Рисунок 8. Характеристика сигнала при l=10 см, h=35 мкм, t

Оглавление
Обоснование выбранной темы........................................................................... 3
Анализ технического задания ............................................................................ 4
Обзор литературы ............................................................................................... 5
1. Специальная часть .......................................................................................... 7
1.1. Межсоединения. ........................................................................................ 7
1.2. Методы моделирования межсоединений печатных плат и
интегральных схем ........................................................................................... 8
1.3. Влияние параметров межсоединений на динамические
характеристики печатных плат и интегральных схем ................................. 9
1.4. Расчет параметров межсоединений ...................................................... 10
1.5. Моделирование влияния межсоединений на динамические
характеристики ............................................................................................... 14
1.5.1. Моделирование влияния межсоединения в печатной плате ........ 14
1.5.2. Моделирование влияния межсоединений в интегральной схеме 29
1.5.3. Влияние параметров источника и приемника сигнала на
динамические характеристики цифровых схем....................................... 41
1.6. Анализ результатов моделирования ..................................................... 61
2. Конструкторско-технологическая часть ..................................................... 64
2.1. Печатные платы ...................................................................................... 64
2.2. Интегральные схемы .............................................................................. 67
3. Охрана труда .................................................................................................. 69
3.1. Влияние компьютера на человека ......................................................... 69
3.2. Отдых и лечебная гимнастика ............................................................... 72
1
3.3. Требования к помещениям, оборудованию рабочих мест и
освещенности. ................................................................................................ 74
3.4. Требования к организации рабочих мест пользователей ПЭВМ....... 75
4. Экологическая часть ..................................................................................... 77
Заключение ........................................................................................................ 78
Список использованной литературы............................................................... 79
2
Обоснование выбранной темы
Межсоединения занимают большую часть площади печатных плат и
интегральных схем, поэтому очень важно иметь представления какой
вклад они дают. А вклад таков, что межсоединения не только соединяют
элементы на платах и схемах, но и вносят свои паразитные эффекты
(паразитные емкости, индуктивности и сопротивления). Те в свою очередь
дают искажение сигнала, снижают частоту сигнала и быстродействие схем.
Важно точно рассчитать эти паразитные эффекты и понимать, как
изменится сигнал в схеме для дальнейшего проектирования плат.
Поэтому мною была выбрана данная тема для исследования влияний
паразитных параметров на динамические характеристики печатных плат и
интегральных схем.
3
Анализ технического задания
Результатом выполнения данной дипломной работы должно явиться
моделирование влияния параметров межсоединений печатных плат и
интегральных схем на динамические характеристики микроэлектронных
изделий.
Для решения поставленной задачи необходимо:
1) Изучить имеющиеся материалы по межсоединениям и их влиянию.
2) Промоделировать
всевозможные
вариации
параметров
межсоединений и рассмотреть влияние их на динамические
характеристики микроэлектронных приборов.
Для решения этой задачи имеется русская и иностранная литература.
Для моделирования используется программа Orcad SPICE и IBIS.
Таким образом, поставленная задача может быть выполнена.
4
Обзор литературы
Были рассмотрены и проанализированы как отечественные, так и
зарубежные источники информации ПО ПЕЧАТНЫМ ПЛАТАМ И
межсоединениям.
1) А.Я.
Кузьмин
“Конструирование
и
микроминиатюризация
электронной вычислительной аппаратуры”.
В данной книги описана структура печатной платы (слои,
металлизация, окислы и т.д.), классификация печатных плат, расположение
межсоединений на печатных платах, а также расчет паразитных емкостей,
сопротивлений и индуктивностей. Единственно, данная книга советских
времен и некоторая информация по классификации печатных плат немного
изменилась со временем, но все это было нами учтено.
2) Stephen H. HallGarrett W. HallJames A. McCall “High-Speed Digital
SystemDesign—A
Handbook
of Interconnect
Theory
and
DesignPractices”.
В данной книге написано о межсоединениях (линиях передачи),
паразитных эффектах и их расчетах. Также в книге описано как правильно
заменяется
межсоединение
эквивалентной
схемой
с
помощью
сопротивлений, емкостей и индуктивностей при моделировании.
3) http://www.williamspublishing.com/PDF/978-5-8459-1116-2/part.pdf
В данной статье написано про различные паразитные эффекты и
способы их устранения или ослабления влияния на работу схем.
Также было рассмотрено множество информации в интернете, из
которой были взяты формулы для расчета величин R,L,C, классификации
печатных плат и другая всевозможная информация.
Интернет источники:
1) http://rezonit.ru/support/our-articles/article%2020066/Toporov%20design%20(2006).pdf “Допуски на элементы печатных
плат” Сергей Топоров, главный инженер ООО “Резонит”.
5
В данной статье приведена таблица классов точности печатных плат и
информация по геометрическим параметрам межсоединений. Также
приведена другая актуальная информация по печатным платам, но для
нашего исследования большого значения не имела.
2) http://www.elcomdesign.ru “Уменьшение паразитной индуктивности
проводников на печатной плате”
3) http://p-platy.ru “Сопротивление проводника печатной платы”
4) http://embedders.org “Как (не)надо развязывать высокоскоростные
операционные усилители”
5) http://p-platy.ru “Погонная емкость в печатном монтаже”
6) http://coil32.narod.ru “Расчет катушек на печатной плате”
7) http://journals.uran.ua “Паразитные параметры печатного монтажа”
8) http://studopedia.ru “Паразитные связи на печатных платах”
Из данных источников были взяты формулы для расчетов
паразитных параметров и сравнения, получившихся величин, так как
формулы по существу выражали одну и ту же величину, но результаты
получались различные.
6
1. Специальная часть
1.1. Межсоединения.
Межсоединение – это проводник, представляющий собой тонкую
фольгу, сделанную из меди или алюминия, соединяющий элементы на
микросхеме.
В зависимости от протекающего тока используют разную толщину
фольги
(межсоединения).
Наиболее
часто
применяют
проводники
толщиной 18 и 35 мкм, реже - 70, 105 и 140 мкм и 175 мкм для
многослойных печатных плат.
Так же для каждой толщины межсоединения есть свой минимальный
зазор при проектировании печатных плат.
Для межсоединения 18 мкм — 0,075 / 0,075 мм
Для межсоединения 35 мкм — 0,15 / 0,15 мм
Для межсоединения 70 мкм — 0,20 / 0,20 мм
Для межсоединения 105 мкм — 0,25 / 0,25 мм
Для межсоединения 140 мкм — 0,30 / 0,30 мм
Для межсоединения 175 мкм — 0,35 / 0,35 мм
7
1.2. Методы моделирования межсоединений печатных плат и
интегральных схем
Методы моделирования межсоединений подразделяются на SPICEмоделирование
и
моделирования
аналогового
поведения
буферов
цифровых устройств (IBIS – модель).
SPICE-моделирование - это моделирование в программной среде
SPICE, где в свою очередь моделируется схема и межсоединения, через
эквивалентную схему. И графически выводятся входные и выходные
сигналы.
IBIS модель – метод представления информации о буферах вводавывода интегральной схемы. IBIS модель описывает общую работу всей
схемы, нежели SPICE - модель. SPICE - модель обычно ориентирована
более на подробное моделирование работы отдельных цепей ввода-вывода,
чем на описание закономерностей работы элемента в целом.
В свою очередь, IBIS модель формируется двумя путями: 1) Это
моделирование в SPICE среде и по полученным результатам вольтамперных характеристик формируем IBIS-модель. 2) Непосредственное
измерение самой схемы приборами и по полученным данным получаем
IBIS-модель.
8
1.3. Влияние параметров межсоединений на динамические
характеристики печатных плат и интегральных схем
Паразитная емкость возникает между любыми линиями передачи,
проходящими
создаваемый
друг
под
другом.
Один
из
паразитной
емкость
являются
паразитных
перекрестные
эффектов
помехи.
Перекрестные помехи – это явление, при котором сигнал, идущий по
одной линии связи, создает отрицательный эффект в другой линии. В свою
очередь перекрестные помехи влияют на быстродействие всей схемы.
Паразитное сопротивление также влияет на быстродействие схемы,
но еще и уменьшая уровень логического сигнала и увеличивая задержку
сигнала. Задержка сигнала растет с увеличением длины линии передачи
(межсоединения).
Опасаться нужно и электромиграции – это перенос вещества в
проводнике за счет постепенного перемещения ионов, при столкновении
проводящих частиц с кристаллической решеткой. В итоге элкетромиграция
приводит к разрушению проводника (линии передачи).
Паразитная индуктивность вносит вклад в изменение работы схемы
лишь при больших длинах соединительных проводников (межсоединений)
или при высоких скоростях переключения схем. В этих случаях паразитная
индуктивность вносит вклад работу схем, а именно: 1) изменение задержки
сигнала; 2) звон в схеме
9
1.4. Расчет параметров межсоединений
Под параметрами межсоединения понимаются его геометрические
параметры, которые в свою очередь дают вклад в паразитные емкости,
индуктивности и сопротивления межсоединений
(R,L,C). Все эти
паразитные компоненты не благоприятно сказываются на работе плат.
Расчет паразитных емкостей, индуктивностей и сопротивлений
производился по различным формулам.
Данные формулы приведены из зарубежного источника [2] :
60
Z0
r
4H



 0.67  ( T  0.8 W) 
ln 
(1)
где Z0 – волновое сопротивление, εr – диэлектрическая постоянная, H,T,W
– геометрические параметры межсоединения.
x
TD
r
c
где x – длина проводника, с – скорость света.
Ltotal ( TD) Z0
где TD – задержка времени распространения сигнала

c
Lsegments
(3)
(4)
r
Ctotal
(2)
TD
Z0
(5)
Ltotal
(6)
segments
 x 

 T r  
segments  10 
(7)
10
где Tr – время нарастания сигнала
Csegment
Ctotal
(8)
segments
Также использовались и другие формулы, взятые из отечественной
литературы
и
интернет
источников,
для
вычисления
паразитных
компонентов [5,6,7,9,12]:
(9)
Формула для вычисления активного сопротивления межсоединения с
коэффициентом удельного сопротивления меди:
R = 0,0172 l/S
(10)
(11)
Паразитная емкость межсоединения вычисляется по формуле:
С = СпогL
(12)
где Спог – погонная емкость, пФ/см; L – длина взаимного перекрытия
проводников, см [9].
Погонная емкость между проводниками вычисляется по формуле:
Спог = Kпε
(13)
11
где Kп – коэффициент пропорциональности, определятся по рисунку
приведенному ниже; ε – диэлектрическая проницаемость среды (ε = 0,5(εВ
+ εП); εВ – диэлектрическая проницаемость воздуха; εП – диэлектрическая
проницаемость материала платы) [9].
Рисунок 1. График зависимости коэффициента пропорциональности для
формулы
Индуктивность проводника рассчитывается по формуле:
L = Lпогl
(14)
где Lпог – погонная индуктивность, мкГн/см; l – длина межсоединения,
см [9].
Погонную индуктивность печатного проводника можно определить по
рисунку приведенному ниже.
12
Рисунок
2.
Зависимость
погонной
индуктивности
от
ширины
межсоединения
(15)
где l – длина проводника, мм; b – ширина проводника, мм.
13
1.5. Моделирование влияния межсоединений на динамические
характеристики
1.5.1. Моделирование влияния межсоединения в печатной плате
Для моделирования межсоединений, прибегают к эквивалентным
схемам, которые в свою очередь различны для печатных плат и
интегральных схем.
Для печатных плат эквивалентная схема формируется через RLC
элементы, паразитные компоненты которых рассчитываются по формулам,
приведенные в прошлой главе (1-15).
Для моделирования влияния межсоединеий в качестве источника
использовался КМОП инвертор с параметрами:
В инверторе используются КМОП транзисторы с параметрами
прописанными в библиотеке SPICE:
MODEL NMOS nmos level=3; L=4u; W=132u; vto=0.97; tox=0.1e-06;
uo=600.
+
nsub=1e+16; theta=0.17; delta=0.3105; lambda=0.2493;
+
vmax=1.4664e+07; ld=4.9318e-08; wd=1e-07;
+
cbd=0.02p; cbs=0.02p; NFS=2e12;
+
Cgso=3.5E-10; Cgdo=3.5E-10; CJ=8.0E-5;
+
XJ=2.0E-6; NSUB=3e16
.MODEL PMOS pmos level=3; L=3.5u; W=160u; vto=-1.2; tox=0.1e-06;
uo=400.
+
nsub=1e+16; theta=0.4; delta=0.3105; lambda=0.2493;
+
vmax=1.4664e+07; ld=4.9318e-08; wd=1e-07;
+
cbd=0.03p; cbs=0.03p; NFS=0.5e12;
+
Cgso=3.5E-10; Cgdo=3.5E-10; CJ=2.0E-4;
+
XJ=1.7E-6; NSUB=1e15
14
Рисунок 3. Эквивалентная схема межсоединения в печатной плате. В качестве приемника сигнала стоит нагрузка
величиной 1 Мом.
15
Влияние паразитной емкости трассы на выходной сигнал
Величины паразитных параметров и геометрических параметров
трассы для 4 графиков приведенных ниже брались из зарубежного
источника [2]. Там приведены значения эквивалентной схемы
проводников L=44.9 нГн и C=17.9 пФ.
Параметры трассы: l(длина) = 0.127 мм, h(толщина) = 17.78 мкм,
t(ширина) = 0.127 мм.
Емкость и индуктивность изменялись в произвольном характере, в
качестве начального исследования зависимости паразитных параметров
межсоединений на динамические характеристики.
16
Рисунок 4. Характеристика сигнал при величине емкостей C5,C6,C7,C11 по 2 пФ, величина индуктивностей L1,L2,L3,L5
по 11.23 нГн. Сплошная линия – сигнал на выходе инвертора, пунктирная линия – сигнал на входе приемника
(нагрузки).
17
Изменяем емкость межсоединения, все другие паразитные параметры остались такими же.
Рисунок 5. Характеристика сигнала при величине емкостей C5,C6,C7,C11 по 4.48 пФ, величина индуктивностей
L1,L2,L3,L5 по 11.23 нГн. Сплошная линия – сигнал на выходе инвертора, пунктирная линия – сигнал на входе
приемника (нагрузки).
18
Влияние паразитной индуктивности
Рисунок 6. Характеристика сигнала при величине индуктивностей L1,L2,L3,L5 по 40 нГн, величина емкостей
C5,C6,C7,C11 по 4.48 пФ. Сплошная линия – сигнал на выходе инвертора, пунктирная линия – сигнал на входе
приемника (нагрузки)
19
Далее
мы
рассмотрели
влияние
геометрических
параметров
межсоединений печатных плат.
Изменяя длину, ширину и толщину межсоединений печатных
проводников и делая пересчет изменившихся R,L,C , моделировали эти
влияния. Параметры транзисторов в инверторе не изменяются.
За основу мы взяли межсоединение с параметрами l(длина) = 10 см,
h(толщина) = 35 мкм, t(ширина) = 0.5 мм.
При данных геометрических параметрах межсоединения величины
паразитных компонентов получились таковы:
C=5.3пФ,L=125нГн,R=0.1Ом.
20
Рисунок 7. Характеристика сигнала при l(длина) = 10 см, h(толщина) = 35 мкм, t(ширина) = 0,5 мм. Пунктирная линия –
сигнал на входе приемника (нагрузки), сплошная линия – сигнал на выходе инвертора.
21
Далее мы изменили ширину межсоединения c 0.5 мм до 0.1 мм и, пересчитав паразитные компоненты, получили:
C= 5.3 пФ, L=149 нГн, R=0.5 Ом.
Рисунок 8. Характеристика сигнала при l=10 см, h=35 мкм, t=0.1 мм. Пунктирная линия – сигнал на входе приемника
(нагрузки), сплошная линия – сигнал на выходе инвертора.
22
Затем изменили толщину межсоединения с 35 мкм до 18 мкм, получили:
C=5.3 пФ, L=122 нГн, R=0.2 Ом.
Рисунок 9. Характеристика сигнала при l=10 см, h=18 мкм, t=0.5 мм. Пунктирная линия – сигнал на входе приемника
(нагрузки), сплошная линия – сигнал на выходе инвертора.
23
Изменяем длину межсоединения с 10 см до 20 см, получаем:
C=10.6 пФ, L=322.5 нГн, R=0.2 Ом.
Рисунок 10. Характеристика сигнала при l=20 см, h=35 мкм, t=0.5 мм. Пунктирная линия – сигнал на входе приемника
(нагрузки), сплошная линия – сигнал на выходе инвертора.
24
Изменяем толщину межсоединения с 35 мкм до 70 мкм и ширину с 0.5 мм до 0.1 мм, получаем паразитные
компоненты:
C=5.3 пФ, L=144 нГн, R=0.25 Ом.
Рисунок 11. Характеристика сигнала при l=10 см, h=70 мкм, t=0.1 мм. Пунктирная линия – сигнал на входе приемника
(нагрузки), сплошная линия – сигнал на выходе инвертора.
25
Изменяем длину межсоежинения с 10 см до 20 см, ширину с 0.5 мм до 0.1мм и толщину с 35 мкм до 18 мкм,
получаем:
C=10.6 пФ, L=330.5 нГн, R=2 Ом.
Рисунок 12. Характеристика сигнала при l=20 см, h=18 мкм, t=0.1 мм
26
Изменяем длину межсоединения с 10 см до 20 см, толщину с 35 мкм до 70 мкм и ширину с 0.5 мм до 0.1 мм,
получаем:
C=10.6 пФ, L=316 нГн, R=0.5 Ом.
Рисунок 13. Характеристика сигнала при l=20 см, h=70 мкм, t=0.1 мм
27
Изменяем длину межсоединения с 10 см до 20 см, толщину с 35 мкм до 70 мкм, получаем:
C=10.6 пФ, L=268 нГн, R=0.05 Ом.
Рисунок 14. Характеристика сигнала при l=20 см, h=70 мкм, t=0.5 мм
28
1.5.2. Моделирование влияния межсоединений в интегральной
схеме
Было рассмотрено влияние межсоединения интегральных схем.
В интегральных схемах эквивалентная схема формируется иначе,
чем в печатных платах. В интегральных схемах межсоединение
представляется в виде R,C элементов. Индуктивность не вносит вклад, так
как рассматриваются маленькие длины межосединений.
Менялись геометрические параметры межсоединений, влияющие на
величины R и C.
За начальные параметры межсоединения интегральной схемы были
взяты: l(длина) = 100 мкм, h(толщина) = 0.5 мкм, t(ширина) = 0.35 мкм.
29
Рисунок 15. Эквивалентная схема межсоединения в интегральной схеме
30
Посчитав паразитные компоненты межсоединения, получаем:
C=0.004 пФ, R=15.4 Ом.
Рисунок 16. Выходной сигнал, параметры межсоединения: l(длина) = 100 мкм, h(толщина) = 0.5 мкм, t(ширина) = 0.35
мкм
31
Изменяем толщину межсоединения в интегральной схеме с 0.5 мкм до 1 мкм и делаем пересчет паразитных
компонентов и получаем:
C=0.004 пФ, R=7.7 Ом.
Рисунок 17. Характеристика сигнала при l = 100 мкм, h = 1 мкм, t = 0.35 мкм.
32
Изменяем длину межсоединения со 100 мкм до 200 мкм, получаем:
C=0.008 пФ, R=30.9 Ом.
Рисунок 18. Характеристика сигнала при l = 200 мкм, h = 0.5 мкм, t = 0.35 мкм
33
Изменяем ширину межсоединения с 0.35 мкм до 0.7 мкм, получаем:
C=0.008 пФ, R=7.7 Ом.
Рисунок 19. Характеристика сигнала при l = 100 мкм, h = 0.5 мкм, t = 0.7 мкм
34
Изменяем ширину межсоединения с 35 мкм до 18 мкм, получаем:
C=0.002пФ, R=30 Ом.
Рисунок 20. Характеристика сигнала при l = 100 мкм, h = 0.5, t = 0.18 мкм
35
Изменяем длину межсоединения со 100 мкм до 200 мкм и ширину с 35 мкм до 70 мкм, получаем:
C=0.016 пФ, R=15.4 Ом.
Рисунок 21. Характеристика сигнала при l = 200 мкм, h = 0.5 мкм, t = 0.7 мкм
36
Изменяем также длину, но ширину межсоединения делаем меньше 18 мкм, получаем:
C=0.004 пФ, R=60 Ом.
Рисунок 22. Характеристика сигнала при l = 200 мкм, h = 0.5 мкм, t = 0.18 мкм
37
Изменяем все три параметра межсоединения, длину до 200 мкм, ширину 0.7 мкм, толщину до 1 мкм, получаем:
C=0.016 пФ, R=7.7 Ом.
Рисунок 23. Характеристика сигнала при l = 200 мкм, h = 1 мкм, t = 0.7 мкм
38
Изменяем длину до 3000мкм, ширину остается такая же 0.35 мкм, толщина тоже 0.5 мкм, получаем:
C=0.12пФ, R=462 Ом.
Рисунок 24. Характеристика сигнала при l = 3000 мкм, h = 0.5 мкм, t = 0.35 мкм
39
Изменяем длину межсоединения до 3000 мкм, ширину до 0.7 мкм, толщина остается 0.5 мкм, получаем:
C=0.24 пФ, R=231 Ом.
Рисунок 25. Характеристика сигнала при l = 3000 мкм, h = 0.5 мкм, t = 0.7 мкм
40
1.5.3. Влияние параметров источника и приемника сигнала на
динамические характеристики цифровых схем.
Источник сигнала дает вклад в выходной сигнал при изменении
времен нарастания и спада сигнала.
Приемник, смоделированный на диодах (КМОП), дает вклад в
выходной сигнал в случае изменения параметров диода, а именно Is и Rs.
Приемник, смоделированный на транзисторах (ТТЛ схема), дает вклад при
изменении сопротивления подключенного к базе транзистора Q1. Также
изменение
сигнала
происходит
при
различной
приемника.
Рисунок 32. Влияние источника и приемника сигнала.
41
входной
емкости
Нами было рассмотрено влияние источника сигнала. В источнике изменялось время нарастания и спада сигнала.
Параметры трассы при данном моедлировании : l(длина) = 10 см, h(толщина) = 35 мкм, t(ширина) = 0.5 мм.
Рисунок 26. Характеристика сигнала при Tr и Tf = 200 пс.
42
Время нарастания и спада сигнала уменьшили в 2 раза.
Рисунок 27. Характеристика сигнала при Tr и Tf = 100 пс.
43
Время нарастания и спада сигнала увеличили до 400 пс.
Рисунок 28. Характеристика сигнала при Tr и Tf = 400 пс.
44
Время нарастания и спада сигнала увеличили до 600 пс.
Рисунок 29. Характеристика сигнала при Tr и Tf = 600 пс.
45
Время нарастания и спада сигнала увеличили до 1нс.
Рисунок 30. Характеристика сигнала при Tr и Tf = 1 нс.
46
Время нарастания и спада сигнала увеличили до 2 нс.
Рисунок 31. Характеристика сигнала при Tr и Tf = 2 нс.
47
Было промоделировано влияние приемника сигнала на характеристику сигнала.
Рисунок 32. Эквивалентная схема для моделирования влияния приемника сигнала
48
Для моделирования приемника была использована следующая
модель диода.
MODEL D10D1 D IS=10.01e-21 RS=1.000e-3 CJO=1.000e-12
M=0.3333 VJ=0.75 ISR=195.3e-6 BV=100 IBV=100.0e-6 TT=5.000e-9
Параметры трассы: l(длина) = 10 см, h(толщина) = 35 мкм, t(ширина)
= 0.5 мм.
В приемнике сигнала были изменены следующие параметры диодов
Is и Rs.
49
Рисунок 33. Характеристика сигнала при стандартной модели диода, прописанной в библиотеке Spice. (Is = 10E-21; Rs =
1E-3)
50
Рисунок 34. Характеристика сигнала при Is = 10E-15, Rs = 5
51
Рисунок 35. Характеристика сигнала при Is = 10E-19, Rs = 5
52
Рисунок 36. Характеристика сигнала Is = 10E-21, Rs = 5
53
Рисунок 37. Характеристика сигнала при Is = 10E-23, Rs = 5
54
Также было рассмотрено различие влияние приемника для КМОП и ТТЛ схемы.
Параметры трассы: l(длина) = 10 см, h(толщина) = 35 мкм, t(ширина) = 0.5 мм.
Рисунок 38. Эквивалентная схема с КМОП приемником
55
Рисунок 39. Выходной сигнал (КМОП приемник)
56
Рисунок 40. Эквивалентная схема с ТТЛ приемником
57
Приемник представляет собой ТТЛ схему с простым инвертором.
В качестве транзисторов в ТТЛ схеме были взяты биполярные
транзисторы с параметрами:
model TNB npn (mje=0.5025 cje=0.7e-12 vje=0.881 mjc=0.489
+ cjc=1.45e-12 vjc=0.771 fc=0.9 tf=3.089e-10 tr=1.611e-10
+ bf=54.36 br=7.74 vaf=28.26 var=2.27 is=1.2e-15
+ ne=1.5 nc=2 nf=1 nr=1 re=4.55e-3 rc=13.6 ikf=61.68
+ ikr=8.45e-3 xtb=3.363 xti=1.694 )
58
Рисунок 41. Выходной сигнал (ТТЛ приемник). Сопротивление подключенное к базе транзистора Q1 2кОм
59
Рисунок 42. Выходной сигнал (ТТЛ приемник). Сопротивление, подключенное к базе транзистора Q1, изменили на
1кОм
60
1.6. Анализ результатов моделирования
При изменении длины печатного проводника с 10 см до 20 см, с
учетом, что другие геометрические параметры остаются без изменения
(h=35мкм, t=0.5 мм), задержка сигнала изменяется, по сравнению с
задержкой трассы с параметрами (l=10 см, h=35 мкм, t=0.5 мм): задержка
сигнала при (l=10 см, h=35 мкм, t=0.5 мм) равна 814 пс, а задержка сигнала
при (l=20 см, h=35 мкм, t=0.5 мм) получается 1.85 нс.
При изменении ширины межсоединения с 0.5 мм до 0.1 мм, длина и
толщина проводника остаются без изменения, задержка изменилась с 814
пс до 888 пс.
С изменением толщины проводника с 35 мкм до 18 мкм, длина и
ширина остаются без изменения, задержка изменилась незначительно с 814
пс до 804 пс.
При изменении трех параметров проводника длины с 10 см до 20 см,
ширины с 0.5 мм до 0.1 мм и толщины с 35 мкм до 18 мкм, задержка
изменится с 800 пс до 1.88 нс.
Время задержки сигнала вычисляется по формуле TD
LC , то
следовательно для уменьшения задержек сигнала нужно уменьшать
паразитную емкость либо индуктивность проводника. В свою очередь
паразитные L,C элементы зависят от ширины, толщины и длины взаимного
перекрытия межсоединений. Из чего можно сделать вывод, что нужно
изменять
геометрические
параметры
проводника,
чтобы
добиться
оптимальных характеристик сигнала.
В интегральных схемах при изменении параметров трассы,
изменялась форма передаваемого сигнала.
Что касается перекрестных помех в схеме, то убрать их полностью
невозможно, так как каждый элемент схемы дает вклад в эти помехи.
Однако их можно минимизировать некоторыми способами, а именно:
61
Расширить интервал S между проводниками насколько
1.
это позволяет маршрутизация.
Минимизировать
2.
перекрестные
помехи
так
толщину
же
диэлектрика,
зависят
от
так
как
диэлектрической
проницаемости материала. Однако стоимость тонкого диэлектрика
высока.
Увеличить ширину трассы. Широкие трассы будут
3.
потреблять большую площадь платы.
Уменьшить длину взаимного перекрытия проводников.
4.
В качестве стабильности сигнала в схеме можно установить
повторители сигнала, чтобы ретранслировать данные сигнала из-за его
ухудшения.
Кроме этого шум зависит от времени нарастания и спада сигнала,
что приводит к изменению формы и амплитуды сигнала.
Рисунок. Влияние времени нарастания и спада сигнала на форму самого
сигнала.
Данная зависимость была рассмотрена в данной дипломной работе
(рисунок 26-31).
Также
на
характеристику
сигнала
влияет
условие
полного
сопротивления трассы. Если полное сопротивление межсоединения
62
больше чем сопротивление источника, то сигнал должен иметь форму,
представленную на рисунке ….
Рисунок. Изменение формы сигнала при условии, что сопротивление
полной трассы больше чем сопротивление источника.
Промоделировав
влияние
межсоединения
на
динамические
параметры цифровых схем, мы убедились, что по форме сигнал,
получившийся в нашей дипломной работе, совпадает с приведенным
сигналом из зарубежного источника, основанного на экспериментальных
характеристиках сигналов проводников.
Также влияние источника и приемника сигнала оказывают влияние
на форму и амплитуду передаваемого сигнала.
63
2. Конструкторско-технологическая часть
2.1. Печатные платы
Печатная плата – это пластина изоляционного диэлектрика, на
которой нанесены токопроводящие дорожки.
Основание
стеклотекстолита,
печатной
платы
гетинакса.
в
Также
основном
могут
изготавливают
из
изготавливаться
из
металлического основания покрытого слоем диэлектрика, в некоторых
случаях используют керамические основания.
Печатные платы различаются в зависимости от количества слоев с
токопроводящим рисунком:
1) Односторонние печатные платы (ОПП) – металлическая фольга
располагается только с одной стороны платы.
Рисунок 43. ОПП
1. Диэлектрик; 2. Маска (защитный слой); 3. Токопроводящая
дорожка; 4. Контактное отверстие;
2) Двусторонние печатные платы (ДПП) – металлическая фольга
располагается с обеих сторон.
Рисунок 44. ДПП
1. Диэлектрик; 2. Маска (защитный слой); 3. Токопроводящая
дорожка; 4. Контактное отверстие;
64
3) Многослойные печатные платы (МПП) – металлическая фольга
может располагаться как в ДПП, так и между слоев диэлектрика.
Рисунок 45. МПП
1. Диэлектрик; 2. Маска (защитный слой); 3. Контактное отверстие;
4. Токопроводящая дорожка;
В зависимости от материала печатные платы делятся на:
1) Гибкие
Гибкие платы изготавливают из полиимида толщиной около 12,5200 мкм.
Так как гибкие платы могут быть ОПП, ДПП и МПП, то толщина
основания платы будет влиять на величину паразитных параметров.
Рисунок 46. Гибкая печатная плата
1. Диэлектрик (Полиамид); 2. Маска (защитный слой); 3. Контактное
отверстие; 4. Токопроводящая дорожка;
65
2) Жесткие
Представляют собой
стеклотекстолита (рис. 1,2,3).
печатные
платы,
изготовленные
из
3) Гибко-жесткие
Рисунок 47. Гибко-жесткая печатная плата
1. Диэлектрик (Полиамид); 2. Маска (защитный слой); 3. Контактное
отверстие; 4. Токопроводящая дорожка; 5. Жёсткая подкладка;
Это такие же гибкие платы, но с усилением в определенных местах.
Жесткая часть сделана из стеклотекстолита либо более толстого
полиимида.
Классы точности печатных плат
Таблица 1
Условное
обозначение
Номинальное значение основных параметров для класса
точности
1
2
3
4
5
t, mm
0.75
0.45
0.25
0.15
0.1
S, mm
0.75
0.45
0.25
0.15
0.1
b, mm
0.3
0.2
0.1
0.05
0.025
f
0.4
0.4
0.33
0.25
0.2
66
t - ширина печатного проводника;
S - расстояние между краями соседних элементов проводящего
рисунка;
В
таблице: b - гарантированный поясок;
f - отношение номинального значения диаметра наименьшего из
металлизированых отверстий к толщине печатной платы.
Чем выше класс точности, тем более современное и высокоточное
требуется оборудование.
Печатные платы 1,2 класса точности не требуют высокоточного
оборудования и больших затрат на изготовление, но и хороших
показателей в работе не показывают
Печатные платы 3 класса точности более распространенные, так как
соотношение качества и затрат оптимальны.
Печатные платы 4,5 класса требуют высокоточного оборудования,
специальных материалов, помещений.
2.2. Интегральные схемы
Интегральная
схема
–
это
микроэлектронное
изделие,
представляющее собой совокупность элементов, изготовленных на
подложке и взаимосвязанных между собой.
Классифицируются интегральные схемы по степени интеграции, т.е.
по количеству элементов в схеме.
1) малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов,
2) средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов,
3) большая интегральная схема (БИС) — до 10 тыс. элементов,
4) сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — более 10 тыс.
элементов.
67
В зависимости от технологии интегральные схемы делятся на:
1) Полупроводниковые микросхемы
2) Пленочные микросхемы
3) Гибридные микросхемы
Полупроводниковые микросхемы – все элементы выполнены на
кристалле.
Пленочные микросхемы – все элементы выполнены в качестве
пленок.
Гибридные микросхемы – пассивные элементы пленочные (R,L,C), а
активные элементы навесные (транзисторы, диода и т.д.).
В качестве материала межсоединений в интегральных микросхемах
применяется алюминий за счет хорошей адгезии с пленкой SiO2, меньшей
стоимостью производства.
Геометрические
параметры
межсоединения
в
интегральной
отличаются
параметров
межсоединений
в
печатной
от
схеме
плате.
В
интегральной схеме ширина междсоединения варьируется от 0,1 до
нескольких микрон, а длина от 10 до 1000 микрон.
68
3. Охрана труда
3.1. Влияние компьютера на человека
В связи с прохождением практики и написания диплома на базе
института, основную часть времени занимает работа за компьютером.
Работа с программами, различный поиск информации, написание самого
диплома, все это происходит за компьютером. Я считаю, что всем давно
уже известно, какое влияние оказывает компьютер на человека.
Влияние компьютера характеризуется:
1) Сидячем положением человека
2) Постоянной зрительной нагрузки
3) Одни и те же манипуляции руками
4) Нервно-эмоциональное напряжение
Факторы влияния компьютера:
1) Мерцание монитора
2) Шум работающего компьютера
3) Электромагнитные излучения
4) Длительность работы за компьютером
5) Микроклимат помещения
Компьютер влияет на:
1) Органы слуха
2) Органы зрения
3) Опорно-двигательную систему
4) Осанку человека
69
Компьютер снижает общую выносливость организма, оказывает
серьезное влияние на органы зрения, утомляет позвоночник и руки
человека.
Различные излучения, идущие от компьютера, и долгое пребывание
за компьютером негативно влияют на нервную систему человека. Сбои в
работе компьютера, интернета, шум работающего системного блока и т.п.
– это все приводит к стрессу и раздражительности человека. Помимо того,
продолжительная работа за компьютером может приводить к нарушению
сна, головным болям, тошноте, потери внимательности и невозможности
концентрироваться.
Неподвижная и напряженная поза работы за компьютером приводит
к быстрой утомляемости, может приводить к неправильной осанке и т.д. У
взрослых людей долгое пребывание в неправильной позе за компьютером,
а зачастую так и происходит, потому что мы не следим за тем как сидим,
может образоваться грыжа межпозвоночного диска. Дети же подвержены
искривлению позвоночника, то есть сколиозу.
Интенсивная работа с клавиатурой приводит к болевым ощущениям
в локтевых суставах, предплечьях, кистях и пальцах. Продолжительная
работа с клавиатурой может приводить к серьезным заболеваниям рук
человека. Такие заболевания назвали “Травмы повторяющихся нагрузок”.
К заболеваниям, связанным с ТПН, относятся:
1) тендовагинит — воспаление сухожилий кисти, запястья, плеча;
2) тендосиновит — воспаление синовиальной оболочки сухожильного
основания кисти и запястья;
3) синдром
запястного
канала
срединного нерва.
70
(СЗК)
–
вызывается
сдавление
Длительное время, работая за ПЭВМ человек, может пренебрегать
правильным питанием, что зачастую может привести к болезням желудка
(язва, гастрит и т.д.).
Человек зависит и от положения монитора, потому что не может
занять удобную позу, которую ему хочется, при работе это приводит к
утомляемости. При длительной работе за компьютером требуется высокая
сосредоточенность, что приводит к большому напряжению зрительного
аппарата.
Увеличивается
зрительное
утомление,
что
приводит
к
близорукости, раздражительности, головным болям, стрессу. Блики на
мониторе затрудняют восприятие информации с экрана монитора. Это
приводит к тому, что человеку приходится менять положение головы и
тела, больше напрягать глаза.
Также ученые доказали, что при работе за компьютером, человек сам
не замечая того начинает прищуриваться чтобы лучше рассмотреть текст
на мониторе. За счет этого человек меньше моргает, что приводит к
плохому увлажнению глаз и в итоге к чувству усталости глаз, их
покраснению, а в дальнейшем может привести к заболеванию называемого
“синдром сухого глаза”.
Кроме того находясь в помещение, где находится множество
оргтехники,
человек
подвержен
влиянию
химических
веществ,
выделяемых работой компьютеры, принтера и тому подобной техникой.
Каждое из выделяемых веществ пагубно влияет на ту или иную часть
человеческого организма, вызывая различные заболевания, аллергию,
недомогания и другие.
Шум на рабочем месте ухудшает условия труда, оказывает вредное
действие на организм человека. Работая в длительных условиях
повышенного
шумового
воздействия
человек,
становится
раздражительным, у него может возникнуть головокружение, повышенная
утомляемость, снижение памяти. Такие нарушения в работе организма
71
человека
могут
вызвать
негативные
последствия
эмоционального
состояния, вплоть до стрессового. У человека находящегося под
воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются
физиологические
функции.
Все
это
приводит
к
снижению
работоспособности человека и его производительность, а также качества и
безопасности труда.
3.2. Отдых и лечебная гимнастика
Для хорошей работоспособности и сохранения здоровья в работе за
ПЭВМ должны устанавливаться перерывы.
В зависимости от уровня нагрузки при работе за компьютером
регламентируются перервы.
Таблица 2
Категория Уровень нагрузки за рабочую
смену
работы с Группа А, Группа Б, Группа
кол-во
кол-во
ПК
В, ч
знаков
знаков
Суммарное время перерывов,
мин
8-ми часовая
смена
12-ти часовая
смена
I
До 20 тыс.
15 тыс.
До 2
30
70
II
До 40 тыс.
30 тыс.
До 4
50
90
III
До 60 тыс.
40 тыс.
До 6
70
120
Когда характер работы связан с напряжением внимания и
сосредоточенности рекомендуется делать перерывы 10-15 минут каждые
45-60 минут работы. Во время перерыва человек должен сделать
небольшую
гимнастику,
чтобы
дать
позвоночнику, шеи и другим частям тела.
Лечебная гимнастика.
72
отдохнуть
глазам,
рукам,
Для развития мышц спины старайтесь делать как можно больше
движений.
Упражнение для рук.
1. Встряхните руки;
2. Сжимайте пальцы в кулаки (8-10 раз);
3. Делайте вращения кистями;
Профилактика заболеваний органов дыхания.
1. Как можно чаще проветривайте помещение;
2. Ставьте емкости с водой для увеличения влажности воздуха в
помещении.
Профилактика нервных расстройств.
1. Постарайтесь сделать так, что бы при работе компьютер давал как
можно меньше сбоев и меньше раздражал вас;
2. Как можно чаще прерывайте работу с компьютером.
Упражнения для глаз.
1. Зажмурьте глаза приблизительно на 10 секунд;
2. Быстро моргайте в течение 5-10 секунд;
3. Сделайте комплекс упражнений:
73
Рисунок 48. Упражнения для глаз
3.3. Требования к помещениям, оборудованию рабочих мест и
освещенности.
Требования к организации рабочего места при работе за ЭВМ
установлены СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к
персональным электронно-вычислительным машинам и организации
работы».
Помещения должны иметь искусственное и естественное освещение.
Рабочие места по отношению к окнам должны располагаться сбоку,
желательно чтобы свет падал с левой стороны.
Экраны компьютеров должны быть размещены подальше от яркого
дневного света, чтобы не было бликов и оператору было комфортнее
работать.
Рабочие места должны располагаться от стен с окнами на расстоянии
около 1,5 м, а от стен без окон на расстоянии около 1 м.
Площадь рабочего места должна составлять примерно 4,5 м2 при
учете, что работа производится за ЖК-монитором.
Рекомендуемый микроклимат в помещениях при работе с ЭВМ:
74
1) температура 20  23 С;
2) относительная влажность воздуха 55  62%.
Освещенность на рабочем месте должна быть не менее 400 лк.
В качестве источников искусственного освещения лучше применять
люминесцентные лампы. Для того чтобы избегать ослепления необходимо
устранять из поля зрения человека источники света, а также поверхности,
отражающие свет.
В помещениях больших размеров необходимо
устанавливать
светильники рядами для того чтобы, можно было включать тот ряд
светильников, который необходим, в зависимости от естественного
освещения.
Конструктивно стол должен быть сделан так, чтобы его поверхность
обеспечивала комфортное размещение используемого оборудования
(дисплея, ПЭВМ, клавиатуры, и т. п.), а также выполнения трудовых
операций в пределах досягаемости.
Для комфортной работы за ПЭВМ человеку необходимо правильно
оборудованное место работника ПЭВМ.
3.4. Требования к организации рабочих мест пользователей
ПЭВМ
Расстояние между рабочими столами операторов ПЭВМ должно
быть около 2 м, а расстояние между боковыми частями экранов мониторов
должно быть примерно 1,2 м.
При выполнении творческой работы или сильной умственной
нагрузки,
рабочие места операторов ПЭВМ должны
ограждаться
перегородкой высотой 1,5 – 2 м.
Экран монитора должен находиться от глаз оператора на расстоянии
60-70 см.
75
Клавиатуру должна располагаться на рабочей поверхности стола на
расстоянии 10-30 см от края.
Конструкция
стула
оператора
ПЭВМ
должна
обеспечивать
поддержание удобной позы при работе ПЭВМ, позволять изменять позу
для снижения напряжения мышц шеи, плечевого пояса и спины с целью
меньшей утомляемости [10].
Рабочий стул должен иметь подъемно-поворотный механизм.
Регулировка каждого из параметров должна осуществляться независимо
друг от друга, без всякой сложности для работника и иметь четкую
фиксацию.
Материал поверхности стула и составляющих частей должен быть
полумягким,
нескользящим,
воздухопроницаемым
электризующимся.
76
и
слабо
4. Экологическая часть
Охрана окружающей природы - это совокупность мер, направленная
на поддержание взаимодействия между деятельностью человека и
окружающей
природной
средой,
обеспечивающая
сохранение
и
восстановление природных богатств, разумное использование природных
ресурсов.
При работе за ЭВМ вреда окружающей среде не наносилось, за
исключением микроклимата помещения, так как при работе компьютер и
другая оргтехника выделяет тепло и все возможные вредные вещества, что
пагубно влияет на людей находящихся в данном помещении. Однако
концентрация этих веществ мала, чтобы нанести серьезный вред за
короткий срок времени.
Единственное пагубное влияние оргтехники на окружающую среду
может случиться при не правильной утилизации компонентов оргтехники.
Опасные химические вещества, содержащиеся в элементах, могут попасть
в атмосферу, тем самым неблагоприятно сказаться на чистоте окружающей
природы.
77
Заключение
В данной дипломной работе было выполнено следующее:
1. Для типовых параметров печатных плат рассчитаны погонные
параметры
(сопротивление,
емкость
и
индуктивность)
печатных проводников.
2. С помощью программ SPICE промоделированы переходные
характеристики сигналов на выходах схем-передатчиков
сигналов и
на входах
схем-приемников
сигналов при
различных параметрах, как самих схем, так и параметров
печатных проводников.
3. Проанализирована степень влияния источника и приемника
сигналов, параметров проводников на искажение формы
передаваемых сигналов.
4. Рассмотрены негативные факторы, влияющие на оператора
ЭВМ и способы уменьшения этого пагубного влияния.
78
Список использованной литературы
1. Кузьмин
А.Я.
Конструирование
и микроминиатюризация
электронной вычислительной аппаратуры РЭА: Уч. лособие для
вузов. — М.: Радио и связь, 1985.-80 с.
2. Stephen H. Hall Garrett W. Hall James A. McCall “High-Speed Digital
System Design—A Handbook of Interconnect Theory and Design
Practices”. 2000.-362 с.
3. Вопросы межсоединений,
http://www.williamspublishing.com/PDF/978-5-8459-1116-2/part.pdf
4. “Допуски на элементы печатных плат” Сергей Топоров, главный
инженер ООО “Резонит”,
http://rezonit.ru/support/our-articles/article%2020066/Toporov%20design%20(2006).pdf
5. “Уменьшение паразитной индуктивности проводников на печатной
плате” , http://www.elcomdesign.ru
6. “Сопротивление проводника печатной платы” , http://p-platy.ru
7. “Как (не)надо развязывать высокоскоростные операционные
усилители” , http://embedders.org
8. “Паразитные параметры печатного монтажа” , http://journals.uran.ua
9. “Паразитные связи на печатных платах”, http://studopedia.ru
10. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы: СанПиН
2.2.2/2.4.1340-03.
Гигиенические
требования
к
персональным
электронно-вычислительным машинам и организации работы. М.:
Минздрав России, 2003. – 31 с.
11. ГОСТ Р 53429-2009. Печатные платы. Основные параметры
конструкции. Стандартинформ, 2010.-12 с.
12. “Расчет катушек на печатной плате” , http://coil32.narod.ru
79