Электрические соединения в радиоэлектронной аппаратуре

  КОНСТРУИРОВАНИЕ  РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ

  Development and creation of geophysical instruments. Electric connections in radio electronic apparatus

Тема 9:  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

В РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

Боги пекутся  о великом, но малым пренебрегают.

Марк  Туллий Цицерон. Римский политик и философ. I в. до н.э.

Хочешь  создать великое, не пренебрегай  малым. Не раз наблюдал, как один паршивый проводник превращал великое творение в аккуратненькую кучку отлично сделанного металлолома.                      

Роберт Тимофеевич Шарло. Уральский геофизик. ХХ в.

     Содержание: 

1. Виды электрических соединений. Линии передач (ЛП). Электрически короткие ЛП. Электрически длинные линии передачи. Отражение сигналов в длинных линиях. Согласование электрически длинных ЛП.
2. Конструкции сигнальных линий передач. Монтажные провода. Свитая пара. Коаксиальный кабель. Печатные проводники. Электрические параметры объемного монтажа. Разводка ЛП. Волоконно-оптические ЛП.
3. Линии электропитания. Виды линий. Падение напряжения на линиях. Развязывающий конденсатор.
4. Конструирование заземления.
5. Электрические контакты. Виды соединений. Выбор электрических соединителей.

9.1. Виды электрических соединений [2]

      Линии передач (ЛП). Под электрическими соединениями понимают линии передачи (ЛП) и электрические контакты, служащие для передачи сигналов и электрической энергии между МС, радиодеталями и модулями, образующими РЭА. Электрические соединения бывают внутри- и межмодульными, внутри- и межблочными и т. п., что обусловливает их конструктивное исполнение.

      По  выполняемым функциям различают  сигнальные ЛП, объединяющие входы  и выходы элементов и модулей  и предназначенные для передачи сигналов, и ЛП электропитания, осуществляющие подвод электрической энергии к элементам. Все ЛП имеют прямой и обратный провод. Обратный провод называют землей, линией нулевого потенциала, общим проводом. Выделяют неэкранированные и экранированные ЛП. Экраны обеспечивают защиту линий от воздействия электрических, магнитных и электромагнитных полей. В зависимости от конструктивных особенностей обратного провода ЛП подразделяют на симметричные, состоящие из двух одинаковых изолированных проводов, несимметричные с одним общим проводом для многих ЛП, и коаксиальные, с обратным проводом по оплетке коаксиального кабеля.

      В общем случае, линии передачи должны обладать:

• минимальным активным и индуктивным сопротивлениями;
• однородным по длине линии волновым сопротивлением;
• минимальным полем вокруг линии при протекании по ней тока;
• способностью передачи сигналов в широком диапазоне частот, токов и напряжений;
• минимальной толщиной изоляции с диэлектрической проницаемостью, близкой к 1;
• способностью к объединению в узлы;
• способностью к автоматизации при проведении монтажных работ.

      Универсальных ЛП, удовлетворяющих всем требованиям одновременно, не существует. В   реальных конструкциях применяют разнообразные типы ЛП в зависимости от назначения и функциональных особенностей аппаратуры. На выбор типа ЛП влияют форма передаваемых сигналов, их напряжение и частота, ослабление сигнала на единицу длины линии, механическая гибкость, технологические требования и другие факторы.

      Радиоэлектронные  устройства содержат разнообразные по выполняемым функциям элементы и модули, отличающиеся характером обрабатываемых сигналов, их мощностью, частотой и пр. При передаче электрических сигналов по ЛП происходит искажение формы и спектра сигналов, их затухание. Искажение сигнала определяется степенью рассогласования параметров электронных схем с параметрами ЛП, взаимным влиянием расположенных по соседству ЛП, задержкой сигналов в ЛП. Выбор конструктивно-технологического варианта исполнения электрических соединений - важная и сложная задача, влияющая на качество проектируемой РЭА.

      Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является металлическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. В поперечном сечении провода бывают круглыми или прямоугольными, пленочные и печатные проводники - прямоугольными. Провода защищаются изолирующими диэлектрическими оболочками, а при необходимости - экранами. По волноводам и волоконно-оптическим ЛП передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод) и светового (световод) диапазонов.

      

Рис. 9.1.1.

      Для повышения производительности труда  при сборке РЭА и упрощения электромонтажных работ ЛП объединяют конструктивно-технологически в узлы (рис. 9.1.1), состоящие, например, в жгутах из нескольких десятков линий.

      Линии электропитания представляют собой  объемные провода, пленочные и печатные проводники, либо проводящие пластины. Конструктивное исполнение сигнальных ЛП более разнообразно и во многом определяется частотным диапазоном передаваемых сигналов.

      Все сигнальные линии связи разделяют на электрически длинные и электрически короткие, характер искажения сигналов в которых различен.

      Электрически  короткой называют ЛП, длина которой для гармонического сигнала определяется по выражению

l_k = c/(f

),

где а - частота сигнала, с - скорость света, e - относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей линию передачи.

      Расчет  ЛП для импульсных сигналов проводится на гармонику наибольшей частоты, значение которой приближенно равно а = 0.4/t_ф, где t_ф - значение фронта сигнала на уровне 0,1 и 0,9 амплитуды сигнала.

      

Рис. 9.1.2.

      Электрически  короткие ЛП. При анализе электрических процессов короткую ЛП моделируют эквивалентной схемой, состоящей из емкости и индуктивности ЛП, сосредоточенными в одной точке (рис. 9.1.2-б). Активным сопротивлением линии пренебрегают. Модуль 1, формирующий сигнал, представляется источником напряжения U с последовательно включенным сопротивлением R₁. Модуль 2 является приемником сигнала и моделируется входным сопротивлением R₂.

      При R₂ >> R₁ эквивалентную схему индуктивно-емкостной короткой  линии совместно с сопротивлением R₁ можно представить резонансным контуром, в котором могут возникнуть колебания с частотой:

f = (1/2p)

.

      В результате колебательного процесса напряжение на входе схемы 2 может многократно пересечь порог ее срабатывания и вызвать многократное изменение ее логического состояния. Если колебания в ЛП прекратятся за минимальное время длительности фронта передаваемого по линии сигнала, то они не окажут влияния на работоспособность аппаратуры. Условие отсутствия колебаний в линии выполняется при L ≤ CR₁²/4. В этом случае индуктивностью линии можно пренебречь (в).

        Реакция емкостной ЛП (в) на синусоидальный сигнал будет проявляться в уменьшении амплитуды выходного напряжения и сдвиге фазы выходного сигнала относительно входного. В общем случае сигналы на входе и выходе ЛП могут существенно отличаться. Если ЛП нагружается на пороговые схемы, то при подаче на вход ЛП прямоугольного импульса амплитудой U время срабатывания схемы задерживается на величину:

t_ср = t|ln(1-U_пор/U|,

где t = R₁С - постоянная времени, U_nop — пороговое напряжение логического элемента 2. Если длительность импульса много больше t, то ЛП передаст импульс практически без искажений. В противном случае линия передачи будет себя вести подобно интегрирующей RC-цепи, занижая амплитуду импульса и сглаживая его фронты.

      Перекрестные  помехи обусловлены электрическим, магнитным и электромагнитным взаимодействием расположенных по соседству ЛП. Микроминиатюризация и увеличение плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную задачу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную работу аппаратуры. Уровень помех зависит от взаимной индуктивности проводников и межпроводниковой емкости, создавая соответственно индуктивную и емкостную составляющие взаимных помех. Емкостная составляющая возрастает с ростом скорости изменения напряжения на входе ЛП и величин сопротивлений на концах линии, индуктивная помеха - с ростом скорости изменения тока в линии и увеличением числа нагрузок на выходе активной линии.

      Снизить значение паразитной емкости между  ЛП можно уменьшением длины совместного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоянии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передающих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле, введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. Например, заземление оплетки коаксиального кабеля позволит целиком избавиться от емкостной помехи. Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛП возможно дальше друг от друга, уменьшением площадей контуров, образуемых проводами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП, использованием экранированных проводов, свитых пар, коаксиальных кабелей.

      Электрически  длинные линии передачи. Хотя параметры линии являются распределенными вдоль ее длины, на эквивалентной электрической схеме ЛП их аппроксимируют сосредоточенными на малых фрагментах линии (рис. 9.1.3), где R, L, С - погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость.

      

Рис. 9.1.3.

      Важнейшей характеристикой электрически длинной  ЛП является ее волновое сопротивление Z_0.. Волновое сопротивление – это сопротивление линии электромагнитной волне при отсутствии отражений от концов линии. Оно зависит от первичных электрических параметров кабеля и частоты сигнала. Если электромагнитную волну представить в виде раздельных волн напряжения и тока, то соотношение между ними и представляет собой волновое сопротивление цепи: Z₀ = U/I. Волновое сопротивление является комплексной величиной и состоит из активной и реактивной части. Зависимость волнового сопротивления от частоты повышается в области низких частот и имеет емкостной характер (2pfL<<R). В области высоких частот имеет место 2pfL > R, 2pfC >> (1/R) и значение волнового сопротивления стремится к постоянной величине , которое и принимается за значение Z₀.

      Отражение сигналов в длинных  линиях. При передаче сигналов по длинным линиям важно согласовать сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением линии. В несогласованной линии одновременно присутствует прямая (падающая) волна, распространяющаяся от начала линии к ее концу, и отраженная от нагрузки обратная волна, передающаяся от конца линии к ее началу. Отношение амплитуды напряжения U_o отраженной от нагрузки R волны к амплитуде U_п падающей волны определяется коэффициентом отражения:

r_o = U_o/U_п = (R-Z₀)/(R+Z₀).

      Отраженная  волна распространяется от конца  линии к началу (с определенной потерей энергии на Z₀), через определенное время задержки t_з достигает начала линии, и точно также отражается от выходного сопротивления источника сигнала. Значение скорости распространения волн на высоких частотах стремится к постоянной величине u = 1/ , и, соответственно, t_з = . На низких частотах, где преобладает емкостной характер линии, время задержки может увеличиваться в 1.5-2 раза.