автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Искажения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях помехозащищенных теплопроводных монтажных плат

На правах рукописи

Кузнецова-Таджибаева Ольга Михайловна

Искажения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях помехозащищённых теплопроводных монтажных плат

Специальность 05.13.05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2005

Работа выполнена

в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «Полюс» г. Томск и Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Газизов Тальгат Рашитович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дмитриев Вячеслав Михайлович; доктор физико-математических наук, профессор Якубов Владимир Петрович.

Ведущая организация

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение автоматики имени академика H.A. Семихатова» г. Екатеринбург

Защита состоится 30 декабря 2005 года в 9.00 на заседании диссертационного совета Д212.268.03 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу 634050, Томск-50, пр. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Мещеряков Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных устройствах вычислительной техники и систем управления широко используются импульсные сигналы. Элементы этих устройств связаны между собой межконтакгными электрическими соединениями, кратко называемыми межсоединениями. При распространении в них сигналы задерживаются по времени, отражаются от неоднородностей, затухают из-за потерь, создают перекрестные наводки в соседних межсоединениях Эти факторы способны существенно исказить сигналы, особенно высокочастотные. Поэтому проблема неискаженной передачи импульсных сигналов в межсоединениях высокой плотности становится одной из главных преград дальнейшему совершенствованию вычислительной техники и систем управления. Искажения передачи сигналов присутствуют даже в микросборках, но особенно сильно проявляются в монтажных платах из-за плотной трассировки и большой длины межсоединений.

Состояние вопроса Ряд ведущих фирм и университетов мира интенсивно исследуют явления, происходящие в межсоединениях на печатных платах. Получены существенные результаты. Но обзор состояния существующих исследований не позволяет говорить об их завершении и выявляет задачи, решение которых позволит усовершенствовать межсоединения Среди монтажных плат особый интерес вызывают платы на металлическом основании, которое является одновременно жесткой несущей конструкцией, электромагнитным экраном и теплоотводом Если металлическое основание является и схемной землей, то такую плату называют помехозащищенной теплопроводной монтажной платой (ПТМП)1. Печатные проводники ее внутреннего слоя образуют обращенные полосковые линии (ОПЛ), а внешнего - подвешенные полосковые линии (ППЛ). Эти линии имеют интересные особенности и возможности использования, но мало изучены. В частности, не исследовано распространение импульсных сигналов в межсоединениях реальных ПТМП. Не полно рассмотрены возможности уменьшения искажений сигналов за счет выбора параметров поперечного сечения одиночных и связанных полосковых линий, в .частности диэлектриков.

Цель работы - исследование и уменьшение искажений импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях помехозащищённых теплопроводных монтажных плат за счет выбора параметров диэлектриков.

Задачи исследования: создание макетов реальных ПТМП; вычисление погонных параметров и временных откликов одиночных и связанных линий на импульсный сигнал для различных параметров сигнала, линий и их окончаний, выявление возможностей уменьшения искажений сигналов; проведение эксперимента для проверки результатов компьютерного моделирования.

Научная новизна

1. Получены и исследованы модели распространения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях различного типа с разными параметрами.

1 Патент №2013032 Монтажная плата. НЛ.Базенков, Т.РХазизов. Опубл. в Б.И, 1994, №9

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 БИБЛИОТЕКА J

•11 1 I. ф

2 Установлены зависимости параметров одиночных и связанных линий от параметров диэлектриков и шага трассировки связанных линий.

3 Установлены зависимости уровня искажений импульсных сигналов от времени нарастания сигналов, длины и параметров одиночных и связанных линий.

4 Исследовано влияние числа слоев стеклоткани прокладочной и покрывающего слоя защитного лака на перекрестную помеху

Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием проверенных математических моделей, согласованностью результатов компьютерного и экспериментального моделирования, внедрением в учебный процесс и на производстве

Практическая значимость

1 Составлены справочные таблицы значений погонных параметров и отклика полосковых линий реальных ПТМП для их проектирования

2 Показано, что снижение числа слоев стеклоткани прокладочной уменьшает искажения сигналов

3 Нанесение сплошного слоя защитного лака можно использовать в качестве простого и дешевого способа уменьшения искажений сигналов

4 Локальным изменением толщины лака в избранных участках можно уменьшать перекрестную помеху в готовых платах

Использование результатов работы подтверждено тремя актами'

1 Принципы автоматизированного проектирования печатных плат с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС) внедрены в учебный процесс на кафедре телевидения и управления ТУСУРа в лабораторных работах по дисциплинам «Автоматизированное проектирование бытовой радиоэлектронной аппаратуры» и «Основы электромагнитной совместимости».

2 Подготовлен руководящий документ по проектированию печатных плат с учетом ЭМС для конструкторского отдела ФГУП «НПЦ «Полюс»

3. Результаты исследования межсоединений ПТМП использованы в НИР «Исследование методов н средств обеспечения ЭМС энергопреобразукяцей аппаратуры в системах электроснабжения автоматических космических аппаратов» по теме «Задел-Полюс ЭМС» (заказчик - Федеральное космическое агентство, г. Москва).

Апробация результатов. Результаты работы представлены в докладах на следующих симпозиумах и конференциях: 6-я Межд науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии ССТ2000», Томск, 2000 г.; 15-й Межд. вроцлавский симп по электромагнитной совместимости, Польша, 2000 г.; 7-й Межд. симп. по Антеннам и Распространению Волн, Япония, 2000 г.; 16-я науч.-техн. конф «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2000 г.; 6-я Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», Томск, 2004 г. (2 доклада); 12-е Туполевские чтения Межд. молодежная науч. конф., Казань, 2004 г.; науч.-техн. конф «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2004 г.; 7-я Всерос науч.-практ. конф. «Проблемы информационной безопасности государства, общества

и личности», Томск, 2005 г.; 11-я Межд. науч.-пракг конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии ССТ'2005», Томск, 2005 г. (получен сертификат).

Публикации. Результаты диссертационной работы представлены в 11 публикациях (1 статья в центральной печати, 2 доклада в трудах международных симпозиумов дальнего зарубежья, 6 докладов в трудах отечественных конференций, 2 тезисов в материалах отечественных конференций).

Структура и объем диссертации. Состав диссертации: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 67 наим., 4 прил. Объем диссертации составляет 133 стр., в том числе 20 рис. и 64 табл.

Личный вклад. Все результаты работы получены автором лично под руководством Т.Р. Газизова, используя модели H.A. Леонтьева2.

Положения, выносимые на защиту

1. Полученные модели распространения импульсных сигналов позволяют выполнить оценку искажений сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях реальных ПТМП.

2. Совокупность результатов выполненного моделирования позволяет выбрать параметры, минимизирующие искажения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях реальных ПТМП.

3. Уменьшение количества слоев стеклоткани прокладочной (от 8 до 4) уменьшает перекрестную помеху до 33 раз.

4 Нанесение слоя покрывающего лака уменьшает перекрест ную помеху в конце линии до 5 раз.

Краткое содержание работы

В гл. 1 выполнен обзор проблемы неискаженной передачи сигналов в межсоединениях, сформулированы цель и задачи для ее достижения. В гл. 2 описана структура макетов ПТМП, обоснован выбор материалов макетов, описана технология их изготовления, приведены результаты измерений геометрических параметров межсоединений. В гл. 3 выполнено моделирование одиночных ОПЛ и ППЛ, а в гл. 4 - двух связанных ОПЛ, двух связанных ППЛ, связанных ОПЛ и ППЛ. В гл. 5 представлены результаты сравнения компьютерного и экспериментального моделирования. В заключении сделаны выводы, показывающие достижение поставленной цели. В приложениях представлены акты использования результатов диссертационной работы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Проблема уменьшения искажений сигналов в межсоединениях монтажных плат

С целью выявления факторов, уменьшающих искажения сигналов в межсоединениях монтажных плат, рассмотрены следующие вопросы: виды монтажных плат, типы межсоединений монтажных плат, причины искажений сигналов в межсоединениях. Рассмотрены достоинства и недостатки основных ви-

2 Леонтьев H.A. Анализ временного отклика в межсоединениях быстродействующих радиоэлектронных схем. Дис.... канд. техн. наук. Томск: ТУ СУР, 2000. 164 с.

дов монтажных плат' плат с навесным монтажом на металлическом основании, двусторонних печатных плат (ДПП), многослойных печатных плат, ПТМП. Последняя обладает рядом новых свойств, описанных в диссертационной работе Важным вопросом представляется исследование сигнальных межсоединений ПТМП, поскольку именно они обеспечивают функционирование аппаратуры за счёт передачи сигналов между её элементами или углами. Выполнена классификация сигнальных межсоединений ПТМП. Из их многообразия выделены печатные проводники прямоугольного сечения в неоднородном диэлектрическом заполнении, представляющие собой ОПЛ и ППЛ.

Проанализированы основные причины искажений сигналов и способы их уменьшения. При передаче сигнала по одиночному межсоединению он задерживается по времени из-за конечной скорости распространения и затухает по амплитуде из-за потерь в материалах межсоединений. Но в печатных платах потерями и дисперсией часто пренебрегают. Важное влияние на искажения сигнала, передаваемого по межсоединению, оказывают нагрузки В результате часть сигнала отражается от каждой нагрузки и распространяется по межсоединению в обратном направлении. Эти явления исследовал Ю А. Чурин.

С ростом быстродействия элементной базы и увеличением плотности монтажа увеличиваются взамовлияния в соседних межсоединениях Сигнал в активной линии приводит к появлению напряжения (перекрестной помехи) в пассивной линии, которое может привести к сбою работы аппаратуры. Поэтому важно исследование процессов в связанных межсоединениях плат. Значительный вклад в решение этой проблемы внес Л.Н. Кечиев.

Уменьшение искажений сигналов осуществляется, прежде всего, соответствующим выбором параметров межсоединений Для снижения задержки сигнала в межсоединении фиксированной длины уменьшают относительную диэлектрическую проницаемость (е,) диэлектриков межсоединения. Когда диэлектрики заданы, снижение задержки достигается таким изменением размеров и расположения диэлектриков и проводников межсоединения, чтобы как можно большая часть электромагнитного поля сигнала распространялась в диэлектрике с меньшей ег Эти вопросы рассмотрел Л.В. Иванов.

Отражения сигнала от нагрузок на концах межсоединения уменьшаются с помощью согласования. В случае резистивных нагрузок традиционным способом согласования является выравнивание оконечной нагрузки с волновым сопротивлением межсоединения. Отметим, что полное согласование многопроводных линий передач (МПЛП) дается гораздо сложнее, чем одиночной линии Анализ реальных МПЛП выполнен в работах С. Ф. Чермошенцева.

В многопроводных межсоединениях, расположенных параллельно друг другу, уменьшение взаимовлияний достигается увеличением расстояния между ними. Однако эффективность этого способа существенно зависит от расположения сигнальных и обратного проводников межсоединений.

Таким образом, искажения сигналов в межсоединениях зависят, в общем случае, от соотношения параметров сигналов, межсоединений и их окончаний. Строгая оценка возможностей уменьшения искажений требует анализа отклика МПЛП, что, в общем случае произвольных воздействий, конфигураций МПЛП

и окончаний, является очень сложной задачей. Поэтому в данной работе исследуется только один отрезок одиночных и связанных линий с резистивными окончаниями. Отметим, что многие причины искажений зависят именно от параметров поперечного сечения межсоединений. Сильное влияние на искажения оказывает диэлектрическое заполнение, в реальности, как правило, неоднородное. Причина в том, что неоднородность диэлектрического заполнения неодинаково влияет на емкостные и индуктивные параметры межсоединений, соотношения которых, в свою очередь, определяют основные характеристики одиночных и связанных межсоединений. Этот аспект для ППЛ и ОПЛ со слоем воздуха исследовали В.М. Красноперкин, Г.С. Самохин и РА. Силин. В СВЧ-устройствах его использовали Н.Д Малютин, А.Н. Сычев, Э.В. Семенов. Первые исследования межсоединений ПТМП выполнили Н.И. Базенков и Т.Р. Га-зизов. Однако ряд важных вопросов остается не исследованным: влияние покрывающего диэлектрического слоя (лака) на искажения сигналов, зависимости величины искажений сигналов от параметров реального диэлектрического заполнения, моделирование временного отклика в реальных ПТМП. Между тем, исследование этих вопросов весьма важно и актуально, поскольку оно может выявить новые возможности уменьшения искажений.

В заключении гл.1 сформулированы цель и задачи работы (см. с.З).

2. Выбор и обоснование макетов

Макет (280x180 мм) представляет собой ДПП, припрессованную через изолирующий слой к металлической пластине. В качестве металлической пластины выбран алюминиевый лист толщиной 1 мм, который пригоден в качестве несущей конструкции, легок и обладает хорошей теплопроводностью В качестве изолирующего слоя использована стеклоткань прокладочная марки СТП-4-0,062 и материал склеивающий марки САФ-0,025 Это дешевые и доступные материалы, по диэлектрическим характеристикам близкие к характеристикам стеклотекстолита марки СТФ-2-35-0,25, из которого выполнена подложка.

Полученная подложка прессуется к металлической пластине в два этапа: сначала - с несколькими слоями СТП, а затем - к металлической пластине через два слоя пленки САФ По технологии прессования печатных плат подложка прессуется к металлической пластине не менее чем через 4 слоя СТП, так как меньшее количество слоев часто приводит к их продавливанию и не гарантирует изоляцию печатных проводников от металлической пластины.

Электрический контакт выводов общей земли сигналов и питания с металлической пластиной из алюминия можно осуществить пайкой После монтажа печатной платы она покрывается лаком УР-231 окунанием или кистью

Изготовлено 3 макета, в которых подложка прессовалась к металлической пластине через 4, 6 и 8 слоев СТП, соответственно Для вычисления электрических параметров межсоединений измерены их геометрические параметры: пшрина и толщина печатного проводника, толщина подложки Измерения проводились в ряде точек плат. Так как результаты измерений в разных точках плат отличаются, то для расчетов брались средние арифметические значения (табл.1). Таким образом, изготовлено 3 макета реальных ПТМП.

Табл.1 Исходные параметры линий (ег|=5,4, сг3д4,5, А3=0,5 мм)

Параметры 1 4 слоя СТП 6 слоев СТП 8 слоев СТП

я, мм | 0,35±0,05 Л ->-»+0,07 "'■"-0,03 Л «+0,04

/, мм Л 1А+0,04 Л 1^+0,07 0 П+0-07 и'1-3 0,03

Аь мм 0,298 0,422 0,546

/¡2, ММ 0 1740,03 ">'' -0.02 л 10+0,01 ">1У~0,04 0 п*0,03 ' -0.02

3. Вычисление параметров и временного отклика одиночных линий

Для одиночной ОПЛ и одиночной ППЛ (табл 2, где Аь А2, егЬ е^ - толщины и относительные диэлектрические проницаемости подложки и изолирующего слоя, и*, I - ширина и толщина проводника, <1 - расстояние от проводника до края структуры) с помощью программы ЬШРАК вычислены значения погонных индуктивности I, и емкости С, волнового сопротивления 2 и эффективной относительной диэлектрической проницаемости Прежде выполнено тщательное исследование сходимости 2 и показавшее корректность вычислений при выбранной дискретизации. Зависимости 2 и ~\г„ от числа слоев СТП для случаев без лака и с лаком представлены в табл.2.

Табл.2. Зависимости параметров линий без лака и с лаком от числа слоев СТП

Тип

ОПЛ

ППЛ

Конфигурация

Ей

й 1-" </ У/ и

6г1 Л,

а г^-,/ а

Ей ________

Ег1 М

2, Ом

-без лака — -с лаком

I I—I—I

4 5 6 7 8

Уе

2 2 2,1 -2 1,9 1,8

—без лака —с лаком

I 1 I

6 7

Для ОПЛ: увеличение количества слоев СТП увеличивает 2 от 25 Ом до 52 Ом, уменьшает на 3 %; наличие лака уменьшает 2 на 2 - 3 % и увеличивает на 2 - 3,5 %. Для ППЛ: увеличение количества слоев СТП увеличивает 2 от 64 Ом до 80 Ом, уменьшает на 0,6 %; наличие лака уменьшает 2 на 15% и увеличивает на 17% Таким образом, толщина изолирующего слоя оказывает существенное влияние на параметры ОПЛ, а на параметры ППЛ влияет незначительно, а наличие лака сильно влияет на ППЛ

Вычисления временного отклика в начале и конце линии выполнялись по аналитическим моделям (для Т-волны без учета потерь и дисперсии) для вычисления временного отклика на входной сигнал, являющийся перепадом напряжения с линейно нарастающим фронтом

Ы'нш (г) то -и- 1гМ1 - ¡л

где 1/(1)- единичная функция, С,- длительность фронта входного сигнала, в У,м - амплитуда перепада, равная напряжению на входной линии передачи при сопротивлении генератора равном волновому сопротивлению входной линии передачи, т.е амплитуда перепада равна половине ЭДС генератора.

Рассмотрим модель для отклика: последовательно соединенные входная линия передачи или источник сигнала (с адмиттансом Уо)> отрезок линии передачи (с адмиттансом 7[ и временем задержки тО и выходная линия передачи или нагрузки (с адмиттансом 70 (Рис. 1).

_7„ __._

7,,т 1

ум

УМ

у*0

Рис.] Эквивалентная схсма отрезка линии передачи с оконечными нагрузками

При подстановке (числа учитываемых отражений, взятого равным 10) модель позволяет вычислить отклики на дальнем и ближнем концах структуры,

*=1

.. 2]

где

•Ч>+/1 *1 2 /=Н1+Г2 М) + -Ч

70 +7] 70+7, 71+72 ^ и1\У1+Г2 Го+Ъ

27 27

К. (¡) =-5---'—Ут (/ - т,) - составляющая отклика на дальнем конце

70+7! г\+г2

' 7 —7

структуры, учитывающая проходящую волну; У] (/) = —-~Ут(()

У о

составляющая отклика на ближнем конце структуры, учитывающая отражение

" 27 27 7 —7

от начала отрезка линии передачи; V, (/) =-—-------2т,) -

^ ^ 70+7, 70 +7, 72+7, 1

составляющая отклика на ближнем конце структуры, учитывающая отражение от конца отрезка линии передачи; где УМ - входной сигнал.

Выбран перепад напряжения 5 В близкий к уровню логической «1» ряда цифровых микросхем Отклик вычислялся для <г= 1, 10, 50 не, тк. существуют микросхемы с такими параметрами (например, у микросхем 1526ЛН2 /,^50 не, а меньшее время фронта позволяет оценить возможность применения более быстродействующих микросхем) и для длин линий ¿=10, 20, 30 см, характерных для выбранного макета ПТМП.

Вычисление отклика выполнено для двух случаев, названных согласованным и рассогласованным В согласованном случае сопротивления в начале и в конце линий приняты равными 50 Ом, т.е сопротивлению стандартного тракта. 2 ОПЛ и ППЛ тоже близки к 50 Ом. В реальных платах линии часто не согласовывают, поэтому рассмотрен и такой случай. У цифровых микросхем (без учета реактивностей и нелинейностей) выходное сопротивление лежит в диапазоне от единиц до десятков омов, а входное составляет сотни килоомов и более Поэтому при вычислениях для рассогласованного случая полагалось, что в начале линии подключено сопротивление 8 Ом, а в конце - 1 МОм. Всего получено 144 отклика для одиночных линий

Вычисление отклика показало, что в согласованном случае сигнал нарастает до заданного уровня без искажений, а в рассогласованном - искажается из-за отражений от нагрузок Увеличение количества слоев СТП приводит к незначительному уменьшению (на 2,5 %) пикового значения напряжения в начале рассогласованной линии и к увеличению (на 14 %) напряжения в ее конце. Наличие защитного лака не оказывает существенного влияния на величину пикового значения напряжения в начале и в конце ОПЛ и ППЛ.

4. Вычисление матриц параметров и временного отклика связанных линий

Связанные ОПЛ, связанные ППЛ, связанные ОПЛ и ППЛ показаны на рис.2(а,б,в) Шаг трассировки (5+и>) принимался 0,625, 1,25, 2,5 мм и 0 мм для рис2е, как принято при трассировке обычных Д1111 Вычислены матрицы погонных коэффициентов электромагнитной [I.] и электростатической [С] индукции, из которых получены индуктивный К1=Ь\гН(Ь\\Ьгг) и емкостный ЛГс=-С|2/\'(С11С'22) коэффициенты связи.

<*2 А2 А г Ъл

1 Л

Л

_А, _¿1 1*1_А,

Рис.2 Конфигурация связанных ОПЛ (а), ППЛ (б), ОПЛ и ППЛ (<?)

Прежде выполнено тщательное исследование сходимости Кь и Кс, показавшее корректность вычислений при выбранной дискретизации. Поскольку уровень перекрестной помехи в начале пассивной линии может быть пропорционален (Кс+Кц), а в конце - (Кс-КС), то вычислены и эти величины (табл 3) С ростом числа слоев СТП (ХТс+АТх) и (Кс-К£) увеличиваются, что указывает на увеличение перекрестной помехи, как в начале, так и в конце линии

Табл.3. Параметры связи двух связанных линий

Тип Вели- 4 слоя СТП 6 слоев СТП 8 слоев СТП

мм чина без лака с лаком без лака с лаком без лака с лаком

0,625 кс+кь 0,288 0,297 0,509 0,520 0,652 0,664

Кс-К-1 0 0,009 0,009 0,020 0,016 0,028

5 1,25- Кс+Кг. 0,027 0,041 0,144 0,168 0,201 0,231

о Кс-Кь 0,015 0,029 -0,032 -0,008 -0,019 0,011

2,5 Кс^Кь 0,010 0,013 0,026 0,035 0,060 0,073

Кс-Кь -0,006 -0,003 -0,014 -0,005 -0,036 -0,023

0,625 Кс+Кь 0,585 0,746 0,649 0,802 0,720 0,894

Кс-К^ -0,157 0,004 -0,139 0,014 -0,134 0,020

5 1Д5 Кс+Кь 0,181 0,259 0,229 0,318 0,281 0,378

С Кс-Кь -0,093 -0,015 -0,097 -0,008 -0,101 -0,004

2,5 Кс+Кь 0,048 0,062 0,062 0,095 0,080 0,108

Кс-Кь -0,034 -0,020 -0,042 -0,009 -0,050 -0,022

0 Кс+Ъ 0,922 0,906 1,114 1,101 1,232 1,224

Кс-Кь 0,046 0,030 0,054 0,041 0,054 0,046

§ 0,625 Кс+К,. 0,345 0394 0,501 0,557 0,607 0,669

С -0,037 0,012 -0,033 0,023 -0,031 0,031

1,25 Кс+К1 0,097 0,132 1,022 1,071 0Д30 0,289

о Кс-Кг, -0,037 -0,002 -0,900 -0,851 -0,052 0,007

2,5 Кс+Кг. 0,023 0,030 0,040 0,054 0,059 0,0?8

Кс-К1 -0,015 -0,008 -0,024 -0,010 -0,034 0,012

Нанесение лака увеличивает Кс. Если без лака Кс » то нанесение лака нарушает это равновесие, и в пассивной линии появляется помеха. (Примером тому данные для связанных ОПЛ при ,т+и^0,625 мм.) Если без лака Кс < Кь то лак, увеличивая Кс, выравнивает Кс и К1. Нанесение лака уменьшает вплоть до нуля перекрестную помеху в конце пассивной линии. В некоторых случаях при покрытии линий лаком Кс-К-1 меняет знак с минуса на плюс, что говорит о смене полярности помехи в конце пассивной линии.

Модели для одиночных линий, применены и для связанных, подставляя параметры отрезков для четной и нечетной (верхние индексы "в" и "о") мод возбуждения, находят временной отклик, т.е. отражённую и проходящую (нижние индексы "Л" и "Г") волны напряжения, на входной сигнал для каждой из этих мод, а затем - - напряжения в началах и концах актив-

ной и пассивной линий, соответственно.

^(0 = -2к(0+= 1^/(0+^(0], К„(') = 0 = «-то].

Исследован временной отклик в начале и конце активной и пассивной линий трех типов (рис 2) для отрезка с ./>10, 20, 30 см на перепад в активной линии напряжением 5 В с 10, 50 не При моделировании для случая, названного согласованным, полагалось, что к началам и концам обеих линий

подключены сопротивления на землю, равные среднему геометрическому волновых сопротивлений четной и нечетной мод, т.е. обеспечивалось почти полное согласование связанных линий Рассмотрен и случай, названный рассогласованным, когда сопротивления в началах линий приняты равными 8 Ом, а в концах - 1 МОм. Всего получено 1440 откликов для связанных линий. Анализ всех откликов показал, что перекрестная помеха при уменьшении количества слоев от 8 до 4 уменьшается до 33 раз, а при нанесении лака - до 5 раз.

Пример отклика двух рассогласованных ППЛ для 4 слоев СТП представлен в табл.4. Видно, что сигнал в активной линии искажается из-за отражений от нагрузок на концах линии. Без лака максимальный выброс сигнала составляет в начале линии 6 %, а в конце - 70 % от установившегося уровня 5 В напряжения в линии. Вследствие взаимовлияния между двумя линиями в пассивной линии появляется перекрестная помеха. В начале линии уровень помехи составляет ±1 %, а в конце - до ±12 % от 5 В.

Табл.4. Формы сигнала (В, пс) в начале (—) и в конце (...) двух рассогласованных ППЛ при <г= 1 не для ¿=10 см, н>+з= 1,25 мм_

Без лака

С лаком

У«(1) V«»

У«<п

«(О

в то 1.5*10* I*»4

щм

V*«

----«г

-»«1

-•6 -««I

( ' , .» ' ' ,

. ч.

, • 1

Г

Нанесение лака на рассогласованные ППЛ почти не влияет на уровень искажений в активной линии, но существенно влияет на пассивную линию. Так, в начале пассивной линии пиковое значение напряжения немного увеличивается, а в конце - уменьшается до ±3,6 % от 5 В (т.е. в 3 раза) В рассогласованном случае форма напряжения в пассивной линии получается сложной. Сигнал в пассивной линии отражается от нагрузки 1 МОм с той же полярностью, идет в начало линии, где отражается от нагрузки с обратной полярностью Кроме того, на него налагается наводка сигнала, отраженного от конца активной линии Отметим, что при Кс < К1 самая ранняя компонента дальней перекрестной помехи имеет отрицательную полярность, что в рассогласованном случае увеличивает пиковые уровни напряжения более поздних компонент Поэтому влияние лака на уменьшение перекрестной помехи становится еще более важным. При увеличении длины линий перекрестная помеха в начале линии по амплитуде не увеличивается, а в конце увеличивается пропорционально длине Табл.5. Формы сигнала (В, пс) в начале (—) и в конце (...) двух согласованных ОПЛ при /,=1 не для ¿=30 см, уу+д=1,25 мм_

Без лака

V«*«

V«»

0 Ж» |Ч«{ ич** ¡п>*

—" I I

VI*!)

а х» <ч^4 имо' т'

С лаком

V*!)

|*мг . гп по

У«1>

к

1-Й*4 , л<(* по*

Табл.6. Формы сигнала (В, пс) в начале ( -) и в конце (...) двух рассогласованных ОПЛ и ППЛ при /,=1 не для£°30 см, уу+^1,25 мм Без лака С лаком

V»»!) V«!)

1.5 Ч» 14», «!•» 6*10 I»

по (гчо р

У»«1> V«!)

м —

0}----

.4 ; « ;

•г ;

-и

"«Л

-ил -м

ЧщМ УЩ»

6.1

0 и

01 01»

О

-о» [

I

-III1

!

-о 11[-"04 '

о ик 340'

I"

« и»!»4 4.114* по*

Примеры временного отклика для связанных согласованных ОПЛ приведены в табл.5, а для рассогласованных ОПЛ и ППЛ - в табл 6. Из табл 5 видно, что в пассивной линии появляется помеха напряжением в начале линии приблизительно 1,4 %, а в ее конце - -1,5 % При нанесении лака помеха в начале пассивной линии немного увеличивается, а в конце - существенно уменьшается, причем меняет свою полярность Из табл.6 следует, что в начале пассивной линии помеха составляет 2%, а в конце - 8 %. При нанесении лака помеха в начале пассивной линии уменьшилась до 0,8 %, а в конце - до 2,8 %

Для платы с 4 слоями СТП максимальные значения напряжения (в % от установившегося напряжения 5 В в активной линии) в пассивной линии для согласованного и рассогласованного случаев при разных значениях .?+■№, /„ Ь для ОПЛ, ППЛ, ОПЛ и ППЛ без лака и с лаком сведены в табл 7, из которой видно, что наибольшая величина искажений в связанных линиях присуща ППЛ. Даже в связанных ОПЛ и ППЛ, расположенных друг под другом, величина искажений значительно меньше. Нанесение лака сильнее всего влияет на ППЛ.

Табл 7 Максимальные значения напряжения (В % от 5 В) в пассивных линиях

'г, Л V, ИИ ОПЛ ППЛ ОПЛиППЛ

НС 10 сн 20 сн 30 сн 10 см 20 си 30 сн 10 сн 20 сн 30 см

0 - - - _ - _ 15,84 15,84 15,84

% 0,625 7,24 7,24 7,24 15,06 15,06 15,06 6,9 6,9 6,9

1,25 1,36 1,36 1,36 4,54 4,54 4,54 1,58 2,22 3,34

1 \6 2,5 0,26 0,26 0,26 1,18 1,18 1,18 0,4 0,8 1,2

0 - - - - - - 16,56 16,56 16,56

1 0,625 7,4« 7,48 7,48 19,34 19,34 19,34 6,7 6,7 6,7

1,25 1,72 1,72 1,72 6,5 6,5 6,5 2,22 2,22 2,22

2,5 034 0,34 0,34 1,54 1,54 1,54 0,5 0,5 0,68

д 0 - - - - - - 2,5 5,02 7,52

V 1 0,625 1,1 2,2 3,3 1,84 3,66 5,5 1,04 2,06 3,1

? 1,25 0,2 0,4 0,62 0,56 1,1 1,66 0,24 0,48 0,72

ю 10 А 2,5 0,04 0,08 0,12 1,18 1,18 0,44 0,06 0,12 0,16

0 - - - - - - 2,64 5,28 7,92

В 1 0,625 1,16 2,3 3,46 2,88 5,76 8,64 1,04 2,06 3,1

и 1,25 0,26 0,52 0,78 0,94 1,88 2,8 0,34 0,68 1,02

2,5 0,06 0,1 0,16 0,22 0,44 0,66 0,08 0,16 0,22

В ¡3 0 - - - - _ - 0,5 1 1,5

0,625 0,22 0,44 0,66 0,36 0,74 1,1 0,2 0,42 0,62

1,25 0,04 0,08 0,12 0,1 0,22 0,34 0,04 0,1 0,14

50 2,5 0,007 0,015 0,02 0,02 0,06 0,008 0,011 0,02 0,04

0 - - - - - - 0,52 1,06 1,58

0,625 0,22 0,46 0,7 0,58 1,16 1,74 0,2 0,42 0,62

ч 1,25 0,06 0,1 0,16 0,18 0,38 0,56 0,06 0,14 0,2

2,5 0,01 0,02 0,04 0,04 0,08 0,14 0,015 0,04 0,04

0 - - - _ - 13,06 14,88 15,64

1 0,625 4,72 4,72 4,72 20,26 35,92 50,22 5,42 5,62 6,38

в 1,25 1,86 2,86 4 11,84 22,64 33,44 3,68 6,2 8,72

1 10 2,5 0,6« 1,2 1,72 4,24 8,22 12,18 1,2 2,12 3,06

0 - - - - - 13,4 13,4 13,72

0,625 5,12 5,82 6 7,52 8,2 8,04 5,04 5,04 5,04

1,25 1,12 1,22 1,2 3,86 5,58 7,46 1,94 2,26 2,58

2,5 0,44 0,72 0,98 2,88 5,62 8,22 0,82 1,34 1,86

0 - - - - - - 1,28 3,3 5,28

0,625 0,58 1,2 2,04 1,12 2,26 4,58 0,6 1,2 1,84

1,25 0,1 0,28 0,48 0,58 1,2 2,9 0,16 0,46 0,66

О 10 <ъ 2,5 0,04 0,1 1,72 0,2 0,44 1,1 0,05 0,16 0,19

3 0 - - - - 1,5 3,4 5,6

ё 0,625 0,66 1,32 2,16 0,8 1,62 236 0,54 1,2 2,02

р. 1 1,25 0,14 0,28 0,48 0,22 0,4 0,86 0,15 0,4 0,78

о 2,5 0,02 0,08 0,12 0,18 0,46 0,68 0,04 0,12 0,19

Я, 0 - - - - - - 0,2 0,72 0,64

г: 0,625 0,086 0,128 0,154 0,128 0,36 0,64 0,14 0,24 0,32

1,25 0,01 0,1 0,058 0,1 0,22 0,36 0,04 0,1 0,08

50 <2 2,5 0,001 0,005 0,015 0,005 0,078 0,132 0,007 0,02 0,02

0 _ - _ - - - 0,24 0,74 0,72

§ 0,625 0,094 0,162 0,176 0,162 0,32 0,48 0,1 0,28 0,26

щ 1,25 0,017 0,038 0,058 0,038 0,1 0,112 0,04 0,08 0,08

и 2,5 0,002 0,012 0,015 0,012 0,062 0,072 0,009 0,02 0,02

5. Экспериментальное моделирование

Для экспериментального моделирования распространения импульсных сигналов выбран фрагмент макета из двух связанных ППЛ длиной 4 см с 5+уу-0,625 мм Около окончаний этих линий выполнены 4 отверстия с резьбой М5. В них установлены коаксиально-полосковые переходы типа СРГ-50. Вывод каждого перехода соединен с концом линии короткой перемычкой

Состав установки: осциллограф универсальный типа С1-91, в состав которого входят блок стробоскопического преобразователя Я4С-100, блок генератора Я4С-89, блок стробоскопической развертки Я4С-95, смеситель стробоскопический (0-18 ГГц), формирователь (£/>0,4 В. /г<50 пс); аттенюатор (6 дБ).

Импульсный сигнал подается с блока генератора на формирователь, к которому присоединен аттенюатор. Начало линии соединено с аттенюатором, а конец - со входом смесителя. Выход смесителя соединен кабелем с блоком стробоскопического преобразователя. Блок генератора соединен кабелем с блоком стробоскопической развертки.

Эксперимент проводился только на макете с 4 слоями СТП, поскольку волновое сопротивление линий на этом макете максимально близко к сопротивлению стандартного тракта 50 Ом. На начало активной линии макета подавался перепад напряжения 200±5 мВ, спадающий за 50 пс Чтобы на экране осциллографа наблюдать наводку на пассивной лиши, к концу пассивной линии подключался кабель от входа смесителя, а к свободным концам линий - нагрузки 50 Ом. На экране осциллографа наблюдалась перекрестная помеха уровнем 4Ф&1 мВ, т.е. 20 % от перепада.

Для определения влияния лака на перекрестную помеху, на линии последовательно наносились кистью слои лака УР-231 После нанесения первого слоя уровень перекрестной помехи стал 30±1 мВ, а после второго - 20±1 мВ Увеличение числа слоев до 8 уменьшило уровень помехи до 10±1 мВ, т.е. до 5 % от перепада. Влияние последующих слоев на уровень перекрестной помехи не так существенно, как влияние первых слоев. Результаты эксперимента показали, что лак существенно уменьшает перекрестную помеху в конце линии,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы созданы макеты реальных ПТМП, вычислены погонные параметры и временные отклики одиночных и связанных линий на импульсный сигнал для различных параметров сигнала, линий и их окончаний, выявлены возможности уменьшения искажений сигналов, проведен эксперимент, подтверждающий выводы, полученные путем вычислительного моделирования.

Основные результаты работы заключаются в следующем. Полученные модели распространения импульсных сигналов позволяют выполнить оценку искажений сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях реальных ПТМП. Совокупность результатов выполненного моделирования позволяет выбрать параметры, минимизирующие искажения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях реальных ПТМП. Уменьшение количества слоев стеклоткани прокладочной (от 8 до 4) уменьшает перекрестную

помеху до 33 раз. Нанесение слоя покрывающего лака уменьшает перекрестную помеху в конце линии до 5 раз

Научная новизна работы заключаются в следующем. Получены модели распространения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях различного типа с разными параметрами. Установлены зависимости параметров одиночных и связанных линий от параметров диэлектриков и шага трассировки связанных линий. Установлены зависимости уровня искажений импульсных сигналов от времени нарастания сигналов, длины и параметров одиночных и связанных линий. Исследовано влияние числа слоев стеклоткани прокладочной и покрывающего слоя защитного лака на перекрестную помеху

Достоверность результатов работы подтверждается корректным использованием проверенных математических моделей, согласованностью результатов компьютерного и экспериментального моделирования, внедрением в учебный процесс и на производстве.

Практическая значимость заключаются в следующем. Составлены справочные таблицы значений погонных параметров и отклика полосковых линий реальных ПТМП для их проектирования. Показано, что снижение числа слоев стеклоткани прокладочной уменьшает искажения сигналов Нанесение сплошного слоя защитного лака можно использовать в качестве простого и дешевого способа уменьшения искажений сигналов. Локальным изменением толщины лака в избранных участках можно уменьшать перекрестную помеху в готовых платах.

Результаты работы использованы в учебном процессе ТУСУР и на производстве.

Таким образом, в результате работы выполнено исследование искажений импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях помехозащищённых теплопроводных монтажных плат и показаны возможности уменьшения искажений за счет выбора параметров диэлектриков, так что цель диссертационной работы достигнута.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кузнецова-Таджибаева О.М., Леонтьев НА., Газизов Т.Р. Способ уменьшения дальней перекрёстной помехи в связанных микрополосковьгх линиях. Труды VI межд. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии ССР2000», Томск, 28 февраля - 3 марта 2000 г Сб. Статей. - Томск: ТПУ, Томск, 2000. С. 171 172.

2 Gazizov T.R., Leontiev N.A., Kuznetsova-Tadjibaeva О.М. Far-end crosstalk reduction in coupled microstrip lines with covering dielectric layer Proc. of the 15-th Int. Wroclaw Symp on EMC, Wroclaw, Poland, 27-30 June, 2000. P. 4549.

3. Gazizov T.R., Leontiev NA., Kuznetsova-Tadjibaeva O.M. Simple and low-cost method of far-end crosstalk reduction in coupled microstrip lines. Proc. of the 7-th Int. Symp. on Antennas and Propagation (ISAP'2000), Fukuoka, Japan, August 22-25,2000. Vol 3. P. 1355-1358.

4 Кузнецова-Таджибаева О.М., Газизов Т.Р. Классификация коммутационных плат и используемых в них межсоединений для оценки паразитных эффектов Тез. докл. XVI науч -техн. конф «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 19-20 октября 2000 г. С. 236-238.

5 Кузнецова-Таджибаева О М., Газизов Т.Р. Помехи отражения в одиночных линиях связи печатной платы на металлическом основании. Материалы Шестой Всероссийской науч.-практ. конф. «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», Томск, 2-4 июня 2004 г. С. 116-118.

6 Кузнецова-Таджибаева О.М., Газизов Т.Р Перекрестные помехи в связанных линиях печатной платы на металлическом основании. Материалы Шестой Всероссийской науч -практ конф. «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», Томск, 2-4 июня 2004 г. С 119-121.

7. Кузнецова-Таджибаева О.М. Исследование помех отражения в печатных платах на металлическом основании. Международная молодежная научная конференция «XII Туполевские чтения», Казань, 1011 ноября 2004 г. С. 159-160.

8 Газизов Т.Р., Заболоцкий А М., Кузнецова-Таджибаева О.М. Исследование модальных искажений импульсного сигнала в многопроводных линиях с неоднородным диэлектрическим заполнением Электромагнитные волны и электронные системы. №11,2004 г. С. 18-22.

9 Кузнецова-Таджибаева О М. Исследование перекрестных помех в связанных полосковых линиях Науч.-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск 20 октября 2004 г, С.61-63.

10. Кузнецова-Таджибаева О.М. Перекрестные помехи в связанных подвешенных и обращенных полосковых линиях. Материалы Седьмой Всероссийской науч-пракг. конф. «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», Томск, 16-18 февраля 2005 г. С. 26-28.

11. Кузнецова-Таджибаева О.М. Влияние диэлектрического заполнения на перекрестные помехи в связанных подвешенных и обращенных полосковых линиях. Труды XI межд. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии ССТ2005», Томск, 28 марта- 1 апреля 2005 г. Сб статей. - Томск. ТПУ, Томск, 2005.1 том, С. 205-206.

I

f

№25 4 4 9

РНБ Русский фонд

2006-4 28079

Отпечатано в ООО «НИП», г. Томск, ул. Советски, 47, теп.: 53-14-70 эахаз № 1129-05, тираж 100 экз.

ь 1. Проблема уменьшения искажений сигналов в межсоединениях монтажных плат.

1.1 Виды монтажных плат.

1.2 Типы сигнальных межсоединений помехозащищенной теплопроводной монтажной платы.

1.3 Причины искажений и способы их уменьшения.

1.4 Постановка задач исследования.

2. Выбор и обоснование макетов.

2.1 Структура макетов.

2.2 Материалы для макетов.

2.3 Технология изготовления ПТМП.

2.4 Измерение геометрических параметров межсоединений.

3. Вычисление параметров и временного отклика одиночных линий.

3.1 Вычисление параметров линий.

3.1.1 Проверка сходимости результатов.

3.1.2 Обращенная полосковая линия.

3.1.3 Подвешенная полосковая линия.

3.2 Вычисление временного отклика.

3.2.1 Используемая модель.

3.2.2 Выбор параметров.

3.2.3 Обращенная полосковая линия.

3.2.4 Подвешенная полосковая линия.

3.3 Основные результаты главы.

4. Вычисление матриц параметров и временного отклика связанных линий.

4.1 Вычисление матриц параметров линий.

4.1.1 Проверка сходимости результатов.

4.1.2 Обращенные полосковые линии.

4.1.3 Подвешенные полосковые линии.

4.1.4 Обращенная и подвешенная полосковые линии.

4.2 Вычисление временного отклика.

4.2.1 Обращенные полосковые линии.

4.2.2 Подвешенные полосковые линии.

4.2.3 Обращенная и подвешенная полосковые линии.

4.3 Основные результаты главы.

5. Экспериментальное моделирование.

Актуальность работы. В современных устройствах вычислительной техники и систем управления широко используются импульсные сигналы. Элементы этих устройств связаны между собой межконтактными электрическими соединениями, кратко называемыми межсоединениями. При распространении в них сигналы задерживаются по времени, отражаются от неоднородностей, затухают из-за потерь, создают перекрестные наводки в соседних межсоединениях. Эти факторы способны существенно исказить сигналы, особенно высокочастотные. Поэтому проблема неискаженной передачи импульсных сигналов в межсоединениях высокой плотности становится одной из главных преград дальнейшему совершенствованию вычислительной техники и систем управления. Искажения сигналов присутствуют даже в микросборках, но особенно сильно проявляются в монтажных платах из-за плотной трассировки и большой длины межсоединений.

Состояние вопроса. Ряд ведущих фирм и университетов мира интенсивно исследуют явления, которые происходят в межсоединениях на печатных платах. Получены существенные результаты. Но обзор состояния существующих исследований не позволяет говорить об их полном завершении и выявляет задачи, которые ждут своего решения. Среди основных видов монтажных плат особый интерес вызывают платы на металлическом основании, которое является одновременно жесткой несущей конструкцией, электромагнитным экраном и теплоотводом. Если металлическая пластина является и схемной землей, то печатные проводники ее внутреннего слоя образуют обращенные полосковые линии (ОПЛ), а внешнего - подвешенные полосковые линии (ППЛ). Эти линии сравнительно мало изучены, но имеют интересные особенности и возможности использования. В частности, распространение импульсных сигналов в линиях связи реальных плат на металлическом основании, применяемом в качестве схемной земли, остаётся не исследованным. Слабо изучены возможности уменьшения искажений сигналов за счет соответствующего выбора параметров поперечного сечения ОПЛ и ППЛ, в частности их диэлектрического заполнения.

Цель работы - исследование и уменьшение искажений импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях помехозащищённых теплопроводных монтажных плат за счет выбора параметров диэлектриков.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать макеты реальных ПТМП.

2. Вычислить погонные параметры и временные отклики одиночных и связанных линий на импульсный сигнал для различных параметров сигнала, линий и их окончаний.

3. Выявить возможности уменьшения искажений сигналов.

4. Провести эксперимент для проверки результатов компьютерного моделирования.

Методами исследования являются компьютерное моделирование электрических параметров и характеристик полосковых линий, а также экспериментальное моделирование распространения импульсных сигналов в межсоединениях.

Научная новизна

1. Получены и исследованы модели распространения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях различного типа с разными параметрами.

2. Установлены зависимости параметров одиночных и связанных линий от параметров диэлектриков и шага трассировки связанных линий.

3. Установлены зависимости уровня искажений импульсных сигналов от времени нарастания сигналов, длины и параметров одиночных и связанных линий.

4. Исследовано влияние числа слоев стеклоткани прокладочной и покрывающего слоя защитного лака на перекрестную помеху.

Достоверность результатов, приведенных в работе, подтверждается корректным использованием проверенных математических моделей, согласованностью результатов компьютерного и экспериментального моделирования, внедрением в учебный процесс и на производстве.

Практическая значимость

1. Составлены справочные таблицы значений погонных параметров и отклика полосковых линий реальных ПТМП для их проектирования.

2. Показано, что снижение числа слоев стеклоткани прокладочной уменьшает искажения сигналов.

3. Нанесение сплошного слоя защитного лака можно использовать в качестве простого и дешевого способа уменьшения искажений сигналов.

4. Локальным изменением толщины лака в избранных участках можно уменьшать перекрестную помеху в готовых платах.

Реализация и внедрение результатов исследований

1. Принципы автоматизированного проектирования печатных плат с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС) внедрены в учебный процесс на кафедре «Телевидение и управление» ТУСУРа в лабораторных работах по дисциплинам «Автоматизированное проектирование бытовой радиоэлектронной аппаратуры» и «Основы электромагнитной совместимости» (Приложение 1).

2. Подготовлен руководящий документ по проектированию печатных плат с учетом ЭМС для конструкторского отдела в ФГУП «НПЦ «Полюс» ф (Приложение 2).

3. Разработан раздел «Передача сигнала и его искажения по линиям печатных плат» в НИР «Исследование методов и средств обеспечения ЭМС энергопреобразующей аппаратуры в системах электроснабжения автоматических космических аппаратов» по теме «Задел-Полюс ЭМС» (Приложение 3).

Апробация результатов. Результаты диссертационной работы fc представлены в докладах на следующих симпозиумах и конференциях:

1. 6-я Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии ССТ'2000", Томск, 2000 г.

2. 15-й Международный Вроцлавский Симпозиум по Электромагнитной Совместимости, Польша, 2000 г.

3. 7-й Международный Симпозиум по Антеннам и Распространению Волн, Япония, 2000 г.

4. 16-я научно-техническая конференция «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2000 г.

5. 6-я Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», Томск,

2004 г. (2 доклада).

6. 12-е Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, 2004 г.

7. Научно-техническая конференция «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2004 г.

8. 7-я Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности», Томск,

2005 г.

9. 11-я Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии ССТ'2005", Томск, 2005 г. (Приложение 4)

Публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации, отражены в 11 публикациях. Из них статей в центральной печати — 1, докладов в трудах международных симпозиумов дальнего зарубежья - 2, докладов в трудах отечественных конференций - 6, тезисов в материалах отечественных конференций - 2.

Структура и объем диссертации. В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, библиографический список использованной литературы из 67 наименований, 4 приложения. Объем диссертации составляет 132 стр., в том числе 20 рис. и 62 табл.

Личный вклад. Все результаты работы получены автором под руководством Т.Р. Газизова, используя модели Н.А. Леонтьева.

На защиту выносятся

1. Полученные модели распространения импульсных сигналов позволяют выполнить оценку искажений сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях реальных ПТМП.

2. Совокупность результатов выполненного моделирования позволяет выбрать параметры, минимизирующие искажения импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях реальных ПТМП.

3. Уменьшение количества слоев стеклоткани прокладочной (от 8 до 4) уменьшает перекрестную помеху до 33 раз.

4. Нанесение слоя покрывающего лака уменьшает перекрестную помеху в конце линии до 5 раз.

Краткое содержание работы

В гл. 1 показаны суть проблемы неискаженной передачи сигналов в межсоединениях и ее актуальность для монтажных плат. Выполнена классификация монтажных плат, рассмотрены их достоинства и недостатки. Рассмотрены основные типы межсоединений монтажных плат. Проанализированы основные причины искажений и способы их уменьшения. Поставлены задачи для выполнения цель работы.

В гл. 2 описана структура макетов помехозащищенных теплопроводных •монтажных плат (ПТМП). Обоснование выбора материалов макетов. Описана технология их изготовления. Приводятся результаты измерений геометрических параметров межсоединений.

В гл. 3 выполнено моделирование одиночных ОПЛ и ППЛ: вычисление погонных электрических параметров межсоединений и вычисление временного отклика.

В гл. 4 приведены результаты исследований импульсных сигналов в связанных обращенных полосковых линиях, связанных подвешенных полосковых линиях, связанных обращенной и подвешенной полосковых линиях.

В гл. 5 представлены результаты эксперимента.

В заключении сделаны выводы, показывающие достижение поставленной цели. В приложениях представлены акты использования результатов диссертационной работы.

1. Проблема уменьшения искажений сигналов в межсоединениях монтажных плат

С ростом быстродействия полупроводниковых приборов все большая доля времени распространения сигналов приходится на задержки в межсоединениях микросхем, что становится существенным фактором, влияющим на быстродействие схемы в целом. В платах и блоках этот эффект проявляется еще сильнее, поскольку их размеры больше, и длина межсоединений может составлять несколько длин волн распространяющихся по ним сигналов. С ростом электрической длины межсоединений их следует рассматривать как цепи с распределенными параметрами. Конечное время распространения электрических сигналов в таких межсоединениях вызывает искажения формы сигналов, причинами которых являются: отражения сигналов от различных (резистивных, комплексных, в том числе нелинейных) нагрузок и неоднородностей; потери в межсоединениях; частотная зависимость потерь и задержек в межсоединениях; разброс параметров межсоединений по длине [1].

Одним из основных способов уменьшения времени задержки сигналов в межсоединениях является уменьшение их длины за счет повышения плотности монтажа электронных схем. Но при этом увеличиваются электромагнитные взаимовлияния между различными межсоединениями, что особенно характерно для плотных и разветвленных межсоединений цифровых схем [2]. Поэтому межсоединения рассматривают как связанные линии передачи с распределенными параметрами или, в общем случае, как многопроводные линии передачи (МПЛП). Электрические сигналы, передаваемые по таким межсоединениям, подвергаются, кроме перечисленных выше, дополнительным амплитудным и фазовым искажениям (перекрестным помехам), вызванным электромагнитными наводками от соседних межсоединений, а также различием скоростей распространения многочисленных мод, возбуждаемых в МПЛП [3].

Проблемы, возникавшие ранее, в основном, перед разработчиками СВЧ-техники, в настоящее время возникают перед самым широким кругом разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Поэтому важно решать проблемы межсоединений, т.к. именно они зачастую становятся главной преградой на пути создания быстродействующей, компактной и, в то же время, помехоустойчивой и надежной аппаратуры. Не учет указанных факторов при проектировании какой-либо части устройства способен стать причиной сбоев и ненадёжности в работе устройства в целом, которые трудно локализовать и устранить без больших затрат.

Проблема неискаженной передачи электрических сигналов в межсоединениях возникает практически на всех структурных уровнях радиоэлектронной аппаратуры: в микросхемах (межкристальные соединения в многокристальных чипах, корпус СБИС с большим числом выводов); в субблоках (печатные платы, платы с тонкопроволочным монтажом и прочие монтажные платы); в блоках (многоконтактные соединители и объединительные панели); в шкафах и стойках (многопроводные жгуты и кабели) [4]. Однако особенно острой эта проблема оказывается для монтажных плат, поскольку, отличаясь сложной топологией и высокой плотностью монтажа, их соединения могут достигать длины в несколько десятков сантиметров. По этой причине объектом исследования данной работы выбраны межсоединения монтажных плат.

С целью выявления факторов, уменьшающих искажения передачи сигналов в межсоединениях монтажных плат, далее более подробно рассмотрены: а) виды монтажных плат; б) типы межсоединений монтажных плат; в) причины искажений сигналов в межсоединениях.

Результаты работы использованы в учебном процессе ТУСУР и на производстве.

Таким образом, в результате работы выполнено исследование искажений импульсных сигналов в одиночных и связанных полосковых линиях помехозащищённых теплопроводных монтажных плат и показаны возможности уменьшения искажений за счет выбора параметров диэлектриков, так что цель диссертационной работы достигнута.

Заключение

В результате работы созданы макеты реальных ПТМП, вычислены погонные параметры и временные отклики одиночных и связанных линий на импульсный сигнал для различных параметров сигнала, линий и их окончаний, выявлены возможности уменьшения искажений сигналов, проведен эксперимент, подтверждающий выводы, полученные путем вычислительного моделирования.

1. Газизов Т.Р. Совершенствование межсоединений монтажных плат: Дис. . канд. техн. наук. Томск: ТУ СУР, 1998. 164 с.

2. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. - 224 с.

3. Кузнецов П.И., Стратонович Р.Л. Распространение электромагнитных волн в многопроводных системах: Сб. статей. М.: ВЦ АН СССР, 1958. — 84 с.

4. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1990. — 432 с.

5. Технология многослойных печатных плат /А.А.Федулова, Ю.А.Устинов, Е.П.Котов и др. М.: Радио и связь, 1990. -208 с.

6. Патент №2013032 РФ. Монтажная плата / Н.И.Базенков, Т.Р.Газизов; Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники // Б.И., 1994, №9.

7. Чурин Ю.А. Переходные процессы в линиях связи быстродействующих ЭВМ. М.: Советское радио, 1975. - 207 с.

8. Брук Б.И. Перекрестные наводки в сигнальных цепях ЭЦВМ. М.: ИГМ и ВТ, 1973.-59 с.

9. Amemija Н. Time-domain analysis of multiple parallel transmission lines // RCA Review, June 1967. PP. 241-276.

10. Gazizov T.R. Far-end crosstalk reduction in double-layered dielectric interconnects // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. Special issue on recent advances in EMC of printed circuit boards. Vol. 43, no.4, November 2001. PP. 566-572.

11. Конструкторско-технологические основы проектирования полосковых микросхем / И.П.Бушминский, А.Г.Гудков, В.Ф.Дергачев и др.; Под ред. И.П.Бушминского. — М.: Радио и связь, 1987

12. Gu Q. and Kong J.A. Transient analysis of single and coupled lines with capacitively-loaded junctions // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. vol. MTT-34, no.9, Sept. 1986. PP. 952-964.

13. БазенковН.И. Нелинейные эффекты и электромагнитная совместимость: Учебное пособие. Томск: ТУСУР, 1997. - 216 с.

14. Иванов JI.В. Перекрестные наводки в системе двух линий. Вопросы радиоэлектроники. Сер. - Электронная вычислительная техника, 1971, Вып.5, с.3-20

15. Faraji-Dana R. and Chow Y.L. The current distribution and AC resistance of a microstrip structure // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.MTT-38, Sept,1990. PP. 1268-1277.

16. Чермошенцев С.Ф. Автоматизация печатных плат цифровых электронных средств с учетом электромагнитной совместимости: Автореф. дис. . д-ра. техн. наук. М., 2005. 32 с.

17. Hsue C.-W. Elimination of ringing signals for a lossless, multiple-section transmission line // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. vol. MTT-37, Aug. 1989. PP. 1178-1183.

18. Frye R.C. and Chen H.Z. Optimal self-damped lossy transmission line interconnections for multichip modules // IEEE Trans. Circuts Syst.-II: Analog and digital signal processing, vol.39, no.l 1, Nov. 1992. PP. 765-771.

19. Nayak D., Hwang L.T. and Tirlik I. Simulation and design of lossy transmission lines in a thin-film miltichip package // IEEE Trans. Сотр. Hybrids and Manuf. Tech., vol.13, no.2, June 1990. PP. 294-302.

20. Стрижевский Н.З. Взвешенное рассогласование кабеля // Электросвязь, 1991, №9, с.24.

21. Feller A., Kaupp H.R. and Digiacomo J.J. Crosstalk and rreflections in high-speed digital systems // Proceedings Fall Joint Computer Coference, 1965. PP.512525.

22. Carin L. and Webb K.J. Isolation effects is single- and dual plane VLSI interconnects // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. vol. MTT-38, no.4, April 1990. PP. 396-404.

23. Djordjevic A., Sarkar T. and Harrington R.F. Time-domain response of multiconductor transmission lines // IEEE Proceedings, vol.75, no.6, June 1987. PP. 743-764.

24. Guggenbuhl W. And Morbach G. Forfard crosstalk compensation on bus lines // IEEE Trans, on CAS-I, v.CAS-40, №8 August 1993. PP. 523-527,.

25. Krage M.K., Haddad G.I. Characterisics of coupled microstrip lines //1: Evalution of compled-line parameters. IEEE Trans. On MTT, 1970, v.MTT-18, №4. PP. 222-228.

26. Красноперкин B.M., Самохин Г.С., Силин P.A. Подвешенные связанные полосковые линии. Электронная техника Сер. Электроника СВЧ, 1983, вып. 6(354), с.29-33.

27. Horno М. and Marques R. Coupled microstrips on double anisotropic layers // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. vol. MTT-32, April 1984. PP. 467-470.

28. Teshe F.M. and Liu Т.К. Application of multiconductor transmission line network analysis to internal interaction problems // Electromagnetics, vol.6, no.l, 1986. PP. 1-20.

29. Djordjevic A.R. and Sarkar Т.К. Analysis of time response of lossy multiconductor transmission line networks // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. vol. MTT-35, Oct. 1987. PP. 898-907.

30. Bracken J.E., Raghavan V., Rohrer R.A. Interconnect simulation with asymptotic waveform evaluation (AWE) // IEEE Trans. Circuits Syst.-I: Fundamental Theory and Applications, vol.39, no.l 1, Nov.1992. PP. 869-878.

31. Тотаг R.S. and Bhartia P. New quasi-static models for the computer-aided design of suspended and inverted microstrip lines // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., MTT-35, Apr.1987. PP. 453-457.

32. Красноперкин B.M., Самохин Г.С., Силин P.A. Анализ характеристик подвешенной и обращенной полосковых линий.— Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1981, вып. 12(336), с. 32-38.

33. Гвоздев В.И., Кузаев Г.А., Назаров И.В. Топологические ключи для пикосекундной цифровой обработки СВЧ-сигналов // Микроэлектроника, 1995, т.24, №1, с. 16-29.

34. Газизов Т.Р. Характеристики подвешенной и обращённой полосковых линий. // Известия вузов. Физика, №2, 1996, С. 126-128.

35. Gazizov T.R. Computer simulation of electromagnetic coupling in interconnects of a double-layered dielectric PCB: parallel lines on one side of the layer. Proc. of the 13-th Int. Wroclaw Symp. on EMC. Wroclaw, Poland, June 25-29, 1996. PP. 230-234.

36. Bazenkov N.I. and Gazizov T.R. EMC improvement of a double-sided printed circuit board. Proc. of the 11-th Int. Wroclaw Symp. on EMC. Wroclaw, Poland, September 2-4, 1992. PP. 381-384.

37. Gazizov T.R. and Bazenkov N.I. On the crosstalk reduction in printed circuit boards. Proc. of the 12-th Int. Wroclaw Symp. on EMC. Wroclaw, Poland, June 28-July 1, 1994. PP. 550-553.

38. Gazizov T.R. and Leontiev N.A. Calculation of Transient Response in Interconnects of a Double-Layered Dielectric PCB. Proc. of the 1996 Asia-Pacific Microwave Conf. New Delhi, India. December 17-20, 1996. Vol. 4. PP. 13881391.

39. Газизов T.P., Леонтьев H.A. Аналитические выражения для временного отклика двух последовательно соединённых отрезков линии передачи // Труды ТУСУР, Том 1, 1997. С. 63-67.

40. Gazizov T.R. and Leontiev N.A. An effect of far-end crosstalk compensation in double-layered dielectric PCB interconnects. Proc. of the 14-th Int. Wroclaw Symp. on EMC, Wroclaw, Poland, June 23-25, 1998. PP. 353-356.

41. Gazizov T.R. Adaptive calculation of capacitance matrix for two dimensional systems of various complexity. Proc. of the 16-th Int. Wroclaw Symp. on EMC, Wroclaw, Poland, 25-28 June, 2002. PP. 133-138.

42. Газизов T.P. Вычисление ёмкостной матрицы двумерной конфигурации проводников и диэлектриков с ортогональными границами // Известия вузов. Физика, №3, 2004. С. 88-90.

43. Газизов Т.Р. Матрица емкостных коэффициентов трёхмерной системы проводников и диэлектриков // Известия вузов. Физика, №3, 1998. С. 123125.

44. Gazizov T.R. and Leontiev N.A. Compensation of far-end crosstalk in interconnects of a double-layered dielectric PCB. Proc. of the 13-th Int. Zurich Symp. on EMC, Zurich, Switzerland, February 16-18, 1999. PP. 45-648.

45. Gazizov T.R. Far-end crosstalk reduction in double-layered dielectric interconnects. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. Special issue on recent advances in EMC of printed circuit boards. Vol. 43, no. 4, November 2001. PP. 566-572.

46. Газизов Т.Р., Заболоцкий A.M. О возможности опасного применения модальных искажений импульсного сигнала: Материалы Межд. науч.-практ. конф. «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 6-8 октября 2004 г. С. 112-115.

47. Газизов Т.Р. Уменьшение искажений электрических сигналов в межсоединениях / Под ред. Н.Д. Малютина—Томск: Изд-во НТЛ, 2003 — 212 с.

48. Djordjevic A., Harrington R.F., Sarkar Т. and Bazdar. Matrix parameters for multiconductor transmission lines. Dedham, MA: Artech House, 1989.

49. Леонтьев H.A. Анализ временного отклика в межсоединениях быстродействующих радиоэлектронных схем: Дис. . канд. техн. наук. Томск: ТУСУР, 2000. 164 с.

50. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 238 с.

51. Gazizov T.R., Leontiev N.A., Kuznetsova-Tadjibaeva О.М. Far-end crosstalk reduction in coupled microstrip lines with covering dielectric layer // Proc. of the 15-th Int. Wroclaw Symp. on EMC, 27-30 June, 2000. Wroclaw, Poland. PP. 4549.

52. Газизова Т.Р., Леонтьева НА., Кузнецовой-Таджибаевой О.М., Полуэктова С. В.

53. Указанные результаты широко используются в курсах лекций и лабораторных работах по дисциплинам "Автоматизированное проектирование бытовой радиоэлектронной аппаратуры" -и "Основы электромагнитной совместимости".1. ТУ ТУ СУРкf, ^ 1999 г.

54. Председатель учебно-методической1. Комиссии РТФ ТУ СУРиа^ЛГ ' .1999 г.

55. УТВЕРЖДАЮ Заместитель генерального директора по научной работе ФГУП НПЦ «Полюс», к.т.н.- Ю.А. Шиняков «2/» С? 6 2005 г.1. АКТо внедрении на ФГУП НПЦ «Полюс» результатов научных исследований

56. Кузнецовой-Таджибаевой О.М.

57. Начальник отделения статических преобразователей1. Балюс

58. Параметры одиночных и связанных подвешенных и обращенных полосковых линий с шагом трассировки 0,625, 1,25 и 2,5 мм на платах (без лака и с лаком) с 4, 6 и 8 слоями стеклоткани прокладочной.

59. Параметры временного отклика отрезка (длиной 10, 20, 30 см) одиночных и связанных полосковых линий на импульсный сигнал с линейно нарастающим фронтом (1, 10,50 не) для согласованных и рассогласованных линий.

60. Способы уменьшения искажений сигналов в полосковых линиях за счет выбора числа слоев стеклоткани прокладочной и нанесения лака.

61. Начальник отделения статическихпреобразователей1. И.В. Балюс

62. Начальник конструкторского отдела1. В.В. Поспелов1. Лриугс?же/-/1/г 4