Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

Разработка научно обоснованных рекомендаций по установке ПЛИС на печатные платы

Выпускная квалификационная работа

по специальности 210201.65 Проектирование и технология радиоэлектронных средств



Содержание

Введение

Глава 1. Анализ проблемы

1.1 История развития интегральных схем

1.2 ПЛИС их назначение принцип работы, их параметры, ведущие производители

1.3 Влияние развития ПЛИС на конструирование и технологию печатного узла

1.4 Постановка задачи

Глава 2. Анализ ПЛИС серии XLINX Spartan 3-A

2.1 Описание серии XLINX Spartan 3-A

2.2 Особенности обеспечения целостности сигнала

Выводы

Глава 3. Разработка метода обеспечения целостности сигнала и питания

3.1 Выполнение расчетов по параметрам линии передачи

3.2 Разработка требований к формированию шин питания и развязки

3.3 Выбор и обоснование развязывающих конденсаторов

Выводы

Глава 4. Разработка конструкции ПП удовлетворяющей требованиям целостности сигнала и питания

4.1 Разработка рекомендаций по конструкции ПП

4.2 Разработка рекомендаций по установке и размещению развязывающих конденсаторов

4.3 Разработка по технологии сборки и монтажу

4.4 Оценка рынка ПЛИС и технологических затрат

4.5 Обеспечение БЖД при сборке и монтажа, общие вопросы

Глава 5. Моделирование

5.1 Подготовка схемы электрической принципиальной (проводилась в системе Orcad)

5.2 Трассировка печатной платы (проводилась в системе Allegro)

5.3 Результаты моделирования

Заключение

Список литературы



Введение

В настоящее время главными задачами при создании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронно-вычислительных машин (ЭВМ) является увеличение скорости работы и уменьшение физических размеров. Для этого улучшаются характеристики и параметры элементов и интегральных микросхем, также происходит их оптимизация. Однако, при переходе работы устройств в наносекундный диапазон возникают новые проблемы, связанные с искажением сигналов в линиях связи. С повышением быстродействия логических схем скорость преобразования информации приближается к скорости её передачи, а при задержках логических элементов становится сравнимой с ней. В этом случае улучшение динамических характеристик самих элементов может не дать желаемого эффекта. Так как интегральные схемы как правильно, являются компонентами печатных плат , то необходим комплексный подход к проектированию печатных плат.

Следовательно при проектировании печатных узлов необходимо это учитывать, и искать методы которые позволяют существенно повысить помехоустойчивость аппаратуры. Также необходимо учитывать проблемы питания. целостность сигнал интегральный конденсатор

В данной работе мы проведем исследование, и покажем что при правильной разработке печатных плат мы можем значительно сократить возникающее помехи при передачи информации.



Глава 1. Интегральные схемы

1.1 История развития интегральных схем

Интегральная схема - электронная микросхема изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки. Большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой -- ИС, заключённую в корпус.

История появления интегральных схем берет своё начало со второй половины двадцатого века. Их возникновение было обусловлено острой необходимостью повышения надёжности аппаратуры и автоматизации процессов изготовления и сборки электронных схем.

Другой причиной создания ИС стала технологическая возможность размещения и соединения между собой множества электронных компонентов - диодов, транзисторов и так далее, на одной пластине полупроводника. Дело в том, что созданные к тому времени меза- и планарные транзисторы и диоды изготавливались по технологии групповой обработки на одной пластине-заготовке одновременно.

Концепция ИС была предложена задолго до появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. Первые в мире ИС были разработаны и созданы в 1959 году американцами Джеком Сент Клером Килби (фирма Texas Instruments) и Робертом Н. Нойсом (Fairchild Semiconductor) независимо друг от друга.

В мае 1958 г. Джек Килби перешёл в фирму Texas Instruments из фирмы Centralab - в ней он возглавлял программу по разработке слуховых аппаратов, для которых фирма создала небольшое предприятие по созданию германиевых транзисторов. Уже в июле 1958 г. Килби пришла в голову идея создания ИС. Из полупроводниковых материалов уже умели изготовлять резисторы, конденсаторы и транзисторы. Резисторы изготовляли, используя омические свойства "тела" полупроводника, а для создания конденсаторов использовались смещённые в обратном направлении p-n-переходы. Оставалось только научиться создавать такие переходы в монолите кремния.

Многие недостатки "твёрдых схем" были устранены позднее Робертом Нойсом. С января 1959 года, занимаясь в фирме Fairchild Semiconductor (FS) исследованием возможностей планарного транзистора, он вплотную занялся выдвинутой им идеей создания интегральных диффузионных или напылённых резисторов методом изоляции приборов с помощью смещённых в обратном направлении р-n-переходов и соединения элементов через отверстия в окисле путём напыления металла на поверхность. Вскоре была подана соответствующая заявка на патент, и разработчики элементов в тесном контакте со специалистами по фотолитографии начали работать над вопросами соединения диффузионных резисторов и транзисторов на кремниевых пластинах.

Разработки ИС стали продвигаться лихорадочными темпами. Фирма FS пригласила в качестве разработчика схем Роберта Нормана из фирмы Sperry. Норман был знаком с резисторно-транзисторной логикой, выбранной в качестве основы для будущей серии ИС - Micrologic... Это было начало новой эры.

Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

· малая интегральная схема (МИС) -- до 100 элементов в кристалле,

· средняя интегральная схема (СИС) -- до 1000 элементов в кристалле,

· большая интегральная схема (БИС) -- до 10 тыс. элементов в кристалле,

· сверхбольшая интегральная схема (СБИС) -- более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия: ультрабольшая интегральная схема (УБИС) -- от 1-10 млн до 1 млрд элементов в кристалле и, иногда, гигабольшая интегральная схема (ГБИС) -- более 1 млрд. элементов в кристалле. В настоящее время, в 2010-х, названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются, и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

1.2 ПЛИС их назначение принцип работы, их параметры, ведущие производители

По мере развития цифровых микросхем возникло противоречие между возможной степенью интеграции и номенклатурой выпускаемых микросхем. Экономически оправдано было выпускать микросхемы средней интеграции, таких как регистры, счетчики, сумматоры. Более сложные схемы приходилось создавать из этих узлов. Разместить более сложную схему на полупроводниковом кристалле не было проблем, но это было оправдано либо очень большой серийностью аппаратуры, либо ценой аппаратуры (военная, авиационная или космическая). Заказные микросхемы не могли удовлетворить возникшую потребность в миниатюризации аппаратуры. Решение могло быть только одним -- предоставить разработчикам аппаратуры возможность изменять внутреннюю структуру микросхемы (программировать).

История развития программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) начинается с появления программируемых постоянных запоминающих устройств. Первое время программируемые ПЗУ использовались исключительно для хранения данных, однако вскоре их стали применять для реализации цифровых комбинационных устройств с произвольной таблицей истинности. В качестве недостатка подобного решения следует отметить экспоненциальный рост сложности устройства в зависимости от количества входов. Добавление одного дополнительного входа цифрового устройства приводит к удвоению требуемого количества ячеек памяти ПЗУ. Это не позволяет реализовать многовходовые комбинационные цифровые схемы.

Для реализации цифровых комбинационных устройств с большим числом входов были разработаны программируемые логические матрицы (ПЛМ). В иностранной литературе они получили название -- Programmable Logic Arrays (PLA). Именно программируемые логические матрицы можно считать первыми программируемыми логическими интегральными схемами (Programmable Logic Devices -- PLDs). ПЛМ получили широкое распространение в качестве первых универсальных микросхем большой интеграции.

Классификация ПЛИС

В настоящее время программируемые логические интегральные схемы развиваются по нескольким направлениям, поэтому возникла необходимость как то различать эти микросхемы. Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) приведена на рисунке 1.

Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)

Следует отметить, что программируемые логические матрицы (ПЛМ) реализуют хорошо известные принципы создания цифровой комбинационной схемы по таблице истинности (СДНФ). Применение постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) в качестве комбинационной схемы позволяет вообще обойтись без составления комбинационной функции и ее минимизации. Области применения этих микросхем сразу определились. ПЗУ применялись для создания комбинационных схем с малым количеством входов. При росте количества входов сложность внутреннего устройства ПЗУ и его цена резко возрастали (по квадратичному закону). ПЛМ позволяли реализовывать таблицы истинности с относительно малым количеством единичных сигналов на выходе и большим количеством входных сигналов, либо хорошо минимизирующиеся логические функции.

Первоначально цифровые устройства с памятью реализовывали либо на нескольких ПЛМ, либо добавляли внешние триггеры , затем стали включать их в состав программируемых логических устройств. По мере увеличения степени интеграции микросхем возникла необходимость объединять полученные сложные микросхемы на одном кристалле. В результате возникли сложные программируемые логические устройства (CPLD). В них появилась возможность программировать не только таблицу истинности комбинационного устройства, но и линии соединения входов и выходов ПЛД между собой. Таким образом можно считать CPLD дальнейшим развитием ПЛМ и ПЛД.

Точно так же развивались цифровые устройства на ПЗУ. Сначала к их выходам добавили триггер. Естественно предоставили возможность отключать его при необходимости. Затем несколько этих схем разместили на одном кристалле и предоставили возможность программировать соединения их входов и выходов между собой. Подобные устройства называются FPGA. [11]

Ведущие производители

Достаточно много компаний в мире занято производством цифровых устройств на основе ПЛИС и использованием их в своих системах. В данном разделе перечисляются и кратко описываются основные производители современных вычислительных систем на основе ПЛИС и комплектующих к ним.

Основанная в 1984 году американская компания Xilinx является одним из лидеров в области производства ПЛИС-микросхем. На данный момент у этой компании существует несколько серий выпускаемой аппаратуры для разного рода вычислений:

· Virtex. Высокопроизводительные ПЛИС на основе FPGA, призванные заменить специализированные интегральные схемы при решениях различных ресурсоемких задач.

· Spartan. Более дешевые и менее производительные ПЛИС FPGA, разработанные для использования в устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих.

· CoolRunner и XC9500. Серии ПЛИС типа CPLD, предназначенных для использования в различных портативных устройствах - мобильных телефонах, GPS-навигаторах, КПК и т.д. Для микросхем данного типа главными критериями является минимизация размеров и потребляемой мощности.

Микросхемы данных серий применяются довольно широко: последнее семейство Virtex-5 из серии Virtex используется, например, в суперкомпьютерах Cray XT5h и NEC SX-9. Также ПЛИС FPGA являются альтернативой процессоров цифровой обработки сигналов, для чего в каждом семействе присутствуют модели со встроенными блоками для этой обработки.

Для работы с представленными микросхемами компания Xilinx предоставляет различные программные средства для реализации цифровых схем, для разработки встраиваемых программируемых процессорных систем, а также для отладки и повышения производительности.

Помимо собственно разработки микросхем, компания Xilinx уделяет большое внимание цифровой обработке сигналов, разработке различных IP-ядер для использования в микросхемах, созданию встроенных процессоров и др.

Компания Altera является основным конкурентом компании Xilinx, причем по всем основным направлениям. В мае 2008 года Altera представила новое семейство из серии Stratix высокопроизводительных микросхем типа FPGA - Stratix IV, работающих на 40-нм архитектуре. Для менее ресурсоемких задач компания Altera предлагает серию ПЛИС FPGA Cyclone, а в качестве компромисса между производительными Stratix и недорогими Cyclone - серию Arria. Для мобильных устройств выпускается серия Max на основе ПЛИС типа CPLD. Также в дополнение к этим микросхемам компания выпускает серию ASIC микросхем HardCopy, разработанных в качестве специализированных аналогов соответствующих FPGA Stratix.

Начиная с серии Stratix III, в ПЛИС используется технология Programmable Power Technology, которая позволяет варьировать режим работы и, соответственно, потребляемую мощность логических ячеек в зависимости от необходимости быстрого выполнения поставленной задачи.

Микросхемы компании Altera активно применяются во многих областях, например, на рынке беспроводных и проводных коммуникаций, в военных технологиях, в области телевещания, а также в различных мобильных устройствах.

Lattice Semiconductor только в 2002 году начала производство FPGA-микросхем, и на этом рынке она занимает всего порядка нескольких процентов. Однако Lattice Semiconductor является одним из лидеров в области производства CPLD и SPLD (simple PLD - более простые по сравнению с CPLD программируемые устройства) микросхем. На этом рынке компания предоставляет целый спектр ПЛИС различной направленности:

· CPLD общего назначения;

· CPLD с низкой потребляемой мощностью;

· CPLD с гибридной архитектурой серии MachXO - обладает некоторыми свойствами FPGA, что позволяет большей гибкости при программировании;

· CPLD серии ispXPLD 5000V/B/C, которая состоит из блоков Multi-Function Block (MFB), каждый из которых может быть запрограммирован отдельно:

o как вычислительный блок;

o как блок памяти RAM или CAM;

o как блок, реализующий буфер типа FIFO.

· SPLD-микросхемы, используемые для проведения простых операций или в качестве связующих логических схем на плате.

Хотя компания Lattice Semiconductor появилась на рынке ПЛИС FPGA относительно недавно, она выпускает довольно большой ассортимент микросхем данного типа. Среди них стоит выделить микросхемы Field Programmable System Chip (FPSC) - первой серии ПЛИС со встроенными ASIC ядрами, которые предназначены для реализации стандартных IP ядер - шинного интерфейса, высокоскоростного интерфейса или высокоскоростного трансивера; а также серию Lattice XP2 и предназначенный для его программирования прикладной пакет ispLEVER, которым в 2008 году была присуждена премия DesignVision Award в области "Средства программирования микросхем типа ASIC, FPGA и PLD".

В целом выпускаемые компанией Actel микросхемы можно разбить на два типа:

· с использованием flash-памяти;

· с однократно программируемой памятью (antifuse технология).

Поскольку компания Actel занимается производством компактных и недорогих ПЛИС (в феврале этого года Actel стала выпускать микросхемы серии ProASIC3 по рекордно низкой цене в 99 центов), основными ее покупателями являются компании, занимающиеся различными портативными устройствами и автомобильной промышленностью. Также благодаря описанным свойствам высокой надежности и моментальной готовности к работе микросхемы компании Actel используются в военной и аэрокосмической областях.

Также стоит отметить разработанную компанией Actel технологию Fusion, которая позволяет объединить логические блоки FPGA, flash-память и аналоговые устройства на одной микросхеме. [12]

1.3 Влияние развития ПЛИС на конструирование и технологию Печатного узла

Так основными трендами в развитии ПЛИС является постоянное уменьшение физических размеров и повышение быстройдейсвия то это накладывает определенные требования к проектируемому Печатному Узлу (ПУ). Следовательно основынми задачами конструктора является подавление возможных и поддержание целостности питания, добится этой задачи возможно при помощи различных фильтров и правильной конструкции (ПУ)

Также необходимо учитывать что помимо ПЛИС на (ПУ) как правильно размещаются другие ИС которые обеспечивают полный функциоанл в соответсвии с ТЗ. Следовательно когда растет количество электронных компонентов, то расстояние между источником и жертвой уменьшается, в результате чего увеличивается интенсивность помех. Кроме того, увеличивается производительность электронных устройств, соответственно растет частота, и помехи генерируются на более высоких частотах, в результате чего расширяется пораженный помехами диапазон частот. Кроме того, в связи с энергосбережением электронных устройств, они могут работать на более низких напряжения, в результате чего больше случаев сбоев под воздействием помех с меньшей энергией.

С дальнейшим увеличением загруженности, производительности и сокращения размеров электрических устройств, вопрос о помехах, как ожидается, станет более серьезным (Рис. 1.1).

Рис. 1.1. Расширение использование электронных устройств и эффектов, связанных с помехами

Внутрисистемная ЭМС

«Внутрисистемная ЭМС» самопоражение электронного устройства

Помехи могут произойти в электронных устройствах без внешнего воздействия. Помехи от схемы внутри электронного устройства могут вызвать помехи в другой цепи в том же электронном устройстве. Это называется внутрисистемая ЭМС. Например, если мобильный телефон имеет встроенные цифровые схемы, помехи от цифровой схемы могут ухудшить работу приемника мобильного телефона (снижение чувствительности приемника). В таком случае расстояние между источником помех и жертвой значительно меньше, чем у источника общих внешних помех, в результате чего возникают более серьезные помехи. В зависимости от конкретного случая, подавление помех в данном случае выполняется гораздо более строго, чем требует Регулирование ЭМС.

Методы подавление помех

Проблема ЭМС требует существования трех факторов (источник помех, рецептор и путь переноса помех), как указано в общем виде на Рис. 1.2. Помехи могут быть устранены, если вы можете устранить один из этих факторов.

Таким образом, вы можете принять меры со стороны источника помех или со стороны рецептора. Например, если вы не используете в цифровых схемах, импульсных источников питания или передатчиков, помехи, создаваемые электронными устройствами, будут очень слабыми. Другим примером может быть создание избыточности в программном обеспечении на стороне рецептора. Таким образом, даже если информация немного изменится, сигнал может быть восстановлен. Эти меры могут быть фундаментальными решениями. Но в таких случаях могут возникать большие вторичные эффекты, такие как значительное снижение производительности электронных устройств или увеличение их размеров, что делает такие меры нереальными.

Как правило, помехи передаются по некоторым путям, как показано на Рис. 1.3. Есть два типа помех: излучение по полю и по проводным путям (кондуктивные помехи). Как показано на рисунке, излучение по полю ограничивается электромагнитными экранами, а кондуктивные помехи фильтрами.

Как показано на Рис. 1.2, помехи излучения и кондуктивные помехи имеют тенденцию взаимного преобразования через провод, который работает в качестве антенны. Поэтому, даже если кондуктивные помехи возникают только в одном месте, вы можете не полностью игнорировать возможность помех излучения.

Рис. 1.2. Среда распространения помех

Рис. 1.3. Меры по подавлению помех

Экраны

Экраны проводящие оболочки для создания электромагнитных барьеров на пути распространения электромагнитного поля. Они окружают либо источник, либо рецептор помех, как показано на Рис. 1.4.

Хотя эффективность экранов обычно зависит от проводимости, магнитной проницаемости и толщины используемого материала, подавление помех для общих электронных устройств может достичь достаточно большой эффективности с очень тонкой металлической пластиной, такой как алюминиевая фольга. Вы должны знать, что последствия подавления помех для электронных устройств в большой степени зависит от конструкции корпуса (зазоры, отверстия, контактное сопротивление и т.д.), а не от технических характеристик материала.

Делая отверстия в экране для тепловыделения, ограничение максимального размера каждого отверстия является более важным, чем ограничение на общую площадь отверстий. Как показано на Рис. 1.5, если есть удлиненное отверстие или щель, эта часть может работать как щелевая антенна (особенно для высоких частот, когда длина l на рисунке превышает 1/2 длины волны) и радиоволны могут входить в экран и выходить из него. Чтобы предотвратить это, отдельные отверстия должны быть небольшими. Перфорированный материал с множеством маленьких отверстий и металлические сетки хорошие материалы для вентиляции и экранирования.

Рис. 1.4. Экран

Рис. 1.5. Примеры различных эффектов экранирования (Предполагается, что высокая частота помех ограничивается электромагнитным экраном. В некоторых случаях (например, электромагнитный экран и т.д.), этот порядок не может быть применим)



Фильтры

Фильтры узлы или компоненты, которые позволяют необходимым компонентам проходить по проводникам и удаляют ненужные компоненты в электрическом токе, который протекает по проводникам (Рис. 1.6). Хотя помехи будут переадресованы на землю (Рис. 1.7), энергия помех может быть альтернативно поглощаться внутрь объекта или может быть возвращена к источнику происхождения помех (увеличенное полное сопротивление).

Рис. 1.6. Назначение фильтров

Рис. 1.7. Как работает фильтр

Поскольку помехи, как правило, распределяется в относительно более высоком диапазоне частот, как показано на Рис. 1.8, для подавления помех в электронных устройствах обычно используют фильтры нижних частот (ФНЧ), которые удаляют высокочастотные компоненты. Для этого ФНЧ можно использовать компоненты общего назначения, такие как катушки, резисторы и конденсаторы. Однако для того, чтобы полностью закрыть помехи, используется специальный компонент фильтр электромагнитных помех.

Помимо этих фильтров, которые используют преимущества неравномерного распределения частот помех, есть фильтры, которые используют преимущества разности напряжений (варисторы и т.д.) и фильтры, которые используют преимущества разницы проводимости режим (синфазный дроссельные катушки и т.д.).

В дополнение к этим фильтрам, трансформаторы, оптические кабели или оптические изоляторы могут быть использованы в качестве своего рода фильтров. Хотя эти компоненты могут достичь исключительных эффектов помехоподавления в некоторых случаях, применимые ситуации ограничены.

Рис. 1.8. Разделение помех за счет ФНЧ

Использование экранов и фильтров

Фильтры используются для помех, которые проходят через проводники, а экраны используются для помех, который проходит через пространство. Однако, так как проводник, через который проходит ток помех, может также работать в качестве антенны, эти два типа проводимости взаимно преобразуются друг в друга с помощью проводника в качестве антенны. Поэтому, для того, чтобы полностью защититься от помех, фильтры и экраны должны быть использованы в одной позиции.

При одновременном использовании экрана и фильтра вместе в одном месте, как показано на Рис. 1.16, как пространственная проводимость так и кондуктивная проводимость будут полностью закрыты позволяя полностью устранить помехи.

Если длина проводника между источником помех и фильтром весьма коротка, как показано на Рис. 1.17, эффекты проводника в качестве антенны могут быть проигнорированы, и помехи могут быть, таким образом, устранены до некоторой степени только с помощью фильтра. Поэтому, если вы можете использовать фильтр в непосредственной близости от источника помех, подавление помех может быть достигнуто только с помощью фильтра.

Рис. 1.9. Помехи могут быть устранены путем комбинации фильтра и экраном

Рис. 1.10. Если проводник короткий, подавление помех может быть достигнуто только с помощью фильтра

Фильтры и заземление

Для того, чтобы эффективно использовать фильтры и экраны, как правило, необходимо иметь хорошую связь с землей.

Если есть встроенный шунтирующий конденсатор внутри фильтра, заземление становится маршрутом, возвращающим помеховой ток обратно к источнику помех, как показано на Рис. 1.18.

Если полное сопротивление на землю велико, как показано на рис. 1-19 (а), то появляется некоторое напряжение на землю из-за тока помехи с хорошим устранением помех. Если эта земля является общей с другим монтажом другого фильтра, напряжение к земле может вернуться к другим проводам через конденсатор фильтра.

Этот тип помеховой связи через сопротивление земли называется общим сопротивлением связи. Этот случай имеющий помехи на земле, известен также как возникновение синфазных помех. Общее полное сопротивление связи является одним из механизмов, которые вызывают общий вид помехи.

Поскольку фильтры, которые имеют встроенные конденсаторы, и очень восприимчивы к условиям подключения на землю, вы должны использовать стабильную землю с низким сопротивлением.

Рис. 1.11. Путь тока помех

Рис. 1.12. Влияние сопротивления заземления

Экраны и заземление

Экраны в том числе и статические также должны быть заземлены. Поскольку электрический ток протекает по проводу, подключенному к земле в соответствии с изменением электрического поля, то провод должен иметь низкое полное сопротивление. Во многих случаях при использовании экранированных проводов экран также работает как обратный путь тока, который проходит через внутренний проводник (такой, как внешний проводник коаксиального кабеля, например). Поэтому он должен быть подключен к земле, что поможет вернуть этот ток (при экранировании сигнала, подключения к цепи земли).

В случае, когда помехи направляются на землю, как на Рис. 1.12, и если экраны подключены к этой земле, то экран вытягивает, а затем испускает помехи от рабочей земли так же, как в качестве антенны, которая может привести к увеличению помех. При подключении экрана, вам нужно выбрать землю с низким сопротивлением и со стабильным потенциалом. Экранирующий корпус работает как относительно хорошая земля. Если есть случай когда экранирование, охватывает все устройство, то это случай когда экранирование может стать хорошей землей для подавления помех, даже если оно не подключено к земле (ток разряда должен быть слит на землю с целью подавления статического электричества или других токов, он должен быть подключен к земле). Здесь мы называем эту землю экранной землей.

Корпусное заземление экрана также может быть использовано в качестве заземления для экранированных кабелей. Однако для того, чтобы сделать этот экран работоспособным в качестве обратного пути для сигналов, как описано выше, он также должен быть соединен с землей схемы. Таким образом, если экранная земля и земля цепи будут отделены, соединение усложняется.

1.4 Постановка задачи

Цель моей работы разработать научно обоснованные рекомендации по установке ПЛИС на печатные платы, для этого необходимо:

1. Рассмотреть особенности поддержания целостности сигнала

2. Рассмотреть особенности поддержания целостности питания

3. Разработать рекомендации по размещению развязывающих конденсаторов

4. Разработать рекомендации по конструкции ПУ

5. Провести компьютерное моделирование



Глава 2. Анализ ПЛИС серии XLINX Spartan 3-A

2.1 Описание серии XLINX Spartan 3-A

Семейство Spartan-3A является дальнейшим развитием семейства Spartan-3E. Увеличение отношения логической ёмкости к количеству блоков ввода-вывода позволило существенно снизить себестоимость кристаллов в перерасчете на одну логическую ячейку.

Благодаря своей низкой стоимости, ПЛИС FPGA семейства Spartan-3A идеально подходят для применения в различных областях, таких как широкополосный доступ, домашние сети, средства визуализации (мониторы/проекторы) и цифровое телевизионное оборудование.

Семейство Spartan-3A может с успехом заменить и превзойти ASIC (Application-Specific Integrated Circuit - специализированная интегральная микросхема). ПЛИС семейства Spartan-3A позволяют сократить сроки разработки, а также обладают большей гибкостью по сравнению с обычными микросхемами ASIC. Кроме того, вследствие программируемости ПЛИС FPGA у разработчика существует возможность вносить изменения в проект в готовом устройство, не прибегая к замене комплектующих, что также невозможно осуществить, используя ASIC.

Характеристики:

· низкая цена, высокая производительность логики, ориентированность на применение в устройствах, предназначенных для массового потребителя;

· передовая технология производства с проектными нормами 90 нм;

· интерфейсные контакты с технологией SelectIO, работающие при различных значениях напряжения и стандартах:

· до 376 контактов ввода-вывода или 156 дифференциальных сигнальных пар ввода-вывода;

· поддержка однополюсных сигнальных стандартов ввода-вывода LVCMOS, LVTTL, HSTL и SSTL;

· поддержка 3,3-, 2,5-, 1,8-, 1,2-В стандартов ввода-вывода;

· полнофункциональные дифференциальные вводы-выводы LVDS, RSDS, мини-LVDS и HSTL/SSTL;

· передача данных со скоростью до 622 Мбит/с по одной дифференциальной паре ввода-вывода;

· гибкие логические ресурсы:

· мультиплексоры, позволяющие реализовать логические функции более четырех переменных, не используя дополнитеоных 4-LUT;

· логика ускоренного переноса;

· порт JTAG IEEE 1149,1/1532 для программирования и отладки;

· иерархическая архитектура памяти SelectRAM:

· до 648 Кбит высокоскоростной блочной памяти (Block RAM);

· до 231 Кбит распределённой памяти;

· устранение расфазировки синхроимпульсов

· синтез частот, умножение, деление;

· широкий спектр частот (от 5 МГц до 333 МГц);

· восемь глобальных тактовых входов и по восемь дополнительных на каждой половине кристалла ПЛИС;

· конфигурационный интерфейс для подключения стандартных ППЗУ:

· недорогое компактное флэш-ППЗУ с последовательным интерфейсом SPI;

· x8 или x8/x16 NOR флэш-ППЗУ с параллельным интерфейсом;

· недорогое ППЗУ Xilinx Platform Flash, которое программируется "в системе" по JTAG-интерфейсу;

· полная поддержка САПР ISE и WebPACK;

· поддержка 32/34бит, 33МГц PCI;

· выбор недорогих типов корпусов с планарными и "шариковыми" контактами:

· стандартизованность габаритов корпусов облегчает переход от ПЛИС меньшей логической ёмкости к ПЛИС большей логической ёмкости;

· возможность выбора корпуса, не содержащего свинца.

2.2 Особенности обеспечения целостности сигнала

Для целей нашего обсуждения определим нарушение «целостности сигнала» как любое явление, способное неблагоприятно повлиять на способность сигнала к передаче двоичной информации. В реальных, действующих цифровых устройствах двоичным сигналам присущи аналоговые атрибуты, обусловленные сложным взаимодействием многочисленных элементов схемы, от выходных параметров формирователя до согласования путей распространения сигналов. Основные виды неполадок.

? нарушения амплитуды. В число нарушений амплитуды входят «звон» (колебания), спад вершины (уменьшение амплитуды в начале импульса) и уменьшение амплитуды по всей длине импульса;

? искажения фронтов. Искажения фронтов могут быть вызваны неудачной топологией печатной платы, как описано ранее, неправильным согласованием или даже применением некачественных полупроводниковых устройств. В число искажений фронта входят выбросы, скругленный фронт, «звон», затянутый фронт и другие искажения;

? нестабильность фронтов. Нестабильность фронтов возникает, когда в цифровом сигнале происходят малые смещения фронтов от цикла к циклу. Это может повлиять на точность соблюдения временных соотношений и синхронизации в цифровых системах;

? отражения. Отражения могут появиться вследствие неправильного согласования и неудачной топологии печатной платы. Исходящий сигнал отражается в направлении источника и накладывается на следующие импульсы;

? перекрёстные помехи. Перекрёстные помехи возникают, когда длинные проводники проходят рядом; это приводит к связи между ними через взаимную ёмкость и индуктивность. Кроме того, значительные токи и резкие фронты приводят к увеличению уровня электромагнитного излучения и, следовательно, перекрёстных помех;

? колебания в шине заземления. Колебания в шине заземления, вызванные избыточным током (или сопротивлением источника питания и возвратных путей по заземлению), могут вызвать смещение опорного уровня схемы при протекании больших токов.

Фильтрация помех в цепях питания ИМС

Для подавления электромагнитных помех (ЭМП) в системе электропитания цифровых ИМС используются различные конденсаторы и фильтры, как показано на Рис. 2.1. Для формирования цепи развязки, действующей как фильтр, (см. Рис. 2.2), необходимо соединить источник питания ИМС с сетью распределенного питания (СРП), что будет способствовать повышению целостности питания (ЦП).

Рис. 2.1. Пример набора компонентов, используемых для подавления помех в системе питания ИМС



Рис. 2.2. Пример электрических соединений для электропитания ИМС

Цепь развязки выполняет такие функции, как:

· подавление помех, генерируемых входами ИМС,

· обеспечение переходных токов, связанных с работой ИМС и поддержкой рабочего напряжения,

· формирование пути возвратного тока для сигнала.

Когда эта цепь не полностью функциональна, могут возникнуть следующие проблемы

· увеличение помеховой эмиссии оборудования из-за помеховой утечки,

· вторжение помех от внешнего источника, вызванного работой ИМС,

· изменения напряжения электропитания, влияющего на работу ИМС, снижая целостность сигнала и увеличивая помехи сигнала

· уменьшение целостности сигнала из-за нарушения пути возвратного тока сигнала.

Поэтому, формирование соответствующей цепи развязки важно и для подавления помех и для работы цепи.

Эта цепь развязки легко создается, для устройств с относительно низкой тактовой частотой, или с большим допуском против помех, для этого необходимо определить местонахождение конденсатора, создающего путь обхода, соединяя электропитание с землей около терминала электропитания. Такой конденсатор называют развязывающим конденсатором. Однако, более сложные цепи развязки необходимы для ИМС работающих на высокой тактовой частотой, ИМС создающих высокий уровень помех, а также для чувствительных к помехам ИМС.

Как правило, свойства цепей развязки оценивается, главным образом, вносимыми потерями с точки зрения подавления помех, полного сопротивления пути протекания токов питания и формирования пути прохождения сигнала. Так как эти две оценки отличаются, первая половина этого раздела сосредоточится на подавлении помех, и предложит объяснения, основанные на вносимых потерях как индикаторе. Вторая половина этого раздела будет сфокусирована на качестве тока питания и предложит объяснения, основанные на полном сопротивлении как индикаторе.

Возникновение помех по цепям питания от цифровых ИМС и конфигурации цепей развязки

Опишем механизм возникновения помех по цепям питания для цифровых ИМС, конфигурации цепей развязки для того, чтобы работать с такими помехами, и дадим краткий обзор особенностей цепей, имеющих отношение к цепям развязки (фильтры электропитания), охваченный в этом руководстве.

Механизм возникновения помех в цепях питания

Упрощенная модель цепи КМОП, используемых наиболее широко для цифровых ИМС, показана на Рис. 2.3. Для упрощения работы транзистор КМОП на стороне источника представлен как выключатель, а емкость транзистора КМОП вентиля на стороне приемника представлена как конденсатор, связанный с землей. Для КМОП цифровых ИМС, со стороны драйвера переключает сигнальную линию передачи к цепи электропитания (VDD) или к цепям заземления (GND), что приводит к появлению на линии уровней напряжения, которые соответствует логической «1» или «0» соответственно.

Рис. 2.3. Упрощенная модель цифровой ИМС

Обычно, если уровень напряжения не изменяется для электропитания КМОП, возможен любой электрический ток. Однако, если ток заряда емкости вентиля (когда уровень сигнала изменяется от «0» до «1») и ток разряда (когда уровень сигнала изменяется от «1» до «0») пульсирует через линию передачи, как показано Рис. 2.3, ток протекает через цепи питания к земле. Этот ток называется сквозным током от электропитания источника к земле накоротко при переключении микросхемы. Сквозной ток также становится причиной для пульсирующего потока, текущего через электропитания и землю.

Так как эти токи пульсируют очень быстро, они содержат очень широкий диапазон частот, вызывающих помеховые отказы, когда часть энергии помех излучаются во внешнюю среду. Кроме того, поскольку токи резко изменяются, они из-за индуктивности шины питания вызывают изменение напряжения питания из-за влияния индуктивности шины, что вызывает неустойчивость в операциях периферийных цепей, имеющих общее электропитание.

Поэтому, необходимо ограничить ток вокруг ИМС (чтобы развязать ИМС с периферийными цепями) так, чтобы помеховая эмиссия могла быть подавлена, и изменения напряжения не затронули бы периферийные цепи. Так как колебание напряжения электропитания сделало бы работу ИМС, эмитирующей помехи, нестабильной, необходимо обеспечить связанные с помехами изменения напряжения электропитания к приемлемому уровню.

Хотя модель, показанная на Рис. 2.3, рассматривает с целью простоты емкость вентиля относительно земли, и токи заряда и разряда, как полагают, текут через землю, в реальных вентилях, емкость также проявляется относительно электропитания, требуя рассмотрения случая, при котором ток заряда и разряда протекает через электропитание.

Обычно, чтобы содержать ток, текущий через электропитание вокруг ИМС, формируют обход) за счет установки конденсатора между электропитанием и землей.

Этот конденсатор называют конденсатором развязки. Чтобы сформировать эффективную цепь развязки необходимо:

· сформировать обходной путь тока, который может функционировать на высокой частоте (использование конденсатора с малым полным сопротивлением),

· строго ограничить диапазон протекающего электрического тока по этому пути (помещая конденсатор около ИМС),

· обеспечить минимальную индуктивность рисунка печатного монтажа (особенно между ИМС и конденсатором).

Пример фрагмента печатного монтажа места установки конденсатора и источника энергии, в котором учтены рассмотренные моменты, показаны на Рис. 2.4 (Этот пример может быть реализован в единственном слое под ИМС.)

Рис. 2.4. Пример расположения развязывающего конденсатора

Правила трассировки для случаев, где такое идеальное размещение является трудным или необходим более высокий уровень развязки, описаны ниже.



Метод измерения вносимых потерь

Обычно, характеристики фильтра помех выражается в терминах вносимых потерь. Поэтому цепи развязки, используемые для систем электропитания, являются фильтрами помех и их свойства подавления помех могут быть описаны с позиций вносимых потерь.

Цепь измерения вносимых потерь показана на Рис. 2.5. Вносимые потери (ВП) описывают эффект фильтра, установленного в цепи с полным сопротивлением 50 Ом, наблюдаемый как различие в выходном напряжении до и после установки фильтра в децибелах. Чем больше вносимые потери, тем более эффективно подавление помех.

Вносимые потери могут быть заменены коэффициентом передачи (S₂₁) для параметра S, измеренного для системы 50 Ом (отметим, что у вносимых потерь и коэффициенте S₂₁ будет противоположные положительный и отрицательный знаки.)

Рис. 2.5. Измерения вносимых потерь

Развязывающие конденсаторы

Рассмотрим базовую конфигурацию цепи развязки. Один из ее компонентов развязывающий конденсатор.

Когда развязывающий конденсатор используется для терминала электропитания ИМС, как показано на Рис. 2.6(a), развязывающий конденсатор от электропитания до земли сформирован как фильтр, как показано на Рис. 2.6(б). Предположим, что этот вариант будет использоваться на многослойном основании, и земля для ИМС и конденсатора будет связана с плоскостью заземления через металлизированное отверстие.

Рис. 2.6. Цепь фильтра с развязывающим конденсатором

Вносимые потери в этом случае были бы больше, поскольку полное сопротивление конденсатора становится меньше. Так как полное сопротивление конденсатора уменьшается обратно пропорционально к частоте, этот фильтр становится фильтром нижних частот, в котором вносимые потери увеличиваются на высоких частотах.

Особенности фильтра, показанные на Рис. 2.6, изменяются в зависимости от внутреннего полного сопротивления электропитания ИМС или МПЛ в фактической цепи. Так как полное сопротивление должно быть зафиксировано при сравнении действия фильтра, наиболее общее значение этого сопротивления установлено в 50 Ом для проведения измерений по схеме, показанной на Рис. 2.5. Особенности фильтра, установленного в реальной конструкции, оценивается по результатам измерений при 50 Ом.

Теоретическое значение вносимых потерь конденсатором развязки, измеренных при 50 Ом, показаны на Рис. 2.7. При увеличении емкости конденсатора или при росте частоты вносимые потери линейно увеличиваются. Это соотносится с фактом, что полное сопротивление конденсатора уменьшается обратно пропорционально частоте, поэтому конденсаторы с большей емкостью в основном показали бы превосходящий эффект подавления помех.



Рис. 2.7. Вносимые потери конденсатора (теоретические значения)

Вносимые потери выражаются децибелах (дБ), как показано на Рис. 2.5. Когда частота или емкость увеличиваются в 10 раз, вносимые потери увеличиваются на 20 дБ.

Реальные характеристики вносимых потерь конденсатора в качестве примера показаны на Рис. 2.8. В диапазоне частот выше 10 МГц, вносимые потери уменьшаются при увеличении частоты. Это происходит вследствие того, что вносимые потери ограничены малыми компонентом эквивалентной индуктивности (ESL) и компонентом эквивалентного сопротивления (ESR), содержащихся в конденсаторе, как описано ниже. Это указывает на то, что для формирования развязывающей цепи с превосходными характеристиками подавления помех на высокой частоте, следует использовать конденсатор с малыми значениями ESL и ESR.

Рис. 2.8. Вносимые потери реального конденсатора (из Данных в Murata Chip S-Parameter & Impedance Library)

Катушки индуктивности, ферритовые бусинки

В дополнение к развязывающему конденсатору, описанному выше, могут быть последовательно установлены катушки индуктивности, такие как ферритовые бусинки, с проводником, чтобы сформировать общий фильтр подавления помех. Катушки индуктивности также используются для того, чтобы развязать цепи электропитания.

Однако, когда катушки индуктивности используются только для электропитания ИМС, хотя они и могут подавить помехи должным образом, полное сопротивление относительно терминала электропитания становится высокими, что создает проблемы для работы ИМС, или для возвратных токов сигнала, мешая поддерживать целостность сигнала. Поэтому, конденсаторы и катушки индуктивности обычно используются в комбинации, размещая конденсаторы около ИМС, как показано в Рис. 2.9 (б) и (в).

Рис. 2.9. Конфигурации фильтров, используемые для электропитаний ИМС (C-тип, L-тип и П-секция): (a) Фильтр C-типа, (б) Фильтр L-типа, (в) Фильтр П-секции

Когда конденсаторы и катушки индуктивности объединены, как показано на Рис. 2.9 (б) и (в), наклон для кривой вносимых потерь будет более острым по сравнению с использованием только конденсатора как в (a). Так как одновременно могут быть увеличены вносимые потери в области ослабления, это более выгодно, когда помехи должны быть сильно ослаблены. Пример изменения вносимых потерь, когда используются катушки индуктивности, показан на Рис. 2.10.

Рис. 2.10. Пример изменения вносимых потерь, когда используются катушки индуктивности (расчетные значения)

Поскольку на Рис. 2.10 заземление ИМС и заземление для самого близкого конденсатора становятся обратными путями для помех, они должны быть сделаны настолько короткими насколько возможно, чтобы минимизировать полное сопротивление. Также, когда фильтр из П-секций сформирован, как показан на Рис. 2.9(в), более желательно использовать землю, отдельную для конденсатора (через отверстие и т.д.), чтобы препятствовать тому, чтобы помехи обошли катушку индуктивности (когда условия заземления не желательны), проходя через землю (плоскость заземления разделена, однако).

Цепь развязки, показанная на Рис. 2.9, может быть применена к помехам, поступающим снаружи, в дополнение к помехам, испускаемым ИМС. Например, с цепями, подверженными воздействию сильной высокочастотной энергии, такими как в мобильных телефонах, более подходит цепь развязки с комбинацией конденсатора и катушки индуктивности, чтобы достигнуть больших вносимых потерь.



Выводы

Скорость передачи данных в современных печатных платах постоянно растёт, и сегодня она может измеряться в сотнях мегагерц (DDR) и даже в гигагерцах (Ethernet), что накладывает особые требования к конструкции и, соответственно, инструментам разработки конструкции, т.е. САПР.

При проектировании высокоскоростных цифровых устройств, в отличие от цифровых устройств, работающих на низкой рабочей частоте, особое значение приобретает учёт характера пассивных элементов цепи, в том числе соединительных проводов, печатных плат и корпусов интегральных схем, которые являются элементами конструкции цифрового устройства.

На низких рабочих частотах эти конструктивные элементы не оказывают сколько нибудь заметного влияния на работу схемы. С повышением рабочей частоты они начинают непосредственно влиять на электрические характеристики схемы. В теории проектирования высокоскоростных цифровых устройств исследуется влияние пассивных элементов цепи на распространение сигналов (переходные процессы и отражения), взаимное влияние, оказываемое сигналами друг на друга (перекрёстные помехи), и их взаимодействие с окружающей средой (электромагнитные излучения).

Учитывая этот факт, даже те разработчики, которые пока считают, что вопрос обеспечения целостности сигналов их не касается, в ближайшее время столкнутся с этой проблемой при переходе на микросхемы новых серий. Задачи целостности сигнала предусматривают рассмотрение цифрового сигнала как аналогового с произвольными искажениями его формы, которые вызваны физическими особенностями распространения сигнала в реальной конструкции платы.



Глава 3. Разработка метода обеспечения целостности сигнала и питания

3.1 Выполнение расчетов по параметрам линии передачи

1. Минимальная ширина проводников, определяемая допустимой плотностью тока г, допустимым падением напряжения ?U.

Ширину проводника b рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации и пр.

, где

t - минимальная допустимая ширина проводника, - максимальная плотность тока для печатных проводников (принимаем = 20 А/мм), - суммарная толщина проводника.

Для выбранного материала платы СФ-1-35-1,50: = 0,035 мм.

Минимальная ширина проводника составляет 0,014 мм.

Следовательно мы без опасений можем её увеличить.

Расчет электрических параметров печатной платы

Емкость в печатном монтаже

С = 8,85'С_Г l,

где ' определяется по _1,2 - относительная диэлектрическая проницаемость материалов платы и среды, граничащих с проводниками; С_Г - емкостной коэффициент; l - длина проводников, образующих емкость.

Значения для воздуха - 1 = 1, для изоляционного основания платы из стеклотекстолита - 2 = 5,6.

Расчет емкостного коэффициента С_Г: С_Г = К'/K; =3,3

К=f() и К'= f('), где =arcsin k и '=arcsin k'.

Модуль эллиптического интеграла 1 рода k =, a/2=0.5 мм, d=1 мм.

. В случае k²<<1 расчет можно проводить по соотношению .

Оценим максимальную емкость, образуемую проводниками.

Получаем:

k = 0,816

k'=0,578

= 0,954

' = 0,578

С_Г = 0,708

Длина проводника, образующего емкость l = 50 мм = 0,050 м.

Отсюда максимальная емкость С = 8,85 3,30,708 0,050 = 1,03 пФ. Домножим на два исходя из выбранной модели отсюда получим максимальная емкость равна C=2,06 пФ

Вывод:

Исходя из значения полученных емкостей, можно сделать вывод, что межпроводниковая емкость настолько мала, что она не будет оказывать большого влияния на функционирование устройства, поэтому ею можно пренебречь.

Теперь рассчитаем волновое сопротивление.

Рис 3.1 Поверхностный микрополосок

Время распространения сигнала составляет:

Теперь рассмотрим проводник во внутренних слоях платы симметричный относительно двух опорных слоев

Рис 3.2 Симметричная полосковая линия



Время распротсранения для симметричного полоска

Такая линия гороздо медленнее чем микрополосок однако гораздо более устойчива к помехам. Если учесть некоторую паразитную емкость то

3.2 Разработка требований к формированию шин питания и развязки

Конфигурация ШП, объединенной с конденсаторами

Разводка системы питания и развязывающие конденсаторы, связанные с терминалом электропитания ИМС, как единое целое, называют распределенной системой питания (РСП). Один из индикаторов характеристики для РСП полное сопротивление (полное сопротивление электропитания) в ШП относительно терминала электропитания ИМС. Когда полное сопротивление электропитания будет меньшим, качество питания и целостность питания (ЦП) будут выше. Когда полное сопротивление электропитания меньше, изменения напряжения, когда ток электропитания для ИМС колеблется, становятся меньшими.

...