[Введите текст]
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»
Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова
Фролов Максим Сергеевич, группа БИТ151
МЕТОДЫ РАСЧЕТА ВОЛНОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И СОЗДАНИЕ ВЕБ-ПРИЛОЖЕНИЯ НА ИХ ОСНОВЕ
Выпускная квалификационная работа бакалавра
по направлению 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Студента образовательной программы бакалавриата "Инфокоммуникационные технологии и системы связи"
|
Москва 2019 г. |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ В ПЕЧАТНОМ МОНТАЖЕ
1.1 Линия передачи
1.2 Классификация линий передач
1.3 Распространение сигнала в линии передачи
1.4 Волновое сопротивление и способы согласования
1.5 Линия передачи с контролируемым волновым сопротивлением
1.6 Основные факторы, влияющие на волновое сопротивление линии передачи
1.7 Микрополосковые структуры
1.8 Расчёт волнового сопротивления микрополосковой линии без учёта конструктивно-технологических воздействий
1.9 Расчёт волнового сопротивления микрополосковой линии с учётом всех конструктивно-технологических воздействий
1.10 Полосковая линия
1.11 Рекомендации по проектированию линий передачи с контролируемым волновым сопротивлением
2. РАЗРАБОТКА ВЕБ-РЕСУРСА
2.1 Обоснование выбора среды и инструментария для разработки интернет-ресурса
2.2 Структура веб-сайта
2.3 Метод построения веб-сайта по расчёту волнового сопротивления линий передач
2.4 Программная реализация расчёта волнового сопротивления
2.5 Тестирование и отладка веб-сайта
2.6 Рекомендации по использованию веб-ресурса
ВЫВОД
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
АННОТАЦИЯ
волновой сопротивление линия сайт
В наши дни развитие электроники идет с уклоном повышения быстродействия, что непременно ведет к увеличению сложности проектирования аппаратуры. Более того, на высоких частотах электрофизические параметры печатных плат могут меняться, что требует поиска новых методов разработки современных технологий.
В ходе данной работы были проанализированы существующие методы расчета волновых сопротивлений линий передачи быстродействующих систем, на основе которых был создан веб-ресурс, позволяющий оптимизировать процесс проектирования печатных плат. Более того, были приведены соответствующие рекомендации по применению.
ABSTRACT
Nowadays, the development of electronics is based on improving performance, which certainly leads to an increase in the complexity of the design of equipment. Moreover, at high frequencies the electrophysical parameters of printed circuit boards can change, which requires the search for new methods for the development of modern technologies.
In the course of this work, the existing methods of calculating the impendance of transmission lines of high-speed systems were analyzed, on the basis of which a web resource was created that allows to optimize the design process of printed circuit boards. Moreover, appropriate recommendations were proposed.
ВВЕДЕНИЕ
Все электронные системы генерируют сигналы, содержащие информацию. Эта информация может быть аналоговой, цифровой или смешанной.
Схемы принимают сигналы и выполняют некоторые операции. Эти операции могут быть разными: открыть дверь гаража; воспроизвести музыку в динамике; рассчитать значение числа р до пятидесяти знаков после запятой или отправить фотографию друзьям через Интернет. Всё это и определяет проблему, которая заключается в необходимости создания сигналов для передачи информации с высокой точностью, транспортировки этих сигналов в схемы, а затем использования их для выполнения операций. В то же время, важным условием для полноценного функционирования платы является предотвращение перекрестной помехи, когда сигнал одной линии связи создает нежелательные эффекты в другой линии.
Нельзя просто «взять» и «перенести» напряжение с одного места в другое, для этого необходимо создать и отправить энергию в виде электромагнитной волны через линию передачи. Понимание того, как ведут себя электромагнитные волны, имеет фундаментальное значение для успешного проектирования высокоскоростных электронных устройств.
Прогресс в электронике подтолкнул к созданию быстродействующей аппаратуры. Проектирование такой аппаратуры становится ещё более сложной задачей из-за появления новых проблем, таких как помехозащищенность, электромагнитная совместимость, усложненное согласование линии передачи из-за появления большого количества сигнальных путей, количество слоёв в печатной плате и ряда других тонкостей. Даже опытные инженеры, долгие годы проектирующие аппаратуру умеренного действия, не всегда способны быстро перестроиться к новым правилам по созданию быстродействующих устройств.
С течением времени, в мире быстродействующей электроники произошло разделение на два общих класса печатных плат: аналоговые и цифровые. В таблице 1 перечислены эти два класса и основные характеристики.
Таблица 1 - Сравнение печатных плат для аналоговых и цифровых устройств
|
Аналоговые |
Цифровые |
||
|
Сложность схемы |
Низкая |
Очень высокая |
|
|
Согласование |
Точное согласование волнового сопротивления |
Возможно расхождение |
|
|
Потери |
Плохая переносимость к потерям |
Переносимость к потерям |
|
|
Размеры |
Малые размеры элементов цепи |
Желательно наличие малых размеров элементов цепи |
|
|
Количество слоёв |
Обычно имеют 2 слоя |
Большое количество слоёв |
Были созданы инструменты проектирования, материалы и методы производства, которые оптимизированы для каждого основного класса печатных плат. Полезно сравнить эти два класса, чтобы увидеть, насколько они отличаются:
1) Сложность схемы.
Аналоговые схемы, как правило, относительно просты с несколькими компонентами. С другой стороны, цифровая электроника имеет схемы большего размера с немалым количеством различных компонентов. Такие схемы достаточно сложно проектировать, в то время как в аналоговых структурах основное внимание уделяется способности создавать сложные геометрические фигуры на одном или двух слоях.
2) Согласование волнового сопротивления.
В каждой точке вдоль линии передачи, где волновое сопротивление изменяется по какой-либо причине, часть энергии сигнала, движущегося по ней, возвращается обратно к источнику. В результате, энергии становится недостаточно, чтобы источник сигнала и приемник функционировали правильно. Для того чтобы добиться максимальной производительности в таких продуктах, как радиоприемники, делается все возможное, чтобы добиться необходимого для согласования значения волнового сопротивления линии электропередачи. Это не является нерешаемой задачей, поскольку существует всего несколько параметров, которыми необходимо управлять. В цифровых схемах всё гораздо сложнее. Существует так много сигнальных путей, которые функционируют как линии передачи, что невозможно достичь точного согласования на всех из них. Логические схемы сконструированы таким образом, что существует допуск на рассогласование волнового сопротивления. В то же время, нежелательно наличие произвольно большого количества несоответствий. Поэтому необходимо получить уровень согласования, достаточный для правильной работы. Одной из проблем, которые возникают при проектировании, является поиск того количества допусков несоответствия волнового сопротивления, при котором поддерживается достаточный уровень точности.
3) Потери.
Потери происходят из-за поглощения в диэлектрике и из-за скин-эффекта на высоких частотах. Поглощением в диэлектрике, или диэлектрическими потерями, можно управлять путём выбора теплоизоляционных материалов. Потери на скин-эффект связаны с протекающим в проводниках током, который на высоких частотах распределяется по сечению не равномерно, а вблизи поверхностного слоя. Потерь становится больше по мере увеличения частоты. Компенсируется покрытием наружных поверхностей проводников золотом для увеличения проводимости или увеличением ширины трасс для создания большей площади поверхности.
4) Размеры компонентов.
Все компоненты имеют свои паразитные параметры, такие как паразитная индуктивность или паразитная ёмкость. В условия повышенного быстродействия, когда компоненты должны работать быстрее, нежелательные параметры оказывают ещё большее влияние на производительность. Чем меньше размеры компонентов, тем меньшее влияние оказывают паразитные параметры.
5) Количество слоёв.
Всегда желательно иметь минимальное количество слоёв. В печатных платах аналоговых устройств, как правило, существует не более 3 слоёв, что уменьшает стоимость, а также время, затраченное на проектирование этой печатной платы. В свою очередь, быстродействующие цифровые конструкции не могут быть сделаны на 2 слоях из-за необходимости удержания большого количества сигнальных проводов или линий передачи.
6) Диэлектрические материалы
Диэлектрические материалы поддерживают линии передачи в печатной плате, увеличивая излишнюю паразитную емкость каждой передающей линии. Для того чтобы послать быстрые сигналы по линиям электропередач, необходима зарядка и последующая разрядка паразитной емкости. Чем больше паразитная емкость, тем больше энергии потребуется для выполнения данной операции. Поэтому желательно минимизировать этот паразитизм. Одним из подходов является использование материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, таких как Teflon°. Работает в основном для двухслойных печатных плат. Однако логические схемы нуждаются в диэлектрике, который может выдерживать высокие температуры, быть габаритно стабилизированным и хорошо ламинироваться.
Безусловно, все вышеперечисленные характерные особенности печатных плат, как аналоговых, так и цифровых устройств, имеют большое значение при проектировании быстродействующей аппаратуры. Особенно повышенная сложность возникает при проектировании печатных плат для цифровой аппаратуры. В данной работе основное внимание будет уделено такой важной составляющей печатной платы как линия передачи. Без неё невозможна передача сигнала, значит и функционирование изделия в целом.
Чтобы предотвратить отражение сигнала и передать максимальную мощность, линия передачи должна быть согласована с приемниками и источником. Достичь этого можно, зная волновое сопротивление Z0 линии передачи. Это определяющий параметр, который должен быть посчитан с достаточной точностью и не иметь больших отклонений от номинальных значений.
Актуальность работы
К сожалению, отечественных источников по новым подходам к проектированию крайне мало, а зарубежная литература труднодоступна и разрознена. Поэтому поиск подходящих методов расчёта волновых сопротивлений для нужной линии передачи является достаточно длительным процессом. Существует небольшое количество зарубежных веб-сайтов, позволяющих производить подобного рода расчёты, однако, в связи с политической обстановкой в наши дни, возможна ситуация, когда все эти веб-ресурсы окажутся недоступны. Более того, отсутствие информации о том, какие используются формулы на зарубежных сайтах, ставит инженеров в сложное положение. В большинстве случаев, им приходится производить довольно сложные и трудоёмкие расчёты вручную, что является не самым рациональным использованием трудового времени. Отсюда следует цель данной работы.
Цель работы
Основной целью данной работы является создание максимально удобных условий инженерам-проектировщикам для разработки печатных плат путём обеспечения доступа к web-ресурсу, позволяющему производить расчёты волновых сопротивлений для различных типов линий передачи. Основное отличие выполненного в ходе этой работы web-ресурса от зарубежных является наличие в нём не только формул действующих стандартов, но и уточненных формул, полученных в работе [4], позволяющих учитывать дополнительные конструктивно-технологические особенности.
Задачи работы
Чтобы достичь поставленной цели в данной работе решаются задачи, изложенные ниже:
Анализ литературных источников.
Разработка методики расчёта волновых сопротивлений
Обоснование инструментария для создания веб-ресурса
Разработка веб-сайта
Тестирование и отладка
Разработка рекомендаций, в том числе для внедрения в учебный процесс.
1. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ В ПЕЧАТНОМ МОНТАЖЕ
1.1 Линия передачи
Линия передачи - система прямых и обратных проводников, расположенных в непосредственной близости друг от друга, создающих электромагнитное поле, которое распространяется в системе от источника к приемнику. Алгебраическая сумма токов прямых и обратных проводников равна нулю.