|
|
Курс
молодого
бойца.
Итак Вы решили собрать СШП(UWB) устройство, но не знаете с чего начать? Тогда начните с того что найдите в своих «закромах» кусок фольгированого стеклотекстолита, из которого обычно делаете печатные платы. Желательно чтобы это был двухсторонний текстолит, т.е. медная фольга с обеих сторон текстолита. Верхняя сторона текстолита отводиться под монтаж элементов схемы, а вся нижняя под «землю», тем самым создавая экранировку схемы. Монтаж на одностороннем текстолите то же встречается, но обычно используются для ВЧ схем 27-40МГц, а экранировку выполняет металлический корпус в который закреплена плата. Так же односторонний материал можно встретить и на более высоких частотах от 2.5ГГц в виде щелевых или со планарных полосковых линий. Но эту экзотику Вы не встретите в диапазоне 0.5-1.5ГГц. А именно здесь , на мой взгляд, стоит делать радиолюбительские схемы. Выбор этого диапазона продиктован двумя факторами: первый – прежде чем окочуриться отечественная элементная база успела освоить этот диапазон, а значит радиолюбителям будет проще найти аналог зарубежному элементу; второй фактор это возможность легкого выполнения монтажа с использованием навесных элементов и соблюдение минимума требований к трассировки схемы. Тут вероятно следует остановиться по подробнее…
Дело в том что требования выдвигаемые при трассировке СШП схем представляют собой смесь требований к ВЧ-трассировке и импульсным системам. Подобные требования выполняются сегодня при трассировке печатных плат компьютера. Потоки информации между процессором и различными контролерами, расположенными на плате сегодня достигают гигабайтного уровня. А это значит что спектр сигналов проходящей по плате весьма широк – от нескольких герц до единиц ГГц. Ну чем не СШП устройство? Кстати, несколько лет назад когда FCC не разрешало коммерческий выпуск СШП устройств, сторонники СШП говорили о том что побочное излучение вызываемое работой компьютера ничуть не меньше чем требуется для передачи СШП сигналов, однако никто не запрещает компьютеры.
Итак допустим стоит задача доставить сигнал от одной микросхемы до другой. Если скорость передачи информации не велика то достаточно просто соединить проводами две микросхемы. С увеличением скорости увеличивается частота передачи, расширяется спектр сигнала. При этом длинна проводов соединяющих микросхемы и их расположение почему то начинают влиять на скорость передачи. Связано это с очень простым фактом, чем выше частота тем короче длинна волны, а когда соединяющий провод становиться соизмерим с длинной волны то он влияет на передачу сигнала . Так для сигнала 1МГц (или импульса в 1000нс) длинна составляет 30м. Поскольку размеры печатной платы обычно не превышают размера в 1м, то понятно что как не располагай микросхемы на плате будет сложно соединить их проводом размером порядка 30м. Это значит что сигнал в 1МГц возникающий на выходе одной микросхемы сразу оказывается в точке приема –на входе другой микросхемы. Поэтому в радиолюбительских схемах работающих на частотах менее 10МГц проблема трассировки отсутствует. При сигнале в 1ГГц (или импульс в 1нс) длинна волны составит 30см. Кажется что это всё еще большое значение, которым можно пренебречь. Однако это не так, поскольку проводник который соединяет микросхемы находиться не в воздухе, а на печатной плате. Следовательно скорость распространения сигнала становиться ниже т.к. диэлектрик –в нашем случае стеклотекстолит замедляет волну, обычно в 2-4раза. Чтобы точно знать скорость распространения сигнала в Вашей плате, необходимо померить емкость «конденсатора» которым является двухсторонний фольгированый стеклотекстолит. Далее зная емкость, по формуле из школьного учебника (или при помощи Rfcalc ,см.раздел полезный софт) находиться «Е»- диэлектрическая проницаемость. Она та и приводит к замедлению сигнала в корень раз. Т.о. сигнал выходящий из одной микросхемы не сразу попадает на вход другой, он как бы «путешествует» по проводнику от одной микросхемы до другой. Так при длине провода в 5см время путешествия составит 0.5нс что соизмеримо с длительностью импульса. Если для передачи данных используется параллельная передача данных т.е. несколько проводов (типично для компьютера) то возникает ситуация когда сигналы которые идут по разным проводам придут в разное время из за того что длинна проводников разная и сигналы «путешествуют» разное время. Чтобы этого не происходило, длинны проводников уравнивают, это и приводит к замысловатым «рисункам» из проводников на плате. Становиться очевидным, что при копировании ВЧ схемы необходимо иметь не только рисунок печатной платы, но и знать материал из которого сделана плата.
Кроме это важную роль начинает играть размер элементов монтажа (резисторов, конденсаторов и т.п.) и их расположение. Известно что если габариты элементов составляют четверть волны то они начинают влиять на сигнал. Поэтому в диапазоне 1-8ГГц используют SMT технологию, т.е. технологию поверхностного монтажа. Не следует использовать навесные элементы с проволочными выводами. Это простые правила, которые необходимо выполнять при трассировке СШП схем. Более сложным является вопрос как правильно располагать элементы и как влияет конфигурация проводника на сигнал. Для того чтобы понять это рассмотрим несколько примеров трассировки с помощью временной рефлектометрии (TDR).
Рефлектометрия
это по сути
анализ цепи
по отражению
сигнала, это
не заменимое
средство при
поиске
неисправности
в линиях
связи. К
примеру, если
перебита
центральная
жила коаксиального
кабеля
соединяющего
телевизор с
антенной, то
Вы легко
сможете
найти обрыв
при помощи
тестера. Но
если обрыва
нет, а
поврежден
диэлектрик,
то тестер не
поможет. А вот
рефлектометр
может точно
указать
место
неисправности.
Он посылает
очень
короткий
сигнал в
линию и
смотрит в
каком месте
возникают
сильные
отражения
сигнала, там и
есть
повреждение.
При передачи
СШП сигнала
по схеме
очень важно
чтобы в линии
не возникало
отражений, т.к.
это приводит
к искажению
формы
сигнала, а
следовательно
приводит к
изменению
спектра
сигнала и
пр.
неприятностям.
Первый
пример (TDR
Example1)
представляет
собой линию
передачи
сигнала,
выполненную
в виде микро полосковой
линии (strip
line)
нагруженную
на
согласованную
нагрузку в
виде
резистора.
Согласно
теории, если
волновое
сопротивление
линии
и нагрузка
равны, то
линия
является
согласованной,
т.е. сигнал от
источника до
потребителя
передается
без
искажений. На
рисунке ниже,
показан
экран
рефлектометра,
на котором
видна прямая
линия, это
значит что
сигнал
действительно
передается
без
искажений.
Небольшие
всплески
видны в двух
местах, это
место
припайки
разъема (connector)
и место
припайки
резистора(resistor). Надо
заметить что
резистор
имеет очень
короткие
выводы и
установлен непосредственно
на линию
передачи
сигнала. Это
правильная
установка
элемента,
дает хорошие
результаты.
На следующем
рисунке дан
тот же пример,
за
исключением
того что
резистор
имеет
длинные
выводы и
установлен
перпендикулярно
линии
передачи. Как
видно из
показаний
рефлектометра
в месте
подключения
резистора
возникают
сильные
отражения
=71% связанные
с тем что
резистор
имеет проволочные
выводы,
которые
создают
паразитную
индуктивность.
Теперь
понятно
почему не
стоит
использовать
радиоэлементы
с
проволочными
выводами.
Следующие
два примера
показывают
особенности
ВЧ
трассировки.
На одном
примере под
линии
передачи
удален «земленой
слой»,
который
обычно
выполняется
на нижнем
слое и
занимает всю
площадь
печатной
платы. Это
приводит к
уменьшению
емкости
линии и ярко
выраженному
индуктивному
характеру, за
счет чего
импеданс
линии
изменяется и
она
становиться
несогласованной.
Поэтому не
стоит
нарушать целостность
экрана
печатной
платы. Если же
возникают обстоятельства,
которые
требуют
отсутствия
экрана в
некоторых
частях платы,
то надо
помнить одно
простое
правило. Для
полосковых
линий
передачи
требуется
минимальное пространство
в пределах
трех толщин
проводника.
Другой пример, показывает насколько коварным может оказаться острый угол при трассировке платы. Два одинаковых участка платы выполнены с разными поворотами. Участок 1-4 , содержит два острых угла 2 и 3. Участок 5-6 имеет гладкие углы. Соответственно показания рефлектометра для участка 5-6 (рисунок ниже) значительно лучше (8%) участка 1-4.
Желательно избегать повороты при трассировке, максимально соблюдая прямое направление распространения сигнала . Иногда это приводит к «не красивому» внешнему виду платы, где элементы расположены сиконь- накось , однако именно такой подход дает положительный результат.
И последнее несколько слов о компоновки платы в целом, т.е. ВЧ и НЧ цепей. Мы увидели, что резкое изменение проводника сигнала на 90 градусов приводит к отражению. Это свойство прекрасно используется для разделения ВЧ и НЧ сигналов, т.е. подача питающего напряжения или сигналов управления производиться перпендикулярно к направлению распространения сигнала. На примере, представленном на рисунке ниже, красная стрелка направление ВЧ-сигнала, желтая стрелка подвод питания. Земляные площадки (зеленая стрелка) находящиеся со стороны монтажа соединяются с экраном (нижний слой) через металлизированные отверстия. Отверстие вносит паразитную индуктивность, обычно около 0.5нГ. С целью уменьшения индуктивности в площадках делается несколько отверстий.
Страница создана 19.01.04