Артикул: 42032

Основы конструирования высокоскоростных электронных устройств

Автор: Белоус А. И. , Солодуха В. А. , Шведов С. В.

Год: 2017

Издательство: Техносфера

Место издания: Москва

ISBN: 978-5-94836-500-8

Страниц: 872

Форматы: PDF

цена: 1499 руб.

Впервые в отечественной научно-технической литературе в объеме одной книги детально и последовательно рассмотрен комплекс теоретических и практических аспектов проектирования и организации производства различного рода радиоэлектронных устройств, приборов и систем, общим и основным отличительным признаком которых является высокая скорость обработки и передачи данных.
В быстродействующих цифровых схемах, составляющих основу аппаратной части современных быстродействующих электронных устройств, короткие фронты обрабатываемых и передаваемых сигналов приводят к появлению множества нежелательных эффектов – разработчики таких устройств на практике имеют дело с искаженными до неузнаваемости цифровыми сигналами, которые к тому же передаются на фоне множественных помех.
Поскольку многие из вопросов, включенных в эту книгу, ранее не рассматривались в стандартных учебных курсах, инженеры-практики часто относятся к эффектам, проявляющимся в высокоскоростных цифровых устройствах, как к чему-то мистическому, поэтому в своей профессиональной среде называют их «эффектами черной магии», имея в виду, что на высоких частотах с быстродействующими устройствами происходит что-то необычное и необъяснимое.
В большинстве случаев в устройствах «низкой» и «средней» производительности эти эффекты себя не проявляют, но с увеличением скорости обработки и скорости передачи данных они фактически стали преградой на пути повышения производительности современных информационно-коммуникационных и телекоммуникационных систем. В монографии рассмотрены основные теоретические и практические аспекты проектирования быстродействующих электронных устройств «по полной цепочке» – от верхнего системного уровня иерархии до уровня базовых элементов и плат.
Книга ориентирована на широкий круг читателей: студентов, аспирантов, преподавателей технических университетов, инженеров, специализирующихся в области разработки и организации производств различного рода радиоэлектронных устройств, приборов и систем, к которым предъявляются требования обеспечения высокой скорости обработки и передачи данных.

Предисловие
Введение
Глава 1. Информационно-коммуникационные технологии и системы на их основе
1.1. Основные тенденции развития информационно-коммуникационных технологий
1.2. Основные принципы организации телекоммуникационных систем
1.3. Из истории развития высокоскоростных сетей передачи данных
1.4. Стандартные протоколы функционирования телекоммуникационных систем
1.5. Базовые стандарты телекоммуникационных систем
1.6. Практические основы физического и логического кодирования данных
1.7. Узкополосные и широкополосные системы c мультиплексированием данных
1.8. Режимы и среды передачи данных
1.9. Структурированные кабельные системы
1.10. Топологии высокоскоростных систем передачи данных
1.11. Методы организации доступа в высокоскоростные каналы
1.12. Технологии коммутации
1.13. Особенности организации связи сегментов телекоммуникационных сетей
1.14. Полупроводниковая элементная база для телекоммуникационных систем нового поколения
Глава 2. Особенности организации проводных интерфейсов высокоскоростных электронных устройств
2.1. Линии связи как составной компонент интерфейса
2.2. Методы организации и основные параметры интерфейсных шин высокоскоростных электронных устройств
2.3. Основные принципы применения и методы расчета характеристик проводных линий связи
2.3.1. Расчет электрических параметров проводных линий связи
2.3.2. Расчет динамических параметров проводных линий связи
2.3.3. Энергетические параметры проводных линий связи
2.3.4. Конструктивные варианты реализации проводных линий связи
2.4. Организация процесса высокоскоростной передачи данных на основе трансиверов с топологией типа SerDes
2.4.1. Принципы работы трансивера с топологией типа SerDes
2.4.2. Методы коррекции сигнала при передаче по видеокабелю
2.5. Особенности проектирования высокоскоростных шин памяти DDR
2.5.1. Принцип работы модуля DDR
2.5.2. Методологические особенности этапа подготовки к моделированию
2.5.3. Некоторые методологические особенности этапа моделирования
2.6. Особенности организации каналов высокоскоростной передачи данных с интерфейсом RS-485
2.6.1. Синхронные каналы передачи данных на основе RS-485
2.6.2. Асинхронные каналы передачи данных на основе RS-485
2.7. Схемотехнические методы защиты интерфейсных шин RS-485 от электрических перенапряжений
2.8. Практические рекомендации по конструированию шинного узла высокоскоростного интерфейса RS-485
2.9. Особенности проектирования высокоскоростных электронных устройств на основе программируемых логических микросхем
2.9.1. Выбор конкретного типономинала базовой ПЛИС
2.9.2. Общие рекомендации по выбору структуры системы электропитания высокоскоростных электронных устройств
2.9.3. Общие рекомендации по выбору оптимальной структуры дерева тактовых сигналов
2.9.4. Общие рекомендации по проектированию топологий печатных плат высокоскоростных устройств
2.10. Cхемотехнические варианты согласования линий передачи стандарта LVPECL
Глава 3. Беспроводные телекоммуникационные системы
3.1. Тенденции, перспективы и проблемы развития элементной базы беспроводных телекоммуникационных систем
3.2. Основные методологические и терминологические проблемы внедрения беспроводных телекоммуникационных систем пятого поколения
3.3. Состояние, перспективы и проблемы развития технологий мобильной связи пятого поколения (5G)
3.4. Основные тенденции и проблемы развития беспроводных технологий для «Интернета вещей» (IoT)
3.5. Каналы связи телекоммуникационных систем поколения 5G на основе фазированных антенных решеток
3.6. Особенности использования технологий LPWAN для «Интернета вещей»
Глава 4. Методы и средства обеспечения помехоустойчивости быстродействующих электронных устройств
4.1. Электромагнитная совместимость электронных устройств: термины, определения, классификация
4.1.1. Природа электромагнитных помех
4.1.2. Формы представления сигналов помехи
4.1.3. Измерение электромагнитного излучения
4.1.4. Термины, определения, классификация ЭМС
4.1.5. Нормы и стандарты электромагнитной совместимости
4.2. Оценка устойчивости полупроводниковой элементной базы быстродействующих электронных устройств к воздействию электромагнитных помех
4.3. Обеспечение электромагнитной совместимости микропроцессорных блоков управления быстродействующих электронных устройств
4.3.1. Особенности проектирования печатных плат, оптимизированных по электромагнитной совместимости
4.3.2. Особенности измерения уровня помех, излучаемых микроконтроллерами
4.3.2.2. Схемотехнические методы по предотвращению излучения помех от микроконтроллеров
4.3.2.3. Компьютерное моделирование характеристик EMC
4.3.3. Обеспечение электромагнитной совместимости в проводных линиях связи телекоммуникационных сетей
4.3.3.1. Общие требования к электромагнитной совместимости телекоммуникационных систем
4.3.3.2. Системы, компоненты и основные понятия
4.3.4. Особенности проектирования топологии печатных плат для высокоскоростных систем связи
4.3.4.1. Понятие целостности сигнала
4.3.4.2. Перекрестные помехи
4.3.4.3. Индуктивная перекрестная помеха
4.3.4.4. Емкостная перекрестная помеха
4.3.4.5. Сочетание индуктивной и емкостной перекрестных помех
4.3.4.6. Затухающие колебания («звон»)
4.3.4.7. Нестабильность земли
4.3.4.8. Шумы источника питания
4.4. Методы уменьшения уровня интермодуляционных искажений в высокоскоростных электронных устройствах
4.4.1. Механизмы возникновения явлений пассивной интермодуляции
4.4.2. Методы снижения уровня пассивной интермодуляции в радиочастотных соединителях
4.4.3. ПИМ в материале печатной платы
4.4.4. ПИМ в полосковых, коаксиальных и волноводных линиях передачи
4.4.5. ПИМ в направленных ответвителях, частотных дуплексерах и трансформаторах
4.4.6. Внешние источники ПИМ
4.4.7. Методы оценки уровня ПИМ
4.5. Стандарты и методы испытаний быстродействующих электронных устройств на устойчивость к электростатическим разрядам
4.5.1. Стандарты испытания на уровне устройства
4.5.1.1. Модель человеческого тела
4.5.1.2. Машинная модель
4.5.1.3. Модель заряженного устройства
4.5.2. Сравнение методов испытаний на уровне устройства
4.5.3. Стандарты испытаний на системном уровне
4.5.3.1. Устойчивость к быстрому переходному процессу
4.5.3.2. Устойчивость к всплескам напряжения
4.6. Защитные СВЧ-устройства для телекоммуникационных систем
4.6.1. Классификация и особенности применения защитных СВЧ-устройств для радиоэлектронной аппаратуры
4.6.2. Газоразрядные защитные устройства
4.6.3. Полупроводниковые защитные устройства
4.6.4. Вакуумные защитные устройства
4.7. Специальные компоненты для фильтрации и подавления электромагнитных помех в телекоммуникационных системах
4.7.1. Керамические конденсаторы
4.7.2. Коаксиальные фильтры нижних частот
4.7.3. Фильтры для поверхностного монтажа
4.8. Методика оценки ресурса быстродействующих электронных устройств с учетом надежности механических составных частей
Глава 5. Основы проектирования конструкций печатных плат быстродействующих электронных устройств
5.1. Конструкции и технологии изготовления печатных плат
5.1.1. Из истории создания печатных плат
5.1.2. Конструкции печатных плат
5.1.2.1. Многослойные печатные платы
5.1.2.2. Гибкие печатные платы
5.1.2.3. Печатные платы на основании с высокой теплопроводностью
5.1.3. Основные технологические особенности изготовления печатных плат
5.1.4. Проблемы микроминиатюризации элементов печатных плат
5.1.5. Печатные платы для компонентов с большим тепловыделением
5.2. Особенности проектирования печатных плат для высокоскоростных линий передачи
5.2.1. Классификация основных типов линий передачи высокоскоростных электронных устройств
5.2.2. Конструктивные особенности проектирования высокоскоростных линий передачи сигналов
5.2.3. Особенности расчета характеристик проводников и линий передачи на печатных платах СВЧ-устройств
5.3. Конструктивно-технологические особенности проектирования печатных плат для быстродействующих электронных устройств
5.3.1. Методологические аспекты конструирования печатных плат быстродействующих устройств с учетом вносимых потерь
5.3.2. Финишные покрытия для ВЧ-плат
5.4. Основные тенденции развития технологии проектирования печатных плат для быстродействующих электронных устройств
5.4.1. Основные тенденции развития инновационных технологий печатных плат
5.4.2. Некоторые технологические особенности реализации встроенных компонентов печатных плат
5.4.3. Некоторые новые применения меди в межсоединениях печатных плат высокоскоростных электронных устройств
5.4.4. Методы конструирования специальных подложек для микросборок электронных устройств
5.4.5. Особенности размещения оптических цепей на платах
5.5. Методы обеспечения целостности сигналов в высокоскоростных линиях связи
5.5.1. Что такое целостность сигналов
5.5.2. Целостность сигнала
5.5.3. Выбор протокола как средство повышения целостности сигнала
5.6. Электромагнитные помехи и методы обеспечения целостности сигналов на печатных платах высокоскоростных электронных устройств
5.7. Методы обеспечения целостности сигнала на всех этапах проектирования печатной платы
5.8. Методика расчета зигзагообразных линий задержки для печатных плат высокоскоростных устройств
5.8.1. Расчет перекрестных помех в связанных линиях передачи
5.8.2. Механизм формирования помехи в серпантине
5.8.3. Уравнения выходного сигнала серпантина
5.8.4. Методика определения расстояния s и коэффициента связи между соседними секциями
5.8.5. Аналитические выражения для определения расстояния между секциями серпантина
5.8.6. Практические рекомендации по выбору длины секции
5.8.7. Методика расчета величины времени опережения выходного сигнала за счет помех
5.8.8. Методика итогового расчета линии задержки
5.9. Практические рекомендации по устранению нежелательных эффектов от висячих переходных отверстий
5.10. Основные эмпирические правила проектирования топологии плат с высокоскоростными сигналами
Глава 6. Базовые компоненты телекоммуникационных систем
6.1. Особенности использования пассивных компонентов в ВЧ- и СВЧ-устройствах
6.1.1. Необходимость использования специальных материалов для эксплуатации в экстремальных условиях
6.1.2. Волноводы и коаксиальные линии связи
6.1.3. Адаптеры и оконечное оборудование
6.1.4. Аттенюаторы и поглощающие фильтры
6.1.5. Направленные ответвители и делители/сумматоры мощности
6.1.6. Основные механизмы деградации СВЧ-компонентов
6.2. Новое поколение энкодеров, особенности их применения в составе РЭА
6.3. Базовые технологии радиочастотных систем
6.3.1. Качественный анализ технологий изготовления радиочастотных компонентов
6.3.2. Особенности выбора конструктивно-технологических параметров мощных СВЧ MESFET-транзисторов на основе карбида кремния
6.4. Конструктивно-технологические особенности и области применения импедансных ПАВ-фильтров
6.4.1. Особенности проектирования микросхем на ПАВ
6.4.2. Конструктивно-технологические особенности импедансных ПАВ-фильтров
6.4.3. Области применения импедансных ПАВ-фильтров
6.5. СВЧ-приложения МЭМС-технологий
6.5.1. Особенности реализации радиочастотных МЭМС/КМОП-устройств
6.5.2. Радиочастотные МЭМС-переключатели
6.5.3. Pадиочастотные МЭМС-конденсаторы переменной емкости
6.5.4. Интегрированные МЭМС/КМОП-резонаторы
6.5.5. MEMS-технологии в задачах системной интеграции радиолокационных устройств
6.5.5.1. Типовые MEMS-изделия для СВЧ-устройств
6.5.5.2. Технологии микромонтажа СВЧ MEMS-приборов
6.6. Программно-конфигурируемые радиосистемы
6.7. Кабельные сборки СВЧ-диапазона
6.7.1. Назначение, классификация, особенности применения кабельных сборок
6.7.2. Основные технические параметры радиочастотных кабельных сборок
6.8. Основные технические параметры и конструктивные решения фазостабильных кабелей СВЧ-диапазона
6.8.1. Радиочастотные кабели Temp-Flex компании Molex
6.8.2. Радиочастотные кабели с изоляцией из двуокиси кремния
6.8.3. Радиочастотные кабели Phase Track
6.8.4. Радиочастотные кабели SuсoPearl компании Huber+Suhner
6.9. ВОЛС в ЛВС и системах сбора информации: выбор физической среды и активной компонентной базы
6.9.1. Основные тенденции развития волоконно-оптических технологий
6.9.2. Типовые характеристики базового комплекта для ВОЛС
Глава 7. Специализированные микросхемы для телекоммуникационных систем
7.1. Принципы построения и основные технические характеристики телекоммуникационных микросхем серии SerDes
7.1.1. Основные положения базового стандарта IEEE 802.3 телекоммуникационных сетей Ethernet
7.1.2. Основные технические характеристики микросхем серии SerDes компании Semtech
7.1.3. Структура и принцип действия микросхем серии SerDes
7.2. Методы проектирования импульсных преобразователей напряжения с топологией SEPIC
7.2.1. Анализ и расчет параметров стандартного преобразователя SEPIC
7.2.2. Анализ и расчет двуполярного источника напряжения на основе преобразователя SEPIC
7.2.3. Выбор микросхемы преобразователя
7.2.4. Определение параметров остальных компонентов схемы
7.2.5. Краткое описание процесса моделирования преобразователя SEPIC
7.3. Применение систем на кристалле (СнК) для создания двунаправленных линий связи миллиметрового диапазона 60 ГГц
7.3.1. Модем миллиметрового диапазона
7.3.2. Базовый набор микросхем трансиверов для диапазона миллиметровых волн
7.4. Специализированные микросхемы для построения шины RS-485
7.4.1. Функциональные особенности приемопередатчиков интерфейса RS-485
7.4.2. Практические рекомендации по применению интерфейсных приемопередатчиков
7.5. Cпециализированные микросхемы для высоковольтных интерфейсов LVDS и DVI
7.5.1. Основные технические решения для построения интерфейса LVDS
7.5.2. Основные технические решения для построения DVI
7.6. СВЧ-микросхемы для высокоскоростных электронных устройств
7.6.1. Развитие технологии нитрида галлия и перспективы его применения в СВЧ-электронике
7.6.2. СВЧ-микросхемы на GaN
7.6.2.1. СВЧ-микросхемы компании RFHIC для систем беспроводной связи
7.6.2.2. Усилители СВЧ на основе технологии GaN
7.6.3. СВЧ-микросхемы компании HittiteMicrowave
7.6.3.1. СВЧ-микросхемы аттенюаторов
7.6.3.2. Типовые микросхемы аттенюаторов с аналоговым управлением
7.6.3.3. Микросхемы аттенюаторов с цифровым управлением
7.6.3.4. СВЧ и сверхширокополосные усилители с фиксированным усилением
7.6.3.5. Монолитные СВЧ-микросхемы полных синтезаторов частоты
7.6.4. Мощные нитрид-галлиевые транзисторы
7.6.5. СВЧ-приборы на основе технологии гетерогенной интеграции (Heterogeneous integration)
7.6.5.1. Проект COSMOS
7.6.5.2. Проект NEXT
7.6.5.3. Проект DAHI
7.6.5.4. Проект SMART-LEES
7.7. Методологические особенности проектирования радиочастотных микросхем
Глава 8. Защита быстродействующих электронных устройств от электромагнитных помех
8.1. Конструктивно-технологические методы защиты электронных устройств от воздействия электромагнитного излучения
8.2. Практические рекомендации по выбору надежных фильтров для защиты СВЧ-устройств от электромагнитного импульса
8.3. Особенности проектирования защитных устройств для радиоэлектронного оборудования с частотно-регулируемыми приводами
8.4. Практические рекомендации разработчикам РЭА по решению проблем защиты от кондуктивных помех
8.5. Применение многослойных пленочных электромагнитных экранов для защиты бортовой аппаратуры космических аппаратов от воздействия квазистационарных магнитных полей
Глава 9. Системы электропитания быстродействующих электронных устройств
9.1. Особенности проектирования систем электропитания быстродействующих электронных устройств
9.2. Специализированные микросхемы для систем энергопитания электронных устройств
9.2.1. Обобщенная структура цепи энергопитания телекоммуникационных устройств
9.2.2. Контроллеры и драйверы в цепях управления питанием
9.2.3. Импульсные стабилизаторы напряжения
9.2.4. LDO-стабилизаторы напряжения
9.2.5. Микросхемы супервизоров
9.2.6. Микросхемы формирования последовательности управляющих сигналов в цепях электропитания электронных устройств
9.2.7. Специализированные микросхемы для обеспечения горячего режима подключения электронной аппаратуры
9.2.8. Специализированные микросхемы переключателей нагрузки
9.3. Повышающие и понижающие DC/DC-преобразователи для быстродействующей электронной аппаратуры с батарейным питанием
9.4. Схемотехнические методы подавления шумов в цепях питания быстродействующих электронных устройств
9.4.1. Анализ типовой схемы разводки цепи электропитания платы СВЧ-устройства
9.4.2. Основные схемотехнические методы подавления шумов в цепях электропитания
9.5. Особенности организации систем заземления электронной аппаратуры электроэнергетических объектов
9.5.1. Заземление электронной аппаратуры – анализ неочевидных противоречий
9.5.2. Проблемы конвенциональных систем заземления
9.5.3. Актуальные проблемы использования защитных фильтров в цепях заземления электронных устройств
9.5.4. Заземление типа «плавающая земля»
9.5.5. Оптимальное решение проблемы организации защитного заземления электронных устройств
Глава 10. Базовые технологии корпусирования быстродействующих электронных устройств
10.1. Основные тенденции развития технологий корпусирования микросхем
10.2. BGA-технология сборки кристаллов
10.3. Технология монтажа кристаллов на плату
10.4. Многокристальные модули и печатные платы
10.5. Основные тенденции развития технологий корпусирования высокоскоростных микроэлектронных устройств
10.5.1. Тенденция уменьшения шага выводов корпуса микросхем
10.5.2. Технология сборки на пластине (WLP)
10.6. Особенности технологий корпусирования СВЧ-микросхем на пластине
10.7. Технологии TSV сборки микросхем для космических применений
10.8. Особенности сборки 3D изделий с использованием технологии «flip-chip»
10.9. Основные тенденции развития технологии корпусирования микроэлектронных изделий космического и военного назначения
10.10. Особенности использования клеев и паст при 3D сборке
10.11. Технологии корпусирования полупроводниковых СВЧ-приборов и МИС
10.11.1. Основные этапы создания отечественной технологии корпусирования СВЧ-приборов
10.11.2. Особенности технологии корпусирования мощных СВЧ-транзисторов
10.11.3. Особенности использования золота и алюминия в технологии сборки мощных СВЧ-транзисторов
10.11.4. Основы технологии сборки СВЧ-микросхем
10.12. Специализированные радиационно-защитные корпуса микросхем
10.12.1. Современные материалы и конструкции корпусов с интегрированными элементами радиационной защиты
10.12.2. Экспериментальные исследования экранов радиационной защиты на основе различных материалов
10.12.3. Корпуса для микросхем с ЭРЗ на основе композитного материала W-CU
10.13. Некоторые проблемы обеспечения надежности паяных соединений поверхностного монтажа
10.13.1. Необходимость перехода от тестирования к надежностному проектированию
10.13.2. Краткая характеристика полей нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации
Перечень условных обозначений
Приложение 1. Перечень авторов основных работ, графические и текстовые материалы которых использованы в книге «Основы конструирования высокоскоростных электронных устройств»

Все отзывы о книге

Чтобы оставить отзыв, зарегистрируйтесь или войдите

Рецензии на книгу

Чтобы писать рецензии и получать вознаграждения за рекомендации книг, станьте экспертом

Книги этой серии

Бестселлеры