сных схем. Технические характеристики АЦП

Операции	Число операций	Время выполнения опера­ций, мкс
КР580	К589	КР580	К589
Умножение	4	4	1030	39,2
Сложение	13	16	2,0	0,2
Пересылки:
память — регистр	35	7	3,5 8,0	0,2. 0,4
регистр — регистр	8	11	2,5	0,2
Прочие операции	5	2	5,5 — 8,5	0,2
БО	65	40	4430	164

Разработка специальных периферийных устройств и интерфей­ сных схем. Технические характеристики АЦП и ограниченное быстродействие микропроцессоров приводят к необходимости реа­лизации предварительной обработки радиотехнического сигнала традиционными методами, т. е. с использованием аналоговой тех­ники. На рис. 2.5 изображен МП БПФ, на входе которого вклю­чен формирователь квадратур. Входной сигнал может поступать непосредственно на АЦП, но тогда потребуется увеличить частоту дискретизации как минимум в 2 раза. Кроме того, значительно повышается требование к длительности выборки дис,кретных от-счетов. Это время должно составлять доли периода входного сиг-нала. Поэтому в данном случае формирователь квадратур является специальным периферийным устройством, использование которого позволяет снизить требования к АЦП и (МП БПФ.

Рис. 2.14. Структурная схема устройства сопряжения РЛС с магнитным на­копителем микро-ЭВМ
Основной задачей интерфейсных схем сопряжения является ор­ганизация обмена данными между источниками, приемниками ин­формации и МП. При этом сопряжение должно осуществляться как по формату данных, так и по скорости обмена. На рис. 2.14 приве­дена структурная схема устройства сопряжения импульсной РЛС с магнитным накопителем микро-ЭВМ, обеспечивающим регистрацию в РМВ выборок из эхосигнала, следующих с частотой дис­кретизации 1 МГц в виде 8-разрядных параллельных слов [34]. Данное устройство применяется при исследовании отражательной способности поверхности земли. Для решения этой задачи требу­ется большой объем памяти запоминающего устройства.
Это мо­ жет быть обеспечено магнитным накопителем. Второй особен­ностью является высокая скорость поступления информации. По­мимо измерительной информации необходимо записывать также служебную (текущее время, координаты РЛС и т. п.).
Выравнивание скоростей информационных потоков, поступаю­щих с РЛС, служебных сигналов и скорости записи обеспечива­ется использованием буферного ЗУ (БЗУ).
Сигнал с РЛС поступает на АЦП и анализатор входного сиг­нала, который вырабатывает стробирующий импульс, запускаю­щий генератор тактовых импульсов (ГТИ1). Одновременно АЦП осуществляет дискретизацию входного сигнала по времени и квантование по уровню. Частота дискретизации 1 МГц. Разряд­ность АЦП 8 бит, шаг квантования 20 мВ. АЦП формирует часть отсчетов, число которых определяется длительностью стробирую-щего импульса тс: N=xc/TR. Этот массив записывается в ОЗУ1.
Запись служебной информации осуществляется по мере запол­нения накапливающего регистра. Входной регистр выполняет роль коммутатора; после окончания записи в ОЗУ1 сигнального мас­сива он осуществляет запись в ОЗУ 1 служебного массива по со­седним адресам. Адреса формирует регистр адреса 1. Сигналь­ный и служебный массивы составляют кадр записи. Для разде­ления кадров вводится маркер кадра. Очередной кадр информа­ции записывается в соседние ячейки памяти.
После того как будет полностью заполнен модуль ОЗУ1, ем­кость которого около 2К байт, устройство управления (УУ) пе­реключает режимы работы модулей: ОЗУ1 на считывание, ОЗУ2 иа запись.
Для формирования синхроимпульсов считывания информации используется ГТИ2, частота которого согласована с магнитным накопителем. Считываемая информация через коммутатор посту­пает на формирователь, вырабатывающий выходной код, опреде­ляемый типом магнитного накопителя.
Устройство сопряжения позволяет записывать информацию в РМВ со скоростью значительно ниже скорости поступления ин­формации с РЛС.
2.3. КОНСТРУКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЯЧЕЕК МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ


Ведущим направлением конструирования современной РЭА является комплексная микроминиатюризация (КММ). Ос­новной задачей КММ является обеспечение высокой надежности, малых масс и объемов, повышенных эксплуатационных характе­ристик РЭА. Выполнение этих требований обуславливает необходимость применения БИС и СБИС, современных и перспективных конструкций РЭА. При конструировании РЭА широко применя­ется модульный принцип, под которым понимается совокупность различных методов (функционально-модульный, модульно-ячееч-ный и т. п.), в основе которых заложено общее требование: как расчленить электрическую схему на модули (функциональные ячейки и блоки), чтобы они были как функционально, так и кон­структивно законченными. При этом их конструктивные размеры должны быть одинаковыми либо кратными одним базовым раз­мерам, т. е. унифицированными. Таким образом, если конструк­ция РЭУ представляет собой блок или моноблок с общей герме­тизацией, то конструкция встроенного в этот блок МП У представ­ляет одну или несколько функциональных ячеек (ФЯ).
Существенным ограничением применения МПУ в РЭА являет­ся реальный масштаб времени решения исходных задач. В § 2.2 показано, что выполнение этого требования возможно только при высоком быстродействии МП и других ИМС, входящих в МПУ.
Быстродействие цифровых ИМС прямо пропорционально по­требляемой мощности. Это значит, что при повышении быстродей­ствия ухудшаются тепловые режимы работы МПУ. В свою оче­редь, это может привести к изменению параметров и режимов работы комплектующих изделий относительно расчетных значе­ний и в конечном счете к увеличению отказов. Для уменьшения теплонапряженности в блоках РЭА необходимы дополнительные меры по улучшению теплопередачи. Как известно, теплота пере­дается от нагретого тела в среду путем конвекции и лучеиспус­кания. Внутри герметичного блока теплота передается, в основ­ном, за счет теплопроводности.
Мощность (Р), рассеиваемая блоком, и перегрев блока v свя­заны прямо пропорциональной зависимостью P = crv, где а — ко­эффициент пропорциональности, представляющий собой величи­ну, обратную термическому сопротивлению конструкции блока или ФЯ- Чем выше значение а блока, тем большую мощность он мо­жет рассеять при фиксированном перегреве.


Значение а при пе­ редаче теплоты теплопроводностью пропорционально площади контактируемых поверхностей и коэффициенту теплопроводности материала. Для увеличения теплопроводности ФЯ вводятся ме­таллические теплопроводящие шины, имеющие большое значение коэффициента теплопроводности. Они могут быть выполнены в виде значительных участков фольги на печатных платах, тонких металлических пластин, на которые устанавливаются бескорпус­ные микросхемы и .микросборки; металлических рамок с планка­ми и т. п.
Применение металлических рамок или оснований (28] повы­шает теплопроводность не только в ФЯ, но и в пакете ячеек, а от него -к корпусу. Кроме того, использование рамок в конструкциях ФЯ значительно увеличивает ее собственную резонансную часто­ту, тем самым повышая вибропрочность конструкции ФЯ.

Рис. 2.15. Установка мик­росхем на тепловые шины: 1 — рама; 2 — микросхема; 3 — печатная плата; 4 — тепловая шина; 5 — контактная площадка

Рис. 2.16. Установка микросхем на тепловые основания: а — со штырьковыми выводами; б — с планарными выводами; 1 — металличе­ское основание; 2 — микросхема; 3 — плата
Толщина тепловых шин выбира­ется в пределах 0,4 — 0,8 мм, а ме­таллических оснований 0,4 — 1,0 мм. Материал тепловых шин и основа­ний — обычно алюминий и его спла­вы. Примеры установки микросхем и микросборок на тепловые шины и металлические основания показаны на рис. 2.15 и 2.16.
Для повышения теплопроводимости между ФЯ и блоком теп­ловой контакт между ними осуществляется через металлическое основание в единой конструкции с рамой ячейки путем пайки, сварки и склеивания мест соединения. Используются также за­клепочные и винтовые соединения. При винтовых соединениях термическое сопротивление контакта уменьшается при повыше­нии класса чистоты обрабатываемых поверхностей, повышении усилия сжатия и т. п. На рис. 2.17 показана конструкция тепло­вого контакта ячейки с корпусом блока с помощью односкосного клина. Рассмотрим наиболее распространенные конструкции ФЯ (28].



Рис. 2.17. Конструкция теплового контакта ячейки с корпусом бло­ка с помощью одно­скосного клина:
1 — печатная плата; 2 — ми­кросхема; 3 — рама; 4 — кор­пус блока; 5 — винт; 6 — клин

Рис. 2.18. Жесткая рамочная конструкция функциональной ячейки:
1 — печатная плата; 2 — микросборка; 3 — рама; 4 — пустотелая заклепка; 5 — втулка

Рис. 2.19. Конструкция paмы для использования в блоках с воздуховодом: 1 — П-образная металлическая пластина; 2 — воздуховод

Рис. 2.20. Установка микросборок на металлическое основание:
1 — микросборка; 2 — проводник; 3 — ме­таллическая пластина; 4 — печатная пла­та; 5 — контактная площадка печатной платы
На рис. 2. 18 изображена жесткая рамочная конструкция ФЯ-Рамка этой ячейки выполнена совместно с теплоотводящими ши­нами. В качестве навесных компонент могут быть использованы корпусные микросхемы и микросборки. Это особенно важно, так как 30 — 50% общего числа микросхем МПУ составляют микро­схемы малой и средней степени интеграции. Функциональные уз­лы из таких микросхем целесообразно выполнять в виде микро­сборок. Особенности конструкций различных микросборок и по­рядок их расчета подробно изложены в работах [27, 28]. Микро­сборки и корпусные БИС устанавливаются на теплопроводящие шины. Выходные контактные площадки микросборок с помо­щью перемычек соединяются с контактными площадками пе­чатной платы, которая по пери­метру приклеивается к раме. Типоразмер печатной платы 170X200 мм. Электрическая коммутация ячеек осуществля­ется с помощью гибкого шлей­фа. Благодаря высокой вибро­прочности конструкций таких ФЯ они нашли применение, в основном, в самолетной аппа­ратуре.

Рис. 2.21. Конструкция функциональной ячейки с воздуховодом:
1 — металлическое основание; 2 — микросборка; 3 — воздуховод; 4 — контактные площадки печатной платы; 5 — печатная плата
На рис. 2.19 изображена конструкция рамы, предназна­ченной для использования в ФЯ блоков герметичной книж­ной конструкции с воздухово­дом.


Печатная плата устанав­ ливается между стенками рамы. Контактирование между печатной платой и микросборками, устанавливаемыми на раме, осуществля­ется перемычками через прорези в раме (рис. 2.20). Обычно рамы выполняются из алюминиевых сплавов. Воздуховод крепится к ме­таллическому основанию с помощью сварки и имеет приливы для крепления ячеек в блоке. Конструкция ФЯ с воздуховодом пока­зана на рис. 2.21. Печатная плата ячейки крепится к раме пусто­телыми заклепками. Микрооборки приклеиваются к раме с двух сторон. Электрическая коммутация ячеек осуществляется с по­мощью гибкого шлейфа.
При конструировании ФЯ важным этапом является выбор ти­поразмера печатных плат. Для решения этой задачи применяется нормативно-техническая документация. Выбор необходимого типоразмера печатных плат зависит от вида аппаратуры, кон­струкции ячеек, условий эксплуатации аппаратуры. В [28] ре­комендуют применять печатные платы размерами 170X75 и 170X200 мм.
Ниже будут показаны перспективные направления конструи­рования путем сокращения размеров элементов СБИС, а также площади ФЯ и заменой печатных плат микросборками, состоя­щими из бескорпусных СБИС и подложек. Это направление кон­струирования позволяет снизить потребляемую мощность и по­высить быстродействие.
2.4. КОМПОНОВКА И РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЯЧЕЕК МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ
Особенностью конструкций МПУ является использование ИМС различной степени интеграции. Наряду с СБИС, насчиты­вающими десятки и сотни тысяч транзисторов, используются микросхемы малой и средней степени интеграции: логические элементы, триггеры и т. п. Это приводит к ухудшению качества компоновки МПУ и увеличению ко­эффициента дезинтеграции. Для улучшения качества компоновки МПУ целесообразно наряду с корпу-сированными МП БИС использо­вать микросборки, объединяющие на одной диэлектрической подложке бескорпусные микросхемы малой и средней степени интеграции. Рас­смотрим алгоритмы расчета основ­ных конструктивных параметров микросборок и ФЯ.


В основу алго­ ритмов положены методы расчета, изложенные в [28]. Задача расчета конструктивных параметров микро­сборок ставится следующим обра­зом: зная число и конструктивные параметры бескорпусных микросхем (кристаллов), определить минимальный типоразмер и число слоев разводки микрооборок.

Рис. 2.22. Посадочное место кри­сталла
Для решения этой задачи рассмотрим посадочное место кристал­ла (рис. 2.22). Оно ограничено контуром, проведенным по внеш­ним сторонам контактных площадок. Обычно минимальные раз­меры посадочного места кристалла определяются по формулам: b1 = bKр+2(a + c); l1=lKP + 2(a + c), где l1, b1 — минимальные раз­меры посадочного места кристалла; bKP, Up — размеры кристал­ла; а — сторона контактной площадки; d1 — -минимальное рас­стояние между двумя контактными площадками; с — минималь­ное расстояние от края контактной площадки до юрая кристалла. Значения параметров а, с зависят от технологии изготовле­ния микрооборки и приведены в [27].
Алгоритм расчета конструктивных параметров микросборки: 1. Определяем минимальные шаги установки кристаллов по вертикали и горизонтали:

где а1 — минимально допустимое расстояние между внешними краями контактных площадок соседних кристаллов.
2. Поскольку в микросборках, устанавливаемых на тепловые шины, для размещения выходных контактных площадок исполь­зуются только две противоположные стороны, соотношение двух соседних сторон микросборки целесообразно принять равным 2 : 3 или 4: 5. С учетом этого число рядов и столбцов кристаллов на микросборке можно определять по формулам

где Шу, тх — число рядов и столбцов кристаллов, соответствен­но; JVKp — общее число кристаллов, расположенных на микро­сборке; [а] — -целая часть числа а.
3. Находим число контактных площадок, которое можно рас­положить вокруг кристалла (рис. 2.22):

число неиспользуемых контактных (площадок х + у= (Мкм — Мкр)/2, где Мкр — число выводов кристалла; х, у — число неиспользуемых контактных площадок вдоль большей и меньшей сторон кристал­ла соответственно.


4. С учетом неиспользуемых контактных площадок определя­ем размеры зоны проводников:

5. Исходя из приведенных выше уравнений и предполагая, что Расстояние между соседними линиями, сгруппированными в го-
ризентальные шины, равно расстоянию между линиями в верти­кальных шинах, определяем х и у:

где М1л, М2л — число вертикальных и горизонтальных шин со­ответственно. Наиболее распространенной в конструкциях цифро­вых микросборок и ФЯ является двухслойная разводка соедини­тельных проводников в областях подложки, свободных от кон­тактных площадок. При такой разводке проводники в одном слое проходят, в основном, вертикально; в другом — горизонтально. Число перекрестий тем меньше, чем меньше отношение чис­ла проводников одного слоя к числу проводников другого слоя. В [28] показано, что число вертикальных и горизонтальных ли­ний определяется по формулам

6. Определяем число слоев соединительных проводников:

Соединительные проводники могут быть разведены в двух сло­ях, если целочисленная часть приведенной формулы равна еди­нице, т. е. знаменатель больше числителя:

Подставив в данное неравенство выражения, приведенные в п. 5.3, получим следующее условие двухслойной разводки:

где К1 — среднее значение коэффициента объединения по входу, увеличенное на 1.
Чтобы приведенное выше выражение имело физический смысл, необходимо выполнение неравенства

Если это неравенство не выполняется, то переходим к п. 10. 7. Находим максимально возможное число рядов и столбцов:

где d — технологическая зона додложки микрооборки.
8. Максимальное число кристаллов, располагающихся на под­ложке, NKP.KaKC = mxmy.
9. Число микросборок типоразмера bxl, необходимое для раз­мещения заданного числа кристаллов NKp, равно

10. Находим размеры дополнительной площади микросборки, необходимой для расположения проводников вне посадочных мест кристаллов:

где b2, k — размеры суммарных свободных зон под кристаллами вдоль меньшей и большей стороны соответственно:



11. Определяем длину и ширину подложки:

Выбираем стандартный типоразмер подложки и, используя выражения, приведенные в пп. 8, 9, определяем Ммс5.
12. При использовании кристаллов с шариковыми выводами размеры подложки определяются следующим образом:

13. Определяем высоту микросборки: h=hn+hK + hKP, где hn, ;hK, hKp — толщина подложки, клея и высота кристалла соответ­ственно.
При определении размеров микросборки предполагалось, что лспользуются кристаллы одного типоразмера. В случае исполь­зования кристаллов различных типоразмеров стандартным счи­тается кристалл, которого в изделии больше всего. Кроме того, считается, что посадочные размеры меньших кристаллов равны соответствующим размерам стандартного кристалла. Наличие кристаллов больших размеров учитывается как некоторое допол­нительное число Ni стандартных кристаллов, причем N:i = — ([b11/b1] +l)/([l11/l1] + 1), где b11, l11 — размеры посадочного места кристалла больше стандартного.
При герметизации микросборок в индивидуальном (корпусе полученные значения являются исходными для выбора типа кор­пуса. Далее посадочные размеры корректируются с учетом шага выводов корпуса и теплового режима.
Методики выбора типа корпуса и расчета теплового режима внутри его приведены в ,[27]. Если предусмотрена общая герме­тизация блока, использование индивидуальных корпусов микро-сборок не обязательно.
Рассчитанные по приведенному выше алгоритму размеры мик­росборок являются исходными данными для расчета конструктив­ных параметров МПУ.

Рис. 2.23. Основные зоны и размеры печатной платы ФЯ:
Lп, Bп — длина и ширина печатной платы; Lu 61 — длина и ширина зоны ус­тановки микросхем; хи х2, у1, y2 — краевые поля; U, Ьо — установочные разме­ры микросхем; Ly, by — шаг установки микросхем; S1, s2, ss, s4 — зоны краевых полей
Алгоритм расчета конструктивных параметров ФЯ.
1. Определяем минимальное число микросборок и БИС МП, смонтированных на печатной плате. Габаритные размеры корпу­са являются определяющими для выбора типоразмера печатных плат ФЯ.


Основные зоны и размеры печатной платы ФЯ показаны на рис. 2.23. По периметру печатной платы ФЯ находятся крае­вые поля, на которых недопустима установка компонентов или прокладка проводников. Часть печатной платы без краевых полей образует контактное поле, на котором располагаются микросбор­ки и микросхемы. На печатной плате можно расположить пу ря­дов и пх столбцов микросхем:
nу = [(Вв-У1-у2)/by] + 1; (2.5)
nx = [(Ln-x1-x2)/Ly]+1. (2.6)
Число БИС МП и микросборок, смонтированных на печатной
плате с размерами ЬПХВВ, равно NMCl = nxnynyCT, где луст=1 для
штырьковых выводов и 1, 2 для пленарных.
2. Находим максимально допустимую длину общего участка проводников из условия обеспечения помехоустойчивости. В ус­ловиях высокой плотности размещения БИС МП и микросборок на печатной плате между сигнальными проводниками возникают емкостная и индуктивная паразитная связь. Возникающие пара­зитные связи обуславливают наводку в соседних проводниках по­мех, которые могут вызвать ложное срабатывание микросхем. Во избежание этого необходимо, чтобы уровень помехи не превышал
допустимого предела. В [27] приведены выражения для опреде­ления допустимой длины двух соседних .проводников:
     — при емкостной связи;
  - при индук­тивной связи,
где 1с и 1М — допустимые длины общего участка проводников при емкостной и взаимно индуктивной связи; Тф — длительность фронта импульса источника помехи; kПОМ — коэффициент помехо­устойчивости; ег — относительная диэлектрическая проницаемость среды; I — величина импульса тока, протекающего по цепи-источ­нику помех; а, Ъ, d — ширина двух соседних проводников и рас­стояние между ними; RВЫХ — выходное сопротивление (микро­схемы.
В реальных условиях в цепи присутствуют емкостная и ин­дуктивная составляющие помехи. Полагая, что амплитуда поме­хи пропорциональна длине проводника, определим допустимую длину общего участка двух сигнальных проводников по формуле lдоп = lclм/(lс + lм)
Допустимую длину трех параллельно расположенных провод­ников при одновременном переключении микросхем в двух актив­ных цепях рекомендуется определять по формуле [28]: l'доп = = 0,5 lдоп.


3. Принимаем, что максимальная длина соединительных про­водников не превышает (0,7 — 0,8) b в первом слое и (0,7 — 0,8) l во втором. Если максимальная длина проводников превышает lдоп, то уменьшаем число столбцов пх на один. Увеличиваем рас­стояние d между проводниками и повторяем выполнение п. 2.
4. Определяем число печатных плат типоразмера LuxBn, не­обходимых для размещения всех микросхем МПУ (Nмс):
Mu.n = (NMC/NMC1)+1.
5. Выбираем конструкцию ФЯ и определяем ее высоту [27]. Функциональные ячейки МПУ объединяются с ФЯ других узлов РЭУ и располагаются в герметичном блоке. При конструирова­нии РЭА используются различные компоновки блоков. Компо­новка и расчет конструктивных параметров блоков РЭА третьего и четвертого поколений рассмотрены в [27, 28].
2.5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЯЧЕЕК МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ
Повышение сложности задач, решаемых МПУ в составе Радиотехнических систем, приводит к необходимости постоянного соверщенствования и методов их конструирования. Применение этих методов в практике (конструирования должно обеспечить по­вышение быстродействия и надежности, снижение потребляемой мощности и площади внутренних соединений как самих МП, БИС, так и устройств, выполненных на их основе. Среди перспек­тивных конструкций следует отметить разработку МПУ на мно гослойных подложках, выполненных по тонко- или толстопленочной технологии, а также изготовление на одной пластине кремния иле другого полупроводника нескоммутированных БИС. Такие кон­струкции в зарубежной литературе получили название «интегра-ция на целой пластине» (ИЦП).
Сравнительные параметры в относительных единицах некото­рых перспективных конструкций приведены в табл. 2.3 ,[35].
Анализ данных табл. 2.3 показывает, что по критериям, при­веденным в ней, наиболее перспективными конструкциями явля­ются гибридные тонкопленочные многослойные схемы на различ­ных подложках с двусторонними монтажом и ИЦП, причем под­ложки обеспечивают плотность жомпоновки на 25 — 30% выше чем ИЦП.


С точки зрения задержки на БИС обе конструкции приблизительно равноценны. Так, если они имеют около 450 вы­ходных буферных каскадов на одну БИС, то задержка равнг 11,8 не для ИЦП и 10,5 не для многослойных тонкопленочны? подложек с двусторонним монтажом [35].
Практическая реализация перспективных конструкций МПУ неотделима от решения задач повышения быстродействия МП БИС при существенном снижении их потребляемой мощности и сокращении площадей БИС и монтажных плат, занимаемых со­единениями.
Рассмотрим некоторые методы, направленные на существен­ное повышение быстродействия и снижение потребляемой мощно сти в БИС, ФЯ и МПУ за счет уменьшения геометрических раз меров и площадей переходов транзисторных элементов, сокра щения длины и сечения соединений как внутри кристалла, так к в ФЯ и МПУ. Эти методы известны под понятием микроминиа тюризации, которая рассматривается прежде всего ,как один ж основных путей повышения быстродействия цифровых устройств,

Содержание раздела

---

---

---

Главная сайта

---