Тенденции развития конструкций электронных средств и факторы, определяющие их построение (стр. 1 из 2)

Тенденции развития конструкций электронных средств и факторы, определяющие их построение

Развитие конструкций ЭС прошло уже четыре этапа. Смена каждого поколения обуславливалась сменой элементной базы, в основном активных компонентов РЭУ и, как следствие, сменой метода и правил компоновки и монтажа.

Первое поколение ЭС базировалось на ламповой технике и блочном методе компоновки и монтажа. Появление отечественных ламп относится к 1919 г. (Нижегородская лаборатория под руководством М.А.Бонч-Бруевича), а начало радиовещания в СССР - к 1924 г.

Ламповая техника непрерывно изменялась: лампы стеклянной и металлической серии, пальчиковые лампы, лампы серии «дробь» и «жёлудь». Блочный метод компоновки и монтажа заключается в выполнении конструкций крупных частей схемы в виде моноблоков, чаще всего без кожухов, компонуемых в стойках и фермах и коммутируемых как внутри себя, так и между собой проволочно-жгутовым монтажом.

С усложнением ЭС появились требования крупносерийного производства, дробления конструкций на основе унифицированных функциональных узлов (УФУ). Такими первыми УФУ явились «Элемент-1» на печатном монтаже и лампах типа «дробь». Метод компоновки от блочного перешёл к функционально-узловому.

К 1954 г. появилось II поколения конструкций ЭС – промышленная транзисторная техника (изобретение транзистора относится к 1948 г.). Миниатюрные лампы были заменены на транзисторы в корпусах ТО-5, а УФУ «Элемент-1» - на УФУ «Элемент-2». Функционально-узловой метод стал доминировать во многих конструкциях ЭС.

В период транзисторной техники возникло новое направление в конструировании ЭС – миниатюризация аппаратуры.

Уменьшились размеры и масса пассивных ЭРЭ, транзисторов и трансформаторов, катушек индуктивности и даже электронно-лучевых трубок.

Функциональные узлы стали выпускаться в виде плоских и объёмных модулей, плоских и этажерочных микромодулей. Однако при сохранении за дискретными ЭРЭ основного конструктивного элемента с частотой отказов λ= 10-6 ч-1 не смогло существенно повлиять на надёжность ЭС, и при всё более увеличающейся их сложности вероятность безотказной работы падала. Это противоречие было разрешено с появлением интегральных микросхем (начало 60-х годов).

Третье поколение ЭС характеризуется применением новой элементной базы – корпусированных ИС широкого применения и миниатюрными ЭРЭ на печатных платах с высокой разрешающей способностью (до 0,3 мм). Микросхемы, по своей функциональной сложности представляющие функциональные узлы, выпускались в те годы в металлических, пластмассовых и металлокерамических корпусах прямоугольной и круглой формы со штыревыми и плоскими выводами.

Число выводов не превышало 15. Микросхемы в количестве 20…30 штук компоновались на печатных платах со средними размерами 140×170мм, выводная коммутация которых осуществлялась стандартными разъёмами. Такая конструкция, наиболее характерная для цифровых устройств, получила название вначале субблока, а позднее – функциональной ячейки.

Ячейки ЭВМ, выполненные по принципу базовых несущих конструкций, называют типовыми элементами замены.

Применение микросхем, изготовление которых основано на групповых методах получения целого набора элементов на подложке или в объёме кристалла, позволяет резко повысить надёжность.

Так, частота отказов одной ИС, содержащей порядка 100 элементов, равна частоте отказов всего лишь одного дискретного ЭРЭ, т.е. λис= λэрэ=10-6 ч-1.

Таким образом, достижения в области микроэлектроники и её промышленного внедрения позволили перейти к созданию нового поколения конструкций ЭС – к интегральным электронным устройствам. Интегральные электронные устройства отличаются малыми массой и габаритами, высокой надёжностью, пониженным потреблением энергии, меньшей стоимостью, групповой автоматизированной технологией изготовления компонентов и устройств, применением САПР при конструировании и подготовке производства. Интегральные ЭУ проектируются на новых принципах схемотехники – микросхемотехники, в основе которой заложена микроэлектроника.

Далее миниатюризация шла по пути отказов от индивидуальных корпусов ИС и внедрения более крупных подложек вместо печатных плат. Так появилась конструкция ЭС IV поколения, которая использовалась в основном в космической и ракетной технике.

К достоинствам конструкций IV поколения следует отнести уменьшение массы (в 3-4 раза) и объёма (в 5-6 раз) моноблоков, более высокую надёжность за счёт исключения стандартных разъёмов и замены их на гибкие шлейфы, а также сокращения числа паяных соединений (исключение выводов из корпусов), повышение вибро- и ударопрочности.

К недостаткам и трудностям в развитии IV поколения конструкций ЭС относятся повышенная теплонапряжённость в блоках и необходимость введения дополнительных теплоотводов (металлических рамок), незащищённость бескорпусных элементов и компонентов МСБ от факторов внешней среды и необходимость полной герметизации корпусов блоков с созданием инертной газовой среды внутри них, более высокая стоимость за счёт сложного и дефицитного технологического оборудования, более длительные сроки разработки из-за необходимости разработки самих МСБ, как изделий частного применения, недостаточное количество специалистов этого профиля (как инженеров, так и технического персонала).

Однако разработчикам удаётся значительно улучшить не только качественные энергоинформационные параметры ЭС, но и в ряде случаев тактико-технические характеристики объекта.

Появление новой элементной базы (функциональных компонентов, микрокорпусов ИС), новых несущих оснований (печатных плат из новых материалов с высокой разрешающей способностью до 0,1мм и без металлизированных отверстий), новых способов сборки и монтажа (групповой автоматизированной сборки и пайки), новых принципов компоновки устройств из суперкомпонентов (интеграции на целой пластине) привело к созданию ЭС ещё более компактных, надёжных и с меньшей стоимостью, чем известные прототипы.

Конструкции таких устройств, выполненные по принципам монтажа на поверхность и интеграции на целой пластине, можно отнести к пятому поколению.

Основное требование при проектировании РЭА состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективней своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности (рис. 1).

Рис. 1 Показатели эффективности РЭА

В общем виде эффективность РЭА можно оценить основной целевой функцией:

,

где

;

Такая функция дает количественную оценку степени достижения поставленной цели и поэтому называется целевой функцией. Элементами Zi множества Z являются частные целевые функции, т.е. отдельные качественные и количественные показатели, определяющие пригодность применения РЭА в соответствии с назначением. Такими показателями для РЭА являются: масса, объем, энергопотребление, диапазон частот, быстродействие, чувствительность, коэффициент усиления, полоса пропускания, дальность действия, выходное напряжение, точность, электромагнитная совместимость, ударопрочность, влагостойкость, уровень унификации и миниатюризации, технологичность, безопасность, себестоимость, экономичность и т.д.

Из схемы разработки эффективной РЭА (см. рис. 1.) видно, что конструкция РЭА влияет почти на все показатели и имеет решающее значение, поскольку она должна обеспечивать устойчивое функционирование РЭА с необходимой точностью, надежностью и безопасностью при наличии воздействия со стороны объекта, окружающей среды, человека – оператора, взаимодействия элементов РЭА через электромагнитное поле.

От того, насколько совершенны конструкции и методы конструирования, во многом зависит прогресс в радиоэлектронике.

Успешное решение проблемы формализации конструкторской деятельности возможно лишь при ее алгоритмизации и автоматизации с использованием математических методов, теории графов, алгоритмов, математического программирования, использования операций, вычислительных методов и др.

Одна из основных особенностей процесса разработки новых моделей РЭА – переход к системным методам решения задач при проектировании РЭА. Системные методы связаны с понятием «система».

Под системой будем понимать совокупность взаимосвязанных разнородных устройств, частей, подсистем, совместно выполняющих заданные функции, решающих общую задачу в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом развития и противоречий. При системном подходе изучаемый проектируемый изготовляемый объект рассматривается как система.

Системный подход базируется на рассмотрении изучаемого объекта во взаимосвязи с окружающими объектами. Его задачами являются исследование специфических связей, установление закономерностей, присущих отдельным типам систем, разработка на этой основе определенных методов, их описание и изучение.

Сформулируем основные положения системного подхода:

1. Параметрическое описание, которое является простейшей формой научного анализа. Оно представляет собой исследование любого объекта, которое базируется на эмпирических наблюдениях, описание свойств, признаков и отношений исследуемого объекта к другим.

2.Структурное описание исследуемого объекта, которое выполняют после выявления параметров. Оно предусматривает переход к определению подэлементного строения исследуемого объекта. Основная задача состоит в том, чтобы установить взаимосвязи свойств, признаков, выявленных при параметрическом описании исследуемого объекта.