Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Конечно, если вы заказываете небольшое количество плат, то можно уклониться от одноразовых расходов на изготовление платы ПС и сразу строить платы с накруткой как конечный продукт. В этом случае рациональнее выбрать платы с машинной накруткой. Однако, не упустите из виду и одну из следующих альтернатив.

Многопроводный монтаж с помощью САПР. Многопроводный монтаж - продукт фирмы Kollmorgen Corporation, которая изготавливает искусные гибридные схемы на платах ПС с заказной маршрутизацией. Базовые платы имеют контактные площадки (как стандартные, так и заказные), которые служат для фиксации ваших ИМС и подводки питания и земли. Сигнальные межсоединения делаются, однако, не из дорожек печатного монтажа, а из тонких изолированных проводов (34 или 38), которые машинным способом укладываются в липкий слой на плате. Концы проводов присоединяются к контактным площадкам ИС в процессе металлизации отверстий.

Многопроводный монтаж обладает хорошими сигнальными характеристиками благодаря полноте плоскости заземления и тому, что такой монтаж позволяет относительно безболезненно вносить изменения при последующих рабочих прогонах. Поскольку для проводов (изолированных) нет запрета на пересечение друг друга, можно достичь очень высокой степени интеграции, сравнимой с 10-ти слойными платами печатных схем. Kollmorgen утверждает, что многопроводный монтаж является таким образом более дешевым решением, чем заказные многослойные платы ПС, особенно при немногочисленных рабочих прогонах и если ваши схемы только разрабатываются.

САПР для ИС специального назначения (ИС СИ). Мы заканчиваем повествование о САПР и полагаем, что теперь у вас и в мыслях не появится конструировать заказные или полузаказные (матрицы вентилей) ИС вручную (рис. 12.13). Они входят в общий класс «интегральных схем специального назначения» (ASIC-Application-Specific IС).

Рис. 12.13. При таком уровне проектирования чипов системы САПР/АСУП — не роскошь, а необходимость.

(С любезного разрешения Performance Semiconductor Corporation, Sunnyvale, California.)

И снова САПР приходят на помощь. Благодаря программному обеспечению ввода описания и моделирования, вы можете до некоторой степени быть уверенными, что ваши чипы будут работающими. ASIC особенно целесообразно использовать в контексте реальных рабочих прогонов и мы полагаем, что эта ситуация со временем будет только улучшаться. Ко времени следующего переиздания этой книги станет общераспространенным конструировать заказные ASIC. Ваша местная кремниевая мастерская быстро обеспечит вас специальными ИС, предназначенными для именно такого сорта схем, для которых вы в данное время конструируете плату ПС, заполняемую стандартными ИМС.

Конструирование приборов

Схемные платы (будь то печатная схема, панель с монтажом накруткой или же электромонтажная карта) должны помещаться в соответствующий корпус и соединяться с источником питания, панелью управления, с разъемом или с другими электрическими схемами. В этом разделе рассматриваются некоторые распространенные способы компоновки приборов, обеспечивающих хорошую установку схем и их доступность для проверки и ремонта. Начнем со способа крепления самой схемной карты, а затем обсудим устройство корпусов, организацию управления на лицевой и задней панелях, монтаж источника питания и т. п.

Установка печатной платы. В простом приборе может быть только одна схемная плата: либо печатная, либо с монтажом накруткой, либо же просто макетная плата. В этом случае по углам ее просверливаются отверстия и плата крепится винтами (с упорными втулками) на плоской поверхности компонентной стороной вверх. Соединения могут осуществляться через гнездо печатного разъема (если сама плата имеет ламели с покрытием) с помощью плоского кабеля с разъемом на конце, соответствующим вставке на плате, или с помощью отдельных паяных соединений с развальцованными лепестками. При любом типе разъема плата достаточно прочно будет удерживать этот разъем, и внешние крепления для него, как правило, не нужны. Независимо от способа соединения следует предусматривать такую организацию проводки, при которой плату можно было бы приподнять и наклонить так, чтобы стала доступной для переделок и ремонта ее нижняя сторона.

Если в системе несколько схемных плат, то лучше всего вставить их в какого-либо рода блок-каркасы для ПС в виде жестких комплектов с направляющими для каждой платы, по которым они вставляются и выравниваются по тыльной стороне так, что обеспечивается попадание печатных разъемов в гнезда. Ширина, пространственное расположение, количество плат, которые. можно вместить в блок-каркас, — в этом нет никаких особых ограничений. Больше всего подходят платы шириной 112,5 мм, имеющие 44-штырьковый двусторонний (22 штырька на каждой стороне) печатный разъем с шагом печатных ламелей, равным 3,9 мм. Имеется множество других форматов, часто с более плотным расположением штырьков (шаг 2,5 мм), с большим числом разъемов на одной плате или с более надежным разъемом, состоящим из двух сопрягающихся частей, одна из которых припаивается к плате как компонент. Из последних широко распространены так называемые VME-разъемы с 64 или 96 штырьками. Промежутки между платами можно сделать равными 12,5 мм, если необходимо, но расстояние в 15 мм удобнее. Если пространственный фактор для промежутка между платами не играет особой роли, то расстояние в 18,75 мм предоставляет тот запас, который нужен для схем с соединениями накруткой или с громоздкими компонентами. Лучше просмотреть несколько каталогов и подобрать каркас из имеющихся в наличии. Вы можете приобрести варианты с пластиковыми направляющими для плат или просто сделать в металлических стенках углубления для их выравнивания. Имеются также различные ручки, монтируемые непосредственно на платах ПС, с помощью которых платы вынимаются из каркаса.

Выпускаются и обоймы для печатных плат, по бокам которых установлены просто сплошные стенки (параллельно платам); в этих конструкциях процедура замены плат достаточно хорошо отработана. Можно использовать и сменные кожухи, включающие в себя блок-каркас целиком, в которых предусмотрено место для установки источников питания, панелей управления и т. д.

Предостережение: приборы, в которых единая схема спроектирована на нескольких вставленных платах, имеют прекрасную модульность и удобны для ремонта. Но этот способ конструирования может вызвать трудности в схемах с низким уровнем сигналов (меньше милливольта) и в схемах с высокочастотными сигналами (выше нескольких мегагерц). В этих случаях основная проблема заключается в невозможности обеспечить удовлетворительную стабильность и низкую индуктивность заземляющих систем, подключаемых к комплекту плат через разъемы на их концах. Особо опасно сочетание низкоуровневых аналоговых цепей с цифровыми сигналами переключения. Эта проблема усугубляется из-за задней панели с ручной проводкой, в которой распределение земли зависит от нескольких проводов, пролегающих между разъемами. Типичные симптомы - низкоуровневая (60 или 120 Гц) наводка, смешение ("fuzz") при уровне в доли милливольта, взаимодействие радиочастотных сигналов между контурами, которые должны быть изолированными. Если в плате земляной слой открыт и она вставляется в металлический блок-каркас, то симптомы часто изменяются в зависимости от силы, с которой вы давите на плату при ее вставлении, так как появляются неконтролируемые контакты с землей.

Мы сталкивались с такими проблемами не один раз и предлагаем некоторые советы. Первое — лучше полностью избегать связанных между собой небольших плат и строить все критические схемы на одной большой плате с общим земляным слоем. В этих платах для соединений между отдельными частями схемы следует использовать коаксиальные линии или кабель в виде витой пары проводов. Второе — если вы должны использовать соединенные между собой платы, то более хорошее распределение земли можно получить, если взять материнскую плату ПС, в которой земляные шины более широкие, чем на задней панели с ручной проводкой. В радиочастотных системах можно встретить металлические столбики на пружинах, располагаемые вдоль направляющих, по которым движется карта. Эти столбики обеспечивают непрерывное и стабильное соединение с землей. Третье - использование коаксиальной линии или витой пары в сочетании с дифференциальными входами (или «псевдодифференциальными» входами с заземленным экраном, см. рис. 7.70) часто является лучшим способом управлять микровольтными сигналами, которые иначе реагируют на паразитный контур с замыканием через землю и на помеху. И наконец, за исключением «псевдо дифференциального» варианта, мы предлагаем делать как можно больше дополнительных соединений с землей (множественные соединения с шасси, сдвоенный соединитель штырьков и проводов и т. п.), чтобы уменьшить индуктивность, из-за которой могут возникнуть токи утечки на землю. Не тревожьтесь о паразитных контурах с замыканием на землю в цифровых и ВЧ-схемах; они выпускаются как микровольтные аудио-схемы. Отсылаем вас в разд. 7.24, где изложены дополнительные сведения о заземлении.