3.3 Дискретные активные элементы

Дискретные активные элементы: маломощные транзисторы, диоды, варикапы, стабилитроны имеют одно и то же конструктивное исполнение корпуса А - 46 (SOT-23). Размеры по телу корпуса 3 × 1,3 × 1,2 мм с тремя ленточными выводами с максимальным размером по выводам 2,5 мм.

Таблица 3.4 - Дискретные активные элементы

Тип корпуса	Н02	Н04	Н06	Н09	Н14	Н15	Н17	Н19
Максимальный размер, мм	9,2	10,6	11,9	12,1	14,9	16,6	16,9	21
Минимальный размер, мм	9,2	10,2	10,3	12,1	14,9	16,6	16,9	21
Dmax, мм	6,8	8,2	9,5	9,7	12,5	14,2	14,5	18,6
Emax, мм	6,8	7,8	7,9	9,7	12,5	14,2	14,5	18,6

Примечание: максимальная высота всех типов корпусов равна 3 мм. Микросхемы в корпусах Н предназначены для установки на поверхность печатных плат.

Проведенный анализ элементной базы показал, что безвыводные резисторы, безвыводные конденсаторы, транзисторы, диоды, варикапы, стабилитроны в корпусе А-46, микросхемы в корпусах Н предназначены для установки на поверхность печатной платы; имеют размер по высоте не превышающей 3 мм, что особенно важно для максимального использования объема любого радиоустройства.

3.4 Преимущества поверхностного монтажа

Анализ элементной базы показал, что установка безвыводных и активных элементов в корпусах А-46 и Н по единому технологическому циклу способствует высокой степени автоматизации сборочно-монтажных работ, достижению более оптимальных массогабаритных характеристик по сравнению с корпусными элементами со штыревыми выводами в десятки и сотни раз меньше. Уменьшение их габаритов способствует сокращению протяженности межэлементных связей, а отсутствие выводов в резисторах и конденсаторах позволяет существенно снизить паразитную индуктивность и емкость монтажа, а особенно в высокочастотных цепях. Количество отверстий намного сокращается при применении поверхностного монтажа, так как все выводы элементов устанавливаются на контактные площадки, а не в отверстия на печатной плате. Плотность установки элементов максимально возможная, так как элементы могут размещаться в непосредственной близости один от другого. Уменьшение габаритов элементной базы и совершенствование технологии изготовления печатного монтажа на поверхности в диапазоне от 3 до 5 раз по сравнению с обычным монтажом.

3.5 Анализ и оценка перечня элементов электрической схемы по размерно-геометрическим критериям

Прежде чем приступить к разработке топологии печатной платы, выбора ее типоразмера, необходимо провести анализ каждой группы типономиналов по габаритно-присоединительным размерам.

При определении необходимой площади для каждого типоразмера элемента, его площадь определяется с учетом контактных площадок, необходимых для надежного электрического и механического закрепления элемента к печатной плате. Общая площадь S_общ, мм², занимаемая элементами на печатной плате, определяется по формуле

(3.5.1)

где i – типоразмер;

n – количество типоразмеров, шт;

S_i – суммарная площадь каждого типоразмера, мм²;

S_общ - общая площадь всех типов номиналов по перечню элементов электрической схемы, мм².

Установочные площади S_i, мм², определяются по формуле

S_i = А ∙ Б ∙ n (3.5.2)

где А – ширина установочного компонента, мм;

Б – длина установочного компонента, мм;

n – количество элементов данного типа, шт.

Расчет установочных площадей компонентов передатчика.

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁, мм², резисторов Р1-12

S₁ = 3,2 ∙ 1,6 ∙ 45 = 230,4 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₂, мм², конденсаторов К53-65

S₂ = 7,3 ∙ 4,3 ∙ 4 = 125,56 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₃, мм², конденсаторов GRM18

S₃ = 1,6 ∙ 0,8 ∙ 47 = 60,16 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₄, мм², конденсаторов GRM32

S₄ = 3,2 ∙ 2,5 ∙ 17 = 136 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₅, мм², индуктивности 0603CS

S₅ =1,6 ∙ 0,8 ∙ 16 = 20,48 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₆, мм², микросхемы AD8346

S₆ = 4,9 ∙ 6,25 ∙ 1 = 30,63 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₇, мм², микросхемы AD8132

S₇ = 5 ∙ 6,2 ∙ 2 = 62 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₈, мм², микросхемы LP3988IMF-3.3

S₈ = 2,84 ∙ 2,92 ∙ 1 = 8,3 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₉, мм², микросхемы ADF4360-1

S₉ = 4 ∙ 3,75 ∙ 1 = 15 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₀, мм², микросхемы MGA83563

S₁₀ =2 ∙ 1,8 ∙ 1 = 3,6 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₁, мм², микросхемы MAX604ESA

S₁₁ = 5 ∙ 6,2 ∙ 1 = 31 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₂, мм², микросхемы AT90-0106

S₁₂ = 4 ∙ 6 ∙ 1 = 24 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₃, мм², микросхемы IRF7410

S₁₃ = 5 ∙ 6,2 ∙ 1 = 31 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₄, мм², микросхемы PM2112

S₁₄ = 4,9 ∙ 6 ∙ 1 = 29,4 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₅, мм², микросхемы MAX606ESA

S₁₅ = 5,03 ∙ 3,05 ∙ 1 = 15,34 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₆, мм², микросхемы AD8628RT5

S₁₆ = 2,9 ∙ 2,8 ∙ 1 = 8,12 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₇, мм², транзистора 2Т3130Д9

S₁₇ = 4 ∙4 ∙ 1 = 16 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₈, мм², розетки MMCX-3005

S₁₈ = 3,5 ∙ 3,5 ∙ 2 = 24,5 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₁₉, мм², розетки QFSS

S₁₉ = 20 ∙ 8 ∙ 1 = 160 мм².

Подставляя значения в формулу (3.5.2), рассчитаем установочную площадь S₂₀, мм², фильтров ДЕА322448ВТ

S₂₀ = 8 ∙ 8 ∙ 2 = 128 мм².

Подставляя полученные значения в формулу (3.5.1), рассчитаем S_общ, мм

S_общ = 230,4 + 125,56 + 60,16 +136 + 20,48 + 30,63 +62 +8,3 + 15 + 3,6 + 31 + 24 + 31 + 29,4 + 15,34 + 8,12 + 16 + 24,5 + 160 + 128 = 1560 мм².

Площадь, занимаемая элементами на печатной плате, равна 1560 мм². Для того, чтобы скомпоновать все эти элементы, необходима дополнительная площадь для печатных проводников, переходных отверстий, минимальных зазоров между ними.

Для поверхностного монтажа коэффициент заполнения печатной платы принимаем равным 0,2.

S_пп = 1560 / 0,2 = 7800 мм².

Расчет установочных площадей компонентов приемника.

Резисторы Р1-12

S = A∙Б = 3,2∙1,6 = 5,12 мм²;

S₁ =5,12∙51 = 261,12 мм².

Конденсаторы

а) GRM18 и GQM18

S = A∙Б = 1,6∙0,8 = 1,28 мм²;

S₂ = 1,28∙70 = 89,6 мм².

б) GRM32

S = A∙Б = 3,2∙2,5 = 8 мм²;

S₃ = 8∙7 = 56 мм².

Индуктивности 0603CS и 0603HS

S = A∙Б = 1,6∙0,8 = 1,28 мм²;

S₄ =1,28∙6 = 7,68 мм².

Микросхемы

а) AD8348

S = A∙Б = 4,9∙6,25 = 30,63 мм²;

S₅ = 30,63∙1 = 30,63 мм².

б) AD8629

S = A∙Б = 5∙6,2 = 31 мм²;

S₆ = 31∙2 = 62 мм².

в) LP3988IMF-3.3

S = A∙Б = 2,84∙2,92 = 8,3 мм²;

S₇ = 8,3∙1 = 8,3 мм².

г) SI4136-F-BT

S = A∙Б = 4,1∙3,6 = 14,76 мм²;

S₈ = 14,76∙1 = 14,76 мм².

д) SGA-4586

S = A∙Б = 4,5∙8,6 = 38,7 мм²;

S₉ =38,7∙1 = 38,7 мм².

е) UPC2758TB

S = A∙Б = 2,7∙5,8 = 15,66 мм²;

S₁₀ = 15,66∙1 = 15,66 мм².

ж) KT3225F19200

S = A∙Б = 4,5∙2,5 = 11,25 мм²;

S₁₁ = 11,25∙1 = 11,25 мм².

з) PPC3219GV

S = A∙Б = 3,2∙1,9 = 6,08 мм²;

S₁₂ = 6,08 ∙1 = 6,08 мм².

и) HSMS-2825

S = A∙Б = 2,8∙2,5 = 7 мм²;

S₁₃ = 7∙1 = 7 мм².

Транзистор 2Т3130Д9

S = A∙Б = 4∙4 = 16 мм²;

S₁₄ = 16∙1 = 16 мм².

Розетка MMCX-3005

S = A∙Б = 3,5∙3,5 = 12,25 мм²;

S₁₅ = 12,25∙2 = 24,5 мм².

Фильтры

а) DEA322448ВТ и BLM18PG

S = A∙Б = 8∙8 = 64 мм²;

S₁₇ = 64∙5 = 320 мм².

б) 856020 Sawtek

S = A∙Б = 10∙10 = 100 мм²;

S₁₈ = 100∙1 = 100 мм².

S_общ = 261,12 + 89,6 + 56 +7,68 + 7,68 + 30,63 + 62 + 8,3 + 14,76 + 38,7 + 15,66 + 11,25 + 11,25 + 6,08 + 7 + 16 + 24,5 + 320 + 100 = 1070 мм².

Площадь, занимаемая элементами на печатной плате, равна 1070 мм². Для того, чтобы скомпоновать все эти элементы, необходима дополнительная площадь для печатных проводников, переходных отверстий, минимальных зазоров между ними.

Для поверхностного монтажа коэффициент заполнения печатной платы принимаем равным 0,2.

S_пп = 1070 / 0,2 = 5350 мм².

Расчет установочных площадей компонентов блока питания.

Резисторы CR0603

S = A∙Б = 0,8∙1,6 = 1,28 мм²;

S₁ =1,28∙12 = 15,36 мм².

Конденсаторы

а) GRM18 и GRM21

S = A∙Б = 1,6∙0,8 = 1,28 мм²;

S₂ = 1,28∙8 = 10,24 мм².

б) GRM32 и T520

S = A∙Б = 3,2∙2,5 = 8 мм²;

S₃ = 8∙3 = 24 мм².

Дроссель SER1360

S = A∙Б = 1,3∙6 = 7,8 мм²;

S₄ =7,8∙1 = 7,8 мм².

Микросхемы

а) DS2745

S = A∙Б = 2,7∙4,5 = 12,15 мм²;

S₅ = 12,15 ∙1 = 12,15 мм².

б) TPS4300

S = A∙Б = 3∙2,2 = 6,6 мм²;

S₆ = 6,6∙1 = 6,6 мм².

в) SI4864DY

S = A∙Б = 2,8∙6,4 = 17,29 мм²;

S₇ = 17,29 ∙1 = 17,29 мм².

г) SI4456-F-BT

S = A∙Б = 4,4∙5,6 = 24,64 мм²;

S₈ = 24,64 ∙1 = 24,64 мм².

д) SI4423DY

S = A∙Б = 4,4∙2,3 = 10,12 мм²;

S₉ =10,12∙1 = 10,12 мм².

Фильтр NFM41PC155B1E3

S = A∙Б = 5∙4,7 = 23,5 мм²;

S₁₄ = 23,5∙1 = 23,5 мм².

S_общ = 15,36 + 10,24 + 24 +7,8 + 12,15+ 6,6 + 17,29 + 24,64+ 10,12 + 23,5 = 152 мм².

Площадь, занимаемая элементами на печатной плате, равна 152 мм². Для того, чтобы скомпоновать все эти элементы, необходима дополнительная площадь для печатных проводников, переходных отверстий, минимальных зазоров между ними.

Для поверхностного монтажа коэффициент заполнения печатной платы принимаем равным 0,2.

S_пп = 152 / 0,2 = 760 мм².

3.6 Расчет вибропрочности платы

К элементам пластинчатой формы относят платы, высота (толщина) которых мала по сравнению с размерами оснований. Крепление пластины к опоре может быть тесным или подвижным. Жесткое закрепление (нет угловых и линейных перемещений): пайка, зажим и в некоторых случаях прижатие или закрепление винтами. Шарнирная опора (нет линейных перемещений, но возможен поворот по опертой стороне): направляющие и в некоторых случаях закрепление винтами или разъемом. Для нашей конструкции выбрано жесткое закрепление винтами. Количество винтов - четыре к пластине приложена распределенная нагрузка. Расчет проведен согласно [3.6.1].

Собственная частота платы вычисляется по формуле

V_o = 1, 57 ∙ (A + 1/в²)(3.6.1)

где А - коэффициент, учитывающий характер закрепления, 1/м².;

а - длина платы, м.;

в - ширина платы, м.;

D - жесткость платы, Па ∙ м³ ;

m″ - распределенная по площади масса, кг.

Коэффициент, учитывающий характер закрепления вычисляется по формуле

(3.6.2)

где а - длина платы, м.;

b - ширина платы, м.;

Жесткость платы вычисляется по формуле

D = 0,09 ∙ Еh³(3.6.3)

где Е - модуль упругости материала платы, Па;

h - толщина платы, м.

3.6.1 Рассчет собственной частоты передатчика.

Исходными данными для расчета будут: масса печатной платы с элементами 0,044 кг, размеры платы 60×130×1,6 мм, плата выполнена из стеклотекстолита, поэтому модуль упругости Е = 30 ГПа.

Для вычисления массы, распределенной по площади воспользуемся формулой

, (3.6.4)

где G - вес платы, Н;

а, b - длина и ширина платы, м;

g - ускорение свободного падения, м/с.

Коэффициент, учитывающий характер закрепления (в четырех точках) получился равным

Подставляем исходные данные в формулу (3.6.3) и вычисляем жесткость платы (Па ∙ м³)

D = 0,09 ∙ 3 ∙ 10¹⁰ ∙ 0,0016³ = 8,91

Собственная частота платы получается

= 550 Гц

Собственная частота платы передатчика находится вне диапазона действующих на передатчик частот, резонансные явления не возникнут и нет необходимости менять схему закрепления платы. Данная схема закрепления полностью обеспечивает вибропрочность платы.

3.6.2 Расчет собственной частоты платы приемника.

Исходными данными для расчета будут: масса печатной платы с элементами 0,016 кг, размеры платы 60×90×1,6 мм, плата выполнена из стеклотекстолита, поэтому модуль упругости Е = 30 ГПа.

Для вычисления массы, распределенной по площади воспользуемся формулой (3.6.4)

кг/м

Коэффициент, учитывающий характер закрепления (в четырех точках) получился равным

1/м²

Подставляем исходные данные в формулу (3.6.3) и вычисляем жесткость платы (Па ∙ м³)

D = 0,09 ∙ 3 ∙ 10¹⁰ ∙ 0,0016³ = 8,91

Собственная частота платы получается

Гц

Собственная частота платы приемника находится вне диапазона действующих на передатчик частот, резонансные явления не возникнут и нет необходимости менять схему закрепления платы. Данная схема закрепления полностью обеспечивает вибропрочность платы.

3.6.3 Расчет собственной частоты платы блока питания.

Исходными данными для расчета будут: масса печатной платы с элементами 0,050 кг, размеры платы 30×26×1,6 мм, плата выполнена из стеклотекстолита, поэтому модуль упругости Е = 30 ГПа.

Для вычисления массы, распределенной по площади воспользуемся формулой (3.6.4)

кг/м

Коэффициент, учитывающий характер закрепления (в четырех точках) получился равным

1/м²

Подставляем исходные данные в формулу (3.6.3) и вычисляем жесткость платы (Па ∙ м³)

D = 0,03 ∙ 3 ∙ 10¹⁰ ∙ 0,05³ = 1,13

Собственная частота платы получается

Гц

Собственная частота платы находится вне диапазона действующих на передатчик частот, резонансные явления не возникнут и нет необходимости менять схему закрепления платы. Данная схема закрепления полностью обеспечивает вибропрочность платы.