Основы проектирования РЭС

Енгалычев Александр Нинельевич

Где –диэлектрическая проницаемость вакуума,

ℇ- диэлектрическая проницаемость материала,

- магнитная проницаемость вакуума,

μ- Магнитная относительная проницаемость материала.

Полистирол ℇ =4,

Скорость света 3*10⁸ м/сек.

1нс в пересчете на частоту ≈1 ГГц.

КМОП – комплементарные металлоксидные полупроводниковые структуры.

Достоинства:

Потребляет ток только в момент переключения состояний.

Для одной и той же технологии изготовления интегральных схем (ИС) произведения быстродействия на потребляемую энергию остается неизменной = const.

Доунс

Кривая проводимости.

3 вида теплообмена.

1. Кондукция (за счет передачи кинетической энергии)

2. Конвекция (из-за разной плотности воздуха, он перемешивается)

3. Излучение

Конструкция – законченное, взаимоувязанное в пространстве, фиксированное расположение массивных и активных элементов и других, способное к воспроизводству в серийном производстве и сохраняющее работоспособность при воздействии дестабилизирующих факторов(должно реализовывать заданные функции).

Любая конструкция характеризуется совокупностью мер.

1. Материальных.

2. Функциональных.

Материальные и функциональные параметры, обычно связанные между собой, однако связь эту обычно установить не возможно.

Конструирование – процесс выбора структуры пространственных и энергетических связей внутри и вне изделий устанавливающие нормы и правила его изготовления и эксплуатации.

В функциональной схеме связей должны быть описаны все виды сигналов (из – 8), они более подробны чем блок схема.

Факторы, влияющие на температуру.

- t℃ (условие закладывают во много раз больше чем реально).

-Динамический перепад t℃, A…B интервал.

-Влажность %.

-Давление P_{мм.рт.ст.}

-Статические нагрузки (внутренние напряжение).

-Динамические нагрузки (при маневрировании).

Акустический шум, вибрации, периодические удары, ускорение по элементам конструкции)

Зависит по модулю Юнга и плотности ρ.

Качество определяется функциональными параметрами.

-Биологические факторы (плесень, грибок и иные факторы).

- спецфакторы и спецвоздействия (морской туман, иний, роса, пыль приводят к развитию биологических факторов, песок, радиационные вызывают ионизацию атомов и молекул материалов).

-факторы космического пространства

Допустимое доля СВЧ излучения 15 мкВт/дм².

1. Высокая разрежённость.

2. Солнечное излучение. (на границе с атмосферой 1440 Дж/м².

3. Высокая температура -/+.

4. Отсутствие ускорений.

Радиоэлектронные поколения характеризуются типом активного прибора.

1. Первое поколение – Электронно-вакуумные приборы (В качестве соединений использовалась сборка и пайка объёмного монтажа, несущие конструкции применялись монотипа). Конец – 50-е годы. Метод конструирования – функционально-блочный.

Характеризовались:

Большие габариты, масса, объёмы, потребляемая мощность, жёсткий тепловой режим, низкий КПД, надёжность.

2. Второе поколение – полупроводниковые приборы, 60 годы. Надёжность аппаратуры обуславливалась количеством разъёмных соединений. Метод конструирования функционально-узловой, появилось понятие платы.

3. Третье поколение – Микросхемы, первые шаги к появлению интегральных схем микро размера, появились многослойные платы корпусированные ИМС.

Минимизировалось количество разъёмных соединений и как следствие резко возросла надёжность и уменьшилась масса, схемная сложность возросла, применение групповых методов изготовления.

4. Четвертое поколение – Появление БИС (Большой интегральной схемы) и микросборок с повышением степени интеграции микросборок в качестве несущей конструкции.

5. Пятое поколение – появление сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Основная отличительная особенность – это безкорпусные технологии, уменьшение размеров, увеличение надёжности поверхностный монтаж, используется общая герметизация.

С повышением поколения происходит:

1. Уменьшение размеров

2. Увеличение плотности заселения

3. Увеличение быстродействия

4. Уменьшение потребляемой мощности

5. Повышение надежности

6. Увеличение функциональных возможностей

Надежность ИМС очень высокая из-за того , что формирование структуры схем выполняется групповыми методами то есть технологические процессы одновременные для группы элементов (формирующиеся слоями)

Ключевые параметры при конструировании РЭС:

1. Массогабаритные параметры

2. Надежность

3. Эргономика

4. Потребляемая мощность

Закон Гука для стержня:

Однолистовая модель:

Однолистовые системы:

- Резистор

- Конденсатор

- Индуктивность

- И любые другие конструктивные элементы.

Законодательно закреплено на территории РФ:

Устройства обеспечивающие функциональность рабочих мест не должно превышать установленную массу:

- Для женщин не более 5 кг.

- Для мужчин не более 16 кг.

Борьба с вибрациями:

- устранение экцентроситета (увеличивает точность)

ЧПУ – числовое програмное уравнение.

Иерархическая структура конструкции

Многоуровневая система и чем ниже уровень, тем сложнее сложность конструкторского решения.

Этап Декомпозиции (разбиение изделия на части)

Уровни разукрупнения РЭС по функциональной и конструктивной сложности.

Слой печатной платы это

Классификация воздействующих факторов:

/ \

Внешние: Внутренние:

возникновение обусловлено за счет прогрева соседних

внешними критериями элементов конструкции

1.климатические (наведенное тепло)

2.механические

3.социальные

4.

5.биологические

6.космические

1.Климатические обусловлены климатическими поясами.

Пилотируемый полет : человек выдерживает 7-8 g. Диапазон часто вибраций 10-5кГц.

2.Давление, удары (на борту летательного аппарата тоже существуют удары в виде воздушных ям – это зона повышенной разряженности воздуха – зона повышенного давления)

3.Морской туман, иней, роса, ультрафиолетовые лучи (солнце) пыль песок.

4.Продукты деления ядер.

5.Микро (плесень, грибы, бактерии), Макро (грызуны, птицы, животные), происходит биозасорение и биоразрушение.

6.Высокая разряженность атмосферы, критичные температуры, ионизирующее излучение.

Надежность аппаратуры.

1. Вероятность безотказной работы за время t.

P(t) ≤ 1

P_вн(t)*P_пост(t)=P_общ(t)

Жесткость воздействий: для однопараметрических воздействий увеличивается с увеличением абсолютного значения фактора (+t или –t)

P_вн(t)=P_пост(t)= =0,9973 – Принцип ровной надежности

Стадии и этапы пр-ва.

1. Разработка технического задания

2. Разработка технического предложения

3. Этап эскизного проектирования

4. Этап технического проектирования

5. Запуск серийного производства

КД нужно разработать таким образом что бы повторяемость конструкции было выполнено в условиях серийного и массового производства.

Виды несущих конструкций.

/ | \

Разъемные Не разъемные Сменные

Разъемные : с точки зрения выполнения соединительные ______ для модулей РЭМ 2 и выше.

Преимущества:

- Ремонтопригодность

- Удобство в сборке

- Унификация

С точки зрения разработки (можно разделить)

Недостатки:

- Интенсивность отказов выше следовательно надежность ниже.

Трение между гнездом и вилкой следовательно расшатывается и увеличивается переходное сопротивление так как ____ розетки от внешних воздействий слабеет.

Для уменьшения переходного сопротивления делаются надежные контакты и их покрывают серебром или иными сплавами близ лежащими к серебру.

Выбор количества выводов производиться в соответствии с электрической принципиальной схемой:

- потребление по питанию (может не выдержать плотность тока - увеличить площадь контакта) увеличение сечения моет производиться

-Выполнять поверочные испытания

-Выполнить расчеты электрических режимов работы. (Источник и эквивалетное сопротивление)

1. Узловые измерения

2. Токи

3. Посчитать мощность (для резисторов V * I )

Если значение мощности превышает допустимые значения для транзистора, то его нужно поставить на радиатор.

Рассеивания - то что он выделяет в среду и определяется площадью поверхности

Рассеиваемая - то что может выделиться на элемент.

Коэффициент нагрузки - реальная мощность рассеивания << 1

W = I * U

Проверка диодов:

- Проверить допустимы ток с реальным

Конденсаторов:

- Выбрать в соответствии с рабочим напряжение (чем больше емкость и рабочее напряжение тем больше габариты конденсатора)

Расчет выборов разъемов для системы модулей.

- Выбрав тип разъема с максимальным числом выводов и его же использовать для остальных модулей.

Для ВЧ разъемов основное условие это согласования волнового сопротивления с длинной линией.

Любое несоблюдение приводит к отражению волны - КПД падает

Волноводы:

1. Латунные

2. Полируются изнутри

3. Покрывают серебром изнутри

Разработка микрополосковой линии

На плоском диэлектрическом основании выполняются проводник определенной длины и ширины.

Подложка должна иметь минимальные tg диэлектрических потерь.

СВЧ устройства:

-делитель

-фазовращатель

-короткозамыкатели

Фазовращатель имеет вид. и его помещают в волновод или на микрополосковую линию.

Скорость света и есть скорость электромагнитной волны.

Неразъемные конструкции:

1. Книжная

2. Веерная

3. Моноконструкция.

Преимущество:

Высокая надежность из-за отсутствия разъемов 1/ сек паяного соединения учитывать число задействованных выводов в разъемах. Зная массу и ускорение платы можно узнать силу действующую на крепления.

Низкая ремонтопригодность.

Важным показателем является степень интеграции для интегральных схем (обладающих наивысшей степенью интеграции).

Регулярная конструкция – расстояние между ЭРЭ одинаково.

Коэффициент дезъинтеграции корпусных элементов больше чем коэффициент дезъинтеграции чем у без корпусных ЭРЭ.

Этапы конструирования

1)Компoновки - >Декомпозиция на отдельные узлы функц. Законченные- >покрытие (базовых элементов ИМСами)

2) Размещение Варианты установки элементов ЕСКД

3) Трассировка

Базовые показатели технологичности конструкции:

-конструкторские (по 4-5 показателей)

-производственные ( по 4-5 показателей)

Чем больше размеры чем меньше частота собственных колебаний .

Для увеличения частоты собственных колебаний конструкторы применяют:

-принимают платы

-уменьшение размеров платы

-увеличение точек крепления

В первую очередь защищают изделие от воздействия НЧ вибрации

Микроминиатюризация способствует защите от воздействий вибрации

Тенденции микроэлектронике способствует защите от воздействия вибрации и ведет к снижению массы и размеров, а также способствует увеличению жесткости креплений

С переходом на более высокий уровень иерархии (более сложные конструкции) приводит к снижению частоты собственных колебаний.

Изоляция от вибраций :

-Аммортизаторы

КМОП-низкое энергопотребление так как потребление происходит только в момент переключения

• Б азовый элемент

П окрытие ИМСоми Функционально законченные блоки

Р ЭМ 2

РЭМ 3

И т.д. укрупнение

При уменьшении число внешних соединений происходит интеграция уровня РЭН.

Критерий ограничения самой длинной связи (работы для определения максимального быстродействия РЭМ)

Суммарная длина связей оценивается сложность выполнения РЭМ

Критерий сильно связанных элементов( ставят в соединение позиция элементы которых наиболее сильно связанные. Это упрощает трассировку суммарную длину связи и увеличивает быстродействие РЭМ)

Конструкторские параметры:

-Масса

-Габариты

Западные производители применяют нетрит титана вместо золота, это ведет к снижению стоимости компонентов с данным видом покрытия.

Компоновка

Для разделения площади или объема изделия под размещение модулей 1-ого уровня межмодульные соединения коммутаций и элементов регулирования и управления РЭС, и контроля после того как выбрана элементная база

РЭМ1:

-индуктивности - резистора –трансформаторы – КУ

-Разъемы –конденсаторы –светодиоды и т.д.

Задача конструктора обеспечить работоспособность изделия в заданных условиях эксплуатации.

Резистор – мощность рассеивания.

Конденсатор – напряжение рабочее.

Выяснить площадь объема занимаемый элементом + Коэффициент дезинтеграции. (Разные для разной техники и разного поколения)

Определяется расположением угловых зон передней панели, задней панели, коммуникаций, монтажа модулей 1-ого уровня.

Передние и задние панели В1 и В2 определяются по максимальному габариту устанавливаемого элемента + технологический запас. Также определяется размеров НЗ.

Размер платы учитывать с запасом на рамку и разъемы но он не должен превышать размеры свободного пространства НИ и А или НЧ и ВЧ.

10 мм запас между модулями не меньше. При вибрации сильно гнется

После комплектовки → размещение на выделенной плоскости печатной платы.

При размещении элементов с обеих сторон ведёт к резкому снижению объема трассировки.

Методы компоновки:

1. Аналитический

2. Номографический

3. Графический

4. Модельный

5. Аппликационный

6. Натурный

После некоторых испытаний изделие становится неработоспособным, например:

- ресурсные испытания.

6) Натурный метод использует те изделия, которые по каким-либо причинам не работоспособны.

1) Аналитический метод: показатели компоновки определяются по формулам (аналитическим соотношениям). Например:

Масса конструкции:

Объем конструкции:

и - справочные данные ( Внимание, для разных поколений аппаратуры коэффициенты разные!)

2) Номографический метод: используется на самых ранних этапах конструирования.

3) Графический метод: делаются графические чертежи и используются для технического проектирования.

4)Модельный метод: используется для первичной демонстрации конструкции. Позволяет определить: габариты, внешний вид, модель не функционирует.

5) Аппликационный метод: используется в радиолюбительских целях.

Надёжность устройства:

Обеспечение надежности РЭМ.

Определим численно количество; надёжность даёт количественную оценку.

Характеризует надёжность:

- Вероятность безотказной работы P(t)

- Интенсивность отказов

- Среднее время наработки на отказ

- Долговечность и сохраняемость

Общая надёжность определяется:

(формула полной вероятности )

и - работает тогда, когда они независимы друг от друга

Задание сконструировать равно надёжную аппаратуру. ( Экономическая целесообразность, прежде всего).

Поскольку и – причины возникновения разные, поэтому рассчитывают оба:

– допуск на N-ный выходой …

– коэффициент гарантированной надёжности

– аналитическое выражение выходного параметра с первичными параметрами (схемных элементов). Если уравнения нет, то задание не решаемое.

- допуск на эл-ты.

Зная и постулируя равную надёжность, мы определяем:

ɣ = f [ ]

0 ≤ Bj≤1 для схем устройств с положительными обратными связями Bj>>1.

Вероятность безотказной работы по внезапным отказам:

Отказы возникают по одному. Используем предельную формулу отказов то:

Если не все извне, то .

N – количество РЭМ.

На ранних стадиях можно считать, что есть усреднённые данные

Коэффициенты для резисторов.

Берут большую партию резисторов и ставят на испытания на тепло (100 … 1000 штук) другую на вибрацию и т.д.