ek-12-2019

«Производство электроники» №6 – журнал в журнале 12/2019

(c. 6) (c. 35) (c. 68) 1,45 В VOUT–
Дмитрий Боднарь, Как уменьшить 0,95 В
электромагнит- CT 0,45 В
генеральный
директор АО «Синтез ные помехи в VBIAS RT
Микроэлектроника»: печатных платах
с высокоскорост- PD 5 В VOUT+
прогнозы VOUT–
не подтвердились ными сигналами Анал–Uо1говый т20р1аОкмт 402 Ом
VCM_TIA= 3 В с+макOсPиAм85а5 льным
5В

динамиVчOеCMск= и0,9м5 В +– Фильтр ADS32J23
нчиасзктоитх
– +
THS4541
2,5дВиапазоном
иVREF = минима2л0ь1 нОмой 402 Ом VOUT+

погрешностью

Измерьте мир вокруг себя

Решения для обработки любого сигнала

Обеспечение связи между аналоговым миром людей и цифровым миром – сложная задача.
В продукции компании Microchip имеются микросхемы смешанных сигналов,
аналоговые микросхемы и интерфейсы. Они упростят инженерам выбор
нужных компонентов для измерения и преобразования широкого спектра
сигналов. Помимо большого портфеля с изделиями общего назначения,
мы также предлагаем набор высокопроизводительных устройств, которые
обеспечат высокую точность работы систем.

Откройте для себя наши решения по обработке сигналов!

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

РЕКЛАМА

с№оде1рж2ан/и2е Э0К19

РЫНОК ТОПОЛОГИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ журнал для разработчиков

6 Дмитрий Боднарь 32 Сергей Краснов
Полупроводниковая микроэлектроника – 2019 г. Преимущества анализа в частотной области

17 Илья Лебедев ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
Топ дистрибьюторов электроники мира и России
35 Александр Пономарев
РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ Борьба с электромагнитными помехами
в печатных платах с высокоскоростными
20 Сергей Никонов сигналами
Обманчивая «земля»
38 Георгий Боков
23 Александр Кораблев Способы уменьшения синфазных
Цифровые гальванические развязки компании электромагнитных помех
Broadcom. Часть 2
БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
26 К.С. Янг
Использование последовательного 42 Владимир Полудин
резонанса в драйверах для высоковольтного Радиочастотная выборка для многодиапазонных
пьезоэлектрического преобразователя радиостанций

www. elcp.ru электронные компоненты

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов
редакторы: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов;
редакционная коллегия: Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова;
распростр­ ан­ ение и подписк­ а: Марина Панова, Василий Рябишников; директор издательства: Михаил Симаков
Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35, тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: [email protected], www.elcp.ru
ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: [email protected],
www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: [email protected],
www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: [email protected], www.elcompany.ru.
ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: [email protected], www.elcotel.ru.
Издательство «Электроника инфо»: 220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина 29Б. Teл./факс: +375 (17) 204-40-00. E-mail:[email protected], www.electronica.by.
Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по
пер­ иодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Исп­ ольз­ о­ва­ние мат­ ер­ и­а­лов воз­мож­но тольк­ о с сог­ ла­сия ред­ акц­ ии. При пер­ е­
пе­чатк­ е мат­ е­риа­ л­ ов ссылк­ а на жур­нал «Элек­ ­трон­ные комп­ о­нен­ты» обяз­ ат­ ельн­ а. Отв­ етс­ тв­ ен­ность за до­стов­ ер­ность инф­ орм­ а­ции в рек­лам­ных объ­яв­лен­ и­ях
не­сут рек­лам­ од­ ат­ е­ли.
Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному катало­
гу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ
по печ­ати. ПИ №77-17143. Издание зарегистрировано на Украине, свидетельство о государственной регистрации КВ№17602-6452 ПР.
Подписано в печать 03.12.2019 г.
Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 6000 экз.

Отпечатано в типографии «Премиум Пресс»
197374, Санкт-Петербург, ул. Оптиков, 4

РЕКЛАМА

49 Владимир Деревятников ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Основные требования к приемникам
с ВЧ-выборкой 74 Роберт Шиллингер, д-р Ричард Блэки
Эффективная фильтрация и защита порта USB 3.1
ИСТОЧНИКИ И МОДУЛИ ПИТАНИЯ
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
52 Владимир Стрешнев И МИКРОПРОЦЕССОРЫ
Высокочастотные резонансные преобразователи
содержание
56 Чинмэй Онрао, Наззарено Розетти 78 Юрий Романец
Обеспечение эффективного электропитания Модуль доверенной загрузки с возможностью
для умных счетчиков расхода воды и газа управления серверами

60 Ральф Хикл ПЛИС И СБИС

4 Система управления батареями и ее компоненты 83 Кен О'Нил
Архитектура RISC-V в оборонной и
АНАЛОГОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ авиакосмической промышленности

64 Сергей Гладышев СПРАВОЧНЫЕ СТРАНИЦЫ
Измерительный тракт для выходных сигналов
резольвера 85 Новинки месяца. Редакционный обзор

68 Самир Чериан 89 НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Максимизация динамического диапазона НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ
аналоговых интерфейсов с трансимпедансным 91 СОДЕРЖАНИЕ ЖУРНАЛА
усилителем «ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ»
ЗА 2019 г.

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

contents # 1 2 / 2 0 1 9

ELECTRONIC COMPONENTS # 12 / 2019

MARKET 56 Chinmay Honrao and Nazzareno Rossetti содержание
How to Efficiently Power Your Smart Gas Meter
6 Dmitry Bodnar 5
Semiconductor Microelectronics – 2019 60 Ralf Hickl
Everything You Need for a Battery Management
17 Ilya Lebedev System
World Top of Electronic Components Distributors
ANALOG
DESIGN and DEVELOPMENT
64 Sergey Gladyshev
20 Sergey Nikonov Measuring Path for Resolver’s Output
Deceptive Ground
68 Samir Cherian
23 Alexander Korablev Maximizing the Dynamic Range of Analog Front Ends
Digital Galvanic Isolators from Broadcom. Part 2 Having a Transimpedance Amplifier

26 KC Yang PASSIVE
Use Resonance with a High-Voltage Piezo Driver
74 Robert Schillinger and Dr. Richard Blakey
PCB LAYOUT Effective USB 3.1 Filtering and Protection

32 Sergey Krasnov MICROCONTROLLERS
The Frequency Domain and MICROPROCESSORS

EMC 78 Yury Romanets
Trusted Boot Loader with Server Management Feature
35 Alexander Ponomarev
Controlling EMI in High-Speed PCB Design FPGA and VLSIC

38 George Bokov 83 Ken O’Neil
The Ways of Decreasing Common-mode Radiations RISC-V in Aerospace and Defense Applications

WIRELESS REFERENCE PAGES

42 Vladimir Poludin 85 Newly-Designed Products. Monthly Editorial Review
RF Sampling for Multi-band Radios
89 NEW COMPONENTS
49 Vladimir Derevyatnikov IN THE RUSSIAN MARKET
Designing RF-Sampling Receivers
91 ANNUAL TABLE of CONTENTS
POWER SUPPLIES

52 Vladimir Streshnev
RF Resonance Converters

электронные компоненты  №12 2019

П ол у проводникова я
микроэлектроника – 2019 г.

Мировая политика ставит барьеры мировой экономике.
Часть 1.

Дмитрий Боднарь, к.т.н., генеральный директор, АО «Синтез Микроэлектроника»

Прошлогодние оптимистичные прогнозы по  росту мировой полупро-
водниковой отрасли в  2019  г. не  подтвердились. Опасения о  возможном
влиянии торговых войн, падения рынка микросхем памяти на  мировую
экономику и микроэлектронику, высказанные в минувшем году, оказались
актуальными. Мировая политика, как и  российская, ставит все больше
барьеров развитию экономики, что, вероятнее всего, приведет к ее стаг-
нации в ближайшие годы. Нитрид галлия как новый материал для микро-
электроники продолжает теснить кремний и расширяет области своего
применения, в т. ч. в сложных интегральных приборах. Ведущие предпри-
ятия российской микроэлектроники продолжают работать с убытками
и без технических достижений.

Мировые торговые войны ных серьезно повлиять на замедление К сожалению, обе указанные причины
отрасли. Главной угрозой не только в разной степени отрицательно сказа-
переходят в валютные для микроэлектроники, но и всей лись на рынке мировой микроэлектро-
мировой экономики воспринималась ники в прошедшем году. Но падение
Ранее, анализируя развитие миро- возможная эскалация торговой войны спроса на микросхемы памяти было
вой полупроводниковой отрасли между США и Китаем и ее распростра- прогнозируемым и циклически регу-
в  2017  и  2018  гг., автор отмечал ее нение на другие страны. Значитель- лярно повторяется на мировом рынке
динамичное развитие с двухзначными но повлиять на мировой отраслевой полупроводников, что позволяет под-
темпами роста, значительно превос- рынок могло также падение спроса, готовиться к  нему. А  вот эскалация
ходящими рост мировой экономики производства и цен на микросхемы торговой войны, начавшись с проти-
[1–2]. Несмотря на  положительный памяти, оказавших большое влияние востояния США и Китая, все больше
прогноз развития рынка мировых на рост мирового рынка в 2017–2018 гг. приобретает характер войны «все
полупроводников в 2019 г., было отме-
чено наличие двух факторов, способ-

рынок

6

Рис. 1. Изменения торгового баланса Китай – США в 1985–2018 гг.

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

против всех» и как болезненный вирус достиг гигантской суммы в 419 млрд История с «наездом» США на Huawei
вовлекает новых участников мирового долл. (см. рис. 1) [3]. Все последние годы, стала визитной карточкой этой тор-
рынка: США – Европа, Евросоюз – Вели- начиная с 2002 г., импорт полупроводни- говой войны и как одна из ее страниц
кобритания, США – Турция, Япония – ков в США из других стран устойчиво рос более подробно была рассмотрена в [7].
Южная Корея и т. д. Опасность этого и увеличился с 26,02 млрд долл. в 2002 г. Американские санкции против Huawei
вируса торговой войны в том, что он до 54 млрд долл. в 2018 г. (см. рис. 2) серьезно отразились на  компании
начинает быстро распространять- [4]. В то же время экспорт полупрово- и могут привести к падению ее объемов
ся в мире и дает новые осложнения дников из США в другие страны вырос продаж в 2019 г. в сравнении с 2018 г.
в виде валютных войн. слабо, увеличившись с 42,23 млрд долл. на 30 млрд долл. [8]. Но американский
в 2002 г. до 48,36 млрд долл. в 2018 г. президент несколько переоценил свои
Первым валютное обострение (см. рис. 3) [5]. Очевидно, именно такая возможности влияния на Huawei. Трампу
спровоцировал Китай в ответ на уве- статистика озаботила президента США не удалось блокировать продажи обо-
личение торговых пошлин со стороны Дональда Трампа, поставившего цель рудования китайского гиганта для 5G
США, девальвировав юань. США при- перевода производств американских даже среди своих союзников. Однако
знали Китай валютным манипулятором, компаний из других стран (в первую объемы продаж смартфонов Huawei
специально занижающим курс юаня, очередь, из Китая) в США для разворо- находятся под угрозой, особенно после
и внесли его в список стран, манипули- та, изменения американского импор- начала использования в них собствен-
рующих валютными курсами. Президент та–экспорта и снижения торгового ной китайской операционной системы
США Дональд Трамп в твиттере намек- дефицита. Этот вопрос всегда вызывал и отказа от приложений Google. Всякая
нул, что США могут в ответ ослабить споры и противоречия между США торговая война с течением времени
свою валюту. Центробанки некоторых и Китаем, но только при Трампе нача- начинает перемещаться в медийное
стран начали агрессивно снижать став- лась полномасштабная торговая война. пространство. После американских
ки и ослаблять собственные валюты, Двухстороннее введение торговых обвинений Huawei в промышленном
что может привести к большой валют- пошлин в этих странах привело к паде- шпионаже в  китайской электрон-
ной волатильности, росту инфляции нию экспорта и импорта между ними ной компании начались увольнения
и замедлению экономического роста. И, и к снижению темпов роста китайской сотрудников, имеющих связи с США [9].
похоже, что противоядие от этого виру- экономики. Товарооборот между США Эти меры затронули китайских специ-
са найти не просто. Отрезвление может и Китаем по итогам первого полугодия алистов, которые работали или учились
наступить, когда вся мировая экономи- 2019 г. (не самый пик торговой войны) в США, а также имеющих американский
ка впадет в рецессию, первые признаки сократился в сравнении с аналогичным вид на жительство. В Huawei полагают,
которой уже начали проявляться. Глав- периодом предыдущего года на 14,2% что американская разведка вербует их
ным событием (со знаком минус) в миро- и составил 248,32 млрд долл. При этом для работы против компании. Среди
вой политике и экономике в 2019 г. стала экспорт из Китая в США упал на 8,1% уволенных оказалось также несколь-
начавшаяся торговая война между США до 199,403 млрд долл., а из США в Китай ко топ-менеджеров Huawei и ее полу-
и Китаем, которая отразилась на миро- снизился аж на 29,9% до 9,35 млрд долл. проводниковой дочки HiSilicon. В июле
вом рынке полупроводниковой микро- [6]. Особенно сильно это повлияло 2019 г. было уволено 600 из 850 сотруд-
электроники. Торговый баланс между на грандов китайской микроэлектрони- ников компании Futurewei – американ-
США и Китаем за последние 30 лет рос ки: Huawei, ZTE и др. ской дочки Huawei. Это означает, что
постоянно в пользу Китая и в 2018 г.

рынок

7

Рис. 2. Импорт полупроводников в США в 2002–2018 гг.

электронные компоненты  №12 2019

Рис. 3. Экспорт полупроводников из США в 2002–2018 гг.

линия фронта расширяется, а характер- в своей стране. Почти 90% американских будет осуществляться и  в  дальней-

ный для авторитарных подходов поиск производителей электроники, опрошен- шем, хоть и  медленными темпами.

«врагов» продолжится. Huawei также ных отраслевой американской ассоци- Дополнительными проблемами явля-

стала распространять информацию ацией IPC, обеспокоены повышением ются повышение стоимости рабочей

о полном замещении в своем оборудо- тарифов и отмечают, что фактически силы, замедление экономики, неопре-

вании компонентов, поставляемых зару- тарифы на  импортируемую из  Китая деленность политической ситуации

бежными (американскими) компаниями продукцию выросли сильнее предус- и  системы управления в  Поднебес-

и попавшими под ограничения США [10]. мотренного – до 31%. 21% опрошенных ной. Последнее все больше проявля-

В достоверности этого заявления име- сообщили об уменьшении инвестиций ется в возрастающей централизации

ются большие сомнения. Еще невероят- в  США, а  13% говорят о  сокращении управления на всех уровнях и отмене

нее кажется сообщение Huawei о начале персонала. Более половины опрошен- обязательной сменяемости китайско-

производства 5‑нм однокристальной ных из-за торговой войны рассматри- го руководства, введенной Дэн Сяо

платформы Kirin 1000  для смартфо- вают для бизнеса другие страны вместо Пином. Крупные американские компа-

нов Mate 30 и Mate 30 Pro [11]. Техпро- Китая [13]. нии Dell, HP, Microsoft, Amazon, Apple

цесс 5 нм только проходит проверку Последние обнадеживающие ноябрь- и др. серьезно рассматривают пере-

тестовых чипов у TSMC и планируется ские сообщения говорят о прогрессе нос производств из Китая во Вьетнам,

рынок к запуску, в лучшем случае, во второй в торговых переговорах между США Таиланд, Индонезию, Мексику и даже

половине 2020 г. Похоже, Huawei исполь- и Китаем, готовности Дональда Трам- в  Чехию, а  так же отказ от  тек ущих

зует все возможности, включая инфор- па заключить долгосрочное торговое инвестиционных проектов [15]. Такие

мационные, чтобы продемонстрировать соглашение и снять запреты на поставку дейс твия нанес у т серьезный удар

независимость от США, даже выдавая электронной продукции американских по экономике Китая, приведя к значи-
8 желаемое за действительное.
компаний для Huawei [14]. Однако такая тельному падению экспорта–импорта.

В самих США предвестником нача- информация появлялась неоднократно Китайский экспорт–импорт в  сфере

ла экономического кризиса являются и ранее в течение 2019 г., но эти согла- электроники с 1991 по 2017 гг. вырос

сообщения о сокращении и увольнении шения не подкреплялись договорами, в 136 (!!!) раз с 10 млрд долл. до 1,35 трлн

персонала. Американский производи- а торговые пошлины все-таки вводи- долл. С  учетом тек ущих проблем

тель персональных компьютеров HP лись. с замедлением экономики Китая и ста-

в октябре сообщил о намерении сокра- Противостояние и торговая война тусом электроники как одной из глав-

тить 16% сотрудников (7–9 тыс. из 55 тыс. США и Китая имеют один отрицатель- ных отраслей промышленности страны

чел.) до октября 2022 г. [12]. Весь план ный и необратимый эффект для Китая. такой сценарий может стать для нее

оптимизации позволит ежегодно эконо- У американских компаний, имеющих невосполнимым. Падение китайской

мить около 1 млрд долл. до конца 2022 г. производства в  Китае, исчезла уве- экономики очень заметно отразится

Сокращение персонала и бизнеса с Кита- ренность, что эта страна и  дальше на всей мировой экономике.

ем происходит и в других американских будет оставаться наиболее благопри-

компаниях [7]. Похоже, что Дональд ятной зоной для развития бизнеса. Прогноз: мировой

Трамп, спровоцировавший начало тор- Даже если торговые соглашения будут полупроводниковый рынок

говой войны с Китаем, может добить- достигнуты, а Трамп не будет переиз- падает перед восстановлением

ся не переноса производств из Китая бран, процесс исхода американских Аналитики компании Statista пола-

в США, а ускорения роста безработицы компаний из Китая уже запущен. Он гают, что в  2019  г. объем мирового

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Рис. 4. Объемы продаж мирового полупроводникового рынка в 1987–2020 гг.

полупроводникового рынка упадет рынок
до 412 млрд долл. (см. рис. 4) с темпа-
ми снижения 12,1% (см. рис. 5) [16]. Это Рис. 5. Темпы роста продаж мировых полупроводников от года к году в 1988–2020 гг. 9
вполне ожидаемый результат с учетом
всех проблем мировой экономики. до 406,587 млрд долл., которое про- Аналитики британской консалтинго-
Сдержанный оптимизм, присутствую- изойдет во  всех регионах мира вой компании PricewaterhouseCoopers
щий в прогнозах на 2020 г., предусма- и практически по всем категориям (PwC) также прогнозируют рост миро-
тривает 5-% рост до 434 млрд долл. полупроводников за исключением вого рынка полупроводников в 2020–
оптоэлектроники, где рост составит 2022 гг. Но основным драйвером роста
Специалисты компании IHS Markit 4,8% (см. табл. 1) [18]. Наибольшее паде- они считают искусственный интеллект.
полагают, что после стремительного ние рынка на 31% произойдет в микро- По их прогнозу рынок полупроводни-
падения мирового полупроводниково- схемах памяти. В  2020  г. ожидается ков, связанных с искусственным интел-
го рынка в 2019 г. по прогнозу на 12,8% небольшой рост во всех регионах мира лектом, вырастет с текущих 6 млрд долл.
до 422,8 млрд долл. его восстановле- и типах полупроводниковых изделий, до более чем 30 млрд долл. к 2022 г.
ние на 5,9% до 448 млрд долл. в 2020 г. а глобальный мировой рынок полупро- с ежегодными темпами почти 50% [19].
произойдет за счет главного фактора – водников вырастет на 4,8%. Если факти- За счет его роста начнется восстановле-
внедрения сетей 5G [17]. Согласно их ческие результаты изменятся в 2019 г., ние и подъем мирового полупроводни-
анализам, на протяжении всей миро- то  очень незначительно, т. к. основ- кового рынка. PwC полагает, что в 2021 г.
вой истории полупроводниковой про- ная категория продукции (микросхем будет преодолен рубеж мировых про-
мышленности каждый спад на рынке памяти) возобновит свой рост только даж полупроводников в 500 млрд долл.,
заканчивался появлением мировых в 2020 г. а в 2022 г. он достигнет 575 млрд долл.
технических инноваций, значительно
увеличивающих спрос на полупрово-
дниковые продукты. Такими иннова-
циями в прошлом стали появление
интернета и айфонов. Теперь таким
новшеством должны стать сети 5G,
которые затронут все аспекты жизни
общества, стимулируя новую эконо-
мическую активность и повышение
спроса на микрочипы. По прогнозу IHS
Markit, стабилизация, восстановление
и рост мирового рынка микросхем
памяти начнется только со второй
половины 2020 г.

Ассоциация World Semiconductor
Trade Statistics (WSTS) прогнозиру-
ет снижение мирового полупрово-
дникового рынка в  2019  г. на 13,3%

электронные компоненты  №12 2019

Таблица 1. Мировой полупроводниковый рынок 2018–2020 гг. по регионам и типам продукции уменьшить глубину падения и сроки
кризиса. Такого не  было в  прошлом
Сегмент рынка Сумма, млрд долл. Рост за год, % веке, но проявилось во время мирового
2018 г. 2019 г.* 2020 г.* кризиса 2008–2009 гг., когда катализато-
Америка 102,997 74,894 78,933 2018 г. 2019 г.* 2020 г.* ром выхода из него стал Китай. Микро-
Европа 42,957 40,344 41,587 электроника также способна стать таким
Япония 39,961 36,098 37,557 16,4 –27,3 5,4 катализатором, но все возможности
Азиатско-тихоокеанский регион 282,863 255,251 267,998 станут тщетными, если торговые войны
Итого в мире, млрд долл. 468,778 406,587 426,075 12,1 –6,1 3,1 будут продолжаться и затрагивать ее
в первую очередь.
9,2 –9,7 4,0

13,7 –9,8 5,0

13,7 –13,3 4,8

Дискретные п/п приборы 24,102 24,138 25,264 11,3 0,1 4,7 Торможения и ускорения

Оптоэлектроника 38,032 39,840 43,112 9,2 4,8 8,2 мировых полупроводниковых

Сенсоры 13,356 13,430 14,081 6,2 0,6 4,8 гигантов
Интегральные микросхемы Крупнейшие мировые полупрово-
393,288 329,180 343,619 14,6 –16,3 4,4
дниковые компании завершили 2018 г.

Аналоговые 58,785 53,617 55,604 10,8 –8,8 3,7 с  разными результатами. Торговые

Микропроцессоры 67,233 63,492 64,928 5,2 –5,6 2,3 войны и начало торможения мировой
Логические 109,303 103,017 108,027 6,9 –5,8 4,9 экономики не могли не отразиться
на них, и показатели многих компаний

Память 157,967 109,054 115,060 27,4 –31,0 5,5 снизились в  сравнении с  2018  г. Для

Итого по всем изделиям, млрд долл. 468,778 406,587 426,075 13,7 –13,3 4,8 Samsung это было прогнозируемым

* Прогноз World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) результатом еще с конца 2018 г., когда
начался мировой спад продаж и цен

Тайваньская консалтинговая ком- Ближайшим положительным политиче- на микросхемы памяти. Именно благо-

пания Gartner не разделяет оптимиз- ским событием может стать достижение даря их росту в течение 2017–2018 гг.

ма по началу восстановления рынка соглашения в торговой войне между Samsung не только добилась значитель-

в  2020  г. и  полагает, что в  2019  г. он США и Китаем, а из негативных собы- ного роста продаж, но и сместила с пер-

упадет на 6,4%, а в следующем году – тий можно составить длинный список, вой строчки из первой десятки мировых

на 8,1% из-за торговой войны и ситуации где одно хуже другого. Однако миро- полупроводниковых компаний много-

с Huawei [20]. вая политика стала труднопредсказуе- летнего лидера – компанию Intel. Одна-

Однако, по  мнению автора дан- мой, а циклический характер развития ко эксперты предполагали временный

ной статьи, в этих прогнозах имеется мировой экономики прямо напомина- характер лидерства южнокорейского

очень высокая непредсказуемость ет, что с предыдущего мирового эко- гиганта, которое закончится с падени-

из-за неясности с разрешением миро- номического кризиса в 2008–2009 гг. ем продаж микросхем памяти. И уже

вых политических, торговых, валютных прошло уже 10 лет, и период подъема в I и II кв. 2019 г., когда сократился миро-

конфликтов, обозначившихся в минув- мировой экономики должен сменить- вой рынок ИС памяти, Intel опередила

шем году. Не вызывает сомнения начало ся спадом. Падение темпов китайской Samsung [21].

спада мировой экономики и ее про- экономики также говорит об этом. Нет Компания Samsung Electronics

должение в Китае, но скорость пере- никаких причин ускорять наступление после у жасных показателей в  I кв.

хода к стагнации или рецессии будет этого события, тем более что мировая 2019  г., когда произошло падение

зависеть от способностей руководите- экономика проиграет от этого больше, продаж во  всех сегментах бизнеса,

лей стран прийти к общему согласию чем полупроводниковая микроэлектро- во  II и  III кв. стала поправлять свои

и не обострять конфликты. В последнем ника. Если какая-то отрасль и способна показатели (см. табл. 2) [22–24]. Сег-

рынок случае прогноз слабого роста полупро- помочь вытащить мировую экономику мент потребительской электроники

водникового рынка быстро сменится из рецессии, то это полупроводниковая Samsung в  течение последних двух

падением. отрасль. Новым фактором для возмож- лет колеблетс я в  диапазоне квар -

Каждый из этих прогнозов может под- ной минимизации последствий мировых тальных продаж 10 –11  м лрд долл.

твердиться в ближайшие годы, но любое экономических кризисов является гло- и не оказывает решающего влияния
10 мировое событие со знаком плюс или бализация мировой экономики, позво- на снижение или увеличение общих
минус способно быстро изменить миро- ляющая за счет ускоренного развития показателей компании. Наибольшим

вой рынок в  ту или другую сторону. определенного региона или отрасли изменениям подвержены сегменты

Таблица 2. Финансовые квартальные показатели компании Samsung Electronics за I–III кв. 2019 г. и 2018 г.

I кв. 2019 г. II кв. 2019 г. III кв. 2019 г. I кв. II кв. III кв. IV кв.
2018 г., 2018 г., 2018 г., 2018 г.,
Секторы продажи Продажи, Год/год, % Кв./кв., % Продажи, Год/год, % Кв./кв., % Продажи, Год/год, % Кв./кв., % млрд млрд млрд млрд
млрд млрд долл. млрд долл. долл. долл. долл. долл.
Всего долл.
Потребительская электроника
ИТ и мобильная связь 52,39 – 14 –12 56,13 –4 7 62 –5 10 60,56 58,48 65,46 59,27

Приборы, в т.ч. полупроводни- 10,04 –3 –15 11,07 6 10 10,93 7 –1 9,74 10,4 10,18 11,79
ки, в т.ч. ИС памяти
Дисплеи и панели 27,2; –4; –6 17; 17 25,86; 8; 7 –5; –6 29,25; 17; 17 13; 16 28,45; 24,0; 24,91; 23,32;
25,92 24,27 28,1 27,66 22,67 23,99 22,19

20,62; –27; –26; 23,53; –15; 26,64; –23; 28,35; 27,7; 34,76; 27,76;
14,47; –30; –23; 16,09; –27; 14; 11; 7 17,59; –29; 13; 9; 8 20,78; 21,99; 24,77; 18,75;
11,47 –34 –26 12,3 –34 13,26 –37 17,33 18,5 21,05 15,5

6,12 –19 –33 7,62 35 24 9,26 –8 22 7,54 5,67 10,09 9,17

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

мобильных коммуникаций и полу- сократились еще на 7% до 43,5 млн, (GF) именно в 2019 г. оказался во мно-
проводников. Продажи мобильных а доля компании на мировом рынке гом неожиданным. Компания ATIC,
телефонов Samsung падали в течение составила 12,3%. Серьезной про- владелец GF из Арабских Эмиратов,
2018 г., но в 2019 г. выросли за счет сни- блемой смартфонов Apple является перестала мириться с постоянными
жения продаж на зарубежных рынках отсутствие поддержки 5G, что может убытками, начала распродавать активы
у основного конкурента Huawei из-за отразиться на продажах 2020 г. С уче- GF по всему миру и проводить ренова-
санкций США, а также выхода на рынок том всех этих факторов перспективы цию на оставшихся предприятиях. Под-
новых изделий Samsung. В  III кв. мобильных гаджетов Samsung в 2020 г. робнее с новейшей историей GF можно
южнокорейская компания продала в сравнении с конкурентами выглядят ознакомиться в [25].
78,9 млн смартфонов, что на 11% боль- предпочтительнее.
ше, чем за аналогичный период про- Начавшаяся торговая война между
шлого года Samsung стала мировым В полупроводниковом сегменте США и Китаем должна была отразить-
лидером, и ее доля на рынке мобиль- у Samsung в минувшем году также наблю- ся на мировых полупроводниковых
ных гаджетов составила 22%. Очень дался ежеквартальный рост, включая гигантах, у которых поставки китай-
важным является возможность рабо- микросхемы памяти, но от показателей ской Huawei занимают значительный
ты ее смартфонов в сети 5G. Samsung 2018 г. они далеки. Общий объем продаж объем. Их показатели прекратили свой
имеет существенное преимущество, южнокорейской компании за три квар- рост или снизились. Поскольку запрет
т. к. в отличие от главных конкурен- тала 2019 г. составил 170,52 млрд долл. на поставку Huawei для американских
тов Huawei и Apple, сама проектирует против 184,5 млрд долл. за тот же период компаний несколько раз переносился,
и производит процессоры и модемы 2018 г. Очевидно, что итоговые показате- то, если пошлины не будут отменены или
для своих гаджетов. Huawei удержива- ли 2019 г. будут хуже, чем в 2018 г. В IV кв. снижены, продажи могут уменьшиться
ет вторую позицию, увеличив продажи 2019 г. Samsung ожидала стабилизации в IV кв. 2019 г. и в 2020 г.
до 66,8 млн гаджетов в III кв. с долей на рынке микросхем памяти и планиро-
19% в мире. Однако этот результат был вала начать производства 6‑го поколения Одной из компаний, не постра-
достигнут только за счет резкого уве- памяти V‑NAND, увеличить производство давшей от мировой политической
личения продаж в Китае на 66%. За пре- и продажи продукции по 7‑нм техноло- и  экономической турбулентности
делами Китая продаются, в основном, гии. В 2020 г. планируется расширение в  прошедшем году, была TSMC. Она
старые модели, которые не попада- клиентской базы по процессу 7 нм с фото- является мировым примером очень
ют под санкции США. В отношении литографией в жестком ультрафиолето- удачных и эффективных инвестиций
новых моделей, включая Mate 30, вом диапазоне (EUV) и даже техпроцесс в новые передовые технологии и, осо-
сохраняется неопределенность, т. к. 5 нм. Однако никаких конкретных сроков бенно, в освоение 7‑нм техпроцесса.
зарубежные клиенты не желают поку- и показателей по процессу 5 нм Samsung Согласно финансовому отчету TSMC,
пать гаджеты без поддержки сервисов не раскрывает. С учетом того, что TSMC ее выручка в III кв. составила 9,4 млрд
Google. Если Huawei и Поднебесной опережает Samsung на два–три кварта- долл., что на 10,7% больше в сравне-
не удастся решить санкционную про- ла по техпроцессу 7 нм, следует ожидать нии с III кв. 2018 г. и на 21,3% больше,
блему, то рассчитывать на рост продаж ужесточения конкурентной борьбы чем во II кв. 2019 г. [26]. Чистая при-
новой продукции за рубежом в 2020 г. за клиентов между двумя компаниями быль в третьей четверти года соста-
будет сложно. Продажи Apple пада- в ближайшие два года. вила 34,5%. В III кв. поставки по 7‑нм
ют в течение всего 2019 г. В III кв. они технологии составили 27% от общего
Сход с дистанции передовых тех- дохода, по 10‑нм – 2%, 16‑нм – 22%.
процессов компании GlobalFoundries На  передовые технологии менее

Таблица 3. Топ-15 мировых полупроводниковых компаний в 2019 г. по объему продаж (прогноз), млрд долл., включая услуги фаундри

Место в Место Компания Местонахождение Итого по ИС Итого по О-С-Д Итого по полупро- Итого по ИС Итого по О-С-Д Итого по полупро- Изменение
2019 г. в 2018 г. в 2018 г., в 2018 г.*, водникам в 2018 г., в 2019 г., в 2019 г.*, водникам в 2019 г., 2019/2018 гг., %
(прогноз) млрд долл. млрд долл. млрд долл. млрд долл.
млрд долл. 69,832 млрд долл.
69,880 51,750
12 Intel США 69,880 0 78,541 34,503 0 69,832 0
34,208 22,291
2 1 Samsung Южная Корея 75,698 2,843 36,767 19,960 3,860 55,610 –29 рынок
30,930 15,917
3 4 TSMC (1) Тайвань 34,208 0 18,189 14,300 0 34,503 1
16,385 12,705
4 3 SK Hynix Южная Корея 36,200 567 14,854 595 22,886 –38
9,839
55 Micron США 30,930 0 13,801 0 19,960 –35 11
10,514
6 6 Broadcom (2) США 16,454 1,735 11,951 878 1,789 17,706 –3
7,715 7,241
7 7 Qualcomm (2) США 16,385 0 9,619 5,366 0 14,300 –13
9,210 7,969
88 TI США 13,908 946 9,407 7,948 842 13,547 –9
7,891 291,013
9 9 Toshiba/Kioxia Япония 12,293 1,508 369,348 1,437 11,276 –18
(3)

10 10 Nvidia (2) США 11,951 0 0 10,514 –12
8,674 9,552 24
11 15 Sony Япония 627 7,088 2,215 9,456 –2
3,580 8,946 –3
12 11 ST Европа 6,628 2,991 888 8,857 –6
7,948 1
13 13 Infineon Европа 5,465 3,745 0 314,893 –15
23,880
14 12 NXP Европа 8,429 978

15 14 MediaTek (2) Тайвань 7,891 0

–– Итого по Топ–15 346,947 22,401

* О-С-Д: оптоэлектронные, сенсорные, дискретные приборы.
(1): фаундри-компания; (2): фаблесс-компания; (3): ранее – компания Toshiba Memory

электронные компоненты  №12 2019

16  н м при ходи тс я 51% от  о бщего что равно всей чистой прибыли Intel всего 2019 г. – с 1,272 млрд долл. в I кв.
производс тва плас тин. TSMC про - за весь 2018 г. и в 10 раз превышает до 1,531 млрд долл. во II кв. и 1,801 млрд
гнозирует объем выручки в  IV кв. размер чистой прибыли AMD за дан- долл. – по итогам III кв. [31]. Выручка
2019 г. на уровне 10,2–10,3 млрд долл. ный период. Этой акцией Intel пыта- в III кв. стала максимальной с 2005 г.
Ожидается, что доля 7‑нм процесса ется показать, что AMD в сравнении AMD ожидает, что в IV кв. объем выруч-
в объеме IV кв. у TSMC достигнет неве- с  ней  – мелкая компания, которую ки от продаж составит 2,1 млрд долл.
роятных 33%. Успехи этой компании можно «подвинуть» таким образом. Основными изделиями, способству-
в технологии 7 нм максимально поло- В  ответ AMD разрабатывает новые ющими такому росту, являются три
жительно сказались также на исполь- модели продукции, вк лючая Ryzen категории 7‑нм продукции: графиче-
зующих ее изделиях американской 4000, а  за  счет техпроцесса 7  nm+ ские процессоры, настольные процес-
компании AMD, у которой показатели улучшает все параметры своих про- соры Ryzen и серверные процессоры
в прошедшем году оказались лучшими цессоров. Вероятно, AMD сама выну- EPYC. Азиатский сектор продаж AMD
более чем за 10 лет. Добившись впе- дила Intel к ценовому демпингу, когда наиболее уязвим из-за торговой войны.
чатляющих технических и коммерче- в августе 2019 г. снизила цены на 10% Неоднократные переносы начала увели-
ских результатов по техпроцессу 7 нм, на процессоры Ryzen 3000. Подобная чения тарифов приводили к заблаговре-
TSMC ускоренными темпами движется техническая и ценовая конкуренция менным закупкам клиентами продукции
к освоению 5‑ и 3‑нм технологий. Про- между Intel и AMD – только на пользу в Китае и пока не отразились на ней
цесс 5 нм уже проходит этап пилот- потребителям продукции, т. к. состав- серьезным образом. AMD компенсиро-
ных партий и  в  2020  г. должен быть ляет основу рыночной экономики. вала все издержки переходом на 7‑нм
запущен в  массовое производство. Однако, не решив проблем теперь уже техпроцесс, а  также ростом продаж
Однако, похоже, что TSMC решила еще с освоением 7‑нм техпроцесса, Intel процессоров Ryzen и EPYC. Ситуация
больше увеличить отрыв от  своего будет сложно выиграть конкурентную может ухудшаться с временным сдви-
основного конкурента Samsung. Для борьбу у AMD, даже продолжая жерт- гом, если проблема с повышением тари-
фов не разрешится. Влияние торговой
быстрой разработки и освоения уже вовать очередными 3 млрд долл.
Хотя Intel и заняла снова позицию войны уже отражается на стоимости
3‑нм технологии TSMC создает новый
исследовательский центр и проведет лидера мирового полупроводниково- акций компании – если бы ее не было,
набор в течение 2019–2020 гг. 8 тыс. го рынка по объемам продаж в теку- их цена была бы на 22% выше [32]. Одна-
новых сотрудников, что составит 16% щем году, но достигла ее, в основном, ко отмена торговых тарифов и неготов-
от 49 тыс. работников компании [27]. з а  сч е т со к р ащ е н и я п о к а з ат е л е й ность Intel к выпуску 7‑нм продукции
В III кв. 2019 г. TSMC выделила на иссле- Samsung из-за падения рынка микро- будут способствовать жесткой конку-
дования и разработки 769 млн долл., схем памяти. По итогам III кв. 2019 г. ренции двух мировых процессорных
у в е личив и х на  10 % в  ср ав н е нии в заявлениях руководства Intel стали гигантов в 2020 г.
Компания IC Insights опубликовала
с тем же периодом 2018 г. Строитель- звучать оптимистичные нотки, причи-
ство нового завода для 3‑нм процес- ной которых стала не только рекорд- прогноз рейтинга крупнейших постав-
са обойдется TSMC в 19,5 млрд долл. ная выручка 19,2  млрд долл. в  этом щиков полупроводниковых продукции
Начало его работы запланировано квартале, но  и  новая сегментация в 2019 г., включающей микросхемы, опто-
на 2023 г. Кроме того, компания наме- доходов от  перспективных направ- электронные, сенсорные и дискретные
рена дополнительно инвестировать лений бизнеса, составивших 9,5 млрд приборы (см. табл. 3) [33]. Из 15 компа-
1,5 млрд долл. в совершенствование долл., т. е. почти половину от общей ний только четыре (Intel, TSMC, Sony,
техпроцесса 7 нм и 2,5 млрд долл. – выручки [30]. Руководство Intel счи- MediaTek) не допустят падения продаж
в 5‑нм технологию. Возникает законо- тает, что проблемы 10‑нм технологии в сравнении с 2018 г. Sony может под-
мерный вопрос: способна ли хоть одна решены. С ее помощью компания пла- няться с 15 на 11 позицию за счет роста
компания в мире полупроводниковой нирует увеличить выпуск процессоров продаж датчиков изображения. Intel,
микроэлек троники превзойти эти в следующем году на 25%. Было также сохранившая объемы продаж на уровне
инвестиции и опередить тайваньского заявлено, что в четвертом квартале прошлого 2018 г., снова станет лидером
рынок гиганта? Похоже, что Samsung нервно 2021 г. Intel представит новый графи- рейтинга, поскольку падение продаж
ческий процессор по 7‑нм технологии Samsung достигнет 29%. В  среднем,
проверяет свой кошелек.
М н о г о л е т н и й л и д е р м и р о в о й с литографией в жестком ультрафио- снижение продаж по всем 15 компаниям
полупроводниковой отрасли компа- летовом диапазоне. Intel подтвердила составит 15%, в то время как сокращение
12 ния Intel, уступившая в последние годы проведение работ по 5‑нм процессу, всего мирового полупроводникового
свой титул южнокорейской Samsung, но сроков его освоения не обозначила. производства достигнет 13%.

в  течение нескольких лет не  могла Ближайшие два года покажут, удалось

справиться со своими внутренними ли Intel преодолеть свой спад и снова Эта неустойчивая память

проблемами по освоению 7‑ и 10‑нм стать мировым лидером не  только Рост рынка микросхем памяти

технологий. Intel не удавалось начать в процессорном сегменте, но и в полу- сильно повлиял на увеличение всего
выпуск изделий по новым нормам. Это проводниковых технологиях.
мирового полупроводникового рынка
Влияние торговой войны на  аме- в 2017–2018 гг. Обычно циклы роста
торможение серьезно ударило по Intel,

а ее основной конкурент – AMD – впер- риканские компании не  всегда про- происходят в течение двух–трех лет,
вые за 12 лет по итогам II и III кв. 2019 г. является только в текущем снижении а затем сменяются циклами падения
заняла более 30% рынка настольных продаж. Это хорошо видно на примере мирового рынка ИС памяти на такой же
и мобильных процессоров [28]. AMD компании AMD. Конкурент Intel получает период (см. рис. 6) [34]. Сегмент опе-
достигла этого за счет использования 66% своих доходов от продаж на азиат- р ат ивной па м я т и D R A M о бъ е м о м
7‑нм технологии TSMC. Intel решила ском рынке и только 13% – от продаж 99,4 млрд долл. в 2018 г. был самым
«уничтожить» AMD, но не за счет новых в США. По этой причине введение 25-% крупным на мировом полупроводни-
изделий, а с помощью ценового дем- тарифов в США приводит к снижению ковом рынке, опередив сегмент флэш-
пинга на  свою текущую продукцию нормы прибыли только на 1,3%. Пока- памяти NAND с  объемом 59,4  млрд
[29]. Это обойдется ей в 3 млрд долл., затели выручки AMD растут в течение долл. Оба этих типа ИС составляют

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Рис. 6. Темпы роста мирового рынка микросхем памяти в 1993–2019 гг.

около 97% от всех микросхем памяти, (см. рис. 7) [35]. Падение мирового интеллекта. В этом случае потребность рынок
выпускаемых в мире. Именно за счет их рынка ИС памяти ожидаемо снизи- в них и цены снова взлетят вверх.
роста на 64% в 2017 г. и на 26% в 2018 г. ло и их долю в капитальных затратах 13
увеличились объемы сегментов всех 2019 г. Увеличение доли капитальных Китай всегда уделял большое вни-
категорий микросхем на  25  и  14%, инвестиций в производство микро- мание расширению собственного про-
соответственно, в 2017 и 2018 гг. Без схем памяти оправдано, т. к. именно изводства микросхем памяти. Прежде
них рост составил бы всего 11 и 8%, эти изделия аккумулируют все самые основным приоритетом считалась
соответственно. Падение рынка ИС передовые технологии, включающие флэш-память NAND, а по освоению
памяти в 2019 г. по прогнозу на 24% не только минимальные нанометро- оперативной памяти DRAM китайские
(на 38,6 млрд долл.) окажет серьезное вые проектные нормы (что характерно компании работали с иностранными
влияние на уменьшение показателей и для процессоров), но и современную партнерами. Главными проек тами
производства всех типов микросхем, 3D-сборку. Стандартным продуктом считались Fujian Jinhua Integrated
которое, по данным IC Insights, соста- на рынке памяти является в настоя- Circuit Company (JHICC) с тайваньской
вит 9%. У Samsung, SK Hynix, Micron, щее время 64‑слойная флэш-память UMC и ChangXin Memory Technologies
трех крупнейших мировых производи- 3D NAND. Toshiba и  Western Digital (CXMT) с американской Micron. Эти
телей памяти, падение производства планируют выпуск 128‑слойных чипов иностранные компании должны
в 2019 г. составит 29, 38 и 35%, соответ- TLC NAND (хранящих в одной ячейке были оказывать всю необходимую
ственно [33]. Достигнуть в ближайшие три бита) [36]. Компания Intel, не отно- экспертную и технологическую под-
два года уровня 2017–2018 гг. едва ли сящаяся к основным производителям держку, но все изменилось с началом
удастся, даже если выпуск ИС снова ИС памяти, в сентябре анонсирова- противостояния и торговой войны
начнет расти. Это значит, что главные ла выпуск на рынок в 2020 г. первой с  США. Поскольк у компания JHICC
мировые чипмейкеры ИС памяти лиша- в мире 144‑слойной флэш-памяти QLC попала в черный список правитель-
ются своего основного инструмента (Quad Level Cell), хранящей четыре ства США, этот проект находится под
роста. Однако у Samsung есть еще один бита на ячейку, а также разработку угрозой, даже если будет достигну-
серьезный инструмент – самый пере- PLC NAND (Penta Level Cell – пять бит то соглашение между США и Китаем.
довой 7‑нм техпроцесс, а в перспек- на ячейку) [37]. Intel также сообщила CXMT планирует начать производ-
тиве и техпроцесс 5 нм. Конкурируя о  планах по  производству в  2020  г. ство в 2020 г., но Китай считает, что
на этом поле с TSMC, южнокорейский второго поколения энергонезависи- одной крупной фабрики будет недо-
гигант может частично компенсиро- мой памяти Intel Optane DC, которая статочно для самообеспечения чипа-
вать свое падение рынка памяти в ожи- будет выпускаться одновременно ми DRAM. Таким образом, китайцы
дании перехода их цикла от падения с процессором следующего поколе- решили самостоятельно развивать
к росту. ния Intel Xeon Scalable. Это значит, что производство оперативной памяти.
для новых поколений ИС памяти снова С этой целью государственная ком-
Доля капитальных затрат на про- потребуется увеличить капитальные пания Tsinghua Unigroup решила без
изводство микросхем памяти среди затраты для производства. привлечения иностранных партне-
общих затрат в мировое полупрово- ров построить в провинции Чунцин
дниковое производство в последние Безусловно, очень положительно фабрику производства чипов и иссле-
годы только росла, достигнув в 2018 г. на рынок микросхем памяти повлияет довательский центр DRAM [38]. Все
почти половины от 105,9 млрд долл. развитие сетей 5G и искусственного это подчеркивает решимость Китая

электронные компоненты  №12 2019

Рис. 7. Капитальные затраты в мировое полупроводниковое производство и доля микросхем памяти в них в 2013–2019 гг.

в достижении самообеспеченности трескотня и  лозунги переходят Группа исследователей из институ-

в микросхемах памяти. Несмотря в выделение госфинансирования та прикладной физики твердого тела

на привлечение лучших китайских на импортозамещение, о котором Fraunhofer IAF значительно расшири-

кадров, главной проблемой станет затем быстро забывают, а  задача ла функциональные возможности GaN

разработка собственной технологии остается нерешенной. микросхем питания для преобразовате-

производства новых ИС памяти. В спо- Еще в  2014  г. в  Китае был создан лей напряжения [41]. Они интегрировали

собности китайцев самостоятельно Национальный инвестиционный фонд в эти ИС силовые транзисторы, диоды

построить фабрику никто не сомне- («Большой фонд») для развития инфор- свободного хода, драйверы затвора,

вается. Завершение ее строительства мационных технологий и уменьшения а также датчики тока и температуры,

запланировано на 2021 г., но с выхо- зависимости от  импортных изделий. что открывает новые возможности

дом на полную мощность могут воз- На  первом этапе фонд уже потратил в создании компактных и эффективных

никнуть задержки из-за готовности 138,7  млрд юаней, инвестированных бортовых зарядных устройств электро-

технологии. в китайскую полупроводниковую про- мобилей. В сравнении с обычными пре-

В подтверждение решимости Китая мышленнос ть. Недавно «Большой образователями напряжения, новая ИС

компания Tsinghua Unigroup анонси- фонд» учредил новый фонд в размере обеспечивает не только более высо-

ровала, что ее дочерняя компания 204,15 млрд юаней (28,9 млрд долл.) [40]. кие частоты и  плотности мощности,

Yang t ze M em or y Te chno lo gies Co. Его назначение – начало второго этапа но и более быстрый и точный монито-

(YMTC) начала массовое производ- поддержки китайских производителей ринг состояния в самом кристалле.

ство первой отечественной 64‑слой- микросхем, ориентированных на приме- Очень важные результаты достиг-

ной флэш-памяти 3D NAND [39]. Эта нение для искусственного интеллекта, 5G нуты исследователями в Корнельском

микросхема, разработанная на основе и других перспективных направлений. университете [42]. В  широкозонных

рынок собственной архитектуры компании, полупроводниках, к которым относит-

имеет самую высокую в мире емкость Нитрид галлия: от простого ся GaN, очень трудно одновременно

256 Гбит для 64–72‑слойной памяти. чипа – к сложным устройствам достичь создания структур n‑ и p‑типа.

Китай делает все, чтобы попасть в клуб Новый материал нитрид галлия (GaN), В м е с то и сп о льз о в ани я пр и м е се й

крупнейших мировых тяжеловесов – его технологии и изделия на основе GaN исследователи уложили тонкий слой
14 производителей памяти.
можно отнести к главным открытиям GaN, называемый квантовой ямой,

Если проводить параллели между 2000‑х  гг. в  мировой полупроводни- поверх AlN и обнаружили, что разли-

Китаем и Россией по подобной ситуации, ковой микроэлектронике. Технологии чие в кристаллических решетках при-

можно отметить две особенности: и изделия на основе нитрида галлия водит к высокой плотности подвижных

–– в Китае всегда рынок потребления в 2019 г. эволюционировали в сторону дырок. По сравнению с легированием

идет впереди производства, ставя от более простых HEMT-транзисторов магнием проводимость выросла деся-

задачи, и торопит сроки ее реализа- к интегрированным решениям и услож- тикратно. Используя новую структу-

ции; в России рынка нет, и его никто нению функциональности продукции. ру, им удалось в совместном проекте

не  развивает даже после редкого В 2017–2018 гг. такой подход позволил с  Intel добиться высокой эффектив-

запуска новых производств, напри- создать драйверы с интегрированными н о с т и G a N -т р а н з и с т о р о в p ‑т и п а .

мер «Микрона», «Ангстрема-Т»; на одном чипе полумостовыми соеди- В настоящее время ученые пытаются

–– в Китае вместо политического шума нениями транзисторов. Проведенные объединить в  структуре транзисто-

и лозунгов об импортозамещении в  2019  г. исследования по  GaN при- ры n‑ и  p‑типа для создания более

быстро реагируют на изменившую- близили мировую микроэлектронику сложных схем. Это открывает новые

ся обстановку и принимают практи- не  только к  созданию альтернативы возможности в коммутации высокой

ческие меры для самостоятельного более сложным кремниевым аналогам, мощности и  в  энергоэффек тивной

решения проблемы в короткие сроки; но и продукции, недоступной для реа- электронике. Заметим, что соедине-

в  нашей  же стране политическая лизации на кремнии. ние транзисторов n‑ и p‑типа является

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

основой КМОП-технологии, на кото- Вторая группа специалистов NASA сеивающего тепло, уменьшает тем- рынок
рой строится работа большинства исследует применение GaN для соз- пературу GaN HEMT с 211,1 до 35,7°C.
интегральных устройств полупрово- дания детектора и  визуализации В  результате улучшается отношение 15
дниковой микроэлектроники. Види- нейтронов, которые очень недолго- выходной мощности к ширине затвора
мо, о решении этой задачи говорил вечны и исчезают в течение 15 минут. с 2,8 до 3,1 Вт/мм, а также повышается
генеральный директор Intel Брайан Нейтроны генерируются в результате КПД с 55,6 до 65,2%, что обеспечивает
Кржанич на встрече в Белом доме энергетических процессов на Солнце, значительную экономию энергии. Ком-
с  президентом США Трампом, когда а также взаимодействием космических мерческий выпуск GaN-на-алмазе HEMT
сообщал о  новой 7‑нм технологии лучей с верхней атмосферой Земли. намечен на 2025 г.
и использовании GaN в качестве ново- Эти процессы также создают помехи
го полупроводникового материала бортовой спутниковой электронике. Выводы
в будущих изделиях компании [43]. Исследователи NASA обнаружили, что 1. В 2017–2018 гг. мировая полупрово-
GaN может стать основой высокочув-
Специалисты Университета штата ствительного нейтронного детектора. дниковая микроэлектроника за счет
Аризона планируют разработать пер- Согласно их концепции, кристалл GaN масштабных технических инноваций,
вый в мире процессор на основе GaN, размещается внутри контрольного роста мирового рынка электроники
который позволит революционизиро- инструмента. Когда нейтроны попадают и без серьезных мировых политиче-
вать будущие космические исследо- в кристалл, они рассеивают атомы гал- ских и экономических катаклизмов
вания [44]. Подвижность электронов лия и азота и возбуждают другие атомы, развивалась темпами, намного пре-
в GaN более чем в 1000 раз выше, чем что сопровождается вспышкой света. вышающими мировую экономику.
в кремнии. Он превосходит кремний Кремниевые фотоумножители преоб- 2. В 2019 г. мировые торговые войны,
по скорости, температуре, энергопо- разуют вспышки света в электрический инициированные излишними поли-
треблению и, как ожидается, заменит импульс, который анализируется элек- тическими амбициями лидеров неко-
его, когда устройства на основе крем- троникой датчика. торых стран, внесли политическую
ния достигнут своих пределов. Специ- и экономическую турбулентность
алист Университета Аризоны Юджи Растущее число исследований GaN в мировую политику и экономику
Чао получил трехлетний грант от NASA и новых областей его применения и одновременно с существенным
в размере 750 тыс. долл. на разработ- в мире отчетливо демонстрируют, что падением спроса, производства
ку GaN–высокотемпературного про- этот материал давно преодолел стадию и цен ИС памяти привели к сокраще-
цессора. В рамках этой программы «детского роста» и начал использовать- нию мирового полупроводникового
он планирует создать микропроцес- ся уже не в более простых транзисторах, рынка.
сор на основе GaN, который будет а в сложных интегральных устрой- 3. Мировая политика начинает ставить
эффективно работать при 500°C. Такая ствах и даже там, где кремний никог- серьезные барьеры развитию миро-
возможность, например, очень вос- да не может применяться. Это значит, вой экономики, что может привести
требована в случаях использования что по законам эволюции сложность к ее замедлению и стагнации в бли-
научно-исследовательского обору- устройств с GaN будет расти, а область жайшие годы.
дования NASA в высокотемператур- применения расширяться, причем 4. Повышение экономических и поли-
ных средах на поверхностях Венеры, в не­ожиданных направлениях. тических рисков для предприятий
Меркурия или в глубокой атмосфере в Китае приведет к отказу амери-
газовых гигантов. Ученый полагает, что В апреле 2019 г. японская компания канских компаний от новых проек-
для реализации этого проекта по раз- Renesas Electronics объявила о запу- тов на его территории и к переносу
работке первого микропроцессора ске в промышленное производство производства в другие страны Азии.
на основе GaN потребуется немало первых в космической отрасли ради- Даже достижение торгового согла-
усилий. Основные проблемы связаны ационно-стойких микросхем ШИМ- шения США с Китаем не отменит
с тремя аспектами: устройство, систе- контроллера и драйвера на основе эту тенденцию, но увеличит сроки
ма и надежность. На уровне устройства нитрида галлия в пластмассовом кор- ее реализации. С учетом падения
необходимо получить термически ста- пусе [46]. В сравнении с кремниевыми темпов китайской экономики это
бильные транзисторы n‑типа и струк- аналогами в керамических корпусах в долгосрочной перспективе плохой
туру «металл – оксид – полупроводник» они занимают на плате в три раза мень- знак для Китая, но хороший знак для
n‑ и  p‑типа с  термостабилизацией ше места и идеально подходят для основных кандидатов для размеще-
нитрида галлия. Для этого потребуют- применения в аппаратуре на ближних ния у себя этих производственных
ся специальные методы, конструкция геостационарных орбитах. мощностей – в первую очередь, для
и контакты. На системном уровне сле- Вьетнама и Индии.
дует разработать блоки ИС, такие как В сентябре 2019 г. японская компа- 5. В  новом экономическом кризисе
NOR и NAND c использованием GaN- ния Mitsubishi Electric анонсировала Китай не сможет стать мировым
транзисторов. создание совместно с Национальным демпфером, как это было в 2008–
институтом промышленных наук и тех- 2009 гг., а последствия для экономи-
В самой NASA две группы ученых нологий (AIST) первых в мире много- ки сырьевых стран, включая Россию,
исследуют возможности применения ячеистых GaN HEMT-транзисторов будут наиболее ощутимыми.
GaN, чтобы повысить эффективность на подложке из монокристаллического 6. С учетом напряженных отношений
освоения космоса [45]. Кроме высо- алмаза [47]. Новый GaN-on-Diamond с  США, Китай прилагает макси-
ких показателей энергоэффектив- HEMT-транзистор был разработан для мальные усилия для организации
ности специалисты NASA пытаются повышения эффективности использо- собственного производства самых
изучить его применение с неожидан- вания мощных усилителей в базовых передовых и необходимых для рынка
ной стороны. Одна из групп исследует станциях мобильной связи и в систе- изделий микроэлектроники, инвести-
с помощью GaN-транзисторов ключе- мах спутниковой связи, что помогает руя большие финансовые средства
вой вопрос гелиофизики – как магни- значительно снизить энергопотребле- в создание собственных технологий
тосфера Земли взаимодействует с ее ние. Использование монокристалли- и производственных мощностей.
ионосферой. ческого алмаза (с теплопроводностью
1900  Вт/мм), очень эффективно рас-

электронные компоненты  №12 2019

7. Прогноз рынка мировых полупро- 5. Semiconductors: U. S. exports to world 27. Для освоения техпроцесса 3 нм TSMC

водников на 2020–2022 гг. сдержан- 2002–2018. Statista. July 04. 2019//www.statista. наймет еще 8000  сотрудников в  новый

но-оптимистичный в ожидании, что com. R&D‑центр. Время электроники. 6 ноября

драйверами роста станут развитие 6. Товарооборот США и Китая в первом 2019//www.russianelectronics.ru.

сетей 5G и искусственного интел- полугодии сократился на  14,2%. Прайм. 28 . AMD впервые за  12  лет заняла

лекта. Агентство экономической информации. более 30% процессорного рынка. Время

8. Компания Samsung за счет падения 12 июля 2019//www.1prime.ru. электроники. 11  октября 2019//w w w.

мирового рынка и цен на микросхе- 7. Дмитрий Боднарь. Устоит Huawei russianelectronics.ru.

мы памяти ожидаемо уступила Intel в торговой войне США и Китая? Выиграет ли 29. Intel потратит миллиарды долларов,

позицию лидера в рейтинге миро- от этого Россия? Электронные компонен­ чтобы уничтожить AMD. CNews. 15 октября

вых полупроводниковых компаний ты. 2019. № 7. 2019//www.cnews.ru.

по объемам продаж в 2019 г. 8. Huawei справилась с санкциями США 30. Intel Reports Third-Quarter 2019 Financial

9. Расширение выпуска продукции и к 2021 г. должна стать полностью неза­ Results. October 24. 2019//www.intel.com.

по 7‑нм технологии стало главным висимой от  американских технологий. 31. AMD Reports Third Quarter 2019 Financial

коммерческим событием на рынке Время электроники. 23 августа 2019//www. Results. October 29. 2019//www.amd.com.

мировой полупроводниковой микро- russianelectronics.ru. 32. AMD Shares Look to Recover From Trade

электроники в 2019 г. Ее бенефициа- 9. В  Huawei полетели головы: В  топ- War Thaw//www.seekingaalpha.com.

рами стали компании TSMC и AMD, менеджменте нашлись американские шпи­ 3 3 .  I n t e l t o R e c l a i m N u m b e r O n e

которые значительно улучшили свои оны. CNews. 18 октября 2019//www.cnews.ru. Semiconductor Supplier Ranking  in 2019.

показатели продаж. 10. Huawei says  it has begun producing IC Insights. November 18. 2019//www.insights.

10. В наиболее выигрышном положении 5 G b a s e s t a t i o n w i t h o u t U S p a r t s . com.

среди мировых полупроводниковых REUTERS. September 26. 2019. 34. Volatile DRAM and Flash Memor y

гигантов находится компания TSMC 11. Huawei to produce Kirin 1000  with Cycles Weigh On IC Market Growth. April 25.

за счет освоения новой 7‑нм техно- 5 nm process, first to be used in Mate 40 series. 2019//www.insights.com.

логии, а в перспективе и техпроцесса September 30. 2019//www.huaweicentral.com. 35. Memory Forecast to Account for 43% of

5 нм в 2020 г. Для TSMC начало стаг- 12. HP выгонит на улицу 16% сотрудни­ Total 2019 Semi Spending. IC Insights. September

нации мировой экономики окажется ков. CNews. 4 октября 2019//www.cnews.ru. 10. 2019//www.insights.com.

наименее болезненным. 13. Electronics manufacturers feel the effects 36. Гонка за числом слоев флэш-памяти

11. Кв арте т ком паний  Intel, T SMC , of US-China trade war. Evertiq. October 24. 3D NAND может не  спасти отрас ль.

Samsung, GlobalFoundries, задавав- 2019//www.evertiq.com. Время электроники. 6  июля 2019//www.

ший еще три–четыре года назад 14. Semiconductor industry sales worldwide russianelectronics.ru.

мировую технологическ ую моду 1987–2020.Statista.July4.2019//www.statista.com. 37. Intel готовит 144‑слойную QLC NAND

в  полупроводниковой микро- 15. HP, Dell and Microsoft look to join и разрабатывает пятибитную PLC NAND.

электронике, в 2019 г. окончательно electronics exodus from China. Nikkei Asian 3DNews. 26 сентября 2019//www.3dnews.ru.

трансформировался в дуэт TSMC – Review. July 03. 2019//www.asian.nikkei.com. 38 . Technolo gy Remains the Biggest

Samsung. Весьма вероятно, что 16. Трамп сдался: Huawei возобновит Challenge to Production. Reports TrendForce.

временная мировая монополия бизнес в США. Время электроники. 5 ноября September 05. 2019//www.trendforce.com.

на  техпроцессы 5–3  нм окажется 2019//www.russianelectronics.ru. 39. YMTC starts mass producing China’s

у узкопрофильной технологической 17. 5G’s rise set to break the semiconductor first 64‑layer 3D NAND chips. Global Times.

фаундри-компании TSMC. Это плохо market’s fall in 2020. October 08. 2019//www. September 2. 2019//www.globaltimes.cn.

с точки зрения конкуренции и разви- ihsmarkit.com. 40. Tsinghua Unigroup’s DRAM Fab  Is

тия на мировом полупроводниковом 18. Following 13.7 percent growth in 2018 the Scheduled for Completion in 2021 but China Big

рынке. Worldwide Semiconductor Market is expected Fund to spend over CNY200 billion in 2nd-phase

12. Нитрид галлия все отчетливее обо- to be down 13.3 percent in 2019 returning to support for local chipmakers. Digitimes.

рынок значает области своего применения growth in 2020. WSTS. August 27. 2019//www. 28 October. 2019//www.digitimes.com.

в микроэлектронике и теснит крем- wsts.org. 41. GaN Power ICs with integrated sensors for

ний. Сферой его применения явля- 19 .  O p p o r t u n i t i e s f o r t h e g l o b a l efficient charging of electric vehicles. Phys. Org.

ются не только чипы силовых и СВЧ semiconductor market. PwC. www.pwc.com. May 6. 2009//www.phys.org.

HEMT-транзисторов, но и сложные 20. Semiconductor Forecast Database, 42. Discovery  in gallium nitride a key of
16 интегральные устройства, которые Worldwide, 2Q19  Update. Gartner. July 01. energy efficient electronics. ScienceDaily.
нельзя реализовать даже на кремнии. 2019//www.gartner.com. September 26. 2019//www.sciencedaily.com.

В некоторых сферах космического 21. Samsung narrows the gap with Intel. 43. Intel to invest $7 billion in factory in

применения электронные компонен- Electronics Weekly. August 9. 2019//www. Arizona, employ 3,000. CNBC. February 8.

ты на основе нитрида галлия могут electronicsweekly.com. 2017//www.cnbc.com.

стать безальтернативными. 22. Earnings Release Q1 2019. Samsung 4 4. Gallium nitride processor  – ne x t

Electronics. April 2019//www.samsung.com. generation technology for space exploration.

Литература 23. Earnings Release Q2 2019. Samsung Phys.Org. December 28. 2017//www.phys.org.

1. Дмитрий Боднарь. Полупроводниковая Electronics. July 2019//www.samsung.com. 45. NASA studies space applications for GaN

микроэлектроника – 2017 г. Электронные 24. Earnings Release Q3 2019. Samsung crystals. Phys.Org. August 7. 2019//www.phys.org.

компоненты. 2017. № 11–12. Electronics. October 2019//www.samsung.com. 46. Renesas Electronics Ships First Plastic

2. Дмитрий Боднарь. Полупроводниковая 25. Дмитрий Боднарь. GlobalFoundries. Packaged, Radiation-Tolerant PWM Controller

микроэлектроника – 2018 г. Электронные Закат или реновация топового мирового and GaN FET Driver for New Space SmallSats.

компоненты. 2019. № 1. производителя чипов? Электронные ком­ Renesas Electronics. April 18. 2019//www.

3. Trade war: US-China trade battle in charts. поненты. 2019. № 10. renesas.com.

BBC News. May 10. 2019//www.bbc.com. 26. TSMC Reports Third Quarter EPS of 47. Mitsubishi announces first multi-cell GaN

4. Semiconductors: U. S. imports 2002–2018. NT$ 3.90. Hsinchu Taiwan, R. O. C. October 17. HEMT on diamond. i‑Micronews. September 02.

Statista. July 04. 2019//www.statista.com. 2019//www.tsmc.com. 2019//www.i‑micronews.com.

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Топ дистрибьюторов
электроники мира и России

Илья Лебедев, [email protected]

В статье сравниваются мировые и  российские дистрибьюторы по  рей-
тинговым местам. Кроме того, сравниваются рейтинги 2018  г. и  про-
шлых лет. Надеемся, эта информация поможет читателям при выборе
поставщика компонентов.

25 апреля 2018 г. вышел очередной остается практически без изменений щали свои финансовые результаты, т. к.
отчет «Топ‑50 дистрибьюторов элек- с 2012 г., если не считать лидирующего на сайте агентства Source Today сообща-
троники» [1]. Интереснее не сам отчет, азиатского дистрибьютора WPG Holdings, ется: «Наш анализ основан на финансо-
а его сравнение с аналогичным отчетом который ворвался на Олимп подобно вых результатах, представленных каждой
2012 г. и с дополнением отчета нашими урагану, взойдя на бронзовый пьедестал компанией и по возможности нами про-
дистрибьюторами. (см. табл. 1), доказав, что ничто не быва- веренных, а также на оценках нескольких
ет вечным в этом мире. По сравнению частных компаний, которые отказались
По данным Source Today, в этом году с 2012 г., в таблице много новичков, вклю- от комментариев».
рейтинг лучших 50 глобальных дистри- чая хорошо известную компанию Rutronik.
бьюторов свидетельствует об упущенных Трудно сказать, с чем это связано; предпо- Компания Avnet заняла третье место
возможностях и осторожном оптимиз- ложим, что ранее эти компании не сооб- в рейтинге после Arrow Electronics и WPG
ме. Топ‑10 глобальных дистрибьюторов Holdings спустя первого целого года

Таблица 1. Места по объему продаж зарубежных и российских дистрибьюторов электронных компонентов в мире

Место Место Дистрибьютор Год основания Объем продаж, млрд долл., Точки присутствия, Сотрудники рынок
в 2018 г. в 2012 г. 2018 г. представители, офисы
Arrow 1935 29,6 18700 17
1 2 Avnet 1921 19 465 15000
2 1 WPG Holdings 2005 18 300 5200
3 3 Future Electronics 1968 5 77 6000
4 5 Digi-Key Electronics 1972 3,16 170 4016
5 6 TTI 1971 2,8 1 6700
6 7 Allied Electronics & Automation 1928 2 133 6000
7 8 Mouser 1964 1,9 2200
8 10 Smith 1984 1,66 27 475
9 4 Newark 1934 1,5 16 1500
10 Rutronik 1973 1,22 36 1600
11 9 Fusion Worldwide 2001 1 70 168
12 DAC 1974 0,959 7
13 13 Sager 1887 0,308 40 367
14 11 America II 1989 0,283 10
15 15 Master Electronics 1967 0,28 9 298
16 NewPower Worldwide 2014 0,252 13 55
17 14 PEI-Genesis 1946 0,25 5 960
18 Bisco Industries 1973 0,203 19 465
19 17 Rand Technology 1992 0,18 48 142
20 «Компэл» 1993 0,178 9 800
Powell Electronics Inc 1946 0,174 4 219
21 Richardson Electronics 1947 0,163 11 390
22 Sourceability 2015 0,162 24 275
23 RFMW 2003 0,156 16 127
24 Phoenics Electronics 2003 0,155 5 40
25 Electro Enterprises 1970 0,151 8 250
26 Classic Components 1985 0,12 5 210
27 12

электронные компоненты  №12 2019

Таблица 1. Места по объему продаж зарубежных и российских дистрибьюторов электронных компонентов в мире (Продолжение)

Место Место Дистрибьютор Год основания Объем продаж, млрд долл., Точки присутствия, Сотрудники
в 2018 г. в 2012 г. 2018 г. представители, офисы

28 21 Hughes Peters 1921 0,11 11 160

«Симметрон» 1993 0,108 4 350

29 16 Flame Enterprises 1969 0,095 6 62

30 CoreStaff Co 2000 0,89 13 255

31 23 Steven Engineering 1975 0,085 3 123

32 39 Crestwood Technology Group 2000 0,08 7 80

33 Chip 1 Exchange 2001 0,075 3 250

34 24 Symmetry Electronics Corp 1998 0,065 16 50

35 25 Marsh Electronics 1937 0,062 8 107

«МТ-Систем» 1998 0,06 110

«Миландр» 1993 0,059 500

36 22 Edge Electronics 1990 0,058 12 37

37 26 IBS Electronics 1980 0,052 11 100

«Золотой шар» 1993 0,052 5 300

«Радиант-Элком» 1992 0,05 130

«Элтех» 1992 0,048 6 200

«Прософт» 1991 0,045

38 33 SMD 1988 0,045 6 65

«ПТ Электроникс» 41 0,044 12 150

39 NRC Electronics 1974 0,041 5 43

ДОН 1995 0,037

«Экситон» 0,036

«Чип и Дип» 1995 0,036 25 600

ЭФО 1991 0,035 8 160

«Платан» 1991 0,033

«Промэлектроника» 1993 0,033 200

40 34 Air Electro 1952 0,031 1 65

41 37 Area 51 1999 0,028 5 54

42 Diverse Electronics 1993 0,026 2 42

43 Powertech Controls 1991 0,024 4 49

44 41 March Electronics 1972 0,022 4 40

рынок 45 32 PUI (Projections Unlimited Inc.) 1980 0,021 3 33

46 38 Kensington Electronics 1989 0,021 1 26
0,019 1 40
47 45 Cumberland Electronics Strategic 1962 0,018 1 50
Supply Solutions (CE3S) 0,017 1 30

18 48 42 Gopher Electronics 1952

49 Nasco Aerospace & Electronics 2001

50 Marine Air Supply 1965 0,016 2 12

без своего подразделения Technology Поскольку рейтинг составлял- Таблица 2. Места зарубежных дистрибьюторов
Solutions. Доходы частной компании ся по глобальным дистрибьюторам, электронных компонентов в России по объему
Future Electronics, занимающей четвер- в него не попали российские ком- продаж
тое место, основаны на оценке Source пании, хотя объемы их, несмотря
Today. Компания TTI, занявшая шестое на небольшую долю в мировой тор- 1 Avnet Silica
место, отчиталась о доходах отдельно говле, заметны на фоне второй поло- 2 Arrow
от своих дочерних компаний. вины списка. Поэтому автор принял 3 EBV
решение добавить в таблицу зарубеж- 4 Future
Только 36 дистрибьюторов электро- ных дистрибьюторов первых 15 рос- 5 Rutronik
ники поделились прогнозами продаж сийских компаний, ранжировав их 6 Avnet Abacus
с Source Today, но три четверти из них по объему продаж, но не присвоив 7 TTI
прогнозируют двузначный рост в сле- им официальный рейтинг.  В  целом, 8 Digi-Key
дующем году, а девять респондентов складывается впечатление, что соста- 9 Mouser
утверждают, что их бизнес вырастет вители рейтинга, в первую очередь
более чем на 20%.

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Таблица 3. Рейтинг продаж всех дистрибьюторов электронных компонентов в России Места глобальных зарубежных дис-
трибьюторов на российском рынке
Дистрибьютор Продажи, FOB, 13 Дистрибьютор Продажи, FOB, представлены в таблице 2.
млн долл. 14 млн долл.
1 «Компэл» 178,4 15 ДОН 37,6 Если сложить данные двух таблиц,
2 «Симметрон» 108 16 «Экситон» 36 то  рейтинг продаж всех иностран-
3 Avnet Silica 95 17 «Чип и Дип» 36 ных дистрибьюторов электронных
4 Arrow 75 18 35,2 компонентов и российских компаний
5 «МТ-Систем» 60,8 19 ЭФО 33,6 из «Топ‑15» в России выглядит так, как
6 «Миландр» 58,4 20 «Платан» 33,6 показано в таблице 3. Цены приведены
7 «Золотой шар» 52 21 «Промэлектроника» 18 к ориентировочному показателю FOB.
8 «Радиант-Элком» 50,4 22 Future 14
9 «Элтех» 48 23 Rutronik 11 Данные по продажам взяты из «Отче-
10 «Прософт» 45,6 24 Avnet Abacus 10 та исследования российского рынка
11 «ПТ Электроникс» 44 8 электронных компонентов ООО
12 EBV 40 TTI 7 «СОВЭЛ» [2], который автор рекомендует
Digi-Key руководителям компаний.
Mouser
Рейтинг составлен без учета воз-
Таблица 4. Изменение мест в рейтинге первой ориентируются на европейский и севе- можных двойных или тройных продаж,
двадцатки российских дистрибьюторов за роамериканский рынки. на которые у дистрибьюторов приходят-
последние 10 лет ся 5–50%. Компания Arrow может про-
Объем продаж компаний из первой дать компоненты ЭФО, которая, в свою
Компания 2018 г. 2008 г. десятки списка составляет 77,3 млрд очередь, продаст их «Элтеху», а «Элтех» –
долл., или 93,3% доли рынка, тогда как уже конечному потребителю.
«Компэл» 12 в 2016 г. он равнялся 95%. Предполо-
жительно можно сделать вывод, что В России нет такого расслоения дис-
«Симметрон» 2 1 продажи мелких дистрибьюторов уве- трибьюторов, как за  рубежом, когда
личиваются быстрее, чем у крупных объем продаж компании на первом месте
«МТ-Систем» 38 компаний, поскольку производители рейтинга превышает в 10 раз аналогич-
расширяют сети для борьбы с нехваткой ный показатель компании на 10‑м месте,
«Миландр» 4 20 в цепочках поставок. что наблюдается и между компаниями
на 10‑м и 20‑м местах. Тем не менее миро-
«Золотой шар» 5 6 Доля российских дистрибьюторов вая практика показывает, что только уни-
из первой десятки на рынке электрон- версальные дистрибьюторы имеют шансы
«Радиант-Элком» 6 нет ных компонентов по данным Инфор- для бурного роста и глобального захвата
мационно-аналитического центра рыночной доли. Остальные обречены
«Элтех» 74 современной электроники составляет на медленное угасание или будут занимать
48%. Сравнивать текущие объемы про- узкую нишу. В силу специфики российского
«Прософт» 8 нет даж зарубежных и российских дистри- рынка процесс разделения займет не одно
бьюторов не  совсем корректно, т. к. десятилетние, поэтому для выживания
«ПТ Электроникс» 9 3 иностранные дистрибьюторы не опла- и развития необходимо расширять бизнес.
чивают НДС и доставку в России. По этой
ДОН 10 нет причине текущие продажи российских По данным таблицы 4 видно, как
дистрибьюторов из  Топ‑15 умноже- изменились места в рейтинге пер-
«Экситон» 11 нет ны на 0,8. Как видно, по сравнению вых 20 российских дистрибьюторов
с пятьюдесятью первыми иностранны- за последние 10 лет. Данные за 2008 г.
«Чип и Дип» 12 нет ми компаниями у российских дистри- взяты из [3].
бьюторов – вполне достойные объемы
ЭФО 13 10 продаж, что позволяет им претендовать Литература
на долю в мировой дистрибуции.
«Платан» 14 7 1. www.sourcetoday.com.

«Промэлектроника» 15 5 2. www.sovel.org/marketingovye_

«Макро Групп» 16 нет issledovaniya.

«МикроЭМ» 17 нет 3. www.russianelectronics.ru/leader-r/ рынок

«Аргуссофт» 18 13 news/russianmarket/doc/38980.

«Гамма СПб» 19 9

«Сканти» 20 нет 19

СОБЫТИЯ РЫНКА РЕКЛАМА


| В рамках партнерского соглашения «Первый
бит» будет внедрять аналитическую платформу
Visiology |

«Первый бит» и Visiology, вендор одноименной
BI-платформы, заключили соглашение о стратегическом
партнерстве. В рамках партнерского соглашения «Первый
бит» будет внедрять аналитическую платформу Visiology
преимущественно в сегменте средних и крупных кор-
поративных заказчиков. Кроме того, соглашение пред-
усматривает объединение усилий по созданию и продви-
жению решений на базе платформы Visiology, а также по
разработке совместных проектов в сфере бизнес-анализа.

www.russianelectronics.ru

электронные компоненты  №12 2019

Обманчивая «земля»

Сергей Никонов, инженер

«Земля» в электрических схемах часто понимается как нечто незыблемое
с нулевым потенциалом. Однако это далеко не всегда так, что и доказы-
вают рассматриваемые в статье простые примеры.

Разработка и конс труирование При изучении теории электрических валентного генератора ЭДС и экви- го, кроме того, что он обычно является
цепей, как правило, знакомятся также валентного генератора тока, а также общим для нескольких цепей. Такой узел
с методами их анализа. Двумя наиболее метод контурных токов. На практике, не имеет особых физических свойств,
известными и, в какой-то мере, схожими в основном, используется только метод а единственными накопленными заряда-
между собой методами являются метод узловых потенциалов и контурных токов ми в нем являются отрицательные заря-
узловых потенциалов и метод контур- (см. рис. 1). ды обкладки конденсаторов, у которых
ных токов. Анализ цепи по методу узло- один из выводов соединен с землей. Все
вых потенциалов начинается с выбора После нескольких лет использо- остальные имеющиеся заряды циркули-
опорного узла, который, как предпола- вания только такого подхода суще- руют по цепи (см. рис. 2). Следует четко
гается, обладает нулевым потенциалом ствует большая вероятность забыть понимать, что токи протекают по опре-
и обозначается как «земля». многие фундаментальные понятия деленному контуру и в конечном итоге
в теории электрических цепей, что, возвращаются к своему источнику.
Это допущение не влияет на коррект- в свою очередь, порождает, например,
ность расчетов, если нет необходимости заблуждения о полной безопасности Несмотря на то, что земляной слой
учитывать соотношение напряжений использования раздельных земляных схемы защищен от помех в цепях, боль-
между анализируемой цепью и другими слоев для разных участков схем. шинство шумовых токов проходит через
объектами. В то же время, выбор одно- общий узел (см. рис. 3). Только благода-
го общего узла для нескольких цепей Распространенные ря корректному проектированию цепи
помогает упростить расчеты и их анализ. заблуждения сопротивление земляного слоя имеет
Земля на схеме часто рассматривает- незначительную величину, а разность
В процессе изучения методологии ся как некое кладбище для всех зарядов. потенциалов, как следствие, стремится
расчета электронных схем мы обыч- На практике же это далеко не так. Узел к нулю.
но пропускаем множество полезных цепи, принимаемый за землю, мы выби-
методов анализа, к которым относятся раем сами. В нем нет ничего особенно- Бытует мнение, что разделение земли
метод суперпозиции, принципы экви- двух связанных между собой цепей обе-

а) б)

20 Рис. 1. Примеры использования метода: а) узловых потенциалов; б) контурных токов

Рис. 2. Ток в контуре. Заряды на земляном слое – заряды обкладки Рис. 3. Пример прохождения сигнальных и шумовых токов через общий узел. Низкое
конденсатора сопротивление земляного слоя является единственной гарантией того, что разность
потенциалов между любыми двумя физическими точками в схеме незначительна
w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Рис. 4. Если участки схемы имеют раздельные уровни земли (схема слева), передаваемый сигнал серьезно искажается (этапы анализа помечены фиолетовыми
кружками). При объединении земли (схема справа) сигнал передается без искажений, однако блок с низким уровнем шумов может пострадать при невысоком
коэффициенте подавления нестабильности питания (PSRR)

Рис. 5. При переключении на выходе образуется неопределенный уровень выходного напряжения, которое зависит от последнего состояния выходного Разработка и конс труирование
напряжения на нагрузочном конденсаторе, токов утечки, а также соотношения между сопротивлениями выключения питания и земли

спечивает защиту схемы с низким уров- во времени задержки работы элементов среднее падение напряжения на шине
нем шума от воздействия более высоких и различий в форме сигналов. В том слу- невелико, шумовые токи могут созда-
шумов другой схемы. Однако такой под- чае, когда земляной слой имеет относи- вать значительное переходное шумо-
ход может стать одной из худших оши- тельно высокое полное сопротивление, вое напряжение. Как видно из рисунка 6,
бок, которые инженер, работающий активное напряжение заметно падает фронт сигнала, который поступает
с радиочастотными приложениями, на питающей и земляной шинах, что на вход от внешнего блока или тестовой
может по незнанию совершить. Разде- снижает эффективное напряжение пита- микросхемы, может иметь временной
ление земли на части во многих случаях ния и увеличивает задержку в работе сдвиг [1]. Его уровень зависит от вели-
приводит к увеличению шума в переда- КМОП-элементов. Кроме того, даже если чины переходного шума и полярности.
ваемом сигнале. Это утверждение может
показаться нелогичным, но становится 21
понятным при рассмотрении полной
схемы передачи как (см. рис. 4). Анало- Рис. 6. Профиль переходного напряжения питания и тока заземления создает аналогичный профиль
гичный эффект также наблюдается при напряжения заземления, что влияет на время нарастания фронтов сигнала. Этот эффект уменьшают
подключении МОП-структур к выделен- развязывающие конденсаторы для сглаживания пульсаций и снижения сопротивления шины питания
ному земляному слою. и земли

В цифровых схемах с малым энерго-
потреблением переключаются не толь-
ко цепи земли, но и питания (см. рис. 5).
Однако предпочтение обычно отдается
именно переключению земляного трак-
та, что обусловлено меньшими разме-
рами N‑канальных МОП-транзисторов
по сравнению с P‑канальными при оди-
наковом сопротивлении в открытом
состоянии.

Цепи питания и земли могут иметь
разное время переключения. Рассин-
хронизация возникает из-за различий

электронные компоненты  №12 2019

Этот эффект заметнее проявляется случае проектирование единого слоя совместно используют один земляной

в случае сигналов с большим временем земли с низким сопротивлением и низ- слой, как показано на рисунке 7. В циф-

нарастания/спада. кой индуктивностью намного лучше, ровой блок поступают шумовые токи

чем проектирование нескольких земля- от источника питания, которые затем

Разделять или не разделять? ных шин, когда необходимо учитывать возвращаются через земляную шину

Одним из важных моментов, требую- обратные токи и магнитное взаимодей- и соединительный провод. В результате

щих внимания, является правомерность ствие контуров большой площади с про- на проводе земли напряжение существен-

разделения земли на разных участках текающими в них высокочастотными но искажено. Поскольку этот связующий

схемы. После прочтения предыдущего токами. провод является общим для цифрового

раздела у читателей может сложиться Тем не менее, в определенных случаях блока и кварцевого генератора, искаже-

впечатление, что разделение земли нет возможности избежать разделения ния накладываются на синусоидальное

является нежелательным этапом про- земляных шин. Например, у нас имеется напряжение генератора.

ектирования. В то же время, часто это кварцевый генератор и цифровой блок При необходимости разделить земли

является обычной практикой. В общем с  высоким уровнем шумов, которые рекомендуется сделать следующее.

–– Установите как можно больше раз-

вязывающих конденсаторов вокруг

блока с  высоким уровнем шума

(см. рис. 8), чтобы уменьшить количе-

ство шумовых токов и свести к мини-

муму искажения на смежных блоках

и их выходах.

–– Минимизируйте электрическое вза-

имодействие или ток между блоком

с высоким уровнем шума и другими

блоками. Для этих целей на участке

с высоким уровнем шума используй-

те драйверы с высоким выходным

сопротивлением, а в области с низ-

ким уровнем шума – буферы с высо-

ким входным сопротивлением.

Земляной узел выбирается условно

Рис. 7. Блок с высоким уровнем шума создает искажения в напряжении на проводе заземления. для упрощения анализа цепи. Все заря-
Они накладываются на «чистое» напряжение во внутренних узлах кварцевого генератора ды перемещаются в контурах и не пре-
кращают в нем свое движение.
Разработка и конс труирование
Чтобы предвидеть и разрешать про-

блемы, связанные с землей, следует

представить полную схему со всеми

физическими соединениями без зем-

ляного узла. Определите в ней контуры

и пути протекания тока. Прежде чем

принимать проектное решение об объе-

динении или разделении земли в разных

областях, тщательно изучите возможные

последствия.

Рассмотрим пример. На рисунке 9а 

показан источник тока на N‑канальном

МОП-транзисторе с конечным значени-

ем полного сопротивления стока. Какова

величина импеданса со стороны источни-
22 ка напряжения питания на низкой часто-
те? Ответ очевиден: импеданс зависит

Рис. 8. Развязывающий конденсатор в блоке с высоким уровнем шумов сглаживает большую часть помех от выходной характеристики конкретного
через источник питания и землю. Уменьшение величины тока из шумной области в чувствительную транзистора.
минимизирует помехи
Теперь в той же схеме выберем сток
N‑канального МОП-транзистора в каче-

стве земляного узла, а не источника

питания, как показано на рисунке 9б.

Значение импеданса осталось преж-

ним – изменился только потенциал

вывода «+» у источника напряжения

относительно земли. Не следует обма-

нываться в таких случаях при опреде-

лении земляного узла.

Рис. 9. Определение земляного узла не влияет на значение импеданса Литература
1. Maxim Integrated Application Note #4345.
Well Grounded, Digital Is Analog.

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Цифровые гальванические
развязки компании Broadcom.

Часть 2

Александр Кораблев, инженер
В первой части этой статьи [1] были рассмотрены изолированные уси-
лители и  линейные оптоэлектронные развязки. Во  второй части рас-
сматриваются цифровые гальванические развязки компании Broadcom.
Описываются их основные особенности, и  указываются области при-
менения.

Гальванические развязки (ГР) производятся по разным тех- Рис. 1. Паразитные емкости оптоэлектронной ГР Разработка и конс труирование
нологиям, но все они характеризуются следующими основны-
ми параметрами. ной технологии и прибегнуть к электромагнитной технологии 23
1. Электрическая прочность изоляции. изолирующего барьера. На сегодняшний день в продукто-
2. Стойкость к пиковым повторяющимся рабочим напряже- вой линейке компании насчитывается в общей сложности
15 1-… 4‑канальных ГР с максимальной скоростью передачи
ниям. данных 100 Мбит/с.
3. Устойчивость к изменению синфазного напряжения.
4. Максимальная скорость передачи данных. На рисунке 2 показана структурная схема 4‑канальной ГР
ACML‑7400 в конфигурации 4–0 (все четыре канала переда-
Большая толщина диэлектрического слоя оптоэлектрон- ют данные в одном направлении). В это же семейство входят
ных развязок Broadcom позволяет им быть среди лидеров модификации 3–1 (ACML‑7410) и 2–2 (ACML‑7420). Приведем их
по пунктам 1–2. В компании Broadcom проводили испытания, основные параметры:
во время которых между закороченными входами и выхода-
ми ГР прикладывалось напряжение 3,5 кВ. При этом после -- скорость передачи данных (макс.): 100 Мбод/с;
168 ч испытаний ГР сохранила работоспособность. Подобный -- напряжение питания: 3,3–5,5 В;
результат недостижим для гальванических развязок, изготов- -- ток потребления: 15 мА/канал;
ленных по другим технологиям. -- задержка распространения сигнал: не более 36 нс;
-- рассогласование задержки распространения между
Конечно, имеются стандарты электромагнитной обстановки,
в которых указаны требования к помехам. Существуют соответ- каналами: не более 4 нс;
ствующие требования других стандартов, где указаны допусти- -- рассогласование задержки распространения между
мые перенапряжения, которые должны выдерживать ГР.
микросхемами разных партий: не более 8 нс;
К сожалению, в промышленных приложениях на практике -- электрическая прочность изоляции: 5600 В (СКЗ);
бывают случаи, когда эти требования не всегда соблюдают- -- рабочее напряжение изоляции: 800 В (СКЗ);
ся и перенапряжения, прикладываемые к изоляционному -- устойчивость к изменению синфазного сигнала: 75 кВ/мкс;
барьеру ГР, превышают требования стандартов. Например, -- диапазон рабочей температуры: –40…105°C;
при разряде молнии плохое заземление оборудования может -- корпус: SOIC‑16.
породить сильные кондуктивные помехи. К таким же послед-
ствиям может привести коммутация неисправного мощного
силового оборудования. Таким образом, способность опто­
электронных развязок выдерживать перенапряжения, зна-
чительно превышающие требования стандартов, является их
важным преимуществом при использовании в промышленных
приложениях.

Несколько сложнее с пунктами 3 и 4 приведенного выше
перечня. Устойчивость к изменению синфазных напряжений
во многом определяется паразитными емкостями между пер-
вичной и вторичной сторонами. Из-за особенностей конструк-
ции оптоэлектронных ГР, схематично показанных на рисунке 1,
паразитные емкости у них довольно велики. Тем не менее,
инженерам компании удалось довести устойчивость к изме-
нению синфазного напряжения до 100 кВ/мкс, что соответ-
ствует лучшим показателям ГР других технологий. Подобные
развязки используются в драйверах затвора силовых ключей
в высоковольтных силовых каскадах. В цифровых ГР такая
стойкость не требуется.

Максимальная скорость передачи данных по оптоэлек-
тронным ГР составляет 25 Мбод. Возможно, это максимум для
этих элементов, потому что для скорости передачи данных
100 Мбит/с компании пришлось отказаться от оптоэлектрон-

электронные компоненты  №12 2019

Рис. 3. Структурная схема ГР ACSL-7210

Разработка и конс труирование Рис. 2. Структурная схема 4-канальной ГР ACML-7400 в конфигурации 4–0 2. ГР в пластмассовых корпусах для промышленных прило-
жений.
Дополнив свою производственную линейку цифровых
высокоскоростных развязок гальваническими развязками 3. ГР в герметичных корпусах для жестких условий эксплуата-
с максимальной скоростью передачи данных 100 Мбит/с, ции в военной и авиакосмической промышленности.
компания Broadcom охватила практически все сегменты Особенно следует обратить внимание на пункт 3 перечня.
промышленных сетевых приложений. Причем, прочное поло-
жение компании в этом сегменте определяется не только Упомянутые в нем ГР предназначены для жестких условий
электрическими параметрами ГР, но и их конструктивным эксплуатации и имеют повышенную надежность, а также рас-
исполнением. В соответствии с ним компания разделяет свои ширенный диапазон рабочих температур –55…125°C. Эти ГР
оптоэлектронные развязки по областям применения следу- производятся не только для промышленности, но и в соот-
ющим образом: ветствии со стандартом MIL-PRF‑38534 Class Level E, H, K
1. ГР для автомобильной электроники с расширенным диа- для военной и авиакосмической техники. Все ГР в герме-
тичных корпусах выпускаются и тестируются по стандарту
пазоном рабочей температуры –40…125°C. MIL-PRF‑38534.

С учетом существенных отличий герметичных цифровых
ГР следует отдельно перечислить основные параметры гер-
метичных ГР и отдельно других цифровых ГР. Перечислим сна-
чала значения основных параметров герметичных ГР в общем
виде, не относя их к конкретным типам:

-- напряжение питания: 3,3–20 В;
-- скорость передачи данных для ГР с выходом открытый

коллектор: 700 Кбод/с;

24

Рис. 4. Пример использования развязки с логическим уровнем входных сигналов

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

-- скорость передачи данных для ГР с триггером Шмидта Разработка и конс труирование
с логическими уровнями сигналов (макс.): 5–29 Мбод/с;

-- рабочее напряжение изоляции: 1500 В;
-- устойчивость к изменению синфазного напряжения:

1 и 1,5 кВ/мкс;
-- число каналов в микросхеме: 1, 2 или 4;
-- диапазон рабочей температуры: –55…125°C;
-- корпуса: DIP8, DIP16, LCCC20, Flat Packs16.
Ниже приведены параметры цифровых ГР для промыш-
ленных приложений и для автомобильной электроники:
-- диапазон напряжение питания: 3,3–24 В;
-- скорость передачи данных (макс.): 20 Кбод…100 Мбод;
-- рабочее напряжение изоляции (пик-пик): 560–2260 В;
-- устойчивость к изменению синфазного напряжения:

до 50 кВ/мкс;
-- тип входа: светодиод или буфер с логическими вход-

ными уровнями;
-- тип выхода: открытый коллектор/сток или триггер

Шмидта с логическими уровнями сигналов;
-- число каналов в микросхеме: 1, 2 или 4;
-- диапазон рабочей температуры: –40…105 или

–40…125°C.
Обратите внимание на возможность выбора напряже-
ний питаний в очень широком диапазоне значений. Высо-
кое значение напряжения питания до 20–24 В значительно
облегчит работу в зашумленной среде и, возможно, изба-
вит от необходимости использования дополнительного
понижающего преобразователя – в схемах промышлен-
ной электроники всегда можно найти шину с напряжением
15–24 В и не всегда – с напряжением 3,3 или 5 В.
Удачным решением является использование входного
буфера с логическим уровнем входных сигналов. Это реше-
ние избавит от необходимости применения источника тока
и сократит число внешних компонентов. Пример подобного
решения приведен на рисунке 3 со структурной схемой
цифровой ГР ACSL‑7210.
Пример использования развязки с логическим уров-
нем входных сигналов показан на рисунке 4. На нем
в самом общем виде изображена схема сбора и обработ-
ки данных. Как видно из рисунка, введение в эту схему
дополнительных источников тока для светодиодов ГР
явно «утяжелит» схему, увеличит ее габариты и стои-
мость. В то же время использование ГР с входным буфе-
ром не вызывает каких-либо лишних проблем.

Литература

1. Линейные гальванические развязки компании Broadcom.

Часть 1//Электронные компоненты №5. 2019.

СОБЫТИЯ РЫНКА 25

электронные компоненты  №12 2019
| ИСП РАН и Huawei открыли научно-исследова-

тельскую лабораторию |

Институт системного программирования

им. В.П. Иван­никова Российской академии наук (ИСП

РАН) и российский научно-исследовательский институт

Huawei (Huawei Russian Research Institute) в рамках стра-

тегического партнерства создали совместную лаборато-

рию, работа которой будет направлена на исследования

и разработку в области компиляторных технологий и

компонентов операционных систем.

Средства разработки и компиляторы, в частности,

являются фундаментом для создания ПО умных часов,

телевизоров, мобильных телефонов и серверных плат-

форм. www.russianelectronics.ru РЕКЛАМА

Использование
последовательного резонанса
в драйверах для высоковольтного
пьезоэлектрического
преобразователя

K.C. Янг (KC Yang), компания Accel Instruments

В статье рассматривается драйверное решение для пьезоэлектриче-
ского преобразователя, выполненное на базе усилителя сигнала и выход-
ной цепи в  виде последовательного колебательного контура с  исполь-
зованием собственного импеданса пьезоэлектрического элемента.
Предлагаемый способ может составить основу для проектирования
резонансных драйверов для возбуждения высоковольтных пьезоэлектри-
ческих преобразователей разного типа.

Введение

Пьезоэлектрический эффект был

открыт в 1880 г. Его обнаружили фран-

цузские физики братья Жак и Пьер

Разработка и конс труирование Кюри, работая в минералогической

лаборатории Сорбонны. Суть эффекта

заключается в том, что когда обладаю-

щий пьезоэлектрическими свойствами

материал подвергается механическому

напряжению, на его поверхности обра-

зуются электрические заряды, что при-

водит к образованию электрического

потенциала – напряжения. Обратный Рис. 1. Синусоидальное напряжение переменного тока, приложенное к пьезоэлектрическому материалу,
эффект был открыт братьями Кюри заставляет его расширяться и сжиматься
годом позже: под воздействием элек-

трического поля происходит деформа- преобразователи для очистки и т. д. Эти дения пьезопреобразователя, а затем

ция пьезоэлектрических кристаллов устройства работают в очень широком сравним его с предлагаемым, определив

(см.  рис.  1). Открытие пьезоэффекта диапазоне напряжений, частоты и форм их преимущества, недостатки и области

сыграло большую роль. На его основе сигналов. Некоторые из них требуют применения.

разработаны чувствительные микро- только напряжения постоянного тока,
26 фоны, датчики (например, вибрации тогда как другим необходимы те или
и давления) и ультразвуковые приемни- иные формы напряжения переменного Нерезонансный драйвер
прямого действия (усилитель)

ки, а обратный пьезоэффект позволяет тока, например синусоидальная и пря- Наиболее удобный способ управле-

преобразовать электрические колеба- моугольная с  разной скважностью. ния пьезоэлектрическими приводами

ния в звуковые, благодаря чему были Некоторым устройствам для возбужде- и другими устройствами заключается

созданы разнообразные, в т. ч. мало- ния достаточно напряжения в несколь- в их прямом подключении к специаль-

габаритные излучатели, например для ко десятков вольт, а другим требуются но разработанному усилителю, выполня-

ультразвуковой эхолокации и акустики. сотни и даже тысячи вольт. ющему роль драйвера и согласующего

В настоящее время большинство Управление высоковольтными пье- устройства или, например, к лаборатор-

пьезоэлектрических преобразователей зоэлектрическими устройствами, часто ному усилителю сигналов разной формы

(Piezoelectric Transducer, PZT) использует сопровождаемое работой на высокой TS250 [1] (см. врезку), который можно

обратный пьезоэлектрический эффект. частоте и с высокой емкостью, может использовать в качестве драйвера [2]

К таким устройствам относятся пьезо- оказаться весьма сложным. В этой статье (см. рис. 2) для оценки и испытаний пье-

электрические двигатели, трансфор- рассматривается способ решения дан- зоэлектрических устройств.

маторы, исполнительные механизмы ной задачи путем повышения выходного Прямой метод обеспечивает непо-

(актуаторы), громкоговорители/зум- напряжения с использованием после- средственное управление уровнем

меры, ультразвуковые устройства для довательного резонанса. Но сначала мы напряжения, подаваемого на пьезоэлек-

визуализации, мощные ультразвуковые обсудим нерезонансный метод возбуж- трический преобразователь, и формой

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Усилители сигналов серии TS250

Усилитель сигналов серии TS250, предлагаемый компаний Accel  Instruments, – уникальный
инструмент, идеально выполняющий функцию усиления [1]. Он усиливает ток, напряжение или
мощность для управления большими нагрузками, например емкостными. Коэффициент усиления
прибора TS250 равен 0 или 20 дБ. Усилитель TS250 имеет восемь диапазонов напряжения на выбор –
от ±10 до 65 В. Пиковый выходной ток TS250 для низковольтной модели достигает 6 А. Более высокий
ток возможен при параллельном подключении двух или более усилителей.

Усилитель TS250 предназначен для испытаний и измерений, к которым относится тестирование
стабилизаторов напряжения, в т.ч. линейных с малым падением напряжения (LDO) и коэффициента
подавления пульсация источника питания (PSRR) усилителей. Усилитель применяется также в качестве
имитатора батареи, для измерения коэффициента подавления синфазного сигнала (CMRR) опера-
ционного усилителя, в качестве генератора тока для электромагнитных катушек, усилителя общего
назначения, для тестирования переходного процесса, как четырехквадрантный источник питания,
лабораторный усилитель мощности и т.д.

Питание усилителя TS250 осуществляется от сети напряжения переменного тока 100–240 В
с частотой 50/60 Гц.

сигнала возбуждения (синусоидальная амплитудного. В данном случае необ- Если требуется широкополосное Разработка и конс труирование
или меандр). Это самый распространен- ходимо учитывать форму напряжения возбуждение при высоком напряже-
ный вариант возбуждения таких преоб- возбуждения. При возбуждении пря- нии, например в случае использования 27
разователей. моугольным напряжением усилитель пьезоэлектрического громкоговорителя
в первый момент времени работает малогабаритного устройства, использу-
Драйверы на  основе усилителя на нагрузку, определяемую суммой ется мостовое включение излучателя.
обычно используются для прямого активных сопротивлений пьезоэле- Напряжение возрастает в два раза,
управления высокочастотными и высо- мента, линий подключения и выход- а излучаемая мощность устройства
коемкостными преобразователями, ного сопротивления драйвера. В ряде и звуковое давление, соответственно, –
например исполнительными механиз- случаев применяется ограничение в четыре. В таких приложениях также
мами, источниками звуковых сигналов по выходному току. используется трансформатор [2].
и двигателями. Пьезоэлектрические
двигатели и преобразователи имеют На более высоких частотах, что Резонансное повышение
очень высокую собственную емкость. требуется довольно часто, драйвер
Если частота возбуждения достаточно должен обеспечить очень высокие выходного напряжения
высока, их импеданс мал из-за большой токи, поскольку импеданс пьезоэлек-
емкости. По этой причине требуется трического преобразователя падает драйвера
усилитель, обеспечивающий достаточно до уровня его активного сопротивле- Рассмотренный метод прямого воз-
высокие токи, особенно на ультразвуко- ния. Поскольку при проектировании буждения, когда драйвер напрямую
вых частотах. таких драйверов необходимо учиты- выдает требуемое напряжение, ток
вать их способность к заряду и разряду и частоту для возбуждения пьезопре­
Ток драйвера определяется законом емкости преобразователя, необходимо образователя (см. рис. 2), является наи-
Ома (1): обеспечить высокие вытекающие и вте- более простым и удобным на практике.
кающие токи. Не все схемы усилителей Однако бывают случаи, когда пьезоэлек-
V = IZ, (1) при работе на емкостную нагрузку ведут трический привод и другие устройства
себя одинаково. Как правило, в таких требуют более высокое напряжение,
где Z – импеданс пьезопреобразователя. случаях используется либо специаль- чем обеспечивает драйвер. Например,
Из этого уравнения следует (2): ная организация цепи обратной связи, максимальное выходное напряжение
либо согласующий резистор номиналом драйвера составляет 80 В (пик–пик),
I = V/Z. (2) 1/2 от емкостного импеданса. Подроб- но требуемое для возбуждения пьезо-
нее драйверы на основе усилителя рас- преобразователя напряжение исчисля-
Подстановка значения емкостного смотрены в [2] и [4]. ется сотнями или даже тысячами вольт,
импеданса Z = 1/(2πfС) в уравнение (2) да еще и на высокой частоте.
дает (3): Еще одной проблемой, особенно при Чем выше напряжение, тем труднее
возбуждении сигнала прямоугольной и дороже обеспечить напрямую высо-
I = 2πfCV. (3) формы, являются возникающие помехи, кую частоту и большой ток с помо-
обусловленные резонансом емкостей щью драйвера на основе усилителя.
Как видно из  уравнения (3), ток  I с паразитными индуктивностями и, как К счастью, имеется простое решение,
прямо пропорционален напряжению V, следствие, проблемы с электромагнит- позволяющее усилителю низкого
частоте f и емкости C. ной совместимостью. Поскольку поме- напряжения повышать напряжение
хи малы, а добротность цепи высока, на емкостной нагрузке. Метод после-
Рассмотрим пример с пьезоэлек- спектр помехи перемещается в область довательного резонанса повышает
трическим исполнительным механиз- очень высоких частот. напряжение возбуждения, реализуя
мом с собственной емкостью 1 мкФ,
работающим на частоте 18 кГц. Какой Рис. 2. Усилитель сигналов TS250 в качестве драйвера пьезоэлектрического преобразователя
пиковый ток драйвера ему требуется, с непосредственным возбуждением преобразователя с собственной высокой емкостью
если исполнительный механизм воз-
буждается синусоидальным напря-
жением с амплитудой 40 В (пик–пик)?
Исходя из уравнения (3), драйвер дол-
жен обеспечить среднеквадратичный
ток 3,2 А, поскольку среднеквадратич-
ное или эффективное значение сину-
соидального напряжения в √2 меньше

электронные компоненты  №12 2019

Из уравнения (4) получаем (5) для рас-
чета индуктивности:

. (5)

Чтобы лучше понять, как после-

Рис. 3. Для повышения напряжения, подаваемого на пьезоэлектрический преобразователь, используется довательный резонанс повышает
последовательная индуктивность. Цепь, выделенная красным цветом, находится под высоким
напряжением напряжение, следует разобраться, как
уменьшается импеданс пьезопреобра-
зователя. Итак, резонансная схема пре-

высоковольтный драйвер и генератор телем на рисунке 3 трансформируется образует пьезоэлектрический усилитель

[3]. Повышение напряжения осущест- в рисунок 5. в высоковольтный пьезоэлектрический

вляется с помощью последовательно Заметим, что входящая в резонанс- генератор.

включенной индуктивности (см. рис. 3). ный контур индуктивность также смо-

Однако необходимо учитывать, что делирована с небольшим паразитным Взаимодействие импедансов

колебательный контур, работающий последовательным сопротивлением RL в последовательной
в режиме последовательного резонан- (в спецификациях на катушки индук- резонансной цепи

са, не является усилителем мощности. тивности это сопротивление указыва- Последовательная индуктивность L

Напряжение на его элементах повыша- ется как RDC). При детальном анализе на рисунках 3 и 5 работает как устрой-

ется за счет увеличения тока в цепи и, в эквивалентную схему добавляется ство для компенсации импеданса.

следовательно, потребляемой мощно- собственное выходное сопротивле- На резонансной частоте индуктивность L

сти от источника переменного напря- ние драйвера как источника сигнала, катушки и емкость CPZT пьезопреобра-
жения; в нашем случае – от усилителя, сопротивление проводов подключе- зователя имеют одинаковый импеданс,

выполняющего роль драйвера. ния и соответствующие паразитные но напряжения на них сдвинуты по фазе

Далее мы обсудим, как последова- индук тивности при очень высокой на 180°. Индуктивность и емкость ней-

тельная резонансная схема повыша- частоте возбуждения. Чтобы не пере- трализуют друг друга. Индуктивность

ет напряжение для такой емкостной гружать изложение, мы не станем рас- на  частоте резонанса является тем

нагрузки как пьезоэлектрический пре- сматривать эти элементы. «устройством», которое нейтрализует

образователь. Как видно из  рисунка 5, добавле- импеданс конденсатора. Взаимная ком-

ние в схему индуктивности преобра- пенсация импедансов моделируется

Модель пьезопреобразователя зует нагрузку усилителя из емкостной как виртуальное короткое замыкание

Разработка и конс труирование и последовательный резонанс в последовательный резонансный LCR- на резонансной частоте, показанное

Пьезоэлектрические устройства, контур, т. е. в контур с потерями. Заме- на рисунке 5 виртуальной перемычкой.

например зуммеры и  исполнитель- тим, что показанные на этом рисунке Поскольку импеданс на резонансе всег-

ные механизмы, являются емкостной два паразитных резистора RL и  RPZT да равен нулю, напряжение также равно
нагрузкой. Их можно предс тавить можно объединить в одно сопротивле- нулю при любом токе. По определению,

моделью в виде конденсатора с после- ние, поскольку они соединены после- это короткое замыкание.

довательным резистором (см. рис. 4), довательно. При необходимости к ним После того как индуктивный

как правило, малой величины. Схема добавляется выходное сопротивление и емкостной импедансы XL и XC «компен­
с пьезоэлектрическим преобразова- драйвера и сопротивление линий под- сировали» друг друга, осталось только

ключения. LCR-контур управляется паразитное сопротивление R, равное

высокочастотным усилителем TS250. сумме активных сопротивлений пье-

На резонансной частоте он «видит» толь- зопреобразователя и индуктивности

ко два паразитных сопротивления. (см. рис. 5). Это сопротивление, как

Резонансная частота LC-контура без правило, мало, и не превышает 1 Ом.

потерь рассчитывается с помощью урав- В цепи с небольшим сопротивлением

28 Рис. 4. Упрощенная модель пьезоэлектрического нения (4): усилитель, выполняющий роль драйвера
преобразователя
. (4) пьезоэлектрического преобразователя,
обеспечивает через LCR-цепь довольно-
таки большой ток.

Рассмотрим в  качестве примера

пьезоэлектрический актуатор с эквива-

лентным последовательным сопротив-

лением 1 Ом и собственной емкостью

10 нФ. Резонансная частота произволь-

но устанавливается равной 10 кГц, что

достигается путем добавления индук-

тивности 25 мГн. Общий импеданс со сто-

роны драйвера актуатора определяется

как суммарное сопротивление потерь,

которое составляет 1 Ом. Это позволя-

ет низковольтному усилителю подавать

ток 10 А (пик–пик) в колебательный LCR-

Рис. 5. На схеме показано падение импеданса и виртуальное короткое замыкание при последовательном контур. Применение данного метода
резонансе обеспечивает довольно-таки большой

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

ток через пьезоэлектрический преоб-
разователь. Заметим, что резонансная
технология работает только в узком диа-
пазоне частот вблизи точки резонанса.
При необходимости изменить частоту
возбуждения следует воспользоваться
другой индуктивностью.

Преобразование тока Рис. 6. Для повышения тока используются два включенных параллельно драйвера TS250
и последовательная индуктивность
в напряжение
Для повышения напряжения снача- возбуждения пьезопреобразователей лители, выполняющие роль драйверов Разработка и конс труирование
ла подавляется полное сопротивление требуется высокое напряжение. Однако пьезоэлектрических преобразовате-
(импеданс), благодаря чему обеспе- необходимо учитывать, что при таком лей с высоким напряжением смещения
чивается большой ток через нагрузку. решении напряжение возбуждения постоянного тока, как правило, имеют
Далее ток преобразуется в напряжение. является симметричным относитель- ограниченный выходной ток. Однако
Напряжение на пьезоэлектрическом но 0 В и, следовательно, его амплитуда имеется более гибкий способ, который
актуаторе (моделью которого служит имеет положительную и отрицательную позволяет одновременно получить
конденсатор) определяется законом полуволны напряжения. Это идеаль- и высокий ток возбуждения, и высокое
Ома и равно току драйвера I, умно- но подходит для пьезоэлектрических напряжение смещения постоянного
женному на полное сопротивление Z. устройств, которым требуется именно тока.
В этом случае сопротивление конденса- такая форма напряжения возбуждения.
тора емкостью 10 нФ на частоте 10 кГц Однако некоторые высокочастотные На рисунке 7 показано решение
составляет 1591 Ом. Поскольку ток равен преобразователи, актуаторы и двига- с использованием внешнего источни-
10 А (пик–пик), напряжение на актуато- тели требуют только положительного ка напряжения постоянного тока для
ре достигает 15,9 кВ (пик–пик); при этом напряжения возбуждения, и при том обеспечения необходимого смещения.
выходное напряжение усилителя равно высокого. Им может, например, пона- Такие изолированные источники посто-
10 В (пик–пик). добиться синусоидальное напряжение янного тока – не редкость: их выпускают
Таким образом, благодаря резо- с амплитудой в диапазоне 0–130 В, что многие производители. На рынке пред-
нансной схеме низковольтный драйвер эквивалентно синусоиде 130 В (пик–пик) лагаются также специализированные
подает большой ток через пьезоэлек- со смещением по напряжению постоян- источники для исследовательских целей
трические преобразователи, испол- ного тока равным 65 В. и лабораторного применения.
нительные механизмы, двигатели или
другие устройства. Для генерации высо- Чтобы проще реализовать синусои- Как видно из  рисунка 7, дополни-
кого напряжения можно использовать ду с амплитудой 0–130 В, для пьезоэлек- тельный источник питания в виде изо-
высокий емкостной импеданс пьезо­ трического преобразователя следует лированного DC/DC-преобразователя
электрического элемента. Такое реше- выбрать драйвер со встроенным сме- включен последовательно с  драй­
ние эффективно преобразует высокий щением постоянного тока 65 В. Такую вером пьезоэлектрического актуатора,
ток в высокое напряжение. Следователь- задачу позволит легко выполнить уста- роль которого выполняет усилитель.
но, схема последовательного резонанса новка драйвера на желаемое напря- Поскольку большинство драй­веров
в сочетании с низковольтным усилите- жение смещения постоянного тока, не  изолировано, необходимо обе-
лем создает высокочастотный высоко- например 65 В, как в рассматриваемом спечить их правильное подключение.
вольтный пьезоэлектрический драйвер. случае. Проблема в том, что обычно уси- Отрицательная клемма актуатора под-
ключена к точке заземления вместе
Параллельное включение
29
драйверов
В некоторых случаях емкость пьезо-
электрического компонента настолько
велика, что для возбуждения требуется
очень большой ток. Чтобы увеличить
его, несколько драйверов соединяется
параллельно. Как видно из рисунка 6,
для удвоения выходного тока парал-
лельно включаются два драйвера
на основе усилителя сигналов TS250.
Для изоляции драйверов друг
от друга в схеме используются после-
довательные резисторы RS небольшого
номинала. Их сопротивление обычно
составляет 0,5–2 Ом. Для увеличения
выходного тока параллельно подклю-
чаются до восьми драйверов.

Смещение по напряжению Рис. 7. Объединение драйвера на основе усилителя TS250 с источником напряжения постоянного тока
позволяет получить высоковольтный сигнал униполярной формы
постоянного тока
Резонансный метод, эффективно
повышающий напряжение драйвера,
применяется в тех случаях, когда для

электронные компоненты  №12 2019

с заземлением функционального генератора. По этой причине Решение с внешним источником питания на основе изо-

источник смещения постоянного тока должен быть изолиро- лированного DC/DC-преобразователя, обеспечивающим

ван от земли. Если работы выполняются в лаборатории, про- заданное смещение, позволяет использовать для возбужде-

блемы не возникают, поскольку большинство лабораторных ния пьезоэлектрического преобразователя низковольтный,

источников питания изолировано от напряжения питающей но сильноточный и высокочастотный драйвер. При этом

сети переменного тока. не требуется, чтобы изолированный DC/DC-преобразователь

Еще один важный элемент схемы – развязывающий конден- был рассчитан на высокий выходной ток. Его назначение

сатор CBYP, установленный по выходу источника питания после состоит только в обеспечении смещения.
резистора RP. Он предназначен для пропускания высокоча- Например, рассмотрим схему на рисунке 7 с пьезо­
стотного переменного тока, а также для защиты источника
электрическим преобразователем, имеющим собственную

питания. Емкость этого конденсатора должна быть намного емкость 1 мкФ, который образует последовательный коле-

больше по сравнению с емкостью пьезоэлектрического пре- бательный контур с индуктивностью 0,25 мГн. В этой схеме

образователя. Рекомендуемая емкость байпасного конден- используется также источник напряжения постоянного тока

сатора должна в 10–100 раз превышать собственную емкость 100 В. При резонансной частоте 10 кГц напряжение на пьезо-

пьезопреобразователя. Емкость байпасного конденсатора электрическом преобразователе составляет 200 В (пик–пик)

влияет на резонансную частоту, поскольку она установлена при пиковом токе ±6,5 А. Эквивалентная реактивная мощность

последовательно собственной емкости пьезопреобразовате- равна 1300 ВА, но с учетом сдвига фаз соответствующая актив-

ля CPZT. Следовательно, необходимо учитывать емкость этого ная мощность невысока. Большая мощность 1300 ВА дости-
конденсатора при расчете резонансной частоты и выборе зна- гается с помощью драйвера, у которого выходной ток равен

чения индуктивности. С этой целью для данной схемы ранее 6,5 А при напряжении 6,5 В, т. е. с выходной мощностью чуть

приведенные уравнения (4–5) изменены и представлены больше 42 Вт.

в виде уравнений (7–8):

, (7) Выводы
Последовательный резонанс с использованием добавоч-

ной индуктивности является отличным способом повысить

напряжение при работе с высоковольтными пьезоэлектри-

ческими устройствами. Добавление индуктивного элемента

. (8) для компенсации полного или почти полного реактивного,
а именно емкостного сопротивления пьезоэлектрического

преобразователя, уменьшает общий импеданс, «видимый»

драйвером. В идеальном случае резонансный метод позво-

ляет уменьшить импеданс до суммы резистивной составляю-

Номинальное рабочее напряжение байпасного конденса- щей пьезоэлектрического элемента, индуктивности (ее RDC),

Разработка и конс труирование тора должно соответствовать максимальному постоянному выходного сопротивления драйвера и сопротивления прово-

напряжению изолированного DC/DC-преобразователя. Кроме дов. Поскольку в силу своей природы пьезоэлементы имеют

того, должно соблюдаться требование по допустимому напря- низкое омическое сопротивление, при правильно подобран-

жению переменное тока. Номинальное напряжение перемен- ных индуктивности, драйвере и должном подключении у коле-

ного тока рассчитывается с помощью уравнения (9): бательного контура – достаточно высокая добротность. При

высокой добротности получить высокое напряжение на пье-

, (9) зоэлектрическом преобразователе не составляет большого
труда.

Высокий ток через пьезоэлектрический преобразователь

где I – сила пикового переменного тока. достигается с помощью низкого напряжения, а для создания

Защитный резистор RP предотвращает протекание большо- высокого напряжения используется большой импеданс пре-
го тока через источник питания. Источник постоянного тока образователя. Именно благодаря свойствам пьезоэлектри-

предназначен только для смещения и не требует большого ков резонансный метод превращает сильноточный усилитель

выходного тока. Однако резистор RP все же рекомендуется в высоковольтный пьезоэлектрический драйвер.
для защиты источника питания от большого переменного тока

и большого переменного напряжения. Поскольку он предна- Литература
30 значен только лишь для предотвращения протекания тока
1. TS250. Waveform Amplifier//www.accelinstruments.com/Products/

к источнику питания, можно использовать резистор с боль- TS250/Waveform-Amp.html.

шим сопротивлением, например 10 кОм. Если напряжение 2. Piezo Driver//https://accelinstruments.com/Piezo/Piezo-Driver.html.

переменного тока достаточно высокое, то для предотвра- 3. High Voltage Function Generator//https://accelinstruments.com/

щения обратного тока в источник постоянного тока следует Amplifiers/High-Voltage-Function-Generator.html.

использовать максимально большое сопротивление из воз- 4. KC Yang. High-frequency piezo amplifier driver//www.edn.com/

можного диапазона. design/analog/4461305/High-frequency-piezo-amplifier-driver.

НОВОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ


| Intel представляет Ponte Vecchio |
Intel будет выпускать Ponte Vecchio по собственной 7-нм технологии, которая вполне сравнима с той, что использует AMD.

Но, в отличие от продуктов AMD, Ponte Vecchio дебютирует даже не в следующем году, а только в 2021 г. В пресс-релизе ком-
пании об этом ничего не говорилось, но генеральный директор Intel Боб Сван на подведении квартальных итогов в октябре
заявил о подготовке к выпуску в 2021 г. первого изделия, изготовленного по 7-нм технологии. Им должен стать дискретный
графический процессор для ЦОДов.

www.russianelectronics.ru

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

РЕКЛАМАСобытия рынка


| Радиационно-стойкая микросхема 16 Мбит ОЗУ 1657РУ2У
от АО НПЦ «ЭЛВИС» |

Разработка компании АО НПЦ «ЭЛВИС», микросхема ОЗУ 1657 РУ2У,
заняла первое место в конкурсе «Золотой чип – 2019» в номинации
«Лучшее изделие ЭКБ 2018–2019 гг. ». Конкурс проводился в рамках
выставки ChipEXPO‑2019 при поддержке Министерства промыш-
ленности и торговли Российской Федерации.

Микросхема 1657 РУ2У представляет собой статическое асин-
хронное однокристальное КМОП ОЗУ (SRAM) емкостью 16 Мбит
с конфигурируемой организацией 1024К×16 или 2048К×8, стой-
кое к воздействию специальных факторов.

Повышенная устойчивость к  сбоям микросхемы достигает-
ся благодаря использованию кода Хэмминга для обнаружения
и исправления ошибок в каждом из байтов 16‑разрядного слова.
При этом в  микросхеме реализована возможность контроля
дефектности как накопителя основных разрядов данных, так и кон-
трольных разрядов кода Хэмминга.

Микросхема 1657  РУ2У может применяться для замены зарубежных микросхем UT8ER512K32, UT8Q512K32,
UT8CR512K32 (Cobham/Aeroflex), AT68166F (Atmel).

Основные характеристики:
• тип памяти: статическая, асинхронная;
• организация памяти: 1024К×16, 2048К×8;
• типовое время выборки адреса: 17 нс;
• напряжение питания: 1,2 и 3,3 В;
• температурный диапазон: –60…125°C;
• суммарная накопленная доза: не менее 300 крад;
• стойкость к воздействиям ТЗЧ по эффекту отказов SEL: не менее 60 МэВ•см2/мг;
• потребляемая мощность (тип.): 6–12 мВт (в режиме хранения); 143–155 мВт (в динамическом режиме);
• рабочее пониженное атмосферное давление: 10–6 мм рт.ст.;
• корпус: металлокерамический LCC‑68 (24,15×24,15 мм);
• микросхема устойчива к воздействию статического электричества с потенциалом не менее 2000 В.

www.multicore.ru

31

электронные компоненты  №12 2019

Топология печатных платПреимущества анализа
в частотной области

Сергей Краснов, инженер

По мере роста производительности систем разработчикам печатных
плат приходится решать все более трудные задачи. Напряжение пита-
ния ядер становится меньше, рабочие частоты – выше, фронты импуль-
са – круче. На первый взгляд, задача по обеспечению целостности сигна-
лов может показаться неисполнимой, но  понимание ключевых правил
и  следование им позволяет лучше понять проблемы проектирования
многослойных печатных плат.

Похоже, одним из самых основных собой сумму гармонических составля- шение длительностей положительного
шагов в процессе реализации преиму- ющих. Если у исходного сигнала отно- и отрицательного импульсов является
ществ высокоскоростных цифровых
РЧ- и СВЧ-приложений является возмож-
ность осуществлять анализ в частотной
области. Подавляющее большинство
инженеров начинало свой путь с разра-
ботки электрических схем и сигнальных
цепей, рассматривая напряжения и токи
как статические или динамические вели-
чины во временной области.

Однако при проектировании цифро-
вых схем требуется другой подход. Ана-
лиз в частотной области предоставляет
возможность понять многие причины,
ухудшающие целостность сигналов,
и устранить их. К ним относится несо-
гласованный импеданс, линии передачи
с потерями и некорректно реализован-
ные схемы распределения питания.

Во временной области анализ систе-
мы осуществляется в соответствии
с последовательным изменением ее
состояния со временем. В частотной
области он выполняется с учетом пове- Рис. 1. Прямоугольный сигнал, состоящий из нечетных гармоник
дения системы на разных частотах.
Чтобы рассмотреть характеристики
модели линейной системы, применяется
преобразование Фурье, которое позво-
ляет перейти из временной в частотную

32 область. При этом упрощается понима-
ние реакции системы, поскольку вре-
менная область затрудняет анализ при
более высоких порядках уравнений,
описывающих поведение системы.
Проще говоря, график во временной
области позволяет понять, как меняется
сигнал со временем (см. рис. 1), а график
в частотной области (см. рис. 2) демон-
стрирует, какая часть сигнала приходит-
ся на каждую заданную полосу частот
во всей полосе.
Согласно теореме Фурье, каждую
функцию можно представить в виде
суммы синусоидальных и косинусои-
дальных волн с разными амплитудами
и частотами. Разложение прямоуголь-
ного сигнала в ряд Фурье представляет Рис. 2. Частотное представление сигнала прямоугольной формы

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

четным числом, то четные гармоники
ряда Фурье взаимно уничтожаются.
Кроме того, с ростом частоты уменьша-
ется амплитуда сигнала.

С помощью уравнения (1) прямо-
угольный сигнал можно представить
следующим образом:

F(t) = cos(ωt) – cos(3ωt)/3 + cos(5ωt)/5 – Рис. 3. Гармонические составляющие прямоугольного сигнала, преобразованные из временной в
– cos(7ωt)/7+ cos(9ωt)/9. (1) частотную область

Любой сигнал во  временной Рис. 4. Скорость изменения фронтов импульсов в начале 1980-х гг. и в 2010 г. (симуляция в HyperLynx) Топология печатных плат
области можно полностью и одно-
значно описать в виде комбинации На ВЧ-содержимое прямоуголь- максимальную ширину полосы сигнала,
синусоидальных волн. При переходе ного сигнала в  значительной мере в т. ч. гармонические составляющие,
в частотную область и использовании влияет длительность фронта нарас- а не использовать идеальную модель
представления в виде синусоидальных тания сигнала. Если она мала, появля- прямоугольного сигнала. Например,
волн появляется возможность быстрее ются ВЧ-составляющие. Кроме того, если в состав 200‑МГц тактового сигна-
решить поставленные задачи, чем с ростом частоты уменьшается ампли- ла входят пять гармоник, потребуется
во временной области. туда. На практике следует учитывать проанализировать диапазон до 1 ГГц.

Импеданс по переменному току На заметку 33
определяется в обеих областях –
во временной и частотной, однако • Анализ в частотной области предоставляет возможность понять многие причины ухудшения целостности
намного проще анализировать этот сигналов и устранить их.
параметр с помощью частотного пред-
ставления. В схеме распределения • Во временной области анализ системы осуществляется в соответствии с последовательным изменением ее
питания применяются развязывающие состояния с течением времени, тогда как в частотной области он выполняется с учетом поведения системы
конденсаторы. Используя временные на разных частотах.
характеристики, можно утверждать,
что эти компоненты накапливают заряд • Переход из временной в частотную область упрощает понимание реакции системы.
и поставляют его в нагрузку. Однако • Разложение прямоугольного сигнала в ряд Фурье представляет собой сумму гармонических составляющих.
в частотной области развязывающие • Импеданс по переменному току определяется в обеих областях – временной и частотной, однако намного
конденсаторы еще и уменьшают импе-
данс на разных частотах, позволяя проще анализировать этот параметр с помощью частотного представления.
соблюсти требования к импедансу • Если у исходного сигнала отношение длительностей положительного и отрицательного импульсов является
по переменному току. Таким образом,
конденсаторы выполняют две разные четным числом, то четные гармоники ряда Фурье взаимно уничтожаются.
функции, которые работают сообща, • На ВЧ-содержимое прямоугольного сигнала в значительной мере влияет длительность фронта нарастания
но в разных областях.
сигнала. Если она мала, появляются ВЧ-составляющие.
При решении задач по обеспечению • Следует учитывать максимальную ширину полосы сигнала, в т.ч. гармоники, а не исходить из идеальной
электромагнитной совместимости (ЭМС)
спецификации и методы измерения модели прямоугольного сигнала.
излучения устройств проще исполь- • Энергопотребление ПЛИС стало основным определяющим фактором при выборе этих микросхем.
зовать в частотном представлении. • Чтобы уменьшить потребляемую мощность, производители ИС выпускают процессорные ядра с меньшим
Разложение прямоугольного сигнала
в ряд Фурье представляет собой сумму напряжением питания и более высокими рабочими частотами, в результате чего уменьшилась длительность
гармоник. На рисунке 3 показано пре- фронтов импульсов.
образование прямоугольного сигна- • Сигналы с меньшим временем нарастания фронтов создают звон в несогласованной линии передачи, что непо-
ла из временной в частотную область средственно отражается на излучаемых помехах.
и результирующие амплитуды частотных • Излучение ВЧ-составляющих основной частоты происходит с большей интенсивностью, поскольку более корот-
составляющих. кие длины волны сравнимы с длинами проводников (особенно ответвлений), которые работают как антенны.

Как уже упоминалось, если
у исходного сигнала отношение дли-
тельностей положительного и отрица-
тельного импульсов является четным
числом, то четные гармоники ряда
Фурье взаимно уничтожаются. Нуле-
вой гармоникой является составляю-
щая по постоянному току, а амплитуда
основной (1‑й гармоники) – наиболь-
шая; по мере возрастания частоты
нечетных гармоник амплитуда основ-
ной гармоники уменьшается. Если
сигнал переменного тока смещен
относительно нуля, на  частоте 0  Гц
появляется составляющая напряжения
по постоянному току.

электронные компоненты  №12 2019

Рис. 5. Электромагнитное излучение в частотной области от сигналов со временем нарастания фронтов 10 и 1 нс

Топология печатных плат Как известно, технологии меняются пающих от генератора, оказывает значи- или рамочные антенны. К сожалению,
очень быстро, особенно литографиче- тельное влияние на качество сигналов, излучение ВЧ-составляющих основной
ские методы, благодаря которым умень- временной режим, наличие перекрест- частоты происходит с большей интен-
шаются размеры кристаллов. В 1987 г. ных помех и ЭМС. сивностью, поскольку более короткие
казалось, что 0,5 мкм – крайний нижний длины волны сравнимы с длинами
предел проектных норм, но в 2019 г. На рисунке 4 показано, как измени- проводников (особенно, ответвлений),
компании Samsung и TSMC приступили лась скорость изменения импульсов которые работают как антенны. Следова-
к коммерческому производству изделий с 30 нс в начале 1980‑х гг. до значений тельно, хотя амплитуда гармонических
уже по 5‑нм технологии. меньше 1  нс в  2010  г. К  настоящему частотных составляющих уменьшает-
времени сигналы с субнаносекундным ся с ростом частоты, частота излучае-
Энергопотребление ПЛИС также фронтом нарастания – уже не в дико- мой помехи меняется в зависимости
стало основным определяющим фак- винку. При одинаковой частоте и длине от характеристик проводников/антенн.
тором при выборе этих микросхем. проводника сигнал с меньшим време-
Какой бы ни была пригодность к эксплу- нем нарастания фронтов создает звон Системы цифровой электроники
атации, срок службы батареи, тепловой в несогласованной линии передачи, что излучают на нечетных гармониках.
режим или надежность, во главу угла непосредственно отражается на излуча- Большие уровни излучения, как прави-
приложений поставлена потребляемая емых помехах. Из рисунка 5 видно, как ло, наблюдаются на 3‑й, 5‑й и иногда –
мощность. Чтобы ее уменьшить, произ- существенно увеличивается излучение 7‑й гармонике основной тактовой часто-
водители ИС стали выпускать процес- при изменении скорости нарастания ты. Если так происходит в условиях,
сорные ядра, рассчитанные на меньшее фронтов импульсов от минимальной когда импеданс по переменному току
напряжение питания и более высокие до максимальной. Если время нараста- схемы распределения питания высок,
рабочие частоты, что, разумеется, при- ния составляет 1 нс, уровень излучений излучение проникает еще дальше. Обна-
вело к уменьшению длительности фрон- легко превышает допустимые пределы, ружение проблемы в частотной обла-
тов импульсов. В результате появились установленные для несогласованной сти – мощное средство, позволяющее
проблемы с отражениями сигналов и их линии передачи. выявить то, что остается незаметным
качеством. Следует понимать, что время при анализе во временном представ-
нарастания фронтов импульсов, посту- На высоких частотах проводники лении.
печатных плат работают как монополи

СОБЫТИЯ РЫНКА


| В следующем году память подорожает почти на треть |

34 Ресурс DigiTimes прогнозирует, что в следующем году средняя цена продажи памяти может вырасти на 30%. К сожале-
нию, в настоящее время этот источник предлагает большую часть своих материалов платно, так что подробностей нет.
Не ясно даже, о какой памяти идет речь: NAND или DRAM. Хотя формулировка может указывать на то, что подорожает и та,
и другая. Причина повышения цен – высокий спрос на серверном и мобильном рынках. На этом фоне можно сделать предпо-
ложение, что речь все же идет о памяти DRAM. В любом случае, какая бы память ни подорожала, увеличение цен на 30% – очень
существенный рост, поэтому заинтересованным лучше следить за рынком и успеть приобрести нужные компоненты заранее.
www.russianelectronics.ru

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Борьба с электромагнитными
помехами в печатных платах
с высокоскоростными
сигналами

Александр Пономарев, инженер

Элементы высокоскоростных цифровых цепей, становясь при определен-
ных условиях антеннами, создают электромагнитные помехи. Для их
устранения необходимо добиться того, чтобы все токи циркулировали
по замкнутым контурам минимальной площади. Если этого не сделать,
требования к допустимому уровню помех не будут соблюдены, повысит-
ся чувствительность к внешним источникам шума, и работа приложения
станет ненадежной. В статье рассматриваются способы, позволяющие
избежать появления нежелательных источников шума.

Проектирование цифровой схемы ходе потенциала на верхний логический этими поверхностями были опорные Электромагнитная совместимость
с замкнутыми токовыми контурами, уровень ток течет от вывода питания слои печатной платы, по которым про-
на первый взгляд, кажется довольно в слой питания, соединенный с буфе- текает обратный ток. В случае если
простой задачей. Ее решение зависит ром, и затем через транзистор верхнего они являются слоями электропитания
от нескольких факторов, в т. ч. от того, плеча поступает в проводник, откуда и заземления, используемыми буферами
каким образом совершается переход разделяется по двум слоям. Далее ток ввода/вывода для создания потенциала
между логическими уровнями, как по заземляющему слою возвращается проводника (см. рис. 1), формирование
соединены линии передачи с опорны- к выводу заземления, а, пройдя по слою контура обратного тока намного облег-
ми слоями и где установлены развязы- питания через развязывающие конден- чается. На рисунке 2 показана связь
вающие конденсаторы. На рисунке 1  саторы, уходит в землю. между проводником и его опорными
показаны токовые петли в  самом слоями.
типичном случае. Буфер ввода/вывода Электромагнитное поле проводника
подключен к линии передачи с плоско- может индуцировать ток на любой близ- Эта связь определяет электрические
стями питания и заземления. При пере- ко находящейся проводящей поверхно- параметры проводника, например его
сти. Следует предпринять меры, чтобы импеданс, который можно описать как
индуктивность и емкость на единицу
длины. По мере распространения сиг- 35
нала по линии передачи он заряжает
Рис. 1. Токовые контуры в высокоскоростной цифровой схеме каждую LC-цепочку. Любой обрыв в этой
Рис. 2. Электромагнитная связь между проводником и его опорными слоями схеме приводит к появлению электро-
магнитного излучения. Понятно, что раз-
рыв в опорном слое контура приводит
к прекращению тока. Поскольку линия
передачи представляет собой комбина-
цию проводника и его опорного слоя,
поддержание их в исправном состоянии
исключает возникновение большинства
проблем с электромагнитными поме-
хами. Наилучшим способом избежать
нежелательного появления антенн –
расположить тракт с обратным током
рядом с проводником на его опорных
слоях.

Известно немало способов обойти
проблемы, связанные с прохождением
проводников над щелями в опорных
слоях. Лучше всего было бы «привязать»
все сигнальные проводники к сплош-
ному опорному заземляющему слою,
но часто это сделать не позволяют тол-

электронные компоненты  №12 2019

щина платы и большие расходы. Одна- Рис. 3. Распределение тока вблизи сигнального сквозного отверстия и находящегося рядом переходного
ко можно расположить проводники отверстия
с более медленными сигналами над
Электромагнитная совместимость любыми слоями питания, которые раз- когда тракт с обратным током нару- и тот же потенциал, например потенци-
деляются на несколько проводников шен лишь частично. Так часто бывает ал опорного заземления, такой тракт
с разными напряжениями. Даже в таком при переходе сигнала с одного слоя создается с помощью «сшивающих»
случае, как правило, используется двой- на другой через отверстие (см. рис. 3). переходных отверстий.
ная полосковая линия передачи с двумя В этих случаях необходимо предусмо-
опорными плоскостями для двух слоев треть путь прохождения обратного тока Однако если опорные потенциалы
проводников. Проводнику, расположен- между опорными плоскостями. Если всех плоскостей питания и заземле-
ному очень близко к опорной плоскости, проводник проходит между слоями, ния разные, плоскости «сшиваются»
можно пройти над щелью в следующей опорные плоскости которых имеют один с помощью шунтирующего конденсато-
опорной плоскости. Распределение ра или, что еще лучше, с помощью цепи
обратного тока линейно зависит от рас-
стояния между проводником и его
опорной плоскостью. Таким образом,
если, например, проводник находится
в четыре раза ближе к одной опорной
плоскости, чем к другой, обратный ток
в первой из них в четыре раза больше.

Как правило, чтобы минимизиро-
вать излучение от проводника, прохо-
дящего над щелями в плоскостях, эти
плоскости располагают рядом с прово-
дником и устанавливают развязываю-
щие конденсаторы. Такой способ лишь
отчасти эффективен, поскольку конден-
саторы не обладают низким импедан-
сом в широкой полосе частот, и потому
не в состоянии исключить воздействие
излучения.

Менее сложными, но в равной мере
проблематичными являются ситуации,

36

Рис. 4. Идентификация проводника у края опорной плоскости в окне HyperLynx DRC

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Рис. 5. Механизм воздействия скачков земляного потенциала в разъеме на синфазные токи в кабеле

с развязывающими конденсаторами. скость электропитания, а затем к зазем- обратного тракта при изменении тока Электромагнитная совместимость
Такая цепь уже имеется на плате как ляющему выводу через развязывающие через суммарную (паразитную) индук-
часть схемы распределения питания. конденсаторы, установленные рядом тивность тракта. 37
Поскольку развязывающие конденсато- с микросхемой. Эти компоненты позво-
ры устанавливаются между плоскостью ляют контролировать уровень ЭМП, При изменениях обратного тока dI/dt
питания и заземления, как правило, сохраняя целостность питания. через паразитную индуктивность разъ-
рядом с микросхемой, то и межслойный ема генерируется напряжение между
переход лучше всего делать рядом с ИС Электромагнитные помехи оказы- панелью и экраном кабеля, которое
для соединения с другой микросхемой. вают влияние на целостность пита- влияет на синфазные токи, нарушающие
ния и сигналов. Ошибки в реализации требования к ЭМС (см. рис. 5).
Еще одним примером не вполне схемы распределения питания приводят
эффективной трассировки обратного к появлению излучаемых помех, кото- Скачки земляного потенциала
тракта является его размещение рядом рые, как правило, возникают на участ- не происходят, если вокруг коаксиаль-
с краем опорной плоскости, что не толь- ках с высоким импедансом. Проблемы ного кабеля отсутствует магнитное поле.
ко изменяет импеданс проводника, с целостностью питания и сигналов, как Проводник с сигнальным током и про-
но и вызывает некоторое излучение, правило, решаются путем анализа про- водник с обратным током формируют
а также повышает восприимчивость сиг- екта и последующих изменений. Для разнонаправленные поля, которые ком-
нала к шуму. Подобные проблемы быва- устранения ЭМП все токовые контуры пенсируют друг друга.
ет трудно обнаружить в трассировке, следует замкнуть, тщательно проконтро-
поскольку они часто появляются из-за лировав их расположение на печатной Однако если обратный ток у разъема
периодично расположенных свободных плате. Поскольку анализ всех возмож- не является идеально симметричным
участков контактных площадок с удален- ных проблем с электромагнитными с сигнальным током из-за шлейфа, пло-
ной металлизацией вокруг переходных помехами может оказаться сложным хой металлизации или некорректного
отверстий и зазоров между монтажны- и трудоемким, лучше воспользоваться соединения разъема, полного взаим-
ми отверстиями. автоматизированным средством про- ного уничтожения магнитных полей
верки проектных правил. В результате не происходит. Результирующее поле
Выявление таких проблем «вручную» устраняются нежелательные источники приводит к появлению индуктивной
часто требует очень тщательного анали- излучения на плате, а работа высоко- составляющей обратного тракта.
за всей трассировки. Однако их просто скоростных интерфейсов становится
обнаружить с помощью автоматизиро- надежной. У типового 50‑Ом коаксиального
ванной программы для контроля про- тракта при напряжении 1 В, по кото-
ектных норм, например HyperLynx DRC. Однако нежелательными источни- рому проходит импульс с длитель-
На рисунке 4 показано окно этой про- ками помех становятся не только про- ностью нарастания 1 нс, сигнальный
граммы. С помощью данного ПО можно водники печатной платы, но и разъемы. и обратный токи определяются как
проверить, как проходит проводник Если причиной нежелательного излуче- 1 В/50 Ом = 20 мА. Даже если асимме-
рядом с отверстием, а также установить ния являются синфазные токи во внеш- трия выражена не очень сильно и сум-
распределение обратного тока вблизи них кабелях, которые используются для марная индуктивность не превышает
края плоскости. связи с периферийными устройствами, всего 0,1 нГн в обратном тракте разъ-
кабель «лучшей» марки далеко не всег- ема, скачки потенциала земляной шины
Другие проблемы выявляются да решает проблему. Это обусловлено составят:
с помощью средства автоматического тем, что синфазные токи протекают
контроля. К ним относятся низкоин- по экранировке кабеля. Заметим, что .
дуктивное соединение развязывающих если по экрану кабеля длиной 1 м про-
конденсаторов вблизи выводов пита- текает синфазный ток величиной всего Если величина того импеданса,
ния и заземления микросхемы. Эти 3 мкА, этот кабель не соответствует тре- через который проходит синфазный
конденсаторы позволяют завершить бованиям стандартов ЭМС. Наибольшее ток в среде с краевыми полями, состав-
контур обратного контура, даже если влияние на синфазные токи, нарушаю- ляет 200 Ом, скачок земляного потенци-
на плоскости нет щелей. На рисунке 1  щие ЭМС, оказывают скачки земляного ала в 2 мВ приведет к появлению тока
развязывающие конденсаторы схема- потенциала разъема, который соединяет величиной 2 мВ/200 Ом = 10 мкА. С уче-
тично представлены в виде одного кон- кабель с монтажной панелью. Эти скач- том того, что из-за тока 3 мкА изделие
денсатора. Если проводник расположен ки представляют собой напряжение, не проходит сертификационный тест
посередине между двумя плоскостями, возникающее между двумя участками на ЭМС, это достаточно большое значе-
половина обратного тока потечет в пло- ние.

электронные компоненты  №12 2019

Способы уменьшения
синфазных электромагнитных
помех

Георгий Боков, [email protected]

В статье рассматриваются способы уменьшения синфазных помех
в  DC/DC-преобразователях. Основное внимание уделяется конструктив-
ным особенностям трансформатора обратноходового преобразователя.

Электромагнитная совместимость В [1] рассматривались причины возникновения синфазных Из рисунка видно, что синфазный ток протекает через
электромагнитных помех. В этой статье мы обсудим способы паразитные емкости, поэтому чем выше скорость изменения
их уменьшения. Но вначале напомним, каким образом фор- напряжения, тем больше величина синфазного тока. Наи-
мируются синфазные помехи. Источники их возникновения большая скорость изменения напряжения наблюдается в узле
представлены на рисунке 1, где показан изолированный SW – стоке силового MOSFET. Синфазный ток протекает через
обратноходовой преобразователь с двумя вторичными обмот- межобмоточные паразитные емкости трансформатора, воз-
ками. Вместо первичной электрической сети использовался вратный путь тока проходит через паразитные емкости между
ее эквивалент LISN. Прерывистыми линиями показаны пути элементами схемы, землей и паразитные емкости между зем-
протекания синфазного тока. лями первичной и вторичной сторон.

В схему введены следующие эквивалентные паразитные Симметричная топология
конденсаторы: Таким образом, для уменьшения синфазных помех необхо-
–– CZ – емкость между землями первичной и вторичной цепи; димо уменьшить паразитные емкости и скорость изменения
–– CPS – емкость между первичной и основной вторичной напряжения в узлах переключения. Последнее можно реали-
зовать двумя способами: схемотехническими ухищрениями
обмоткой; или увеличением времени открытия силовых ключей. Первый
–– CSA – емкость между первичной и вспомогательной вто- способ явно предпочтительнее и реализуется за счет исполь-
зования симметричной топологии силовых каскадов.
ричной обмоткой; На рисунке 2 приведен пример таких топологий для пря-
–– CPM – емкость между первичной обмоткой и сердечником; моходового (см. рис. 2а) и обратноходового (см. рис. 2б) пре-
–– CSM – емкость между вторичной обмоткой и сердечником; образователя. В точках коммутации SW1 и SW2 напряжение
–– CAM – емкость между вспомогательной обмоткой и сердеч- изменяется в противофазе, производные dV/dt имеют про-
тивоположные знаки, поэтому, хотя в каждой из этих точек
ником; скорость изменения напряжения по-прежнему велика, порож-
–– CPE – емкость между землей первичной стороны и зазем- даемые синфазные токи компенсируют друг друга. Основной
недостаток этих схем заключается в плавающем потенциале
лением;
–– CDE – емкость между стоком MOSFET и заземлением;
–– CME – емкость между сердечником и заземлением;
–– CSE – емкость между землей вторичной стороны и зазем-

лением.

38

Рис. 1. Источники синфазных помех в изолированном обратноходовом преобразователе

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Рис. 2. Симметричные топологии: а) прямоходового; б) обратноходового преобразователей

затвора силового ключа в обратноходо- Рис. 3. Симметричная топология резонансного LLC-преобразователя
вом преобразователе и ключа Q1 в пря-
моходовом преобразователе. Электромагнитная совместимость

Схожим образом образуется симме-
тричная топология резонансного LLC-
преобразователя; его схема приведена
на рисунке 3. И в этом случае появляется
дополнительный силовой ключ с плава-
ющим потенциалом затвора. Это обсто-
ятельство усложняет топологию каскада,
хотя и приводит к снижению синфазных
токов, если между обмотками трансфор-
маторов имеется паразитная емкость,
с которой нельзя не считаться.

Симметричные топологии – не един-
ственная мера по снижению синфазных
помех. В [1] выводится формула для рас-
чета синфазных помех. Из нее видно, что
уменьшить синфазные помехи поможет
конденсатор CZ, включенный между пер-
вичной и вторичной землями. Исполь-
зовать эту емкость рекомендуется
в случае, если по каким-либо причинам
не применяется конденсатор CY между
фазой и нейтралью.

Внутренняя балансировка Рис. 4. Использование вспомогательной гасящей обмотки

трансформатора значительно уменьшает синфазный удовлетворить требованиям медицин- 39
ток через паразитные межобмоточные ских стандартов электробезопасно-
Еще одним способом, позволяющим емкости. На рисунке 5 показана схема сти в части ограничения токов утечки
уменьшить синфазные помехи, являет- обратноходового преобразователя на пациента. Тем не менее, поскольку
ся т. н. балансировка трансформатора с экранирующей обмоткой, соединен- число витков обмотки экрана и вторич-
(Balance techniques). Внутренняя балан- ной с  землей первичной стороны ной обмотки, как правило, не совпадают,
сировка заключатся в использовании (см. рис. 5а); в трансформаторе пока- особенно если экранирующая обмот-
экранирующих слоев в обмотке и в добав- заны паразитные межобмоточные ка выполнена из фольги, синфазный
лении вспомогательной гасящей обмотки. емкости и паразитные емкости между ток не уменьшается до нуля. При всех
Последний способ показан на рисунке 4. экранирующей обмоткой и обмотками достоинствах экранирующей обмотки
Вспомогательная обмотка NAUX включе- трансформатора. Первичная обмот- следует отметить и недостатки этого
на встречно первичной обмотке. Путем ка состоит из двух слоев по 12 витков способа. Из-за увеличения расстояния
подбора числа витков обмотки NAUX в каждом, а вторичная обмотка – одно- между первичной и вторичной обмот-
можно добиться, чтобы выполнялось слойная из восьми витков. Первичная ками возрастает индуктивность рассе-
равенство iCM1 = iCM2; при этом синфазный и вторичная обмотки намотаны отдель- яния, а при высокой рабочей частоте
ток протекает только между первичной но и не перемежаются. в экранирующей обмотке увеличивают-
и вспомогательной обмоткой, минуя вто- ся потери из-за вихревых токов. Таким
ричную обмотку. Внешняя балансировка Экранирующая обмотка трансформа- образом, в экранирующей обмотке
заключается во включении дополнитель- тора в большинстве случаев позволяет
ного конденсатора между первичной
и вторичной или одной из вторичных
обмоток, если речь идет о многоканаль-
ном преобразователе.

Экранирующая обмотка, выпол-
ненная проводом или слоем фольги,

электронные компоненты  №12 2019

Рис. 5. Использование экранирующей обмотки трансформатора: а) обратноходовой преобразователь; б) окно трансформатора

Электромагнитная совместимость Рис. 6. а) схема обратноходового преобразователя со вспомогательной обмоткой; б) схема замещения из четырех конденсаторов; в) упрощенная
эквивалентная схема из двух конденсаторов

следует использовать тонкую фольгу, желательно толщиной CBD = (VAD/VAB)∙CTOTAL, (2)
не более 100 мкм.

Балансировка с помощью добавочного где CTOTAL = C1 + C2 + C3 + C4.
конденсатора Как следует из уравнения (1), емкость можно значительно

Рассмотрим топологию обратноходового преобразователя уменьшить, если увеличить отрицательные члены этого соот-

со вспомогательной обмоткой для обратной связи. Его схема ношения. Самый простой путь для этого состоит в установке

приведена на рисунке 6а. Паразитные связи между первичной дополнительного внешнего конденсатора CEXT параллельно
обмоткой NPS и вспомогательной NAUX исключим из рассмотре- C3. Величина емкости этого конденсатора определится из про-
ния, поскольку ток между этими обмотками протекает через стой формулы:

паразитные емкости только с первичной стороны и не влияет
40 на синфазный ток.
Для описания связей между вторичной и первичной обмот- CEXT = NPS∙CBD. (3)

ками, а также между вторичной и вспомогательной обмотка- Если же величина емкости CBD, полученной из (1), имеет

ми, можно воспользоваться эквивалентной схемой из четырех отрицательное значение, внешний конденсатор следует

конденсаторов (см. рис. 6б). Будем считать, что импеданс подключить параллельно емкости C4 между выводами «B»
входного конденсатора для синфазного тока невелик и им и «D».

можно пренебречь, поэтому выводы «А» и «Е» трансформато-

ра закорочены на землю P‑GND. Далее с помощью описанных Способ намотки обмоток трансформатора для

в [1] приемов перейдем к упрощенной эквивалентной схеме уменьшения синфазных помех

из двух конденсаторов (см. рис. 6в). Емкость конденсатора CBD Альтернативой применению добавочных конденсаторов

определяется из соо­ тношения (1): может служить способ намотки обмоток трансформатора

с чередованием. При этом слои обмоток чередуются друг

CBD = C2∙ [1 – (1/NPS)] – (C3/NPS) + C4 + CAS2∙ [(1/NAUX) – (1/NPS)] – с другом таким образом, чтобы слои, в которых скорость
– (CAS3/NPS) + (CAS4/NAUX). (1) изменения напряжения вдоль обмотки идентична или мало
отличается, чередуются и располагаются рядом друг с другом.

В этом случае уменьшается и синфазный ток через паразитные

Как показано в [1], это уравнение можно свести к выраже- емкости. Подобная схема намотки и распределения напряже-

нию (2): ния по слоям обмотки приведена на рисунке 7.

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Рис. 7. а) схема чередующейся намотки; б) распределение напряжения в слоях обмотки

Рис. 8. Намотка трансформатора с дополнительной секцией Для того чтобы компенсировать Электромагнитная совместимость
синфазный ток между слоем вторич-
Как видно из  рисунка 7, скорости собе намотки паразитная межобмоточ- ной обмотки S2 и дополнительной 41
изменения напряжения по высоте в слоях ная емкость увеличивается, синфазные обмоткой можно домотать обмотку
вторичной обмотки S1 и S2 противопо- токи уменьшаются. Кроме того, такой AUX. Этот способ показан на рисун-
ложны по знаку изменению напряжения способ намотки приводит к уменьшению ке 8. Дополнительная часть обмотки
в слое первичной обмотки P1, располо- индуктивности рассеяния. К сожалению, AUX имеет обозначение AdjAUX и рас-
женном между слоями S1 и S2. Поэтому, в этом случае невозможно использовать положена слева от секции вторичной
даже несмотря на то, что при таком спо- экранирующую обмотку. обмотки S1. Поскольку секция AdjAUX
находится с наружной части обмотки,
не составляет большого труда подо-
брать требуемое число витков секции
AdjAUX для минимизации синфазного
тока.

Причем, эта секция может не исполь-
зоваться в электрической схеме, и ее
неподключенный к земле вывод можно
оставить «висеть в воздухе». Разумеется,
все манипуляции с обмоткой проводят-
ся на опытном образце трансформато-
ра, после чего уточняется документация
и трансформатор поступает в серийное
производство.

Литература

1. Георгий Боков. Синфазные электро­

магнитные помехи в обратноходовом пре­

образователе//Электронные компоненты

№ 2. 2019.

СОБЫТИЯ РЫНКА РЕКЛАМА


| На глобальном серверном рынке продолжается
спад |

Спад начался во II кв. 2019 г. после трех лет непрерыв-
ного роста. Несмотря на почти 7-% сокращение рынка,
специалисты IDC характеризуют показатели III кв. 2019 г.
как «близкие к историческому максимуму». Таким обра-
зом, по итогам отчетного периода объем глобального сер-
верного рынка снизился до 22 млрд долл. Звание лидера
мирового рынка серверов по объему выручки от продаж
в III кв. 2019 г. между собой поделили Dell Technologies и
совместное предприятие HPE и New H3C, заняв практически
одинаковые доли рынка – 17,2 и 16,8%, соответственно.

www.russianelectronics.ru

электронные компоненты  №12 2019

Радиочастотная выборка
для многодиапазонных
радиостанций

Владимир Полудин, инженер
В статье подробно описаны архитектуры радиосвязи. Рассмотрены тре-
бования, предъявляемые к каналам приемных и передающих устройств.

Введение частотную несущую и преобразует ее выходной сигнал гетеродина разделяется

Технологии не стоят на месте. Благодаря в цифровой сигнал основной полосы на две несущие, сдвинутые по фазе на 90°,

последнимдостижениямв областивысоко- частот. Сначала мы обсудим архитекту- и смешивается с действительными и мни-

скоростных преобразователей стало воз- ры, используемые в станциях сотовой мыми компонентами комплексного анало-

можным оцифровывать и генерировать связи. Каждая из схем имеет одинаковые гового сигнала основной полосы частот.

сигналы на частотах до нескольких ГГц, основные функции, осуществляющие ква- Смешанные сигналы суммируются, филь-

что позволило исключить применение дратурную модуляцию, преобразование труются для удаления нежелательных

в системах традиционных радиочастот- с повышением частоты и фильтрацию. побочных сигналов, а затем усиливаются

ных (РЧ) компонентов, к которым относят- Отличия заключаются, главным образом, перед выводом в антенну.

ся микшеры, гетеродины (LO) и усилители. в определении того, в какой части архи- Как не сложно догадаться, функция

Кроме того, присущие широкополосным тектуры выполняется функция, – в анало- приемника противоположна функции

преобразователям с радиочастотной дис- говой или цифровой. передатчика: радиочастотный сигнал

кретизацией возможности передачи дан- на антенне сначала усиливается малошу-

ных со скоростями выборки до нескольких Архитектура с нулевой мящим усилителем, а затем фильтруется

Гбит в секунду (Гвыб/с) дают возможность промежуточной частотой для подавления нежелательных сигна-

радиостанциям сотовой связи объединить На рисунках 1–2 показаны передатчик лов на частотах вне заданной полосы.

несколько полос в одну. В результате систе- и приемник, построенные на базе архитек- Далее он преобразуется с понижением

мы стали меньше и энергоэффективнее, туры с нулевой промежуточной частотой частоты в аналоговый сигнал основной

Беспроводные технологии а также сократилось количество блоков (zero-intermediate frequency, 0IF, или 0 ПЧ). полосы путем микширования с сигналом

головок дистанционного радио (remote В случае с передатчиком двухканальный гетеродина, который разделен на две

radio head, RRH). ЦАП генерирует аналоговый сигнал. Сиг- несущие с отклонением по фазе на 90°.

В статье сравнивается многополосная нал основной полосы частот проходит Аналоговый сигнал основной полосы

архитектура с радиочастотной дискре- через фильтры, чтобы избежать эффекта можно дополнительно отфильтровать

тизацией, использующая микросхему наложения спектра. Затем отфильтро- для подавления нежелательных внепо-

AFE7686 компании Texas Instruments, с дру- ванный сигнал смешивается с сигналом лосных помех, а затем дискретизировать

гими традиционными архитектурами гетеродина в квадратурном модуляторе. с помощью двухканального аналого-

радиосвязи, и рассчитывается производи- В аналоговом квадратурном модуляторе цифрового преобразователя.

тельность в соответствии с требованиями

стандартов 3GPP. Оценка производитель- Антенна
ности состоит в расчете помех каждого их
I ЦАП

42 источника и общего ухудшения сигнала Комплексный Гетеродин cos Фильтр
для определенных сценариев. Хотя этот цифровой sin
подход не так точен, как использование Комплексная
имитационной модели в специальной входной аналоговая
сигнал основная полоса

среде, например Keysight ADS, он пре- Q ЦАП Усилитель мощности

красно демонстрирует основные параме- Аналоговый IQ-модулятор

тры каждого источника помех и то, какой ЦАП основной полосы частот

из них больше всего влияет на сигнал при Рис. 1. Структурная схема передатчика на основе архитектуры с нулевой промежуточной частотой
определенных условиях.

Архитектуры радиосвязи Антенна

Основу радиосвязи составляют пере- I АЦП Гетеродин cos Фильтр
датчик и приемник. Функция передат- АЦП sin
чика заключается в преобразовании Комплексный Комплексная
цифрового сигнала основной полосы цифровой аналоговая
частот в модулированную радиочастот- выходной основная полоса
ную несущую (modulated radio frequency сигнал
carrier) и в передаче ее через антенну. Малошумящий усилитель
В свою очередь, приемник работает Q
в обратном порядке: принимает радио-
Аналоговый IQ-демодулятор

АЦП основной полосы частот

Рис. 2. Структурная схема приемника на основе архитектуры с нулевой промежуточной частотой

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Фильтр основной полосы

Блокатор Блокирование Понижающее преобразование/ Блокатор
боковой паразитной квадратурная демодуляция
DC-смещение полосы
Сигнал
IMD2 Сигнал

0 Гетеродин

Заданная область Заданная область

Частота основной полосы Частота радиосигнала

Рис. 3. Частотный спектр с искажениями для передатчика на основе архитектуры с нулевой промежуточной частотой

Фильтр основной полосы

Сигнал Понижающее преобразование/ Сигнал

Сигнал квадратурная демодуляция Помеха Сигнал
в боковой Сигнал
полосе

0 Искажение сигнала ЦАП Гетеродин
из-за боковой полосы

Заданная область Заданная область
Частота основной полосы Частота радиосигнала

Рис. 4. Частотный спектр с искажениями для приемника на основе архитектуры с нулевой промежуточной частотой

Преимущество архитектуры с нулевой промежуточной часто- диапазоне, включая боковые паразитные полосы из-за несоот- Беспроводные технологии
той заключается в простоте фильтрации основной полосы (требу- ветствия IQ и прохождения сигнала гетеродина. На рисунке 4 
ется фильтрация только нижних частот). Главный недостаток же показан спектр приемника с искажениями в основной полосе
заключается в том, что рассогласование аналогового IQ-сигнала частот, включая появление боковых паразитных полос из-за несо-
(In-phase – синфазный и Quadrature – квадратурный) создает ответствия IQ, интермодуляционные искажения 2‑го порядка
паразитные боковые полосы и обеспечивает сквозной проход (IMD2) и смещение по постоянному току.
сигнала с гетеродина, который, как правило, необходимо кор-
ректировать в цифровом виде для соответствия требованиям Архитектура с промежуточной частотой
спектральной маски и чувствительности блокатора. На рисунке 3  На рисунках 5–6 показаны традиционные цепи переда-
показан спектр передатчика с искажениями в радиочастотном чи и приема сигналов для архитектуры с промежуточной

Цифровой преобразователь с повышением частоты Гетеродин
Фильтр Микшер Фильтр
IN

Комплексный cos
цифровой Интерполяционные
входной
фильтры NCO ЦАП

сигнал sin

QN Усилитель мощности 43

Рис. 5. Передатчик в архитектуре с промежуточной частотой

Цифровой преобразователь с понижением частоты Гетеродин
Микшер Фильтр Малошумящий усилитель
IN

Комплексный cos АЦП
Прореживающие
цифровой Фильтр
выходной фильтры NCO

сигнал sin

QN

Рис. 6. Приемник в архитектуре с промежуточной частотой

электронные компоненты  №12 2019

Беспроводные технологии частотой (intermediate frequency IF, или ПЧ). В архитектуре Комплексная архитектура с промежуточной
с ПЧ квадратурная модуляция и демодуляция выполняются
в цифровом виде с использованием NCO (Numerical Controlled частотой
Oscillator – генератор с цифровым управлением) и цифровых Комплексная архитектура с промежуточной частотой пред-
микшеров. В передатчике цифровой сигнал после модуляции ставляет собой разновидность архитектуры с ПЧ, в которой
NCO-генератором преобразуется при помощи ЦАП в анало- используются аналоговые квадратурные модуляторы и демо-
говый сигнал с частотой ~10% от конечной частоты сигнала. дуляторы, а не один микшер для преобразования с повыше-
Далее сигнал фильтруется и преобразуется с повышением нием и понижением промежуточной частоты в радиочастоту
частоты с помощью микшера с подключенным к нему гетеро- и наоборот (см. рис. 9–10). Аналоговая квадратурная модуляция
дином до конечного значения частоты, после чего проходит преобразует искажения с гетеродина до степени соответствия
еще одну фильтрацию и усиливается перед выводом в антенну. аналоговым IQ (обычно более 40 дБ). Как показано в частотном
На стороне приемника порядок действий обратный: радиосиг- спектре для комплексного передатчика с промежуточной часто-
нал принимается антенной, затем фильтруется перед смешива- той (см. рис. 11), подавление искажения уменьшает степень требу-
нием с сигналом с гетеродина и преобразуется с понижением емой фильтрации сигнала, обеспечивая более широкую полосу
частоты до уровня промежуточной частоты ~10% от перво- пропускания до ~1/2 промежуточной частоты. На стороне при-
начальной. Далее сигнал фильтруется и оцифровывается емника радиочастотный сигнал принимается антенной, после
с помощью АЦП, затем проходит квадратурную демодуляцию чего проходит фильтрацию, смешивается с сигналом гетеродина
цифровым способом с помощью NCO-генератора и цифровых и преобразуется с понижением частоты с помощью аналогово-
микшеров. го квадратурного демодулятора до значения промежуточной
частоты ~10% от полученного сигнала. Далее сигнал фильтруется
Преимущество архитектуры с промежуточной частотой и оцифровывается с помощью двойного АЦП, а затем смещается
по сравнению с архитектурой 0 ПЧ заключается в практиче- до 0 Гц путем микширования. Как показано в частотном спек-
ски идеальном балансе IQ, обеспечиваемом цифровой ква- тре для комплексного приемника с промежуточной частотой
дратурной модуляцией и демодуляцией, а также в том, что (см. рис. 12), комплексная архитектура ПЧ обеспечивает пода-
интермодуляционные искажения 2‑го порядка не попадают вление эффекта наложении спектра в радиочастоте, смягчая тем
в полосу пропускания. Недостатками же являются большее самым требования к фильтрации.
количество компонентов и, как следствие, большие разме-
ры, цена и потребляемая мощность, а также более сложный Архитектура с дискретизацией радиочастот
процесс фильтрации. Рисунки 7–8 показывают частотный При использовании архитектуры с дискретизацией
спектр сигнала и влияние искажений на сигнал для передат- радиочастот квадратурная модуляция и преобразование
чика и приемника в архитектуре с промежуточной частотой. с повышением и понижением частоты выполняются исключи-
В передатчике в данной архитектуре наблюдается боковая тельно в цифровом виде, а сигнал преобразуется в аналоговый
паразитная полоса на частоте 2×ПЧ, которое имеет ту же мощ- и обратно непосредственно на частоте получаемого сигнала.
ность, что и полезный сигнал, а также сигнал от гетеродина, На рисунке 13 показана схема передатчика в архитектуре
который обычно подавляется на ~30 дБ мощности полезного с дискретизацией радиочастот, а на рисунке 14 – спектр частот
сигнала. передатчика с искажениями. Частота дискретизации ЦАП, как
правило, более чем вдвое превышает выходную частоту сигнала,
На стороне приемника любой сигнал (или блокатор) от гете- поэтому используется выходной сигнал в 1‑й зоне Найквиста.
родина преобразуется на той же промежуточной частоте Затем включается полосовой или низкочастотный фильтр для
и должен быть подавлен разницей полезного сигнала (кото- удаления искажений с более высокой зоной Найквиста, которые
рый может превышать 100 дБ) и мощностью блокатора или смещены, по меньшей мере, на несколько ГГц. Поскольку часто-
сигнала искажения. Однако высокая степень фильтрации та дискретизации ЦАП очень высока для поддержки выходной
затрудняет использование полосы пропускания, превышаю- частоты, передатчик в данной архитектуре имеет очень широ-
щей треть промежуточной частоты.

ПЧ ПЧ-фильтр Радиочастота

Искажение сигнала Фильтр радиочастот
Сигнал
Сигнал Искажение сигнала ЦАП микшера

из-за боковой полосы из-за боковой полосы

44 0
Заданная область
Гетеродин
Промежуточная частота Заданная область

Частота радиосигнала

Рис. 7. Частотный спектр с искажениями для сигнала передатчика в архитектуре с промежуточной частотой

ПЧ ПЧ-фильтр Искажение сигнала Радиочастота

АЦП ПЧ-фильтр
из-за боковой полосы
Блокатор

Сигнал Сигнал
Блокатор

0 Заданная область Гетеродин Заданная область

ПЧ частота Частота радиосигнала

Рис. 8. Частотный спектр с искажениями для сигнала приемника в архитектуре с промежуточной частотой

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

Цифровой преобразователь с повышением частоты

IN Комплексная
аналоговая
Комплексный Интерполяционныеcos основная полоса
цифровой ЦАП
входной фильтры NCO

сигнал sin

QN cos

sin Фильтр
sin Усилитель мощности

ЦАП

cos
Аналоговый IQ-модулятор

Рис. 9. Передатчик в комплексной архитектуре с промежуточной частотой

Цифровой преобразователь с понижением частоты

IN Комплексная
аналоговая
Комплексный cos основная полоса
NCO АЦП
цифровой Прореживающие
выходной sin cos
фильтры
сигнал

QN

sin Фильтр Беспроводные технологии
Малошумящий усилитель

sin

АЦП

cos
Аналоговый IQ-демодулятор

Рис. 10. Приемник в комплексной архитектуре с промежуточной частотой

ПЧ ПЧ-фильтр Искажение сигнала ЦАП Искажение ПЧ-фильтр
Сигнал из-за боковой полосы сигнала модулятора Сигнал

Подавление помехи
в боковой полосе

0 Заданная область Гетеродин Заданная область 45
ПЧ-частота Частота радиосигнала

Рис. 11. Частотный спектр для передатчика в комплексной архитектуре с промежуточной частотой

ПЧ ПЧ-фильтр Радиочастотный фильтр
Сигнал
Искажение сигнала АЦП Блокатор
из-за боковой полосы

Сигнал Подавление помехи
Блокатор в боковой полосе

0 Гетеродин Заданная область
Заданная область

ПЧ-частота Частота радиосигнала

Рис. 12. Частотный спектр для приемника в комплексной архитектуре с промежуточной частотой

электронные компоненты  №12 2019

Цифровой преобразователь с повышением частоты

I N

Комплексный cos
цифровой входной Интерполяционные

сигнал фильтры NCO ЦАП

Q sin Фильтр

Усилитель мощности

N

ЦАП с дискретизаций радиочастот

Рис. 13. Диаграмма передатчика в архитектуре с дискретизацией радиочастот

ПЧ-фильтр Преимущества архитектуры с дискре-
Сигнал тизацией радиочастот состоит в меньшем
количестве компонентов, меньшей пло-
Боковая полоса частот щади печатной платы и широкой полосе
пропускания. Поскольку квадратурная
0 Fs/2 модуляция и преобразование выполняют-
Заданная область ся цифровым способом, радиочастотная
дискретизация позволяет использовать
ПЧ-частота многодиапазонные радиостанции, где
несколько полос преобразуются с повы-
Рис. 14. Частотный спектр передатчика в архитектуре с дискретизацией радиочастот шением и понижением частоты через
один и тот же ЦАП или АЦП. Это нецеле-
Беспроводные технологии кую полосу пропускания. ЦАП с частотой используется при недостаточной дис- сообразно для 0 ПЧ-, ПЧ- или комплекс-
дискретизации 9 Гвыб/с, применяемый кретизации, когда входной сигнал нахо- ных ПЧ-архитектур, если только полосы
в подобных решениях, может генериро- дится выше 1‑й зоны Найквиста (>fАЦП/2). не очень близки друг к другу и не могут
вать сигналы в диапазоне 0–4 ГГц, покры- Частота дискретизации должна иметь рассматриваться как единая полоса.
вая все диапазоны 3G и 4G. достаточно высокое значение, чтобы
обеспечить смещение для паразитных Интеграция
На рисунке 15 показана схема при- боковых полос и фильтрацию. Для боль- Фильтры промежуточной частоты, как
емника с дискретизацией радиочастот, шинства полос 3GPP достаточно, чтобы правило, строятся на базе технологии
а на рисунке 16 – спектр частот прием- значения выборки равнялись 2,4576 или
ника с искажениями. АЦП в архитектуре 2,94912 Гвыб/с.
с дискретизацией радиочастот обычно

Цифровой преобразователь с повышением частоты

I N

Комплексный Прореживающие cos
цифровой входной
фильтры NCO АЦП
сигнал
sin Фильтр
Q
Малошумящий усилитель

46 N

АЦП с дискретизацией радиочастот Блокатор

Рис. 15. Диаграмма приемника в архитектуре с дискретизацией радиочастот

ПЧ-фильтр

Сигнал

0 Fs/2 Fs
Заданная область

Частота радиосигнала

Рис. 16. Частотный спектр приемника в архитектуре с дискретизацией радиочастот

w w w. e lc o m d e s i g n . r u

поверхностных акустических волн (ПАВ), которая несовместима Архитектура с дискретизацией радиочастот также хорошо
с кремниевыми процессами при интеграции на одном кристалле подходит для интеграции. Все микширование в этой архитек-
(монолитной интеграции) для преобразования данных. Следова- туре выполняется в цифровом виде; аналоговых фильтров
тельно, интеграция для устройств с ПЧ-архитектурой основана для интеграции нет. Для преобразователей данных требуется
на многокристальных модулях (multi-chip modules MCM), у кото- только один такт или тактовый импульс ЦАП и АЦП, где такто-
рых обычно больше размеры и стоимость, чем у монолитных кри- вая частота АЦП является целочисленной версией тактовой
сталлов. Кроме того, при сравнении с приемником, построенным частоты ЦАП. В результате уменьшается вероятность смеши-
на дискретных компонентах, использование MCM-модулей также вания между разными частотами гетеродина для дуплексных
оказывается дороже. Как следствие, эти модули реже применя- полос с частотным разделением, где передатчик и приемник
ются для устройств промежуточной частоты, чем для устройств работают на разных частотах.
с монолитной интеграцией или на дискретных компонентах.
Определение тестов и сценариев испытаний
Архитектура 0 ПЧ обладает лучшими параметрами инте- Стандарты 3GPP для базовых радиостанций призваны обе-
грации благодаря способности ослаблять аналоговый фильтр спечить устойчивость сотовой сети в реальных условиях экс-
основной полосы частот за счет увеличения частоты дискрети- плуатации. Для приемников тесты определяют минимальную
зации преобразователя: частоты дискретизации в 5 или более мощность принимаемого сигнала от пользовательского обору-
раз больше полосы пропускания основной полосы частот, что дования (user equipment, UE), которое должно удовлетворить
позволяет фильтру с двумя–тремя полюсами обеспечивать требованиям по частоте ошибок по битам (bit error rate, BER)
подавление искажений Найквиста. Таким образом, архитектура на приемнике BTS.
с 0 ПЧ совместима с технологией монолитной интеграции и обе- Наиболее сложными сценариями с точки зрения радио-
спечивает привлекательные решения с точки зрения мощности, связи являются ситуации, когда полезный сигнал UE находится
размера и стоимости в случае систем с полосой пропускания далеко от BTS, а принимаемая мощность сигнала минимальна,
до 200 МГц. в то время как антенна помимо полезного сигнала также улав-
ливает множество сторонних сигналов.
Радиостанции с нулевой промежуточной частотой также Выходная мощность UE контролируется сетевым контрол-
можно использовать для комплексной архитектуры с ПЧ, сдви- лером, что позволяет контролировать и выдавать сигнал
гая сигнал с 0 Гц, чтобы он находился на одной стороне спек- достаточной для надежного соединения мощности, – передача
тра основной полосы частот. Это обстоятельство ограничивает более высокой мощности может излишне разряжать батарею
полосу пропускания сигнала до менее чем 1/2 полосы про- пользовательского оборудования. Когда оно находится вблизи
пускания основной полосы частот и обычно не используется антенны BTS, подается сигнал низкой мощности, а когда дале-
в случае передатчика, где требуются более широкие полосы ко от антенны BTS (или в помещении, которое значительно
пропускания. Однако в случае приемника это ослабляет требо- ослабляет сигнал), пользовательское оборудование передает
вания по согласованию IQ для блокаторов в полосе, поскольку сигнал максимально возможной мощности.
их искажение в боковой полосе появляется на противополож-
ной стороне спектра основной полосы.

UE A Беспроводные технологии

BTS A

UE B BTS B 47
UL DL UL DL

BTS A BTS B
UE B
AB AB Частота AB AB Частота
AB
Искомые сигналы

UE A

AB AB Частота AB Частота

Рис. 17. Возможный сценарий блокировки для приемников BTS

электронные компоненты  №12 2019

Антенна

Часть 2 Часть 1

АЦП

Симметрирующее Полосовой Обход
устройство фильтр Малошумящий усилитель

Дуплексер

Рис. 18. Дуплексный радиоприемник с частотным разделением

На рисунке 17 показана ситуация, когда происходит блоки- но тех, которые находятся в цепи сигналов между антенной

ровка сигналов. Оператор связи A с антенны BTS A осущест- и входом АЦП.

вляет приемо-передачу с пользовательского оборудования На рисунке 18 показана схема цепи передатчика между

UE A, которое находится на границе дальности связи с BTS A антенной и входом АЦП. Для систем FDD (дуплекс с частотным

(на границе соты). Рядом с UE A находится второй BTS B, кото- разделением) дуплексер, следующий за антенной, необхо-

рый обменивается данными с UE B и также находится далеко дим для подавления чересчур мощного сигнала передатчика,

от антенны BTS B. Оборудование UE A и оборудование UE B чтобы избежать насыщения компонентов приемника. Дуплек-

осуществляют передачу с максимальной мощностью, чтобы сер также может подавлять внеполосные блокаторы. Полоса

сигнал достигал своих BTS-антенн, но, поскольку UE A зна- пропускания дуплексера должна иметь очень низкие потери

чительно ближе к BTS B, чем UE B, принимаемая мощность (<1 дБ), чтобы не оказывать существенного влияния на чув-

от UE A на BTS B намного выше, чем полезный сигнал от UE B.  ствительность приемника. Для примера анализа допустим

Следовательно, UE A является источником помех или блока- потерю 1 дБ до малошумящего усилителя и для FDD, и для TDD

тором для BTS B. Таким образом, BTS B должен иметь опре- (дуплекс с временным разделением).

деленный динамический диапазон приема, чтобы позволить После дуплексного фильтра полученный сигнал усиливает-

прием сигнала от UE B. ся малошумящим усилителем (МШУ). В качестве МШУ выберем

QPL9065 от компании Qorvo. Поскольку в зависимости от тем-

Требования к одноканальным пературы коэффициент усиления, коэффициент шума (noise

и многоканальным приемопередатчикам figure, NF) и точка пересечения 3‑го порядка (IP3) варьируются,

В спецификациях 3GPP, предназначенных для однополос- необходимо учитывать параметры минимального усиления

ных радиостанций, не указано, как распространить требования (при высокой температуре) и максимального усиления (при

на многополосные станции. Например, когда блокатор находится низкой температуре).

Беспроводные технологии внутри полосы, спецификации позволяют ослабить чувствитель- После МШУ следует установить полосовой фильтр (BPF) для

ность полезного сигнала (хотя на практике базовые радиостан- подавления сглаженного искажения, а затем симметрирующее

ции LTE Macro значительно перегружены и часто не нуждаются устройство для преобразования в дифференциальный сигнал,

в ослаблении). Однако если система охватывает две полосы, что а также дополнительные компоненты для улучшения согласо-

требуется для полосы 1, когда в полосе 2 имеется блокатор? вания с входным сопротивлением АЦП. Предполагается, что

Возможно ли ослабление чувствительности в полосе 1, в сумме компоненты BPF, балансировки и согласования имеют

как было бы в полосе 2? Или первая полоса должна иметь потери величиной 2 дБ в полосе приема.

то состояние, когда блокатор отсутствует? В документации В таблице 1 перечислены параметры приемника от антенны

3GPP рекомендуется уменьшить релаксацию для внутрипо- до входа АЦП.

лосных блокаторов в другом диапазоне с 6 до 1,4 дБ. При про-

ведении многополосного анализа следует придерживаться Дуплексный фильтр для FDD

традиционного подхода, при котором чувствительность поло- Для систем FDD, где передатчик и приемник одновременно

сы без блокатора не меняется независимо от того, имеется ли активны и подключены к одной и той же антенне, дуплексный

он в другой полосе. Такой подход эквивалентен наличию двух фильтр обеспечивает три функции:
48 отдельных однополосных радиостанций. Исключением явля- –– дуплексер подавляет сигнал передатчика высокой мощности,
ется внеполосный блокатор для обеих полос. чтобы предотвратить насыщение компонентов приемника;

–– поскольку дуплексер подавляет любую энергию шума или

Типичные компоненты для радиочастотного искажений в полосе приемника, он значительно не ухуд-

приемника шает характеристики приемника;

Для оценки требований к характеристикам АЦП с радио- –– дуплексер подавляет внеполосные сигналы.

частотной дискретизацией необходимо сделать некоторые В таблице 2 перечислены характеристики тракта передат-

предположения относительно других компонентов, особен- чика и дуплексера для анализа приемника.

Таблица 1. Характеристики приемника с QPL9065 в качестве МШУ Таблица 2. Характеристики дуплексера
для анализа FDD
Малошумящий усилитель, Малошумящий усилитель,
Температура, °C включена 2-я часть 2-я часть заблокирована Характеристики тракта передатчика
85 –40
Усиление, дБ 28 32 85 –40 Pout (@ TX на 25 RB) 40 дБм
Шумовой коэффициент, дБ 2,05 1,65 10 17
Точка пересечения 3-го порядка, дБ 2,15 1,67 Шум передатчика в приемнике –86,5 дБм/Гц
–0,7 –3,2 15 9 (@ PAOUT)

Отключенный дуплексер

w w w. e lc o m d e s i g n . r u