748

160

На рис. 5.3.2 показана схема взаимодействующих ЛС после перехода к сосредоточенным параметрам. Здесь С1 = С01l1; L1 = L01l1; С2= С02l2; L2 = L02 l2; Св = С0вlвз; Lв =

L0вlвз; lвз − длина участка взаимодействия линий связи (lвз ≤. l1, l2) Для оценки электромагнитной связи используют значение коэффициент связи, который для индуктивной

и емкостной связи оцениваются коэффициентами kL = LвL1L2 ; kC = CвC1C2 . Только

в случае однородных сред kL = kC .

Для упрощения граничных условий необходимо проанализировать входные и выходные характеристики логических элементов пассивной ЛС и линеаризовать их.

Получаемые линейные эквиваленты входного и выходного сопротивлений элемента представляют собой оконечные нагрузки пассивной линии в схеме для расчета помехи.

Обоснованием линеаризации являются сравнительно небольшие колебания рабочей точки от своего статического положения из-за низкого уровня допустимых помех. После линеаризации характеристик логических элементов пассивной цепи схема (рис. 5.3.2, а)

будет иметь вид, показанный на рис. 5.3.2, б. Здесь Rлев, и Rпр − эквивалентные сопротивления на левом и правом концах пассивной линии. На основании предположения о слабой взаимосвязи (kL, kC << 1) можно считать, что переходные процессы в активной линии не зависят от переходных процессов формирования помехи. При анализе также не учитывается влияние собственных реактивностей активной цепи. С целью дальнейшего упрощения анализа он ведется отдельно для емкостной и индуктивной наводки, поскольку напряжение, наведенное в конце Uп.к и начале Uп.н пассивной линии, по принципу суперпозиции можно представить суммой индуктивной и емкостной составляющих: Uпк =

Uп.кL + Uп.кC ; Uп.н = Uп.нL + Uп.нC , где Uп.кL и Uп.нL – индуктивные составляющие перекрестной помехи в конце и начале пассивной линии, а Uп.кC и Uп.нC – соответствующие емкостные

составляющие.

Емкостная составляющая перекрестной помехи. Схема взаимодействующих цепей и приближенная эквивалентная схема с учетом входной емкости воспринимающего элемента и сделанных выше допущений показаны на рис. 5.3.3. На эквивалентной схеме R =

Rлев Rпр /(Rлев + Rпр); С = С2+ Ссх; С2 = С02l2 .

162

Максимальные значения амплитуды индуктивной составляющей перекрестной помехи на левом UпL лев и правом UпL пр концах пассивной ЛС соответственно будут:

потребляемый i-м элементом активной цепи.

Индуктивная перекрестная наводка максимальна при наибольшем количестве элементов-нагрузок в активной ЛС. Индуктивная помеха при согласном включении ЛС по

наоборот (рис. 5.3.6).

В реальных конструкциях ЛС имеет место одновременное емкостное и индуктивное

взаимодействие. Относительные поправки к длительности помехи, обусловленные индуктивностью, имеют порядок tф /Тз << 1. Суммарная помеха при встречном включении

Из рис. 5.3.6, б видно, что максимальной будет отрицательная суммарная помеха при

встречном включении:

Отрицательная помеха опасна, если управляющий элемент находится в состоянии логической "1". Примем, что Rвых = Rвых (1) = 100…200 Ом, Nа = 10. Все ЛС можно разделить на два класса: высокоомные (Z0 ³ 75 Ом) и низкоомные (Z0 < 75 Ом). К низкоомным ЛС относятся полосковые линии, к высокоомным – все остальные. Для высокоомных ЛС C0в / L0в

» 10−4 Ф/Гн, для низкоомных - C0в / L0в ³ 0,25×10−3 Ф/Гн. Тогда из (5.3.12) получим: для высокоомных ЛС

U C− U L− ³ 1,0 ;

для низкоомных ЛС

U C− U L− ³ 2,5

Вопрос о соотношении емкостной и индуктивной составляющих перекрестной наводки важен при выборе способа уменьшения помехи.

5.3.4. Методы уменьшения перекрестных помех

Проанализируем соотношение (5.3.9) для обоснования рекомендаций по использованию ЛС и печатных плат в зависимости от быстродействия элементной базы.

Рассмотрим случай встречного включения. При tфU > 2,5t экспоненциальным членом в (5.3.9)

можно пренебречь. Независимо от полярности помехи

В этом случае длительность импульса помехи приблизительно равна tфU, а амплитуда пропорциональна длине линии (точнее длине участка взаимодействия lвз) и обратно пропорциональна длительности фронта tф.

Если справедливо tфU < t, то разложив в (5.3.9) экспоненту в ряд и ограничившись

Из (5.3.14) видно, что амплитуда помехи практически не зависит от длины линии взаимодействия lвз, а длительность помехи в этом случае прямо пропорциональна длине lвз.

Выполненный анализ показывает, что применение однослойных печатных плат без металлизированной поверхности допустимо лишь для низкоскоростных устройств (tфU > 2,5τ), где уменьшение амплитуды помехи возможно за счет сокращения длины lвз.

Допустимую длину lвз можно определить из (5.3.13) с учетом того, что UпΣ ≤ Uдоп. В

случае преобладания емкостной составляющей перекрестной помехи допустимая длина lвз, м

Для монтажа элементов в быстродействующих устройствах (tфU < τ) необходимо использовать многослойные печатные платы с введением металлизированных слоев, это приводит к увеличению отношений С0в/L0в, С0/L0в, С0/С0в. Емкостную составляющую перекрестной помехи можно уменьшить, выбирая материалы платы с минимальной эффективной диэлектрической проницаемостью.

Основные сокращения перекрестной помехи производятся за счет изменения топологии, геометрии и конструкции соединений: трассировка проводников на соседних слоях по ортогональным направлениям; использование согласного включения цепей;

увеличение расстояний между проводниками активной и пассивной ЛС; уменьшение длины участка взаимодействия и площади перекрытия контуров, образуемых каждой взаимодействующей линией связи вместе с логическими элементами и общей "землей";

введение металлизированных поверхностей, снижающих волновое сопротивление линий связи и экранирующих смежные сигнальные слои.

5.3.5. Индуцированные помехи в длинных линиях связи

Анализ индуцированных помех в длинных ЛС в общем случае представляет весьма сложную электродинамическую задачу, которая значительно упрощается с учетом следующих соображений:

∙активная и пассивная ЛС не имеют потерь, и их электрические параметры неизменны;

∙режим работы ЛС соответствует поперечной волне;

∙активная ЛС согласована по выходу, пассивная ЛС − как по выходу, так и по входу;

∙влиянием рецептора на источник можно пренебречь, т. е. связь предполагается слабой и kLkC << 1;

165

Рассмотрим механизм образования помехи, основываясь на схеме рис. 5.3.7, которая представлена с учетом сделанных допущений. Исходя из принципа суперпозиции, в

активной ЛС падающая волна, распространяясь от генератора к нагрузке, вызывает в пассивной ЛС ток iC, определяемый электрической индукцией, и ток iL, определяемый магнитной индукцией.

а б

Рис. 5.3.7. Эквивалентная схема длинной линии связи (а) и импульсы помехи в начале и в конце пассивной линии (б)

Ток iC распространяется как к началу, так и к концу пассивной линии, и его амплитуда постоянна в любой момент 0 < t < Тз, поскольку по первому допущению Св не изменяется по длине линии. Ток iL в любом участке пассивной линии направлен в сторону,

противоположную движению падающей волны в активной линии, т. е. от нагрузки к генератору. Поэтому суммарный уровень индуцированной помехи в начале пассивной линии

(точка Н на рис. 5.3.7, а) определяется суммой индуктивного и емкостного токов, а в конце

линии (точка К) - разностью этих токов.

Длительность помехи τн2, наводимой в начале пассивной линии, определяется временем прохождения падающей волны в активной линии от генератора до нагрузки и временем распространения наведенного импульса тока от конца пассивной линии к ее

началу, т. е. τн2 = 2Тз.

Как было показано в подразделе 5.2, импульсный сигнал, проходя по длинной линии связи, удлиняет свой передний и задний фронты. Поэтому в конце активной линии при отсутствии потерь Uк1 = Uн1, а фронты импульса в конце активной линии, соответствующие переходу из логического "0" в логическую "1" t0,1 и обратно t1,0 (см. рис. 5.3.7, б),

затягиваются. В конце пассивной линии длительность помехи τк2 определяется только временем переходного процесса в активной линии, т. е. только длительностями фронта t0,1 и

спада t1,0 импульсного сигнала. Таким образом, для длинных линий уровни и длительности помех в начале и конце пассивной линии различны, и для их расчета можно использовать

длительность помехи совпадает с фронтом или спадом импульса.

В этих формулах lвз − погонная длина линии; vф − фазовая скорость распространения сигнала в линии; Uк1 − амплитуда сигнала в конце активной линии; Uн1 − амплитуда сигнала в начале активной линии; Z02 - волновое сопротивление пассивной линии; t0,1 − длительность фронта импульса в активной линии.

Анализ полученных соотношений (5.3.16)−(5.3.20) показывает:

1.Амплитуда импульса Uн2 в начале пассивной линии не зависит от длины линии, а

определяется только суммой коэффициентов емкостной kC и индуктивной kL связи и является линейной функцией сигнала в активной линии Uн1.

2.При длительности импульса в активной линии менее 2Тз ширина импульса в начале пассивной линии равна ширине импульса в активной линии.

3.Амплитуда импульсов в конце пассивной линии пропорциональна длине линии lвз.

4.При kL = kC на конце пассивной линии помехи не будет. Как отмечалось выше, это возможно только при условии распространения поперечной волны в однородной изотропной среде (второе допущение). При преобладании емкостной связи (kC > kL)

полярность импульса помехи совпадает со знаком производной U / t, а при индуктивной

(kC < kL) − полярность противоположна. Здесь U − перепад напряжения из состояния логического "0" в состояние логической "1", и наоборот, а t − или t0,1, или t1,0.

5. Уровень помехи на конце пассивной линии пропорционален скорости изменения напряжения в активной линии.

5.3.6. Рекомендации по конструированию линий связи

На основании анализа искажений от эффекта отражений при наихудших сочетаниях влияющих факторов оценивают допустимую длину несогласованной невзаимодействующей ЛС и увеличение сигнала. Исходя из допустимой перекрестной помехи, находят максимальную длину взаимодействующих участков межсхемных связей при различном

167

числе разъемов в цепи с учетом возможности суммирования помех, наводимых несколькими ЛС. Оценка помехи по цепям управления позволяет определить допустимую длину управляющей ЛС, ее конфигурацию, число разъемов и число контактов в ней. По результатам анализа помехи по цепям питания рассчитывают их основные параметры,

выбирают способ подвода питания и "земли". При этом формулируют также рекомендации и ограничения на совместную или раздельную компоновку элементов функциональной или принципиальной схемы, на размещение конструктивных модулей и трассировку:

1. Необходимо соблюдать ограничения на допустимую длину невзаимодействующих ЛС. Например, для схем ТТЛ при tф = 10 нс максимально допустимая длина несогласованного печатного соединения не должна превышать 0,6 м, а внутриблочного соединения витой парой − 1,0 м. ЛС длиной 1÷3 м, не выходящие за пределы устройства,

должны выполняться согласованной экранированной витой парой. ЛС длиной более 3 м или выходящие за пределы устройства следует выполнять коаксиальным кабелем.

2.Необходимо учитывать увеличение задержки сигналов при передаче их по несогласованной ЛС. Для схем ТТЛ среднего быстродействия приращение задержки при передаче сигнала по несогласованной витой паре может достигать 10÷30 нс.

3.Обратные провода витых пар должны подсоединяться к "земле" на приемном и передающем концах. Следует ограничивать длину раздельной части витой пары и число обратных проводов, приходящихся на один контакт разъема. Например, для схем ТТЛ длина раздельной части витой пары должна быть не более 3 см, а к одному контакту "земли"

можно подсоединять не более трех обратных проводов.

4.Монтажная плата для выполнения внутриблочных соединений объемным монтажом должна иметь экранирующее покрытие со стороны монтажа. Экран должен быть соединен с шиной "земли" печатных плат.

5.Сигнальные проводники в соседних слоях следует проводить под углом 90 или 45°.

Необходимо ограничивать длину взаимных участков межэлементных связей в одном слое с учетом числа взаимодействующих цепей и количества разъемов в них.

Введение разъемов во взаимодействующую цепь приводит к сокращению допустимой длины участка взаимодействия примерно на 25% на каждый разъем (если контакты разъемов являются соседними). Взаимосвязанные соединения на части длины, превышающей допустимую, выполняются экранированным проводом или коаксиальным кабелем.

6. Разводку питания и "земли" следует выполнять проводниками с низким сопротивлением. Всю свободную площадь в слое рекомендуется использовать для шин

питания и "земли".

168

8. Шины питания и "земли" в соседних слоях следует располагать друг под другом для

увеличения емкости конструктивного фильтра.

9. Для уменьшения помехи по питанию индуктивного характера необходимо шины питания и "земли" делать секционированными и использовать развязывающие конденсаторы.

Основной задачей при конструктивной реализации соединений электрической схемы является обеспечение допустимого уровня помех, искажений и задержек сигналов, которые зависят от электрических параметров, топологии и геометрических размеров элементов электрических соединений.

5.4.Экранирование

5.4.1.Основные характеристики экранирования.

Экранирование является конструкторским средством ослабления электромагнитного поля помех в пределах пространства, задаваемого формой и размерами экрана. Оно предназначено для повышения помехозащищенности и обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры, средств и систем. Экраны применяются как для отдельных элементов, функциональных узлов, блоков аппаратуры, так и для РЭС в целом, которые могут быть либо источниками, либо рецепторами помех.

Экранирование также является одним из эффективных средств защиты РЭС и аппаратуры от излучения радиолокационных установок, генерирующих мощные радиоимпульсы, а также от действия мощного электромагнитного импульса, возникающего при атомных и термоядерных взрывах.

Экран, являющийся металлическим барьером для электромагнитного поля, главным образом анализируют при помощи аппарата электродинамики. Действие электромагнитного экрана как линейной системы характеризуется следующими основными характеристиками.

Коэффициент экранирования Kэ, определяется отношением напряженности

169

электрического Еэ, или магнитного Нэ, поля в какой-либо точке защищаемого пространства при наличии экрана к напряженности Е или Н воздействующего поля в той же точке при отсутствии экрана:

На практике действие экрана принято оценивать эффективностью экранирования

(экранным затуханием), измеряемым в дБ, по электрическому полю:

Эффективность экрана как линейной системы не зависит от того, где расположен источник поля помехи − внутри или вне экрана. Рассмотренный принцип обратимости экрана позволяет при расчетах эффективности экранирования в случае необходимости менять местами источник и рецептор электромагнитного поля.

Одновременно с ослаблением поля помех электромагнитный экран оказывает воздействие на собственные параметры цепей и контуров экранируемого объекта, что связано с перераспределением электромагнитного поля при установке экрана. Это влияние оценивается с помощью коэффициента реакции экрана, которое определяется отношением напряженности электрического Еотр или магнитного Нотр отраженного поля помехи в какой-

либо точке пространства при наличии экрана к напряженности Е или Н воздействующего поля помехи в той же точке при отсутствии экрана:

Значение эффективности экранирования рассчитывается, исходя из требуемого подавления электромагнитных помех, и определяется конкретными условиями при проектировании аппаратуры. По найденному значению эффективности экранирования S Е

(S H) определяются материал, геометрические размеры экрана и условия размещения элементов внутри него. Это выполняется с учетом допустимых пределов изменения параметров экранируемых элементов, кроме того, необходимо иметь в виду, что эффективность экранирования в значительной степени зависит от неоднородностей и разрывов экрана, возникающих за счет сварных швов, соединений, отверстий и т. д.

Помимо требований по обеспечению заданных значений S и P, к экрану могут предъявляться дополнительные конструкторские требования, связанные с особенностями проектируемой аппаратуры. Возможны следующие три случая.

1. Экранируются отдельные элементы и узлы устройства, при этом их форма и