X1.1 Провода и соединители (DRAFT)



==X_5

X1.1.1 Калибры проводов, сопротивление, нагрев и допустимая токовая нагрузка

В табл. X1.1 можно найти сведения о калибрах проводов, причём и верхняя, и нижняя граница проходит по экстремальным размерам. Самый простой путь запомнить их все ( если книга недоступна ) - обратить внимание на то, что

1. калибры идут с шагом 1 dB по площади сечения, т.е. по сопротивлению и
2. #10 имеет сопротивление 1 mΩ на линейный фут ^_1 .

На высоких частотах в дело вступает скин-эффект ( см. §X1.1.6.B ), который увеличивает сопротивление ( то же самое делает и эффект близости , возникающий в пучке близкорасположенных проводов ).

Очень хорош провод #26 со сплошной жилой и изоляцией из Кинара ( Kynar ). Он удобен для соединения точка-точка на печатной плате. Для внутриблочного монтажа и сигнальных жгутов ( для токов менее 1A ) удобен многожильный провод #22...26 и изоляцией из модифицированного поливинилхлорида . Если ток большой, то сечение надо подбирать по допустимому падению и перегреву. Когда речь идёт об обмотке катушки индуктивности или трансформатора, калибр ограничивается рассеиваемой мощностью, коэффициентом качества \(Q\) и размером сердечника. Для силовых трансформаторов типовым ориентиром служит 1000 круговых милов на ампер. ( Круговой мил - это квадрат диаметра в милах ). Т.е. для нагрузки 1 Arms требуется обмоточный провод #20 с эмалевой изоляцией. На рис. X1.1 приводится примерный график допустимой токовой нагрузки для заданного калибра и допустимого перегрева. Следует учесть, что реальные цифры максимального допустимого тока сильно зависят от формы обмотки, плотности её укладки и эффективности отвода тепла.

X1.1.2 Жилы, изоляция и покрытие

Жилы

Многожильные провода более гибкие и мягкие, чем одножильные. Их следует использовать для изготовления кабелей, монтажа, предполагающего некоторую подвижность ( шнуры питания, клавиатуры, телефонные кабели и т.п. ). Но одножильные провода часто удобнее использовать при укладке неподвижных линий на поверхности, как это происходит при внутриплатном монтаже, или при укладке проводов в кабель-канал, потому что не надо заботиться о правильном положении каждой проволочки в пряди.

Многожильные провода плетут из определённого числа проволок. Чаще всего это 7 или 19 штук ( это число одинаковых монет, которые можно выложить в плотную фигуру ). Чем тоньше нити, тем больше гибкость провода. Если требуется по-настоящему мягкие провода, надо выбирать «канатное» плетение. В таком проводе нити скручиваются в жгуты, которые в свою очередь свиваются в более толстые «канаты». Например, многожильный провод калибра #24 можно скрутить из 7 проволок калибра #32 ( формула 7/32 ) или из 19 проволок #36 ( 19/36 ). Для канатного плетения того же сечения можно скрутить 7 групп по 15 проволок #44 ( 15/44 ), т.е. собрать вместе 105 нитей. В особо толстых кабелях число проволок может быть чрезвычайно большим. Для некоторой работы авторам потребовался «особо гибкий кабель» калибра #0 , выполненный в формате 7×7×86/36 , а это 4214 проволок #36 . Своей мягкостью он напоминал бельевую верёвку.

Встречаются довольно необычные виды многожильных проводов, например, многопроводный кабель и «литцендрат». Многопроводный кабель состоит из перекрученного набора изолированных жил, которые зачищаются и соединяются вместе на обоих концах. Литцендрат также состоит из пучка изолированных нитей, переплетённых таким образом, что каждая нить периодически оказывается то в центре пучка, то с его края. Такие варианты свивки применяют, когда хотят снизить действие «скин-эффекта» и «эффекта близости» ( см. §X1.1.6.B ).

Изоляция



==X_6

PVC или «хлорвинил»

Его используют чаще всего. Материал имеет неплохие электрические параметры и температурный диапазон. Кроме того, употребляют полипропилен и полиэтилен , последний в основном при изготовлении коаксиальных кабелей. Авторы предпочитают модифицированный ПВХ для внутриблочной разводки, потому что он гораздо меньше «съёживается» от нагрева при пайке и прочнее при сохранении гибкости обычного ПВХ ^_2 .

Фторопласт ( Teflon )

Дорогой вариант с превосходными параметрами по термоустойчивости, электрической прочности и химической инертности. На него не виляют температура пайки, он не съёживается, обнажая жилу, на него не действуют кислоты, щелочи, растворители, озон, вода, нефтепродукты. И, наконец, он остаётся гибким при низких температурах, допуская работу в диапазоне от –70°C до 200°C ( или даже до 260°C для TFE тефлона ). Но отсутствие перекрёстного сцепления молекул приводит к холодной деформации, называемой также «текучестью» . Выражается проблема в том, что провод в тефлоновой изоляции, прижатый к острому углу, начинает продавливаться, «утекая» из области соприкосновения ^_3 .

Обмоточные провода ( «Magnet wire» )

Представляют собой одну медную проволоку, покрытую тонким слоем изолирующего покрытия ( иногда несколькими слоями ), некорректно называемого «эмаль» . Такой провод используют в обмотках катушек индуктивности и трансформаторов, поэтому он рассчитан на высокую рабочую температуру. Например, изоляция Beldsol фирмы Belden нормируется до температуры 270°C .

Силикон, Тефзел (Tefzel) и Халар (Halar)

Ещё три высокотемпературных вида изоляции, имеющие вдобавок отличные низкотемпературные параметры. Силикон, к тому же, очень гибок. Два последних нормируются на 150°C . Дополнительные подробности можно узнать из технических публикаций производителей, например, Alpha и Belden.

Покрытие

Почти все электрические соединения делаются из меди, которая часто покрывается другим металлом ( «лудится» ). Делается это для защиты от воздействия изоляционного материала и облегчения пайки, если сравнивать с чистой медью. Олово или его сплавы чаще всего идёт на покрытия под хлорвиниловую изоляцию, а под кинар и тефлон для покрытия используют серебро ( или никель [* а он паяется? ] ). Эмалированные обмоточные провода и литцендрат обычно не лудят. Без покрытия оставляют и мощные сильноточные кабели, идущие на распределительные сети, например, домовую разводку.

X1.1.3 Печатные платы

Большая часть разводки вне корпуса компонента выполняется в виде дорожек печатной платы ^_4 . Если исключить простейшие случаи [* и случаи сверхбольших объёмов выпуска, как, например, в бытовой технике ] , все современные платы относятся к многослойным с металлизированными отверстиями на основе эпоксидного стеклотекстолита FR-4 ( прежнее название G-10 ). Стандартная толщина пакета ( многослойной платы в сборе ) 0.062" или 1.6 mm . Снаружи плата заливается паяльной маской ^_5 , закрывающей всю поверхность, исключая контактные площадки ^_6 , к которым припаивают выводы. Маска защищает поверхность меди и предотвращает образование «мостиков» из припоя. Слой шелкографии является информационным, наносится на уже готовую плату и сообщает сведения, требуемые при сборке и ремонте. Детали могут располагаться на обеих сторонах платы. Для этого после нанесения паяльной пасты ^_7 с помощью автоматизированных монтажных комплексов они расставляются по нужным метам, где прилипают к контактным площадкам. Технологический цикл завершается отправкой набитой платы в печь, где происходит оплавление пасты и пайка выводов ^_8 .

From very thick to very thin in the American Wire Gauge (AWG) sizes of copper wire. The resistance values have a positive temperature coefficient of 0.4%/°C. Sizes from #20-26 are typically used in signal cables and in instrument wiring; house wiring uses #14 and #12 for 15A and 20A circuits, respectively. Table 1x.1: Copper Wire Table3 Diameter Resistance13 Mass AWG milsc mm mO/ft mO/m Ib/kft kg/km 0 325 8.26 0.098 0.32 320 476 2 258 6.55 0.156 0.51 201 299 4 204 5.18 0.249 0.82 126 187 6 162 4.11 0.395 1.30 79.5 118 8 129 3.28 0.628 2.06 50.0 74.4 10 102 2.59 0.999 3.28 31.4 46.7 12 80.8 2.05 1.59 5.22 19.8 29.5 14 64.1 1.63 2.53 8.30 12.4 18.5 16 50.8 1.29 4.02 13.2 7.82 11.6 18 40.3 1.02 6.39 21.0 4.92 7.32 20 32.0 0.813 10.2 33.5 3.09 4.60 22 25.4 0.645 16.1 52.8 1.95 2.90 24 20.1 0.511 25.7 84.3 1.22 1.82 26 15.9 0.404 40.8 134 0.769 1.14 28 12.6 0.320 64.9 213 0.484 0.720 30 10.0 0.254 103 338 0.304 0.452 32 7.95 0.202 164 538 0.191 0.284 34 6.31 0.160 261 856 0.120 0.179 36 5.00 0.127 415 1361 0.076 0.113 38 3.97 0.101 660 2164 0.048 0.071 40 3.15 0.080 1050 3442 0.030 0.045 (a) values at 25°C. (b) tempco = +0.4%/°C. (c) ' 1 mil = 0.001 inch.



==X_7

X1.1.4 Печатные дорожки

Электрические соединения на плате выполняются из меди, толщина которой указывается в унциях. Чаще всего употребляют значения «1/2 унции» или «1 унция». Столь странная единица сообщает вес квадратного фута фольги. Толщину можно рассчитать по базовым физическим характеристикам металла, а можно воспользоваться таблицей перевода: 1 унция = 0.00137" = 1.37mil = 35μm ^_9 .

X1.1.4.A Сопротивление и токовая нагрузка

Дорожки печатной платы имеют некоторое сопротивление, вызывающее появление перепада напряжения \(I·R\), пропорционального протекающему току. Нагрев пропорционален квадрату тока. Сопротивление 1-унцовой дорожки равно \(R\)=0.47/w [Ω на дюйм] ( 0.19/w [ Ω/cm] ), где w - ширина дорожки в милах. Данные цифры обратно пропорциональны толщине меди. Ширина типичной трассы лежит в диапазоне 5...10 mil , поэтому в общем случае эффект от её сопротивления ( ∼0.05—0.1 Ω на дюйм ) в терминах деградации сигнала незначителен, чего нельзя сказать о ёмкости и индуктивности дорожек. Тем не менее, сопротивление ограничивает допустимую токовую нагрузку, вызывающую нагрев \(I^2R\), см. рис. X1.2 .

X1.1.4.B Ёмкость и индуктивность дорожек

Дорожки на печатной плате, как и любые иные проводники, обладают ёмкостью и индуктивностью. Можно утверждать, что данные параметры пропорциональны длине и зависят по некоторому закону от ширины и высоты над проводящим слоем ( обычно земля или питание ). Кроме того, ёмкость зависит от диэлектрической проницаемости материала печатной платы и паяльной маски. В пакеты проектирования печатных плат иногда включают утилиты для вычисления ёмкости, индуктивности, импеданса линий передачи и ожидаемых задержек распространения. Полезно знать примерные диапазоны значений, которые уже посчитаны для вас и выведены в виде графиков на рис. X1.3 для трёх толщин основы ( препрега ) 10, 30 и 60 mil . Это типичные цифры для печатных плат - многослойных, двухслойных толщиной 0.032" и двухслойных толщиной 0.062" . Обратите внимание, в первую очередь цифры зависят от отношения w/h и почти не зависят от конкретного значения толщины изоляционной основы. Порядок цифр - единицы pF/cm и ∼5nH/cm .



==X_8

X1.1.4.C Импеданс линий передачи и затухание сигнала

Печатные проводники заданной длины имеют некоторую погонную ёмкость и индуктивность ( которые зависят от геометрии дорожки ), значит, ведут себя подобно линиям передачи ( см. Приложение _H ). На данный момент интересны следующие факты.

1. Для быстрых сигналов, т.е. существенно меняющихся за время прохода по проводнику до дальнего конца и обратно, нельзя рассматривать дорожку как идеальную проводящую среду с одним потенциалом на всём её протяжении. Сигналы движутся вдоль таких проводников подобно волнам и будут отражаться от концов, как от стенок, просто чтобы доставить вам неприятности.
2. Линия передачи имеет характеристический импеданс \(Z_0\) , который является отношением напряжения к току в движущейся по линии волне.
3. Если на дальнем конце линии повесить резистор, равный по величине характеристическому импедансу \(R_0≈Z_0\) [* «затерминировать» линию ]   ( чаще всего речь идёт о 50 Ω ), то отражений от дальнего конца не будет: резистор «проглотит» отражение.
4. Линия передачи, заканчивающаяся на терминирующем резисторе ( «затерминированная» ), выглядит как чисто резистивная нагрузка величиной \(R_0\) , а её ёмкость и индуктивность полностью пропадают [* при расчётах, хотя сами физические параметры никуда не деваются ] .

Как показано в Приложении _H , типичным примером несимметричной линии передачи является коаксиальный кабель, например, RG-58 с разъёмами BNC на концах - стандартная принадлежность любой лаборатории. В качестве дифференциальной линии выступает витая пара «Cat.5» для сетей Ethernet. Это стандартные виды сигнальных кабелей, но иногда надо провести сигнал по печатной плате, т.е. требуется сделать линию передачи в виде рисунка на плате. Есть две базовые формы печатных линий передачи: микрополосковая ( сигнальные проводники по внешней стороне и проводящий экран под ними ) и полосковая ( проводники во внутренних слоях, закрытые сверху и снизу проводящими экранами ). Существует также вариант микрополосковой линии - волновой канал ( ограничен по бокам дополнительными экранирующими дорожками ). Все перечисленные варианты могут быть и несимметричными, и дифференциальными, см. рис. X1.4 .

Импеданс несимметричной микрополосковой линии ( дорожка над проводящим экраном ) является функцией от отношения ширины дорожки к высоте над экраном и диэлектрической константы ( рис. X1.5 ). Для 50 Ω на стандартной печатной плате из FR-4 нужна дорожка с шириной, равной 1.7× от высоты над экраном. Для симметричной полосковой линии ширина дорожки меньше 0.7× от расстояния до обоих экранов [* предполагается симметричное по высоте расположение ] .

Для дифференциальных сигналов, которые популярны в очень быстрых системах, используются сдвоенные дорожки. Они могут располагаться краями друг к другу ( это единственный вариант для микрополосковой линии ) или друг над другом ( такой вариант возможен только для полосковой линии ). Теперь импеданс зависит от ширины, расстояния до экрана и промежутка между проводниками. Стандартное волновое сопротивление дифференциальной линии 100 Ω . Кое-какие цифры можно найти в табл. X1.2 .



==X_9

Современная цифровая электроника работает с быстрыми сигналами ( времена нарастания менее наносекунды ) и высокими частотами ( более гигагерца ). Для таких сигналов даже короткий отрезок проводника должен рассматриваться в качестве линии передачи, т.е. требует правильного терминирования ( см. Приложение _H ). Кроме того, часто скольжение фронта ( небольшое изменение времени распространения ) в наборе сигналов не должно выходить за некоторые очень узкие границы, например, 25 ps . Из-за диэлектрика печатной платы сигнал распространяется по проводнику примерно с половиной скорости света, т.е. 60...70 ps на сантиметр. Чтобы удержать разброс между сигналами на уровне 25 ps , печатные проводники должны быть выровнены по длине с точностью лучше, чем ±4 mm . Для тактовых дифференциальных сигналов ограничения ещё строже, например, для памяти DDR длина трасс должна совпадать с точностью 0.5 mm ¹⁰ . На рис. X1.6 приведён фрагмент платы с несимметричными линиями данных и дифференциальным тактовым сигналом микросхем памяти.

X1.1.5 Виды сигнальных кабелей

Когда речь идёт о более чем одном проводе используется термин кабель . Кабели весьма разнообразны. Коаксиальные кабели имеют внутренний проводник ( он может быть и одножильным и многожильным ) и внешний экран. Кабели проектируют как линии передачи с заданным волновым сопротивлением [* т.е. с чётко выдержанными геометрическими размерами, что и отличает их от простых экранированных проводов ] , см. Приложение _H , и маркируют буквенным обозначением «RG» и номером ¹¹ . На низких частотах коаксиальные кабели можно рассматривать как экранированный провод с погонной ёмкостью 30 pF/ft ( 1 pF/cm ). Многожильные кабели ( вариант сигнальных кабелей ) представляют собой пучок проводов, часто с индивидуальной цветовой кодировкой, позволяющей легко найти конкретный проводник на обоих концах. Кабель может набираться из отдельных проводов, отдельных пар или отдельных троек проводов. Многожильные кабели могут быть неэкранированные , с общей экранировкой ( фольга или плетёный рукав ) или с индивидуальным экранированием каждой пары. Многожильные кабели в общем случае не являются линиями передачи, но встречаются отдельные типы с контролируемым импедансом, рассчитанные на скоростную передачу. Наиболее известными среди последних являются 100-омные кабели «Cat-5»/«Cat-5e»/«Cat-6», собранные из 4 дифференциальных витых пар и предназначенные для построения вычислительных сетей. Такие кабели часто именуются UTP ( а экранированный вариант зовётся STP ) ¹² .

Плоский кабель ( или «шлейф» ) выпускается в виде хорошо знакомых гибких лент из параллельных проводов с шагом 50 mil . Гораздо реже встречается их экранированная разновидность, имеющая земляной экран с одной стороны. Совсем редко можно видеть полностью экранированный плоский кабель. Для повышения надёжности передачи дифференциальных сигналов можно взять плоский кабель из витых пар, который имеет 5-сантиметровый свободный от скрутки участок на каждые 50 cm длины. Такое исполнение позволяет использовать стандартные соединители IDC, предназначенные для обычного плоского кабеля. Для отдельных несимметричных сигналов выпускают шлейф из тонких коаксиальных кабелей и чуть менее дорогие «near-coax» варианты, у которых экран не замыкается вокруг сигнальной жилы, но лишь глубоко охватывает её.

Table 1x.2: Selected PCB Transmission Lines3 h w s mils mils mils 500 single-ended microstrip 6 10 - 8 14 - 10 18 - 30 55 - stripline 5 3.5 - 10 8 - 15 13 - 1000 differential microstrip 5 8 30 5 7 11 5 6 7 5 5 5 stripline: edge-coupled 7 5 13 10 6 8.5 15 6 6 stripline: over/under 5 3.5 10 7 5 15 10 9 25 (a) FR-4, ? = 4.3



==X_10

X1.1.6 Индуктивность и «скин-эффект»

X1.1.6.A Индуктивность

В дополнение к сопротивлению проводник любой длины имеет индуктивность . Это неизбежно, потому что ток создаёт вокруг проводника магнитное поле с присущей этому полю энергией. Выражение для энергии (1/2)\(LI^2\) позволяет вычислить индуктивность. Получается, что индуктивность примерно пропорциональна длине и как-то зависит от среды, в которой находится проводник, его диаметра и от частоты ( «скин-эффект» ). Для сплошного изолированного проводника с диаметром \(d\) и длиной \(l\) погонная низкочастотная индуктивность примерно равна \[ L/l≈2\bigg(\ln{\frac{4l}{d}}-0.75+\frac{d}{l} \bigg) \quad nH/cm \]

Поэтому, например, провод длиной 10 cm калибра #20 ( \(d\)=0.081 cm ) в свободном пространстве имеет индуктивность 10.9 nH/cm . У проводников, находящихся рядом с другими проводниками или проводящими поверхностями ( «слоем земли» ), индуктивность меньше. Выражения для погонной индуктивности:

• для круглого провода над проводящим слоем \[ L/l≈2\bigg(\ln{\frac{4h}{d}} \bigg) \qquad \qquad \qquad nH/cm \]
• для плоского провода над проводящим слоем \[ L/l≈2\bigg(\ln{\frac{2πh}{w}} \bigg) \qquad \qquad \quad nH/cm \]
• для пары параллельных проводов \[ L/l≈4\bigg(\ln{\frac{2D}{d}}-\frac{D}{l} \bigg) \qquad \quad nH/cm \]

, где \(h\) - высота центра проводника над проводящим слоем. Результаты имеют разумную точность для \(h\)>1.5\(d\) или \(h>w\). \(D\) - расстояние центр-центр для двух круглых проводников, а \(w\) - ширина плоских, например, печатных дорожек ¹³ .

Витые пары имеют чуть меньшую индуктивность, нежели просто параллельные проводники ¹⁴ ( и гораздо менее чувствительны к наводкам от магнитных полей ). Ещё сильнее снизить индуктивность можно, если составить витую пару из четырёх проводников, подключив два дополнительных провода диагонально ¹⁵ . Индуктивность проводников для нескольких вариантов расположения приводится на рис. X1.7 .

X1.1.6.B «Скин-эффект»

Когда переменный ток течёт через проводник, его плотность не одинакова по сечению. Она выше во внешнем слое ¹⁶ – «скин-слое», толщина которого равна \(δ≈\sqrt{πμσf}\) , где \(σ\) - проводимость, \(μ\) - относительная магнитная проницаемость ( =1 для немагнитных материалов ) и \(f\) - частота ¹⁷ . Со схемотехнической точки зрения скин-эффект увеличивает действующее сопротивление и потери, но уменьшает индуктивность, т.к. поверхностные токи не создают магнитное поле внутри проводника. [* Проводник ( круглый ) при этом рассматривается как набор трубчатых проводников с током, вставленных один в другой. Магнитные поля соседних трубок взаимно компенсируются, и только у самой внешней трубки этого не происходит. Для иных форм концентрические проводники меняются соответственно ] . На рис. X1.8 приводится график глубины скин-слоя для частот от 10 Hz до 10 GHz .



==X_11

Глубина скин-слоя уменьшается с ростом частоты по закону \(1/\sqrt{f}\) , поэтому скин-эффект становится особенно значимым на высоких частотах, где он становится причиной большей части потерь в линиях передачи ( см. Приложение _H ). На радиочастотах скин-слой уже настолько тонок ( \(δ\)=10 μm на 10 MHz ), что низкоомное соединение можно получить за счёт серебрения поверхности проводника. Очень распространено ВЧ-экранирование приборов с помощью напыления тонкого проводящего слоя на внутреннюю поверхность их пластиковых корпусов. Здесь важно понимать, что скин-эффект очень заметен даже на низких частотах. Например, для 60 Hz толщина проводящего слоя меди сокращается до глубины ∼1cm от поверхности ( для меди толщина скин-слоя при комнатной температуре равна \(δ\)=6.6/\(\sqrt{f}\) [cm] ). Для проводов большей толщины потери мощности снижаются только пропорционально диаметру провода ( а не площади сечения [* а потому что проводит ток только тонкая внешняя трубка, имеющая сечение \(∼2πR·δ\) ] ).

Вооружённые всем этим набором сведений вы, конечно, не ждёте встречи с 60-герцовым силовым кабелем диаметром более 1 cm , а буде таковой отыщется, то не иначе как строго божественного происхождения. Вообразите удивление авторов, обнаруживших кабель на 1000 A с диаметром «жилы» 50 mm ( рис. X1.9 ). В нём использован красивый приём. Чтобы выровнять токи, текущие через каждую отдельную проволоку, общий набор состоит из нескольких витых пучков, причём каждый отдельный провод пучка по мере прохода по кабелю то ныряет в глубину, то выходит на внешнюю сторону. Если учесть, что все провода в пучке ведут себя также, то становится ясно, что токи во всех проводниках одинаковые, и через каждый элемент сечение кабеля протекает одинаковый ток, игнорируя «скин-эффект» ¹⁸ .



==X_12

Для сравнения было рассчитано распределение тока ¹⁹ частотой 60 Hz ²⁰ , который тёк бы через сплошной проводник диаметром 50 mm , см. рис. X1.11 . В сплошной жиле потери были бы в 1.7 раза выше, чем в кабеле Милликена с выровненной плотностью токов. Последний имеет сопротивление 9 mΩ/km , т.е. тепловые потери \(I^2R\) равны 9W/m при 1000 Aac .

Похожая схема используется в радиочастотных катушках, намотанных проводом «литцендрат» ²¹ , в котором индивидуальные тонкие изолированные проводники переплетены сложным образом, позволяющим проволоке попеременно оказываться то в центре пучка, то с краю. Катушки индуктивности, намотанные литцендратом, работают на частоте от килогерца до нескольких мегагерц. Исторически литцендрат начал использоваться задолго до патента Милликена ( имеются ссылки вплоть до 1923г. ) и, безусловно, подвИг на адаптацию концепции для использования в мощных питающих кабелях.

X1.1.7 Емкостная и магнитная связь

Случается, что сигналы проникают туда, куда не следует. Часто это происходит через емкостную связь ( через электрическое поле ) между близко расположенными проводниками. Такой вид связи сильнее действует на высокоомные приёмники, и тем заметнее, чем выше частоты сигналов ( чем короче фронт ). Хуже известно, что сигналы могут взаимодействовать через индуктивную связь ( через магнитное поле ), пересекающее замкнутые проводящие контуры. В таком виде связи воздействие тем выше, чем ниже импеданс приёмной цепи.

Какая связь воздействует сильнее? Зависит от условий. Для ответа на этот вопрос была собрана тестовая схема, включающая плоский печатный кабель с большим шагом проводников FPC ( рис. X1.12 ). На один проводник подавался прямоугольный сигнал 1 Vpp@1.25 MHz и наблюдалась наводка на обоих концах соседней линии. Если на трёх свободных концах тестовых линий поставить высокоомные резисторы ( \(R_L\)=10 kΩ во всех трёх точках ), связь получается ёмкостной, и на обоих концах приёмной линии наблюдается сигнал одной полярности ²² . Форма наводки ( рис. X1.13 ) включает обычные экспоненциальные спады на горизонтальных участках прямоугольного сигнала, прошедшего через обычный RC фильтр высоких частот.

Для низкоомных терминирующих резисторов ( \(R_L\)=50 Ω , рис. X1.14 ) картина иная. Ток емкостной наводки остаётся, но на 25-омном сопротивлении приёмника вызывает пренебрежимо малое падение. А вот бОльший ток драйвера в источнике ( 40 mApp ) увеличивает магнитное поле, которое наводит ток в низкоомном проводящем контуре в приёмнике. Магнитная связь порождает ЭДС, пропорциональную магнитному потоку \(dB/dt\) ( скорости изменения магнитного поля ), и здесь форма сигнала получается иная. Более того, так как в проводящей петле наводится ток, который течёт через оба 50-омных терминирующих резистора [* включённых для тока последовательно ] , то и полярность наводки на них получается противоположной, что можно наблюдать на нижних лучах на рис. X1.14 .

X1.1.8 Борьба с наводками



==X_13

Что делать в такой ситуации? Емкостная связь - мало влияет на низкоомные цепи и полностью подавляется проводящим заземлённым экраном, как это происходит в коаксиальном кабеле или экранированной витой паре. В общем случае полезно будет увеличить расстояние между неэкранированными сигналами, обращая особое внимание на сигналы высокой частоты и с резкими фронтами. На печатной плате можно организовать экранирующий слой или использовать полосковые /микрополосковые линии связи, чтобы локализовать электрическое поле. Разные сигналы не стоит разводить параллельными линиями.

Но магнитные поля, особенно низкочастотные проходят сквозь немагнитные проводники ²³ . Можно сделать магнитный экран, используя несколько слоёв магнитных материалов: с низкой магнитной проницаемостью на внешних слоях ( чтобы не допустить насыщения ) и с высокой проницаемостью на внутренних ( мы же экранируем ? ). Но в большинстве случаев можно обойтись простым исключением контуров тока, превращающихся в генератор ЭДС под действием магнитной индукции. Хорошим примером является витая пара и коаксиальная линия. Сигнальные кабели для компьютерных сетей имеют внутри четыре витых пары ( рис. X1.15 ) с разным шагом скрутки у разных пар, что позволяет ещё заметнее снизить наводки ( рис. X1.16 ). Витые пары - столь эффективное решение, что большая часть сигнальных сетей разводится неэкранированным кабелем ( UTP ), а экранированные варианты используются в задачах со специальными требованиями ( см. рис. X1.17E ).

Crosstalk (dB, min) at 100MHz Cat5e Cat6/6a i"- +-> cc O NEXT 30.1 39.9 62.9 PSNEXT 27.1 37.1 59.9 ACRF 17.4 23.3 44.4 PSACRF 14.4 20.3 41.4



==X_14

X1.1.9 Экранированные корпуса

Когда требуется зона, свободная от электромагнитного излучения, можно собрать или купить электропроводный шкаф - клетку Фарадея . Вот что, к примеру, предлагает ETS-Lindgren ²⁴ . Можно подобрать что-нибудь настольное, можно и побольше, или большое настолько, что в нёго уже можно влезть самому, а то и погулять там. Это полностью экранированные объёмы, включают экранированные вентиляционные вводы и проёмы для доступа внутрь, а сдвижные двери снабжены контактными металлическими лепестками по всему периметру ( рис. X1.18 ). Иллюстрированный каталог наглядно показывает, почему не стоит браться за самостоятельное строительство, а лучше доверить работу профессионалам.

Существуют самые разные спецификации для оценки эффективности экранирования объёма. Один из чаще всего цитируемых - NSA 65-6 «Specification for Shielded Enclosures» и его дополнения ( NSA 73-2A, 89-02, 94-106 и т.д. ). На рис. X1.19 приводится график минимального ослабления поля в зависимости от его частоты из указанного документа.

Следует отметить существенное ухудшение параметров для низкочастотного магнитного поля, для которого хорошее ослабление достижимо только с применением многослойных конструкций из магнитных материалов с различной магнитной проницаемостью. Такая ситуация обусловлена характером зависимости скин-слоя от частоты. Его толщина растёт по мере снижения частоты и уменьшается по мере роста проводимости, что можно наблюдать на рис. X1.8 . Даже медь - отличный проводник - должна иметь толщину не меньше сантиметра, чтобы начать хоть как-то ослаблять 60-герцовое магнитное поле.



==X_15

Тот факт, что немагнитные материалы по большей части бесполезны в качестве магнитных экранов, хорошо известен. Но ситуация не безнадёжная, хотя данный факт уже не столь хорошо известен широкой публике. Полностью закрытый проводящий экран имеет такие же параметры ( в терминах скин-эффекта ), как отдельные экраны из такого же материала гораздо большей толщины ²⁵ . Можно показать, что закрытый объём с размерами сторон \(D×D\) и проводящей стенкой толщиной \(x\) ослабляет низкочастотное магнитное поле в той же степени что и отдельные экраны с толщиной стенки \(x'≈\sqrt{xD}\) . Фактически замкнутый путь тока образует большой виток ( контур ), в котором внешнее магнитное поле наводит ЭДС, вызывающую появление тока в контуре, а тот в свою очередь создаёт в том же контуре компенсирующее магнитное поле противоположного направления [* правило Ленца: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей ] . Такое противодействие работает значительно эффективнее, чем вихревые токи, циркулирующие в ограниченных зонах внутри проводящей стенки.

Чтобы проверить это утверждение из 1-унцового фольгированного стеклотекстолита был спаян куб с размером 15 cm ( рис. X1.20 ). 35-микронная медь соответствовала толщине скин-слоя для 3.4 MHz . На более низких частотах фольга прозрачна для переменного магнитного поля. А «геометрическое правило» говорит, что стенки толщиной 35 μm должны работать как лист меди толщиной 2.3 mm . Такая толщина соответствует скин-слою в меди на частоте 820 Hz . Таким образом, тест должен показывать свободное прохождение магнитных полей ниже килогерца, но заметно ослаблять его выше 10 kHz . Для проверки куб был помещён в катушку Гемгольца ( рис. X1.21 ), резонирующую в паре с конденсатором на частотах 1 kHz , 3 kHz , 10 kHz и 30 kHz , приводимую в действие 2-амперным драйвером [* см. §13.3.4 ] . Поле внутри куба измерялось датчиком Холла и сравнивалось с величиной поля в той же точке без куба ²⁶ . Установка показана на рис. X1.22 .

И как? Похоже на расчётные значения? Да. Ниже даются цифры подавления ( отношение уровня внутри куба к уровню без него ). Те же данные в лог-лог координатах даны на рис. X1.23 .

Frequency Attenuation 1 kHz 1.2 dB 3 kHz 5.7 dB 10 kHz 14.2 dB 30 kHz 21.1 dB



==X_16

Важный момент . Понятие «замкнутый объём с проводящими стенками» требует, чтобы материал стенок имел электрический контакт по всей длине рёбер , сравнимый с проводимостью самого материала стенок. Просто сложить детали и скрутить винтами недостаточно. Были проведены измерения собранной, но не пропаянной по рёбрам, а лишь электрически соединённой кусками провода коробки. Такая «оптимизация» снизила подавление на частотах ниже 3 kHz до долей децибела и фактически ничем не отличалась от коробки с проводящими, но не имеющими электрического контакта друг с другом, стенками.



==X_17

Стоит отметить, что имеется масса отличных публикаций ²⁷ , посвящённых теме экранирования и заземления, которая гораздо сложнее, чем можно подумать, прочитав этот короткий материал.

X1.1.10 Соединители

В повседневной работе очень удобно использовать каталог DigiKey. В его печатной версии один только индекс раздела соединителей занимает семь страниц по четыре колонки текста - около 3000 наименований. На пару с «Полупроводниками» это самый большой раздел в каталоге, имеет 288 категорий и занимает 435 страниц.

Данные сведения - намёк на серьёзность темы разъёмов. К ней нельзя относиться легкомысленно. Ниже предлагается цитата из второй редакции книги ²⁸ . «Вот список самых ненадёжных компонентов электронных систем ( от худших к удовлетворительным ): 1. Соединители. 2. Переключатели. 3. Подстроечные элементы».

Фотографии в Части _1 [* §1.9.3 ] дают некоторое представление о разнообразии «прямоугольных», «круглых», радиочастотных и экранированных вариантов. Есть и другие параметры, подходящие для классификации, например, многоконтактные быстромонтируемые ( «mass termination» для плоского шлейфа ²⁹ ) или рассчитанные на один провод, панельные или кабельные, слаботочные сигнальные или высоковольтные и для мощных нагрузок. Список можно продолжить. В общем случае хочется получить надёжное соединение, точно соответствующее задаче и имеющее достаточную механическую прочность.

Здесь нет погружения в детали, а просто перечислены предпочтения и предупреждения .

Многоконтактные панельные

Удобнее всего D-subminiature ( D-sub ) серии. Ещё один хороший вариант серия RM - 12-миллиметровые видеоразъёмы фирмы Hirose.

Сильноточные

Хороши многоконтактные разъёмы типа «Winchester» MRA/MRAC с защитным кожухом и винтовым фиксатором.

Многоконтактные на плату

AMPMODU серия MT одно- и двухрядные соединители для отдельных проводов. Быстромонтируемые IDC фирмы 3M для гибких шлейфов.

Радиочастотные 50 Ω

SMA и SMB, которые также подходят в качестве экранированных соединителей для слаботочных сигналов.

Слаботочные сигнальные

Обычной практикой является использование классического BNC, но с ними можно получить проблемы на земляном контакте, особенно если соединитель интенсивно используется. Поэтому авторы предпочитают менее популярный TNC.

Высоковольтные

SHV

Чего следует избегать ( обойдёмся без доказательств - просто поверьте ) [* см. рис. 1.126 ] . Держитесь подальше от «аудио разъёмов RCA», которые обычно используются в потребительской электронике, от многоконтактных соединителей «Jones» [* какое-то древнее барахло, искать «Cinch Jones» ] , от радиочастотных «UHF» и «F» ( последний активно используется в бытовых кабельных, спутниковых и телеприёмниках), от «синего шестигранного» ( «blue hexagon» ), наконец, от 1/8" и 1/4" разъёмов для наушников. Не столь активное неприятие вызывают круглые DIN ( обычные и мини [* мусор эти мини ] ), 5-миллиметровые ( и более тонкие ) коаксиальные соединители для подачи питания и многоконтактные «микрофонные» ( но профессиональные XLR - очень хороши ).

X1.1.11 Соединители для высокоскоростных и радиочастотных сигналов

В Приложении _H объяснялось, что при работе с высокочастотными сигналами ( или просто с резкими фронтами ) необходимо нагружать линию передачи характеристическим сопротивлением \(Z_0\) , чтобы подавить отражения от несогласованного импеданса на концах линии. Предполагается, что у самого кабеля характеристики заданы точно и постоянны по длине. Если последнее условие не выполняется, то отражения будут появляться при прохождении каждой неоднородности волнового сопротивления.

Те же правила действуют и на распространение сигнала через соединитель, который должен идеально соответствовать волновым характеристикам кабеля. По мере роста частоты проблема обостряется, и, скажем, на 10 GHz ³⁰ потребуются специализированные соединители. В графическом виде этот факт представлен на рис. X1.24 ( до частоты 1 GHz ). Кстати, на нём отлично видны «выдающиеся» параметры UHF.



==X_18

В табл. X1.3 перечислены наиболее употребительные радиочастотные и микроволновые разъёмы и их максимальные рабочие частоты. Данные однозначно говорят, что высокие частоты коррелируют с малым диаметром, который снижает «мультимодовое» распространение сигнала. Недостатком малых размеров является малая передаваемая мощность, см. рис. X1.25 .

X1.1.12 Соединители высокой плотности

В старые добрые времена вакуумных приборов, трансформаторов накаливания, огромных корпусов, покрытых чёрной узорной эмалью, пользователи были счастливы работать с разъёмами, в которых было десять контактов, и которые при этом не сильно торчали из-за пачки сигарет. Тогда казалось, что серия D-sub имеет достаточно высокую плотность контактов, а габариты таких разъёмов полностью оправдывают название.

Времена меняются, и современная электроника делается на ИМС, имеющих сотни и тысячи контактов, а пассивные компоненты занимают места меньше, чем рисовое зерно. Соединителям приходится соответствовать. Есть самые разные варианты: панельные, платные, кабельные. На рис. X1.26 показаны некоторые примеры на фоне D-sub из прошлого ( но это до сих пор хороший выбор для панельных соединителей на 9...50 контактов ).

Выбирая разъём высокой плотности ( предполагается, что вы не ограничены существующим конструктивом или кабелем ), обращайте внимание на сопротивление контактов, допустимую токовую нагрузку, число циклов соединения-рассоединения и надёжность. Последний параметр зависит в том числе от исполнения ( поверхностного или для монтажа в отверстия ), наличия крепёжной арматуры и фланца, закрытой зоны соединения и т.д.

Table 1x.3: RF Connectors, Approximate fmax Type fmax (GHz) Type f max (GHz) UHF 0.3 SSMA 12.4-36b BNC 4 superSMA 27 SMB 4 3.5mma 34 MCX 6 2.92mmac 40 MMCX 6 2.40mm 50 SMC 10 APC-7 50 TNC 18 1.85mm 65 SMAa 12-26b 0.9mm 67 N 18 1.0mm 110 Notes: (a) SMA, 2.92mm, and 3.5mm can mate interchangeably. (b) Variants available with different fmax. (c) Also known as a «K» connector.



==X_19