Конструирование радиоэлектронной аппаратуры (стр. 1 )

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Физические методы контроля»

КОНСТРУИРОВАНИЕ

РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Методические указания к самостоятельной

работе студентов специальности

20«Приборы и методы контроля качества и

диагностики»

Часть 2

Могилев 2011

УДК 621.396.6

ББК 32.844

К 65

Рекомендовано к опубликованию

учебно-методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой «Физические методы контроля» «14» мая 2010 г.,

протокол

Составитель канд. техн. наук, доц.

Рецензент канд. техн. наук

В методических указаниях кратко изложены основные теоретические сведения для самостоятельной работы студентов специальности «Проборы методы и контроля качества и диагностики»

Учебное издание

КОНСТРУИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Часть 2

Ответственный за выпуск

Технический редактор

Компьютерная верстка

Подписано в печать. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Печать трафаретная. Усл. - печ. л. 3,0. Уч. - изд. л. 3,0. Тираж экз. Заказ №

Издатель и полиграфическое исполнение

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

ЛИ № 000/375 от г.

г. Могилев, пр. Мира, 43

© ГУ ВПО «Белорусско-Российский

университет», 2011

Содержание

1 Элементная база радиоэлектронной аппаратуры .………..……… 1.1 Резисторы………………………………………………………….. 1.2 Конденсаторы……………………………………………………… 1.3 Катушки индуктивности……………………………………….…. 1.4 Полупроводниковые приборы……………………………………. 2 Монтаж и компоновка электронных блоков, выполненных на дискретных элементах ………………………………………………………… 2.1 Типы электромонтажа…………………………………………….. 2.2 Конструирование печатных плат. Исходные понятия, терминология………………………………………………………………….. 2.3 Критерии выбора конструкции печатных плат 2.4 Исходные нормы топологического конструирования печатных плат………………………………………………………..……………………. 3 Защита электронной аппаратуры от внешних нежелательных воздействий…………………………………………….……………….……. 3.1 Защита от нежелательных электрических связей и полей……………………………………………………………………………... 3.2 Обеспечение помехоустойчивости при конструировании узлов и устройств на логических элементах……………………………………….. Список литературы……………………………………………………..

4 4 9 12 13 11 14 19 21 26 32 32 36 39

1 Элементная база радиоэлектронной аппаратуры

1.1 Резисторы

Резисторы - массовое изделие (иногда они составляют около 50 % от всех изделий в конструкции). Функция резисторов – это регулирование и распределение энергии между цепями и элементами схемы. По конструкции и технологии изготовления резисторы классифицируются следующим образом (рисунок 1).

Рисунок 1 – Классификация резисторов

Резисторы общего назначения имеют номинальные значения от
1 Ом до 10 МОм, и мощность рассеивания от 0,25 до 100 Вт. Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения ± 2, ± 5, ± 10,
± 20 %.

Прецизионные резисторы отличаются точностью изготовления высокой стабильностью параметров при эксплуатации и имеют допуск на номинальные значения до 1 %. Применяются в измерительных приборах и системах автоматики. Диапазон номинальных значений сопротивления прецизионных резисторов в ряде случаев превышает диапазон номинальных значений сопротивлений резисторов общего назначения. При этом мощность рассеяния их сравнительно небольшая и не превышает 2 Вт. Объясняется это высокими требованиями по стабильности, которые трудно выполнить при больших мощностях.

Высокочастотные резисторы отличаются малой собственной индуктивностью и емкостью, используются для работы в высокочастотных цепях. Непроволочные высокочастотные резисторы способны работать на частотах до единиц гигагерц, а проволочные высокочастотные до сотен кологерц.

Высоковольтные – предназначены для больших рабочих напряжений (до десятков коловольт).

Высокомегаомные резисторы имеют диапазон номинальных значений сопротивлений от десятков мегаом до сотен тераом и рассчитаны на небольшие рабочие напряжения до 400 В и мощность рассеивания до
0,5 Вт.

Подстрочные резисторы рассчитаны на периодические подстройки аппаратуры, их износоустойчивость – до 1000 циклов перемещений подвижной системы резистора.

Регулировочные используются при многократных регулировках аппаратуры, обладают большой износостойкостью – более 5000 циклов. По характеру зависимости сопротивления от перемещения его подвижной части они делятся на резисторы с линейной и нелинейной функциональными характеристиками.

В зависимости от материала, применяемого в резистивном элементе, резисторы разделяются на следующие группы (рисунок 2).

Рисунок 2 – Типы резисторов по применяемым материалам

По конструктивному исполнению в зависимости от климатических факторов, воздействующих при эксплуатации, резисторы могут изготавливаться в нормальном и тропическом исполнении.

В зависимости от способа монтажа аппаратуры как постоянные, так и переменные резисторы могут выполняться для печатного и навесного монтажа.

Постоянные резисторы конструктивно выполняются неизолированными, изолированными, герметизированными и вакуумными.

Переменные резисторы по конструкции изготовляют одноэлементными, многоэлементными (сдвоенными), с круговым перемещением подвижного контакта, с прямолинейным перемещением подвижного контакта, однооборотными, многооборотными, с выключателем и пр.

Система условных сокращенных обозначений резисторов имеет следующие признаки:

– ППБ – проволочные переменные бескаркасные;

– МЛТ– металлопленочные лакированные теплостойкие;

– ПКВ– проволочные керамические влагостойкие;

– СПО – сопротивления переменные объемные;

– ЮС –юстировочные.

С 1980 года введена новая система сокращенных условных обозначений, по которой:

– первый элемент (буква или сочетание букв) обозначает подкласс резистора: Р– постоянные, РП – переменные, НР – набор резисторов;

– второй элемент (цифра) обозначает группу резистора по материалу резистивного элемента: 1 – непроволочные, 2 – проволочные;

– третий элемент (цифра) обозначает регистрационный номер конкретного типа резистора. Между вторым и третьим элементами ставится дефис.

Полное условное обозначение резисторов состоит из сокращенного обозначения, обозначений и величин основных параметров и характеристик, климатического исполнения и обозначения документа на поставку.

Для постоянных резисторов обозначения указываются в следующей последовательности:

– номинальная мощность рассеяния и буквенное обозначение – единицы измерения мощности (ватт, киловатт);

– номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения (Ом, кОм, мОм);

– допускаемое отклонение сопротивления в процентах;

– группа по уровню шумов (для непроволочных резисторов);

– группа по температурному коэффициенту сопротивления.

Например: Р1-33И-0,25 Вт-100 кОм ±2 % А 0.467.027 ТУ.

У переменных резисторов после указания допуска в процентах указывают функциональную характеристику (для непроволочных резисторов) и обозначение конца вала и длины выступающей части вала. По
ГОСТ 4907-73: ВС-1 – сплошной гладкий, ВС-2 – сплошной со шлицем, ВС-3 – сплошной с лыской; ВС-4 – сплошной с двумя лысками, ВП-1 – полый гладкий, ВП-2 – полый с лыской.

Например: РП-133У-0,25Вт-4,7МОм±20% А ВП-1-32ОЖО.468.185 ТУ.

Основные характеристики резисторов и параметры резисторов.

Номинальная мощность рассеивания – наибольшая мощность, которую резистор может рассеять в заданных условиях в течение гарантируемого срока службы при сохранении параметров в установленных пределах.

Напряжение, при котором может работать резистор, не должно превышать величины, рассчитанной по формуле

,

где РН – номинальная мощность;

RН – номинальное сопротивление,

или предельного рабочего напряжения, под которым понимают максимальное напряжение, обеспечивающее его длительную работоспособность.

Номинальное сопротивление и допуск. Номинальное сопротивление – значение сопротивления, на которое рассчитан резистор и которое указывается на резисторе или в сопроводительной документации.

Номинальные сопротивления резисторов стандартизированы. Установлено шесть рядов номинальных значений резисторов – Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192, которые представляют собой десятичные ряды геометрической прогрессии со значением прогрессии, равным . Физические значения резисторов могут отличаться от номинальных в пределах допусков. Ряд допускаемых значений отклонений от номинальных нормализован.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

ТКС называется величина, характеризующая относительное измерение номинального сопротивления резистора при изменении температуры на 1 о С.

ТКС определяется следующим образом:

,

где Rt – сопротивление резистора при температуре t 0С,

Rtн – сопротивление резистора при нормальной температуре tн 0С.

Собственные шумы.

Уровень шумов Д определяется отношением действующего значения переменной составляющей напряжения шумов Е к приложенному постоянному напряжению U и выражается в микровольтах делить на вольт.

Д = Е/U.

Уровень собственных шумов резисторов тем выше, чем больше температура и напряжение. Шумы накладывают ограничения на чувствительность схем и создают помехи при воспроизведении полезного сигнала.

Переменные резисторы.

ПО характеру функциональной зависимости резисторы делятся на линейные (тип А) и нелинейныеж; логарифмические (тип Б) и обратнологарифмические (тип В).

К наиболее важным характеристикам переменных резисторов относятся также: разрешающая способность, шумы скольжения, износоустойчивость.

Разрешающая способность показывает, при каком наименьшем перемещении подвижной системы возникает различимое изменение сопротивления резистора. У непроволочных резисторов разрешающая способность очень высокая, у проволочных – определяется диаметром проволоки и ее удельным сопротивлением.

Шумы скольжения определяют качество контактирования. Они значительно превышают уровни помех тепловых и токовых шумов. У проволочных резисторов шумы выше, чем у непроволочных.

Износоустойчивость определяет способность резистора сохранять свои параметры при многократных перемещениях подвижной системы.

У регулировочных резисторов общего применения износоустойчивость лежит в пределах 5000 – 20000 поворотов; у прецизионных –
105 – 107 поворотов, у подстроечных ≈1000 циклов.

Указания по выбору резисторов.

Для правильного выбора резисторов необходимо на основе учета требований, предъявляемых к аппаратуре, проанализировать режимы и условия работы резисторов внутри прибора и определить:

– эксплуатационные факторы (температура, влажность, давление и др.);

– параметры электрической нагрузки;

– основные параметры резисторов ( номинальное сопротивление и допуск, шумы, вид функциональной характеристики, ТКС и др.);

– стабильность параметров в интервалах рабочих температур, в рабочем диапазоне частот, при хранении, эксплуатации и испытаниях аппаратуры;

– допустимые размеры и массу, способ монтажа;

– показатели безотказности, долговечности.

1.2 Конденсаторы

Электрические конденсаторы относятся к массовым изделиям, широко используемым в РЭА.

Емкость конденсатора определяется как отношение заряда конденсатора к разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

За единицу емкости принимают емкость такого конденсатора, у которого потенциал возрастает на один вольт при сообщении ему заряда один кулон. Эту единицу называют фарадой. Для практических целей она очень велика, поэтому на практике используют более мелкие единицы: микрофарад, нанофарад, пикофарад.

1Ф = 106 мкФ =109 нФ = 1012 пФ.

В настоящее время создано много различных типов конденсаторов, которые по характерным для них признакам можно классифицировать следующим образом (рисунок 3).

Рисунок 3 – Классификация конденсаторов

К конденсаторам специального назначения относятся импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и др.

Остальные, к которым не предъявляются особые требования, относятся к конденсаторам общего назначения.

У конденсаторов постоянной емкости емкость является фиксированной величиной и в процессе эксплуатации не изменяется.

У переменных конденсаторов изменение емкости может осуществляться механически, электрическим напряжением (варикапы) и температурой (термоконденсаторы) в процессе функционирования аппаратуры.

Незащищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в условиях повышенной влажности только в составе герметизированной аппаратуры. Защищенные допускают эксплуатацию в аппаратуре любого конструктивного исполнения.

Уплотненные конденсаторы имеют уплотненную органическим материалом конструкцию корпуса.

Дозиметрические – работают в цепях с низким уровнем токовой нагрузки, поэтому должны обладать большим сопротивлением изоляции.

Помехоподавляющие – предназначены для ослабления электромагнитных помех в широком диапазоне частот. Они имеют малую собственную индуктивность, в результате чего повышаются резонансная частота и полоса подавления частот.

Условные обозначения конденсаторов.

Условные обозначения могут быть сокращенными и полными.

Сокращенные обозначения состоят из букв и цифр:

- первый элемент – буква или сочетание букв, обозначающие подкласс конденсатора:

К – постоянной емкости;

КТ – подстроечные;

КП – переменной емкости.

– второй элемент – обозначение группы конденсатора в зависимости от материала диэлектрика (одна или две цифры);

– третий элемент пишется через дефис и обозначает регистрационный номер конкретного типа конденсатора.

Пример – К10-17 - керамический конденсатор постоянной емкости с регистрационным номером 17.

Полное условное обозначение состоит из:

– обозначения конструктивного элемента;

– номинального напряжения;

– номинальной емкости;

– допуска (в процентах);

– группы и класса по температурной стабильности емкости;

– номинальной реактивной мощности;

– других необходимых дополнительных характеристик.

Пример:

а) К74-5-0,22 мкФ ± 20 % ГОСТ 5.623-70 – постоянный конденсатор с диэлектриком из полиэтилентерефталата с номинальной емкостью
0,22 мкФ и допуском 20 %, поставляемый по ГОСТ 5.623-70;

б) КПК-М-2/7 ГОСТ 5.500-76 – конденсатор подстроечный с твер-

дым керамическим диэлектриком, малогабаритный, с пределами номинальной емкости от 2 до 7 пФ, поставляемый по ГОСТ 5.500-76.

Кодированное обозначение номинальных емкостей состоит из трех или двух цифр и букв. Буква русского или латинского алфавита (в скобках) обозначает множитель и определяет положение запятой десятичного множителя. Буква П (р), Н(н), М(µ), U(m), Ф(F) обозначает множи, 10-9, 10-6, 10-3, 1 соответственно для значений емкости, выраженных фарадах.

Например: 1П5 -1,5 пФ, 10Н – 0,01 мкФ, 10М – 10 мкФ, 1Ф2 –-1,2 Ф.

Основные характеристики конденсаторов.

Номинальная емкость – емкость, которая указана в документации или на корпусе конденсатора.

Номинальная емкость стандартизируется и выбирается из ряда Е3, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192.

Допускаемое отклонение от номинального значения указывается в процентах в соответствии с рядом: ± 0,1; ± 0,25, ± 0,5; ± 1,0; ± 2,0; ± 10; ± 20; ± 30; 0 + 50; - 10 + 30; - 10 + 50; - 10 + 100; - 20 + 50; - 20 + 80. Для конденсаторов с номинальной емкостью менее 10 пФ допуск указывается в абсолютных значениях емкости: ± 0,1; ± 0,25; ± 0,5; ± 1,0 пФ.

Номинальное напряжение и ток.

Номинальное напряжение – это значение напряжения, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение срока службы, сохраняя свои параметры в допускаемых пределах.

При эксплуатации конденсаторов на переменном или постоянном токе с наложением переменной составляющей напряжения необходимо выполнять следующие условия:

– сумма постоянного напряжения и амплитуды переменной составляющей не должна превышать допустимого напряжения, которое указывается в документе на поставку;

– амплитуда переменного напряжения не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности.

Номинальный ток – это наибольший ток, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение срока службы. При прохождении через конденсатор импульсного тока его значение может превышать номинальное в :

,

где Q – скважность импульсов.

Тангенс угла потерь δ характеризует потери энергии в конденсаторе и определяется как отношение активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. Как правила tgδ имеет минимум области комнатных температур. С увеличением частоты tgδ увеличивается.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры и равная относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус (ТКЕ).

Полное сопротивление конденсатора, резонансная частота.

Под полным сопротивлением конденсатора понимают сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с емкостью также активного сопротивления и индуктивности. Оно определяется по формуле

.

Самая низкая частота, при которой полное сопротивление конденсатора будет минимальным и чисто активным, называется резонансной частотой конденсатора:

.

На частоте ниже резонансной сопротивление конденсатора носит емкостный характер, на частотах выше резонансной – индуктивный.

Подстрочные и переменные конденсаторы, наряду с приведенными выше параметрами, имеют дополнительные, учитывающие особенности их функционального назначения и конструктивного исполнения: это максимальная и минимальная емкость, скорость перестройки емкости, износоустойчивость.

1.3 Катушки индуктивности

Катушками индуктивности называют элементы, функционирование которых сопровождается эффектом перехода энергии электрического тока в энергию магнитного поля и обратно. Их используют для создания реактивного сопротивления переменному току при малом сопротивлении постоянному току.

По конструктивному исполнению катушки индуктивности делятся на: однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, без сердечника, с магнитным или немагнитным сердечником, цилиндрические, плоские и печатные.

Однослойные и многослойные катушки характеризуются типом намотки. В однослойных катушках намотка витков на поверхность каркаса осуществляется в один слой. Намотка может быть сплошная или с определенным шагом. Однослойные намотки применяются для получения катушек с небольшой индуктивностью. В противном случае применяют многослойную намотку.

Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки, и устранения влияния окружающей среды катушки индуктивности экранируют, т. е. располагают внутри замкнутого металлического (обычно немагнитного) заземленного экрана. Экран локализует электрическое и электромагнитное поля. Под влиянием экрана индуктивность уменьшается тем больше, чем меньше его размер, так как уменьшается магнитное поле катушки. Как правило, экран уменьшает индуктивность на 10 – 20 %.

Свойства катушек индуктивности характеризуют следующими основными параметрами: индуктивностью, добротностью, собственной емкостью, тепловым коэффициентом индуктивности (ТКИ).

Добротность характеризуется отношением индуктивного сопротивления к активному при заданной частоте

Q = wL/R = ХL/R.

На добротность катушки влияет экранирование. Присутствие экрана увеличивает собственную емкость катушки на 30 – 40 %, снижается добротность, ухудшается стабильность. Ослабить влияние экрана можно, если расположить между экраном и катушкой ферритные чашки. Применение магнитных экранов увеличивает индуктивность до 10 % и на столько же уменьшает ее добротность. В катушке между отдельными витками и ближайшими телами – экраном, шасси прибора, всегда существует разность потенциалов, которая создает электрическое поле. Влияние этого поля подобно влиянию некоторой емкости, включенной параллельно катушке. Эту емкость называют собственной емкостью катушки.

Наименьшей собственной емкостью обладают однослойные катушки.

В процессе работы прибора, на катушки индуктивности действует много внешних факторов: температура, влага, давление, механические воздействия. Все они определяются параметрами катушки. Наибольшее влияние оказывает изменение температуры.

Изменение индуктивности под влиянием температуры характеризуется температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), который равен:

ТКИ = (L1-L2)/L·(T2-T1),

где L1 и L2 – начальное и конечное значения индуктивности при измерении температуры от Т1 до Т2.

Индуктивность катушки зависит от числа витков и ее геометрических размеров. При введении ферритового сердечника индуктивность катушки увеличивается. Такие катушки обладают большей стабильностью параметров. Наличие ферритового сердечника позволяет просто менять индуктивность катушки. Основные требования к магнитным сердечникам – это большая магнитная проницаемость и малые потери на высоких частотах.

1.4 Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые диоды классифицируются по следующим признакам:

– по частоте:

а) общего назначения (НЧ);

б) выпрямительные;

в) импульсные;

г)высокочастотные (ВЧ);

д) сверхвысокочастотные (СВЧ);

– по обратному напряжению (буквенное обозначение по алфавиту А, Б,В…чем далее буква, тем больше обратное напряжение);

– по току.

Транзисторы классифицируются по следующим признакам: