ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таблица 8.3

А — плоский тканый кабель (1 — кабель; 2 — плата: 3 — скоба для крепления кабеля); б — гибкий печатный кабель

Рис. 8.11. Установка микро­схем с учетом направления воздушного потока

Рис. 8.10. Варианты располо­жения выводов

А — для штыревых выводов; б — для пленарных выводов

А — этапы изготовления четырехслойиой печатной платы методом попарного прессования (1 — исходные двусторонние печатные платы; 2 — спрессованная плата; 3~ готовая плата с метал­лизированным отверстием); б — соединения путем металлизации сквозных отверстий

А — однослойная плата (1 — координатная сетка; 2 — печатные проводники; 3 — основание; 4 — металлизированные отверстия); б — трехслойная плата

ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА МИКРОСХЕМАХ

Рис. 8.5. Использование избыточности для сокраще­ния числа внешних соединении

Таблица 8.1

Рис. 8.2. Основные этапы проектирования аппаратуры на микро­схемах

Рис. 8.1. Конструктивные уровни ЕС ЭВМ

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА МИКРОСХЕМАХ

РАЗРАБОТКА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА МИКРОСХЕМАХ

Глава восьмая

Таблица 7.3

Таблица 7.2

Рис. 7.24. Структурная схема микрокалькулятора БЗ-18А

Рис. 7.23. Внешний вид микрокалькулятора БЗ-18А

 

оперативное запоминающее устрой­ство (ОЗУ), служащее для хранения чисел, которые участвуют в вычислени­ях, а также промежуточных результа­тов;

 

генератор опорной частоты, предназначенный для выработки синхронизирующих сигналов; .

устройство управления (УУ), формирующее последовательность сигналов, которые координируют работу всех элементов БИС.

Рассмотрим последовательность работы микрокалькулятора на примере выполнения сложения двух чисел.

Пои подаче питания специальный триггер подготавливает ПЗУ к выдаче микрокоманд на приведение всех элементов в исходное состояние Через 100 — 500 мс начинает выполняться микропрограмма, которая обеспечивает подготовку ОЗУ и УУ к работе. Следующая микропрограмма производит опрос клавишного устройства и выдачу информации на индикатор. Если ни одна из клавиш не на­жата, на индикаторе будет высвечиваться только 0 и точка.

Вычисление начинается с введения первого числа. Оно вводит­ся в десятичном коде последовательно, начиная со старшего разря­да При нажатии на клавишу в УУ срабатывает соответствующий триггер который фиксирует нажатие клавиши. Информация пере­дается в ОЗУ и отображается на индикаторе. В процессе ввода цифр обеспечивается задержка начала следующей микропрограммы по вводу числа и его кодированию во избежание сбоев в работе в результате дребезга контактов.

При нажатии клавиши, соответствующей действию (сложению), которое должно быть выполнено с введенными числами, эта коман­да запоминается в ОЗУ и оно подготавливается к принятию сле­дующего числа. Последнее вводится и запоминается аналогично первому и также высвечивается на индикаторе.

При нажатии клавиши, соответствующей выдаче результата, начинает выполняться микропрограмма сложения. Вычисления осуществляются в АЛУ. Результат поступает в ОЗУ и отображается на индикаторе. Ранее записанная в ОЗУ информация стирается.

 

Тип	+, — Х, :	Выполняемые функции	Габаритные разме­ры, мм
			Доп. функция	Операции с памятью	Про­грамми­рова­ние	Тип инди­катора	Потребля- емая мощность мВт	Масса, г
БЗ-09Л1	+	+	—	—	%		——	ВЛД*	—		153X86X36
БЗ-14М	+	+	+	—		—	—	ВЛД	—		158Х86Х36
БЗ-23	+	—	—	—	%	—	—	СД**			155х78X28
БЗ-24Г	+	—	—	—		п+	—	СД			155Х78Х28
БЗ-25А	+	—	—	—			—	ВЛД			155X78X28
БЗ-26	+	—	+	—	%	п+, п —	—	ВЛД	7СО		140X75X25
СЗ-27	+ .	—	—	—		—	—	ВЛД			165X78X21
БЗ-30	+	+	+	—	%	—	—	ЖК***			109X66X8,5
СЗ-33	+	+	—	—	%	П+, П —	—	СД			130X70X12
БЗ-39	+	+	+	—	%	—	—	ЖК			100X66,5X1°. 5
СЗ-15	+	+	+	+ (нет 10x)		п+ , п — Х<—>П	—	СД			170X90X32
БЗ-18А	+	+	+	+		п+ , п — п +х2, х<—>п	—	ВЛД			160X20X46
БЗ-19М	+	+	+	+ (нет 10x)	—	доп. регистр памяти	—	СД			166,5X86X41
БЗ-32	+	+	+	+ (кет arc)	г~р, п, |[(||)]|	2 доп. регистра памяти	—	СД	—		120X73X30,4
Б3-36	+	+	+	+	г — р, п |[(||)]|, n!	n+, n — , n~, nx, n< — >х	—	СД			145Х78,5Х15
Б3-37	+	+	+	+	г — р, п	n+, n — , n+х2 Х<->П	—	сд			155Х78Х28
БЗ-21	+	+	+	+ (нет arc)	x2, п, еix	1 В соотв. с прогр.	+	сд			185X100X43
БЗ-34	+	+	+	+	х2, п, еix	В соотв. с прогр.	+	сд			185Х100ХНЗ

 

Аналогично выполняются и другие вычислительные операции, однако объем их может быть значительно большим. Вычисление тригонометрических, логарифмических и подобных функций произ­водится с помощью микропрограмм, которые хранятся в ПЗУ.

Время вычисления зависит от сложности операции. Например, сложение двух восьмиразрядных чисел осуществляется примерно за 0,05 с, а вычисление arctg x — за 3 с.

Микрокалькулятор БЗ-18А реализован на базе БИС К145ИП12 и выполняет четыре арифметических действия, вычисление функций 1/х, х^-2, lп х, lg x, е^x, 10^х, x^y, sin x, cos x, tgx, arcsinx, arccos x, arctg x (угол может быть задан в градусах и радианах), операции с числом я, обмен чисел на индикаторе и в рабочем регистре («<—>») или в регистре памяти («х< — >п»), использование памяти для суммирования или вычитания числа на индикаторе («п+», «п~») или суммирование квадрата числа на индикаторе («п⁺») и еще ряд дополнительных действий. Для сокращения числа клавиш совмещают две операции на одной клавише с общим управлением перехода от основных к дополнительным операциям.

Число рабочих разрядов — восемь. Операции с десятичными дробями ведутся с плавающей запятой: при вводе десятичной дроби запятая ставится в нужном месте, а затем ее положение опреде- ляется автоматически.

По назначению отечественные микрокалькуляторы можно разде­лить на три группы в соответствии с функциональными возможно­стями: 1) для выполнения несложных операций (арифметические действия, вычисления 1/х, Х^-2, %, некоторые операции с памятью); 2) для выполнения инженерных и научно-технических расчетов без программирования (арифметические действия, вычисление ряда функций, операции с памятью); 3) для выполнения инженерных и научно-технических расчетов с возможностью использовать програм-мдрование.

К первой группе относятся микрокалькуляторы БЗ-04, БЗ-14М, БЗ-23, БЗ-24Г; БЗ-26Л, БЗ-30, БЗ-39, СЗ-07, СЗ-22, СЗ-27, СЗ-33 и др. Ко второй группе относится рассмотренный микрокалькуля­тор БЗ-18А, а также его модификации БЗ-18, БЗ-18М и еще ряд подобных устройств (БЗ-19М, БЗ-36, БЗ-37, СЗ-15 и т. п.). У наибо­лее совершенных микрокалькуляторов второй группы, например, СЗ-15, БЗ-36, предусмотрено выполнение операций в скобках |(11)|, что значительно облегчает проведение вычислений, нахож­дение факториала (n!) (БЗ-36) и ряд дополнительных функций. К третьей группе относятся микрокалькуляторы БЗ-21, БЗ-34 и др. Одной из особенностей микрокалькуляторов рассматриваемой группы является увеличение объема памяти. Если в БИС микрокалькуля­торов для простейших и научно-технических расчетов без програм­мирования имеется два — четыре регистра памяти, то в БЗ-21 их 14. Кроме двух основных регистров в этом микрокалькуляторе есть еще семь дополнительных, предназначенных для хранения исходных данных и промежуточных результатов, а также дополнительное ОЗУ из шести ячеек памяти, которое вместе с одним из основных оперативных регистров образует замкнутое кольцо из семи реги­стров. Объем памяти в БЗ-21 сопоставим с объемом памяти у пер­вых образцов стационарных ЭВМ.

Микросхема	Число элемен­тов на кристалле	Параметр
Uвх,В	Uвых,В	Рпотр- Вт
К145АП1А		5,2	9,2	6,6
К145АФ1		—		—
К145ПП1А		4,6	9,2	6,6
К145ИП1А		4,4	4,6	3,3
К145ИП2А		4,6	4,6	3,3
К145ПН1		~	—

 

Увеличение объема и гибкости памяти в БИС программируе­мых микрокалькуляторов позволяет записывать несколько десятков отдельных команд — шагов и выполнять такие логические операции, как условный и безусловный переход, использование подпрограммы и т. д. В БЗ-21 число шагов вводимой пользователем программы составляет 60, в БЗ-34 — 98.

Отечественная промышленность выпускает несколько типов на­стольных калькуляторов, например «Искра-125», у которой имеются более широкие возможности программирования, поскольку объем памяти, отводимой под программу и ОЗУ, достигает 1024 кбайт.

Параметры ряда отечественных микрокалькуляторов приведены в табл. 7.2.

Элементная база микрокалькуляторов — БИС, построенные на МДП-транзисторах. Наиболее широко используют МДП-транзисто-ры с р-каналом и особенно комплементарные структуры.

В отечественных микрокалькуляторах широко применяют микро­схемы серии 145. Различные микрокалькуляторы содержат в своем составе одну или несколько микросхем. Например, БЗ-04 построен на шести микросхемах: К145АП1А (формирователь импульсов). К145АФ1 (селектор цифр), К145ПП1А (устройство управления) — обеспечивают работу устройства индикации, К145ИП1 А — выпол­няет арифметические и логические операции, преобразование инфор­мации в двоично-десятичный код, а также в код, необходимый для устройства индикации, К145ИП2А — регистр памяти, К145ПН1 — преобразователь напряжения.

Параметры указанных микросхем приведены в табл. 7.3.

В состав микрокалькулятора БЗ-21 входят три микросхемы К145ИК501 (502, 503) — оперативное устройство, ПЗУ которого запрограммировано на выполнение различных функций согласно исполнению; К145ИР1 — динамический регистр сдвига на 1024/1008 бит; К165ГФ2 — четырехфазный генератор импульсов. Указанные микросхемы содержат соответственно 9800, 6167 и 188 элементов на кристалле.

Микрокалькуляторы БЗ-23, БЗ-24Г, БЗ-37 построены на двух микросхемах: К145ИП11 (К145ИП7 для БЗ-37) — АЛУ с памятью и устройствами управления; К145КГ1 — устройство согласования с индикатором на светодиодах, выполненное на биполярных тран­зисторах.

Ряд микрокалькуляторов, например БЗ-18А, БЗ-36, построен на одной микросхеме. БИС микрокалькулятора БЗ-18А К145ИП12 содержит 16 тыс. транзисторов, резисторов и конденсаторов. Эти элементы соединены с помощью 25 тыс. соединительных линий. Все элементы и соединения размещены на кристалле размером .5x5,2 мм, установленном в керамическом корпусе. БИС микрокаль­кулятора БЗ-36 (К145ИП15) содержит 18 тыс. транзисторных струк­тур, выполненных по р-МДП-технологии на кристалле 5,2x5,5 мм.

Число разрядов индикаторного табло в микрокалькуляторах составляет 9 — 12. Один из разрядов — служебный. Он используется лля индикации отрицательного знака числа, а также может слу­жить для сигнализации о переполнении рабочих регистров и раз­ряде источников питания.

Дальнейшее совершенствование микрокалькуляторов идет по нескольким направлениям: расширяют возможности программирова­ния, начинают внедрять такие носители программ, у которых про­грамма не разрушается с отключением источников питания (магнит­ные карты, микрокассеты), предполагается создать библиотеки готовых сменных программ для микрокалькуляторов. Объем памяти возрастает до 10 — 20 регистров. Производительность повышается за счет использования параллельных вычислений и связи микрокаль­кулятора с большой ЭВМ.

Совершенствование устройств вывода информации ведется в на­правлении создания встроенных устройств тепловой печати результа­тов, увеличения площади экрана для отображения информации.

Одна из перспектив развития микрокалькуляторов — использо­вание в них компактного алфавитно-цифрового устройства отобра- жения, которое позволит реализовать диалоговый режим вычислений и обработки информации.

Совершенствование микрокалькуляторов предполагается осу­ществить без увеличения потребляемой ими мощности, а даже при ее снижении.

Отечественные микрокалькуляторы описаны в [17, 27].

 

 

Разработка РЭА на микросхемах представляет собой процесс создания новых образцов устройств, приборов и аппаратов, удовлетворяющих заданным требованиям. Этот процесс связан с ре­шением схемотехнических, конструкторских, технологических задач. При создании сравнительно простых устройств, содержащих до нескольких десятков микросхем, в радиолюбительской практике можно в целом придерживаться приемов, которые являются обще­принятыми для построения миниатюрной аппаратуры на транзисто­рах. Однако при этом необходимо учитывать ряд особенностей, которые связаны с использованием микросхем, чтобы полностью реа­лизовать их преимущества. Что касается построения более сложной аппаратуры, то эти особенности настолько существенны, что традиционная методика проектирования претерпевает существенные изме­нения.

 

Рассмотрим основные из этих особенностей. При построении устройств на микросхемах применяется функ­ционально-узловой метод. При синтезе структуры устройства этим методом его схема строится из функциональных частей, -реализуе­мых типовыми узлами. Примером таких узлов являются интеграль­ные микросхемы. Микросхемы в аппаратуре объединяются в более крупный узел — ячейку [В литературе иногда встречается другое обозначение этого узла — «субблок».]. Ячейка представляет собой конструктивно законченную сборочную единицу, состоящую из одной или несколь­ких печатных плат с микросхемами и не имеющую лицевой панели. Как правило, ячейки легкосъемны. С точностью до ячейки часто определяется место неисправности и при ремонте она заменяется новой в этих случаях ячейки называют типовыми элементами за­мены (ТЭЗ).

Несколько ячеек объединяются в блок, который имеет лицевую панель но он, как и ячейка не имеет, как правило, самостоятель­ного применения. В свою очередь блоки объединяются в шкафы, секции, стойки и т. п., имеющие уже самостоятельное применение. К последнему виду конструктивных единиц относятся также устрой­ства в виде одного блока, который можно использовать самостоя­тельно, например микроэлектронный цифровой вольтметр.

Рассмотренные уровни сборочных единиц характерны для ап­паратуры средней сложности, к которой можно отнести устройства, содержащие от 100 до 1000 микросхем первой и второй степеней интеграции (например, цифровые частотометры, вольтметры, синте­заторы частот и т. п.). Для устройств большой сложности, содер-жащих более 1000 микросхем, например ЭВМ, могут вво­диться дополнительные промежуточные уровни. Для примера на рис. 8.1 показаны конструктивные уровни ЕС ЭВМ. В таких устройствах блоки попарно объединяются в панели, а па­нели в более крупную сборочную единицу — раму.

По мере прогресса электроники и повышения степени интегра­ции микросхем количество конструктивных уровней аппаратуры бу­дет уменьшаться.

Необходимость дальнейшего повышения уровня стандартизации конструктивно-элементной базы привела в микроэлектронной аппа­ратурe к блочно-модульному методу построения. Этот метод явля­ется развитием функционально-узлового и предусматривает широкую стандартизацию и унификацию на всех конструктивных уровнях.

Блочно-модульный метод предусматривает использование готовых электронных модулей — функционально и конструктивно закончен­ных сборочных единиц, реализующих функции преобразования элек­трических сигналов и выполненных на основе унифицированной базовой несущей конструкции (БНК). Набор таких модулей пред­назначен для широкого класса РЭА.

Модули подразделяются на ряд уровней: 1 — ячейка, 2 — блок, 3 — шкаф, стойка. Для второго и третьего уровней разрабатывают­ся типовые БНК, увязанные с конструкциями как более высоких, так и более низ.:их уровней и обеспечивающие максимальную гиб­кость при конструировании аппаратуры. Модули всех уровней име­ют электрическую, информационную, программную и конструктив­ную совместимость между собой. В качестве модулей первого уров­ня используют ячейки, содержащие наиболее распространенные узлы. Для цифровой аппаратуры это центральный процессор, запо­минающее устройство, наборы триггеров и логических элементов, элементы внутреннего и внешнего интерфейса, отображения инфор­мации, преобразователи сигналов и т. п. При построении модулей используют микросхемы различной степени интеграции, в том числе в большие интегральные схемы.

Другая особенность проектирования аппаратуры на микросхе­мах проявляется в большой сложности правильного выбора эле­ментной базы и конструктивно-технических решений. Это связано с неоднозначностью выбора вариантов построения устройства из-за широкой номенклатуры микросхем, различных степеней их инте­грации и технологии изготовления.

При проектировании аппаратуры на микросхемах возрастает сложность выбора конструкции проектируемого устройства, главным Образом в отношении объемно-массовых показателей, а также резко усиливается взаимосвязь этапов проектирования по разработке схемотехники, конструкции и технологии. Появляются новые воз­можности совершенствования характеристик аппаратуры, обуслов­ленные возможностью использования больших количеств элементов, что приводит к структурной избыточности. Указанные особенности вызывают качественные изменения традиционных и появление новых этапов проектирования аппаратуры на микросхемах.

В практике промышленного проектирования микроэлектронной аппаратуры сложилась определенная последовательность принятия решений, направленных на создание устройств с заданными функ­циональными и эксплуатационными характеристиками при мини­мальной стоимости. Радиолюбители не могут полностью заимство­вать этот опыт, поскольку в их распоряжении нет тех средств и. методов, которыми располагают разработчики промышленной аппа­ратуры. Тем не менее ознакомление с порядком и особенностями промышленного проектирования полезно, поскольку оно поможет определить рациональную последовательность собственных действий радиолюбителя при разработке микроэлектронных устройств и узлов применительно к своим возможностям.

Порядок создания РЭА в общих чертах указан в ГОСТ 2.103 — 68 и включает составление технического задания, разработку техниче­ского предложения, эскизного и технического проектов, а также рабочей документации.

 

 

Покажем более подробно последовательность разработки РЭА на микросхемах на основании имеющегося в настоящее время опыта проектирования. При этом содержание основных этапов раскроем на примере цифровых устройств, для которых процесс проектиро­вания отработан сейчас в наибольшей степени. Некоторые особен­ности проектирования аналоговых устройств будут рассмотрены да­лее. Последовательность основных этапов проектирования РЭА на микросхемах может быть представлена в виде, показанном на рис. 8.2.

Первый этап — разработка требовании к проектируемому устройству, т. е. составление технического задания. Это задание устанавливает назначение и область применения создаваемой аппа­ратуры, а также ее основные параметры. К таким параметрам у цифровых устройств относятся: быстродействие, точность, потреб­ляемая мощность, надежность и т. п. В техническом задании ука­зывают условия эксплуатации проектируемой аппаратуры, в част» ности, пределы изменения температуры, влажности, давления, ме­ханических воздействий и др. Задание должно содержать требова­ния к конструкции (максимальную массу и габаритные размеры, допустимые тепловые режимы, необходимость герметизации и т. п.). В техническом задании, как правило, приводят технико-экономиче­ские показатели (допустимая стоимость, степень унификации и стандартизации, экономическая эффективность).

Техническое задание должно составляться с учетом фактических возможностей реализации проектируемой аппаратуры.

Второй этап — разработка структурной схемы и определение основных технических характеристик. На рассматриваемом этапе изучают существующие устройства, подобные проектируемому, и соответствующие патентные материалы. Затем проводят анализ воз­можных принципов построения, причем каждый вариант прораба­тывают до глубины, достаточной для его сравнения с другими по наиболее существенным показателям: надежности, стоимости, пер­спективности и т. п. По результатам этого сравнения выбирают лучший вариант. Для него составляют структурную схему, устанав­ливают общие технические характеристики ее основных частей и их взаимосвязи.

Отметим, что структурные схемы микроэлектронны.х устройств, особенно реализуемых на микросхемах повышенной степени инте­грации, часто отражают не только принципы работы, но и содер­жат информацию о каналах для параллельной обработки сигналов с целью повышения быстродействия, об устройствах встроенного контроля, поканальном резервировании и т. п. Таким образом, ре­зультатом второго этапа является разработка технического пред­ложения для последующих стадий проектирования.

Третий этап — выбор элементной базы. Для дискретных устройств сначала выбирают тип логики (ТТЛ, МДПТЛ, ЭСЛ и др.). Этот выбор производят, исходя из основных требований к аппаратуре (выполняемая функция, быстродействие, потребляе­мая мощность и т. п.).

При выборе типа логики принимается во внимание структурная схема проектируемого устройства. Так, при параллельной обработке информации задержки сигналов сокращаются (можно выбрать эле­ментную базу с меньшим быстродействием), но вместе с тем уве­личивается коэффициент разветвления элементов по выходу. (Неко­торые конкретные рекомендации по выбору элементной базы при­ведены в гл. 4.)

При построении сравнительно простых устройств, содержащих менее 100 микросхем, обычно рассматривают две-три серии в вы­бранном типе логики. В этом случае ориентировочно оценивают только основные характеристики проектируемого устройства при реализации с помощью выбранных серий. Например, рассчитывают максимальную задержку сигналов в цепи с наибольшим числом последовательно срабатывающих элементов, общую мощность по­требления, стоимость и т. д. Чаще всего такую оценку можно сделать по функциональной схеме (см. четвертый этап). По резуль­татам оценки выбирают лучший вариант реализации и для него разрабатывают полную принципиальную схему, а также выполня­ют все последующие этапы проектирования (см. рис. 8.2).

При построении сложных устройств очень важно до выбора конкретной серии определить оптимальную степень интеграции ми­кросхем, ибо от этого будет существенно зависеть надежность, стоимость, габаритные размеры и другие характеристики. Выбор оптимальной степени интеграции возможен при наличии ряда серий, имеющих общий базовый логический элемент и различающихся сте­пенью интеграции, а также при использовании микросборок [Микросборка — микроэлектронное изделие, состоящее из элементов и ком­понентов, включая микросхемы, которые имеют отдельное конструктивно-; исполнение и могут быть испытаны до сборки и монтажа. Микросборка раз­рабатывается для конкретной РЭА.].

Рис. 8.3. Зависимость относитель­ной технико-экономической эффек­тивности от уровня интеграции микросхем (1 — толстопленочные гибридные микросхемы; 2 — тон­копленочные гибридные микро­схемы)

 

Существует несколько критериев для определения оптимальной степени интеграции, например минимальная удельная стоимость элементарной логической схемы — вентиля, максимальная универ­сальность логических элементов. Используют также метод, основанный на обеспечении требуемой надежности контактных соединений.

Наиболее обоснованно степень интеграции выбирается по тех­нико-экономической эффективности Э, определяемой соотношением Э = Т_РМ_И/3, где T_р — ресурс аппаратуры; 3 — затраты на ее изготов­ление и эксплуатацию; nk — исходная сложность проектируемого устройства, оцениваемая количеством простейших логических эле­ментов, при уменьшении которого уже нельзя обеспечить функцио­нирование устройства (определяется ориентировочно из статистики по предыдущим разработкам подобной аппаратуры).

При использовании последнего критерия оптимальная степень интеграции определяется в зависимости от вида технологии, типа конструкции блоков и ряда других факторов. Для иллюстрации на рис. 8.3 приведены зависимости относительной технико-экономиче­ской эффективности от количества J вентилей в микросхеме для двух различных вариантов технологии. Эти кривые получены при проектировании одной из вычислительных машин. Из рис. 8.3 сле­дует, что для данной разработки оптимальна степень интеграции, соответствующая 48 элементам при использовании толстопленочной технологии [41].

Выбор оптимальной степени интеграции с учетом различных факторов предусматривает рассмотрение большого количества ва­риантов. При этом разработка каждого из них до принципиальной схемы практически невозможна, поэтому в данном случае исполь­зуют ориентировочные оценки, исходя из основных данных аппара­туры.

Расчет эффективности проводят с использованием главным об­разом эмпирических формул, полученных при обработке стати­стических данных по различным типам уже разработанной аппа­ратуры. При этом проектируемое устройство представляется построенным на однотипных по конструкции и степени интеграции микросхемах.

Задаваясь различными степенями интеграции, видами конст­рукции аппаратуры и другими параметрами, оценивают эффектив­ность различных вариантов и определяют предпочтительный. После предварительной оценки вариантов выбирают микросхемы, уровень интеграции и другие параметры которых наиболее близки к най­денным в результате расчетов.

Таким образом, при использовании рассматриваемого критерия на данном этапе проектирования не только выбирают элементную базу, но и в общих чертах разрабатывают конструкцию, т. е. фак­тически создают эскизный проект. Этот проект позволяет судить о типе и числе ячеек и блоков, габаритных размерах всего устрой­ства, ориентировочной стоимости и ряде других показателей, что является основанием для последующих этапов технического проек­тирования.

Четвертый этап — разработка в выбранном логическом базисе функциональной схемы, которая полностью отражает характер, а также последовательность работы устройства.

Методы синтеза функциональных схем дискретных устройств разработаны достаточно хорошо. Синтез может проводиться в ло­гическом базисе элементов И, ИЛИ, НЕ с последующим переходом к реализации в базисе выбранной серии (И — НЕ, И — ИЛИ — НЕ, ИЛИ — НЕ и т. д.) или непосредственно в заданном базисе.

Основной критерий синтеза функциональных схем аппаратуры на интегральных микросхемах — минимизация числа микросхем и их внешних соединений. Сложность каждой микросхемы — в дан­ном случае не лимитирующий фактор. Другой критерий — функцио­нальная однородность, т. е. максимальное использование элементов с одинаковыми функциями. Это обусловливает унификацию схемы, что, в свою очередь, ведет к снижению ее стоимости.

В цифровой аппаратуре обычно можно выделить типовые функ­циональные структуры (дешифраторы, триггеры, счетчики, распреде­лители, регистры, устройства памяти и др.), которые заранее син­тезированы в базисе выбранных микросхем (примеры реализации перечисленных структур приведены в гл. 4). При использовании микросхем повышенной степени интеграции необходимость в синте­зе указанных типовых структур иногда отпадает, поскольку они могут входить в состав серий.

Пятый этап — разработка принципиальной схемы. На данном этапе проводят электрический расчет всех элементов, которые нель­зя было реализовать с помощью выбранных серий общего приме­нения. Здесь же окончательно разделяют схему на части: а) реали­зуемые с помощью выбранных серий общего применения; б) реа­лизуемые с помощью новых специализированных микросхем (ми­кросборок); в) реализуемые на основе дискретных компонентов (блоки питания, фильтры, устройства сопряжения с исполнитель­ными элементами и т. д.). Дискретные компоненты используют в первую очередь в тех случаях, когда интегральные микросхемы из-за технологических или других ограничений не могут обеспечить требуемых параметров. В табл. 8.1 приведены границы областей применения дискретных резисторов и конденсаторов в аппаратуре на гибридных (в числителе) и полупроводниковых (в знаменателе) микросхемах. Катушки индуктивности обычно используют в виде дискретных компонентов при любых номинальных значениях. Ис­ключение составляют лишь случаи использования пленочных кату­шек индуктивностью до 20 мкГн в гибридных микросхемах. Возможно также применение электронных эквивалентов катушек индуктивности — гираторов.

 

 

Параметр	Резистор	Конденсатор
Номинальное значение, более
100 к0м	500 11ф
Допуск, %, кенее
Температурный коэффициент, 1/0Сх10в, менее
Частота, МГц, более

Рис. 8.4. Зависимость числа вы­водов от сложности ячейки (1 — число внешних выводов ячейки; 2 — общее число выводов микро­схем; 3 — число выводов, прихо­дящихся на одну микросхему)

 

В результате рассмотренного этапа получают принципиальную схему и технические требования на разработку микросхем специа­лизированного применения. На принципиальной схеме показывают все интегральные микросхемы с обозначением выводов, а также соединения и навесные элементы. (Примеры принципиальных схем цифровых устройств приведены в гл. 6, 7.)

Шестой этап — расчленение элементов принципиальной схемы на ячейки. Основным критерием при расчленении является мини­мальное число внешних выводов ячейки при ее максимальной слож­ности и функциональной законченности. Это обусловлено тем, что интенсивность отказов подвижных контактов примерно на порядок превышает интенсивность отказов паяных соединений на печатной плате.

Зависимость числа внешних связей N_вн от числа микросхем п_м в ячейке, полученная в результате обобщения фактических данных, показана на рис. 8.4 (кривая 1). На этом же графике приведены кривые 2 и 3, характеризующие соответственно суммарное число вы­водов микросхемы JV_M, и число внешних связей, приходящихся на одну микросхему. Из графиков следует, что, с точки зрения умень­шения числа внешних контактных соединений, следует стремиться к увеличению числа микросхем в ячейках. Однако их увеличение снижает универсальность и повторяемость ячеек, что очень су­щественно для ЭВМ. Поэтому приходится принимать компромиссное решение.

При расчленении устройства на ячейки и определении их раз­меров принимаются также во внимание технологические возможно­сти изготовления ячеек с двусторонним расположением контактов. Малая длина разъемов не позволяет иметь достаточно контактов, что исключает возможность получения функционально законченных узлов. Чрезвычайно большое число контактов приводит к усложне­нию конструкции разъема.

Если на плате можно расположить несколько функциональных узлов, то устройство расчленяют так, чтобы узлы, связанные боль­шим числом соединений, оказались в одной ячейке.

Одним из способов уменьшения числа внешних соединений является введение избыточности в ячейки. Пример, который по­ясняет этот способ, приведен на рис, 8.5,«, где показана схема, содержащая устройство памяти и счетчик, расположенные в разных ячейках. Для соединения рассматриваемых узлов требуется восемь контактов. При введении дополнительных инверторов в ячейку па­мяти (рис. 8.5,6) число внешних контактов уменьшается в 2 раза. Другой критерий расчленения — максимальная повторяемость функций внутри ячейки. Это обеспечивает простоту, максимальную плотность и минимальную площадь монтажных соединений, а также удобство эксплуатации. Кроме того, при расчленении устройства на ячейки учитывают необходимость обеспечения минимального време­ни для диагностики неисправностей.

Число микросхем в ячейках должно быть примерно одинако­вым, оно определяется размерами ячеек, микросхем и шагом их установки. Как показывает опыт проектирования с учетом всех пе­речисленных факторов, число микросхем, размещаемых на печатной плате, обычно не превышает 100.

Седьмой этап — разработка специализированных микросхем или микросборок (если есть потребность). При этом выбирают техно­логию, размеры подложек, схемы соединений. Чаще всего специали­зированные микросхемы выполняют по гибридной технологии с ши­роким использованием бескорпусных микросхем, транзисторов, дио­дов, навесных конденсаторов.

 

Восьмой этап — конструктивно-технологическая разработка ап­паратуры.

Задача данного этапа — создание конструкции, которая имела бы минимальный объем, обеспечивала бы необходимый тепловой режим, кратчайшую длину соединений и малые паразитные взаимо­связи между элементами, удобство эксплуатации и ремонта. При этом должны быть максимально использованы унифицированные и стандартные элементы конструкции, а также типовые технологиче­ские процессы.

Конструирование аппаратуры как на аналоговых, так и на циф­ровых микросхемах включает следующие основные этапы: разра­ботку топологии печатных плат, размещение на них микросхем, конструирование ячеек и блоков, обеспечение связей между ними. Значение этапа конструирования при построении аппаратуры на микросхемах очень велико, потому что именно такие элементы кон­струкции, как платы, элементы крепления и теплоотвода, штепсель­ные разъемы, кабели и т. п., в значительной мере определяют объем и массу аппаратуры. Так, для устройств типа ЭВМ за счет кон­структивных деталей число элементов и компонентов в единице объема аппаратуры уменьшается в 100 раз и более по сравнению с пчетностью размещения элементов и компонентов в микросхемах.

Вопросам конструирования микроэлектронных устройств, кото­рое значительно отличается от конструирования аппаратуры на дис­кретных компонентах, посвящен следующий параграф.

Процесс проектирования завершают разработкой комплекта ра­бочей конструктивно-технологической документации, по которой изготовляют опытный образец аппаратуры.

Приведем несколько замечаний к основным этапам проектиро­вания аппаратуры на микросхемах.

Этапы проектирования, указанные на рис. 8.2, соответствуют в основном созданию аппаратуры средней и большой сложности. Для простых устройств последовательность проектирования может быть упрощена, например, могут быть исключены этапы 7 и 8.

Показанный процесс проектирования рассмотрен в виде после­довательного проведения этапов. Однако следует иметь в виду на-чичие многочисленных обратных связей между этапами (рис. 8.2), так что фактически аппаратуру проектируют путем последователь­ных уточнений. Например, принципиальную схему, разработанную на пятом этапе могут корректировать после разработки специализиро-ванных микросхем. Введение избыточности, в частности поканально-го резервирования, на четвертом этапе может вызвать изменение структурной схемы аппаратуры и необходимость возврата ко вто­рому этапу После разработки функциональной схемы может также измениться и серия для реализации устройства. Таким образом, поопесс проектирования электронной аппаратуры на микросхемах достаточно сложен и связан с оценкой и сравнением многочислен­ных вариантов. Особенно трудоемки этапы выбора элементной базы учетом конструктивно-технологических факторов, разработки (Ьунгционачьной схемы, проектирования микросхем специализированного применения, конструктивно-технологической разработки аппаратуры.

 

Таблица 8.2

этапа	Содержание этапа	Операция, рыггллняемая с помощью ЭВМ
	Разработка требова­ний к проектируемой .аппаратуре	—
	Разработка структур­ной схемы	Моделирование при проверке струк­турной схемы
	Выбор элементной базы	Частные задачи, например выбор серии и степени интеграции, в том числе и с учетом конструктивно-тех­нологических факторов для уст­ройств типа ЭВМ
	Разработка функцио­нальной схемы	Синтез функциональных схем на заданных логических элементах
	Построение принципи­альных схем	Переход от функциональной к прин­ципиальной схеме. Моделирование схемы
	Расчленение аппара­туры на ячейки	Выбор геометрических размеров ячеек и блоков. Распределение ми­кросхем по печатным платам с уче­том минимальной длины соединений
	Разработка специа­лизированных микро­схем и ммкросборок	Разработка логической и принципи­альной схем, расчет параметров эле­ментов, проектирование топологии, разработка тестов для проверки, со­здание конструкторской документа­ции
	Конструкторско-тех-нологическая разра­ботка	Проектирование печатных плат, трассировка соединений, разработка тестов для проверки, создание кон­структорской документации

 

Сложность и трудоемкость процесса проектирования микроэлек­тронных устройств привели к необходимости перехода от общепри­нятых эмпирических приемов конструирования, зачастую опираю­щихся на субъективные оценки и интуитивные соображения разработчиков, к более рациональным методам, основанным на использовании ЭВМ.

В табл. 8.2 показаны операции, выполняемые в настоящее вре­мя с помощью ЭВМ.

Полностью автоматизировать процесс проектирования аппара­туры пока не представляется возможным, однако для наиболее трудоемких этапов (5, 6, 8) существуют системы комплексной авто­матизации, начиная от построения принципиальной схемы до пред­ставления топологии печатных плат я всех соединений в виде чер­тежей, а также соответствующего кода на носителях информации (перфоленты, перфокарты) для последующего автоматического изго­товления фотошаблонов, которые используются для металлизации и диффузии.

Применение ЭВМ дает большой выигрыш во временя и в ка­честве проектирования. Например, даже при построении сравнитель­но простой печатной платы с 32 микросхемами получен выигрыш во времени в 40 раз, а в длине проводников, что существенно для быстродействия, в 2 раза.

Проектирование аналоговой аппаратуры имеет ряд особенно­стей, основными из которых являются следующие. При построении аналоговой аппаратуры используют более широкую номенклатуру микросхем, чем в цифровых устройствах. Это обусловлено в пер­вую очередь большим многообразием функций, выполняемых ана­логовой аппаратурой и ее узлами. Указанная особенность опреде­ляет необходимость широкого использования микросхем специализи­рованного применения и микросборок, разработанных с учетом спе­цифики проектируемых устройств.

Аналоговые микросхемы в отличие от цифровых характеризуют­ся большим числом параметров. В справочных данных, как правило, приводится ограниченное число параметров, соответствующих глав­ным образом одному из частных вариантов использования микро­схем. Поэтому при проектировании новой аппаратуры нередко тре­буется дополнительная информация о параметрах микросхем. На­пример, для использования преобразователя частоты 2ПС351 в при­емных устройствах, кроме приведенных в справочниках данных, необходимо знать следующие параметры: крутизну преобразования на различных частотах, коэффициент подавления напряжения гете­родина, коэффициенты шума и нелинейных искажений, динамиче­ский диапазон и т. п.

Информация, недостающая для проектирования, может быть получена экспериментальным или расчетным путем.

Недостаток информации о параметрах аналоговых микросхем часто создает затруднения при решении вопросов выбора элемент­ной базы, а также согласования микросхем между собой и с други­ми элементами схемы. Эти затруднения наиболее заметны при использовании микросхем различных серий. Поэтому для решения вопросов согласования и выбора режима работы микросхем широко используют макетирование отдельных узлов аналоговой аппарату­ры, а также их моделирование на ЭВМ.

К стабильности и разбросу параметров аналоговых микросхем предъявляют более жесткие требования, чем к цифровым микро­схемам. Указанную особенность необходимо учитывать на этапе вы­бора серии микросхем для реализации проектируемого устройства.

В аналоговой аппаратуре шире, чем в цифровой, применяют навесные дискретные компоненты. Причинами этого являются огра­ниченные возможности изготовления конденсаторов и катушек ин­дуктивности в интегральном исполнении, а также необходимость использования микросхем на различных частотах, с разными видами нагрузки и напряжения питания. Особенно широко используют ди­скретные компоненты с универсальными микросхемами,

 

 

Рассмотрим теперь более подробно те элементы конструкции и процессы создания аппаратуры, которые специфичны для микро­электронных устройств, в частности многослойные печатные платы, а также вопросы компоновки узлов, ячеек, блоков и обеспечения необходимого теплового режима.

Печатные платы для установки микросхем. Печатные платы служат основанием для монтажа микросхем и обеспечивают комму­тацию всех элементов в соответствии с принципиальной схемой. Применение печатных плат позволяет на один-два порядка повысить плотность компоновки по сравнению с объемным монтажом и на порядок снизить массу.

В устройствах малой сложности и в аппаратуре, к которой не предъявляются очень высокие требования к плотности монтажа, применяют однослойные и двуслойные платы. В аппаратуре средней и большой сложности часто используют многослойные печатные платы.

Однослойные и двуслойные платы (рис. 8.6,а) состоят из осно­вания, на которое с одной или двух сторон наносятся печатные про­водники. Основания плат должны обладать достаточной механиче­ской прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высокой на-гревостойкостью и хорошей адгезией (сцепляемостью) материалов платы и печатных проводников. При изготовлении печатных плат широко используют стеклотекстолит, стеклоткань, гетинакс, фторо-пласт-4 и некоторые другие диэлектрики. Толщина плат 0,8 — 3 мм, а их типовые габаритные размеры 135x110; 135X240; 140X130; 140X150; 140X240; 150X200; 170X75; 170Х110; 170X120; 170Х XI30; 170X150; 170X160; 170X200. Печатные проводники выпол­няют чаще всего из меди, алюминия, никеля или золота толщиной 20 — 70 мкм.

При выборе сечения, конфигурации и расстояния между провод­никами исходя из допустимой плотности тока (менее 20 А/мм²), рабочего напряжения, условий теплоотвода и прочности сцепления .проводников с основанием. Ширина проводников печатных плат обычно составляет 1,5 — 2,5 мм, а расстояние между ними 0,3 — 1 мм. Для плат с повышенной плотностью монтажа ширину проводников и зазоры между ними уменьшают до 0,15 — 0,5 мм. Во избежание короткого замыкания припоем во время пайки минимальное расстояние между проводниками у мест соединения берут не менее 1,5 мм.

 

Рис. 8.6. Печатные платы:

 

Для установки микросхем и навесных деталей на плате про­сверливают и металлизируют отверстия, которые располагают в узлах координатной сетки (рис. 8.6,а). Обычно шаг сетки равен 25 или 125 мм, но иногда он может быть уменьшен до 0,5 мм. При шаге в 2,5 мм допуск на точность размещения отверстий со-ставпяет 0 13 мм, что сравнительно легко достигается с помощью современной технологии. Если требуется сделать шаг меньше, точ­ность размещения отверстий возрастает, что увеличивает стоимость плат.

Диаметр отверстия исходя из условий пайки должен быть боль­ше диаметра вывода микросхемы на 0,15 — 0,25 мм и в 3 раза мень­ше толщины платы. Вокруг монтажного отверстия создают контакт­ную площадку на 0,6 — 1,5 мм больше диаметра отверстия.

Конфигурацию проводников выбирают такой, чтобы исключить отстаивания от основания, в частности, не допускается образование прямых или острых углов. Радиус закругления проводников не дол­жен быть меньше 2 мм.

Изображения проводников наносят на плату следующими спо­собами: фотографическим, т. е. контактным копированием, при ко­тором плата предварительно покрывается светочувствительной эмульсией получаемое при этом способе изображение имеет точ-ность +0,15 мм; способом сеткографии, т. е. продавливанием через сетчатый трафарет кислотощелочноупорной краски, точность изобра­жения +03 мм; способом офсетной печати, при котором кислото-щепочноупорная краска переносится с цинкографического клише на резиновый валик, а с него на плату, точность изображения ±0,2 мм. В бытовой аппаратуре (радиоприемники, телевизоры, магнито­фоны и т. п.) обычно используют второй способ.

Наиболее распространенными методами нанесения металличе­ских проводников являются: химический, предусматривающий изби­рательное удаление металла с предварительно фольгированной пла­ты- комбинированный, представляющий собой комбинацию техноло­гических приемов травления фольгированного диэлектрика с после­дующей металлизацией монтажных отверстий.

В последние годы получили распространение так называемые аддитивные и полуаддитивные методы изготовления печатных плат, не связанные с травлением фольгированного диэлектрика. Нанесе­ние проводников осуществляют либо чисто химическим наращива- нием (аддитивные платы) или в комбинации с электрохимическим их Нормированием (полуаддитивные платы). Достоинства этих ме­тодов — повышенная точность рисунка проводников и равномерная толщина металлизированного слоя. Указанные методы используют в тех случаях когда нужно обеспечить минимальные значения шк-пины проводников и зазоров между контактными площадками (шаг 0125 — 05 мм). Аддитивные и полуаддитивные платы, в частности, применяют при использовании керамических кристаллодержателей (микрокорпусов) без выводов, вместо которых используют контакт­ные площадки на основании кристаллодержателя. Для установки керамических кристаллодержателей применяют платы из вышеука­занных материалов, а также из керамики.

В аппаратуре, построенной на микросхемах первой и второй степени интеграции, наибольшее распространение получили платы с расположением печатных проводников с одной и двух сторон основания.

Рис. 8.7. Межсоединения с помощью метал­лизации:

 

Многослойные печатные платы (МПП) представляют собой единый монтажно-коммутационный узел, состоящий из чере­дующихся слоев токопроводящего и изо­ляционного материала. Пример трехслой­ной печатной платы показан на рис. 8.6,6. В пределах каждого слоя МПП подобны односторонним платам. Многослойные платы характеризу­ются повышенной плотностью монтажа, большой устой­чивостью к внешним воздействиям. Они сокращают длину межсоеди­нений, а следовательно, и задержку прохождения сигналов. Этот фактор имеет большое значение, так как при длине соединений в 10 — 15 см время задержки сигнала в печатной плате составляет примерно 1 не, что соизмеримо со временем задержки быстродейст­вующих микросхем. Многослойные печатные платы отличаются от односторонних и двусторонних наличием соединений между большим числом слоев, повышенными требованиями к точности технологиче­ских операций и электрическим параметрам. Процесс изготовления Таких плат более сложен.

Межсоединения в МПП осуществляются с помощью механиче­ских деталей (пистонов, штифтов, лепестков), печатных проводни­ков и металлизации. Первые два способа из-за трудоемкости и не­высокого качества соединений не нашли широкого применения. Наи­более распространен третий способ, при котором межсоединения создаются путем металлизации (попарное прессование, металлиза­ция сквозных отверстий). При попарном прессовании межслойные соединения выполняют на двусторонних платах путем металлизации отверстий. Платы склеивают прессованием, после чего между на­ружными слоями металлизации создают соединения. Этапы изготов­ления четырехслойной печатной платы приведены на рис. 8.7,а. Не­посредственного соединения, между внутренними слоями нет, оно осуществляется через наружные. Способ попарного прессования сравнительно прост, он позволяет получать надежные соединения и используется при малом числе слоев.

Изготовление межсоединений путем металлизации сквозных отверстий заключается в следующем. Пакет из заготовок с выпол­ненными проводниками склеивают прессованием. Затем просверли­вают и металлизируют сквозные отверстия, обеспечивающие соеди­нения схем, расположенных на различных внутренних слоях (рис. 8.7,6). Для увеличения контактирующей поверхности между металлом проводников и металлизацией используется подтравли-вание диэлектрика во внутренних слоях. Изготовление межсоедине­ний путем металлизации сквозных отверстий — наиболее распростра­ненный способ из-за простоты, хорошего качества соединений и вы­сокой технологичности,

На практике иногда совмещают попарное прессование с метал­лизацией сквозных отверстий.

Число слоев МПП выбирают в зависимости от сложности прин­ципиальной схемы, степени интеграции микросхем и требований к плотности монтажа. Наиболее часто используют платы с четырь­мя — восемью слоями, однако число слоев может быть и большим. Каждую функциональную цепь стремятся располагать на от-дечьном слое, например слой питания, слой нулевого потенциала (зёмчи) слой соединений логических элементов. Иногда слои пита­ния и земли выполняют в виде сплошной или сетчатой поверхности, которая одновременно выполняет функцию экрана.

Внутри многослойной печатной платы возгожно создание тон­кого слоя резнстивного материала, расположенного между подлож­кой и слоем фольги. На базе резистивного слоя можно затем фор­мировать необходимые резисторы. Такой метод позволяет уменьшить размеры устройства. ,,,-тп

В связи с тем, что печатные проводники и отверстия в МПП распочагают очень плотно и они имеют малые размеры, необходимо учитывать паразитную емкость и сопротивление проводников. Емкость между соседними проводниками, расположенными парал-лечьно в соседних слоях, может достигать 3 пФ/см. Для ее умень­шения проводники располагают взаимно перпендикулярно. Для этой же цечи иногда увеличивают расстояние между слоями путем испочьзования нескольких слоев склеивающей стеклоткани. Сопро-тнв-ение печатных проводников составляет 2,4 мОм/см, а сопро­тивление сквозного металлизированного отверстия не превышает 10 мОм/см.

Существуют определенные ограничения плотности размещения входных контактов на многослойных платах. При использовании штыревых контактов, расположенных в несколько рядов, расстоя-ние между штырями должно быть не менее 2,5 мм, а диаметр шты­ря не должен превышать 0,7 мм. При пленарных выводах контакты располагают в один ряд с шагом 1,25 мм.

С увеличением числа микросхем на печатной плате усложняется ее топология и повышается трудность разработки. При создании плат стоемятся уменьшить число слоев и минимизировать длину соеденительных проводников. Для сложных устройств поиск опти­мальной топологии вручную очень затруднителен, поэтому для трассировки плат все шире применяют ЭВМ.

Большая сложность МПП затрудняет контроль качества. Наи­более часто используют методы автоматической проверки на це­лостность проводников и отсутствие коротких замыкании между ними. Для проверки МПП закрепляют на рабочем столе контроль­ной установки и к монтажным отверстиям платы прижимают пру-жинящие контакты, подключающие участки рисунка плат к кон­трольной схеме. Более подробные сведения о печатных платах имеются в [42].

Размешение микросхем, компоновка узлов, ячеек и блоков. Интегральные микросхемы и микросборки на печатных платах, как правило располагают рядами, хотя допускается их расположение в шахматном порядке. Установку и крепление микросхем на плата производят, учитывая легкость доступа к любой из них и возможность замены.

 

Рис. 8.8. Установка микросхем на печатную плату:

а, б — микросхемы со штыревыми выводами; в — микросхемы с пленарными выводами (1 — микросхема; 2 — основание; 3 — теплоотводящая шина; 4 — прокладка)

 

Микросхемы со штыревыми выводами при расстоянии между выводами, кратном 2,5 мм, располагают на печатной плате таким образом, чтобы их выводы совпадали с узлами координатной сетки (рис. 8.6,а). Если расстояние между выводами не кратно 2,5 мм, то их располагают так, чтобы один или несколько выводов совпа­дали с узлами координатной сетки. При этом микросхемы устанав­ливают только с одной стороны печатной платы, причем между микросхемами и платой обычно оставляют зазор. Допускается при­менение изоляционной прокладки из пресс-материалов, которую при­клеивают к плате. Примеры крепления рассматриваемых элементов показаны на рис. 8.8,а, б.

 

Рис. 8.9. Разметка посадочных мест для микросхем:

 

Микросхемы с пленарными выводами припаивают к металлизи­рованным контактным площадкам печатной платы. Варианты их крепления приведены на рис. 8.8,в. Такие микросхемы могут устанавливаться как с одной, так и с двух сторон печатной платы. Микросхемы повышенной степени интеграции (третьей и более) часто устанавливают на теплоотводящее металлическое основание ячейки или индивидуальные радиаторы.

Примеры разметки посадочных мест для микросхем на печатной плате даны на рис. 8.9,а, б. При установке микросхемы первый ее вывод должен быть совмещен с ключом, нанесенным на плату. Выводы на плате могут располагаться как в один ряд (рис. 8.10,а), так и в шахматном порядке (рис. 8.10,6).

Шаг установки микросхем на печатной плате определяется кон­структивными параметрами корпуса, числом выводов, требуемой плотностью компоновки, температурным режимом блока. Шаг уста­новки микросхем выбирают кратным 2,5 мм для микросхем с рас­стоянием между выводами 2,5 мм и кратным 1,25 мм для микро­схем с расстоянием между выводами 1,25 мм. Шаг может быть от 15 мм (для корпуса 151.15 — 1) до 70 мм (для корпуса 244.48 — 1).

Основным методом компоновки микросхем считается плоскост­ной, при котором элементы устанавливают на печатной плате в одной плоскости с одной или двух сторон. Микросхемы в прямо­угольных корпусах обычно размещают с учетом направления воз­душного потока, как показано на рис. 8.11. Это позволяет создать наилучшие условия для их охлаждения. Используют и другие спо­собы установки микросхем на платах. Так, для микросхем со шты­ревыми выводами используют объемные конструкции в виде «гар­мошки», «вафли» и т. п. В первом случае (рис. 8.12,а) применяют гибкую печатную плату, между перегибами которой устанавливают микросхемы. Во втором случае (рис. 8.12,6) микросхемы крепят к жестким платам. Такие конструкции применимы только при облег­ченном тепловом режиме. В некоторых конструкциях микросхемы крепят на гибком основании из резины («ремне»), которое прошито соединительными проводами (до 250 шт.).

Рис. 8.12. Варианты установки микросхем на платы: о — гибкие платы; б — жесткие платы (1 — плата; 2 — ми­кросхема)

 

Бескорпусные микросборки обычно устанавливают на теплоотво-дящее металлическое основание ячейки или индивидуальные метал­лические шины. Размеры плат микросборок составляют от 16X7,5 до 48X30 мм, от этих размеров зависит шаг их установки. На пе­чатные платы (а также в микросборки и гибридные микросхемы) могут устанавливаться безвыводные керамические кристаллодержа-тели или кристаллы бескорпусных микросхем. Такие кристаллы мо­гут поставляться на ленточных носителях, представляющих собой основание, на котором установлен герметизированный кристалл и нанесен рисунок соединений, который обеспечивает коммутацию между печатной платой и кристаллом. Перед установкой часть лен­ты с кристаллом и соединениями вырезают и затем устанавливают на плату. Использование ленточного носителя кристаллов значитель­но облегчает автоматизацию монтажа, особенно когда требуется соединение с большим числом выводов.

Навесные детали устанавливают на печатных платах с исполь­зованием посадочных мест микросхем. При одностороннем монтаже эти детали крепят со стороны расположения микросхем, а при дву­стороннем — со стороны размещения разъемов.

В качестве навесных компонентов применяют малогабаритные керамические (КЛГ, КМ, К10-9, К10-17, К10-22) и оксидно-элек­тролитические конденсаторы (К53-10, К53-15), резисторы СЗ-2, СЗ-3, дроссели ДМ, трансформаторы ММТИ-35, ТИГ-34, катушки индук­тивности на карбонильных тороидальных сердечниках марки Р-100 либо пленочного типа на подложках малых размеров и др.

Крупногабаритные радиодетали и узлы группируют, как прави­ло, в отдельные ячейки. При совместной компоновке микросхем и крупногабаритных дискретных компонентов рекомендуется группи­ровать микросхемы в узлы, соизмеримые по высоте с дискретными компонентами, т. е. применять объемно-плоскостной метод компо­новки (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Компоновка узлов на микросхемах совместно с навесны­ми деталями (1 — узлы с микросхемами; 2 — дискретные компонен­ты; 3 — печатная плата)

 

Объемно-плоскостной монтаж применяют и в случае использо­вания готовых узлов пакетной конструкции на микросхемах. Паке­ты набирают из корпусированных микросхем с пленарными выво­дами, располагают их одну на другой и заливают компаундом. Монтаж соединений производят на боковых гранях пакета, куда выходят выводы, с помощью напыленных проводников. Такая кон­струкция позволяет сравнительно просто увеличить плотность ком­поновки микросхем.

Ячейки чаще всего содержат одну или две платы. Число пе­чатных плат определяется требованием функциональной законченно­сти ячеек, их повторяемостью, а также габаритными размерами плат и ячеек.

Конструктивно ячейки могут быть выполнены в бескаркасных и каркасных вариантах. Роль несущего элемента в бескаркасном одноплатном варианте выполняет печатная плата. Такие ячейки применяют в слабонагруженпой аппаратуре. Использование бескар­касных конструкций в сильно нагруженной аппаратуре допускается при наличии в блоках дополнительных элементов конструкций, обеспечивающих необходимую механическую прочность ячеек. При­меры бескаркасных ячеек показаны на рис. 8.14,о, б.

В бескаркасном исполнении создают ячейки-модули первого уровня. Они обычно имеют типовые размеры печатной платы 170X75, 170X200. Пример конструкции модуля показан на рис. 8.14,е.

В каркасных конструкциях роль несущего элемента выполняет рамка или металлическое основание ячейки. Каркасные конструкции ячеек применяют в аппаратуре с высокими механическими требова­ниями, при двух- и многоплатных конструкциях ячеек, а также при использовании схем повышенной степени интеграции.