени с точностью до 1 мс. В то же время появление этой функции сопряжено с некоторыми сложностями. Так, обновление прошивки в полевых условиях означает перепрограммирование памяти микроконтроллера, как правило, энергонезависимой флэш-памяти. Для ее программирования требуется напряжение 10 В для каждой ячейки. Таким образом, необходим регулятор напряжения и соответствующая схема. Поскольку в некоторых системах обновление происходит несколько раз в год, это необоснованные траты, приводящие к повышению стоимости и сокращению эффективности использования места на плате. Решению с флэш-памятью имеется альтернатива – микроконтроллер с ферромагнитной памятью (FRAM). Для программирования ее ячейки требуется 1,5 В. В качестве примера рассмотрим 16 ‑ р а з р я д н ы й м и к р о к о н т р о л л е р MSP430FR6047 компании Texas Instruments. Он имеет 256‑кбайт FRAM (память программ), часы реального времени с календарем и функцией будильника. Блок шифратора под держивает кодирование AES‑128 и AES‑256. Имеются четыре порта SPI, а также достаточное количество входов внешнего прерывания, что обеспечивает интерфейс с двумя устройствами. Кроме того, не возникает проблем с генерацией 64‑разрядного уникального идентификатора EUI (см. рис. 2).

Микроконтроллер MSP430FR6047 разработан для интеллектуальных датчиков с питанием от батареи. Он имеет встроенный ультразвуковой датчик, который обеспечивает очень точное обнаружение потока жидкости и определение уровня жидкости. То , ч т о м и к р о к о н т р о л л е р MSP430FR6047 имеет только 8 кбайт памяти ОЗУ вместо рекомендуемых 16 кбайт, не является препятствием, если не требуется сложная обработка показаний нескольких датчиков. Кроме того, у MSP430FR6047 – высокая степень интеграции и более высокая производительность, а объем используемой памяти и занимаемое на плате место меньше. Аналоговый входной каскад для ультразвукового датчика содержит программируемый генератор импульсов, 12‑разрядный АЦП, усилитель с программируемым коэффициентом усиления, т. е. все те компоненты, которые необходимы для сбора показаний с аналоговых датчиков. Микроконтрол лер им е ет аппа ратный 32‑разрядный умножитель, маломощный акселератор, я дро сигнальной обработки, производящее БПФ по 256 точкам без использования вычислительного ядра МК. Акселератор ускоряет обработку сигнала в маломощных приложениях, что позволяет увеличить срок службы батареи. Микроконтроллер имеет очень н и з ко е э н е р го п о т р е б л е н и е д а же по сравнению с 8 ‑ и 16 ‑разрядными МК. Для работы ядра и периферийных устройств требуется всего 120 мкА/МГц. В режиме ожидания при активных часах реального времени потребление составляет 450 нА. Имеется режим отключения, когда часы реального времени выключены, одна-

Д ля разраб отк и пр ошивк и д ля MSP430FR6047 имеется оценочная плата EVM430‑FR6047 (см. рис. 3). Она питается через USB и содержит все необходимые аппаратные блоки, необходимые для оценки MSP430 в приложении. Оценочная плата оснащена разъемами для модулей BoosterPack для расширения функционала. Дополнительные выводы предназначены для подключения датчиков. Для SX1262 на плате SX1262MB2CAS LoRa имеется защита MBED (см. рис. 4). Разъемы MSP430 BoosterPack обеспечивают все сигналы, необходимые для интерфейса с защитой Semtech SX1262 MBED. Разъем содержит четыре вывода SPI и три дополнительных вывода GPIO, которые можно программировать как входы MSP430 или внешние прерывания. Если требуется дополнительное внешнее прерывание, четыре вывода разъема BoosterPack подключаются к одному из MSP430 UART. Выводы UART можно сконфигурировать либо как входы или выходы общего назначения (GPIO), либо как внешние прерывания для защиты MBED. Хотя BoosterPack и защита MBED не являются физически совместимыми, их легко согласовать так, чтобы обеспечить необходимые соединения между MSP430 и SX1262. К р о м е т о г о , к о м п а н и я Te x a s Instruments предлагает САПР Code Composer Studio с поддержкой написания и отладки кода MSP430.

47

Эффективные обратные потери Юрий Сенякин, инженер

Увеличение скорости передачи данных заставляет по-иному подходить к анализу переходных процессов в линии передач. В статье с помощью метода эффективных обратных потерь рассматривается проблема искажения высокоскоростных сигналов.

Как известно, звон представляет собой затухающий колебательный переходный процесс, вызванный отражениями сигналов. Чтобы его устранить, необходимо согласовать импедансы, что не так сложно сделать в диапазоне мегагерцовых частот (см. рис. 1).

Сети и интерфейсы

Рис. 1. Отражения вызывают «звон» в нарастающем фронте

Время, необходимое для прохождения сигнала от передатчика к приемнику, отражения от приемника обратно к передатчику, а затем повторного отражения от передатчика к приемнику намного меньше минимального (единичного) интервала времени между символами (UI), будь то код без возврата к нулю (NRZ) или сигнал четырехуровневой амплитудноимпульсной модуляции (PAM4). Строго говоря, тракт от передатчика к приемнику представляет собой линию передачи, которая является таким же элементом сети, как конденсатор, катушка индуктивности или резистор. Величина UI сигнала, распространяющегося со скоростью 56 Гбод, составляет менее 20 пс. За это время сигнал проходит участок проводника печатной платы длиной около 3 мм; любой канал длиннее нескольких сантиме-

48

Рис. 2. Маски a) RL(f); б) IL(f) для типового приложения PAM4, 28 Гбод

www.elcomdesign.ru

тров можно рассматривать как линию передачи для этого сигнала. Из-за несоответствия импедансов на контактах передатчика и приемника, а также разъемов, переходных отверстий и по причине других неоднородностей появляются отражения. Если расстояние между передатчиком и приемником составляет 2,5 см, то групповая задержка между ними составляет около 8,5 UI для сигнала, распространяющегося со скоростью 56 Гбод. Отраженный на входе приемника сигнал задерживается на величину 8,5 UI при распространении в сторону передатчика, испытывает вторичное отражение и смещается еще на 8,5 UI, достигнув приемника. Поскольку в оба конца суммарная задержка составляет 17 UI, отраженный сигнал ухудшает символ, который был передан спустя 17 UI после исходного символа. 17‑кратная компенсация с решающей обратной связью (DFE) позволяет избавиться от влияния этих отражений до того, как символ поступит в декодер. Из-за вносимых потерь амплитуда последующих отраженных сигналов уменьшается. Значения RL(f) (обратная потеря как функция частоты) и IL(f) (вносимые потери) определяются параметрами дифференциального рассеяния Sdd22 и Sdd21, соответственно.

Sdd22 описывает общую энергию отраженного сигнала. Маски S‑параметров применяются для определения максимально допустимых значений RL(f) и IL(f); при этом эффекты компенсации не учитываются (см. рис. 2). Напомним, что обратные потери определяются как отношение мощности отраженных сигналов к мощности входного сигнала. Эффективные обратные потери (ERL) – показатель, введенный в стандарт 802.3cd (50/100/200/400 Gigabit Ethernet) Ричем Меллицем (Rich Mellitz) – выдающимся инженером Samtec. Показатель качества ERL, учитывающий обратные потери и эффекты компенсации, особенно DFE, а также шум

Рис. 3. Верхняя часть: PTDR(t); средняя: REFF(t); нижняя: стробирование и взвешивание

Вопрос об окончательном виде характеристики определяется с учетом показателя, который для систем PAM4 является коэффициентом ошибок по символам (SER). Показатель качества ERL, учитывающий обратные потери и выравнивание, позволяет оценить величину SER. Как и рабочий запас канала (COM), ERL выводится из импульсной характеристики канала при определенных допущениях о качестве передаваемого сигнала. Давайте рассмотрим с помощью ERL характеристики цепи при отражении импульса. Представим импульс в виде длинной цепочки нулей NRZ (или цепочки S0 при использовании PAM4), за которой следует единица (или S3 PAM4), а за ней – еще одна длинная цепочка нулей (или цепочка S0 в PAM4). Импульсная характеристика представляет собой форму сигнала, полученного при передаче импульса по каналу. Характеристика отраженного импульса состоит из комбинации всех

Сети и интерфейсы

передатчика и АЧХ приемника, схож с другим показателем – рабочим запасом канала (COM). Как и COM, ERL выполняет две функции, обеспечивая: 1) гибкость проектирования за счет изменения параметров, благодаря чему появляется возможность оптимизации; 2) соответствие результата измерения показателю качества. Итак, при скоростях передачи выше 30 Гбод и особенно для заметно ограниченных по шуму сигналов PAM4 требования к маскам S‑параметров (см. рис. 2) не обеспечивают совместимость вида SerDes – канал – SerDes. Слишком часто канал, который не работает с шаблоном, нормально функционирует в системе с компенсацией. В частности, компенсация DFE позволяет скорректировать эффекты отражений в пределах нескольких единичных интервалов (UI), на которые распространяется эта компенсация. Таким образом, если кратность DFE равна NB, имеется возможность выровнять отражения в интервале времени равном NB ∙ UI.

49

Рис. 4. Амплитуда сигнала и схождение глазка с учетом показателя SER

электронные компоненты №5 2019

отражений, возникших при передаче импульса. Ее можно получить с помощью метода импульсной рефлектометрии (TDR), используя падающий импульс (PTDR), а не обычную ступеньку (перепад) напряжения. В результате получаем отраженный сигнал PTDR(t), который также можно рассчитать по S‑параметрам канала.

REFF(t), или т. н. «эффективная форма отраженной волны», рассчитывается по PTDR(t) с помощью временного стробирования с умножением на весовые функции (см. рис. 3). Функция временного стробирования представляет собой ноль до передачи сигнала и единицу – после него. Применяются две весовые функции: одна исключает отражения в интервале NB ∙ UI при DFE-компенсации, а другая учитывает, как вносимые потери ослабляют отражения. Обе весовые функции применяются только через интервалы NB ∙ UI. REFF(t) дискретизируется M раз на каждом единичном интервале из NB ∙ UI, что позволяет получить REFF(n, m) с общим количеством выборок NM. Чтобы рассчитать влияние отражений на SER, функция R EFF (n, m) свертывается с четвертичной псевдослучай-

ной двоичной последовательностью (PRBSQ) – вариантом PAM4 сигнала PRBS. Результат определяет функции плотности вероятности (PDF) для вертикального схождения глазка на диаграмме, вызванного отражениями. Наихудший случай из M выборок в каждом UI используется при расчете ERL. Аналогично расчету COM, показатель ERL определяется отношением амплитуды сигнала к величине схождения глазка, вызванного отражениями, с учетом заданной величины SER – коэффициента ошибок детектора (DER0). Как правило, DER0 = 10 –6 (см. рис. 4). Преимущество требования, чтобы ERL > 3 дБ, в отличие от требований к маске S‑параметра, состоит в том, что ERL учитывает эффекты компенсации. Показатель ERL определяет коэффициент качества каналов, в т. ч. пакетов передатчика и приемника и каждое возможное несоответствие импедансов в сигнальном тракте, точнее отражая характеристики канала компенсированных систем. Поскольку ERL является параметром, подобным отношению сигнал/шум, чем больше его величина, тем меньше отражений.

СОБЫТИЯ, ЛЮДИ

Сети и интерфейсы

| Компания PEAK electronics отмечает 20-летие |

50

Компания PEAK electronics, ведущий производитель DC/DC- и AC/DC-преобразователей, а также светодиодных драйверов, отмечает свой 20‑летний юбилей. В дополнении к широкому ряду стандартной продукции, компания, работающая на мировом рынке, также предлагает своим заказчикам и кастомизированные индивидуальные источники питания. Мелани Штадтмюллер (Melanie Rech-Stadtmüller), руководитель компании, подводит итоги 20‑летнему развитию: «Наиболее важными базовыми принципами долгосрочного успеха компании являются качество, сервис и как результат – удовлетворенность заказчиков. Мы гордимся своими достижениями за последние годы, доверительными отношениями с клиентами и партнерами. Мы всегда занимались перспективной продукцией, которая отвечает запросам заказчиков. Мы продолжим такую успешную работу и в последующие годы, ориентируясь на потребности клиентов». Компания PEAK electronics была основана в 1998 г. Первой выпущенной продукцией стали DC/DC-преобразователи мощностью 0,25–2,0 Вт в корпусах SIP и DIP. В 2002 г. компания прошла сертификацию по ISO 9001 и получила признание Торгово‑промышленной палаты (IHK). В 2003 г. была создана основа для дальнейшего развития компании – PEAK electronics вышла на рынки России, Америки и Европы. В последующие годы выпускаемая продукция расширилась за счет AC/DC-преобразователей, светодиодных драйверов, и увеличилась глобальная сеть продаж. После скоропостижной смерти основателя и директора компании господина Карлнайнца Штадтмюллера (Karlheinz Stadtmülle) в начале 2015 г. компанию возглавила Мелани Штадтмюллер. За последние годы линейка выпускаемой продукции значительно расширилась, а компания прошла сертификацию по новым стандартам ISO 9001:2015 и Underwriters Laboratories (UL). www.russianelectronics.ru

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

| Объем мирового рынка безопасности IoT к 2023 г. достигнет 35,2 млрд долл. |

Объем мирового рынка безопасности интернета вещей в 2018 г. составил 8,2 млрд долл. К 2023 году он вырастет до 35,2 млрд долл. Согласно прогнозу Research and Markets, совокупный среднегодовой темп роста рынка (CAGR) в течение прогнозного периода составит 33,7%. Основными положительными факторами, влияющими на рынок безопасности IoT, являются распространение вымогательских атак на подключенные устройства по всему миру, развитие правил IoT-безопасности и растущие опасения в отношении критически важных инфраструктур. Новые варианты угроз, недостаточная осведомленность, дороговизна решений и бюджетные ограничения малых и средних предприятий могут ограничить рост рынка. Сегмент облачной безопасности будет расти самыми высокими среднегодовыми темпами. Среди регионов лидером по темпам роста станет Азиатско-Тихоокеанский регион. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

Запуск по циклам чтения и записи в модулях памяти DDR3 По материалам компании Rohde & Schwarz При выполнении анализа целостности сигналов DDR-интерфейсов возникает проблема различения циклов чтения и записи. Для решения этой задачи требуются всеобъемлющие возможности запуска – особенно при воссоздании глазковой диаграммы в реальном масштабе времени.

Измерительные средс тва и приборы

Измерительная задача

Качество сигнала DDR-интерфейса играет ключевую роль в обеспечении безотказной работы системы памяти. Общепринятым методом оценки целостности сигнала является анализ глазковой диаграммы. В архитектуре памяти DDR используется полудуплексный режим работы, где циклы чтения и записи выполняются на разных временных интервалах одного и того же тракта прохождения сигнала. Для различения циклов чтения и записи в рамках анализа глазковой диаграммы инженерам приходится оценивать фазовую синхронизацию в информационных (DQ) и стробирующих (DQS) сигналах (см. рис. 1). Использование функции специального запуска для различения циклов чтения/записи является непростой задачей, однако позволяет выполнять долговременный анализ глазковой диаграммы в реальном масштабе времени. Контрольно-измерительное решение

Высокопроизводительные осциллографы R&S®RTP о б е спечив ают р асшир енные воз м ож но с ти з ап уск а.

A‑B‑последовательность уникальной системы цифрового запуска позволяет конфигурировать условия двух последовательных запусков с указанием точной временной задержки с разрешением до 1 пс. Условие запуска может сочетаться с логическими спецификаторами для других каналов. Кроме того, использование опции зонального запуска R&S®RTP-K19 позволяет с легкостью определять зоны, которые визуально соответствуют условиям запуска. Циклы чтения и записи

Циклы чтения и записи интерфейсов оперативной памяти DDR не синхронизованы по фазе (см. рис. 2). Архитектура

памяти DDR требует использования контроллера памяти, который генерирует дифференциальные стробирующие сигналы (DQS) для фиксации данных информационного сигнала (DQ), находящегося в стабильно высоком или низком состоянии. В рамках цикла чтения сигналы DQS и DQ передаются в синфазном режиме из динамической памяти DRAM в контроллер памяти; при этом для цикла записи применяется смещение единичного интервала (UI), равное 0,5. Конфигурирование A‑B‑запуска с задержкой

Используя фазовое соотношение в цикле записи, можно определить событие A‑запуска в виде запуска по фронту DQ-сигнала (см. рис. 3). Затем можно ограничить это событие с помощью механизма задержки и сброса для проверки на предмет возникновения события B‑запуска по фронту DQSсигнала. Задержка для поиска события B‑запуска должна находиться в пределах 0,5 от единичного интервала (UI). Еще одним вариантом определения события A‑запуска является использование функции запуска по окну, позволяющей обнаружить первый бит DQ-сигнала по окончании последовательности с тремя состояниями (ширина окна > 1UI). Запуск по преамбуле DQS-сигнала

Для модуля оперативной памяти DDR3 бит преамбулы DQSсигнала в случае циклов записи принимает положительное значение, а в случае циклов чтения – отрицательное. Для контроллеров динамической памяти DRAM, как правило, используется бит преамбулы, ширина которого несколько отличается от ширины бита данных. Это можно использовать в качестве отличительной особенности для выполнения запуска (см. рис. 4) – достаточно определить запуск по длительности

52 Чтение

Запись Рис. 1. Случайное наложение циклов записи и чтения

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Циклы чтения и записи

Рис. 3. Конфигурирование A-B-запуска с задержкой

Рис. 4. Запуск по преамбуле DQS-сигнала

импульсов, ширина которых превышает 1UI или находится в диапазоне 1–1,5UI. В связи с различиями в реализации преамбулы рекомендуется сначала изучить временные характеристики преамбулы для конкретного устройства. Зональный запуск

Рис. 5. Зональный запуск

Как правило, целостность сигнала модуля DDR-памяти измеряется на стороне динамической DRAM. Это значит, что у сигнала записи – меньше амплитуда напряжения, чем у сигнала чтения. Таким образом, использование зон позволяет различать циклы чтения

Таблица. Информация для заказа Назначение

Тип

Код заказа

Высокопроизводительный осциллограф, 8 ГГц, 4 канала

R&S®RTP084

1320.5007.08

Зональный запуск

R&S®RTP-K19

1317.8879.02

ПО для отладки и испытаний для анализа целостности DDR3-сигнала

R&S®RTP-K91

1337.8840.02

Модули пробников для усилителя, 9 ГГц

R&S®RT-ZM90

1419.3205.02

Модуль со впаиваемыми наконечниками пробников, 16 ГГц

R&S®RT-ZMA10

1419.4301.02

и записи на основании мощности сигнала (уровня напряжения). Выводы

Надежное раз личение цик лов чтения и записи играет важную роль в анализе целостности сигналов интерфейсов DDR-пам яти. Основу высокоточного м е ханизма пос ле дов ате льного з апуск а со с тав л яе т функция цифрового запуска высокопроизводительного осциллографа R&S®RTP. В сочетании с зональным запуском она обеспечивает универсальные и самые широкие возможности запуска для измерения сигналов интерфейсов DDR-памяти.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| В России утверждены правила предоставления субсидий на разработку цифровых платформ |

Правительство России утвердило правила предоставления субсидий российским компаниям на возмещение части затрат на разработку цифровых платформ и программных продуктов. Постановление кабмина опубликовано на официальном интернет-портале правовой информации. Предоставление этих субсидий предусмотрено в рамках работы по развитию «сквозных» цифровых технологий по национальному проекту «Цифровая экономика». Разработку цифровой продукции будут субсидировать на конкурсной основе в размере 50% от фактически понесенных затрат. Ранее в Минпромторге сообщали, что с 2019 по 2021 гг. на субсидии российским разработчикам цифровых платформ и программных продуктов ежегодно будут выделяться по 2 млрд руб. Речь идет о решениях в сферах цифрового проектирования, испытаний, производства, управления жизненным циклом и постпродажного обслуживания продукции. Планируется, что отечественные решения заменят дорогостоящее зарубежное ПО и обеспечат необходимый уровень информационной безопасности российской промышленности. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №5 2019

Измерительные средс тва и приборы

Осциллограф R&S®RTP поддерживает опцию зонального запуска (см. рис. 5), которая позволяет определять действительные циклы чтения и записи на основании характерных форм сигнала. Зоны могут произвольно определяться непосредственно на экране прибора; при этом проверяется, находятся сигналы в зоне или выходят за ее пределы. Это особенно важно, если характеристики сигнала не соответствуют конфигурации запуска. В случае циклов записи DQS-сигнал не совпадает по фазе с DQ-сигналом. Зона может также определяться для того, чтобы гарантировать, что фронт DQ-сигнала не совпадает с фронтом DQS-сигнала.

53

Точное определение координат автономных транспортных средств Ян Пеккола (Jan Pekkola), ведущий разработчик, Murata Electronics Europe

Д ат ч и к и

54

Одной из главных целей создания автономных транспортных средств является обеспечение безопасности уличного движения. Согласно данным обзора, опубликованного Национальным управлением по безопасности движения автотранспорта США (NHTSA), около 94% аварий происходит по вине водителя. Из них 75% обусловлены ошибкой распознания, или неправильно принятым решением. Ожидается, что автоматизация решения подобных задач с помощью автономного транспорта позволит намного повысить безопасность дорожного движения. Создание автономного транспорта было мечтой многих автопроизводителей. В 1956 г. компания Ford представила концептуальный автомобиль с «электронным мозгом», который позволял машине перестраиваться в другой ряд. Благодаря успешному освоению технологий эта мечта стала ближе к реальности. Современные автомобили буквально напичканы электроникой: согласно данным немецкого портала Statista, на ее долю приходится около 1/3 стоимости современных машин, и она увеличится до 1/2 к концу десятилетия (см. рис. 1). Общество автомобильных инженеров США (SAE) составило план перехода с транспортных средств, управляемых водителями, на полностью автономные машины. Этот шестиэтапный план подробно описывает передачу электронной системе функций управления, изменения скорости, торможения, контроля и наблюдения за дорожно-транспортной обстановкой (см. табл).

www.elcomdesign.ru

,%

Одной из наиболее существенных проблем проектирования автономных транспортных средств является точное определение их местоположения в любой момент времени, особенно при перемещении. Это требование является необходимым для обеспечения безопасного трафика на перегруженных дорогах. Кроме того, оно является важным и для тяжелой сельскохозяйственной техники, которая перемещается по заранее определенному маршруту. У GPS имеются существенные недостатки – недостаточно хорошее покрытие и ограниченная точность. В статье рассматриваются технологии, альтернативные GPS, и их преимущества.

Рис. 1. Доля автомобильной электроники от стоимости всего автотранспортного средства Необходимость в точном определении координат

Автомобиль с функциями управления должен не только знать состояние окружающей среды и конечный пункт перемещения, но и свои координаты с высокой точностью. Определение точного местоположения автомобиля на трассах с многорядным движением является очень важным требованием. Для навигации автомобиля на кольцевых транспортных развязках, съездах с магистралей и перекрестках точное знание координат является тем требованием, которое обеспечивает своевременную реакцию машины, которая в значительной мере отличается от способности обнаруживать временные препятствия на дороге или пешеходов. Не все автономные транспортные средства передвигаются по дорогам.

Например, сельскохозяйственный сектор – еще одна область, которая получает с ущес твенные преимущес тва от использования автономных машин. Хорошо известно, что повышение степени автоматизации позволяет сохранить рентабельность сельхозпродукции. Однако и в этом случае автономному сельскохозяйственному транспор ту необходимо в точности знать свое местоположение, чтобы, например, дважды не обработать один и тот же участок земли или, наоборот, не пропустить его. Технологии позиционирования

К настоящему времени известно немало технологий по определению местоположения автономных транспортных средств. У каждой из них имеются свои достоинства и недостатки.

Таблица. Этапы перехода на полностью автоматизированное транспортное средство согласно стандарту SAE J3016 Уровень SAE

Название

Определение

Управление машиной, изменение скорости

Наблюдение за дорожно-транспортной обстановкой

Аварийный режим

Режимы управления

Водитель

Водитель

Водитель

Нет данных

Водитель и система

Водитель

Водитель

Некоторые режимы управления

Система

Водитель

Водитель

Некоторые режимы управления

Водитель наблюдает за дорожно-транспортной обстановкой

0

Без автоматизации

1

Система содействия водителю

2

Частичная автоматизация

На водителя возложены все функции управления машиной, даже если она оснащена системами оповещения и предотвращения аварийных ситуаций Система управляет машиной, изменяет ее скорость на основе данных о дорожной обстановке, а на водителя возложены все остальные функции управления Одна или несколько систем осуществляет управление машиной, изменяет ее скорость на основе данных о дорожной обстановке, а на водителя возложены все остальные функции управления

Автоматизированная система вождения (система) наблюдает за дорожно-транспортной обстановкой

3

Условная автоматизация

Автоматизированная система выполняет все функции по управлению машиной, но в аварийных случаях ею управляет водитель

Система

Система

Водитель

Некоторые режимы управления

4

Высокая степень автоматизации

Автоматизированная система выполняет все функции по управлению машиной, даже если водитель не реагирует на требование предотвратить аварийную ситуацию

Система

Система

Система

Некоторые режимы управления

5

Полная автоматизация

Автоматизированная система постоянно выполняет все функции управления транспортом во всех условиях дорожной обстановки и окружающей среды

Система

Система

Система

Все режимы управления

ные системы часто используют данные о скорости перемещения автомобилей по дороге для расчета траектории их движения и восполнения недостающей информации, пока не восстановится прием сигнала. При этом, однако, страдает точность позиционирования. И если этот недостаток еще простителен при решении навигационных задач, где цена ошибки сравнительно невелика, то с ним нельзя мириться в случае с автономными транспортными средствами, требующими точного позиционирования. Еще одной задачей, которую требуетс я решить разработчикам автономного транспорта, является определение угла наклона передвигающегося автотранспортного средства. Эта важная информация, позволяющая установить, какую мощность должен развивать двигатель при перемещении машины по склонам холмов, а также при наклонном съезде с автомагистралей. Ни лидары, ни GPS-технология такую информацию не предоставляют. Инерциальный метод определения координат

Инерциальная измерительная система позволят обойти все ограничения технологий LIDAR и GPS. Комбинация акселерометра и гироскопического инерциального измерительного блока (ИИБ) обеспечивает высок ую точность определения координат. При

этом не возникают досадные ошибки, и не пропадает сигнал, благодаря чему достигается высокая надежность функционирования. К числу идеальных устройств для создания высокоточных и особо прочных ИИБ д ля автомобильных приложений относятся изделия серии SCC2000 от компании Murata. Все изделия этой серии имеют одну и ту же базовую конструкцию и функционируют по одному общему принципу. Они состоят из независимых друг от друга элементов измерения ускорения и угловой частоты (акселерометр и трехосевой гироскоп), а также из одной специализированной ИС (ASIC), которая измеряет, контролируют эти элементы и обеспечивает связь с остальными блоками системы с помощью SPI-интерфейса (см. рис. 2). Оба измерительных элемента выпускаются с использованием проприетарного техпроцесса HAR (High Aspect Ratio) 3D MEMS компании Murata, благодаря которому емкостные элементы датчиков имеют высокую надежность в эксплуатации, очень высокую стабильность и малые шумы. Этот процесс так же обеспечивает хорошую виброустойчивость, востребованную в автомобильных приложениях. Акселерометр состоит из четырех измерительных грузов, подвешенных на пружинах. При ускорении, которое испытывает датчик едущего автомо-

электронные компоненты №5 2019

Д ат ч и к и

LIDAR (Light detection and ranging) – о т н о с и т е л ьн о н о в а я т е х н о л о г и я , которая применяется в авиационных и наземных приложениях. По отраженным сигналам от объектов лидары формируют двумерную или трехмерную картину окружающего пространства для автотранспортного средства или воздушного судна. Несколько компаний разрабатывает лидарные системы для робототехники и автономного транспорта. Например, такие системы устанавливаются на крышах такси Uber с функциями автопилота. Однако лидары совершают ошибки, например, на оживленных перекрестках, что ограничивает их применимость в качестве системы позиционирования, на основании показаний которой принимаются решения.

GPS (Global Positioning System) – еще одна популярная технология, которая получила широкое распространение в навигационных системах автомобилей. Эти системы определяют положение и высоту с помощью сигналов, по меньшей мере, от трех спутников. Относительно точное определение координат объектов обеспечивается благодаря очень малой временной разности. Однако одним достаточно существенным недостатком GPS-технологии помимо неточного позиционирования является проблема получения сигнала в городских районах с высотной застройкой. Современные навигацион-

55

Датчики измеряют угловую частоту в диапазоне до ±125 или ±300°/с либо по оси Х, либо Z, и ускорение ±2 или ±6g по всем трем осям (X, Y и Z), хотя эти параметры при необходимости можно настроить с учетом требований заказчика. Эти датчики работают в температурном диапазоне –40…125°C, т. е. пригодны для эксплуатации в автотранспортных средствах. Продуктовая платформа сертифицирована в соответствии со стандартом AEC-Q100. Устройства на ее основе оснащены расширенными функциями самодиагностики, в т. ч. возможностью запуска программы, что обеспечивает корректную работу датчика до использования данных. Устройства заключены в пластиковый корпус размером 15,0×8,5×4,35 мм, который отвечает требованиям RoHS и пригоден для поверхностного монтажа. Выводы

Рис. 2. Структурная схема инерциального измерительного модуля серии SCC2000

биля, изменяется емкость. Мостовая конфигурация емкостных элементов обеспечивает дифференциальный сигнал, который формируется и обрабатывается с помощью ASIC. Гироскоп, в котором используется маятник Фуко, состоит из подвижных грузов, которые перемещаются в одной плоскости. При вращении датчика возникает перемещение в той же плоско-

Д ат ч и к и

56

сти, что приводит к изменению емкости, которое измеряется ASIC. Каждый из этих датчиков откалиброван на производстве, а их характеристики (чувствительность, смещение и АЧХ) настраиваются при изготовлении, хранятся в памяти NVRAM и считываются при запуске датчика. Чтобы обеспечить максимальную точность, калибровку можно выполнить на системном уровне.

По мере дальнейшего совер шенс твования автономных транспортных средс тв значительно увеличивается потребность в использовании инерционного метода позиционирования, позволяющего преодолеть многие ограничения таких технологий как LIDAR и GPS. Датчики акселерометра и гироскопа серии SCC2000 от компании Murata оснащены усовершенствованными функциями 3D-МЭМС и емкостной технологией Murata, благодаря чему обеспечивается высокая прочность, стабильность и точность работы. Эти датчики уже применяются несколькими ведущими автопроизводителями.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

| Корпорации Kyocera и Vicor усовершенствуют решения Power-on-Package |

Компании Kyocera Corporation и Vicor Corporation заявили о своем намерении сотрудничать в создании решений Poweron-Package (PoP) следующего поколения, чтобы в максимальной мере повысить производительность и минимизировать время вывода на рынок развивающихся процессорных технологий. В рамках сотрудничества этих двух технологических лидеров корпорация Kyocera обеспечит интеграцию функций подачи питания и доставки данных в процессоры с помощью органических корпусов, подложек модулей и схемных решений материнских плат. В свою очередь, компания Vicor предоставит токовые умножители, благодаря которым увеличится плотность высокого выходного тока. Это сотрудничество позволит решить проблему, обусловленную быстрым ростом производительности процессоров, который привел к увеличению количества и сложности системы высокоскоростных портов ввода/вывода, а также потребления больших токов. Технология Power-on-Package компании Vicor увеличивает ток в корпусе процессора, повышая эффективность, его плотность и ширину полосы. При этом на 90% уменьшаются потери в межсоединениях, а выводы процессорного корпуса, которые обычно требуются для подачи высокого тока питания, используются для расширения функциональных возможностей портов ввода/вывода. Презентации решений Power-on-Package компании Vicor состоялись в 2018 г. на конференции NVIDIA GPU Technology Conference и саммите China ODCC. Усовершенствованная технология Power-on-Package обеспечивает подачу питания с нижней части процессора (Vertical Power Delivery, VPD). Технология VPD фактически исключает потери в сети распределения питания, в максимальной степени повышает производительность портов ввода/вывода и гибкость проектных решений. Проприетарные решения Kyocera, предназначенные для оптимизации производительности процессоров и надежности, созданы с использованием многолетнего опыта этой компании в производстве корпусов, модулей и материнских плат для заказчиков всего мира. Корпорация Kyocera расширила свой опыт разработки, применив устройства Poweron-Package компании Vicor во множестве приложений. Kyocera предлагает оптимальные решения для систем ввода/вывода и высокоскоростных запоминающих устройств со сложной разводкой, а также для подачи питания в сильноточных приложениях. Благодаря сотрудничеству компаний Kyocera и Vicor на рынке появятся новые решения для систем с искусственным интеллектом и высокопроизводительными процессорами. www.russianelectronics.ru

www.elcomdesign.ru

РЕКЛАМА

Логарифмические усилители Виталий Копаев, инженер

В статье описано несколько видов логарифмических усилителей, предназначенных для различных частотных диапазонов. Приведены типичные характеристики и области применения.

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Введение

Сигна лы с широким динамиче ским диапазоном требуют особого внимания. Действительно, непростой задачей являетс я подача сигнала, амплитудные изменения которого превышают 100 дБ, на вход линейного усилителя или АЦП с динамическим диапазоном 60–100 дБ. Такие сигналы широко используются в эхолокации, например в радарах, системах связи, а также в оптоволоконных системах. Д ля усиления сигналов с малой амплит удой используется высокий коэффициент усиления, а для сигналов с большой амплитудой – низкий коэффициент усиления. Соответственно, необходим метод динамического масштабирования, чтобы не допустить ни потерь при малом сигнале, ни срезания амплитуды при большом. Логарифмические усилители (ЛУ) решают эту проблему, обеспечивая разные коэффициенты усиления в зависимости от уровня входного сигнала. Принцип работы

Логарифмические усилители являются нелинейными аналоговыми усилителями, выходной сигнал которых представляет собой логарифм входного сигнала. Они позволяют сжать входной сигнал, имеющий большой динамиче-

ский диапазон, в выходной сигнал с фиксированным диапазоном амплитуды. Как упоминалось, это достигается за счет изменения коэффициента усиления: он высок при малом входном сигнале и низок при большом (см. рис. 1). Сверху показан входной сигнал с амплитудной модуляцией несущей. Модулирующий сигнал представляет собой линейную функцию. В середине показан выходной логарифмический сигнал. Ниже расположена огибающая выходного сигнала. Такую форму может иметь сигнал детектирующего логарифмического усилителя. В АЦП, расположенный на выходе ЛУ, поступает уже сжатый сигнал, находящийся внутри фиксированного входного диапазона АЦП. Разновидности

Существуют два типа ЛУ: многокаскадные и с диодом в цепи ОС. В многокаскадных усилителях применяется последовательное ограничение сигнала цепью усилителей. Эта топология, как правило, подходит для ВЧ-сигналов с частотой до нескольких ГГц и обычно применяется в радарах, а также в системах связи. Усилители с диодом в цепи ОС основаны на использовании диодов или транзисторов в диодном включении в контуре обратной связи, охватыва-

ющей ОУ. Усилители этого типа имеют ограниченный частотный диапазон 20 МГц и широко применяются для усиления сигналов с датчиков в управляющих системах. Многокаскадные усилители

В многокаскадных логарифмических усилителях используется последовательность линейных усилителей. Выходной сигнал каждого усилителя подается на вход последующего каскада и на вход сумматора. На рисунке 2 показан четырехкаскадный (N = 4) усилитель, каждая ступень которого имеет один и тот же коэффициент усиления А. При малых входных сигналах ниже порогового значения, при котором начинается ограничение амплитуды на каком-либо из каскадов, коэффициент усиления равен N∙A, или 4A в нашем случае, что видно на передаточной характеристике на рисунке 2. На сегменте слева, выделенном красным, наклон характеристики наиболее крутой, коэффициент усиления равен N∙A. Амплитуда выходного сигнала находится в диапазоне от нуля до V MAX /A 4, где VMAX – максимальное входное напряжение. По мере увеличения входного сигнала усилитель в последнем каскаде в какой-то момент насыщается. Общий коэффициент усиления уменьшается

58

Рис. 1. Сжимание сигнала в логарифмическом усилителе: входной сигнал (сверху), логарифм входного сигнала (в середине), огибающая выходного логарифмического сигнала

www.elcomdesign.ru

Рис. 2. Принцип работы и передаточная характеристика четырехкаскадного ЛУ

роста амплитуды сигнала насыщение происходит на все более ранних стадиях. В итоге общий коэффициент усиления уменьшается. Разновидность каскадной схемы для последовательного детектирующего ЛУ показана на рисунке 4. Последовательный детектирующий ЛУ построен на основе цепи из ограничивающих усилителей, которую мы уже описали, однако к ней добавлена функция обнаружения пика после каждого каскада. Выходы с детекторов суммируются и образуют огибающую выходного сигнала ЛУ. Детекторы могут быть полуволновыми или волновыми в зависимости от схемы. Огибающая используется в случаях, когда необходимо выделить

уровень обнаруженного сигнала. Например, при автоматическом управлении коэффициентом усиления в индикаторах принятого сигнала. Для иллюстрации коммерческого многокаскадного демодулирующего ЛУ рассмотрим AD8310ARMZ-REEL7 от Analog Devices (см. рис. 5). В нем имеется дифференциальный вход с динамическим диапазоном 95 дБ, полоса равна 440 МГц, логарифмическая линейность составляет ±0,4 дБ. Имеются шесть усилительных каскадов с номинальным усилением 14,3 дБ каждый (коэффициент усиления 5,2) и полосой 900 МГц. Выходной сигнал с усилителей поступает в детектор,

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

до (N–1)∙A, или 3A. Наклон на зеленом участке меж ду уровнями входного сигнала VMAX /A 3 и VMAX /A4 представляет этот диапазон усиления. Аналогично, когда уровень входного смещения продолжает увеличиваться, один за одним переходят в насыщение усилители на предыдущих каскадах. Синим показан участок с коэффициентом усиления (N–2)∙A, на сиреневом КУ=(N–3)∙A, на голубом КУ=(N–4)∙A, или 0. Описанная модель полезна при объяснении принципа получения логарифмического отклика, однако в ней есть одно упущение: не учтена задержка распространения сигнала, вносимая каждым каскадом. Составляющая сигнала с первого каскада достигает сумматор перед появлением сигнала с других каскадов, что приводит к искажению выходного сигнала. Для коррекции этого эффекта следует внести изменения в базовую схему. На рисунке 3 показана схема, в которой каскады содержат по два усилителя. В каждой паре один усилитель обеспечивает требуемый коэффициент усиления, второй является буферным с единичным коэффициентом усиления, если не требуется дополнительное усиление. Суммирование производится в каждом каскаде. Малые сигналы проходят через ограничивающие усилители. По мере увеличения амплитуды сигнала последний каскад начинает насыщаться; при этом доминирующим усилителем становится усилитель единичного усиления. По мере

59

Рис. 3. Улучшенная схема с суммированием в каждом каскаде

Рис. 4. Схема последовательного обнаружения с обнаружением пика после каждого каскада

электронные компоненты №5 2019

Рис. 5. Общая схема AD8310

токовый выход которого преобразуется в напряжение во внутреннем буферном усилителе и поступает на выход. Усилитель с диодом

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Рассмотрим ЛУ второго типа. Они построены на использовании диодов или транзисторов в диодном включении в петле ОС операционного усилителя. Транзисторы используются чаще (см. рис. 6а). Напряжение перехода база–эмиттер транзистора пропорционально логарифму протекающего тока. Таким образом, выходной сигнал ОУ пропорционален логарифму отношения входного тока к току насыщения эмиттера IES. В простой конфигурации на рисунке 6а имеется ограничение, заключающееся в том, что выходной сигнал зависит от температуры:

60

VBE = (kT/q) ∙ ln (IC/IES),

Рис. 6. а) ЛУ на транзисторах в диодном включении и его зависимость от температуры; б) два усилителя в дифференциальном включении

www.elcomdesign.ru

где Т – температура, К. На рисунке 6б показана схема с двумя такими усилителями, включенными как дифференциальная пара. В таком включении эта зависимость намного слабее. Дифференциальная версия является трансимпедансным усилителем, который рассчитывает логарифм выражения I IN2 /I IN1 и имеет выходной сигнал в виде напряжения. Как правило, IIN1 представляет собой фиксированный опорный источник тока. Динамический диапазон логарифмического усилителя LOG114AIRGVT

Рис. 7. Функциональная схема с внешними компонентами усилителя LOG114

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

61 Рис. 8. Моделирование усилителя LOG114 в TINA-TI. Линейность усилителя наблюдается на семи декадах входного тока

от Texas Instruments покрывает восемь декад, а полосу пропускания усилителя составляет 5 МГц. Его можно сконфигурировать как ЛУ, вычисляющий логарифм отношения. Помимо ЛУ с температурной компенсацией в состав LOG114AIRGVT входят два масштабирующих усилителя и опорный источник напряжения 2,5 В (см. рис. 7). Д ля упрощения проек тирования компания Texas Instruments предлагает симулятор TINA-TI (см. рис. 8). В схеме используется встроенный источник напряжения 2,5 В для установки опорного тока I1 = 1 мкА. На передаточной характеристике видно, что выходной сигнал имеет линейную форму на семи декадах, нарастая cо 100 пА до 1 мА, что соответствует

диапазону 140 дБ. Выходной сигнал масштабируется с помощью одного или двух ОУ для получения характеристики: VOUT = –0,249lg (I1/I2) + 1,5 [В]. Выводы

Логарифмические усилители предоставляют возможность обрабатывать сигналы с очень широким динамическим диапазоном, сжимая их в выходной сигнал с фиксированным диапазоном, не допуская перегрузки в последующих каскадах. Для готовых ЛУ часто предлагаются средства моделирования, что ускоряет процесс разработки.

электронные компоненты №5 2019

Уменьшение высокочастотных шумов пу тем повышения устойчивости к ЭМП Томас Болц (Thomas Bolz), менеджер по продажам, Rutronik

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

Операционные усилители (ОУ) должны обеспечивать наибольшую эффективность и надежность даже в жестких условиях эксплуатации. С этой целью в этих усилителях следует уменьшить паразитные высокочастотные шумы и, соответственно, нежелательное смещение по постоянному току. Таким образом, требуется выбирать ОУ с высокой устойчивостью к электромагнитным помехам.

62

Устойчивость систем с аналоговой обработкой сигналов к излучаемым ВЧ-сигналам является важным требованием к проектированию и характеризуется такими показателями как PSRR (power supply rejection ratio – подавление помех по питанию), CMRR (common mode rejection ratio – коэффициент ослабления синфазных сигналов), THD+N (total harmonic distortion plus noise – суммарный коэффициент гармоник плюс шум) и SNR (signal to noise ratio – отношение сигнал/шум). Источников помех становится больше – например, все чаще используется Bluetooth-связь вместо кабельных соединений для наушников и микрофонов аудиосистем. Беспроводная передача данных по сетям WLAN, которые работают по протоколу IEEE 802.11b/g, применяется в ноутбуках, планшетах и персональных компьютерах, поскольку функционирование в полосе частот 2,4 ГГц не требует лицензирования в большинстве стран. Популярной разновидностью является специ­фикация IEEE 802.11a, поддерживающая передачу данных со скоростью до 54 Мбит/с в полосе 5 ГГц. Таким образом, к современным операционным усилителям предъявляются все более строгие требования по обеспечению защиты от ВЧ-помех. Эта защита достигается благодаря активным фильтрам, а эффективное подавление синфазного сигнала позволяет избавиться от ВЧ-шума на обоих входах усилителя. В этом вопросе каждый производитель полагается на собственный техпроцесс. Влияние ЭМП

Типовое мобильное радиоустройство как источник электромагнитных помех излучает поле с пиковым значением напряженности до 100 В/м в диапазоне 1,8–2,0 ГГц в зависимости от его напряжения и расстояния. Даже если сигналы такого устройства находятся вне рабочей полосы операционного усилителя, они могут наводить на него ВЧ-помехи. Поскольку напряжение ВЧ-сигналов выпрямляется с помощью диодов и усиливается с использованием усилителей, на входе которых установлены диоды для защиты от электростатического разряда (ESD) и других нелинейных коммутационных элементов, эти сигналы в виде напряжения смещения по постоянному току добавляются к входному смещению операционного усилителя. В результате на его

www.elcomdesign.ru

выходе появляется смещение по постоянному току, которое зависит от внешних помех. ЭМП проникают в систему в виде индуктивных или кондуктивных помех, которые распространяются по проводникам печатной платы и межсоединениям. При определенных условиях участки проводников могут работать в качестве антенн, создающих ВЧ-помехи. Рассмотрим пример с источником помех в сети WLAN, работающей в диапазоне 2,4 ГГц. Поскольку на этой частоте длина проводника величиной 3 см равна длине волны, образуется очень эффективно работающая антенна. Для расчета длины проводника, при которой он становится антенной, используется следующая формула: l = c/(4f), где l – длина проводника, м; c = 3∙108 м/с; f – частота, Гц. Зная эту зависимость, необходимо придерживаться следующего правила: длина проводников входов и выходов, а также проводников, на которые подается напряжение смещения и питания, не должна превышать 1/4 длины волны ВЧ-сигналов, создающих помеху. Стандарты испытаний на ЭМП

Важность подавления потерь в ОУ, обусловленных индуктивными или кондуктивными ВЧ-помехами, подтверждается хорошо детализованными спецификациями международных стандартов, разработанных для тестирования и измерения электромагнитной совместимости (ЭМС), а также для защиты от шумов. Например, в Германии измерение кондуктивных ЭМП определяетс я согласно с тандарт у DIN EN 61000 – 4 - 6 (в со­ответствии с идентичным стандар­том МЭК) в диапазоне частот 150 кГц…80 МГц. Стандарт DIN EN 61000–4-3 действует в отношении ЭМП в диапазоне 8 МГц…6 ГГц. Методы испытаний и измерения в соответствии со стандартом DIN EN 61000–4-39 применяются к излучаемым полям в непосредственной близости от устройств (на расстоянии не более 500 мм для частот менее 26 МГц или 200 мм для частот выше 26 МГц). Эти требования обеспечивают защиту электрического и электронного оборудования, устройств и производственных объектов в диапазоне

9 кГц…6 ГГц. К данным устройствам относятся также сотовые телефоны и RFID-системы. Значение характеристики EMIRR

Величина EMIRR (EMI rejection ratio – коэффициент подавления ЭМП), выраженная в децибелах, является одним из наиболее важных параметров, позволяющих определить помехоустойчивость ОУ. Эта величина определяется следующим образом: , дБ,

где V RF,PEAK – пиковое значение ВЧ-напряжения на входе; ΔVIO – смещение по постоянному току на выходе, обусловленное ВЧ-напряжением. При необходимости обеспечить наилучшую защиту операционного усилителя от ЭМП требуется проанализировать его показатель EMIRR. Сравнение характеристик других изделий позволит выбрать наиболее подходящий ОУ для разрабатываемой системы. Японская компания New Japan Radio (NJR) выпускает широкополосные ОУ серии NJU7755X с высокой помехоустойчивостью к ВЧ-помехам. Основу разработки этих устройств составляют три патента. По сравнению с другими представленными на рынке ОУ, у усилителей серии NJU7755X на 40 дБ лучше величина EMIRR на частоте 1,8 ГГц (см. рис. 1), а кривая сигнала – гладкая (см. рис. 2). Это значит, что на характеристике сигнала отсутствуют пики напряжения переходного процесса.

Рис. 1. На частоте 1,8 ГГц величина EMIRR усилителя серии NJU7755X от компании NJR (синяя кривая) на 40 дБ лучше по сравнению с EMIRR аналогичных ОУ

Особенности ОУ серии NJU7755X

Рис. 2. При индуктивной помехе на частоте 1,8 ГГц всплески не наблюдаются на сигнале напряжения смещения. Сигнал на входе NJU7755X обозначен фиолетовым цветом, выходной – синим. Желтый сигнал с всплесками соответствует стандартному изделию

Диапазон рабочего напряжения новых ОУ: 1,8–5,5 В. Защита от перенапряжений позволяет работать при уровнях выше положительной величины напряжения питания (5,5 В), что востребовано в устойчивом к сбоям промышленным оборудовании. Защита от перенапряжений действует и в случае использования одинарного источника напряжения на 1,8 В. Диапазон рабочей температуры –55…125°C позволяет использовать эти ОУ в приложениях с жесткими условиями эксплуатации.

СОБЫТИЯ РЫНКА

| Nokia передаст российскому СП с «Ростелекомом» права на свои технологии |

Nokia передаст «РТК – Сетевые технологии» (совместному предприятию Nokia и «Ростелекома») права на интеллектуальную собственность и исходные коды для некоторых видов оборудования. «РТК – Сетевые технологии» предлагает свое оборудование «Ростелекому» по цене на 4–5% ниже рыночной. Выручка «РТК – Сетевые технологии» по итогам 2019 г. должна составить 97,6 млн евро. РЕКЛАМА

www.russianelectronics.ru

электронные компоненты №5 2019

А н а л о го в ы е ко м п о н е н т ы

ОУ серии NJU7755X представляют собой высокоэффективные изделия, которые выпускаются в четырех модификациях с одинарным, сдвоенными и счетверенными входами/выходами. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания составляет 1,7 МГц, чего вполне достаточно для многих широкополосных приложений. Благодаря тому, что потребление тока новыми усилителями составляет 50 мкА на канал, они идеально подходят для эксплуатации в маломощных системах с батарейным питанием. Скорость нарастания выходного напряжения этих ОУ равна 0,8 В/мкс, шум напряжения – 24 нВ/√Гц. Области применения этих ОУ: усиление звука, измерение тока в нижнем плече силового каскада, активные фильтры, буферные цепи и т. д. Благодаря малому току смещения на входе ОУ серии NJU7755X идеально подходят для использования в усилителях фотодиодов, в пьезоэлектрических датчиках и детекторах дыма, а также в других приложениях, где требуется высокий входной импеданс.

63

МЭМС-осцилляторы для автомобильной электроники Зонг Ли (Song Li), Microchip В статье рассматриваются МЭМС-осцилляторы компании Microchip для автомобильной электроники, отвечающие требованиям стандарта AEC-Q100 Grade 1. Приводятся их основные параметры, и поясняется их отличие от осцилляторов на кристаллах кварца.

Г е н е рат о р ы , та й м е р ы и с и н т е з ат о р ы с и г н а л о в

Введение

64

Хотя считается, что лучшее – враг хорошего, замена устоявшихся технологий новыми нередко предоставляет новые функциональные возможности и улучшает параметры устройств. В течение последних 50 лет полупроводниковая электроника двигалась в направлении, которое кратко можно выразить девизом: быстрее, миниатюрнее, дешевле. Однако в настоящее время в некоторых приложениях, в т. ч. в автомобильных системах полупроводниковая электроника не всегда удовлетворяет растущим требованиям к функциональным возможностям компонентов. Речь идет о схемах синхронизации и тактирования, требования к которым за полезнее время существенно возросли. Мы обс удим новые требования и, исходя из них, рассмотрим различия между МЭМС-осцилляторами, и осцилляторами, изготавливаемыми с помощью традиционных технологий на основе кварцевых кристаллов. Кроме того, мы познакомим читателей с новым классом МЭМС-осцилляторов для автомобильной электроники, которые предназначены для эксплуатации в наиболее критичных, с точки зрения точности и стабильности, цепях и обеспечивают повышенную надежность.

Одни м из глав ны х т р е б ов аний является надежность. Осцилляторы на основе кварцевых резонаторов представляют собой тонкую кристаллическую конструкцию в металлическом корпусе. Они чувствительны к механическим вибрациям; кроме того, у них ограничена максимальная генерируемая частота колебаний. Увеличение размера кристалла ведет к уменьшению его механической прочности. В то же время МЭМС-осцилляторы, лишенные многих из этих недостатков, формируют заметно более высокую частоту колебаний. МЭМС-осцилляторы также превосходят кварцевые и по механическим свойствам – у них в 20 раз выше надежность, в 500 раз более устойчивы к одиночным ударам, а их вибростойкость выше в пять раз. Помимо высокой механической прочности еще одним преимуществом МЭМС-осцилляторов являются их малые размеры, что весьма важно в автомобильной электронике из-за довольно жестких ограничений на размер электронных блоков. Обе упомянутые нами причины являются важным движущим фактором на пути внедрения МЭМС

Таблица 1. Градация диапазонов рабочей температуры согласно стандарту AEC-Q100 Диапазон рабочей температуры Grade (класс)

Нижняя граница

Верхняя граница

0

–40°С

150°С

1

–40°С

125°С

2

–40°С

105°С

3

–40°С

85°С

4

0°С

70°С

осцилляторов в автомобильную электронику. Не менее важным преимуществом МЭМС-осцилляторов является их способность поддерживать стабильную частоту при высокой рабочей температуре. Доступные в настоящее время МЭМС-осцилляторы соответствуют требованиям стандарта AEC-Q100 Grade 1 с диапазоном рабочей температуры –40…85°C (см табл. 1). В то же время характеристики кварцевых кристаллов имеют явно выраженную нелинейную зависимость от температуры, и поддержание стабильной частоты в широком диапазоне рабочей температуры является для них непростой задачей.

Новые требования в автомобильной электронике

Усовершенствованным системам помощи водителю (ADAS), в состав которых входят видеокамеры, ультразвуковые датчики, лидары, радары, информационно-развлекательные системы и т. д., требуются тактовые последовательности, сформированные с малыми погрешностями. МЭМС-осцилляторы использовались в автомобильной электронике и прежде, но с появлением новых дополнительных систем и увеличением функциональности ADAS требования к этим устройствам значительно возросли.

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Конструкция МЭМС-резонатора со свободной опорой

Технологии МЭМСосцилляторов

Основой МЭМС-осциллятора является МЭМС-резонатор, который вытравливается из кремния. Конструкция резонатора со свободной опорой (FFS) показана на рисунке 1. Поскольку балка резонатора размером 30×50 мкм, прикрепленная с помощью четырех опор к подложке, отделена от нее узким зазором, балка может свободно совершать колебания. Эта балка и расположенные под ней электроды находятся под разным напряжением, образуя электростатический преобразователь. При движении балки преобразователь ведет себя как конденсатор с изменяющейся во времени емкостью, за счет чего изменяется резонансная частота колебаний контура. Для обеспечения высоких технических параметров процесс корпусирования и герметизации осуществляется в вакууме с использованием термоплавких соединений. Полученная таким образом пластина встраивается в микросхемы. На рисунке 2 показано, как пластина резонатора встраивается в корпус микросхемы ASIC. В однократно программируемое ПЗУ, встроенное в микросхему ASIC, записываются параметры ФАПЧ, задается выходная частота, программируется делитель частоты, параметры темпера-

Рис. 2. Установка пластины резонатора в корпус микросхемы ASIC

Г е н е рат о р ы , та й м е р ы и с и н т е з ат о р ы с и г н а л о в

На рынке имеются кварцевые осцилляторы с широким диапазоном рабочей температуры–50…125°C, но стоимость этих устройств высока. Расширенный диапазон рабочей температуры для автомобильной электроники является обычным требованием – из-за малых размеров модулей ухудшается отвод тепла. В этих условиях может происходить локальный разогрев, когда силовой ключ или микросхема с большим энергопотреблением разогревается до высокой температуры из-за недостаточного теплоотвода, отчего разогреваются и расположенные рядом с ней компоненты. Следует также учесть, что некоторые модули могут размещаться в подкапотном пространстве с повышенной температурой. В МЭМС-осцилляторах температурная стабильность достигается за счет встроенной схемы активной температурной компенсации. Значение температуры может измеряться до 30 раз в секунду; соответственно, корректируется частота выходных импульсов. Температурный дрейф при такой компенсации не превышает ±20 ppm. По мере все большего внедрения электроники и увеличения производительности электронных модулей будет обостряться и проблема теплоотвода, а, следовательно, и проблема температурной стабильности используемых компонентов.

Рис. 3. Структурная схема DSA11x1 и DSA11x5

65

Рис. 4. Сравнительные температурные характеристик микросхемы DS1101 и аналогичных микросхем других изготовителей

турной компенсации и т. д. В ASIC МЭМС можно добавить целый ряд функциональных возможностей, которые недоступны при использовании кварцевых кристаллов. Например, можно расширить спектр, чтобы уменьшить электромагнитные помехи. С той же целью можно скорректировать длительность нарастания и спада выходных импульсов тактовой частоты.

Рис. 5. Осциллятор DSA2311

электронные компоненты №5 2019

Г е н е рат о р ы , та й м е р ы и с и н т е з ат о р ы с и г н а л о в

Времязадающие МЭМС-компоненты для автомобильной электроники

Недавно появившиеся на рынке м и к р о с х е м ы D S A11x1 и D S A11x 5 от Microchip предс тав ляют собой осцилляторы и тактовые генераторы на основе МЭМС-технологии. Их структурная схема показана на рисунке 3. Микросхемы соответствуют стандарту AEC-Q100. Для уменьшения электромагнитных помех в модификациях DSA1101/21 и DSA1105/25 увеличена длительность фронта импульсов. Основные параметры микросхем: -- д и а п а з о н р а б о ч е й ч а с т о т ы : 2,3–170 МГц; -- стабильность: ±20 ppm; -- джиттер: не более 1 пс; -- диапазон рабочей температуры: –40…125°C; -- размеры корпуса: 2,5×2,0×0,85; 3,2×2,5×0,85 и 3,2×2,5×0,85 мм. С помощью встроенного датчика температ уры осуществляется кор ректировка ФАПЧ. Показания температуры в цифровом виде поступают на декодирующую матрицу, в которую производитель при изготовлении записывает корректировочные коэффициенты для устранения технологических отклонений, а также коэффициенты д ля компенсации изменения тем пературы. Таким образом, достигается температ урная стабильность, и м ини м изиру ютс я погр ешно с ти. На рисунке 4 показаны сравнительные температурные характеристик микросхемы DS1101 и аналогичных микросхем других изготовителей. Следует обратить внимание и на микросхему DSA2311 от Microchip. Это первый в отрасли МЭМС-осциллятор

Рис. 6. Структурная схема осциллятора DSA2311

Рис. 7. Пример использования осциллятора DSA2311 с двумя выходами

с двумя выходами, сертифицированный по стандарту AEC-Q100. Диапазон частоты осциллятора составляет 23–170 МГц. Размер его корпуса всего 2,5×2,0 мм (см. рис. 5). Структурная схема осциллятора DSA2311 показана на рисунке 6. Осциллятор DSA2311 позволяет заменить два осциллятора, каждый из которых имеет один-единственный выход. Пример такой замены показан на рисунке 7. Осциллятор позволяет сэкономить занимаемое на плате место, что в условиях жесткого ограничения габаритов изделия является немаловажным фактором. МЭМС-осцилляторы компании Microchip, соответствующие стандарту AEC-Q100, показаны в таблице 2.

Для выбора МЭМС-осциллятора для каждого конкретного проекта Microchip предлагает онлайн-средство ClockWorks Configurator. С его помощью легко выбрать и сконфигурировать необходимую микросхему исходя из заданной частоты, размеров корпуса, диапазона рабочей температуры, а также заказать бесплатные образцы. Кроме того, предлагается комплект программатора TimeFlash 2. Он предназначен для программирования осциллятора «с чистого листа» и подключается к компьютеру через порт USB. С помощью этого комплекта можно не только программировать, но измерять частоту и энергопотребление осцилляторов.

Таблица 2. МЭМС-осцилляторы Microchip, соответствующие стандарту AEC-Q100 Наимено­ вание

Выходная частота (мин.), МГц

Выходная частота (макс.), МГц

Тип выходного каскада

Стабильность частоты, ppm

Диапазон рабочей температуры, °С

Напряжение питания, В

Ток потребления, мА

Джит­ тер (пик.), пс

Управление режимами

Емкость нагрузки, пФ

Размеры корпуса

15

5,0×3,2 мм; 3,2×2,5 мм; 2,5×2,0 мм; 4-выводной корпус 5,0×3,2 мм; 3,2×2,5 мм; 2,5×2,0 мм; 6-выводной корпус

66 DSA1001

1

150

LVCMOS

±20; ±25; ±50

–40…105

1,62–3,63

5

6

останов

DSA1101

2,3

170

LVCMOS

±20; ±25; ±50

–40…125

2,25–3,63

21

3

останов

15

DSA1121

2,3

170

LVCMOS

±20; ±25; ±50

40…125

2,25–3,63

21

3

разрешение работы OE

15

DSA1105

2,3

170

LVCMOS

±20; ±25; ±50

–40…125

2,25–3,63

20

3

останов

5 5 15

DSA1125

2,3

170

LVCMOS

±20; ±25; ±50

–40…125

2,25–3,63

20

3

разрешение работы OE

DSA2311

2,3

170

LVCMOSx2

±20; ±25; ±50

–40…125

2,25–3,63

23

3

разрешение работы OE

www.elcomdesign.ru

2,5×2,0 мм; 6-выводной корпус

Применение функций ввода/вывода среды CodeVisionAVR для управления буквенно-цифровыми дисплеями Татьяна Колесникова, beluikluk@gmail.com В интегрированной среде разработки программного обеспечения для микроконтроллеров семейства AVR (CodeVisionAVR) имеются стандартные функции вывода информации на экран буквенно-цифрового дисплея, работающего в 4‑разрядном режиме. Библиотеки управления буквенно-цифровыми дисплеями в 8‑разрядном режиме нет, вследствие чего у разработчика возникает необходимость написания программы вывода информации на экран дисплея самостоятельно. В статье рассматривается практическое применение микроконтроллера ATmega16 и функций ввода/вывода языка С программы CodeVisionAVR для управления микросхемами буквенно-цифровых дисплеев библиотеки компонентов Proteus в 8‑разрядном режиме работы. Введение

Вывод информации на дисплей осуществляется с помощью управляющей программы, написание и компиляцию которой в случае применения в схеме микроконтроллера AVR можно выполнить с помощью CodeVisionAVR. Эта среда программирования содержит стандартные функции вывода информации на экран буквенно-цифрового дисплея, работающего в 4‑разрядном режиме. Библиотека для работы с буквенно-цифровыми дисплеями в 8‑разрядном режиме в ней отсу тствует, но при необходимости программу вывода информации на экран дисплея можно написать самостоятельно. Д ля написания програм мы д ля микроконтроллера, управляющего ус тройс твом вывода информации, целесообразно использовать язык С, синтаксис которого содержит много функций работы со строками, а также предусматривает возможность их вывода (в нашем случае на дисплей). В С программа разбивается на от­дель­ ные завершенные логические блоки – процедуры и функции, которые могут объединяться в библиотеки. Применение функций уменьшает код программы, сокращает время ее написания, ускоряет внесение изменений. Функцию в любом месте программы можно вызвать на выполнение. В языке программирования С для ввода/вывода информации преду­ смотрены с ледующие функции: scanf() и printf(), getchar() и putchar(), gets() и puts(). Применять функции ввода/вывода можно после подключения файла stdio. h. Синтаксис подключения файла следующий:

#include <stdio.h>

Для вывода информации также может быть полезной функция strlen (), назначение которой – определение длины строки. Чтобы использовать функции работы со строками, подключают файл string. h. Применение программ Proteus и CodeVisionAVR

Для проектирования устройства вывода информации и моделирования его работы воспользуемся программной средой Proteus 8.1, библиотека компонентов которой содержит и аналоговые, и цифровые компоненты, а также микроконтроллеры с возможностью их программирования. В Proteus реализовано большое количество функций для профессионального проектирования микроэлектронных устройств, ориентированных на самые современные средства моделирования. Программа Proteus позволяет автоматизировать все стадии разработки электронных устройств, включая подготовку принципиальных схем, моделирование процессов, происходящих в электронных цепях, компоновку и трассировку печатных плат, редактирование и расширение библиотек компонентов. В Proteus буквенно-цифровые дисплеи находятся в разделе Alphanumeric LCDs би блиотек и O pto e l e c tro nic s (см. рис. 1) и представлены следующими микросхемами: LM016L (16x2), LM017L (32x2), LM018L (40x2), LM020L (16x1), LM032L (20x2), LM041L (16x4), LM044L (20x4), MDLS40466 (40x4). В скобках указано разрешение дисплея. Напри-

электронные компоненты №5 2019

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Одними из основных средств вывода информации для современных цифровых систем являются матричные жидкокристаллические дисплеи (ЖКД), которые делятся: -- c точки зрения управляющего интерфейса на два больших класса – с контроллерами и без них. Первые обычно применяютс я в системах, обладающих не очень б ольши м и вычис ли те льны м и ресурсами. Наличие контроллера полностью освобождает разработчика от регенерации изображения – необходимо только переслать информацию в оперативное запоминающее устройство дисплея. Для этого используется 8‑разрядный параллельный интерфейс; -- по типу отображаемой информации – на буквенно-цифровые и графические. Буквенно-цифровые дисплеи предназначены для отображения информации в виде букв, цифр, знаков. Единичные элементы отображения таких индикаторов сгруппированы по строкам и столбцам. При производстве буквенно-цифровых жидкокристаллических модулей большинство производителей применяет контроллер HD44780, который принимает и обрабатывает команды управления и выводит соответствующие символы на дисплей. Каких-либо стандартных правил сопряжения микроконтроллеров с дисплеями не существует, и в каждом конкретном случае оно может выполняться по-разному.

67

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

68

мер, 32х2–32 символа умножаются на 2 строки. Все микросхемы имеют одинаковую распиновку, различаются числом строк и числом символов в каждой строке. Для тестирования работы микросхем буквенно-цифровых дисплеев будем использовать микроконтроллер ATmega16. Эта микросхема находится в разделе AVR Family библиотеки Microprocessor ICs (см. рис. 2). Для отладки кода воспользуемся программой CodeVisionAVR 3.12 (см. рис. 3) – интегрированной средой разработки программного обеспечения для микроконтроллеров семейства AVR от Atmel, которая имеет в своем составе компилятор языка С для AVR. Выходными файлами CodeVisionAVR являются: -- файл .hex для загрузки в микроконтроллер; -- файл .cof с информацией для отладчика; -- файл .obj, в котором хранится промежуточный код компиляции – т. н. объектный код. В Proteus запись скомпилированной программы (файла .hex) в микроконтроллер выполняют в окне его свойств (см. рис. 4) в поле Program File. Окно открывается двойным щелчком левой кнопки мыши по выбранному на схеме микроконтроллеру. При написании программы инициализации д ля микроконтролле ра AVR используют генератор кода CodeWizardAVR, окно которого открывается после запуска CodeVisionAVR. В нем задаются параметры микроконтроллера и его внутренних ресурсов, используемых в схеме периферийных устройств. В нашем примере это тип и частота работы микроконтроллера (вкладка Chip Settings – см. рис. 5а), опции модуля USART (вкладка USART Settings – см. рис. 5б), портов ввода/вывода микроконтроллера (вк ладка Por ts Settings – см. рис. 5в), буквенно-цифрового дисплея (вкладка Alphanumeric LCD Settings – см. рис. 5г). Важно, чтобы значение тактовой частоты микроконтроллера, указанное в поле Clock вкладки Chip Settings, совпадало со значением в поле CKSEL Fuses его окна свойств в Proteus. На вкладке Alphanumeric LCD Settings задается разрешение поддержки буквенно-цифрового дисплея (поле Enable Alphanumeric LCD Support), тип контроллера (поле Controller Type) и количество символов в строке (поле Character/Line). В поле Connections настраиваются параметры подключения микроконтроллера (порт и номер вывода) к микросхеме дисплея, работающего в 4‑разрядном режиме. Если предполагается, что буквенно-цифровой дисплей будет работать в 8‑разрядном режиме

www.elcomdesign.ru

Рис. 1. Раздел Alphanumeric LCDs библиотеки Optoelectronics

Рис. 2. Раздел AVR Family библиотеки Microprocessor ICs

и написание кода программы управления будет вестись самостоятельно (т. к. стандартной библиотеки для этого режима в CodeVisionAVR нет), то поле Connections можно не заполнять. После настройки параметров и генерации кода командой Program/Generate, Save and Exit основного меню или пиктограммой Generate program, save and exit верхней панели инструментов окно CodeWizardAVR автоматически будет закрыто. Полученный код отобразится в окне CodeVisionAVR, где и будет вестись дальнейшее написание программы. При этом автоматически сгенерированный код можно скорректировать на свое усмотрение. В Proteus ввод информации для отображения на экране буквенно-циф-

рового дисплея можно организовать с к лавиат уры компьютера, приме нив виртуальный терминал. Устройство добавляют в схему посредством выбора левой кнопкой мыши строки с названием VIRTUAL TERMINAL на панели INSTRUMENTS (см. рис. 6), для открытия которой на левой панели редак тора ISIS нажимают кнопку Instruments Mode. Обмен данными с микроконтроллером выполняется по последовательному каналу интерфейса USART. В микроконтроллере ATmega16 модулем USART используются линии PD0 (RXD) – вход USART, PD1 (TXD) – выход USART. Подсоединим вывод TXD микроконтроллера к выводу RXD виртуального терминала, а вывод RXD микроконтроллера – к выводу TXD.

Рис. 3. Окно программы CodeVisionAVR

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

Буквенно-цифровые дисплеи работают в двух режимах: -- 8‑разрядном (для обмена информацией используются выводы D0 – D7, при этом она пересылается за один такт); -- 4‑разрядном (для обмена информацией используются выводы D4 – D7, при этом она пересылается за 2 такта – сначала старшие четыре бита, затем младшие четыре бита). Для подключения микросхемы буквенно-цифрового дисплея к схеме управления используется параллельная синхронная шина данных/команд (D0 – D7), вывод выбора операции чтения/записи (RW), вывод выбора регистра данных/команд (RS) и вывод синхронизации (Е). П е р е д ач а и н ф о р м а ц и и м е ж д у микроконтроллером и микросхемой буквенно-цифрового дисплея в нашем примере выполняется в 8‑разрядном режиме. Заметим, что линии портов микроконтроллера для подключения к указанным выводам дисплея выбираются разработчиком произвольно. Подача управляющих сигналов через подключенные к портам микроконтроллера ATmega16 линии выполняется программно в соответствии с таблицей. Заметим, что контроллер HD44780 содержит три вида памяти: -- DDRAM – оперативное запоминающее устройство, в котором хранятся коды символов, отображаемых на экране; -- CGROM – постоянное запоминающее устройство с «битовым изображением» символов; -- CGRAM – оперативное запоминающее устройство, являющееся частью

69 Рис. 4. Окно свойств микроконтроллера ATmega16

CGROM и предназначенное для хранения символов пользователя. В CodeWizardAVR настраивают параметры подключения микроконтроллера к микросхеме дисплея в 4‑разрядном режиме работы. 8‑разрядный режим можно задать программно в CodeVisionAVR, используя команды языка С. Последовательность действий, которые необходимо выполнить управляющей схеме при совершении операции записи по 8‑разрядной шине, может быть следующей:

-- установить значение линии RW=0 (запись в микросхему буквенноцифрового дисплея); -- установить значение линии RS=0 (прием команд); -- вывести значение байта команды 00001111 на линии шины D0 – D7 (команда включения дисплея); -- вывести значение байта команды 00110100 на линии шины D0 – D7 (установка разрядности шины); -- вывести значение байта команды 00000001 на линии шины D0 – D7

электронные компоненты №5 2019

Рис. 6. Выбор виртуального терминала на панели INSTRUMENTS программы Proteus

а)

в)

б)

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

г)

70

Рис. 5. Окно CodeWizardAVR, вкладка: а) Chip Settings; б) USART Settings; в) Ports Settings; г) Alphanumeric LCD Settings

(очистка дисплея и установка курсора в нулевую позицию); -- установить значение линии RS=1 (прием данных); -- вывести значение байта данных на линии шины D0 – D7. Необходимо учитывать, что большинство операций, выполняемых контроллером, занимает значительное время (около 40 мкс), а время выполнения некоторых доходит до единиц миллисекунд. Следовательно, в программе управления ЖК-модулем выполнению любой операции должны предшествовать команды

Таблица. Система команд контроллера HD44780 Команда

Код RS

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

Очистить дисплей и установить курсор в нулевую позицию

0

0

0

0

0

0

0

0

1

Возврат курсора в нулевую позицию

0

0

0

0

0

0

0

1

–

Выбор направления сдвига курсора при записи следующего символа (I/D – 1 сдвиг вправо, I/D – 0 сдвиг влево); разрешение или запрет сдвига экрана (S – 1 сдвиг разрешен, S – 0 сдвиг запрещен)

0

0

0

0

0

0

1

I/D

S

Включить/выключить дисплей (D – 1 дисплей включен, D – 0 дисплей отключен); включить/выключить отображение курсора на экране (C – 1 курсор отображается, C – 0 курсор не отображается); включить/выключить мигание курсора (B – 1 курсор мигает, B – 0 курсор не мигает)

0

0

0

0

0

1

D

C

B

Сдвиг курсора/экрана (S/C – 1 сдвиг экрана, S/C – 0 сдвиг курсора; R/L – 1 сдвиг вправо, R/L – 0 сдвиг влево)

0

0

0

0

1

S/C

R/L

–

–

Выбор режима работы (DL – 1 8-разрядный, DL – 0 4-разрядный); выбор количества используемых для работы строк экрана (N – 1 две строки, N – 0 одна строка); выбор размера отображаемых на экране символов (F – 1 шрифт 5х7 пикселей, F – 0 шрифт 5х10 пикселей)

0

0

0

1

DL

N

F

–

–

Выбор адреса (ACG) ячейки памяти CGRAM

0

0

1

АCG

АCG

АCG

АCG

АCG

АCG

Выбор адреса (АDD) ячейки памяти DDRAM 8-разрядный режим Запись данных в выбранную ячейку памяти DDRAM или CGRAM

www.elcomdesign.ru

4-разрядный режим

D0

0

1

АDD

АDD

АDD

АDD

АDD

АDD

АDD

1

8 бит

7 бит

6 бит

5 бит

4 бит

3 бита

2 бита

1 бит

1

8 бит

7 бит

6 бит

5 бит

–

–

–

–

4 бит

3 бита

2 бита

1 бит

–

–

–

–

задержки. Кроме того, следует обеспечить формирование тактового сигнала на линии Е микросхемы буквенно-цифрового дисплея. Сделать это можно программно путем чередования подачи значений нуля и единицы. Управление буквенно-цифровыми дисплеями в 8‑разрядном режиме

По причине отсутствия возможности вывода информации с помощью стандартных функций интегрированной среды разработки CodeVisionAVR для управления буквенно-цифровыми дисплеями в 8‑разрядном режиме работы применяются функции ввода/вывода языка программирования С. Наиболее типичные операции ввода/вывода данных оформлены в виде функций стандартной библиотеки языка С, подключаемой к программе с помощью заголовочного файла stdio. h. Например, получить данные из стандартного потока ввода для последующего их вывода на экран дисплея можно с помощью следующих функций: scanf() – считывает данные до нажатия клавиши пробела на клавиатуре; getchar() – считывает одиночный символ; gets() – считывает строку до нажатия клавиши Enter или Tab на клавиатуре. Применение функций strlen(), scanf() и printf() Чтобы считать данные, которые ввел пользователь, и сохранить их в переменную, вызывают функцию scanf со следующими параметрами scanf(“%d”,&a). В двойных кавычках указывается спецификатор формата, который определяет, какие данные будут считаны: -- %d – десятичное целое число; -- %с – одиночный символ; -- %s – строка символов. После знака амперсанда указывают переменную, в которую будут сохранены полученные данные. Рассмотрим работу с функцией на примере микросхемы LM016L (16x2), разрешение дисплея которой составляет 16 сим-

волов × 2 строки. Микросхема LM016L имеет 14 контактов со следующим назначением: -- Vss – GND; -- Vdd – напряжение питания 5 В; -- Vee – напряжение контрастности 0–5 В (настройка контрастности отображаемых на дисплее символов); -- RS – выбор регистра данных DR (RS – 1) или команд IR (RS – 0); -- RW – выбор операции чтения (RW – 1) или записи (RW – 0); -- E – линия синхронизации; -- D0 – D7 – шина данных/команд. Заметим, что все дисплеи на основе контроллера HD44780 имеют схожую распиновку. Подсоединим в Proteus выводы модуля дисплея D0–D7 к выводам PА0–PА7, а выводы RS и E – к выводам PC6 и PC0 микроконтроллера ATmega16 так, как показано на рисунке 7. Вывод RW подключим к «земле», т. к. в нашей системе будет выполняться только запись информации в микросхему LM016L. Выводы Vss и Vdd подключим к «земле» и напряжению 5 В, соответственно. На вывод Vee подается напряжение контрастности (в диапазоне 0–5 В). На практике этот вывод подключается к питанию через подстроечный резистор, который позволяет плавно регулировать контрастность отображения символов на дисплее. Используя систему команд контроллера HD44780, напишем на языке С программу для микроконтроллера ATmega16, которая в качестве примера будет выводить на экран дисплея последовательность символов, введенных пользователем с клавиатуры компьютера. Чтение символов выполняется с помощью функции scanf() до нажатия клавиши пробела. Программа инициализации микроконтроллера: #include файлов #include #include работы с #include #include работы с

<mega16.h> // подключение заголовочных <alcd.h> <stdio.h> // заголовочный файл для функциями ввода/вывода <delay.h> <string.h> // заголовочный файл для функциями обработки строк

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

71

Рис. 7. Подключение микросхемы LM016L к схеме управления в Proteus

электронные компоненты №5 2019

void e ( ) // подпрограмма формирования тактового сигнала на линии Е дисплея { PORTC |= 1<<0; // устанавливаем «1» на выводе PC0 микроконтроллера delay_ms(200); // задержка PORTC &=~ (1<<0); // устанавливаем «0» на выводе PC0 микроконтроллера delay_ms(200); } // задержка char str[]; int len, i; void main(void) // начало программы { // Port C инициализация, порт работает на вывод данных DDRC=(1<<DDC7) | (1<<DDC6) | (1<<DDC5) | (1<<DDC4) | (1<<DDC3) | (1<<DDC2) | (1<<DDC1) | (1<<DDC0); PORTC=(0<<PORTC7) | (0<<PORTC6) | (0<<PORTC5) | (0<<PORTC4) | (0<<PORTC3) | (0<<PORTC2) | (0<<PORTC1) | (0<<PORTC0); // Port A инициализация, порт работает на вывод данных DDRA=(1<<DDA7) | (1<<DDA6) | (1<<DDA5) | (1<<DDA4) | (1<<DDA3) | (1<<DDA2) | (1<<DDA1) | (1<<DDA0); PORTA=(0<<PORTA7) | (0<<PORTA6) | (0<<PORTA5) | (0<<PORTA4) | (0<<PORTA3) | (0<<PORTA2) | (0<<PORTA1) | (0<<PORTA0); // настройка USART UCSRB=(1<<RXEN) | (1<<TXEN); // разрешаем работу передатчика UCSRC=(1<<URSEL) | (1<<UCSZ1) | (1<<UCSZ0); // устанавливаем формат 8 бит данных, // без проверки четности и асинхронный режим UBRRH=0x00; // младшие 8 бит UBRRL=0x33; // старшие 8 бит e ( ); PORTC &=~ (1<<6); // RS=0 (прием команд) e ( ); PORTA=0b00001111; // включение дисплея e ( ); PORTA=0b00110100; // установка 8-разрядной шины e ( ); PORTA=0b00000001; // очистка дисплея и установка курсора в нулевую позицию e ( ); PORTC |= 1<<6; // RS=1 (прием данных)

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

while (1) { printf("Vvedite slovo: "); // вывод на экран виртуального терминала предложения ввести // набор символов

72

Рис. 8. Результат компиляции программного кода в CodeVisionAVR

www.elcomdesign.ru

scanf("%s", &str); // чтение введенных символов и их запись в переменную str printf("%s\n\r",str); // для наглядности выведем считанные символы на экран виртуального // терминала len=strlen(str); // определение длины введенной строки символов // и запись полученного значения в переменную len for (i=0;i<len;i++) // цикл вывода двоичного кода символов строки в порт РA // микроконтроллера { PORTA=str[i]; // запись двоичного кода очередного символа строки в порт РA e ( ); // вызов подпрограммы формирования тактового сигнала на линии Е дисплея }}}

Введем текст программы в окне кода CodeVisionAVR и запустим компиляцию, по окончании которой выдается отчет о наличии ошибок в коде программы (см. рис. 8). Если ошибки не обнаружены, на диске компьютера будет создан hex-файл для записи в микроконтроллер. Теперь перейдем в Proteus и в окне свойств микросхемы ATmega16 в поле Program File укажем путь к этому файлу. Запустим в Proteus моделирование собранной схемы, результат которого представлен на рисунке 9. Как видно из рисунка, в начале симуляции на экран виртуального терминала выводится сообщение Vvedite slovo:, а программа микроконтроллера переходит в режим ожидания ввода символов (см. рис. 9а), чтение которых заканчивается после нажатия клавиши пробела на клавиатуре компьютера. Cчитанные данные записываются в переменную str и выводятся в порт PA микроконтроллера. Затем на экране микросхемы LM016L посимвольно отображается строка определенной с помощью функции strlen() длины, двоичные коды символов которой были поданы на шину D0–D7, а на дисплей виртуального терминала выводится предложение ввести новый набор символов (рис. 9б). Считанная с клавиатуры компьютера строка отображается на экране виртуального терминала с помощью функции printf("%s\n\r", str), назначение которой – вывод данных определенного формата. Первый параметр данной функ-

ции – спецификатор формата, который задает форму вывода информации (%s – вывести строку символов,\n\r – с начала новой строки экрана). Далее указаны данные для вывода – переменная str, в которую считана введенная строка.

Функцию strlen() применяют для определения длины строки. Функция возвращает число символов; при этом завершающий нулевой символ не учитывается. Работа с функцией возможна после подключения заголовочного файла string. h.

а)

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

73

б) Рис. 9. Результат работы программы управления буквенно-цифровым дисплеем: а) ожидание ввода символов с клавиатуры компьютера; б) посимвольный вывод полученной строки определенной длины на экран микросхемы LM016L

электронные компоненты №5 2019

Применение функций getchar() и putchar() Рассмотрим пример использования функции getchar(), назначение которой – чтение одиночного символа из стандартного потока ввода. В нашем примере функция возвращает символ, полученный через интерфейс USART. Выведем этот символ дважды с десятой позиции первой строки и с восьмой позиции второй строки дисплея LM032L (20x2). Подключение дисплея к схеме управления в Proteus и результат моделирования показаны на рисунке 10. Ниже представлен текст основной функции программы на языке С, который будет введен в окно кода в CodeVisionAVR: char ch; // определяем тип переменной, в которую будет записан считанный символ void main(void) // начало программы { // Port A, Port C инициализация, порты работают на вывод данных DDRA=DDRC=0xff; PORTA=PORTC=0x00; // настройка USART UCSRB=(1<<RXEN) | (1<<TXEN); // разрешаем работу передатчика UCSRC=(1<<URSEL) | (1<<UCSZ1) | (1<<UCSZ0); // устанавливаем формат 8 бит данных без проверки четности и асинхронный режим UBRRH=0x00; // младшие 8 бит UBRRL=0x33; // старшие 8 бит e ( ); PORTC &=~ (1<<6); // RS=0 (прием команд) e ( ); PORTA=0b00001111; // включение дисплея e ( ); PORTA=0b00110100; // установка 8-разрядной шины e ( ); PORTA=0b00000001; // очистка дисплея и установка курсора в нулевую позицию e ( ); PORTA=0b00111000; // установка 2-строчного режима e ( ); PORTA=0b10001001; // выбор адреса ячейки памяти DDRAM (10-я позиция 1-й строки) e ( ); PORTC |= 1<<6; // RS=1 (прием данных)

В начале симуляции на экран виртуального терминала выводится предложение ввести с клавиатуры символ, чтение которого выполняется с помощью функции getchar(). Двоичный код символа подается на шину D0–D7 микросхемы LM032L, после чего символ отображается на ее экране дважды с десятой позиции первой строки и с восьмой позиции второй строки (рис. 10). На экране виртуального терминала символ отображается с помощью функции putchar(), назначение которой – вывод одиночного символа. Применение функций gets() и puts() При выводе информации на экран дисплея может быть полезной функция gets(str, len), назначение которой – чтение символьной строки в переменную str до прерывания (нажатия клавиш Enter или Tab на клавиатуре). Максимальная длина строки – len. Если из стандартного потока ввода было прочитано len символов, а событие прерывания не произошло, функция заканчивает свою работу. В представленном примере считанная с помощью функции gets() строка записывается в переменную str, далее при помощи функции strlen() выполняется определение длины строки и ее посимвольный вывод в цикле for (i=0; i<len; i++) на экраны дисплеев LM044L (20x4) и LM018L (40x2), начиная с первой позиции первой строки (см. рис. 11). Функция puts(str) выводит

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

printf("Vvedite simvol: "); // вывод на экран виртуального терминала предложения ввести // символ ch=getchar(); // чтение введенного символа и его

запись в переменную ch putchar(ch); // вывод считанного символа на экран виртуального терминала PORTA=ch; // запись в порт РA двоичного кода символа e ( ); // вызов подпрограммы формирования тактового сигнала на линии Е дисплея PORTC &=~ (1<<6); // RS=0 (прием команд) e ( ); PORTA=0b11000111; // выбор адреса ячейки памяти DDRAM (8-я позиция 2-й строки) e ( ); PORTC |= 1<<6; // RS=1 (прием данных) PORTA=ch; // запись в порт РA двоичного кода символа e ( ); // вызов подпрограммы формирования тактового сигнала на линии Е дисплея }

74

Рис. 10. Подключение микросхемы LM032L к схеме управления и результат применения функций getchar() и putchar()

www.elcomdesign.ru

Рис. 11. Подключение ИС LM044L и LM018L к схеме управления и результат применения функций gets() и puts()

все символы строки str в стандартный поток вывода (в нашем примере – на экран виртуального терминала). Ниже представлен текст основной функции программы на языке С, который был введен в окне кода в CodeVisionAVR:

// настройка USART UCSRB=(1<<RXEN) | (1<<TXEN); // разрешаем работу передатчика UCSRC=(1<<URSEL) | (1<<UCSZ1) | (1<<UCSZ0); // устанавливаем формат 8 бит данных, //без проверки четности и асинхронный режим UBRRH=0x00; // младшие 8 бит UBRRL=0x33; // старшие 8 бит e ( ); PORTC &=~ (1<<6); // RS=0 (прием команд) e ( ); PORTA=0b00001111; // включение дисплея e ( ); PORTA=0b00110100; // установка 8-разрядной шины e ( ); PORTA=0b00000001; // очистка дисплея и установка курсора в нулевую позицию e ( ); PORTA=0b00111000; // установка 2-строчного режима e ( ); PORTC |= 1<<6; // RS=1 (прием данных) while(1) { printf("Vvedite stroku: "); // вывод на экран виртуального терминала предложения ввести // строку gets(str,40); // чтение введенной строки и ее запись в переменную str puts(str); // вывод считанной строки на экран виртуального терминала printf("%s\n\r"); // переход на новую строку на экране терминала len=strlen(str); // определяем длину строки и записываем полученное значение в // переменную len for (i=0;i<len;i++) // цикл вывода двоичного кода символов строки в порт РA

Заметим, что система команд контроллера HD44780 предусматривает установку 1‑ и 2‑строчного режима. Для вывода символов на все четыре строки экрана дисплея LM044L используется двухстрочный режим, для активизации которого необходимо в режиме приема команд (RS=0) подать на 8‑разрядную шину микросхемы LM044L следующую команду: D7=0, D6=0, D5=1, D4=1, D3=1, D2=0, D1=0, D0=0 (установка двухстрочного режима). Команда D7=1, D6=х6, D5=х5, D4=х4, D3=х3, D2=х2, D1=х1, D0=х0 осуществляет выбор адреса ячейки памяти DDRAM, где значения х6–х0 – двоичный код адреса ячейки DDRAM. Выводы

Написание в CodeVisionAVR собственного кода для управления микросхемой буквенно-цифрового дисплея позволяет задать 8‑разрядный режим ее работы, тогда как генератор кода CodeWizardAVR для получения программы инициализации микроконтроллера осуществляет настройку только 4‑разрядного режима. При передаче данных в 8‑разрядном режиме отсутствует возможность применения стандартных функций вывода информации на экран дисплея CodeVisionAVR, таких как lcd_puts(char *str) – вывод строки str на дисплей; lcd_putchar(char c) – вывод одиночного символа; lcd_clear() – очистка дисплея; lcd_gotoxy (unsigned char x, unsigned char y) – перевод курсора индикатора в позицию х, y. Однако их можно заменить функциями ввода/вывода языка программирования С. Литература 1. ISIS Help. Labcenter Electronics. 2014.

2. H D 4 478 0 U (LCD - I I) (D ot M atri x L i qui d Cr ysta l D isp la y Controller/Driver). Hitachi. 1998.

электронные компоненты №5 2019

с р е д с т в а ра з ра б о т к и

char str[]; // определяем тип переменной, в которую будет записана считанная строка int len, i; void main(void) // начало программы { // Port A, Port C инициализация, порты МК работают на вывод данных DDRA=DDRC=0xff; PORTA=PORTC=0x00;

{ PORTA=str[i]; // записываем в порт РA двоичный код очередного символа строки e ( ); // вызов подпрограммы формирования тактового сигнала на линии Е дисплея }}}

75

Преимущества танталовых и керамических конденсаторов Юрий Сенякин, инженер

Танталовые (Ta) конденсаторы и многослойные керамические конденсаторы (МКК) – два типа широко распространенных конденсаторов, которые применяются в широком ряде электронных устройств. Хотя обе эти технологии выполняют одинаковую функцию, конденсаторы очень различаются по конструкции, использованным материалам и эффективности при разных условиях. Следовательно, разработчик должен понимать их относительные преимущества друг перед другом, чтобы сделать правильный выбор.

Базовые сведения

Пассивные компоненты

Понимание рабочих характеристик танталовых и многослойных керамических конденсаторов, в т. ч. надежности использования и реакции на изменение температуры и напряжения, типовых параметров испытаний и того, как были усовершенствованы конденсаторы каждого из этих типов, позволяет создавать дееспособные электронные устройства. Начнем с базовых понятий. Для расчета емкости конденсатора используется формула:

76

Рис. 1. Поверхностная площадь диэлектрика анода танталового конденсатора в сравнении с его исходным размером

C = εR ∙ ε 0 ∙ (S/d), гд е C – е м к о с т ь , Ф ; S – п л о щ а д ь перекрытия дву х плас тин, м 2 ; εR – относительная диэлек трическая проницаемость среды; ε 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; d – расстояние между пластинами (или толщина диэлектрика), м. Танталовые конденсаторы

Высокая емкость танталовых конденсаторов достигается за счет сочетания нескольких факторов, включая использование пятиокиси тантала ( Ta 2 O 5 , ε R = 27) в качес тве диэлектрика, большой площади поверхности пластин и очень тонкому слою ди­э лек трика. Положительно заряженная пластина танталового конденсатора состоит из прессованного и спекшегося в виде гранул танталового порошка. Эти гранулы обладают хорошей пористой структурой, суммарно обеспечивая большую поверхностную площадь пластины (см. рис. 1). Коэ ф ф иц и е н т о с а ж де ни я д иэл е ктрического с лоя Ta 2 O 5 сос тав ляет 17 Å/В. Поскольку толщина диэлектрика пропорциональна приложенному

www.elcomdesign.ru

а)

б) Рис. 2. а) формованный конденсатор; б) танталовый конденсатор в виде микросхемы

напряжению, создается очень тонкий диэлектрические слой, что обеспечивает большое значение емкости. Виды танталовых конденсаторов

Для приложений с поверхностным монтажом на плат у компания AV X выпускает танталовые конденсаторы двух видов с катодами на основе двуокиси марганца MnO2, благодаря чему обеспечивается функция самовосстановления (см. рис. 2). В прессованном конденсаторе, имеющем более традиционную конфигурацию, танталовый провод впрессован в обкладки, благодаря чему создается положительное соединение со схемой. Более новая и компактная конфигурация в виде микросхемы (см. рис. 2б) появилась на рынке позже. Конденсаторы с этой конфигурацией применяются в системах с высокой плотностью компонентов. В этой конфигурации, в которой используется подложка с танталовым прессованным и запеченным на ее поверхности порошком, положение отдельных анодов задается с помощью высокоточной резки. У конденсаторов обоих рассматриваемых типов – одинаковые базовые элементы. Эти конденсаторы, предназначенные для высокоточных систем, обеспечивают максимальную надежность.

В отличие от танталовых, у керамических конденсаторов меньше суммарная площадь пластин и значительно толще слои (см. рис. 3). Однако эти недостатки компенсируются диэлектрическими материалами с намного большей ди­электрической проницаемостью. Диоксид титана (ε R ~ 86–173) и титанат бария (εR ~ 1250–10000) – два наиболее распространенных диэлектрика, используемых в МКК. Керамические конденсаторы Class 1 и Class 2 Керамические конденсаторы Class 1 имеют наибольшую стабильную емкость относительно приложенного напряжения, температуры и до некоторой с тепени – час тоты. Базовыми элементами этих конденсаторов являются параэлектрики, например диоксид титана, модифицированные такими добавками как цинк, цирконий и ниобий, которые обеспечивают требуемую харак терис тик у емко сти, свойственную танталу. Удельная емкость керамических конденсаторов Class 1 – наименьшая среди других керамических конденсаторов за счет относительно низкой ди­электрической

проницаемости (6–200) параэлектрика. У этих компонентов также сравнительно малая емкость. Керамические конденсаторы Class 2, в которых применяются ферроэлектрики, например титанат бария (BaTiO), модифицируются с помощью силиката алюминия, силиката магния и оксида алюминия. У этих материалов – более высокая диэлектрическая проницаемость, чем у конденсаторов Class 1 (~ 200–14000 в зависимости от напряженнос ти поля), и боле е высока я удельная емкость. Однако у конденсаторов Class 2 больше отклонения емкости от номинальных значений и хуже стабильность. Емкость этих конденсаторов имеет нелинейный характер, который зависит от рабочей температуры, приложенного напряжения и изменяется с течением времени, что может отражаться на характеристиках изделия. Коды диэлектриков у керамических конденсаторов Диэлектрики керамических конденсаторов определяются трехсимвольным кодом EIA, в котором указывается с таби льно с ть е м ко с ти материа ла в ус т ан о в л е нн о м те м п ер ат у р н о м диапазоне. Например, керамические конденсаторы, в которых используются ди­э лек трики X5R, работают в диапазоне температуры –55…85°C при допустимых вариациях емкости ±15% в указанном диапазоне и имеют небольшую нелинейность. Конденсатор с материалом, использование которого обеспечивает устройству ту же, что и у X7R, или лучшую температурную характеристику, изменение емкости в пределах ±15% в диапазоне –55…125°C, можно считать конденсатором X7R. У X7R, как и у конденсатора с диэлектриком любого другого типа, отсутствует спецификация на коэффициент напряжения. Производитель может называть конденсаторы

Таблица 1. Коды EIA диэлектриков для керамических конденсаторов – процентное изменение емкости в указанном диапазоне температур RS198

Диапазон температуры

Х7

–55…125°С

Х6

–55…105°С

Х5

–55…85°С

Y5

–30…85°С

Z5

10…85°С

Код

Изменение емкости, %

D

±3,3

E

±4,7

F

±7,5

P

±10

R

±15

S

±22

T

22, –33

U

22, –56

V

22, –82

в соответствии с диэлектрическими кодами X7R, X5R и т. д. и их температурным коэффициентом независимо от того, насколько плох коэффициент напряжения. В таблице 1 приведены коды EIA диэлектриков для керамических конденсаторов. Например, требуется выбрать конденсатор, у которого емкость, указанная при 25°C, повышаетс я или уменьшаетс я не более чем на 7,5% в диапазоне температуры –30…85°C. Этому требованию соответствует конденсатор с кодом Y5F. Температурные характеристики танталовых и керамических конденсаторов На рис унке 4 показана типовая температурная характеристика танталового конденсатора, а также керамического конденсатора Class 2 (X7R) и керамического конденсатора Class 1 (NP0 или C0G). У танталового конденсатора емкость изменяется линей-

электронные компоненты №5 2019

Пассивные компоненты

Керамические конденсаторы

Рис. 3. Конструкция многослойного керамического конденсатора

77

нестабильность емкости в зависимости от приложенного напряжения. В отличие от танталовых конденсаторов, емкость керамических конденсаторов Class 2 меняется с приложенным напряжением, т. к. диэлектрическая проницаемость их материала падает с ростом напряжения (см. рис. 5). Поскольк у эти изменения относительно линейные, их легко учесть при проектировании, однако в некоторых случаях из-за применения материалов с более высокой диэлектрической проницаемостью емкость может меняться более чем на 70% от исходной величины при работе вблизи номинального напряжения. Износ танталовых и керамических конденсаторов

Пассивные компоненты

Рис. 4. Изменение емкости диэлектрических материалов танталовых и керамических конденсаторов Class 1 и Class 2 в зависимости от температуры

Рис. 5. Зависимость емкости керамических конденсаторов Class 2 (X5R) от приложенного напряжения

78

Рис. 6. Изменение со временем емкости конденсаторов Class 2 с диэлектриками X5R и X7R

но в зависимости от температ уры: с –5% при –55°C до более чем 8% при 125°C. У керамических конденсаторов Class 2 – самая нелинейная зависимость от температ уры, однако ее можно с делать линейной в приложениях, работающих в узком температурном

www.elcomdesign.ru

диапазоне, учтя эту характеристику при проектировании схемы. Зависимость от напряжения У танталовых конденсаторов не только линейная температурная харак терис тика, но и отс у тс твует

Емкос ть керамических конден саторов Class 2 с течением времени уменьшается по логарифмическому закону, что обусловлено их износом (см. рис. 6). Из-за деградации поляризованных участков ферроэлектриков со временем уменьшается диэлектрическая проницаемость, в результате чего уменьшается емкость керамических конденсаторов Class 2. У танта ловых конденсаторов с тарение не происходит – на текущий момент нет известного нам механизма износа, аналогичного тому, который наблюдается у керамических конденсаторов. Сопр отив ление м изол яции (IR) является сопротивление, измеренное на диэлектрике конденсатора. По мере увеличения емкости (и, следовательно, площади диэлектрического материала), IR увеличивается. Этот показатель (IR∙C, или RC) часто указывается в единицах Ом∙Ф, а чаще как МОм. Ток утечки определяется путем деления номинального напряжения на сопротивление изоляции. В таблице 2 сравниваются значения сопротивления изоляции керамических конденсаторов. Для керамических конденсаторов, как правило, указывается сопротивление изоляции, а для танталовых компонентов – утечка постоянного тока (DCL). Эти единицы измерения являются эквивалентными, а соответствующее преобразование осуществляется с помощью закона Ома. Испытания на износ В таблице 3 описаны условия проведения испытаний на износ керамических и танталовых конденсаторов разных типов, выполненные несколькими производителями, а также предс т ав лены доп ус ти м ые из м енени я сопротивления изоляции и величины

Таблица 2. Сравнение сопротивления изоляции (IR) керамических конденсаторов с утечкой постоянного тока (DCL) танталовых конденсаторов Сопротивление изоляции

Производитель

Изделие

Диэлектрик

AVX

–

X7R

0,001C∙V

AVX

–

X5R

0,002C∙V

B

коммерческое (COTS)

X7R

0,002C∙V

B

коммерческое

X7R

0,002C∙V

B

коммерческое

X5R

C

высоконадежное

X7R

0,001C∙V

C

высоконадежное

X5R

0,001C∙V

C

коммерческое

X7R

0,002C∙V

C

коммерческое

X5R

0,002C∙V

Тип. танталовый

коммерческое

Ta2O5

–

0,01C∙V

Высоконадежный танталовый AVX

HRC5000/HRC6000

Ta2O5

–

0,0025C∙V

1000 МОм∙мкФ

Эквивалент DCL/C∙V*

0,002C∙V

* DCL – утечка постоянного тока; C∙V – произведение номинальной емкости на номинальное напряжение.

Таблица 3. Различия между результатами испытаний на износ керамических и танталовых конденсаторов 125°С, 2 ∙ ном. В, 1000 ч

0,3 ∙ исходное предельное значение

0,003C∙V

AVX

X5R

85°С, 2 ∙ ном. В, 1000 ч

0,3 ∙ исходное предельное значение

0,006C∙V

B

X7R

125°С, 2 ∙ ном. В, 1000 ч

0,1 ∙ исходное предельное значение

0,020C∙V

B

X5R

85°С, 2 ∙ ном. В*, 1000 ч

0,1 ∙ исходное предельное значение

0,020C∙V

C

X7R

125°С, 2 ∙ ном. В**, 1000 ч

100 Ом∙Ф

0,1C∙V

C

X5R

85°С, 2 ∙ ном. В***, 1000 ч

100 Ом∙Ф

0,1C∙V

Тип. танталовый

Ta2O5

–

0,01C∙V в течение 2000 ч

–

Высоконадежный танталовый AVX

Ta2O5

–

0,0025C∙V в течение 1000 ч; 0,005C∙V в течение 2000 ч

–

* 1,5 ∙ ном. В для 0603 ≥ 1 мкФ; 0805 ≥ 4,7 мкФ; 1206 ≥ 2,2 мкФ. ** 1,5 ∙ ном. В для 0603 ≥ 1 мкФ, 10 и 16 В; 0805 ≥ 4,7 мкФ, 10 В. *** 1,5 ∙ ном. В для 0603 ≥ 4,7 мкФ, 6,3 и 10 В; 0805 ≥ 22 мкФ, 6,3 В; 1206 ≥ 47 мкФ 6,3 В.

DCL/C∙V. Видно, что условия проведения этих испытаний не стандартизованы, и потому напрямую трудно ср авнив ат ь с высокой точно с т ью параметры керамических конденсаторов разных производителей, а прямые сравнения между керамическими и танталовыми конденсаторами фактически невозможны за исключением нескольких компонентов с очень высокой номинальной емкостью. В таблице 4 сравниваются основные параметры танталовых и керамических конденсаторов. Из-за того, что меж ду большинством методов испытаний танталовых и керамических конденсаторов имеются существенные различия, прямое сравнение их характеристик трудно провести на основе данных, полученных из специальной литературы и технических описаний. Компания AVX выполнила следующее тестирование, обеспечивающее более непосредственное сравнение характеристик этих компонентов.

Сравнительное тестирование танталовых и керамических конденсаторов

Инженеры компании AVX отобрали образцы танталовых и керамических конденсаторов с наиболее типовыми и часто используемыми параметрами. Эти компоненты применяются в медицинской технике и высоконадежных приложениях: -- т а н т а л о в ы е к о н д е н с а т о р ы TBCR106K016CRLB5000: 10 мкФ, 16 В, типоразмер 0805; -- ке р а м ич е ск и е ко н д е н с ато р ы M Q 0 5 Y D10 6 K G T 1A N : 10 м к Ф, 16 В, типоразмер 0805, диэлектрик X5R. Благодаря тому, что план тестирования был единым для всех компонентов, параметры испытаний (значения тестовой частоты и смещения по прямому току, время выдержки после испытаний на воздействие внешних факторов и т. д.) тщательно соблюдались, фиксировались и сравнивались для конденсаторов обоих типов:

Танталовый конденсатор

Керамический конденсатор

ESR

–

Х

Удельная эффективность

Х

–

Диапазон температуры

Х

–

Параметр

Малая индуктивность

Х

Зависимость от смещения по постоянному току

Х

–

Микрофонный (пьезоэлектрический) эффект

Х

–

Фильтрация высокой частоты

–

Х

Характеристика износа

Х

–

-- температ у рна я с таби льно с ть (MILPRF‑55365) – 13 шт.; -- термический удар (MIL-STD‑202 Method 107) – 40 шт.; -- в л а г о с т о й к о с т ь (M I L S T D ‑2 02 Method 106) – 40 шт. Большинство результатов испытаний показало с ходс тво меж ду керамическими и танталовыми конденсаторами. Например, у керамических конденсаторов выше температурная стабильность эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), и утечка постоянного тока (DCL) меньше зависит от температуры, тогда как у танталовых конденсаторов от температуры меньше зависит емкость. Емкость танталовых конденсаторов увеличивается при повышенной температуре, а у керамических компонентов она уменьшается при тех же ус ловиях . Кр ом е того, испытания на влагостойкость и термический удар показали устойчивую работу и тех, и других компонентов. Выводы

Керамические и танталовые конденсаторы обладают теми несколькими преимуществами, которые востребованы в эффективных и в ы со к о н а д е ж н ы х э л е к т р о н н ы х сис те м а х в р азны х о блас т я х при менения. Поскольк у конденсаторы обоих типов значительно различаются по своему составу, материалам и функциональным харак терис ти кам, выбор той или иной технологии зависит от нужд конкретных приложений и требований. Таким образом, инженеры должны принимать в расчет возможные последствия своего выбора уже на ранних этапах проектирования.

электронные компоненты №5 2019

Пассивные компоненты

X7R

AVX

Таблица 4. Сравнение параметров танталовых и керамических конденсаторов

79

Суперконденсаторы.

Pro et contra Евгений Рябинин, инженер

В статье рассматриваются основные достоинства и недостатки суперконденсаторов по сравнению с аккумуляторными батареями.

Введение

Пассивные компоненты

Суперконденсаторы (electrochemical double layer capacitors, EDLC) вошли в повседневную практику разработчиков в разных приложениях, начиная с замены дисковых и пальчиковых батарей на печатной плате и заканчивая тяговыми батареями на электротранспорте. В этой статье мы поговорим о первых из них и не будем касаться вторых. В настоящее время, на наш взгляд, технология производства ячеек суперконденсаторов «вышла на полк у ». Другими словами, незначительное улучшение параметров происходит за достаточно большой промежуток времени, в отличие от раннего периода

80

Рис. 1. Зависимость тока утечки от температуры

www.elcomdesign.ru

Таблица. Сопоставление достоинств и недостатков суперконденсаторов и батарей Параметр Гравиметрическая плотность энергии, Вт∙ч/кг Волюметрическая плотность энергии, Вт∙ч/л Плотность мощности, Вт/кг

Литиево-ионная батарея

Суперконденсатор

100–300

1–10

220–400

4–14

1300–1700

До 10000

Время заряда

10–60 мин.

1–10 с

ESR, мОм

Не менее 500

2–1000

Эффективность

75–90%

До 99%

Число циклов заряд–разряд

400–1000

До 1000000

Срок службы, лет

5–10

10–15

Температура при зарядке, °С

0…45

–40…65

Температура при разрядке, °С

–20…60

–40…65

Стоимость кВт∙ч, долл.

250–1000

10000

Рис. 2. Разряд суперконденсатора при разных температурах

их развития, когда каждая следующая модификация существенно отличалась в лучшую сторону от предыдущей. Это обстоятельство позволяет нам подвести некоторые итоги и еще раз оценить возможности использования суперконденсаторов. Достоинства и недостатки суперконденсаторов

батарей. Производители обычно ограничивают срок службы потерей 30% емкости. Разумеется, у суперконденсаторов имеются недостатки. Самые главные из них – довольно большой ток утечки, из-за чего в течение 30–40 дней напряжение заряда на них может уменьшиться вдвое. У этих компонентов невелика гравиметрическая и волюметрическая плотности энергии и значительная, по сравнению с акк умуляторными батареями, стоимость. Сопоставление достоинств и недостатков суперконденсаторов и батарей приведено в таблице, но следует иметь в виду, что это ориентировочные показатели и со временем они изменяются. Остановимся чу ть подробнее на токе утечки. Мы не будем во всех подробностях описывать химические процессы в суперконденсаторе, но приведем обобщенную зависимость тока утечки от температуры (см. рис. 1). Ток, протекающий примерно первые 30 мин. после заряда, называется током абсорбции. И з -з а т о к а у т е ч к и у м е н ь ш а е тся напряжение суперконденсатора. На рисунке 2 приведены зависимости разряда одного из суперконденсаторов компании Kemet для разных значений температуры. Чтобы подсчитать время, в течение которого суперконденсатор обеспечивает резервирование, воспользуемся простой формулой: T BUP = C ∙ (V0 – V1)/(IBUP + ILK ), где С – емкость суперконденсатора; T BUP – врем я резервирования; V 0 – начальное напряжение конденсатора; V1 – минимальное напряжение конден-

электронные компоненты №5 2019

Пассивные компоненты

Эффективность суперконденсаторов очень высока и может превышать 99%. Под нею понимают величину отношения заряда при разрядке конденсатора к заряду, который следует закачать в конденсатор для того, чтобы восстановить то количество, которое было до разрядки. Другими словами, эффективность характеризует величину «потерянного» заряда, не производящего полезную мощность. В цикле заряд–разряд с длительностью разряда 5 с эффективность достигает 70%; если длительность цикла возрастает до 10 с, эффективность увеличивается до 80%. Цикл состоит из разряда суперконденсатора до 0,5 величины напряжения, а затем заряда с тем же темпом. Высокая эффективность достигается благодаря малой величине эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Малое значение ESR и особенности суперконденсаторов позволяют заряжать и разряжать их с одинаковым темпом, на что не способна ни одна химическая батарея. Заметим, что малая величина ESR также означает малые потери мощности. Следовательно, упрощаются задачи по отводу тепла. Еще одним преимуществом суперконденсаторов является заметно более широкий диапазон рабочей температуры.

Напомним, что суперконденсатор по некоторым своим свойством схож с конденсатором – он остается работоспособен при любом напряжении, в отличие от химических батарей, для которых разряд ниже определенного порога сокращает срок их службы и может даже служить причиной выхода из с троя. Справед ливос ти ради заметим, что во многих случаях из-за довольно быстрого уменьшения напряжения конденсатора по мере его разряда приходится использовать повышающий преобразователь с большим коэффициентом преобразования и, следовательно, с низким КПД при малом входном напряжении при разряде конденсатора. В приложениях с батарейным питанием необходимо оценить заряд батареи и оставшийся срок службы. Определение этих данных – задача не простая, тогда как для суперконденсатора она решается очень просто. Поскольку емкость суперконденсатора не меняется, измерение напряжения на нем покажет степень его заряда. Измерение сопротивления ESR с помощью разряда постоянным током в течение нескольких секунд дадут представление о величине этого сопротивления. Процесс накопления заряда суперконденсатором обратим и представляет собой перемещение ионов. Поскольку в этом процессе химические связи не разрушаются, чис ло циклов заряд/разряд измеряется сотнями тысяч, в отличие от химических батарей. В течение 10 лет эксплуатации суперконденсаторы теряют не более 20% от начальной емкости, что недостижимо для любых видов химических

81

Рис. 3. Модуль на основе ячеек с водным раствором электролита

ограничений по числу циклов заряд–разряд, а для батарей максимальное число этих циклов имеет теоретическое ограничение и составляет примерно 500. На параметры суперконденсатора очень существенно в лияют харак терис тики элек тролита. Пос ледний предс тавляет собой либо органическое соединение, либо водный раствор. Модуль на основе ячеек с водным раствором элек тролита показан на рисунке 3, а аналогичный модуль с органическим электролитом – на рисунке 4. Напряжение заряженного модуля, состоящего из нескольких последовательно соединенных ячеек, обычно не превышает 5,5 В. Суперконденсаторы с водным раствором электролита обладают лучшими характеристиками: имеют лучшую проводимость и, следовательно, меньшее значение ESR; они надежнее и устойчивее к влагопоглощению, не воспламеняются. Однако цена суперконденсатора выше. Особенно эта разница ощутима при больших значениях емкости, хотя при малых значениях, примерно до 0,47 Ф, их стоимость ниже, чем у суперконденсаторов с органическим диэлектриком.

Пассивные компоненты

Производители суперконденсаторов

82

Рис. 4. Модуль на основе ячеек с органическим электролитом

сатора, при котором сохраняется работоспособность резервируемого модуля; IBUP – ток, потребляемый резервируемым модулем; ILK – ток утечки суперконденсатора. Следует упомянуть еще одно ограничение, действующее в отношении суперконденсаторов. Поскольку их постоянная времени T = ESR ∙ C составляет сотни миллисекунд, нельзя непосредственно подключать к ним нагрузку с пульсирующим током. Обязательно параллельно суперконденсатору необходимо подключить электролитический, керамический или танталовый конденсатор. Сделаем еще одну оговорку. Суперконденсаторы используются только для хранения энергии, а не для фильтрации или сглаживания пульсаций напряжения. Итак, мы очень кратко описали основные свойства суперконденсаторов и химических батарей, а также их отличия друг от друга. Теперь мы также кратко опишем конструкцию суперконденсаторов. Заметим, что, в отличие от батарей, суперконденсаторы быстро запасают и отдают энергию благодаря адсорбции и десорбции ионов в электролите, который помещается между двумя электродами этого компонента. Процессы адсорбции и десорбции ионов происходят заметно быстрее, чем химические реакции при зарядке батарей. Следовательно, благодаря низкому внутреннему сопротивлению суперконденсатор можно зарядить в течение нескольких секунд, тогда как для полной зарядки батареи требуются многие десятки минут или даже часы. Кроме того, для суперконденсаторов не существует теоретических

www.elcomdesign.ru

На российском рынке работает несколько производителей суперконденсаторов. Наиболее известными из них являются компании AVX, Kemet, Maxwell, Wurth. Производственная линейка каждой из этих компаний содержит значительное число суперконденсаторов, и в рамках одной статьи едва ли возможно сделать полный обзор изделий каждого производителя. Компания AVX выпускает суперконденсаторы четырех семейств. В состав семейства SCP входят суперконденсаторы номинальной емкостью 1–500 Ф. Значения их ESR находятся в пределах 2–500 мОм. К семейству BZ и более новому семейству BW относятся суперконденсаторы емкостью 4,7 мФ…1 Ф, а величина ESR варьируется в пределах 25–1000 мОм. Семейство SCC составлено из суперконденсаторов емкостью 1–3000 Ф с ESR 0,29–500 мОм. И, наконец, семейство SCM представлено суперконденсаторами емкостью 0,33–500 Ф с низким уровнем ESR в районе 1 мОм.

Kemet – один из крупнейших производителей суперконденсаторов. Компания производит компоненты пяти семейств. К первому из них, предназначенному для SMDмонтажа, относятся суперконденсаторы емкостью 0,047–1 Ф с номинальным напряжением 3,5–5,5 В. Номинальное напряжение суперконденсаторов с радиальными выводами находится в пределах 3,5–12 В, а их емкость – 0,01–5,6 Ф. Емкость радиальных суперконденсаторов варьируется в пределах 1–50 Ф, а напряжение – 2,5–2,7 В. Емкость герметизированных суперконденсаторов составляет 0,01–0,33 Ф при номинальном напряжении 3,5–6,5 В. Емкость суперконденсаторов с защелкивающимися выводами находится в диапазоне 100–200 Ф, и они производятся только на напряжение 2,7 В. Компания Maxwell производит суперконденсаторы около 20 семейств. Мы не будем утомлять читателей перечислением всех из них. Заметим лишь, что емкость производимых суперконденсаторов находится в пределах 1–2000 Ф, а сопротивление ESR – в пределах 0,35–700 мОм. Все суперконденсаторы имеют номинальное напряжение 2,7 В. И, наконец, компания Wurth, которая относительно недавно стала производить эту продукцию. В ее производственной линейке не так уж много суперконденсаторов. Их емкость находится в пределах 3–50 Ф, сопротивление ESR изменяется в диапазоне 20–70 мОм. Как и у Maxwell, номинальное напряжение всех суперконденсаторов составляет 2,7 В.

РЕКЛАМА

Новинки месяца. Редакционный обзор Предлагаем читателям обзор новинок за прошедший месяц с момента выхода в свет журнала «Электронные компоненты» № 4, 2019 г. В новый обзор вошли наиболее интересные, на наш взгляд, изделия. Заметим, что рассматривается продукция только тех компаний, которые широко представлены на российском рынке. При перечислении параметров указываются их типовые значения.

АЦП И ЦАП

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Analog Devices. АЦП последовательного приближения AD4003/4007/4011. Структурная схема этого АЦП показана на рисунке 1. Основные параметры AD4003/4007/4011: –– напряжение питания: 1,8 В; –– разрядность: 18 бит; –– производительность: 500 Квыб/с; 1 и 2 Мвыб/с; –– и н т е г р а л ь н а я н е л и н е й н о с т ь : ±0,4 МЗР; –– дифференциальная нелинейность: ±1,52 МЗР; –– смещение нуля: 0,8 МЗР; –– ошибка коэффициента усиления: ±7 МЗР; –– суммарные искажения TND: –123 дБ; –– КОСС: 68 дБ; –– время выборки сигнала: 290–1790 нс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: LFCSP10.

84

Рис. 1. Структурная схема АЦП AD4003/4007/4011

Nordic. Беспроводная сис темана-кристалле nRF52811 с поддержкой Bluetooth 5/ Bluetooth mesh/ 802.15.4/ Thread/ Zigbee/ ANT/ 2,4 ГГц. Основные параметры nRF52811: –– процессорное ядро: Cortex-M4; –– частота тактирования: 60 МГц; –– флэш-память: 192 Кбайт; –– ОЗУ: 24 Кбайт; –– скорость передачи данных: 125 Кбит/с…2 Мбит/с в зависимости от режима работы;

–– мощность передатчика: 4…–20 дБм; –– чувствительность приемника: –91…–104 дБм; –– напряжение питания: 1,7–3,6 В; –– ток потребления: до 5,2 мА; –– аналоговая периферия: 12‑бит АЦП, 200 Квыб/с; –– шесть коммуникационных интерфейсов; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: QFN48, QFN32, WLCSP32.

–– усиление передаваемого сигнала: 32 дБ; –– усиление принимаемого сигнала: 13 дБ; –– выходная мощность при схемах кодирования: -- MCS11: 16 дБм, –43 дБ EVM; -- MCS9: 20 дБм, –35 дБ EVM; -- MCS7: 21 дБм, –30 дБ EVM; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: QFN16.

Sk y work s. 5 ‑ГГц интерфейсный модуль SKY85726–11. Его структурная схема показана на рисунке 2. Основные параметры SKY85726–11: –– соответствует требованиям 802.11 ах;

T I . Из о л и р о в а н н ы й п р и е м о п е редатчик ISO141x для интерфейсов RS485/RS422. Зависимость длины кабеля от скорости передачи показана на рисунке 3. Основные параметры ISO141x:

Рис. 2. Структурная схема модуля SKY85726-11

Рис. 3. Зависимость длины кабеля от скорости передачи приемопередатчика ISO141x

ДАТАКОМ

www.elcomdesign.ru

–– напряжение питания: 1,71–5,5 и 3–5,5 В; –– до 256 узлов на шине; –– устойчивость к изменению синфазного напряжения: 100 кВ/мкс; –– электрическая прочность изоляции: 5 кВ (СКЗ); –– рабочее напряжение изоляции: 1060 В (СКЗ); –– рабочее напряжение изоляции (пик.): 1500 В; –– задержка распространения сигнала: 310 нс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: SOIC 16. ДАТЧИКИ

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Vishay. Новая серия FRED Pt Gen 5 1200‑В гипербыстрых и ультрабыстрых диодов. Их основные параметры приведены в таблице.

Рис. 4. Типовая схема включения датчика тока ACS71240 Таблица. Серия FRED Pt Gen 5 1200-В гипербыстрых и ультрабыстрых диодов Наименование

VR, В

IF(AV), А

VF тип., В

QRR (тип.), нКл

Класс быстродействия

tRR, нс

VS-E5PX3012L-N3

1200

30

2,1

1550

X

26

TO-247AD 2L

VS-E5TX3012-N3

1200

30

2,1

1550

X

26

TO-220AC 2L

VS-E5PH3012L-N3

1200

30

1,7

2150

H

32

TO-247AD 2L

VS-E5TH3012-N3

1200

30

1,7

2150

H

32

TO-220AC 2L

VS-E5PX6012L-N3

1200

60

2,1

2950

X

30

TO-247AD 2L

VS-E5PH6012L-N3

1200

60

1,7

4080

H

38

TO-247AD 2L

–– повторяющийся ток: 1 А; –– ток удержания: 0,4 мА; –– электрическая прочность изоляции: 5 кВ (СКЗ); –– рассеиваемая мощность 300 мВт; –– диапазон рабочей температуры: –40…110°C –– размеры: 7,3×6,5×3,5 мм. ИСТОЧНИКИ, МОДУЛИ ПИТАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Analog Devices. Обратноходовой контроллер LT8316. Его схема включе-

Корпус

ния показана на рисунке 6. Основные параметры LT8316: –– диапазон входного напряжения: 16–600 В; –– ток собс твенного потребления: 75 мкА; –– рабочая частота (макс.): 220 кГц; –– рабочая частота в режиме ожидания: 220 Гц; –– нарастание фронта выходного сигнала драйвера затвора: 30 нс; –– спад фронта выходного сигнала драйвера затвора: 8 нс;

И еще фототриаки VOT8125 от этой же компании (см. рис. 5). Основные параметры VOT81256: –– напряжение (макс.): 800 В; –– устойчивость к помехам: 1000 В/мкс; –– прямое падение напряжения при токе 20 мА: 1,2 В; –– ток: 100 мА;

Рис. 5. Фототриак VOT8125

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Allegro. Изолированный датчик тока ACS71240. Его типовая схема включения показана на рисунке 4. Основные параметры ACS71240: –– н а п р я ж е н и е п и т а н и я : 3 , 3 и л и 5 В в зависимости от модификации; –– ток потребления: 7,5 или 10 мА в зависимости от модификации; –– диапазон измерения: ±10… 50 А; –– электрическая прочность изоляции: 2400 В (СКЗ); –– рабочее напряжение изоляции: 420 В; –– сопротивление токочувствительного резистора: 0,6 или 1,2 мОм; –– полоса пропускания 120 кГц; –– задержка распространения сигнала: 1,6 мкс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125 или –40…150°C; –– корпус: QFN12, SOIC8.

85

Рис. 6. Схема включения контроллера LT8316

электронные компоненты №5 2019

Рис. 7. Схема включения DC/DC-преобразователя LT8609S

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 8. Упрощенная схема включения контроллера ISL71043M

86

–– входное напряжение при LET = 43 МэВ∙см2/мг: 9–14,7 В; –– ток собс твенного потребления: 2,9 мА; –– рабочая частота: 51 кГц; –– коэффициент заполнения (макс.): 96%; –– коэффициент заполнения (мин.): 0%; –– нарастание фронта выходного сигнала драйвера затвора: 35 нс; –– спад фронта выходного сигнала драйвера затвора: 29 нс; –– диапазон рабочей температуры: –55…125°C –– корпус: SOIC8.

Mean Well. Источник питания серии UHP‑1000 (см. рис. 9). Его основные параметры: –– выходная мощность: 1 кВт; –– диапазон входного напряжения: 90–264 В; –– выходное напряжение: 12, 24, 36, 48 В; –– пульсации выходного напряжения (пик–пик): 150–300 мВ; –– погрешность поддержания выходного напряжения: ±1,0%; –– линейная регулировочная характеристика: 0,5%; –– нагрузочная регулировочная характеристика: 0,5%; –– дистанционное включение/отключение; –– гарантия: 5 лет; –– диапазон рабочей температуры: –30…70°C; –– размеры корпуса: 240×115×41 мм.

Tr a c o P o w e r. И з о л и р о в а н н ы е DC/DC-преобразователи серии THM10 (см. рис. 10) для медицинской электроники. Основные параметры THM10:

Рис. 9. Источник питания серии UHP-1000

–– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: TSSOP. И еще одна новинка – DC/DC-преобра­ зователь LT8609S с архитектурой Silent Switcher2 и очень малыми излучаемыми электромагнитными помехами. Схема включения DC/DC-преобразователя показана на рисунке 7. Основные параметры LT8609S: –– диапазон входного напряжения: 3,0–42 В; –– опорное напряжение: 0,774 В; –– пульсации выходного напряжения: не более 10 мВ; –– длительный выходной ток: 2 А;

www.elcomdesign.ru

–– выходной ток (пик.): 3 А; –– диапазон рабочей частоты: 200–2200 кГц; –– время открытого состояния верхнего ключа (макс.): 45 нс; –– время закрытого состояния верхнего ключа (мин.): 90 нс; –– диапазон рабочей температуры: –40…125°C; –– корпус: TSSOP. I n t e r s i l . Ш И М - к о н т р о л­л е р ISL71043M. Упрощенная схема его включения показана на рисунке 8. Основные параметры ISL71042M: –– диапазон входного напряжения: 9–30 В;

Рис. 10. Изолированные DC/DC-преобразователи серии THM10

–– диапазон входного напряжения: 4,5–9 В, 9,0–18 В, 36–75 В; –– диапазон выходного напряжения одноканальных модификаций: 3,3–24 В; –– выходное напряжение двухканальных модификаций: ±5,0; ±12; ±24 В; –– пульсации выходного напряжения (пик–пик): 30–50 мВ; –– линейная регулировочная характеристика: 0,2%;

Рис. 11. Частотные характеристики варисторов VTA7

–– нагрузочная регулировочная характеристика: 0,2; –– выходная мощность: 10 Вт; –– КПД: 80–88%; –– электрическая прочность изоляции: 5 кВ (СКЗ); –– соответствие стандарту IEC/EN/ES 60601, 3‑е изд., 2×МОРР; –– ток утечки: менее 2 мкА; –– 5 лет гарантии; –– диапазон рабочей температуры: –40…90°C; –– размер: 31,8×20,3×10,2 мм; ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

AVX. Семейство многослойных двунаправленных варисторы VTA7 с расширенным диапазонам температур. Частотные характеристики варисторов приведены на рисунке 11. Основные параметры семейства VTA7: –– напряжение ограничения: 42; 65; 67 В;

–– рабочее напряжение: 18 или 31 В (DC), 13 или 25 В (АC); –– пиковый ток в импульсе 8/20 мкс: 30; 80; 120 А; –– рассеиваемая энергия в импульсе 10/1000 мкс: 0,1 или 0,3 Дж; –– емкость: 90; 275; 450 пФ; –– диапазон рабочей температуры: –55…175°C; –– типоразмер: 0603, 0805.

V i s h ay. Д р о ссе л и д л я а в т о м о б и льн о й э л е к т р о н ик и се м е й с т в а IHLP‑5050EZ‑5A. Зависимости индуктивности и температуры от тока дросселя показаны на рисунке 12. Основные параметры IHLP‑5050EZ‑5A: –– значение индук тивнос ти (ном.): 0,22–82 мкГн; –– отклонение индуктивности от номинального значения: ±20%; –– DCR: 0,69–188 мОм;

Рис. 13. Высоковольтные 3-фазные полипропиленовые конденсаторы серии PhMKP

–– ток насыщения: 3,1–69,24 А; –– ток при нагреве на 40°C: 3,0–68,18 А; –– собственная резонансная частота: 2,9–99,9 МГц; –– диапазон рабочей температуры: –55…155°C. И еще одна любопытная новинка от этой компании – высоковольтные 3‑фазные полипропиленовые конденсаторы серии PhMKP (см. рис. 13). Основные параметры конденсаторов: –– емкость конденсаторов: 49,7–332,2 мкФ; –– отклонение от номинальной емкости: ±5%; –– напряжение (макс.): 1000 В; –– максимальная мощность: 2–37,1 кВАР; –– потери: не более 0,25 Вт/кВАР; –– диапазон рабочей температуры: –40…65°C; –– размеры: 3×11,5 мм… 3×335 мм.

электронные компоненты №5 2019

С п ра в о ч н ы е с т ра н и ц ы

Рис. 12. Зависимости индуктивности и температуры дросселя IHLP-5050EZ-5A от тока

87

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

| НОВОСТИ КОМПАНИИ «ГАММА» |

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Новое семейство 10‑нм ПЛИС Agilex от Intel

88

Корпорация Intel представила новое семейство ПЛИС Agilex, которое, в первую очередь, предназначено для заказных решений, применяющихся в центрах обработки данных, встраиваемых системах и сетевых приложениях. На современном рынке имеется спрос на приложения, работающие с трафиками данных большого объема. К этим приложениям относятся периферийные и облачные вычисления, а также вычислительные сети. ПЛИС Intel Agilex созданы для применения в специализированных решениях, будь то аналитика для обработки данных с малой временной задержкой, виртуализованные сетевые функции, повышающие производительность системы, или приложения, позволяющие ускорить обработку информации и повысить эффективность центров обработки данных. Успехи в области искусственного интеллекта (ИИ), применяемого для анализа данных в периферийных, сетевых и в облачных вычислениях, побуждают к совершенствованию аппаратных систем в соответствии с развивающимися стандартами. Необходимо, чтобы новое оборудование поддерживало меняющиеся рабочие нагрузки в системах ИИ и было оснащено множеством соответствующих функций. ПЛИС Intel Agilex отвечают этим требованиям, обеспечивая большую функциональную гибкость, высокую производительность и вычислительную мощность. Новое семейство Intel Agilex объединяет в себе матрицу ПЛИС, выполненную с использованием 10‑нм технологического процесса корпорации Intel, с инновационной гетерогенной технологией 3D SiP. Благодаря этому появилась возможность объединить под одним корпусом ПЛИС аналоговые блоки, память, заказные вычислительные блоки, настраиваемую систему ввода-вывода и технологию Intel eASIC («структурные ASIC»). Корпорация Intel предоставляет настраиваемую логическую среду с многократно используемыми IP-блоками при переходе от ПЛИС к структурным ASIC. Единственный API-интерфейс обеспечивает дружественную к программному обеспечению гетерогенную среду программирования, позволяющую легко воспользоваться преимуществами ПЛИС для повышения вычислительной мощности. ПЛИС Intel Agilex предоставляют следующие новые возможности.

1. Compute Express Link. Новая ПЛИС Intel Agilex является первой в отрасли, которая поддерживает Compute Express Link – технологию, обеспечивающую когерентный интерфейс между кэшем и памятью для перспективных масштабируемых процессоров Intel Xeon.

2. Архитектура HyperFlex 2‑го поколения. Эффективность ПЛИС нового семейства на 40% выше, или на 40% ниже ее общая потребляемая мощность по сравнению с ПЛИС Intel Stratix 10.

3. Инновационный DSP. Это единственная ПЛИС, поддерживающая аппаратную обработку BFLOAT16 и имеющая цифровой сигнальный процессор DSP (конфигурация FP16) с общей производительностью до 40 Тфлопс.

4. PCIe (Peripheral component interconnect express) Gen 5. Более высокая пропускная способность по сравнению с PCIe Gen 4.

5. Скорость передачи данных приемопередатчика. Поддержка скорости передачи данных до 112 Гбит/с.

6. Расширенная поддержка памяти. Стабильная поддержка памяти DDR5, HBM, Intel Optane DC.

Корпорация Intel усиливает свои позиции в области ПЛИС для видеосистем, приобретая компанию Omnitek

Корпорация Intel заявила о приобретении компании Omnitek – ведущего поставщика оптимизированных IP-решений для видеосистем и систем видеонаблюдения. Технология компании Omnitek позволяет создавать кастомизированные высокопроизводительные видеосистемы и приложения искусственного интеллекта на базе ПЛИС. IP-решения от Omnitek отвечают требованиям к системам для проведения видеоконференций, к видеопроекторам и дисплеям, системам медицинского зрения и т. д. Условия сделки пока не разглашаются. Компания Omnitek со штаб-квартирой в Бейсингстоке (Англия) была основана в 1998 г. К настоящему времени она разработала более 220 IP-ядер ПЛИС и сопутствующее им программное обеспечение, в т. ч. передовые решения для WARP, ISP-обработки и видеосвязи, которые значительно сокращают время выхода на рынок. Решения Omnitek также позволяют новым клиентам, не имеющим опыта работы с ПЛИС, реализовать индивидуальные интегрированные и высокоэффективные решения. Кроме того, компания Omnitek, использует свой опыт обработки сигналов для создания IP-решений, которые обеспечивают на текущий момент лидерство на рынке ПЛИС по производительности для приложений с ИИ.

Новые средства проектирования Radiant 1.1 Lattice FPGA для ускоренного повторного использования проектов

Корпорация Lattice Semiconductor, ведущий поставщик кастомизируемых интеллектуальных сетевых решений, анонсировала новое программное обеспечение Lattice Radiant Software 1.1 – полнофункциональный комплект для проектирования ПЛИС. В его состав входят самые современные средства разработки, оптимизированные для семейства ПЛИС iCE40 UltraPlus компании Lattice, которое на текущий момент является

www.elcomdesign.ru

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

самым компактным семейством ПЛИС с очень малым энергопотреблением. В новую версию комплекта добавлена функция компоновки IP-решений, что позволяет сторонним поставщикам и заказчикам подготавливать и компоновать зашифрованные IP в формате Radiant Software IP. Комплект Radiant Software 1.1, использующий унифицированную базу данных проектирования для обеспечения их конвергенции, поддерживает отраслевой стандарт Synopsys Design Constraint, что обеспечивает максимальную функциональную совместимость, быстрый анализ проекта и простой в использовании интерфейс. Применение нового средства по компоновке IP-решений, имеющееся в комплекте Radiant Software 1.1, сокращает время выхода конечной продукции на рынок, позволяя использовать в проектах IP не только корпорации Lattice, но и сторонних разработчиков. Кроме того, каталог IP-решений был расширен за счет включения большого числа модулей, в т. ч. параметризованных экземпляров модулей (PMI), оптимизированных для ПЛИС iCE40 UltraPlus. Комплект проектирования ПЛИС Radiant Software 1.1 поддерживает не только ОС Windows, но и популярный дистрибутив Linux Ubuntu LTS 16.4. Этот набор инструментов можно загрузить с сайта корпорации Lattice. В настоящее время комплект можно использовать с бесплатной лицензией.

Высокомощные PoE-модули Ag5810 компании Silvertel стандарта IEEE 802.3.bt

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 №5 2019

НОВОС ТИ ТЕХНОЛОГИЙ

Ag5810 компании Silvertel представляет собой модуль для питания устройств (PD), отвечающий требованиям стандартов IEEE. Этот модуль предназначен для питания устройств, требующих больше энергии, чем поступает от источника питания стандарта IEEE802.3at. Отвечая требованиям самого нового стандарта IEEE802.3bt Power-over-Ethernet (PoE), модуль Ag5810 компании Silvertel с PoEидентификатором (сигнатурой) Type 4 Class 7 в зависимости от длины кабеля обеспечивает мощность до 60 Вт при питании от PSE-устройства стандарта IEEE802.3bt. Электрическая прочность изоляции общего решения составляет 1,5 кВ. В его состав также входит PoE-идентификатор и DC/DC-преобразователь с выходным напряжением 12 или 24 В. Легко интегрируемый модуль Ag5810 компании Silvertel, выполненный в корпусе DIL, представляет собой простое PoEрешение, которому требуются всего три внешних недорогих компонента. Модуль совместим по выводам с более старым модулем Ag5510, который не соответствует требованиям стандартов IEEE UPoE. Модуль Ag5810 получает питание по всем четырем парам Ethernet-кабеля и имеет встроенный высокоэффективный (до 88%), DC/DC-преобразователь с оптимизированной стоимостью, работающий в широком диапазоне входного напряжения и обеспечивающий стабилизированное выходное напряжение. Выходное напряжение модуля в диапазоне 12–24 В устанавливается с помощью одного резистора. Модуль также оснащен встроенной защитой от перегрузок, коротких замыканий и перегрева. Модули Ag5810 компании Silvertel – идеальное IEEE802.3bt-совместимое компактное и недорогое решение для реализации высокомощных PoE-приложений, например для IP-камер PTZ (панорамирование, наклон и зум), систем искусственного интеллекта, светодиодного освещения, систем доступа к дверям, интеллектуальных дисплеев и датчиков, мониторов и проек­торов. Основные особенности: • IEEE802.3bt-совместимый PoE PD-модуль; • идентификатор (signature) Type 4 Class 7; • мощность (макс.): 60 Вт; • питание по всем четырем парам Ethernet-кабеля; • компактный корпус DIL: 70×30×16 мм; • защита от перегрузки, перегрева и короткого замыкания; • дежурный режим с собственным очень малым энергопотреблением; • широкий диапазон входного напряжения: 37–57 В; • выходное напряжение: 12 или 24 В; • электрическая прочность изоляции 1500 В (между входом и выходом); • эффективность (КПД): 88%, включая встроенный DC/DC-преобразователь; • минимальное число недорогих внешних компонентов; • простая интеграция.

89

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ Б Е С П Р О В ОД Н Ы Е Т Е Х Н ОЛ О Г И И

Новые компоненты

Модуль сотовой связи nRF91 компании Nordic для интернета вещей

90

Серия Nordic nRF91 представляет собой решение для доступа к сотовой связи. Центральное место в новой серии Nordic Semiconductor nRF91 занимает многорежимный модуль LTE-M/NB-IoT с низким энергопотреблением, построенный по принципу системы-в‑корпусе. Он объединяет модем, тран­ сивер, радиочастотный интерфейс, процессор, флэш-память, управление питанием, кристалл и пассивные компоненты в полноценную сотовую IoT-систему с малым энергопотреблением в миниатюрном корпусе 10×16×1,2 мм. Благодаря комбинации многорежимного модема Nordic LTE-M/NB-IoT, трансивера без ПАВ‑фильтра и настраиваемого внешнего радиочастотного решения от Qorvo один и тот же SiP-модуль серии nRF91 можно использовать в разных регионах. Интеграция процессора ARM Cortex-M33 с технологией TrustZone и ARM CryptoCell‑310 security IP позволяет использовать SiP nRF91 для реализации IoT-устройств, поддерживающих сотовую связь при малом энергопотреблении. Это решение обеспечивает эффективную основу безопасности, уменьшает размер и количество необходимых компонентов, сокращает энергопотребление по сравнению с использованием внешнего хост-процессора.

Nordic Semiconductor ASA www.nordicsemi.com Дополнительная информация: см. Rutronik Новый комбинированный модуль Smart LoRa и Bluetooth ISP4520 с малым энергопотреблением от Insight SIP Благодаря встроенным технологиям BLE и LoRa этот модуль обеспечивает большой радиус действия LoRa для передачи данных на большие расстояния и гибкие сервисы BLE с его высокой пропускной способностью для локальных соединений. В состав модуля входят чипы от ведущих производителей полупроводников Nordic Semiconductor (BLE) и Semtech (LoRa). Вычислительные мощности обеспечиваются встроенным процессором Nordic nRF52 на ядре Cortex-M4 c флэш-памятью емкостью 512 Кбайт, необходимой для современных приложений. Semtech SX1261 обеспечивает функцию радиосвязи LoRa.

www.elcomdesign.ru

Оба чипа имеют самую низкую в своем классе потребляемую мощность в сочетании со множеством функций энергосбережения, позволяющих работать в течение нескольких лет от миниатюрного элемента питания (в зависимости от варианта использования). Модуль включает антенны для LoRa и BLE, что позволяет этому устройству быть предварительно сертифицированным законченным решением. Для обеспечения максимальной дальности передачи по протоколу LoRa можно подключить внешнюю антенну. Модуль поставляется с комбинированным стеком BLE и LoRaWAN. Основные особенности: –– стек протоколов: LoRaWAN; –– одномодовый режим BLE 5 Ready; –– NFC-A‑тег для сопряжения OOB; –– полностью интегрированное согласование LoRa & BLE и антенны; –– интегрированные генераторы тактовой частоты 32 МГц и 32,768 кГц для LoRa и BLE; –– LoRa на базе трансивера Semtech серии SX126x; –– BLE на базе Nordic Semi nRF52; –– внешнее управление или использование встроенного 32‑разрядного процессора ARM Cortex-M4; –– флэш-память на 512 Кбайт и SRAM на 64 Кбайт; –– аналоговая и цифровая периферия; –– интерфейс SPI; –– диапазон напряжения питания: 2,8–3,6 В; –– компактные размеры: 9,0×17,0×1,5 мм; –– диапазон рабочей температуры: –30…85°C. Insight SIP www.insightsip.com Дополнительная информация: см. Rutronik Беспроводной модуль SAM R30 от Microchip

Компания Microchip анонсирует самый компактный в отрасли IEEE 802.15.4‑совместимый модуль, в состав которого входит микроконтроллер (МК) с очень малым потреблением и субгигагерцовым радиоблоком. Модуль SAM R30 на основе стандарта IEEE 802.15.4 поддерживает проприетарные сети, которые можно легко настраивать и конфигурировать. Такая возможность является идеальной для приложений, которым

функциональная совместимость не требуется из-за присущей уязвимости к удаленным атакам. К числу этих приложений относятся системы оповещения, автоматизации дома, умные города и промышленные датчиковые сети. Главным преимуществом сети на основе стандарта IEEE 802.15.4 заключается в том, что ее устройства находятся в режиме сна в течение длительных периодов времени. Модуль SAM R30 с несколькими режимами сна с очень малым расходом энергии пробуждается по сигналу GPIO или встроенных часов реального времени и потребляет ток около 800 нА. Устройства могут «спать» годами, активизируясь только для передачи данных. Модуль SAM R30 сертифицирован в соответствии с требованиями Федеральной комиссии по связи (FCC), Министерства промышленности Канады (IC) и Директивы на радиооборудование (RED). Разработчики могут приступить к прототипированию с помощью отладочной платы ATSAMR30M–XPRO Extension Development Board с поддержкой отладчика/программатора Atmel ICE и простой в использовании интегральной среды проектирования Atmel Studio 7 с образцами демокодов, поддерживающих все упомянутые сетевые конфигурации.

Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО Д АТ Ч И К И

Газовые датчики из каталога «Рутроник»

В состав семейства датчиков контроля окружающей среды Bosch Sensortec входят сенсоры атмосферного давления и интегрированные сенсоры состояния окружающей среды, которые совмещают измерение атмосферного давления, относительной влажности и температуры окружающей среды. Чтобы расширить существующее семейство датчиков окружающей среды, в датчик BME680 компании Bosch впервые интегрированы индивидуальные датчики с высокими показателями линейности и точности не только для измерения давления, влажности и температуры, но и для измерения содержания ЛОС. Цифровой сенсорный модуль 4‑в‑1 (газ, влажность, давление и температура) оснащен компактным корпусом LGA размером 3,0×3,0×1,00 мм. Небольшие размеры и низкое энергопотребление позволяют использовать его в устройствах с питанием от батареи или в портативных устройствах, например в смартфонах или умных часах. Двуокись углерода (CO2) В большинстве мест вне помещений воздух содержит примерно до 380 ppm углекислого газа. В помещении концентрация CO2 повышена по сравнению с наружным воздухом. Без достаточной вентиляции углекислый газ может накапливаться, приводя к головным болям, потере когнитивных функций и удушью. Компания Rutronik совместно с Sensirion предлагает решение для точного и стабильного мониторинга CO2, температуры и влажности. Оно позволяет разрабатывать новые системы, повышающие энергоэффективность и одновременно поддерживающие здоровую среду. Благодаря двухканальному принципу измерения концентрации углекислого газа датчик SCD30 автоматически компенсирует долговременные дрейфы. Очень небольшая высота модуля позволяет легко интегрировать его в разные системы, к которым относятся адаптивная система вентиляции, оборудование ОВК, кондиционеры, очистители воздуха, умный дом, а также IoT-устройства.

Sensirion www.sensirion.com Bosch www.bosch.com Дополнительная информация: см. Rutronik ДИСПЛЕИ

Ультраяркий TFT компании Tianma Tianma Group представила два новых ЖК-дисплея: 10,1‑дюймовый WXGA и 15,6‑дюймовый WXGA, оба с очень высокой яркостью. Модель шириной 10,1 дюйма имеет яркость 1000 кд/м2, а модель шириной 15,6 дюйма – 1250 кд/м2. Очень

электронные компоненты №5 2019

Новые компоненты

Существует множество показателей, которые определяют качество воздуха в помещении. К ним относятся, например, влажность и температура, присутствие диоксида азота (NO2), твердых частиц (PM2.5), монооксида и диоксида углерода (CO, CO2), летучих органических соединений (ЛОС) и озона (О3). В каталоге Rutronik предлагаются устройства Sensirion и Bosch Sensortec для выявления самых распространенных проблем, связанных с плохим качеством воздуха в помещениях. Летучие органические соединения ЛОС – органические (углеродсодержащие) химические вещества, которые присутствуют при комнатной температуре, в основном, в виде газов. Неорганические углеродсодержащие газы, например диоксид и монооксид углерода, исключаются из этого определения. Повышенные уровни ЛОС могут оказывать негативное влияние на самочувствие, комфорт и когнитивные способности людей, вызывая неблагоприятные последствия для здоровья – болезни почек и печени, головные боли, проблемы с кожей, носом и горлом, усталость и головокружение. Эффективное снижение воздействия ЛОС требует мониторинга их уровней с помощью подходящих датчиков. Многопиксельный газовый датчик SGP компании Sensirion позволяет измерять уровни ЛОС, помогая тем самым повысить эффективность вентиляции и очистки воздуха, а также улучшить осведомленность об источниках ЛОС и загрязнении воздуха внутри помещений. Особенностями датчика SGP

являются: передача сигналов о концентрации ЛОС и CO2 через интерфейс I2C, малогабаритный корпус DFN (2,45×2,45×0,9 мм), наличие мембраны для защиты от пыли и влаги. Эти характеристики позволяют легко интегрировать датчик SGP в самые разные системы, к которым относятся очистители воздуха или устройства для умного дома.

91

высокая яркость этих моделей обеспечивает насыщенные цвета и превосходную видимость даже при прямом солнечном освещении. Модель шириной 10,1 дюйма устойчива к вибрации до 7g, что делает ее идеальной для применения в условиях с высокими уровнями ударных воздействий и вибрации, например в строительном и морском оборудовании. В модели шириной 10,1 дюйма используется запатентованная технология Tianma Super Fine TFT (SFT), обеспечивающая широкие углы обзора: 176° по горизонтали и вертикали и уменьшающая искажение цвета, которое может произойти при изменении угла обзора. В результате осуществляется четкое отображение без визуального напряжения в разных условиях эксплуатации. Модель шириной 15,6 дюйма также имеет широкий угол обзора 160° по горизонтали и вертикали, что более чем достаточно для большинства наружных применений.

Новые компоненты

Основные технические характеристики

92

Размер

Ширина 10,1 дюйма

Ширина 15,6 дюйма

Обозначение

NL12880BC16-02F

NL13676BC25-07F

Интерфейс

LVDS

LVDS

Разрешение

1280×800

1366×768

Яркость

1000 кд/м2

1250 кд/м2

Угол обзора

176°/176°

160°/160°

Обработка поверхности

Антибликовое покрытие

Антибликовое покрытие

Рабочая температура

−40…80°C

−30 …80°C

Примечания

SFT

СД с продолжительным сроком службы

с сенсорным экраном, поскольку они имеют одинаковые габаритные размеры 122×44 мм (габариты печатной платы).

RFS390Q-EIW-DBG – идеальный дисплей для систем домашней автоматизации. Основные параметры: –– размер: 3,9 дюйма; –– точечная матрица: 480×RGB×128 (TFT) точек; –– размер модуля (Ш×В×Д): 122×44×9,8 мм; –– активная площадь: 95,04×25,34 мм; –– шаг пикселов: 0,066×0,198 мм; –– тип ЖК-дисплея: TFT, белый, пропускающий; –– направление взгляда: 12 ч; –– направление инверсии: 6 ч; –– интерфейс: цифровой 8080, MPU 8/16 бит; –– соотношение сторон: вытянутый; –– тип подсветки: светодиодная, белая; –– IC: SSD1963; –– сенсорная панель: CTP. Raystar www.raystar-optronics.com Дополнительная информация: см. Rutronik И С ТОЧ Н И К И И М ОДУЛ И П И ТА Н И Я

LDO40L – малошумящий LDO-регулятор компании STMicroelectronics

Tianma Group https://tianmaco.com Дополнительная информация: см. Rutronik Новая Q‑серия дисплеев TFT 3,9" компании Raystar RFS390Q-EIW-DBG – расширенная модель 3,9‑дюймового ЖКД TFT-дисплея RFS390B Bar со встроенной платой контроллера SSD1963 и 36‑контактным разъемом, входящая в семейство Q. Модель RFS390Q-EIW-DBG имеет разрешение 480×128 пикселов и проекционно-емкостной сенсорный экран (PCAP), поддерживает цифровой 8/16‑бит интерфейс MPU семейства 8080 (интерфейс MCU). В качестве сенсорной панели используется CYTMA568 или эквивалентная модель. Дополнительную схему подсветки разрабатывать не потребуется. Модель RFS390Q представляет собой цветной TFT-модуль с PCAP; его яркость составляет 400 кд/м2, контраст – 500:1. Это идеальное решение для обновления проекта за счет замены монохромного дисплея STN RC1602E цветным TFT-дисплеем

www.elcomdesign.ru

Линейный регулятор LDO40L с малым падением напряжения и выходным током 400 мА компании STMicroelectronics обеспечивает эффективное питание с низким уровнем шума для непрерывно работающих автомобильных модулей и чувствительных к шумам приборов. Собственный ток потребления регулятора LDO40L, соответствующего автомобильному стандарту AEC-Q100, составляет всего 45 мкА, благодаря чему снижается расход заряда автомобильных аккумуляторов. Кроме того, в регуляторе преду­ смотрен режим останова, обеспечивающий очень низкий ток потребления – всего 1 мкА. Минимальное входное напря-

жение составляет 3,5 В, а минимально допустимое падение напряжения на регуляторе –36 мВ при токе 100 мА или 140 мВ. Выходной уровень шума составляет 20 мкВ, коэффициент подавления помех по питанию равен 70 дБ при 1 кГц. Встроенные функции защиты включают в себя ограничение тока и тепловую защиту. Регуляторы с фиксированным выходным напряжением 3,0; 3,3; 5,0 или 8,5 В обеспечивают допуск выходного напряжения в пределах ±3% во всем диапазоне рабочей температуры, включая нагрузочную и регулировочную характеристики. Микросхема выпускается в корпусе DFN6 размером 3×3 мм.

STMicroelectronics www.st.com Дополнительная информация: см. Rutronik 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

STM32F7x0 и H7x0 – новые микроконтроллеры STM32 от STMicroelectronics

Семейство дву- и одноядерных цифровых сигнальных контроллеров dsPIC Компания Microchip анонсирует новые дву- и одноядерные цифровые сигнальные контроллеры (DSC) семейства dsPIC33C с расширенными функциями, которые отвечают требованиям приложений увеличить объем памяти и диа-

Радиационно-устойчивые и радиационно-стойкие МК на основе COTS ARM-микроконтроллеров Компания Microchip анонсирует первые в космической отрасли ARM-микроконтроллеры, которые не только имеют малую стоимость, пользуются поддержкой большой экосистемы как коммерчески доступные изделия (COTS), но и предназначены для космических применений с масштабируемыми уровнями защиты от воздействия радиации. Радиационноустойчивые микроконтроллеры SAMV71Q21RT и радиационно-стойкие SAMRH71, созданные на основе МК SAMV71 для автомобильных приложений, используют широко распространенную платформу ARM Cortex-M7, что увеличивает степень интеграции. МК SAMV71Q21RT соответствуют требованиям приложений NewSpace для спутниковых группировок на низких околоземных орбитах и робототехники, а МК SAMRH71 предназначены для эксплуатации в подсистемах, например в гироскопах

электронные компоненты №5 2019

Новые компоненты

Последние обновления семейства STM32 – микроконтроллеры STM32F7x0 и H7x0 от STMicroelectronics – обеспечивают высокую гибкость при создании высокопроизводительных систем, например IoT-устройств реального времени, без ущерба для функциональности и кибербезопасности проектируемых изделий. МК STM32F730 начального уровня обеспечивает производительность 1082 по тестам CoreMark на частоте 216 МГц при поддержке уникального ART Accelerator компании ST для обращения к флэш-памяти без времени ожидания. Он оснащен аппаратными криптоускорителями. К числу других особенностей относятся высокоскоростной порт USB 2.0 с PHY и интерфейс CAN. Имеется флэш-память объемом 64 и 8 Кбайт для инструкций и кэш-памяти, обеспечивающей высокопроизводительное исполнение команд из внутренней или внешней памяти, 256 Кбайт системной ОЗУ и 16 Кбайт + 64 Кбайт тесно связанной памяти.

STM32F750 обеспечивает производительность CoreMark 2020 при частоте 400 МГц. В его состав входит контроллер TFT-ЖКД с фирменным графическим ускорителем ChromART компании ST. Он имеет аппаратные криптоускорители, два интерфейса CAN, Ethernet MAC, интерфейс камеры и два интерфейса USB 2.0 с Full Speed PHY. Имеется 64 Кбайт флэшпамяти, 4 Кбайт кэша инструкций и 4 Кбайт кэша данных, 320 Кбайт системной памяти и 16 Кбайт + 64 Кбайт TCM. STMicroelectronics www.st.com Дополнительная информация: см. Rutronik

пазон рабочей температуры, а также повысить функциональную безопасность. Новые двуядерные цифровые сигнальные контроллеры dsPIC33CH512MP508 поддерживают системы с увеличенным объемом памяти программ. Оптимизированный одноядерный контроллер dsPIC33CK64MP105 предназначен для приложений с меньшим объемом памяти и с ограничениями по габаритам. Разработчики получают возможность легко масштабировать системы, используя новые устройства из модельного ряда, которые совместимы по выводам с контроллерами семейств dsPIC33CH и dsPIC33CK. Семейство dsPIC33CH512MP508 (MP5) расширяет ранее появившиеся контроллеры dsPIC33CH за счет объема флэшпамяти, который вырос со 128 до 512 Кбайт и втрое большего объема ОЗУ программ, увеличившегося с 24 до 72 Кбайт. Семейство dsPIC33CK64MP105 (MP1) расширяет недавно анонсированное семейство контроллеров dsPIC33CK оптимизированными по стоимости устройствами с меньшим объемом флэш-памяти (до 64 Кбайт) и размерами корпуса 4×4 мм с 28–48 выводами. Новые компактные устройства с высокой эффективностью сочетают в себе функции автомобильных датчиков, управления приводами, DC/DC-приложений с высокой плотностью и автономных Qi-передатчиков. И одно-, и дву­ядерные устройства dsPIC33C обладают высокой детерминированной производительностью, востребованной критичными по времени управляющими системами, благодаря чему расширенные контекстные регистры позволяют сократить задержку прерывания и ускорить выполнение алгоритмов, требующих большого объема вычислений.

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

93

Новые компоненты

94

и астронавигационных устройствах, к которым предъявляются более строгие требования к работе в условиях воздействия радиации. Накопленная доза МК SAMV71Q21RT, который не разрушается под воздействием тяжелых ионов, составляет 30 Крад (Si). Оба микроконтроллера устойчивы к тиристорному эффекту (SEL) при пороговом значении линейной передачи энергии (ЛПЭ) не ниже 62 МэВ∙см2/мг. Радиационно-стойкий МК SAMRH71, предназначенный для эксплуатации в дальнем космосе, имеет следующие радиационные характеристики: –– накопленная доза превышает 100 Крад (Si); –– отсутствие одиночных сбоев при ЛПЭ до 20 МэВ∙см2/мг; –– отсутствие одиночного эффекта функционального прерывания (SEFI), что обеспечивает целостность памяти. МК SAMV71Q21RT и SAMRH71 на основе ядра ARM Cortex-M7 обладают высокой производительностью и малым энергопотреблением, обеспечивая продолжительный срок службы авиакосмических систем. Для защиты от воздействия радиации и ухудшения работы системы архитектура этих микроконтроллеров обеспечивает устранение сбоев и целостность данных с помощью памяти с коррекцией ошибок (ECC), функции контроля целостности (ICM) и модуля защиты памяти (MPU). МК SAMV71Q21RT и SAMRH71 оснащены интерфейсами CAN FD и Ethernet AVB/TSN в расчете на перспективные приложения. У микроконтроллера SAMRH71 имеются специализированные интерфейсы SpaceWire и MIL-STD‑1553 для контроля и управления потоками данных со скоростями до 200 Мбит/с. МК SAMRH71 в керамическом корпусе CQFP256 изготавливаются в виде опытных образцов, а микроконтроллеры SAMV71Q21RT – в промышленных объемах в четырех модификациях: –– SAMV71Q21RT-DHB-E в керамическом прототипе корпуса QFP144; –– SAMV71Q21RT-DHB-MQ в керамическом корпусе QFP144 для космической техники, эквивалент QMLQ; –– SAMV71Q21RT-DHB-SV в керамическом корпусе QFP144 для космической техники, эквивалент QMLV; –– SAMV71Q21RT-DHB-MQ в пластиковом высоконадежном корпусе QFP144 с сертификатом AQEC. Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО ПАМЯТЬ

Intel 660p: первый твердотельный накопитель на базе QLC для потребительского рынка Intel 660p – второй твердотельный накопитель (SSD) компании, подключаемый по шине PCIe, которая работает согласно стандарту NVMe, и оснащенный 64‑слойными кристаллами

www.elcomdesign.ru

QLC 3D NAND. Флэш-память QLC NAND способна сохранять четыре бита на ячейку; в одной ячейке флэш-памяти можно записывать 16 уровней напряжения. Повышение плотности хранения, обусловленное новой технологией флэш-памяти QLC NAND, позволяет Intel производить чипы с более высокой емкостью, благодаря чему происходит заметное снижение стоимости 1 Гбайт памяти при обеспечении аналогичной производительности чтения и записи по сравнению с существующими твердотельными накопителями на базе 3D TLC NAND. По сути, Intel SSD 660p – идеальное решение формата M.2 для потребительского рынка начального уровня, которое обеспечивает лучшую производительность при меньшей цене по сравнению с существующими твердотельными накопителями SATA и устаревшими жесткими дисками (HDD). Технические характеристики твердотельного накопителя SSD 660p от Intel Емкость

512 Гбайт

Контроллер

Silicon Motion SM2263

Флэш-память NAND

Intel 3D NAND QLC, 64-слойная

Форм-фактор

Односторонний М.2 (22×80 мм)

Интерфейс

PCIe 3.0×4, NVMe 1.3

DRAM

DDR3 256 МБ

Последовательное чтение

До 1800 МБ/с

Последовательная запись (SLC-кэш)

До 1800 МБ/с

Произвольное чтение (4 Кбайт)

До 220 тыс. IOPS

Произвольная запись (4 Кбайт, SLC-кэш)

До 220 тыс. IOPS

Ресурс

100 TBW

Гарантия

5 лет

1 Гбайт

2 Гбайт

200 TBW

400 TBW

Intel www.intel.ru Дополнительная информация: см. Rutronik С Е Т И И И Н Т Е Р Ф Е Й С Ы

Первая в отрасли ИС USB 3.1 SmartHub с поддержкой Type-C от Microchip Компания Microchip анонсирует ИС USB 3.1 Gen1 SmartHub, которая обеспечивает в 10 раз более высокую скорость передачи данных в существующих решениях USB 2.0 и уменьшает время индексации, расширяя возможности пользователей в салонах автомобилей. Микросхема USB7002 SmartHub оснащена интерфейсами для подключения разъемов USB Type-C. Режим передачи данных USB 3.1 со скоростью 5 Гбит/с (SuperSpeed) позволяет расширить полосу и функциональные возможности приложений для более быстрой потоковой передачи, загрузки данных и связи внутри салона автомобилей. ИС SmartHub поддерживается полным набором инструментов, включая средство для конфигурации хабов MPLAB Connect Configurator, оценочные платы с описаниями схем и gerber-файлами, что в целом позволяет сократить время разработки. Сервисы USBCheck компании Microchip обеспечивают

–– улучшенная и точная диагностика; –– гибкость проектирования благодаря совместимости топологии; –– возможность подключения одного светодиода.

Infineon www.infineon.com Дополнительная информация: см. Rutronik Светодиоды OSLON SSL от OSRAM

верификацию проектов и макетов до отправки печатных плат в производство.

Microchip Technology www.microchip.com Дополнительная информация: см. ЭЛТЕХ, ООО С В Е ТОТ Е Х Н И К А И О П ТОЭЛ Е К Т Р О Н И К А

Светодиодные драйверы LITIX Basic+ от Infineon

Rutronik

125195, Москва, Ленинградское ш., д. 57 тел.: +7 (499) 963-3184 www.rutronik.com rutronik_ru@rutronik.com

ЭЛТЕХ, ООО

196247, С.-Петербург, пл. Конституции, д. 3А (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 №5 2019

Новые компоненты

С в е т о д и о д н ы е д р а й в е р ы L I T I X B a s i c+ о т к о м п а нии Infineon расширяют существующее семейство LITIX Basic. 1-…3‑канальные стабилизаторы постоянного тока LITIX Basic+ – масштабируемое семейство микросхем с выходным током 5–360 мА (при использовании внешнего MOSFET). У этого семейства – оптимизированные функции диагностики и повышенная точность стабилизации выходного тока. Несколько режимов устранения неисправностей обеспечивают удобство использования. Драйверы LITIX Basic+ оснащены адаптивной функцией определения короткого замыкания единичного светодиода: устройство может переходить в заблокированное состояние, активировать повторную попытку подачи питания или диагностировать замыкание без отключения канала. Кроме того, драйвер LITIX Basic+ обеспечивает гибкость проектирования за счет взаимозаменяемости компонентов по топологии. Преимущества: –– уменьшено количество необходимых внешних компонентов –– прямое подключение ШИМ; –– общая сеть ERRN; –– общая сеть DEN/EN; –– общий конденсатор для вывода D/DS нескольких микросхем; –– непосредственное соединение OUTSET и INSET; –– индикация ошибки низким логическим уровнем; –– SLS-диагностика с настраиваемым пороговым напряжением;

Семейство светодиодов OSLON SSL, представляющее уникальную палитру насыщенных цветов, предназначено для широкого ряда применений, где требуется высокое качество освещения не только внутри помещений, но и на улице. Предлагается широкий выбор цвета в диапазоне 451–730 нм. Полуширина кривой силы света (КСС) составляет 80°, 120° и 150°. Небольшая площадь (3,0×3,0 мм 2) дает возможность создавать очень компактные кластеры, что упрощает разработку эффективных оптических элементов. Керамический корпус выдерживает очень высокие температуры до Tmax = 135°C, позволяя использовать экономически эффективные системы отвода тепла и делая его устойчивым к нагрузкам. Синий (450 нм) и гиперкрасный (660 нм) обеспечивают свет для фотосинтеза. Дальний красный (730 нм) управляет ростом растений, начиная со всходов и заканчивая вегетативным ростом и цветением. Различные соотношения между синим, гиперкрасным и дальним красным можно создать, изменив количество соответствующих светодиодов семейства OSLON, не меняя при этом конструкцию печатной платы или светильника. Наличие нескольких типов пространственного распределения излучения экономит затраты на дополнительные линзы в тех случаях, когда требуется получить узкое или, наоборот, широкое распределение.

OSRAM www.osram.com Дополнительная информация: см. Rutronik

95

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА