Моделирование электрического процесса действия перекрестной помехи между двумя печатными проводниками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа на тему:

«МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДЕЙСТВИЯ ПЕРЕКРЕСТНОЙ ПОМЕХИ МЕЖДУ ДВУМЯ ПЕЧАТНЫМИ ПРОВОДНИКАМИ»



Введение

Печатная плата -- относительно жёсткая плоскость заданных размеров из диэлектрического материала, предназначенная для монтажа электронных компонентов и их соединения в электрическую схему.

Печатная плата призвана выполнять две важные функции:

*фиксировать электронные компоненты на своей плоскости. Как правило, компоненты фиксируется благодаря установке в организованное посадочное место (отверстия, крепления или т.п.) и пайке её контактных выводов;

*организовывать электрические соединения компонентов в схему по- средством проводников печатной платы. Проводники представляют из себя дорожки медной фольги, приклеенные к пластине печатной платы и позволяющие при монтаже соединить два и более контактных вывода одной или разных компонент схемы.

Печатная плата стала основным конструктивным элементом современной радиоэлектронной аппаратуры. При этом был осуществлен переход от линии (линий) к плоскости. Односторонняя печатная плата - есть пластина, на одной стороне которой размещены проводники, выполненные печатным способом. В двухсторонних печатных платах проводники заняли и пустующую изнаночную сторону этой пластины. А для их соединения были предложены разнообразные варианты, среди которых наиболее прижились переходные металлизированные отверстия.

Однако нередко между печатными проводниками возникают некоторые помехи. Одними из таких помех являются перекрестные помехи, возникающие из-за двух близко расположенных проводников.

В данной работе я постараюсь исследовать модель электрического процесса действия перекрестной помехи между двумя печатными проводниками и вывести пути решения этой проблемы.



1. Понятие о печатных платах и печатных проводниках, история создания, область применения, виды и особенности

Для исследования данной темы необходимо изучить печатные про- водники, между которыми и возникают перекрестные помехи, разобрать их виды и особенности.

В отличие от органической электроники, печатная определяется технологическим процессом, а не материалом, ведь здесь могут использоваться как органические, так и неорганические проводники, в том числе наночастицы и углеродные нанотрубки.

Как правило, печатные платы представляют собой пластину из диэлектрика (вещество или материал, которое практически не проводит электрический ток), на её поверхности формируются электропроводящие цепи электронной системы. Такие проводники предназначаются для механического и электрического соединения разных электронных компонентов, которые в свою очередь соединены своими выводами с элементами проводящего рисунка при помощи простой пайки. Это плоское изоляционное основание, на сторонах которого находятся токопроводящие полос- ки металла. Такие печатные проводники служат для установки и монтажа на них ЭРЭ (электронных радиоэлементов).

Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

* повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

* получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро- и радио- деталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;

* гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

* повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

* повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;

* унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

* увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

* улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

* снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

Печатный проводник - это участок металлизированного слоя нанесенного на изоляционное основание печатной платы, эквивалентный обычному монтажному проводу и осуществляющий электрическое соединение элементов в соответствие с электрической схемой. Обычно толщина такого проводника составляет несколько десятком мкм., ширина - менее одного мм., минимальное расстояние между ними 0.3 мм.

Существует несколько видов получения печатных проводников.

1. Метод травления фольгированного диэлектрика заключается в том, что на медную фольгу на диэлектрике наносится позитивный рисунок схемы проводников, затем происходит удаление металла с незащищенных участков пока на диэлектрике не получится требуемая техническая схема проводника.

2. Метод электрохимического осаждения

Электропроводящий рисунок выполнен из фольги, она целиком расположена на твердой и изолирующей основе. Проводник содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. С внешней стороны на плату должна быть нанесена защита, в виде «паяльной маски».

Разделение печатных плат на виды происходит по количеству слоёв с электропроводящим рисунком: односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП) и многослойные (МПП, когда фольга наносится не только на две стороны платы, но и на внутренние слои диэлектрика)

ОПП выполняются на слоистом прессованном или рельефном литом основании без металлизации или с металлизацией монтажных отверстий. Платы на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. При невозможности стопроцентной разводки печатных про- водников применяются навесные перемычки. Их применяют для монтажа бытовой радиоаппаратуры, блоков питания, устройств техники связи, в простой РЭА и вспомогательной аппаратуре. Низкие затраты, высокую технологичность и нагревостойкость имеют рельефные литые ПП, на од- ной стороне которых расположены элементы печатного монтажа, а на другой - объемные элементы (корпуса соединителей, периферийная арматура для крепления деталей и ЭРЭ, теплоотводы и др.). В этих платах за один технологический цикл получается вся конструкция с монтажными отверстиями и специальными углублениями для расположения ЭРЭ, монтируемых на поверхность. В настоящее время технология рельефных ПП ин- тенсивно развивается.

ДПП имеют проводящий рисунок на обеих сторонах диэлектрического или металлического основания и обеспечивают высокую плотность установки компонентов и трассировки. Переходы проводников из слоя в слой осуществляются через металлизированные переходные отверстия. Платы допускают как монтаж компонентов на поверхности, в том числе с двух сторон, так и монтаж компонентов с осевыми и штыревыми вывода- ми в металлизированные отверстия. ДПП являются самой распространен- ной 4 разновидностью ПП в производстве модулей РЭА, используются в измерительной технике, системах управления и автоматического регулирования. Расположение элементов печатного монтажа на металлическом основании позволяет решить проблему теплоотвода в сильноточной аппаратуре.

МПП состоят из чередующихся слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения, соединенных клеевыми прокладками в монолитную структуру путем прессования. Электрическая связь между проводящими слоями выполняется специальными объемными деталями, печатными элементами или химико-гальванической металлизацией. По сравнению с ОПП и ДПП они характеризуются повышенной надежностью и плотностью монтажа, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, уменьшением размеров и числа контактов. Однако большая трудоемкость изготовления, высокая точность рисунка и совмещения от- дельных слоев, необходимость тщательного контроля на всех операциях, низкая ремонтопригодность, сложность технологического оборудования и высокая стоимость позволяют применять МПП только для тщательно отработанных конструкций радиоэлектронной аппаратуры.

Каждые элементы печатной технологии на своём стыке требуют обеспечения межсоединений, в роли которых выступают проводники. Если в классической технологии это дорожки печатных плат, кабели и провода, то в печатной электронике, это печатные проводники. Как правило, они повторяют форму поверхности, на которую они наносятся, это происходит из-за особенности технологии нанесения чернил.

Печатные проводники обладают более низкой проводимостью и низкой подвижностью носителей заряда.

Конструирование печатных плат осуществляется тремя способами:

ручным, полуавтоматизированным и автоматизированным.

От вида конструкции печатных проводников зависят механические характеристики будущего устройства.

2. История создания

Разобрав любое современное электронное устройство, можно найти в нем печатную плату, она является важной деталью, но её появлению чуть больше ста лет.

В начале XX века немецким инженером Альбертом Паркером Хансоном, занимавшимся разработками в области телефонии, было создано устройство, считающееся прототипом всех известных сегодня видов печатных плат. Случилось это в 1902 году, тогда же изобретатель подал заявку в патентное ведомство родной страны, поэтому этот год и считается днем рождения ПП.

Изобретение Хансена представляла собой штамповку или вы- резание изображения на бронзовой (или медной) фольге. Получившийся проводящий слой наклеивался на диэлектрик - бумагу, пропитанную парафином. Уже тогда заботясь о большей плотности размещения проводников, ученый наклеивал фольгу с двух сторон, создавая двустороннюю печатную плату. Изобретатель также использовал идущие насквозь печатной платы соединительные отверстия.

Известно, что великого Эдисона тоже посещали подобные идеи. Сохранилось его письмо Франку Спрагу (основавшему корпорацию Sprague Electric), где Эдисон описывает три способа рисования проводника на бумаге.

1. Рисунок формируется при помощи адгезивных полимеров путём на- несения на их не застывшую поверхность измельченного в пыль графита или бронзы.

2.Рисунок формируется непосредственно на диэлектрике. Для нанесения изображения используется ляпис (нитрат серебра), после чего серебро просто восстанавливается из соли

3. Проводником является золотая фольга с нанесенным на нее рисунком.

Естественно, Эдисон не употреблял термина «печатные платы», но практически все названные выше идеи нашли применение в сегодняшних технологических процессах. На основе первой из них сформировались тонкопленочные технологии сегодняшнего дня, а второй метод широко применяется для нанесения покрытий путем восстановления металлов из соли.

Изначально для изготовления печатных плат применялись исключительно аддитивные технологии, то есть рисунок наносился на диэлектрик наклеиваемым или напыляемым материалом.

Субтрактивные методы, широко применяемые в области полиграфии, стали использоваться и для производства печатных плат. Суть субтрактивных методик в том, что рисунок получается после удаления ненужных частей.

В 1913 году Артур Берри получил патент на субтрактивный метод изготовления печатных плат. Разработчик предлагал покрывать металлическую основу слоем резистного материала и травлением убирать незащищенные части c поверхности. В 1922 году проживающий в США Эллис Бассит изобрел и запатентовал методику использования светочувствительных материалов при производстве печатных плат.

Еще в 1918 году швейцарцем Максом Скупом была предложена технология газопламенного напыления металла. Методика осталась не востребованной из-за затратности производства и неравномерного осаждения металла.

Другое дело- методики американца Чарльза Дукласа. Он запатентовал технологию металлизации проводников, суть которой, заключалась в том, что в мягком диэлектрике (например, воске) прочерчивались каналы, заполняемые впоследствии металлизируемы- ми токопроводящими пастами при помощи электрохимического воздействия.

Так же в патент была включена технология травления, подразумевающая электролитическое осаждение металла (серебра, золота или меди) через контактную маску на пластину из низкотемпературного сплава. Пластина с осажденным рисунком нагревается, и все неприкрытые серебром части сплава удаляются. Чарльз Дукас располагал проводники с обеих сторон диэлектрической основы. Первые разработки были ориентированы на формирование простых устройств, то есть не создавалось ничего сложнее отдельного узла схемы. Но прошло совсем немного времени, и тот же Дукас приступил к разработке многослойных печатных плат и предложил несколько интересных решений для межслойных соединений.

Спустя время появились гибкие печатные платы. На диэлектрик (лощеная бумага) наносили токопроводящий слой из графитовой пасты. Позже в обиход вошли токопроводящие пасты из меди и свинца.

Француз Цезарь Паролини реанимировал аддитивный метод создания токопроводящего слоя. В 1926 году он наносил на диэлектрик изображение посредством клеящего материала с напылением на него медного порошка и полимеризовал под воздействием высокой температуры. Именно Паролини начал применять в печатных платах проволочные перемычки, устанавливаемые до полимеризации материала.

В 1933 году были изданы работы Эрвина Франца, на которых базируются все существующие сегодня методики производства гибких печатных плат. Американскому разработчику удалось нанести токопроводящий рисунок на целлофановую пленку, для чего использовался жидкий полимер с графитовым наполнением.

Внедрению технологии печатных плат в область радиоэлектроники мы обязаны переселившемуся из Австрии в Великобританию инженеру Паулю Эйслеру. Во время второй мировой войны он успешно работал над поиском технологических решений для запуска печатных плат в массовое производство, широко используя полиграфические методы. После войны, в 1948 год, у Эйслер основал предприятие по изготовлению печатных плат - Technograph Printed Circuits.

Инженеру удалось получить пять десятков патентов в США и Великобритании, но конкурирующей американской фирме Bendix удалось доказать в суде неправомерность их выдачи Эйслеру. По мнению Bendix в технологии Эйслера не было ничего принципиально нового кроме области применения печатных плат. Во многом Bendix правы: над печатными платами с начала века работали инженеры со всего мира, и не стоит преуменьшать их заслуги в дан- ной области. С другой стороны, сегодня уже никто не станет оспаривать очевидное - Эйслер многое усовершенствовал в технологии печатных плат. Без него мир электроники был бы несколько другим.

Послевоенное время стало эпохой внедрения печатных плат во все электрические приборы. Сначала печатные платы пришли в авиацию, а затем, в 50-х годах, стали основой всей бытовой электроники. Сегодня печатные платы практически не имеют конкуренции в качестве основы электронной аппаратуры, входя в состав компьютеров, сотовых телефонов и военной техники.

Понятие перекрестных помех

Для начала важно понять, что такое перекрестные помехи. И прежде всего стоит начать с электромагнитного излучения, определение которого поможет нам лучше понять данную тему.

Первая часть слова напоминает об электрических зарядах. Еще со школы мы все помним закон, открытый Шарлем де Кулоном в 1785 году, который гласит, что заряды одинаковой полярности отталкиваются, в то время, как разноименные заряды -- притягиваются. Что такое сам ток? Под током принято понимать движение электронов, имеющих отрицательный заряд. Представим себе две обкладки конденсатора, тогда поток отрицательно заряженных электронов будет достигать одной обкладки и, отталкиваясь от другой обкладки, создавать на ней недостаток отрицательного заряда и заряжать ее положительно. А если представить, что при этом имеется неизменяющийся заряд. Тогда в конце концов мы получим электростатическое воздействие, которое выступает в роли напряжения между двумя об- кладками конденсатора.

Если рассмотреть сходное воздействие, которое будет представлено нестатическим поведением. Другими словами, в этой ситуации мы подразумеваем поток электронов, проходящих по проводнику. Когда электроны являются частицами протекающего тока, мы можем говорить о том, что они создают электрические поля вдоль проводника. Такое электрическое поле отталкивает другие электроны. Мы можем говорить и об интенсивности такого поля. Его интенсивность будет напрямую зависеть от величины тока или, другими словами, от количества протекающих электронов. Полностью понятие «электромагнитный» подразумевает под собой электромагнитное поле, которое, в свою очередь, окружает проводник, проводящий электрический ток.

Теперь вернемся к нашим изначальным целям: 1) разобрать слово «электромагнитный» 2) понять принцип перекрестных помех.

После данного разбора мы можем легко представить ток, который протекает по проводнику. И мы прекрасно знаем, что вокруг этого проводника есть два поля: электрическое и магнитное. Если в протекающем токе про- исходят какие-то изменения, то обе эти составляющие могут абсолютно легко индуцировать изменение токов в ближайших проводниках.

Когда мы разобрались с электромагнитным полем, можно приступить и к разбору перекрестных помех.

Перед нами два проводника, которые расположены в непосредственной близости друг от друга. Ток, который протекает в одном из проводников, будет создавать вокруг себя электромагнитное поле, а оно в свою очередь будет индуцировать ток другого проводника. Каждый единичный заряд в первом проводнике будет отталкивать заряды во втором проводнике. Та- ким образом, сейчас мы описали принцип емкостей связи.

Ток, протекающий по первому проводнику, порождает магнитное поле, которое вызывает протекание тока во втором проводнике, при этом в обрат- ном направлении по отношению к первичному току. Такой вид взаимодействия принято называть индуктивной связью.

По своей природе эти два типа взаимодействий пытаются усилить один другого в противоположном направлении и полностью ослабить в прямом направлении. Такое обратное взаимодействие принято рассматривать как перекрестные помехи. Такие помехи происходят от того, что первый про- водник излучает электромагнитное поле.

Возникновение перекрестных помех между печатными проводниками. Пути устранения перекрестным помех

Когда проводники на печатной плате находятся очень близко друг от друга, между ними возникают перекрестные помехи из-за емкостной связи, которые мешают совместному использованию аналоговых и цифровых схем на одной плате. В старых аналоговых печатных платах 70-х годов прошлого века пути для возвратного тока были различны - несколько соединений с источником питания, несколько защитных экранов и пара защитных проводников, намеренно проведенных на расстоянии 0,25-0,3 мм по обе стороны от основного сигнала. Где будет течь большая часть возвратного сигнала? Разумеется, по этим близко находящимся к основному сигналу трассам, сохраняя основной сигнал и уменьшая перекрестные помехи.

Решить эту проблему можно двумя способами. Первый из них заключается в такой топологии, где проводники пересекаются на двух разных уровнях. Во втором способе два проводника на одном уровне располагаются параллельно друг другу.

При двух достаточно близко расположенных проводниках между ними возникает паразитная емкость, которая определяется следующей формулой:

C = eRe0A/d, (1)

где eR и e0 - диэлектрическая проницаемость материала платы и вакуума, соответственно; А - площадь перекрытия; d - расстояние между ними. Диэлектрическая проницаемость (eR) стеклопластика на основе эпоксидной смолы FR4, применяемого для изготовления печатных плат, составляет 4,4-4,8. В нашем расчете мы воспользуемся значением 4,7. Диэлектрическая проницаемость вакуума равна 8,84·10-12 Ф/м.

Представим два проводника, расположенных перпендикулярно на разных слоях печатной платы толщиной 0,25 мм. По проводнику верхнего слоя платы распространяется прямоугольный тактовый сигнал. У нас есть про- водник на верхнем слое платы и еще один во втором слое платы. Расстояние между слоями составляет 0,25 мм. Подставив в уравнение (1) соответствующие значения параметров, получаем, что паразитная емкость между этими проводниками составляет 0,001 мкФ.

Если по проводнику верхнего слоя распространяется тактовый сигнал прямоугольной формы, по второму проводнику течет ток, определяемый формулой (2):

I = C?V/?t, (2)

где ?V/?t - скорость изменения напряжения.

Если время нарастания напряжения цифрового сигнала в диапазоне 0-5 В составляет 10 нс, а емкость - 0,01 пФ, пиковый ток равен 50 мкА. Эта величина практически равна току, протекающему по второму проводнику. Если импеданс второго проводника с аналоговым сигналом равен 100 МОм, соответствующее напряжение достигает 0,5 В. Для аналоговых цепей это достаточно высокое напряжение, вызывающее разрушение проводника.

Когда паразитная емкость возникает между двумя проводниками одного слоя платы? Допустим, что два проводника находятся в одном слое печатной платы и по одному из них распространяется прямоугольный тактовый сигнал.

Тогда паразитная емкость между этими проводниками определяется следующей формулой:



С = eRe0Lw/d, (3)

где eR = 4,7 и e0 = 8,84·10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость мате- риала платы и вакуума, соответственно; L - длина проводников; w - толщина проводников; d - расстояние между ними.

Типовые значения расчетных параметров: длина L - 5 см; расстояние между проводниками - 0,5 мм. Паразитная емкость для этого случая составляет 0,01 пФ.

К сожалению, при времени переключения менее нс вкупе с высоким импедансом аналоговых линий могут возникать проблемы, связанные с целостностью сигнала.

Для их устранения необходимо отделить на плате цифровую схему от аналоговой. Речь идет не об использовании отдельных слоев - следует в как можно большей мере уменьшить величину паразитной емкости, увеличив, например, в первом рассмотренном случае расстояние между пересекающимися проводниками. В случае же со второй схемой следует уменьшить длину проводников и увеличить расстояние между ними.

Паразитную емкость можно также уменьшить, поместив заземляющий проводник между проводниками.

3. Взаимодействующие печатные проводники цифрового устройства

На рисунке АИ, ПП активный и пассивный печатные проводники; С, М паразитные емкость и взаимоиндуктивность проводников; 1. 2 - передающие и принимающие логические схемы

Аналитическая модель печатных проводников с перекрестными помехами



Топологическая модель для процесса действия перекрестной помехи между двумя печатными проводниками платы цифрового ЭС



а) форма электрической эквивалентной цепи б) форма ненаправленного графа

4. Описание программы PSPICE

PSPICE -- это мощная программа общего назначения для моделирования аналоговых и смешанных схем, которая используется для проверки составленных схем. Она имеет особое значение для интегральных схем. По этой причине аббревиатура SPICE расшифровывается как:

Simulation Program for Integrated Circuits Emphasis

PSPICE -- это версия программы SPICE для домашнего компьютера, которая сейчас доступ- на от OrCAD Corp. of Cadence Design Systems, Inc. В PSPICE можно проводить несколько типов анализа схем. Наиболее важные из них:

Анализ нелинейных цепей постоянного тока (Non-linear DC analysis): вычисляет кривую намагниченности постоянного тока.

Анализ переходных процессов и анализ Фурье в нелинейных цепях (Nonlinear transient and Fourier analysis): вычисляет напряжение и ток как функции времени; анализ Фурье дает частотный спектр.

Анализ линейных цепей переменного тока (Linear AC Analysis): вычисляет выходную функцию как функцию частоты, стоится график Боде.

Анализ шумов (Noise analysis)

Параметрический анализ (Parametric analysis)

Анализ по методу Монте-Карло (Monte Carlo Analysis)

Кроме того, PSPICE имеет аналоговые и цифровые библиотеки, включающие стандартные элементы (такие, как НЕ-И, НЕ-ИЛИ, триггера, мультивибраторы, мультиплексоры, программируемые логические устройства, программируемые пользователем вентильные матрицы и многие другие цифровые компоненты). Это делает программу PSPICE полезным инструментом для исследования широкого круга аналоговых и цифровых схем.

Перед тем, как приступать к анализу схемы, её необходимо смоделировать в программе. Это можно сделать несколькими способами.

Один из них -- создать текстовый файл с описанием схемы в соответствующих терминах.

Этот файл называется входным файлом SPICE или исходным файлом. Другой способ заключается в том, чтобы использовать программу ввода схемы такую, как OrCAD CAPTURE. Capture -- это простая в использовании программа, которая позволяет смоделировать схему и определить тип анализа.

Данная схема показывает те шаги, которые нужно сделать, чтобы выполнить моделирование схемы.

5. Моделирование схемы

Создать новый проект (Analog, mixed AD)

Расположить элементы схемы в нужном порядке

Соединить элементы

Определить значения элементов и их названия

Определение типа анализа

Создать simulation profile

Выбрать тип анализа:

Запустить PSPICE

Просмотр результатов

Добавить трассировку

Использовать курсоры для анализа формы сигнала

Проверить выходной файл, если это необходимо

Сохранить или распечатать результаты

Интерфейс программы PSPICE



В настоящее время PSpice удовлетворяет большинству требований в индустрии электроники и интегрирован в маршруты проектирования от OrCAD и Cadence Allegro.

Современные версии имеют множество улучшений, которых не было в оригинальном продукте от Беркли, например, Advanced Analysis с само-оптимизацией схемы, шифрование, редактор моделей, поддержка параметризованных моделей, несколько внутренних алгоритмов решения ДУ, auto-convergence, перезапуск с контрольных точек.



Заключение

Целью данной работы было исследовать модель электрического процесса действия перекрестной помехи между двумя печатными проводниками и вывести пути решения этой проблемы. В ходе изучения природы пере- крестной помехи мной были выведены причины ее появления между двумя печатными проводниками, так же пути ее избежания и построена модель данного явления.

радиоэлектронный печатный программа помеха



Список использованной литературы

1. Шалумов А.С., Кофанов Ю.Н., Куликов О.Е., Травкин Д.Н., Соловьев Д.Б., Першин О.Е. Динамическое моделирование сложных радиоэлектронных систем // Динамика сложных систем.

2. Кофанов Ю.Н Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств.

Размещено на Allbest.ru

...