Реклама
ГАР АНТ ИЯ 5 лет
ЖУРНАЛ Здравствуйте, уважаемые друзья! Журнал «Современная электроника» Издаётся с 2004 года Вот и подошёл к завершению 2021 год. Что готовит нам год грядущий? Главный редактор Ю. В. Широков Заместитель главного редактора COVID-19 пока не побеждён, поэтому главные эко- А. В. Малыгин номические и технологические риски по-прежнему Редакционная коллегия А. Е. Балакирев, связывают с ним. В области электроники и микроэ- В. К. Жданкин, С. А. Сорокин, Д. А. Кабачник, лектроники это, в первую очередь, дефицит электрон- Р. Х. Хакимов ных компонентов, о котором не писал в уходящем году Вёрстка А. М. Бабийчук только ленивый. Компонентный голод привёл к се- Обложка Д. В. Юсим рьёзной политической напряжённости вокруг TSMC, Распространение А. Б. Хамидова ([email protected]) а Европа и США вследствие создавшейся ситуации Реклама И. Е. Савина ([email protected]) планируют строительство собственных кремниевых фабрик. Тем не менее жизнь продолжается: перестраи- Учредитель и издатель ООО «СТА-ПРЕСС» ваются логистические схемы, корректируются произ- Генеральный директор К. В. Седов водственные планы и, по некоторым прогнозам, в гря- Адрес учредителя и издателя: дущем году промышленность сумеет приспособиться 117279, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, к новым реалиям, что позволит избежать масштабных пом/ком/эт I/67/тех коллапсов. Почтовый адрес: 117437, г. Москва, Профсоюзная ул., 108 2022 год обещает множество технологических проры- Тел.: (495) 232-00-87 вов в области виртуализации, нейросетевых алгорит- [email protected] • www.soel.ru мов и процессоров, освоения 3 нм норм производства кристаллов, применения цифровых двойников и до- Производственно-практический журнал полненной реальности, освоения терагерцового вол- Выходит 9 раз в год. Тираж 10 000 экз. нового диапазона и квантовых вычислений, развёр- Цена свободная тывания сетей 5G и WiFi 6, использования автономных роботов с ИИ, а также многого другого. Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по надзору за соблюдением А редакция журнала «Современная электроника» жела- законодательства в сфере массовых ет вам и вашим близким, в первую очередь, хорошего коммуникаций и охране культурного наследия здоровья. Конечно же – семейного уюта, счастья, люб- (свидетельство ПИ № ФС77-18792 ви, стабильного финансового благополучия! Пусть все от 28 октября 2004 г.) сюрпризы и неожиданности будут только приятными, а трудности – легко преодолимыми. Отпечатано: ООО «МЕДИАКОЛОР». Адрес: Москва, Сигнальный проезд, 19, Надеемся и впредь оставаться в вашей компании! бизнес-центр Вэлдан. Тел./факс: (499) 903-69-52 Всего вам доброго! Перепечатка материалов допускается только Юрий Широков, главный редактор с письменного разрешения редакции. Ответственность за содержание рекламы несут рекламодатели. Ответственность за содержание статей несут авторы. Материалы, переданные редакции, не рецен- зируются и не возвращаются. Мнение редакции не обязательно совпадает с мнением авторов. Все упомянутые в публикациях журнала наименования продукции и товарные знаки являются собственностью соответствующих владельцев. © СТА-ПРЕСС, 2021 ЧИТАЙТЕ ЖУРНАЛ в ЭЛЕКТРОННОЙ ВЕРСИИ на сайте soel.ru после простой регистрации и в ПЕЧАТНОЙ ВЕРСИИ по подписке 2 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
СОДЕРЖАНИЕ 1/2022 РЕКЛАМОДАТЕЛИ РЫНОК Keysight· · · · · · · · · · · · · · · · · · 1-я стр. обл. 4 Новости российского рынка 8 Ведущие производители полупроводниковых электронных Delta Design· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 43 компонентов и дефицит их продукции. TDK-Lambda· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 Часть 1. Контрактные производители АВД Системы· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 Виктор Алексеев ИРБИС· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ КОМПЭЛ· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 22 Новейшие достижения компании SV Microwave/Amphenol в области радиочастотных соединений МОРИОН· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 Кива Джуринский Остек-СМТ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 26 Мощные резистивные поглотители (фиксированные Платан-Энерго· · · · · · · · · · · · 2-я стр. обл. аттенюаторы и эквиваленты нагрузок) с воздушным охлаждением Протон-Электротекс· · · · · · · · · · · · · · · · · 7 Игорь Белков, Юрий Еремеев, Илья Малышев СКТБ РТ· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 7 ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕСТПРИБОР · · · · · · · · · · · · · 4-я стр. обл. 30 НЧ-генератор синусоидальных сигналов ЭРКОН· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5, 27 с 12 фиксированными частотами Читайте в «CTA» № 1/2022: Алексей Кузьминов Как заслужить доверие: разработки ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ FASTWEL на базе «Эльбрусов» · и «Байкалов» 36 Работа с последовательным интерфейсом SPI Новая концепция ПЛК: говорим REGUL в программной среде Proteus 8.11. R100, подразумеваем – надёжность Часть 2 Индустрия из коробки: модульная ОС для промышленного робота Татьяна Колесникова Золотой ключик от Schroff: · магистрально-модульные · 44 Монтаж компонентов и связанные с ним технологии. системы на любой вкус Подсистема ГРИФ-4 – Монтаж. Часть 2 Юрий Ёлшин 48 Работа с последовательным интерфейсом I2C в программной среде Proteus 8.11 Татьяна Колесникова 58 Delta Design Simtera. Новости первой российской САПР проектирования, моделирования, а также синтеза RTL для конфигурирования ПЛИС Никита Малышев, Алексей Ерёмин, Артём Варганов, Сергей Ярцев 62 Цифровые двойники в промышленности: истоки концепции, современный уровень развития и примеры внедрения Денис Хитрых Оформляйте подписку на журнал «СТА» · С ТРАНИЦЫ ИСТОРИИ и читайте печатную версию · или электронную версию на www.cta.ru 68 Нижегородская радиолаборатория: история первого советского научно-исследовательского центра в области радиотехники Владимир Бартенев СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 3
РЫНОК На правах рекламы Новости российского рынка ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Наименование Входное напряжение, В Номинальное выходное Максимальный ток напряжение, В нагрузки, А С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ММР15-3,3 Мин. Ном. Макс. РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР ММР15А 3,3 4,00 И ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ММР15Д 9 24 36 5 3,00 ММР15В 9 1,67 Функциональное назначение: ММР15С 12 1,25 Одноканальный стабилизирующий мо- ММР15Е 15 1,00 дуль питания категории качества «ОТК». ММР15Н 24 0,64 Возможно применение в аппаратуре спе- 27 0,55 циального назначения. Поставляются во всеклиматическом исполнении «В» по более 50 мВ. Электрическая прочность изоля- чих температур от –60 до +85°С при температу- ГОСТ 1150. Разработаны и выполнены в ции между входными и выходными контакта- ре корпуса ИВЭП не более +105°С. Масса 15 г. соответствии с военными стандартами РФ. ми: 500 В постоянного напряжения. Технические характеристики: www.mmp-irbis.ru Конструктивно выполнен в металлическом Модуль имеет функции: дистанцион- [email protected] корпусе, залитом компаундом. Нестабиль- ное выключение, регулировка выход- ность выходного напряжения при изменении ного напряжения, защита от перегруз- +7 (495) 927-10-16 входного ±0,5%. Нестабильность выходного ки по току и от короткого замыкания (к. з.) +7 (800) 350-10-16 напряжения при изменении тока нагрузки 1%. по выходу. После снятия перегрузки или Минимальный ток нагрузки – холостой ход. к. з. модуль автоматически восстанавли- Нестабильность выходного напряжения при вает свои выходные параметры. Время изменении температуры окружающей среды к. з. не ограничено. КПД до 90%. Ток потребле- в рабочем диапазоне ±1,5%. Величина напря- ния в режиме холостого хода не более 7 мА. жения радиопомех ИВЭП по ГОСТ В 25803-91 (группа 2.1, кривая 2). Амплитуда пульсации Стойкость к воздействиям механических и выходного напряжения (от пика до пика) не климатических факторов, специальных сред со значениями характеристик соответствует груп- пе 3У по ГОСТ РВ 20.39.412-97. Диапазон рабо- КОНФИГУРИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ Наименование серии NMP650 NMP1K2 ● конфигурируемые выходные параметры: ПИТАНИЯ MEAN WELL – Выходная мощность, Вт 650 1200 – количество выходных напряжений (каналов); Количество слотов 46 – значение выходных напряжений; ЭКОНОМИЧНЫЙ КОНСТРУКТОР ДЛЯ Выходное напряжение, В 5/12/24/48/(±3…30) Коэффициент коррекции ● возможность программирования выход- СБОРКИ ИП ПОД ЛЮБУЮ ЗАДАЧУ мощности >0,95 ных параметров; Изоляция «вход-выход», В AC Среди продукции MEAN WELL имеется Температурный диапазон, °C 4000 ● каскад коррекции мощности; отдельный класс источников питания – кон- Размеры, Ш×Г×В, мм –30…+70 ● возможность применения в медицинских фигурируемые. Подобные источники пита- 250×89×41 250×127×41 ния позволяют снизить стоимость системы устройствах (2хМОРР); питания в тех случаях, где требуется не- очень просто монтируются и, кроме этого, их ● низкий профиль (41 мм; 1U); сколько каналов выходного напряжения и можно соединять параллельно для увеличения ● дистанционное управление; необходимо использовать несколько AC/DC- выходного тока или последовательно для полу- ● гарантия до 5 лет. преобразователей. Применяя в этом случае чения нестандартного выходного напряжения. конфигурируемый блок питания, можно обой- Вторичные модули выпускаются на однопо- Применение: тись всего одним AC/DC-преобразователем. лярное и биполярное напряжения. Конфигу- ● медицинские устройства (сканеры); рируемые источники питания востребованы в ● лабораторное оборудование; Класс конфигурируемых источников пита- приложениях, где требуется несколько выход- ● телекоммуникационное оборудование; ния предполагает, что их можно заказать или ных напряжений, например, для питания элек- ● промышленное оборудование; самостоятельно собрать под требуемые пара- тронной части устройства и электропривода. ● устройства лазерной обработки материалов. метры. Подобные источники питания состоят из основной первичной базы на определённую Конфигурируемые источники питания www.compel.ru выходную мощность и ряда отдельных вторич- соответствуют требованиям медицинского [email protected] ных модулей на определённые выходные на- сертификата EN60601-1 ред. 3.1, и их можно +7 (495) 995-0901 пряжение и мощность. Выбирая вторичные использовать в устройствах, имеющих кон- модули, можно сконфигурировать источник такт с телом пациента (тип BF; 2xMOPP). питания, имеющий до 6 различных выходных напряжений (до 6 каналов). Данные модули Основные технические характеристики ИП серий NMP650 и NMP1K2 представлены в та- блице, а их внешний вид изображён на рисунке. Особенности: 4 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК На правах рекламы УЛЬТРАПРЕЦИЗИОННЫЙ Генератор ГК209-ТС с габаритными раз- ном выводе. Оно изменяется в интервале мерами 36×27×19 мм обладает низкой температур, так как потребляемая генера- КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР G-чувствительностью 1×10–9 и хорошей дол- тором мощность изменяется. С ДВОЙНЫМ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕМ говременной стабильностью до ±1×10–8в год. Для того чтобы уйти от этого паразитного ГК209-ТC Добавлены новые варианты исполне- падения напряжения к надёжной реализа- ния генераторов в корпусах 40×50 мм и ции температурной стабильности такого вы- АО «МОРИОН» (Санкт-Петербург) – ве- 50×50 мм, высотой 19 мм. сокого уровня, предлагаются варианты с от- дущее предприятие России и один из ми- дельным земляным выводом для управления ровых лидеров в области разработки и Для реализации температурной стабиль- частотой либо вариант генератора с ЦАП. серийного производства кварцевых при- ности ±1×10–10 или ±5×10–11 (особенно для боров стабилизации и селекции частоты – варианта с питанием 5 В) основное огра- Вариант с ЦАП (LTC2606, 16 бит) реали- представляет новые варианты исполне- ничение – падение напряжения на земля- зован в стандартных пятиногих корпусах. ния ультрапрецизионного кварцевого ге- нератора с двойным термостатировани- Данная разработка превосходит по пара- ем ГК209-ТС. метрам и предлагается в качестве замены выпускавшимся генераторам ГК89, ГК142, Генератор ГК209 является устройством ГК180. С аналоговым управлением в вари- с очень высокой температурной стабиль- анте без дополнительной «земли» новый ностью в широком интервале температур. генератор полностью совместим со стары- ми пин в пин. Интервалы рабочих температур: –40… +70°С. morion.com.ru [email protected] Температурная стабильность частоты: до ±1×10–10; ±5×10–11. +7 (812) 350-75-72 +7 (812) 350-92-43 Напряжение питания генератора: 12 В или 5 В. РАСШИРЕННАЯ НОМЕНКЛАТУРА Р1-17-40, Р1-17-40-1, Р1-17-40-2, Р1-17-40-3, Упрощена процедура заказа бесфлан- ТИПОРАЗМЕРОВ МОЩНЫХ СВЧ- Р1-17В-40, Р1-17-100, Р1-17-100-1, Р1-17-100-2, цевого исполнения резисторов мощно- РЕЗИСТОРОВ Р1-17 КАТЕГОРИИ Р1-17-100-3. Рабочий диапазон частот ре- стью рассеяния 150, 250, 400 Вт (введе- КАЧЕСТВА «ВП» зисторов составляет от 0 до 4 ГГц (допу- ны обозначения исполнений): Р1-17-150-2, стимо использование на более высоких Р1-17-150-3, Р1-17-250-1, Р1-17-250-3, По многочисленным запросам АО «НПО частотах). Р1-17-400-1, Р1-17-400-3, Р1-17-400-3.1. «ЭРКОН» расширило номенклатуру ти- поразмеров популярных мощных СВЧ- Расширенная вариативность конструктив- резисторов Р1-17 РКМУ.434110.001 ТУ кате- ных и функциональных параметров позво- гории качества «ВП». Резисторы дополнены ляет подобрать оптимальное решение для тремя значениями номинальной мощности вашего применения. рассеяния (25, 40 и 100 Вт) и имеют флан- цевое и бесфланцевое конструктивные ис- www.erkon-nn.ru полнения, в том числе для использования [email protected] в качестве оконечных нагрузок: Р1-17-25-4, +7 (831) 202-25-52 +7 (831) 465-64-31 СОБЫТИЯ АКАДЕМИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ОСТЕК- технологий и понимает важность этой состав- ниях комплексной автоматизации сборочно- СМТ ПРИГЛАШАЕТ ляющей для рынка. В обучающий комплекс Ака- монтажных производств радиоэлектронной демии входит целый набор форматов: видеооб- аппаратуры, промышленных аддитивных Академия технологий – уникальный обуча- зоры решений и технологий, записи вебинаров, технологиях и неразрушающем контроле. ющий проект, созданный экспертами Остек- репортажи с производств, экспертные статьи, СМТ для руководителей производств, глав- онлайн- и офлайн-мероприятия. База знаний ostec-smart.ru ных технологов, инженеров и специалистов располагается по адресу ostec-smart.ru/media. [email protected] российских промышленных предприятий, в К большей части контента доступ свободный, первую очередь, для сборочно-монтажных для полного доступа ко всему контенту требу- +7 (495) 788-44-41 производств РЭА. Цель проекта – сформиро- ется несложная регистрация на сайте. вать полноценную базу знаний, включающую разные срезы: от тенденций и технологиче- База знаний Академии будет постоянно ских решений до вопросов эксплуатации си- пополняться новыми материалами и собы- стем. Это опыт, которым специалисты Остек- тиями. Следить за обновлениями можно как СМТ готовы поделиться с сотрудниками на сайте Остек-СМТ в разделе «Академии», производств с целью их развития и обуче- так и подписавшись на ютуб-канал «Акаде- ния новым производственным технологиям. мия технологий Остек-СМТ», где публикует- ся весь «открытый» видеоконтент проекта. Следуя мировым тенденциям, Остек-СМТ стремится активно содействовать развитию Остек-СМТ – подразделение Группы ком- заказчиков-специалистов в области высоких паний Остек, специализирующееся на реше- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 5
РЫНОК На правах рекламы FPGA IP-БЛОКИ ETHERNET- а в случае потери одной копии вторая исполь- дит только на уровне пакетов, а увеличение зуется приёмником. Предполагается, что оба объёма оборудования не происходит. КОММУТАТОРА С ПОДДЕРЖКОЙ физических пути независимы с точки зрения ПРОТОКОЛОВ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ влияния на них одной и той же неисправности. С помощью набора IP-блоков Flexibilis Redundant Switch (FRS) могут быть реализова- HSR/PRP «Протокол Параллельного Резервирования» ны функциональные устройства PRP RedBox PRP (стандарт МЭК 62439-3 Clause 4) исполь- и DANP, HSR RedBox, HSR End Node, HSR- Компания TTTech Industrial провела веби- зует в качестве альтернативного физического PRP RedBox и QuadBox. Набор FRS поддержи- нар, посвящённый протоколам резервиро- пути вторую сеть, дублирующую первую сеть, вает протокол синхронизации точного време- вания Ethernet-сетей HSR (High-availability т.е. затраты на оборудование удваиваются. ни IEEE 1588v2 PTP (Precision Time Protocol). Seamless Redundancy) и PRP (Parallel Протокол «Бесшовного Резервирования Высо- Redundancy Protocol) и их применению при кой готовности» HSR (стандарт МЭК 62439-3 Реализация протоколов в базовом наборе построении сетей по стандарту МЭК 61850 Clause 5) использует кольцевую топологию FRS является FPGA-независимой. Поставля- «Сети и системы связи на подстанциях». сети, в которой две копии пакета посылаются ются готовые к применению конфигурации источником в двух противоположных направ- FRS для FPGA Intel Cyclone IV, V и V SoC. Компания TTTech Industrial производит набор лениях кольца, т.е. резервирование происхо- Применение других FPGA требует настройки. IP-блоков для реализации на FPGA Ethernet- коммутатора, поддерживающего протоколы ре- Десятки компаний применяют FRS в зервирования HSR и PRP, которые являются своих промышленных сетевых устрой- стандартами МЭК 62439-3 и предназначены ствах, в том числе ABB, Alstom Grid, Artesyn для построения распределённых систем управ- Embedded Technologies, DRS Technologies ления высокой надёжности, таких как автома- и iS5 Communications. тизация подстанций и управление движением. Набор называется «Flexibilis Redundant Switch» Дистрибьютор компании TTTech в России – и является торговой маркой финской компании компания «АВД Системы», поставщик средств Flexibilis, приобретённой TTTech в 2016 году. разработки программного обеспечения, кри- тически важных для безопасности сертифици- Оба протокола, и HSR, и PRP, основаны на руемых встраиваемых компьютерных систем. посылке источником информации двух копий пакета двумя физически независимыми путя- www.avdsys.ru ми. В случае получения приёмником обеих ко- [email protected] пий информации вторая копия игнорируется, +7 (916) 194-42-71 НОВОСТИ МИРА В СОВФЕДЕ ПРЕДЛОЖИЛИ запрограммированных человеком действий, правительством РФ по представлению фе- ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «РОБОТ» так и к автономному решению задач. дерального органа исполнительной власти, уполномоченного в сфере оборота робо- И КЛАССИФИКАЦИЮ РОБОТОВ В Совфеде, сообщает ТАСС, выделяют тов», – говорится в пояснительной записке Комплексный законопроект о правовом два вида роботов: гражданские и служеб- к законопроекту, которую цитирует ТАСС. ные: «Гражданский робот – робот, деятель- регулировании отношений в сфере оборота ность которого направлена на реализацию Роботов первого, второго и третьего клас- роботов, который, в частности, даёт опреде- частных интересов, оборот которого регули- сов предлагается относить к источникам по- ление понятию «робот», делит роботов на руется гражданским законодательством. Слу- вышенной опасности. К таким роботам, если классы, а также закрепляет принципы вза- жебный робот – робот, деятельность которого законом и иными нормативными правовы- имоотношений робота и человека, разрабо- направлена на реализацию интересов госу- ми актами не установлено иное, применя- тан в Совете Федерации и направлен для дарства и общества, вовлечённый в сферу ются общие положения гражданского зако- отзыва в Минэкономразвития и Минцифры, деятельности институтов публичной власти». нодательства об ответственности за вред, сообщает ТАСС, обильно цитируя документ. «причинённый деятельностью, создающей Гражданские роботы, в свою очередь, под- повышенную опасность для окружающих». Законопроект определяет робота как разделяются на промышленных, сервисных, продукт достижений цифровых технологий медицинских, образовательных, научных. Слу- Законопроект также выделяет два типа (робототехническое устройство, комплекс, жебные – на военных и правоохранительных. роботов в зависимости от характера и сте- система), состоящий из двух или более со- пени участия человека в их функциониро- ставных частей, управляемый средствами Как уточняется в документе, роботы, а вании: управляемые и автономные. заложенной в него компьютерной програм- также их составные части в зависимости от мы и способный как к выполнению заранее степени опасности причинения вреда охра- «На территории Российской Федерации няемым законом интересам личности, об- запрещается оборот роботов, обладающих щества и государства подразделяются на возможностью самостоятельного принятия четыре класса опасности: первый класс решений и способных действовать на осно- (высокой опасности), второй класс (сред- вании самостоятельно сформулированного ней опасности), третий класс (низкой опас- поведенческого алгоритма, которым наме- ности), четвертый класс (неопасные). ренно приданы свойства для обеспечения их применения с использованием оружия, его «Критерии отнесения роботов, их состав- основных частей, боеприпасов, взрывчатых ных частей (модулей) к I–IV классам опас- веществ и взрывных устройств либо иного ности по способности причинения вреда ох- вооружения», – говорится в законопроекте. раняемым законом интересам личности, общества и государства устанавливаются d-russia.ru 6 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК На правах рекламы ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИНЦИПЫ которые производятся в диапазоне напря- ● принцип технико-экономического балан- жений (UDRM/URRM) 1000…6500 В на мак- са; ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПАНИИ симально допустимый средний прямой ток / средний ток в открытом состоянии (IFAV/ ● принцип раннего анализа рисков; «ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС» ITAV) до 700 А. ● принцип обеспечения безопасности; ● принцип клиентоориентированности. НА ПРИМЕРЕ ЛИНЕЙКИ НОВЫХ Новые модули имеют следующие осо- ОДНОПОЗИЦИОННЫХ МОДУЛЕЙ бенности: Современный рынок силовых полупровод- ● высокая стойкость к циклическим меха- никовых приборов разнообразен продукци- В 2021 году АО «Протон-Электротекс» ей от компаний из разных стран. В погоне за приступило к серийному производству од- ническим, электрическим и температур- низкой стоимостью производители и потре- нопозиционных модулей с максимально до- ным нагрузкам; бители зачастую пренебрегают, на первый пустимым средним током в открытом со- ● корпус промышленного стандарта, упро- взгляд, незначительными деталями, кото- стоянии до 700 А. В материале отражены щающий применение приборов в суще- рые в перспективе могут глобально повли- основные принципы, применяемые в компа- ствующем оборудовании и предоставля- ять на безопасность и надёжность оборудо- нии при разработке новых продуктов. ющий возможность замещения аналогов; вания, что, в свою очередь, может повлечь ● высокая прочность изоляции, номиналь- серьёзные финансовые потери и, главное, На протяжении многих лет компания ное значение напряжения изоляции до опасные для жизни человека ситуации. Ком- «Протон-Электротекс» занимается разра- 7 кВ АС (50 Гц, 1 мин); пания «Протон-Электротекс» выпускает боткой и изготовлением силовых полупро- ● высокий уровень ударного тока в открытом продукцию с оптимальными показателями водниковых приборов прижимной и паяной состоянии ITSM и ударного прямого тока цены и качества, что подтверждается макси- конструкций, а также силовых сборок на их IFSM обеспечивает надёжную защиту от мальным комплексом испытаний, установ- основе. На предприятии организован пол- выхода из строя оборудования в критиче- ленных отраслевыми стандартами. ный цикл производства, особое место в ко- ских режимах работы преобразователей; тором занимает этап проектирования и раз- ● низкое тепловое сопротивление интер- О компании АО «Протон-Электротекс»: работки. фейсов конструкции, что в совокупно- АО «Протон-Электротекс» – российский ли- сти с улучшенными электрическими пара- дер проектирования и производства сило- Основной задачей данных подразделе- метрами позволяет обеспечить значение вых полупроводниковых приборов, включая ний является создание новой, качествен- среднего прямого тока и среднего тока в диоды, тиристоры и IGBT-модули, а также ной, надёжной и безопасной продукции. открытом состоянии IFAV/ITAV до 700 А. охладителей, силовых сборок и измеритель- В 2021 году отдел разработки приборов Таким образом, приборы разработанной ного оборудования. Компания находится в прижимной конструкции расширил номен- линейки обладают высокой конкурентоспо- городе Орле и поставляет продукцию че- клатуру изделий, выпускаемых компанией, собностью и имеют ряд вышеуказанных пре- рез свою партнёрскую и дистрибьюторскую линейкой однопозиционных диодных и ти- имуществ перед аналогами, что стало воз- сеть по всему миру. ристорных модулей с шириной основания можным благодаря принципам, заложенным 50 мм. Данному типу модулей был присво- в процесс разработки. www.proton-electrotex.com ен внутренний суффикс В0. За многолетнюю историю в компании +7 (4862) 44-04-56 устоялись традиционные принципы отече- Модули предназначены для установки в ственного инжиниринга, которые заложены [email protected] преобразователях энергии, а также в дру- в процессном подходе к проектированию и гих цепях постоянного и переменного то- разработке. К основным фундаментальным ка различных силовых электротехнических принципам в компании относят: установок. Основные области применения ● принцип выпуска качественной продукции; модулей В0 – системы управления электро- ● принцип проявления научно-исследова- приводом и двигателем постоянного тока, тельского подхода; выпрямительные мосты, регуляторы пере- менного тока, источники питания и другие коммутационные установки. Линейка В0 представлена однопозицион- ными тиристорными и диодными модулями, АО «СКТБ РТ» ПРИГЛАШАЕТ Многолетний опыт в области проведения www.sktb-relay.ru опытно-конструкторских работ позволяет АО +7 (8162) 62-17-35 К СОТРУДНИЧЕСТВУ «СКТБ РТ» разрабатывать новые электронные +7 (8162) 61-64-46 АО «СКТБ РТ» является разработчиком изделия и модернизировать серийно произво- димые по техническим требованиям заказчика. [email protected] и производителем современных электрон- ных изделий для перспективных образцов По программе импортозамещения разра- 7 радиоэлектронной аппаратуры специально- ботан ряд изделий, которые являются ана- го и общепромышленного применения на логами продукции таких иностранных про- базе отечественной комплектации. изводителей, как: Interpoint (США), Vicor Corporation (США), Epcos (Германия), Omron Шагая в ногу со временем, в рамках ре- (Япония), Tyco Electronics (США), Teledyne ализации стратегии развития электронной Relays (США), Panasonic (Япония), Micropac промышленности РФ АО «СКТБ РТ» ве- Industries (США), International Rectifier (США), дёт активную работу по программам им- Mini-Circuits (США). портозамещения и диверсификации про- изводства. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU
РЫНОК Ведущие производители полупроводниковых электронных компонентов и дефицит их продукции. Часть 1. Контрактные производители Виктор Алексеев ([email protected]) в портах Европы и Америки, поскольку в них просто нечего было везти обрат- Пандемия COVID-19 вызвала катастрофические проблемы с грузовыми но в Азию (рис. 1). перевозками во всём мире. В начале 2020 года импорт упал на 5,8%, а экспорт фактически вырос на 1,3%. Морские грузовые контейнеры Весной 2020 года из каждых 100 кон- постепенно скапливались в портах Европы и Америки, поскольку в них тейнеров, доставленных в порты Север- просто нечего было везти обратно в Азию. Цены на новые контейнеры и ной Америки, обратно отправляются фрахт поднялись в несколько раз. Вслед за этим поползли вверх цены только 40. Как следствие, в Китае, Син- на материалы и оборудование. В конце 2019 года резко упал спрос на гапуре, на Тайване и в других азиатских новые автомобили, но вырос спрос на компьютеры и офисную технику. странах начали и продолжили расти в Производители полупроводниковых электронных компонентов (ПЭК) 2020–2021 гг. цены на морские грузо- из-за отсутствия спроса и многочисленных возвратов сократили выпуск вые контейнеры и их транспортировку. комплектующих для автомобильной электроники, переключившись Если пригодные для перевозки контей- на другие направления. В середине 2020 года спрос на автомобили неры можно было купить за 800…1200 возобновился, но одновременно образовался дефицит на электронные долларов до 2020 года, в 2021 году они компоненты, необходимые для их оснащения. С одной стороны, это стоили уже от 2200 до 2800 долларов. было связано с тем, что примерно 90% сложных ПЭК производится в Аналогично увеличились в среднем на Азии, а проблема с морскими грузовыми перевозками только усилилась 50% цены на аренду контейнеров [3]. в 2020 году. С другой стороны, сказалась переориентация производства ПЭК на компьютеры и смартфоны. Стали возникать сбои в деятельности Постепенно нарастающая паника привела к дефициту комплектующих сборочных предприятий, работающих для всех отраслей электронной промышленности. По мнению экспертов, без складских запасов в режиме поста- последствия мирового логистического кризиса и дефицита ПЭК будут вок комплектующих на конвейер точно ощущаться и в течение 2022 года. по времени. Все эти факторы привели к проблемам в мировой индустрии про- Мировой кризис поставок чески все страны приняли специальные изводства полупроводниковых элек- полупроводниковых меры эпидемиологической безопасно- тронных компонентов (ПЭК). Основные электронных компонентов сти при контроле грузов на сухопутных, трудности возникли в Китае и других в 2019–2020 гг. морских и авиационных таможенных азиатских странах, где власти использо- постах, что вызвало беспрецедентные вали крайне жёсткие ограничительные Пандемия COVID-19, закрытие границ задержки доставки грузов. меры. Полностью было закрыто доста- и локдаун в большинстве стран, падение точно большое число заводов и фабрик. акций крупнейших мировых корпора- В марте 2020 года нехватка рабочей ций до минимума 1987 года, рухнувшие силы привела к длительным задерж- Летом 2020 г. отчётливо обозначилась цены на нефть, санкции США против кам и очередям на самых загруженных проблема несбалансированности рас- китайских производителей полупро- морских терминалах мира [1]. В пери- пределения по всему миру предприя- водниковых электронных компонен- од с марта по май 2020 года импорт из тий, производящих ПЭК. В конце 90-х тов (ПЭК), запрет Японии на поставки стран азиатского региона упал пример- на долю США приходилось примерно ПЭК в Южную Корею – вот основные но на 6%, тогда как экспорт фактиче- 37% мирового производства полупрово- характеристики состояния мировой ски вырос более чем на 2%. В результате дников. В III квартале 2021 г. в Северной экономики весной 2020 года. Практи- контейнеры постепенно скапливались Америке было произведено чуть боль- ше 20% от мирового объёма полупро- Рис. 1. Весной 2020 года грузовые контейнеры постепенно скапливались в портах Европы и Америки [2] водниковых компонентов, а в Европе и Японии – примерно по 7% [4]. При этом более 65% производственных мощно- стей переместилось в страны Азиатско- Тихоокеанского региона (рис. 2). Весной и летом 2020 года в пери- од локдауна по всему миру продажи автомобилей резко упали, и ведущие автопроизводители стали отме- нять свои заказы на специализиро- ванные автомобильные ПЭК [6]. Как следствие, фирмы, изготавливающие подобного рода чипы, были вынужде- ны существенно сократить или даже 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК прекратить производство этой про- США Европа Япония Южная Корея дукции [7]. Тайвань Китай Прочие После отмены жёстких локдаунов летом 2020 года люди, отложившие 100 ранее запланированные покупки и опасающиеся заразиться в городском 80 транспорте вирусом COVID-19, нача- 60 ли массово приобретать автомобили. Немаловажную роль сыграли деньги, 40 сэкономленные на отдыхе и развлече- ниях в период вынужденного домаш- 20 него заточения. Таким образом, в кон- це 2020 г. спрос на автомобили не 0 только вернулся к своему докризис- 1990 2000 2010 2020* 2030* ному уровню, но даже заметно превы- сил его. Как следствие, возник острый Рис. 2. Большинство заводов по производству ПЭК было сосредоточено в 2020 году в странах дефицит специализированных автомо- Азиатского региона [5] бильных ПЭК, производство которых было сокращено весной 2020 г. управления питанием, микросхемы сказал, что возросшие сроки поставки памяти, логические ПЛИС, контролле- некоторых типов ПЭК вызовут задерж- Одновременно в середине 2020 года, ры ЖКД, дискретные силовые транзи- ку отгрузки готовой продукции фирмы благодаря удалённому обучению сторы, управляющие микроконтролле- в некоторых случаях на 50 недель, а в школьников и студентов, а также работе ры, чипы беспроводной связи и другие. других могут превысить 80 недель [17]. в домашних офисах, начали расти про- Проблемы с поставками возникли и в дажи компьютеров и другого офисного самом начале производственной цепоч- В 2021 году заметно ухудшилась ситу- оборудования. Кроме того, возник бес- ки, где в дефиците оказались 200 мм ация с морскими контейнерными пере- прецедентный спрос на игровые консо- кремниевые пластины, используемые возками. На рейдах портов всего мира, ли [8]. Поэтому потребление ПЭК это- для дешёвых стандартных микросхем. по данным на начало октября 2021 года, го класса превысило объёмы, которые в ожидании разгрузки простаивало боль- на тот момент могли предложить про- Cреднее время ожидания для поста- ше 350 контейнеровозов, на борту кото- изводители [9]. вок чипов на фабрики выросло пример- рых скопилось в общей сумме около двух но с 12 недель до пандемии до 22 недель миллионов 20-футовых контейнеров [18]. В середине 2020 года доминировало в среднем в октябре 2021 [13]. мнение, что ведущие производители и Стоимость перевозки грузов морски- дистрибьюторы ПЭК обладают доста- Продукция таких фирм, как Infineon ми контейнерами заметно увеличилась в точными финансовыми средствами Technologies AG, Microchip Technology Inc 2021 году. Общий рост стоимости таких для того, чтобы быстро создать необ- и других, всё ещё оставалась труднодо- перевозок за последние 12 месяцев пре- ходимое буферное количество запасов ступной. Осенью 2021 увеличилось чис- высил 500% [19]. По данным аналитиче- на своих складах и обеспечить гибкую ло фирм, которые предупредили о более ской компании Xeneta, стоимость кон- логистику [10, 11]. Однако ситуация не длительном, чем ожидалось, дефиците тейнерных перевозок через Тихий океан только не улучшилась в конце 2020, но их продукции. В числе этих фирм можно в октябре 2021 года колебалась от 5500 и заметно ухудшилась в 2021 году. назвать такие хорошо известные из них, до 20 000 долларов [20]. как Continental AG, Innolux Corp, Renesas В ответ на нарастающий дефицит Electronics Corp, Samsung и другие [14]. В связи с Рождеством ситуация в конце большинство крупных производите- 2021 г. с морскими контейнерными пере- лей электронного оборудования нача- По некоторым позициям приводятся возками ухудшилась настолько, что её, по ли формировать сверхнормативные совершенно обескураживающие дан- всей видимости, не удастся нормализо- складские запасы и размещать много- ные. Так, например, CIQ сообщила, что вать в течение всего 2022 года [21, 22, 23]. кратно увеличенные заказы, что, в свою время поставки стандартных логических очередь, только усугубило ситуацию. устройств увеличилось в среднем на 75%. Пандемия, логистика, локальные Согласно Supplyframe, сроки изготовле- форс-мажорные обстоятельства, ошиб- Уже в I квартале 2021 г. явно обо- ния диодов Vishay, полевых транзисто- ки планирования и общая паника значился дефицит комплектующих, ров Infineon MOSFET, полимерно-тан- вызвали дефицит не только электрон- предназначенных для таких прило- таловых конденсаторов Kemet могут ных компонентов, но также сырья и жений бытовой электроники, как IoT, растянуться до 6–10 месяцев [15]. материалов. Согласно оценкам [24], в компьютерная техника, офисное обо- IV квартале 2021 г. выросли цены на рудование, игровые консоли и т.д. В конце ноября 2021 года Cisco преду- следующие материалы: Например, сократился выбор дешёвых предила покупателей и инвесторов, что ● медная фольга: 30–50%; ноутбуков, а игровые приставки и вовсе проблемы с цепочкой поставок сохра- ● стекловолокно: 24–40%; стало трудно найти в магазинах боль- нятся в 2022 году, и сроки изготовления ● эпоксидная смола: 25–30%; шинства стран мира. В конце 2020 года конечного оборудования, заказанного ● листовой металл: 10–20%; спрос на бытовое электронное обору- в 2021 году, могут составлять несколь- ● картон для упаковки: 15–30%. дование увеличился в среднем по все- ко месяцев [16]. му миру примерно на 8% [12]. Вслед за сроками поставок, транс- Финансовый директор фирмы Juniper портными расходами, ценами на сырье В течение всего 2021 года в разряде на ежегодной встрече с инвесторами синхронно увеличивались цены на ПЭК. дефицитных оставались микросхемы СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 9
РЫНОК Как переживают пандемию COVID-19 контрактные производители полупроводниковых электронных компонентов Полупроводниковая промышлен- ность, переживающая пандемию COVID-19 много лучше, чем автомо- бильная, получила в 2020 году выруч- ку от реализованной продукции в сред- нем по отрасли на 6,5% больше, чем в 2019 году. По промежуточным итогам за IV квартал 2021 г. большинство веду- щих производителей ПЭК увеличили свою прибыль по сравнению с анало- гичным периодом 2020 года [37]. Рис. 3. Проблему с выходом автомобильной электроники на нормальный режим работы удастся решить Всех производителей ПЭК можно не раньше 2023 года [36] разделить на четыре основные группы: ● фирмы «Semiconductor Contract Таблица 1 Manufacturing Company» изготавли- Пассивные электронные Резисторы, конденсаторы и др. 20~25% вают продукцию по контрактам и компоненты Аккумуляторы 10~15% 10~20% патентам других фирм на собствен- МЭМС, встраиваемые Кварцевые генераторы 10~50% Контроллеры Разъёмы и кабели 20~30% ных предприятиях. (Другое назва- Аудио 10~55% Стандартные ИС Акселерометры, гироскопы, датчики давления и температуры 25~45% ние – «Pure-Play Foundry Business».) Специальные ИС Микроконтроллеры 10~50% Транзисторы 25~60% Основные представители: TSMC, Память Контроллеры локальных сетей 25~60% Платы Микросхемы управления питанием PMIC 10~50% GlobalFoundries и UMC; Дисплеи 20~65% Кодеки 20~40% ● фирмы «Chip Designers Fabless Питание Усилители мощности, ПУ 20~55% Вентиляторы Логика, усилители, АЦП, ЦАП и т.д. 50~70% Companies» (FLC), которые разраба- Холодильные агрегаты ПЛИС, сборки на кристалле 10~25% 10~30% тывают и патентуют технологии, а так- МОП-транзисторы 40~75% Flash-память 10~15% же другие элементы интеллектуальной DRAM-память 10~20% 10~15% собственности, необходимые для ор- Печатные платы 10~15% Промышленные ЖК-дисплеи 20~30% ганизации массового производства на ЖК-дисплеи для рекламы и торговли 10~15% сторонних предприятиях, но не име- Сенсорные экраны Адаптеры напряжения ют собственных производственных Блоки питания ПК мощностей. Эти фирмы изготавлива- Вентиляторы для ПК и блоков питания Вентиляторы для микроконтроллеров ют ПЭК на контрактных заводах. Веду- Микрохолодильники щие мировые концерны этой группы: Qualcomm, Nvidia, AMD, Broadcom, NXP; ● фирмы «Silicon Wafers Manufacturer» производят только сами кремниевые подложки для полупроводников. На- пример, Sumco, Shin-Etsu Chemical, MEMC Electronic Materials, Soitec; ● фирмы «Integrated Device Manufacturers» (IDM) разрабатыва- Относительный рост цен на элек- в 2021 году. По-прежнему дефицитны- ют собственную полупроводнико- тронные компоненты за период ми оставались многие позиции автомо- 2020–2021 гг. показан в табл. 1 [25]. бильных ПЭК. вую продукцию и изготавливают её В исключительных случаях цена на Ведущие мировые автопроизводи- на своих предприятиях. Мировые ли- некоторые электронные компоненты тели, такие, например, как Ford Motor, увеличилась на 200% [26]. General Motors, Nissan, Volkswagen, Fiat, деры этой группы – Samsung, Intel, BMW, Daimler и другие, предупреди- Как пример неконтролируемого роста, ли своих акционеров о значительном Texas Instruments. Sensors Converge приводит микросхему, сокращении доходов в 2021 году из-за которая в 2018 году стоила 7 долларов, а нехватки чипов [31…35]. Эта схема не является строгой, в 2021 году за неё просят уже 230 долла- ров США [27]. О повышении цен на свою Руководители ведущих автопроиз- поскольку существуют фирмы, исполь- продукцию объявили практически все водителей осенью 2021 на автосалоне ведущие производители ПЭК [28, 29, 30]. IAA в Мюнхене в своих высказывани- зующие несколько различных направ- ях были солидарны в том, что пробле- Вопреки первоначальным прогно- му с выходом отрасли на нормальный лений деятельности. зам и ожиданиям мировая автомо- режим работы удастся решить не рань- бильная промышленность не восста- ше 2023 года (рис. 3) [36]. На сегодняшний день в мире лидируют новилась до прогнозируемого уровня три крупнейшие фирмы, контролирую- щие мировое контрактное производство современных процессоров, программи- руемых логических интегральных схем ПЛИС (PLD), систем на кристалле (SoC) и других сложных полупроводниковых электронных компонентов (SEC): 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК SMIC UMC GlobalFoundries Прочие TSMC Samsung Рис. 4. Торговая марка концерна Taiwan Semiconductor Manufacturing Рис. 5. Относительные доли объёмов доходов от продаж в IV квартале 2020 г. Company [38] ведущих мировых производителей полупроводниковых микросхем [37] ● Taiwan Semiconductor Manufacturing I квартале 2021 г. ведущих мировых 0,15/0,18 мкм Co (TSMC – 12,9 млрд USD, Q1 2021); производителей сложных полупрово- дниковых компонентов. 0,11/0,13 мкм 8% ● United Microelectronics Corporation 90 нм 2% (UMC – 1,6 млрд USD, Q1 2021); На долю тайваньской фирмы TSMC 0,25мкм и более приходится больше половины обще- 3% 2% ● Global Foundries Inc (GFS – 1,5 млрд мирового производства современных USD, Q1 2021). микросхем. По результатам III кварта- 65 нм В приведённом перечне в скобках ла 2021 г. доход (revenue) TSMC соста- 8% вил 14,88 млрд долл. США [39]. указаны доходы (revenue) от основной 40/45 нм 7 нм деятельности фирм за I квартал 2021 г. На рис. 6 показано распределение 10% 27% объёмов производства TSMC по тех- Вообще говоря, вторым в мире по объ- нологиям. 28 нм 16 нм ёмам выпускаемой продукции являет- 16% 20% ся производственный концерн Samsung, В I квартале 2021 г. на технологии 7 который работает в основном «сам на и 5 нм вместе приходилось почти 50% 20 нм 10 нм себя». Иными словами, сам проектиру- доходов компании. На продукцию 7 нм 1% 3% ет и сам изготавливает компоненты на приходится примерно 35% всей выруч- своих собственных заводах. Доходы ки, а на 5 нм – около 14%. Эти данные Рис. 6. Распределение объёмов производства от основной деятельности Samsung за указывают на то, что у TSMC снизились TSMC по технологиям [40] I квартал 2021 г. составили 4,08 млрд заказы на микросхемы с 5 нм и увеличи- долл. США. Во второй части этой ста- лись заказы для приложений, где преоб- для технологии «картинка в картинке» тьи Samsung отнесён к другой группе ладают технологии 7 нм. Как следствие, (PiP) и другие аналогичные [41]. универсальных производителей – IDM. выросли за последние три квартала так- же сроки поставок на микросхемы 7 нм. Для упаковки (package) кристал- Концерн Taiwan Semiconductor Целесообразно подчеркнуть, что инно- лов TSMC использует как традицион- Manufacturing Company (рис. 4), осно- вационные чипы должны быть разра- ные методы, так и новые технологии ванный в 1987 году правительством ботаны исключительно с использова- 3DFabric, которые позволяют интегри- Китайской Республики Тайвань, на нием технологий самых последних ровать вычислительные ядра с разно- сегодняшний день является безогово- поколений – 3 и 5 нм. Примером тому родными мини-чипами в более плотных рочным лидером производства микро- может служить последняя разработ- конфигурациях многорядных конструк- процессоров, ПЛИС и ПЭК. ка MediaTek и TSMC, представленная в ций 2D, 2.5D или 3D [42]. В новых тех- декабре 2021 года. Первая в мире систе- нологиях типа InFO-PoP (упаковка на Штаб-квартира TSMC находится в ма на кристалле (SoC) цифрового ТВ упаковке) и InFO-oS (сборка InFO на г. Синьчжу (Тайвань). По данным на 8K, MediaTek Pentonic 2000, изготовле- подложке) применяется кристалл на 2019 год, в филиалах и офисах, распо- на на заводе TSMC с использованием носителе, который впоследствии мон- ложенных на Тайване, в Китае, Индии, технологии 7 нм. Новая SoC MediaTek тируется в восстановленную пластину Японии, Южной Корее, Нидерландах и Pentonic 2000 обеспечивает наилуч- из формовочного компаунда. После это- США, работают около 50 тысяч человек. шие на сегодняшний день параметры го на пластине монтируются соедини- производительности и энергоэффек- тельные и выводные магистрали. Непосредственно на Тайване распо- тивности, а также является идеальным ложены четыре завода с технологией решением для таких приложений, как Упаковки TSMC, такие как CoWoS, обыч- 12 дюймов, четыре 8-дюймовых заво- разветвлённые системы искусственного но используются в сочетании с 7 нм или да, один 6-дюймовый завод. Кроме того, интеллекта, встраиваемые микросенсо- 16 нм технологиями, в то время как InFO- TSMC полностью контролирует на Тай- ры для определения мгновенного пере- oS в основном предназначены для 5 нм. ване три завода Nanjing Company, Ltd, а мещения; универсальные видеокодеры также заводы WaferTech в США и завод Структура технологии корпусирова- TSMC China Company, Ltd. в КНР. ния CoWoS – Multi-Die показана на рис. 7. На рис. 5 показаны относительные На сегодняшний день чипы по техно- доли объёмов доходов от продаж в логии 5 нм изготавливают только TSMC и Samsung. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 11
РЫНОК Микросхемы SOC SOC HBM агентству Bloomberg подчеркнул, что, Точки напайки несмотря на экстраординарные меры, реализованные фирмой для преодоле- Межслойные переходы ния кризисной ситуации, устранение дефицита и сокращение сроков поста- C4 вок можно будет наблюдать не раньше I квартала 2022 г. [46]. Основа платы Основа платы Данные табл. 2 позволяют понять BGA объёмы продаж TSMC основным сво- Рис. 7. Структура технологии корпусирования CoWoS – Multi-Die, используемая на линиях TSMC 7 нм [42] им заказчикам: крупнейшим мировым производителям современных актив- В начале ноября 2021 г. TSMC присту- процентах от общего дохода TSMC за ных электронных компонентов. пила к тестовому производству чипов этот период (revenue); сумма заказов в с технологией 3 нм (3 nm N3 node). миллионах долларов США, истраченная В табл. 3 приведены аналогичные дан- Серийное производство запланиро- на продукцию TSMC; процентная доля ные для «опосредованных заказчиков» вано на IV квартал 2022 г. По предва- закупленных компонентов TSMC от рас- TSMC. В качестве опосредованных заказ- рительным данным, заявки на заказы ходов фирмы (expenditure). Например, чиков TSMC взяты в качестве примера чипов 3 нм разместили Apple, Intel, AMD для Qualcomm эти цифры соответствен- наиболее значимые покупатели прямых и Qualcomm [43]. но равны 4,16%, 537 млн долл. США, клиентов TSMC. Например, прямой кли- 15,4%. Таким образом, для Qualcomm в ент TSMC концерн Qualcomm поставля- В отличие от 3 нм технологии I квартале 2021 г. суммарные затраты на ет компоненты другим опосредованным Samsung, в которой используются компоненты составляли около 3,5 млрд заказчикам: Apple, Samsung, Xiaomi, LG, транзисторные структуры GAA (gate- долл. США, из которых 537 млн было HP, Asustek Computer и другим. all-around), TSMC использует транзи- истрачено на изготовление сложных сторы FinFET. ПЭК на заводах TSMC. При этом общий Следует особо подчеркнуть, что в доход TSMC в I квартале 2021 г. составил табл. 3 показаны данные не абсолют- По сравнению с линией N5 (5 нм), примерно 12,9 млрд долл. США. ных лидеров рынка по отдельным оборудование N3 позволит увеличить отраслям электроники, а приведены производительность микросхем на В начале 2020 года только 3% от всего только цепочки, в которых главным 10…15% при тех же уровнях мощности. объёма выпускаемой TSMC продукции поставщиком является TSMC. Кроме того, технология 3 нм позволит составляли ПЭК для автомобильной TSMC увеличить плотность компоновки промышленности. Основная часть про- Несмотря на то что Broadcom [47] элементов на пластине в 1,7 раза [44]. дукции TSMC предназначена для произ- и AMD [48] являются крупнейшими водителей смартфонов (51%), компью- поставщиками ПЭК для автомобильной В табл. 2, подготовленной с исполь- терной индустрии (31%) и IoT (<10%). электроники, данные по этим фирмам зованием данных статьи [45], приведе- Поэтому отказ от заказов на автомо- в табл. 3 не выделены в отдельную кате- ны данные о закупках продукции TSMC бильные ПЭК незначительно повли- горию. Вероятно, эти данные в оценках через прямых заказчиков TSMC. ял на доходы фирмы на первом этапе [45] попали в разделы субподрядчиков, кризиса. Ограниченные производ- с которыми Broadcom AMD имеют тес- В качестве прямых заказчиков в ственные мощности и недостаточное ные партнёрские отношения. Среди табл. 2 указаны восемь наиболее круп- количество сырья не позволили TSMC этих фирм, поставляющих продукцию ных фирм, составляющих основное в разгар кризиса полностью удовлетво- для автомобильной индустрии, можно ядро покупателей TSMC по четырём рить спрос на комплектующие для ком- назвать, например, такие как LG, заку- приоритетным направлениям: «IoT пьютеров, смартфонов, дата-центров и пившая у Broadcom в I квартале 2021 г. и бытовое оборудование», «Телеком- других областей телеиндустрии. Гене- комплектующие для бытовой электро- муникации и связь», «Компьютеры и ральный директор Qualcomm Кришти- ники на сумму более 40 млн долл. США, сопутствующее оборудование», «Авто- ану Амон (Cristiano Amon) в интервью а также Sony, которая приобрела в этот мобильная электроника». Для основных период товаров данной категории у прямых покупателей в табл. 2 для I квар- AMD на сумму более 260 млн долл. США. тала 2021 г. указаны: доля их заказов в Для опосредованных заказчиков в табл. 3 также приведены данные доли их закупок в процентном отношении к доходу прямого заказчика TSMC, сум- Таблица 2 Прямые заказчики TSMC Проценты от оборота TSMC, сумма затрат, процент от бюджета фирмы-заказчика, I квартал 2021 г. *4,16% 3,9% 3,8% 3,4% 2,4% 1,9% 1,8% 1,4% **537 млн 498 млн 479 млн 430 млн 230 млн 181 млн Qualcomm ***15,4% Broadcom 17,9% Nvidia 26,1% AMD 24% 299 млн Texas Instruments 235 млн STMicro-electronics NXP 18,9% Renesas 19,7% 20,9% 11,9% Примечания к таблице 2: * – процент закупки прямого заказчика микросхем, изготовленных на заводах TSMC от общих объёмов продаж (revenue) TSMC за I квартал 2021.; ** – сумма закупки у TSMC его прямого заказчика за Iй квартал 2021 г.; *** – доля закупок заказчика от общих объёмов его собственных продаж за I квартал 2021 г. 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК Таблица 3 Опосредованные заказчики TSMC Приложения «Телекоммуникации и связь»; % от оборота прямого заказчика TSMC, сумма затрат, % бюджета, I квартал 2021 г. *Qualcomm Broadcom Nvidia AMD Texas Instruments STMicro-electronics NXP Renesas 1,3% **11,3% 25% 1,4% 2,2% 9,4% 23,9% 9,4% 23 млн ***572 млн 1700 млн 55 млн 71 млн 383 млн 611 млн 235 млн Apple ****Apple Cisco Samsung 0,1% Apple 1,2 % 0,2% Apple Apple Apple 1,4% *****1% 2,5% 0,6% 1,4% 0,4% 22 млн 10,2% 2,2% 0,8% 1,3% 1,5% 4,4% 2,9% Samsung 517 млн 149 млн 30 млн 43 млн 57 млн 143 млн 72 млн 0,1% Samsung Samsung Samsung Apple Samsung Samsung Samsung 0,6% 0,1% 0,1% 0,2% 0,2% 10 млн 1,5% 0,4% 0,4% Xiaomi 0,2 % 10% 0,7% 0,1% 0,8% 0,1% 0,4% 2,5% 509 млн 48 млн 4 млн 26 млн 3 млн 13 млн 63 млн Renesas Xiaomi Nokia Orange Cisco Cisco Xiaomi Ericsson Telef. 0,04% 0,6 % 0,1 % 0,2 % 1,3% НД 8,3% 1% НД Приложения «Компьютеры разные»; % от оборота прямого заказчика TSMC, сумма затрат, % бюджета, I квартал 2021 г. НД Qualcomm Broadcom Nvidia AMD Texas Instruments STMicro-electronics NXP Renesas 2,5% 0,3% 11,0% 5,1% 1,2% 3,0% 0,3% 126 млн 21млн 459 млн 166 млн 47 млн 96 млн 6 млн 2,2% Hewlett Asustec 38 млн HP Packard Int Dell HP HP HP Computer Satori Electric 1,0% 0,5% 2,8% 1,3% 0,4% 0,8% 0,2% 16,9% 1,1% 0,3% 4,4% 3,7% 0,2% 1,1% НД 2,1% 55 млн 16 млн 169 млн 121 млн 8 млн 35 млн 36 млн Asustek Asustek Lenovo Hewlett Seagate Shinko Shoji Computer Computer Dell Packard Int Technology 18,7% 2,2% 0,5% 1,5% 0,8% 0,2% 1,8% 1,3% 0,8% 0,2% 3,1% 3,2% 0,3% НД 22 млн 40 млн 12 млн 119 млн 102 млн 9 млн Alpis Alpine Seagate Lenovo Western Digital 1,7% Acer Technology HP 0,3% 2,3% 0,6% 1,0% 0,7% Renesas 6,6% Приложения «Потребительская электроника»; % от оборота прямого заказчика TSMC, сумма затрат, % бюджета, I квартал 2021 г. 111 млн Qualcomm Broadcom Nvidia AMD Texas Instruments STMicro-electronics NXP Toyota 0,2% 1,1% 0,5% 4,8% 8,0% 0,4% 1,1% 1,7% 2,2% 71 млн 35 млн 187 млн 261 млн 14 млн 35 млн 143 млн 37 млн LG-Inotek Nintendo Wuhan Nintendo Volkswagen LG 1,2% Sony 2,2 % LG 0,1% 0,7% 9,3 % 1,4% P&S 0,4% 1,9% 3,6% 31 млн Nissan 0,7% 0,2% 4,6% 0,4% 0,3% 0,6% 0,8% 0,2% 36 млн 11 млн 133 млн 12 млн 12 млн 20 млн 21 млн LG-Inotek Gigabyte Shinko Shoji Sony Panasonic 2,5% LG Technology LG 6,2% 0,1% 0,2% 0,1% 31,5% 0,1% 0,7% 0,1% 0,4% 0,02% 0,03% 0,4% 0,1% 35 млн 5 млн 15 млн 0,7 млн 1 млн 11 млн 2 млн Panasonic Zhen Maxell Nisshinbo Kinpo 0,3% Ding LG 0,2% LG Electonics 0,6% 0,2% 0,3% 0,1% 0,2% Приложения «Автомобильная электроника»; % от оборота прямого заказчика TSMC, сумма затрат, % бюджета, I квартал 2021 г. Qualcomm Broadcom Nvidia AMD Texas Instruments STMicro-electronics NXP 1,2% 0,4% 5,1% 3,7% 9,6% 61 млн 171 млн 118 млн 241 млн Denso НД 16 млн НД Magna Int Robert Bosh Continental 2,7% 0,6% Robert Bosh 2% 0,8% 0,1 % 0,9% 0,2% 0,3% 3,3% 3,0% 48 млн НД 8 млн НД 13 млн 107 млн 76 млн Continental Denso F-Tech Tesla Robert Bosh 0,5% 0,1% 3,9% 1,2% 0,5% 0,7% 0,1% 0.03% 2,3% 3% 1 млн 75 млн 76 млн 35 млн НД 4 млн НД Nisshinbo Continental 0,8% Aptiv Hyundai Aptiv 0,2% 2,2% 0,5% 0,2% Примечания к таблице 3: * – поставщик; ** – доля закупок заказчика от общих объёмов продаж поставщика за I квартал 2021 г.; *** – сумма заказа в миллионах долларов США за I квартал 2021 г.; **** – заказчик; ***** – процент закупки от общих затрат заказчика по этой статье за I квартал 2021 г. ма заказов комплектующих для кон- Qualcomm за этот период. Следователь- материалам предварительных обзо- кретного направления, проценты этих но можно оценить доход Qualcomm в ров Bloomberg [49]. Эти данные носят в закупок в суммарных затратах фир- I квартале примерно равным 5 млрд основном иллюстративный характер и мы (expenditure). Например, в I квар- долл. США. Таким образом, данные табл. не могут быть использованы для точных тале 2021 г. фирма Apple закупила у 2 и 3 позволяют оценивать масштабы аналитических исследований финансо- Qualcomm ПЭК только для приложений деятельности ведущих мировых произ- вой деятельности указанных фирм. Для «Телекоммуникации и связь» комплек- водителей электронных компонентов. получения более точных значений реко- тующих на сумму 572 млн долл. США, Следует особо подчеркнуть, что данные, мендуется воспользоваться, например, что составляет 11,3% от дохода (revenue) приведённые в табл. 2 и 3, получены по сервисом Refinitiv [50]. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 13
РЫНОК Рис. 8. Логотип тайваньской фирмы United вящийся к производству процессор Apple Фирма UMC была основана в Microelectronics Corporation M1 [51]. На 2021 год фирма Apple разме- 1980 году на базе государственной ком- стила у TSMC заказы на чипы А14 и A15, пании Industrial Technology Research Рис. 9. Фирма USJC завершила установку которые будут изготавливаться на основе Institute. В настоящее время UMC имеет солнечных панелей на крышах завода Mie Plant и технологий 5 нм и 4 нм. Чипы A14 будут в общей сложности 12 заводов с общей начала выпуск продукции в октябре 2020 года [60] производить по технологии 5 нм на производительностью около 800 000 новом заводе, который TSMC строит сей- пластин в месяц. Основная часть про- В табл. 3 приведены данные только о час в Финиксе, штат Аризона, США [52]. изводственных мощностей UMC распо- наиболее значимых прямых и опосре- ложена в Тайване в городах Синьчжу и дованных клиентах TSMC. На самом деле В октябре фирма Broadcom сообщила Тайнань. Заводы на Тайване серийно заказчиков TSMC значительно больше. о заключении нового контракта поста- производят ПЭК с 2002 года. вок комплектующих с Apple на сумму Согласно оценкам Bloomberg, око- 15 млрд долл. США до середины 2023 года. Два современных завода находят- ло четверти всех доходов TSMC за ся в Сингапуре. Заводы 8N (HeJian) и I квартал 2021 г. пришлось на зака- В 2022 году планируется начать про- 12X (USCXM) работают в Китае. Завод зы от Apple. Используя ресурсы изводство новейшего чипа Apple A16 на 12M (USJC) находится в Японии. Штаб- Broadcom, Qualcomm, Nvidia, AMD, одном из заводов TSMC по технологии квартира UMC находится в Синьчжу Texas Instruments, STMicroelectronics, 3 нм с использованием архитектуры с (Тайвань). Локальные офисы располо- NXP, Renesas, американский концерн транзисторами FinFET [53]. жены во многих станах: США, ЕС, Китае, Apple изготавливает необходимые Японии, Корее и Сингапуре. Общее микросхемы на заводах TSMC. В октябре TSMC сообщила о рекорд- количество сотрудников UMC по все- ной чистой прибыли (net profit) за му миру превышает 20 тыс. человек. В состав iPhone от Apple входят вспо- III квартал 2021 г., равной 5,56 млрд могательные радичастотные чипы долл. США [54]. Завод «Fab 12A» в Тайнане в настоящее Broadcom для систем беспроводной время производит ПЭК, используя пол- связи Wi-Fi, Bluetooth, LTE. Базовые Несмотря на финансовые успехи, ный цикл технологий 14 и 28 нм и 300 мм системы на кристалле для систем бес- фирма TSMC предупредила своих кли- пластины. Общая производственная мощ- проводной связи Apple получает от ентов о том, что в конце 2021 и в I квар- ность Fab 12A в настоящее время состав- Qualcomm. тале 2022 г. могут возникнуть ограниче- ляет более 87 000 пластин в месяц. Второй ния на поставку некоторых категорий 300 мм завод UMC Fab 12i, расположенный В ближайшем будущем Apple плани- микросборок на кристалле. Поэтому не в сингапурском Pasir Ris Wafer, серийно рует выпускать собственные чипы 5G, исключено небольшое увеличение цен выпускает 50 000 пластин в месяц на базе которые разработало бывшее подраз- на продукцию, которое позволит опе- 300-миллиметровых линий второго поко- деление Intel (Infineon), приобретённое ративно решить часть проблем с дефи- ления. Третий 300-миллиметровый завод Apple в 2019 году. Между Qualcomm и цитом за счёт снижения спроса. С дру- UMC, United Semi, расположен в китайском Apple M1 отношения достаточно слож- гой стороны, повышение цен поможет городе Сямынь и сейчас также работает с ные. Конфликт связан с тем, что трое аккумулировать средства, необходимые производительностью 50 тысяч пластин в ведущих разработчиков покинули Apple для расширения производственных месяц. В октябре 2019 года концерн UMC в 2019 году и создали свою собственную мощностей, включая создание нового приобрёл завод USJC (Mie Plant) в Японии. новую фирму по производству чипов производственного центра в Аризоне Этот завод, расположенный в префектуре Nuvia. В начале 2021 года эту фирму США [55]. японской провинции Мие, может произ- Qualcomm купила за 1,4 млрд долл. США. водить до 33 тысяч 300 мм пластин в месяц Кроме того, TSMC планирует постро- по технологии 40 нм (рис. 9). Существует опасение, что новый про- ить собственный завод микропроцес- цессорный чип Qualcomm не только соров в Японии [56]. Распределённые практически равно- воплотит в себе последние инноваци- мерно по всей Азии производственные онные решения, но и превзойдёт гото- Нужно отметить ещё один важный мощности UMC гарантируют беспере- момент, который, в принципе, может бойное обслуживание клиентов этого внести определённые изменения в региона с поставками в точно назна- структуру мирового производства полу- ченные сроки. Новые заводы UMC проводниковых электронных компо- оснащены современными системами нентов. Попытки Китая развивать свою автоматизации, включающими универ- собственную передовую индустрию сальные блоки с передним открывани- производства чипов и торговая война ем (FOUP), автоматизированные систе- за лидерство в этой области с США явля- мы погрузочно-разгрузочных работ ются одной из причин крайне жёсткой (AMH) и подвесные рельсовые транс- и агрессивной политики, проводимой портные средства (RGV). Все заводы КНР по отношению к Тайваню [57]. отвечают строгим требованиям меж- дународных стандартов [60]. Тайваньский концерн United Microelectronics Corporation – UMC по На своих контрактных предприятиях итогам 2021 года занял второе место UMS производит ПЭК для многих при- по объёму доходов среди контрактных ложений современной электроники, производителей ПЭК, которые толь- уделяя особое внимание системам бес- ко производят продукцию по заказам проводной связи 5G, IoT, автомобиль- фирм-разработчиков. Логотип фирмы ной электронике, медицинской техни- показан на рис. 8 [58]. В III квартале 2021 г. доход UMC составил 2,01 млрд долл. США [59]. 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК ке. Линейка продукции, выпускаемой памяти SRAM (poly/oxynitride – H-K Рис. 10. По оценкам аналитиков, в ближайшие UMS, включает такие компоненты, как metal gate). годы панелями AMOLED с матрицами, мобильные процессоры, графические составленными из органических светодиодов процессоры, чипы Wi-Fi и Bluetooth, раз- Поскольку всё ещё пользуются попу- OLED, будет оснащено большинство смартфонов личные датчики и специальные автомо- лярностью многие модели бытовой ведущих мировых производителей [61] бильные чипы, логические микросхемы, электроники, разработанные в нача- ПЭК для систем электропитания, драй- ле 2000-х, у UMC остаются постоянные Рис. 11. Расходомер Sensirion SFM3003 для веры дисплеев, энергонезависимые клиенты, которые заказывают простые измерения потока кислорода в ИВЛ [63] запоминающие устройства, RFSOI, BCD, ПЭК на базе технологий 40 нм, 55 нм, SRAM. Среди многочисленных клиентов 65 нм и даже 90 нм. В частности, такие вать развитию новых микросхем. Сре- UMC наибольшие доли заказов прихо- комплектующие в настоящее время ди перспективных направлений, предус- дятся на ведущих мировых разработ- с успехом применяются в недорогих мотренных в совместных исследованиях чиков ПЭК: Qualcomm, AMD, MediaTek, автомобилях массового спроса. Так- UMC и Chipbond, можно выделить такие Novatek, Realtek, Infineon, Rockchip, же полупроводниковые компоненты как масштабирование микросхем на Allwinner Technology, Applied Materials, с небольшой степенью интеграции уровне полупроводниковых пластин Lam Research. на кристалле используются в дешёвой (WLCSP) с использованием технологии китайской бытовой электронике в про- разветвлённой FOSiP и системы с пере- Кроме традиционных UMS работает стых системах управления питанием, вёрнутым кристаллом FCSiP, модерниза- также с новыми направлениями вроде драйверах дисплеев, кухонном обору- ция структур управления питанием на систем для преобразователей солнеч- довании и т.д. Поэтому продажи UMC в основе нитрида галлия (GaN) и арсенида ной энергии. этом сегменте рынка заметно выросли галлия (GaAs), карбида кремния (SiC) [64]. в период кризиса 2020–2021 годов [62]. В начале 2017 года UMC начал выпу- Кроме перечисленных мероприятий скать на заводе Fab 12A в Тайнане В начале 2020 года, когда ведущие для выхода из состояния кризиса кон- микросхемы на базе FinFET с исполь- автомобильные производители начали церн UMC использовал ещё одно очень зованием технологии 14 нм, которая массово менять свои заказы на ПЭК, кон- действенное средство. Концерн UMC включает такие современные элемен- церн UMC совместно с Sensirion нала- заключил контракты, согласно кото- ты, как Fin module, High-k/Metal Gate дил производство комплектующих для рым некоторые из его крупнейших stack, Low-k spacer, MoL, BEOL. медицинского оборудования, крайне заказчиков разместили заказы на два необходимого для борьбы с COVID-19. года вперёд по фиксированным рас- Технология 22 нм используется для В кратчайшие сроки были запущены ценкам и внесли авансовые платежи на производства популярных микросхем с линии, на которых начали выпускать общую сумму около 2,3 млрд долл. США. низким энергопотреблением. В основном микросхемы для температурных датчи- Однако эта сделка таит в себе ряд опас- на базе этой технологии на заводах UMC ков, предназначенных для контейнеров, ностей. Если кризис и дефицит произ- выпускаются ПЭК для цифровых телеви- в которых перевозилась вакцина про- водства ПЭК затянутся еще на 1-2 года, зоров, мониторов, беспроводных систем тив коронавируса. Также был органи- то мировые цены на комплектующие Bluetooth/Wi-Fi и других аналогичных зован выпуск ПЭК для датчиков пото- будут расти, и UMC вынужден будет приложений. Одной из наиболее попу- ка, используемых в ИВЛ (рис. 11). продавать свою продукцию по убы- лярных позиций, которые выпускаются точным фиксированным расценкам. на заводах UMC, являются драйверы пане- В качестве ещё одного значимого Кроме того, 2,3 млрд инвестирован- лей AMOLED с матрицами, составленны- события можно упомянуть договор об ных долларов примерно соответству- ми из органических светодиодов – OLED. обмене акциями между UMC и Chipbond. ют квартальному обороту фирмы. Это Согласно этому договору Chipbond значит, что если UMC не сможет в сле- По оценкам аналитиков, такими пане- передаст концерну UMC 67 152 322 свои дующие годы значительно увеличить лями в ближайшие годы будет оснаще- новые обыкновенные акции в обмен на свои доходы, то ему каким-то образом но большинство смартфонов ведущих 61 107 841 новую обыкновенную акцию, нужно будет покрывать эти авансовые мировых производителей (рис. 10). выпущенную UMC, и 16 078 737 обык- платежи. новенных акций UMC, принадлежащих В настоящее время массово выпускать её дочернему предприятию Fortune микросхемы драйверов AMOLED могут Venture Capital. Коэффициент обме- только Samsung, UMC и GlobalFoundries. на акций составляет одну акцию UMC к 0,87 акции Chipbond. Таким образом, Производственные линии UMC после завершения сделки по обмену позволяют выпускать некоторые акциями UMC и её дочерняя компания типы микросхем как по техноло- Fortune Venture Capital будут совмест- гии 22 нм, так и по технологии 28 нм но владеть примерно 9,09% капитала (28 nm HKMG). В условиях острого дефи- Chipbond, а Chipbond будет владеть при- цита комплектующих в 2020–2021 гг. мерно 0,62% капитала UMC [64]. концерн UMC увеличил выпуск продук- ции, полностью задействовав все ранее Фирма Chipbond Technology законсервированные линии. Тем самым Corporation является одним из веду- была увеличена производительность щих мировых производителей драй- линий 28 нм. Так, например, на заводе веров ЖК-дисплеев. Сотрудничество в Тайнане выпуск продукции был дове- с Chipbond позволит концерну UMC дён до 20 тысяч пластин в месяц [61]. не только улучшить своё финансовое положение, но также будет способство- Таким образом, удалось несколько уменьшить сроки поставки традици- онной, широко используемой 28 нм СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 15
РЫНОК Таблица 4 Рис. 12. Micron обвинил тайваньский концерн UMC Название Подложка Расположение Максимальная Технология, нм в краже интеллектуальной собственности [66] производительность, Fab 1 300 мм Германия 55, 45, 40, 32, 28, 22, 12 Fab 7 300 мм Сингапур шт/мес, 300 мм 130…40 Fab 8 300 мм Нью-Йорк, США 28, 20, 14 Fab 2 200 мм Сингапур 80 000 600…350 Fab 3/5 200 мм Сингапур 50 000 350…180 Fab 9 200 мм Вермонт, США 60 000 350…90 НД НД НД Рис. 13. Торговая марка GlobalFoundries В сентябре 2018 года Федеральное Американский концерн GlobalFoundries жюри присяжных США (A Federal Grand (GFS) по объёмам реализованной про- Тем не менее в результате предприня- Jury) предъявило концерну UMC и госу- дукции в III квартале 2021 г. занял третье тых действий в IV квартале 2020 г. дохо- дарственному предприятию КНР Fujian место в мире среди «чистых» контракт- ды UMC увеличились на 8,2% по сравне- Jinhua (далее по тексту – Fujian Jinhua), ных производителей ПЭК. Этот кон- нию с аналогичным периодом 2019 года а также трём физическим лицам обви- церн находится в частной собственно- и составили 1,59 млрд долл. США [65]. нение в сговоре с целью кражи, хране- сти, принадлежащей двум акционерам: ния и последующей передачи фирме AMD и фонду Mubadala [73]. Торговая мар- В конце ноября 2021 года United Fujian Jinhua украденной коммерче- ка GlobalFoundries показана на рис. 13. Microelectronics Corp и Micron Technology ской тайны у американской компании Inc урегулировали разногласия по граж- (Micron Technology, Inc) [68]. В 2008–2012 годах государственный данскому иску, в котором крупнейший суверенный фонд Абу-Даби Mubadala американский производитель микро- При этом тайваньской и китайской финансировал продажу заводов AMD схем памяти Micron обвинил тайвань- компаниям грозил штраф в размере фирме GlobalFoundries. Затем Mubadala ский концерн UMC в краже интеллекту- более 20 млрд долл. США. заплатила 1,8 млрд долл. США за заво- альной собственности и передаче этой ды Chartered Semiconductor в Синга- информации китайской фирме (рис. 12). Завод Fujian Jinhua стоимостью пуре. Этот бизнес был объединён с 5,6 млрд долл. США в китайском горо- GlobalFoundries. Следующим приоб- Нужно подчеркнуть, что Micron, де Цзиньцзян, финансируемый пра- ретением стал бизнес IBM по произ- Samsung и Hynix в совокупности кон- вительством КНР, должен был начать водству микросхем. тролируют около 90% производства производство памяти DRAM в 2019 году. динамической памяти DRAM [67]. Однако правительство Соединенных Производственные мощности Glo- Штатов через министерство торговли balFoundries размещены в Америке, Эта история является лишь одним запретило всем фирмам США любые Азии и Европе. Характеристики заво- из эпизодов торговой войны, которую экспортные операции с китайской ком- дов GlobalFoundries приведены в табл. 4. США ведёт против фирм КНР, незакон- панией Fujian Jinhua Integrated Circuits но использующих в своей продукции Ltd. Поэтому проект по производству Основной доход, примерно 70%, при- интеллектуальную собственность, похи- DRAM на заводе Fujian Jinhua был при- носят заводы, расположенные в США. щенную у американских компаний. остановлен [69]. Европейские заводы дают около 10% дохода. Остальные доходы GFS полу- В мае 2016 года UMC объявила о нача- В октябре 2020 года концерн UMC чает из Сингапура. ле технологического партнёрского про- пообещал оказать «существенную екта с Fujian Jinhua, в рамках которого помощь» правительству США в этом деле Производственные линии Glo- должна была быть разработана специ- и официально признал себя виновным balFoundries имеют лицензию феде- альная конструкция и технология про- в суде Сан-Франциско. Прокурор согла- рального правительства США «Trusted изводства DRAM. Руководителем проек- сился снять с UMC наиболее серьёзные Foundry», которая даёт фирме возмож- та был назначен Чен Чжэнкунь (Chen обвинения в экономическом шпионаже ность размещать на своих заводах Fab 9 Zhengkun), который нанял для работ и заговоре против американской ком- и Fab 10 заказы министерства оборо- по этому проекту сотрудников тай- пании Micron Technology Inc. Со своей ны. Следует отметить, что завод Fab 10 ваньского филиала Micron. В результа- стороны, концерн UMC признал себя в Ист-Фишкилле находится в процес- те нехитрых операций конфиденциаль- виновным в краже коммерческой тай- се продажи фирме ON Semiconductor. ная информация о конструкции одной ны и согласился выплатить штраф в раз- из моделей DRAM памяти Micron была мере 60 млн долл. США [69…71]. В октябре 2021 года GlobalFoundries передана концерну UMC. Руководитель объявила о долгосрочном стратеги- проекта Чен Чжэнкунь стал президен- Согласно совместному заявлению ческом партнёрстве с Министерством том Fujian Jinhua и возглавил предпри- сторон, опубликованному в конце ноя- обороны США (DOD) по производству ятие по производству памяти DRAM. бря 2021 года, UMC выплатит компенса- чипов на заводе Fab 8 в штате Нью-Йорк. цию, необходимую для урегулирования Это означает, что Fab 8, самое передовое всех претензий между компаниями и их производство GF, сможет производить филиалами по всему миру. Размер ком- чипы с жёстким экспортным контролем. пенсации не раскрывается [72]. Учиты- После того как Fab 10 будет аккредито- вая предстоящее погашение авансовых ван, он сможет присоединиться к списку платежей и выплаты по иску Micron, предприятий США Trusted Foundry, кото- можно ожидать, что следующие годы рые могут гарантировать соответству- не будут для UMC столь безоблачными. ющее качество и конфиденциальность сделки во время производства (рис. 14). 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК В своих маркетинговых материа- Рис. 14. Завод GlobalFoundries Fab 8 имеет лицензию «Trusted Foundry» [74] лах GlobalFoundries подчёркивает, что основные направления его деятельно- Рис. 15. GlobalFoundries расширит сотрудничество с Qualcomm в рамках создания интерфейсных сти связаны с узкоспециализированны- радиочастотных (RF) решений для телефонов 5G [75] ми областями электронной промыш- ленности. В отличие от TSMC, концерн бители привыкли ожидать от смартфо- В контексте производства микросхем GlobalFoundries не стремится разви- нов 4G LTE (рис. 15). специального назначения для аэрокос- вать новые 7 нм, 5 нм и 3 нм техноло- мических и военных приложений мож- гии, считая приоритетными направле- Одним из наиболее перспективных но отметить контракты GlobalFoundries ния, связанные с масштабированием направлений GlobalFoundries считает с американским лидером в этой обла- специализированных нишевых при- производство ПЛИС и ПЭК для опти- сти: концерном Raytheon Technologies ложений на базе 12-, 14-, 22-, 40-нано- ческой связи и LiDAR на базе кремни- (рис. 16). В рамках совместных иссле- метровых технологий. Среди таких евой фотоники (Silicon Photonics). Эта дований разрабатываются новые полу- направлений можно отметить трёх- технология позволяет создавать ПЛИС, проводниковые структуры с исполь- слойные подложки со структурой крем- содержащие на одном кристалле крем- зованием нитрида галлия на кремнии ний-диэлектрик-кремний (Silicon on ниевые электронные цепи, полупро- (GaN-Si), предназначенные для новых insulator – RF SOI); подложки на осно- водниковые лазеры и оптические эле- приложений беспроводной связи 5G ве полностью обеднённого кремния на менты. Такие устройства позволят в и 6G [77]. изоляторе (FD-SOI/FDX); многофунк- будущем отказаться от медных прово- циональные КМОП-матрицы на основе дов в сложных электронных системах, Концерн GlobalFoundries заметно (Bipolar-CMOS-DMOS); кремниево-гер- предназначенных для гражданской и пострадал на первом этапе кризиса, маниевые транзисторы SiGe BiCMOS и военной авиации. В этом плане мож- поскольку многие его заказчики были GaN на Si; FinFET-транзисторы; устрой- но отметить новую фирму Lightmatter, ориентированы на автомобильный ства кремниевой фотоники (SiPh). специализирующуюся в области рынок. Так, один из его крупнейших кремниевой фотоники и искусствен- клиентов, фирма AMD, сократила объ- Такой подход позволяет удержи- ного интеллекта, которая использу- ём своих заказов в 2020 году на 7% по вать ключевых клиентов, таких как ет GlobalFoundries для производства сравнению с 2019 годом. Производ- AMD, Qualcomm, MediaTek, NXP, Qorvo, вычислительного ядра своей платфор- ственные мощности GlobalFoundries Cirrus Logic, Skyworks, Murata, Samsung, мы. Эта платформа, представляющая работали последние годы с очень Broadcom и других. Например, боль- собой единый интегрированный стек низкой эффективностью. Коэффи- шинство чипов NFC производится на для поддержки фотонных и логических циент технического использования заводах GlobalFoundries на технологи- вычислений, позволила Lightmatter оборудования (utilization rate) в 2018, ческой платформе многофункциональ- добиться многократного преимуще- 2019, 2020 годах составлял соответ- ных КМОП-матриц. ства в таких важнейших параметрах ственно 80%, 70%, 84%. Для сравне- процессов матричных вычислений, как ния можно взять данный параметр у Технология полностью обеднённо- пропускная способность, потребляемая TSMC и UMC, который был в 2020 году го кремния на изоляторе FDX является мощность и задержки [76] больше 95%. оптимальным вариантом для микро- схем, предназначенных для устройств со сверхнизким энергопотреблением (5G, автомобильная электроника, бата- рейные устройства IoT, спутниковая связь, ячейки памяти и др). Транзисторы SiGe BiCMOS и GaN на Si широко исполь- зуются в ПЛИС, предназначенных для усилителей мощности, высокочастот- ных устройств, оптических и беспро- водных сетей, телекоммуникационных устройств. В 2021 году GlobalFoundries завершила модернизацию своего узла FDX-RF в технологической цепоч- ке FD-SOI. Эта линия ориентирована на изготовление микросхем входных радиочастотных блоков микромощных беспроводных систем на кристалле мил- лиметрового диапазона. В ближайшем будущем GlobalFoundries планирует зна- чительно расширить сотрудничество с Qualcomm в рамках создания интер- фейсных радиочастотных (RF) решений для телефонов 5G и других аналогич- ных устройств, которые могут работать со скоростью более 1 Гбит/с и монтиро- ваться в тонкие корпуса, которые потре- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 17
РЫНОК Рис. 16. GlobalFoundries совместно с ведущим производителем электроники для аэрокосмических кой и реализацией процесса IPO зани- и военных приложений концерном Raytheon Technologies разрабатывает новые микросхемы для 5G маются Morgan Stanley, Bank of America и 6G Corp, JPMorgan Chase & Co, Citigroup Inc, Credit Suisse Group AG. Ожидает- На втором этапе кризиса в 2021 году США, а убытки – 1,37 млрд долл. США. ся, что акции GlobalFoundries начнут GlobalFoundries испытывал заметные В 2020 году ситуация стала ещё хуже: торговаться на Nasdaq под символом задержки с поставками подложек для продажи 4,85 млрд долл. и убытки GFS в начале декабря 2021 г. При этом своих производственных линий с тех- 1,35 млрд долл. США [80]. Mubadala должна будет контролиро- нологией SOI (кремний на изоляторе), вать более 89% акций GFS после завер- поскольку в 2020–2021 годах заметно Не улучшилась ситуация и в 2021 году, шения первичной публичной продажи выросли сроки поставки у японских когда разница между ценой и себесто- акций (IPO) [84]. производителей подложек SOI. имостью основного товара (margin) достигла отрицательных значений. Согласно отчёту Bloomberg от Фирма GlobalFoundries вынужде- 28 октября 2021 года, концерн на была увеличить закупки этой про- В качестве одного из средств выхода GlobalFoundries Inc и её основной дукции у французской фирмы Soitec, из кризиса фирма использует систему акционер Mubadala Investment Co которая является крупнейшим в мире предварительных заказов. Так, напри- уже продали 55 млн акций, выручив поставщиком пластин FD-SOI, FD-SOI, мер, GlobalFoundries, воспользовавшись таким образом почти 2,6 млрд долл. FinFET-SOI (200…300 мм) [78]. нехваткой микросхем, заключила кон- США в ходе первичного публично- тракты на поставки в 2022–2023 годах го размещения акций (IPO). Среди Доля GlobalFoundries в заказах Soitec и получила на эти цели около 10 млрд покупателей акций можно назвать достигла в 2020 году 52% от общего объ- долларов авансовых платежей. Кроме такие фирмы, как Qualcomm Inc и ёма заказов этой фирмы. того, в 2021 году сократилось финан- Silver Lake, а также управляющие сирование новых уже ведущихся раз- фонды: BlackRock Inc., Columbia В это же время обострились взаимоот- работок [81, 82]. Management Investment Advisers, ношения с двумя крупнейшими заказчи- Fidelity Management, дочерняя ком- ками IBM и AMD, которые отказались от В 2019 и 2020 годах по результатам пания Koch Industries Inc [85]. услуг GlobalFoundries и разместили свои III квартала убытки GlobalFoundries новые заказы на заводах TSMC и Samsung. составили соответственно 350 млн и После тщательных подсчётов 30 октя- Одновременно возобновились старин- 293 млн долл. США. бря 2021 года GlobalFoundries проин- ные споры и взаимные обвинения, в формировал инвесторов о том, что в результате чего концерн IBM подготовил В сложившейся ситуации руковод- результате предпринятых мер, впер- иск на 2,5 млрд долл. США. Выдвигаемые ство GlobalFoundries объявило о про- вые за последние три года, концер- претензии были связаны с нарушением даже части активов. В 2019 году был ну удалось покончить с убытками, и условий контракта с GlobalFoundries от инициирован процесс продажи фир- III квартал завершён с чистой при- 2015 года, когда компания приобрела у ме ON Semiconductor за 430 млн долл. былью в размере 299 млн долл. США. IBM подразделения микроэлектрони- США завода Fab 10 в Ист-Фишкилле, Доход GFS за III квартал 2021 г. составил ки International Business Machines Corp, штат Нью-Йорк, США, который рань- 1,7 млрд долл. США [86]. а также производственные мощно- ше был основным производством сти в Берлингтоне, Вирджиния, и Ист- IBM Microelectronics. Сделка должна Перспективу своего развития GFS Фишкилле, Нью-Йорк [79]. быть полностью завершена к концу связывает прежде всего с расшире- 2022 года [83]. нием производства на территории Два года пандемии, и проблемы США. Так, GlobalFoundries намере- на автомобильном рынке стали для В начале октябре 2021 года на построить новый завод в штате GlobalFoundries источником серьёз- GlobalFoundries совместно с инвесто- Нью-Йорк. Кроме того, в планах GFS ных финансовых проблем. Объём про- рами инициировала процесс формиро- на 2022 год одними из наиболее при- даж составил в 2019 году 5,81 млрд долл. вания IPO с последующим выходом на оритетных задач являются модер- биржу NASDAQ в Нью-Йорке. Подготов- низация предприятий в Германии и реконструкция сингапурских фабрик [87]. Значительную часть финансиро- вания руководство фирмы надеется получить в рамках новой националь- ной программы США по развитию предприятий электронной про- мышленности на территории стра- ны. Основная маркетинговая идея GlobalFoundries заключается в том, что для того, чтобы избежать повтор- ного кризиса в будущем, необходи- мо организовать мощные предпри- ятия по производству ПЭК в США и ЕС. В 2019, 2020 и первой половине 2021 года GlobalFoundries получила 698 млн долл. США государственных субсидий на развитие производствен- 18 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
РЫНОК ных мощностей, НИР и ОКР. Более боваться несколько лет. Кроме того, 10. URL: https://www.wsj.com/articles/ подробную информацию о финан- совом положении GlobalFoundries можно ожидать, что некоторые фирмы store-shelves-stripped-of-laptops-as- можно найти на сайте [88, 89]. категории Fabless Companies также зай- coronavirus-increases-working-from- Стоит обратить внимание на новый совместный проект с Ford. Ведущий мутся производством ПЭК. Например, home-11584534112. автомобильный гигант Ford понёс значительные убытки из-за дефицита Qualcomm упоминал о таких планах. 11. URL: https://www.pcworld.com/ автомобильных ПЭК. Поскольку про- блемы с этими комплектующими могут Все фирмы, которые реально произ- article/3513952/the-pc-market-once-left- продлиться ещё несколько лет, кон- церн Ford заключил стратегическое водят полупроводниковые электрон- for-dead-actually-grew-during-2019.html. соглашение с GlobalFoundries о разра- ботке автомобильных чипов. С одной ные компоненты в виде полностью 12. URL: https://ru.reuters.com/article/gc07/ стороны, это партнёрское сотрудни- чество в краткосрочной перспекти- законченных деталей, делятся на два idUKKBN20D2AA. ве поможет увеличить выпуск авто- мобильных чипов для Ford. С другой больших класса. 13. URL: https://www.sourcetoday.com/news/ стороны, в перспективе может быть организовано совместное производ- 1. Фирмы «Semiconductor Contract article/21125528/impact-of-coronavirus- ство GlobalFoundries–Ford новейших чипов для автомобильной электро- Manufacturing Company» изготавли- on-distributors-of-electronic-components. ники непосредственно на террито- рии США [90]. вают продукцию по контрактам и 14. URL: https://ipc2u.com/articles/ Подводя итог первой части статьи, патентам других фирм на собствен- knowledge-base/shortage-on-the-global- можно говорить о том, что практи- чески все цитированные источники ных предприятиях (другое название – market-of-electronic-components-who- предполагают, что COVID-19 был тем триггерным механизмом, который на «Pure-Play Foundry Business»). Ведущие s-to-blame-and-what-to-do/. первом этапе вызвал кризис глобаль- ной мировой логистики. Проблемы мировые производители этого класса: 15. URL: https://finance.yahoo.com/news/chip- доставки грузов привели к дефици- ту комплектующих, сырья и оборудо- TSMC, GlobalFoundries и UMC. Основ- lead-times-begin-slow-155824956.html. вания практически во всех областях промышленности. В полном соответ- ные этапы деятельности этих фирм 16. URL: https://www.bloomberg.com/news/ ствии с классической теорией экономи- ки пропорционально снижению степе- рассмотрены в первой части статьи. articles/2021-10-26/chip-lead-times-begin- ни доступности дефицитных товаров выросли и цены на них. 2. Фирмы «Integrated Вevice to-slow-suggesting-shortages-have-peaked. Благодаря тому, что основная часть Manufacturers» (IDM) разрабатыва- 17. URL: https://www.fierceelectronics.com/ производства полупроводниковых электронных компонентов в насто- ют собственную полупроводнико- electronics/chip-crunch-lead-times-up- ящее время сосредоточена в странах Азии, возник крайне острый дефицит вую продукцию и изготавливают её to-52-weeks-stability-by-mid-2023. таких изделий в Европе и Америке. В результате значительные убытки на принадлежащих им предприяти- 18. URL: https://www.theregister. понесли потребители этих комплек- тующих. Производители ПЭК, нао- ях. Кроме электронных компонентов com/2021/11/18/cisco_q1_22/. борот, закончили 2021 год со значи- тельной прибылью. Как справедливо эти фирмы производят также закон- 19. URL: https://www.theregister. утверждают многочисленные экспер- ты, эпидемия COVID-19 и проблемы ченные электронные устройства, в com/2021/11/04/arista_juniper_q3_price_ логистики вряд ли закончатся в насту- пающем году. А это значит, что дефи- которых используются также ком- rises/. цит и рост цен будут продолжаться в течение времени, которое сейчас плектующие других производите- 20. URL: https://www.investmentmonitor.ai/ никто точно предсказать не может. лей. Мировые лидеры этой группы – analysis/covid-global-shipping-container- Ведущие контрактные производи- тели TSMC, UMC, GF, рассмотренные в Samsung, Intel, Texas Instruments. shortage. этой части статьи, намерены значитель- но увеличить свои производственные О том, как эти фирмы пережива- 21. URL: https://www.freightos.com/. мощности. Однако на это может потре- ют кризис, вызванный пандемией 22. URL: https://www.xeneta.com/blog/whats- COVID-19, будет рассказано во вто- driving-container-rates-right-now. рой части статьи. 23. URL: https://www.abc.net.au/ news/2021-10-29/what-is-the-great- Литература shipping-container-shortage-covid- 3. URL: https://www.nepia.com/industry- christmas/100550198. news/coronavirus-outbreak-impact-on- 24. URL: https://www.seatrade-maritime.com/ shipping/. containers/survival-nvoccs-container- 4. URL: https://www.abc.net.au/ shortage-and-logistics-under-covid-19. news/2021-10-29/what-is-the-great- 25. URL: https://www.seatrade-maritime.com/ shipping-container-shortage-covid- ports-logistics/record-79-containerships- christmas/100550198. queued-lalong-beach-ports. 5. URL: https://www.investmentmonitor.ai/ 26. URL: https://ipc2u.com/articles/ analysis/covid-global-shipping-container- knowledge-base/shortage-on-the-global- shortage. market-of-electronic-components-who- 6. URL: https://www.umc.com/upload/ s-to-blame-and-what-to-do/. media/08_Investors/Financials/Quarterly_ 27. URL: https://ipc2u.com/articles/ Results/Quarterly_2020-2029_English_ knowledge-base/shortage-on-the-global- pdf/2021/Q3_2021/UMC21Q3_report.pdf. market-of-electronic-components-who- 7. URL: https://www.statista.com/ s-to-blame-and-what-to-do/. chart/25552/semiconductor- 28. URL: https://www.fool.com/earnings/call- manufacturing-by-location/. transcripts/2021/11/01/arista-networks- 8. URL: https://www.theguardian.com/ anet-q3-2021-earnings-call-transcr/. business/2020/mar/06/jaguar-land-rover- 29. URL: https://sensorsconverge2021.sched. hit-by-85-sales-slump-in-china-due-to- com/list/descriptions/. coronavirus. 30. URL: https://www.wsj.com/articles/ 9. URL: https://www.cbsnews.com/news/ worlds-largest-chip-maker-to- semiconductor-chip-shortage-60- raise-prices-threatening-costlier- minutes-2021-08-29/. electronics-11629978308. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 19
РЫНОК 31. URL: https://www.zdnet.com/article/ 53. URL: https://www.theverge. 74. URL: https://www.bloomberg.com/news/ hunker-down-the-chip-shortage-and- com/2021/1/13/22229497/qualcomm- articles/2021-11-25/taiwan-s-umc-pays- higher-prices-are-set-to-linger-for-a-while/. apple-nuvia-acquisition-cpu-chip-design- to-settle-tech-theft-litigation-with-micron. 32. URL: https://english.etnews. data-center. 75. URL: https://www.mubadala.com/en/who- com/20211115200001. 54. URL: https://asia.nikkei.com/Business/ we-are/about-the-company. 33. URL: https://www.bloomberg.com/news/ Tech/Semiconductors/TSMC-confirms- 76. URL: https://www.forbes.com/sites/ articles/2021-11-01/nxp-gives-bullish- talks-to-build-Japan-chip-plant. willyshih/2021/02/15/globalfoundries- outlook-on-efforts-to-increase-chip-supply. 55. URL: https://techtaiwan.com/20211104/ to-build-secure-chips-for-dod-in-upstate- 34. URL: https://www.ft.com/content/ tsmc-apple-a16/. new-york/?sh=41b6e6855726. d9a0ff69-f032-4bcd-93cb-5c65c9269871. 56. URL: https://www.reuters.com/article/ 77. URL: https://www.notebookcheck.net/ 35. URL: https://www.cnbc.com/2021/09/23/ tsmc-results-idCNL1N2RA0A4. Qualcomm-unveils-the-new-QTM527- chip-shortage-expected-to-cost-auto- 57. URL: https://www.theverge. mmWave-antenna-module-for-the- industry-210-billion-in-2021.html. com/2021/8/26/22642627/tsmc-chip- Snapdragon-X55-modem.434479.0.html. 36. URL: https://www.supplychainbrain.com/ price-increase-supply-shortages-apple- 78. URL: https://lightmatter.co/. articles/33543-carmakers-chip-crisis-isnt- qualcomm. 79. URL: https://www.techpowerup. getting-better-suppliers-say. 58. URL: https://asia.nikkei.com/Business/ com/282386/raytheon-technologies-and- 37. URL: https://www.sourcengine.com/ Tech/Semiconductors/TSMC-eyes-plans- globalfoundries-partner-to-accelerate- blog/renesas-increases-production- for-first-chip-plant-in-Japan. 5g-wireless-connectivity-using-gallium- raising-prices-due-automotive-chip- 59. URL: https://slate.com/news-and- nitride-on-silicon-gan-on-si. crisis-2021-02-03. politics/2021/11/china-taiwan-invasion- 80. URL: https://www.soitec.com/en/. 38. URL: https://auto.economictimes. philip-davidson-military-threat.html. 81. URL: https://www.timesunion.com/ indiatimes.com/news/auto-components/ 60. URL: https://www.umc.com/en. business/article/Judge-tosses-IBM-s-fraud- chip-shortage-to-cost-automakers- 61. URL: https://www.businesswire.com/news/ claims-against-16464321.php. 110-billion-in-revenues-in-2021- home/20211027005443/en/UMC-Reports- 82. URL: https://www.marketwatch.com/ alixpartners/82625724. Third-Quarter-2021-Results. story/globalfoundries-ipo-5-things- 39. URL: https://www.trendforce.com/ 62. URL: https://www.usjpc.com/en/news/ to-know-about-the-chip-company- presscenter/news/20210224-10675.html. topics-e/20201001e. going-public-in-a-semiconductor- 40. URL: https://ru.depositphotos.com/stock- 63. URL: https://mob-mobile.ru/statya/9638- shortage-11634834944. photos/tsmc-logo.html. chto-takoe-amoled-displey-v-smartfone. 83. URL: https://semianalysis.com/ 41. URL: https://www.taiwannews.com.tw/ html. globalfoundries-is-a-leading-edge-foundry- en/news/4315759#:~:text=TSMC’s%20 64. URL: https://www.umc.com/en/StaticPage/ despite-claims-otherwise/. consolidated%20revenue%20for%20 about_overview. 84. URL: https://semianalysis.com/ the,increase%20year-over-year. 65. URL: https://www.umc.com/en/News/ globalfoundries-gfs-ipo-mubadala-lost- 42. URL: https://www.anandtech.com/ press_release/Content/technology_ over-22-4b-now-they-are-hoping-public- show/15420/tsmc-boosts-capex-by-1- related/20210308. markets-bail-them-out/. billion-expects-5n-node-to-be-major- 66. URL: https://www.eetasia.com/umc- 85. URL: https://www.globest. success. and-chipbond-to-establish-strategic- com/2019/04/22/globalfoundries-to-sell- 43. URL: https://pr.tsmc.com/english/ cooperation/. east-fishkill-ny-semiconductor-plant-for- news/2889. 67. URL: https://www.taipeitimes.com/News/ 430m/?slreturn=20211025080159. 44. URL: https://www.tsmc.com/english/news- biz/archives/2020/12/08/2003748296. 86. URL: https://www.marketwatch.com/ events/blog-article-20200803. 68. URL: https://asia.nikkei.com/Economy/ story/globalfoundries-ipo-5-things- 45. URL: https://techtaiwan.com/20211201/ Trade-war/Taiwan-s-UMC-to-pay-60m- to-know-about-the-chip-company- tsmc-3nm-hetero. fine-to-settle-US-trade-secrets-case. going-public-in-a-semiconductor- 46. URL: https://www.anandtech.com/ 69. URL: https://www.bloomberg.com/news/ shortage-11634834944. show/16024/tsmc-details-3nm-process- articles/2021-11-25/taiwan-s-umc-pays- 87. URL: https://www.bloomberg.com/news/ technology-details-full-node-scaling-for- to-settle-tech-theft-litigation-with-micron. articles/2021-10-27/globalfoundries- 2h22. 70. URL: https://www.justice.gov/opa/pr/ mubadala-raise-2-6-billion-in-top-of- 47. URL: .https://www.bloomberg.com/ taiwan-company-pleads-guilty-trade- range-ipo. graphics/2021-semiconductors-chips- secret-theft-criminal-case-involving-prc- 88. URL: https://gf.com/press-release/ shortage/. state-owned. globalfoundries-reports-third-quarter- 48. URL: https://www.wsj.com/articles/ 71. URL: https://www.bloomberg.com/news/ 2021-financial-results. qualcomm-sees-path-out-of-chip-shortage- articles/2020-10-28/taiwan-s-umc-to- 89. URL: https://gf.com/news-events/ stretching-into-2022-11627504790. help-u-s-prosecute-chinese-firm-over- globalfoundries-press-releases. 49. URL: https://www.broadcom.com/ secrets. 90. URL: https://semianalysis.com/ solutions/industrial-automotive/ 72. URL: https://www.techpowerup. globalfoundries. automotive-solutions. com/249056/us-bans-exports-to-chinese- 91. URL: https://semianalysis.com/ 50. URL: https://www.amd.com/en/products/ dram-maker-fujian-jinhua-citing-national- globalfoundries-gfs-ipo-mubadala-lost- embedded-automotive-solutions. security-interests. over-22-4b-now-they-are-hoping-public- 51. URL: https://www.bloomberg.com/ 73. URL: https://npl971975.wordpress. markets-bail-them-out/. graphics/2021-semiconductors-chips- com/2019/01/05/suu-tam-exclusive- 92. URL: https://www.washingtonpost.com/ shortage. taiwans-umc-to-scale-down-chip-project- business/2021/11/18/ford-computer-chip- 52. URL: https://www.refinitiv.ru/ru/about-us. with-chinese-partner. globalfoundries/. 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
Реклама
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Новейшие достижения компании SV Microwave/ Amphenol в области радиочастотных соединений Кива Джуринский ([email protected]) Разработаны следующие модифика- ции соединителей SMPM [1]: В статье показаны результаты работ по совершенствованию ● прямые и угловые кабельные и при- радиочастотных соединений, выполненных американской компанией SV Microwave/Amphenol в 2017–2019 годах. Рассмотрены конструкция, борно-кабельные соединители, пред- электрические параметры и номенклатура соединителей SMPM назначенные для работы с полужёст- с предельной частотой 65 ГГц для работы в бортовой аппаратуре при ким кабелем 0,085\" (RG-405) и 0,047\", повышенных вибрационных и ударных нагрузках. Показаны конструкция а также с гибким и формуемым вруч- и параметры соединения печатных плат при расстоянии между ними ную кабелем; 3 мм, что стало возможным благодаря применению сверхминиатюрного ● приборные вилки, монтируемые в адаптера розетка-розетка («bullet»). стенки корпусов изделий из алю- миниевых и титановых сплавов: О компании SV Microwave/ Разработка соединителей впаиваемые, под лазерную сварку, Amphenol SMPM с предельной частотой резьбовые и запрессовываемые в 65 ГГц для работы корпуса; Радиочастотные соединители с при повышенных вибрационных ● вилки для установки в отверстия пе- интерфейсом SMPM, рассмотренные и ударных нагрузках чатных плат, для поверхностного в данной статье, созданы компанией монтажа на платы и концевые; SV Microwave. Эта компания являет- Стандартные соединители SMPM ● адаптеры розетка-розетка, называ- ся мировым лидером в области СВЧ- емые «bullet», для соединения «всле- микроэлектроники, имеющим более В 1990 году компания Corning Gilbert, пую», обеспечивающие гибкую связь чем 50-летний опыт работы по соз- США, разработала микроминиатюрные, между вилками, установленными на данию радиочастотных соедините- соединяемые защёлкиванием, соеди- разных платах, и позволяющие ком- лей, кабельных сборок и различных нители GPPO с предельной частотой пенсировать несоосность между вил- пассивных компонентов, предназна- 65 ГГц. Сегодня эти соединители выпу- ками на соединяемых платах. Длина ченных для военных систем, Интер- скают десятки компаний всего мира выпускаемых адаптеров «bullet» зави- нета вещей, 5G, спутниковых, высо- под собственными фирменными назва- сит от требуемого расстояния меж- коскоростных, аэрокосмических, ниями: SMPM, MINI-SMP и др. (далее – ду платами; коммерческих и телекоммуникаци- SMPM – «sub-miniature push-on, micro»). ● междусерийные адаптеры для со- онных приложений. В мае 2005 года Разработаны соединители SMPM с пол- вместимости с соединителями дру- SV Microwave была приобретена ным и ограниченным защёлкивани- гих типов: SMA, 3,5 мм, 2,92 мм, крупной корпорацией Amphenol, и ем и скользящим соединением вилки 2,4 мм и 1,85 мм. с тех пор её называют SV Microwave/ и розетки. Интерфейс соединителей Внешний вид соединителей SMPM Amphenol. SMPM соответствует стандарту MIL- основных модификаций показан на STD-348A (см. рис. 1) [1]. рис. 2, а их основные параметры при- ведены в табл. 1 [1, 2]. F Вилка F Благодаря миниатюрности (вес G E Розетка соединителя составляет десятые доли грамма) и высокому уровню электри- E ческих параметров данные соедини- тели нашли применение в сложных ∅D ∅C многофункциональных модулях СВЧ ∅A с высокой плотностью компоновки. ∅B Однако, несмотря на высокий уро- ∅B вень параметров соединителей SMPM, ∅A разработчики ответственных бортовых систем опасаются, что соединение защёл- Вилка Розетка киванием может не выдержать высокие вибрационные и ударные нагрузки. Что- min max min max бы повысить надёжность соединителей, ведущие зарубежные компании разрабо- A 2,11 2,16 – 2,41 тали свои собственные изделия, в кото- рых сочленение вилки и розетки защёл- B 2,82 2,92 – 2,79 киванием усилено другими способами соединения (резьбовым, байонетным C 0,28 0,33 – – или вторым защёлкиванием) [3, 4]. D 2,18 2,24 – – E 0,76 1,14 0 0,20 F 2,08 2,13 1,73 – G 0,53 0,58 – – Рис. 1. Интерфейс вилки (для полного защёлкивания) и розетки соединителей SMPM 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Компания SV Microwave/Amphenol 1 23 45 6 в 2019 году также разработала линей- ку резьбовых соединителей SMPM для работы при повышенной вибрации с высоким уровнем электрических и механических характеристик [5, 6]. Резьбовые соединители SMPM 78 Так как при воздействии вибрацион- Рис. 2. Соединители SMPM: 1 – прямая кабельная розетка для кабеля 0,047\" и 0,085\"; 2 – угловая ных и ударных нагрузок надёжность кабельная розетка для кабеля 0,047\" и 0,085\"; 3 – адаптер SMPM розетка – SMPM розетка («bullet»); соединения защёлкиванием уступает 4 – вилка для монтажа в отверстия печатной платы; 5 – концевая вилка для монтажа на печатную плату; резьбовому соединению, напрашива- 6 – вилка для поверхностного монтажа на печатную плату; 7 – адаптер SMPM розетка – 2,92 мм розетка; лось решение объединить оба эти сое- 8 – адаптер SMPM вилка – 2,92 мм вилка динения в конструкции соединителя SMPM. Впервые резьбовое соединение Таблица 1. Параметры соединителей SMPM в дополнение к соединению защёлки- ванием применила компания Astrolab, Параметр Значение параметра разработавшая соединители SMPM-T Волновое сопротивление, Ом 50 [1, 3, 4]. В кабельном соединителе-розет- ке SMPM-T стандартный интерфейс Рабочий диапазон частот, ГГц DC…65 (прямые соединители), SMPM был дополнен резьбовой втул- (DC – direct current, постоянный ток) DC…40 (угловые соединители) кой, устанавливаемой на кабель, а при- борный соединитель-вилка выполнен с Рабочее напряжение, В (на уровне моря) 170…325 внешней резьбой на корпусе (см. рис. 3). Напряжение пробоя, В (на уровне моря) 500 Соединители SMPM-T отличаются высо- кой стойкостью к ударам и вибрации, Максимальный КСВН (в диапазоне частот, ГГц) 1,15 (0…10); 1,25 (10…26,5); надёжной фиксацией и улучшенной экра- 1,35 (26,5…50); 1,50 (50…65) нировкой (экранное затухание по сравне- нию с обычными соединителями SMPM Величина потерь на частоте f, ГГц 0,12 выше на 10 дБ). В случае необходимости –80 (0...3) соединители SMPM-T и SMPM могут без Экранное затухание, дБ (в диапазоне частот f, ГГц) ограничений соединяться друг с другом. Минимальное сопротивление изоляции, МОм 5000 Допустимая пропускаемая мощность, Вт Однако такое конструктивное решение (на частоте, ГГц) при температуре 25°С 16 (1) соединителя SMPM-T не универсально, Рабочий диапазон температур, °С оно возможно только для прямых кабель- –65…+165 ных соединителей и неосуществимо для Допустимые радиальное и аксиальное смещения между угловых соединителей. осями вилки и розетки при соединении, мм 0,25 Компания SV Microwave/Amphenol Усилия соединения/рассоединения, Н 11/6,7 – скользящее соединение, предложила установить резьбовую втул- 20/29 – полное защёлкивание ку непосредственно на кабельный сое- динитель-розетку, а приборную вилку, Допустимое количество циклов соединение – 100 (полное защёлкивание), как и в предыдущем случае, выполнить рассоединение 500–1000 (скользящее соединение) с наружной резьбой на корпусе. Такое решение универсально, так как при- Примечания: 1. Величины КСВН, потерь и экранного затухания, приведённые в data sheet разных произ- менимо как к прямым, так и к угловым соединителям. Резьбовая втулка, изго- водителей соединителей SMPM, заметно отличаются. Более подробно электрические параметры соеди- товленная из нержавеющей стали, име- ет следующие размеры: наружный диа- нителей SMPM рассмотрены в работах [1, 2]. метр 4,57 мм, длина приблизительно 2. В спецификациях часто приводят значение напряжения соединителя без уточнения его вида. Имеют- 6 мм, резьба 0.148-56 UNS (наружный диа- ся 3 вида напряжения соединителя: напряжение пробоя (Breakdown Voltage), испытательное напряжение метр резьбы 3,76 мм, шаг резьбы 0,45 мм). (DWV – Dielectric Withstanding Voltage) и максимальное рабочее напряжение (Working Voltage). Напряже- ние пробоя – это максимальное напряжение, которое может выдержать соединитель без значительно- Были разработаны 8 модифика- го возрастания тока утечки и разрушения. Испытательное напряжение – это максимальное напряжение, ций резьбовых соединителей SMPM при котором должен быть протестирован соединитель. Оно составляет 75% от напряжения пробоя сое- (см. табл. 2). В таблице представле- ны вилки для скользящего соедине- динителя. Рабочее напряжение – максимальное напряжение, при котором соединитель должен работать ния с ответной кабельной розеткой с заданными параметрами в течение всего срока службы. Рабочее напряжение составляет 1/3 от испыта- (позиции 5 и 6). По заказу потребите- тельного напряжения и зависит как от конструкции соединителя, так и от конкретных условий эксплуата- ля такие вилки могут быть изготовле- ции. В частности, при указании рабочего напряжения в спецификации должны быть приведены значения ны для соединения с ответной кабель- атмосферного давления на уровне моря или на высоте 70 000 футов (21,3 км) и температуры. ной розеткой полным защёлкиванием. скользящего и резьбового соедине- При этом наиболее заметно возрастает Резьбовые кабельные соединители, ний, имеют низкие усилия сочленения стоимость резьбовых кабельных сое- в которых использовано сочетание и расчленения розетки и вилки. Сое- динителей, прямых и угловых. динители испытывают по стандарту MIL-STD-202, методами 204 и 213. Дан- Соединение печатных ные методы используются в испытани- плат с применением ях на воздействие вибрации и ударов сверхминиатюрного адаптера для изделий авиационного и космиче- «bullet» компании SV ского назначения. Резьбовые соедини- Microwave/Amphenol тели SMPM, естественно, стоят доро- же стандартных аналогов в 1,2...1,8 раз. Соединители SMPM привлекли вни- мание разработчиков изделий СВЧ- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 23
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ R 1,5 min ∅ 4,06 Адаптер «bullet» обеспечивает надёж- ное соединение и компенсирует ради- ∅ 1,91 0,28 альную и осевую несоосность до 0,25 мм Рис. 3. Соединитель SMPM-T 8,76 соединителей SMPM вилка, установлен- ных на печатных платах. Он является Таблица 2. Резьбовые соединители SMPM компании SV Microwave/Amphenol ключевым элементом при создании компактного соединения плат и модуль- № Обозначение Тип соединителя Параметры Внешний вид ных конструкций, так как его длина п/п соединителя определяет расстояние между соединяе- мыми печатными платами. Поэтому для Прямая кабельная уменьшения расстояния между соединя- емыми платами зарубежные компании 1 3221-60016 розетка для кабеля Рабочий диапазон частот: стремятся максимально уменьшить дли- 0,085\" (RG-405) 0…40 ГГц. ну адаптера «bullet» (см. табл. 3) [1, 7, 8]. КСВН: Рекордсменом в области миниатюри- зации адаптеров «bullet» является ком- 1,25 (DC…26,5);1,3 (26,5...50). пания SV Microwave/Amphenol [7–9]. В 2017 году эта компания сообщила о Прямая кабельная Потери на частоте, f, ГГц – 0,07 создании адаптера «bullet» с длиной кор- пуса всего 2,48 мм, обеспечивающего 2 3221-60017 розетка для кабеля соединение плат, отстоящих друг от дру- га на расстояние 3 мм (мин. 2,88 мм, макс. 0,047\" 3,0 мм), для устройств с высокой плотно- стью компоновки. Однако, в отличие от Угловая кабельная Рабочий диапазон частот: стандартных адаптеров «bullet» розетка- 3 3222-40059 розетка для кабеля 0...26,5 ГГц. розетка, разработанный компанией SV Microwave/Amphenol микроминиатюр- 0,085\" (RG-405) КСВН:1,1 (DC…26,5) ный «bullet» является адаптером вилка- вилка. Это обусловлено конструктивной Угловая кабельная и технологической сложностью созда- 4 3222-40060 розетка для кабеля ния цанговых контактов розетки при таких малых размерах адаптера. 0,047\" Конструкция адаптера вилка-вил- Вилка для ка показана на рис. 5а [8]. Применение этого адаптера для соединения печат- установки ных плат потребовало полностью изме- нить конструкцию и технологию сое- в отверстия динения. Были разработаны корпуса вилок (без изоляторов и цанговых цен- 5 3211-60298 печатной платы тральных проводников), имитирующие интерфейсы полного защёлкивания и для скользящего Рабочий диапазон частот: скользящего соединения, называемые соединения с 0...40 ГГц. Shroud: Shroud FD (Full Detend – пол- розеткой КСВН: ное защёлкивание) и Shroud SB (Smooth Bore – скользящее соединение). Корпуса 1,25 (DC…26,5);1,3 (26,5...40). Shroud изготовлены из пассивирован- ной нержавеющей стали и имеют резь- Концевая вилка Потери на частоте, f, ГГц – 0,07 бовые отверстия для крепления винтами на печатные платы (см. рис. 5б,в) [7–9]. 6 3211-40121 для скользящего соединения с Shroud для скользящего соединения устанавливают на одной печатной пла- розеткой те, а Shroud для полного защёлкивания – на противоположной. Процесс соедине- Адаптер SMPM ния плат иллюстрируют рис. 6а, 6б. Для работы с адаптером «bullet» компания SV 7 1132-6108 розетка – 2,92 мм Microwave/Amphenol разработала спе- циальный инструмент № 500-80-014 розетка. Рабочий диапазон частот: (см. рис. 6в). При соединении плат цен- тральный проводник адаптера «bullet» 0...40 ГГц. непосредственно контактирует с микро- полосковыми линиями печатных плат. КСВН: Скользящее соединение обеспечивает 1,25 (DC…26,5);1,3 (26,5...40). Потери на частоте, f, ГГц – 0,07 Адаптер SMPM 8 1132-6109 вилка – 2,92 мм розетка микроэлектроники ещё и потому, что они ют соединитель SMPM вилка, а соединение обеспечивают быстрое соединение печат- плат производят при помощи адаптера ных плат без применения радиочастотных «bullet» с двумя цанговыми центральны- кабелей с помощью адаптеров розетка- ми проводниками, закреплёнными во фто- розетка «bullet». Для этого на каждой из ропластовом изоляторе, установленном в соединяемых печатных плат устанавлива- корпусе адаптера (см. рис. 4) [1]. 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Таблица 3. Размеры адаптеров «bullet» зарубежных компаний Bullet Компании США Рис. 4. Соединение печатных плат с помощью SV Microwave/ Corning Micro Mode Cristek Delta адаптера «bullet» и двух соединителей SMPM Amphenol Gilbert L=4,1…16, 5 L=5,33…8,0 вилка L № 3290–4003 Размеры «bullet», мм лёгкое рассоединение плат без приме- А=2,74, L=8,3 нения специального инструмента. Поэ- ∅A № 3290–4002 L=5,3…16,4 L=4,5…22, 9 тому при рассоединении плат адаптер А=2,74, L=5,36 «bullet» остаётся на плате соединённым с Адаптер «bullet» № 1132–4021 Shroud FD (для полного защёлкивания). розетка-розетка А=2,41, L=4,57 № 1132–4010 Соединение плат, расстояние меж- А=2,31, L=4,22 ду которыми 3 мм, при помощи адап- тера «bullet» компании SV Microwave/ № 1180–4010 Amphenol имеет следующие электри- ческие параметры: – – –– ● рабочий диапазон частот DC…40 ГГц; ● КСВН в диапазоне частот DC…18 ГГц – Адаптер «bullet» А=2,86, L=2,48 вилка-вилка 1,10, в диапазоне частот 18...40 ГГц – 1,30; 3×∅2,86 2,48 ● величина вносимых потерь 0,30 дБ на частоте 18 ГГц и 0,60 дБ на часто- а бв те 40 ГГц. Предложенное соединение обеспечи- Рис. 5. Адаптер «bullet» № 1180-4010 компании SV Microwave/Amphenol (а), Shroud FD № 012-80- вает указанные электрические параметры 487/020 (б), Shroud SB № 012-80-488/020 (в) при осевом смещении Shroud и адапте- ра до 0,127 мм и радиальном смещении – а бв до 0,18 мм при минимальном межцентро- вом расстоянии между соседними соеди- Рис. 6. Скользящее соединение адаптера «bullet» с нижней печатной платой (а), полное нителями 3,81 мм. Допустимое количе- защёлкивание адаптера «bullet» с верхней печатной платой (б), инструмент для работы с ство соединений и рассоединений – 500. адаптером «bullet» (в) Рабочий диапазон температур от –65°C до +165°C. Такое соединение не требует операции пайки, и поэтому не повреж- дает платы и обеспечивает низкие уси- лия соединения и рассоединения плат. Соединение плат с минимальным расстоянием между ними (3 мм) иде- ально подходит для использования в приложениях с высокой плотностью размещения печатных плат. Заключение давляющие фильтры / под ред. д.т.н. 5. New Products | SV Microwave // URL: А.А. Борисова. СПб.: Изд-во ЗАО «Медиа https://www.svmicrowave.com. Представленная в данной статье Группа Файнстрит», 2014. 426 с. информация о соединителях компании 2. Microwave Gilbert® Push-on Interconnects – 6. Threaded SMPM Connectors and Adapters SV Microwave/Amphenol является приме- Corning // URL: https://www.corning.com. SV Microwave // URL: https://www. ром активной работы ведущих зарубеж- 3. Джуринский К.Б. Соединители SMP с повы- svmicrowave.com. ных компаний по совершенствованию шенной устойчивостью к вибрационным радиочастотных соединений. Основная и ударным нагрузкам // Электроника НТБ. 7. SV’s New 3mm Board-to-Board цель этой публикации – показать оте- 2021. № 8. С. 88–90, 92, 94, 96, 98–100. Interconnect // URL: https://www. чественным разработчикам одно из 4. Weirback A. High density coaxial svmicrowave.com. направлений работ в этой области. interconnect solution for space applications requiring high electrical stability. 8. Amphenol/SV Microwave 3mm Board-to- Литература Huber+Suhner Astrolab, Inc. // URL: https:// Board Interconnects // URL: https://www. escies.org. mouser.com. 1. Джуринский К.Б. Современные радио- частотные соединители и помехопо- 9. Board-to-Board Connectors Product Roundup // URL: https://connectorsupplier. com. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 25
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Мощные резистивные поглотители (фиксированные аттенюаторы и эквиваленты нагрузок) с воздушным охлаждением Игорь Белков, к. т. н. ([email protected]), а Юрий Еремеев ([email protected]), Илья Малышев, к. т. н. ([email protected]) В статье описаны мощные резистивные поглотители (фиксированные аттенюаторы и эквиваленты нагрузок) с воздушным охлаждением, разрабатываемые АО «НПО «ЭРКОН», которые находят широкое применение в телекоммуникационной, измерительной, навигационной и лабораторной аппаратуре. Мощные резистивные поглотители кации. Для обеспечения потребности б (фиксированные аттенюаторы и экви- отечественного рынка в данных изде- валенты нагрузок) с воздушным охлаж- лиях АО «НПО «ЭРКОН» [1] разрабаты- Рис. 1. Внешний вид поглотителей ПР1-24 и ПР1-25: дением находят широкое применение вает серию мощных аттенюаторов и а) эквивалент нагрузки ПР1-24-50 (50 Вт); в различных радиоэлектронных сред- эквивалентов нагрузок средней вход- б) фиксированный аттенюатор ПР1-25-500 (500 Вт) ствах (РЭС): от лабораторного исполь- ной мощностью от 30 Вт до 2000 Вт с зования при регулировке аппаратуры коаксиальными входами и широким до стационарных телекоммуникацион- диапазоном номинального ослабле- ных систем связи и передвижных бор- ния от 3 дБ до 60 дБ в рабочем диапа- товых систем в навигации и радиоло- зоне частот до 18 ГГц. аб вг де Рис. 2. Габаритные и установочные размеры поглотителей ПР1-24 и ПР1-25: а) эквивалент нагрузки ПР1-24-50 (50 Вт); б) фиксированный аттенюатор ПР1-25-50 (50 Вт); в) фиксированный аттенюатор ПР1-25-100 (100 Вт); г) фиксированный аттенюатор ПР1-25-150 (150 Вт); д), е) фиксированный аттенюатор ПР1-25-500 (500 Вт) 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ В базовую линейку разрабатывае- Таблица 1. Технические характеристики поглотителей ПР1-25 (фиксированных аттенюаторов) мой АО «НПО «ЭРКОН» продукции, в том числе под требования заказчика, Тип поглотителя ПР1-25-50 ПР1-25-100 ПР1-25-150 ПР1-25-500 входят аттенюаторы и эквиваленты нагрузок с входной средней мощно- Средняя входная 50 100 150 500 стью 50, 100, 150 и 500 Вт. Внешний вид, мощность, Рср.вх, Вт габаритные и установочные размеры 500 1000 3000 5000 изделий представлены на рис. 1 (а…б) и Импульсная входная (tимп = 5 мкс, D = 0,05 %) (tимп = 1 мкс, (tимп = 5 мкс, (tимп = 5 мкс, 2 (а...е), а основные технические мощность, Pимп., Вт характеристики – в табл. 1, табл. 2 и D = 5 %) D = 5 %) D = 5 %) на рис. 3 (а…г). Ослабление на 3; 6; 10; 20; 30; 40 1…50 3; 6; 10; 20; 30 10; 20; 30; 40 Поглотители АО «НПО «ЭРКОН» явля- постоянном токе Аном, ются конструктивно-функциональными дБ аналогами мощных фиксированных аттенюаторов и эквивалентов нагру- Допускаемое ±0,75 max (3; 6 дБ) ±0,3 ±0,5 (0…2 ГГц) ±0,75 (0…2,5) зок Weinschel Associates, Pasternack, Аpi отклонение ослабления ±1,0 max (10; 20 дБ) technologies [2…4] и других известных ΔА, дБ ±1,25 max (30 дБ) ±1 (2…6 ГГц) ±1,0 (2,5…5,0 ГГц) мировых брендов. Поглотители облада- ют рядом достоинств, таких как широко- ±1,5 max (40 дБ) полосность, высокая входная мощность (средняя и импульсная), малая неравно- Температурный 0,0004 0,0006 0,0006 0,0004 мерность ослабления в полосе частот, коэффициент возможность каскадирования, высокая ослабления, дБ/дБ/°С температурная стабильность, различ- ные варианты внешних присоединений, Коэффициент – 0,0005 0,0005 – для некоторых моделей – двунаправ- чувствительности ленность. Последнее свойство позволя- ослабления к входной ет подключать аттенюатор к источни- мощности, дБ/дБ/Вт ку сигнала любым входом и исключает Рабочий диапазон 0…18,0 0…1,0 0…6,0 0…5,0 частот, ГГц КСВН, не более 1,25 (0…6,0 ГГц) 1,2 1,35 1,2 (0…2,5) 1,35 (6,0…12,4 ГГц) 1,35 (2,5…5,0) 1,45 (12,4…18,0 ГГц) Сопротивление входа/ 50; 50; 50; 50; выхода, Ом; тип SMA N, III N, III N, III подключения От –60 до +125 °С От –60 до От –60 до +125 °С От –60 до +125 °С Рабочий диапазон Односторонняя +125 °С Односторонняя температур Двусторонняя Двусторонняя Направленность Реклама СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 27
ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Таблица 2. Технические характеристики поглотителей типа ПР1-24-50 (эквивалентов нагрузок) чениях ослабления (40…50 дБ и выше) использование согласованной нагруз- Средняя входная Импульсная Номинальное Рабочий Рабочий ки на выходе может не потребоваться диапазон диапазон (зависит от индивидуальных требова- мощность, входная мощность, сопротивление, Ом; частот, ГГц КСВН, не более температур ний согласования на входе). Pср.вх., Вт Pимп., Вт тип подключения 0…18,0 1,15 (0…6,0 ГГц) От –60 до Номенклатура поглотителей пред- 1,25 (6,0…12,4 ГГц) +125 °С ставлена широким рядом значений 500 1,35 (12,4…18,0 ГГц) номинального ослабления. При необ- ходимости каскадированием фикси- 50 (tимп = 5 мкс, 50; SMA рованных аттенюаторов возможно получить требуемые промежуточные D = 0,05 %) значения ослабления. Учесть макси- мальные отклонения параметров при аб внешних воздействиях позволяют тем- пературный коэффициент ослабления вг и коэффициент чувствительности осла- Рис. 3. Зависимость максимальной входной мощности от температуры окружающей среды для бления к входной мощности. поглотителей: а) для эквивалента нагрузки ПР1-24-50 и фиксированного аттенюатора ПР1-25-50; б) для фиксированного аттенюатора ПР1-25-100; в) для фиксированного аттенюатора ПР1-25-150; г) для Заключение фиксированного аттенюатора ПР1-25-500 Резистивные поглотители с коакси- альными входами (фиксированные аттенюаторы и эквиваленты нагру- зок) мощностью от 50 до 500 Вт про- изводства АО «НПО «ЭРКОН» позволяют полноценно заменить аналоги веду- щих мировых производителей в зада- чах измерений, настройки и эксплуата- ции высокочастотного оборудования. Характеристики поглотителей пред- ставлены на официальном сайте www.erkon-nn.ru. По вопросам разработ- ки и изготовления поглотителей, отли- чающихся от приведённых, обращать- ся по приведённым на сайте контактам. ошибку, при которой возможен выход опасных для измерительных приборов. Литература устройства из строя из-за перегрузки. Во втором случае используют эквива- ленты нагрузок. Но следует отметить, 1. Компания АО «НПО «ЭРКОН» // URL: Поглотители используют для норми- что для данной цели возможно исполь- https://www.erkon-nn.ru/ (дата обраще- рованного снижения мощности при зование и аттенюаторов с высоки- ния: 14.12.2021). измерениях параметров сигналов в ми значениями ослабления (более приёмо-передающих трактах РЭС и 20…30 дБ), так как основная мощность 2. Weinschel Associates Company // URL: при настройке передающей аппарату- рассеивается в устройстве, а на выходе https://www.weinschelassociates.com/ ры в качестве пассивной нагрузки вме- остаётся небольшая доля энергии, кото- (дата обращения: 14.12.2021). сто антенн. В первом случае использу- рую возможно рассеять в достаточно ют поглотители типа аттенюаторов маломощной нагрузке. Кроме того, при 3. API Technologies Company // URL: https:// фиксированного ослабления, норми- использовании аттенюатора в качестве www.apitech.com/ (дата обращения: рованно снижающие мощность высо- эквивалента нагрузки при высоких зна- 14.12.2021). кочастотного сигнала до уровней, без- 4. Pasternack Company // URL: https:// www.pasternack.com/ (дата обращения: 14.12.2021). НОВОСТИ МИРА ERICSSON РАССМАТРИВАЕТ сматривает два варианта: сотрудничество в котором с российской стороны участву- с GS Group на производственной площад- ет производитель вычислительной техники ВОЗМОЖНОСТЬ ВЫПУСКА ке в Калининграде и запуск собственного Yadro. СП построит в Дубне завод, который завода. будет выпускать базовые станции 4G и 5G. ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СЕТЕЙ 5G В РОССИИ Ранее локализацию производства в Рос- Местное производство базовых станций сии начал другой крупный производитель могли бы также развернуть китайские ком- Источник сообщил, что компания Ericsson телекоммуникационного оборудования, пании ZTE и Huawei, но конкретной инфор- изучает возможность локализации произ- финская компания Nokia. Она пошла по мации об их планах пока нет. водства базовых станций 5G в России. Как пути создания совместного предприятия, утверждается, шведский производитель те- ixbt.com лекоммуникационного оборудования рас- 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ НЧ-генератор синусоидальных сигналов с 12 фиксированными частотами Алексей Кузьминов ([email protected]) источником питания (ИП) и, в связи с этим, в достаточно габаритных корпусах. В статье описан генератор гармонических колебаний на В итоге стоимость подобных генера- 12 фиксированных частот в диапазоне 20 Гц…20 кГц с регулируемой торов довольно высока (от 5000 руб. и амплитудой до 1,5 В, что во многих случаях достаточно для проверки выше). и диагностики аудиоаппаратуры. Генератор сконструирован на базе ОУ OPA2134 и миниатюрной лампы накаливания СМН6-20-1. Отличительная В то же время подобный генератор особенность генератора – стабильность амплитуды и низкие искажения можно сконструировать и своими сила- синусоидального сигнала. Для питания генератора использован также ми. Такой генератор не обладает выше- описанный в статье миниатюрный двуполярный источник питания (ИП) указанной избыточностью, в связи с со стабилизированными напряжениями ±3,5 В. чем он миниатюрен, а его стоимость на порядок меньше заводского. Введение амплитуды стандартного входного аудио- сигнала), то для настройки, например, В [1] описан генератор синусоидаль- Для настройки аудиоустройств (пред- УМЗЧ требуется входной сигнал, макси- ных сигналов трёх фиксированных варительный усилитель, УМЗЧ и т.п.) мальное значение которого, как прави- частот (20 Гц, 1 кГц и 20 кГц), сконстру- требуется генератор синусоидального ло, не превышает 1,5 В. НЧ-генераторы, ированный на базе ОУ TL072. Однако, сигнала, работающий в звуковом диа- выпускаемые промышленностью, если как показала практика, этот генератор пазоне частот (20 Гц…20 кГц) с возмож- их применять для подобных целей, обла- не лишён некоторых недостатков. ностью плавного изменения амплиту- дают существенной избыточностью: ды от 0 до 1,5 В и имеющий достаточно во-первых, их диапазон частот намно- Во-первых, при настройке радио- низкие искажения. Если для настройки го шире звукового, во-вторых, амплиту- аппаратуры, работающей в звуковом устройств, работающих с входным аудио- да их выходного сигнала также намного диапазоне частот (предварительный сигналом (например, предваритель- превышает 1,5 В. Кроме того, эти гене- усилитель, УМЗЧ и т.п.), часто требует- ный усилитель), требуются амплитуды раторы выпускаются с уже встроенным ся проверить равномерность её АЧХ не более 0,3 В (максимальное значение во всем диапазоне, в связи с чем трёх частот явно недостаточно, или, дру- Плата генератора гими словами, может потребовать- ся настройка и на промежуточных X4 X4' (1) частотах (между 20 Гц и 1 кГц и между 1 RI 1 кГц и 20 кГц). В описываемом в ста- RI RI 1 2 RO (3) R7 тье генераторе количество фиксиро- 3 GND 22K ванных частот увеличено до 12, поэто- RO 2 (2) му настройка тестируемых устройств SIP3 может проводиться более адекватно. R3 3 X5' Во-вторых, выходной каскад гене- X3 68 1 OUT ратора, описанного в [1], можно суще- 2 GND ственно улучшить (см. далее). 1 C13 +Uп DA1.2 PSLM3 XК 2 4.7 6 X5 SIP2 В-третьих, как показала практика, 1 вых. контр. при использовании ОУ общего приме- R1 R4 7 OUT 1 2 (гн. 3.5 моно) XГ нения TL072 (как в [1]) генератор устой- PSLM2 750 100 JR-2314 1 чиво работает в очень узком диапазоне 2 8 DA1.1 52 напряжений питания (приблизительно 0.1% V+ 1 PSLM2 2 ±8…±9 В). И даже в этом диапазоне требу- ется достаточно тщательная регулиров- 3 V- OPA2134 X6 X6' XП 2 П1 вых. Uген. ка его режима работы, чтобы искажения 4 1 1 3 RS-104 были минимальны. Если же тестируе- +Uп 1 2 +U 2 мое устройство требует иные напряже- 2 3 GND 3 (гн. RCA) ния питания, отличные от ±8…±9 В, то -U для него необходим дополнительный R2 C15 R5 -Uп 3 ИП, что не всегда удобно. Применённый 750 L1 3K SIP3 1 в описываемом генераторе прецизион- 0.1% C14 1.0 PSLM3 ный ОУ OPA2134, имеющий сверхнизкие -Uп R6 X7 РС4ТВ(Р) 2 П2 искажения (Ultra Low Distortion), дости- 4.7 3K X7' LD1 LD2 гающие 0,00008% (правда, при некото- LD1 1 1 LD1 зел. жёл. 3 рых условиях), существенно улучшает П23 2 качество выходного сигнала генерато- СМН6-20-1 2 П23 ра. Кроме того, с этим ОУ генератор рабо- 3 3 GND 1 SIP3 П1,П2 - sMTS202 PSLM3 ГП1 - ПГ2-6-12П2НВК X1 X2 X1' ГП1 X2' RI C1 10.0 1 C1' 10.0 1 11 11 22 22 C2 4.7 2 C2' 4.7 2 C3 2.2 3 C3' 2.2 3 33 33 C4 1.0 4 C4' 1.0 4 44 44 C5 0.68 5 C5' 0.68 5 55 55 C6 0.47 6 C6' 0.47 6 66 66 77 77 C7 0.22 7 C7' 0.22 7 88 88 99 99 C8 0.1 8 C8' 0.1 8 10 10 10 10 11 11 11 11 C9 47н 9 C9' 47н 9 C10 22н10 C10' 22н10 C11 15н 11 C11' 15н 11 C12 10н12 C12' 10н12 12 12 12 12 3' 3' PSLM12 PSLM12 SIP12 SIP12 В ПЛ1 ПЛ2 Н 1 2 X3' SIP2 Рис. 1. Принципиальная схема генератора 30 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ тает в более широком диапазоне напря- C1′–C12′ своим одним концом подклю- DA1.2 жений питания (см. далее). чены к разъёму X2, аналогичному разъё- му X1, а вторые их концы объединены и 2 8 6 7 И наконец, в-четвёртых, регулиру- заземлены. К разъёмам X1 и X2 подклю- DA1.1 емый ИП, использующийся в [1] для чаются кабели, на одном конце которых V+ 1 5 питания генератора, обладает избы- расположены ответные цанговые гнёзда точностью (например, его мощность X1′ и X2′ (SIP12), а вторые их концы под- 3 V- 470 вых. контр. на порядок больше требуемой, и, кро- ключены к галетному переключателю ме того, регулировка выходного напря- ГП1. Выходные сигналы ГП1 (выводы 3′ 4 10K жения ИП не требуется – см. далее). платы 1 ГП1 и 3′ платы 2 ГП1) подключе- Для питания генератора можно также ны к кабелю, на втором конце которого Рис. 2. Схема выходного каскада генератора [1] использовать регулируемый ИП, опи- расположен двухконтактный разъём X3′ санный в [2], но и он также обладает (гнезда SIP2), подключаемый к разъёму X3 ся вход тестируемого устройства. Таким вышеуказанной избыточностью. А эта (штыри PSLM2) платы. В первом положе- образом, на вход тестируемого устрой- избыточность приводит к относитель- нии ГП1, как видно из схемы, между верх- ства подаётся предварительно настроен- но бо′ льшим габаритам (и весу) выше- ним по схеме выводом R1 и выходом ОУ ный по осциллографу сигнал генерато- указанных ИП, что не всегда удобно. DA1.1 (сигнал RI) оказывается подклю- ра после включения переключателя П1. чён конденсатор C1 (10 мкФ), а конден- Для индикации наличия питания и нали- Миниатюрный ИП, описанный в сатор C1′ (также 10 мкФ) оказывается под- чия сигнала на разъёме XГ служат два настоящей статье и применённый для ключён между точкой соединения R1 и светодиода: соответственно зелёный питания генератора, сконструирован на R2 и «землёй». В этом случае генерирует- и жёлтый (LD1 и LD2). Светодиод LD1 относительно новой элементной базе и, ся сигнал самой низкой частоты – около постоянно подключён к кабелю, на вто- несмотря на свою миниатюрность, по 20 Гц. В 12-м положении ГП1 к контак- ром конце которого расположен разъём мощности в 4 раза больше требуемой, там X3 подключаются конденсаторы C12 SIP3 (X7′), а светодиод LD2 подключает- т.е. имеет 4-кратный запас по мощно- и C12′ номиналом 10 нФ, и генерирует- ся к X7′ через вторую группу контактов сти. Кроме того, размах пульсации ста- ся самая высокая частота – около 20 кГц. (П2) переключателя SMTS202 (тумблер билизированных напряжений этого ИП на 2 положения с 2 группами контактов). (не более 1 мВ) несколько ниже разма- Для регулировки амплитуды выход- Разъём X7′ подключается к разъёму X7 ха пульсаций ИП, описанных в [1] и [2]. ного сигнала (от 0 до 1,5 В) служит пере- платы. Резисторы R5 и R6 – токоограни- менный резистор R7 (СП5-35Б), постро- чивающие для соответствующих свето- Таким образом, дальнейшее изложение енный по груботочной схеме: в нём диодов. Питание на плату (+Uп, –Uп и будет построено следующим образом. используются два соосных резистив- «земля») поступает с разъёма X6 (PSLM3). ных элемента, что позволяет достаточ- К этому разъёму подключается кабель, Вначале будут приведены принципи- но точно регулировать амплитуду. Этот на одном конце которого расположен альные схемы генератора и ИП, затем – резистор подключён к одному концу ответный разъём X6′ (SIP3), на втором разводка и внешний вид их плат. Далее кабеля, на втором конце которого рас- конце – разъём XП (РС4ТВ(Р) – розет- будут показаны их конструкции и положен разъём SIP3 (X4′). Этот разъ- ка), который подключается к ответному общий вид в сборе. В конце статьи при- ём подключается к разъёму PSLM3 (X4) разъёму ИП РС4ТВ(В) – вилка (см. далее). ведены результаты работы генератора. платы. Таким образом, резистор R7 явля- ется нагрузкой ОУ DA1.1, а его движок Все постоянные резисторы и конден- Принципиальные схемы (3-й вывод R7) подключён к неинвер- саторы (керамические) – для поверх- тирующему входу ОУ DA1.2, на котором ностного монтажа размером 0603. Схема генератора (рис. 1) представля- собран повторитель напряжения. Выход Резистор R3 – миниатюрный под- ет собой генератор Вина-Робинсона на DA1.2 (7-й вывод) обладает существен- строечный многооборотный рези- сдвоенном ОУ OPA2134 (DA1) с миниа- но большей нагрузочной способностью, стор марки 3266Y. ОУ DA1 – в корпусе тюрной лампой накаливания СМН6-20-1 чем выходной сигнал в схеме выходно- DIP8. Вместо галетного переключате- (L1), служащей для стабилизации ампли- го каскада генератора, описанного в [1] ля ПГ2-6-12П2НВК можно использовать туды его выходного сигнала. С помо- (470 Ом – рис. 2). Выходной сигнал гене- ПГ39-2В или импортный RCL371-2-2-12. щью резисторов R3 и R4 лампа вводится ратора (сигнал OUT) подключён к двух- Они тоже на 12 положений и 2 направ- в оптимальный режим работы, при кото- контактному разъёму PSLM2 (X5 платы). ления, несколько дешевле, но больше ром генератор имеет минимальные иска- К этому разъёму подключён ответный по размеру (особенно RCL371-2-2-12). жения синусоидального сигнала. Кон- разъём SIP2 (X5′) кабеля, ко 2-му кон- денсаторы C13–C15 – блокировочные; цу которого подключён разъём XK Потребление тока генератора при его они положены в штатном режиме рабо- (JR-2314 – гнездо моно 3,5) и параллель- питании напряжениями ±3,5 В состав- ты ОУ DA1. Резисторы R1 и R2 совмест- но через переключатель П1 – разъём ляет не более 25 мА при всех включён- но с конденсаторами C1–C12 и C1′–C12′ RS-104 (гнездо RCA). Разъём XK – кон- ных светодиодах. Это минимальное соответственно образуют RC-цепочки, трольный; к нему подключается осцил- напряжение питания, при котором определяющие часто′ ты работы гене- лограф для контроля выходного сигнала сигналы генератора синусоидальны ратора. Переключение частот осущест- генератора, поскольку на этом разъёме на всех без исключения частотах. Как вляется галетным переключателем ПГ2- сигнал генератора присутствует всегда. видно из схемы рис. 1, она достаточ- 6-12П2НВК (ГП1) на 12 положений и А вот на разъём XГ сигнал генератора но проста, поэтому легко разводится 2 направления. Конденсаторы C1–C12 подаётся только после включения пере- и достаточно миниатюрна (см. далее). своим одним концом подключены к разъ- ключателя П1. К разъёму XГ подключает- ёму X1 (цанговые штыри с шагом 2,54 мм – Для питания генератора использо- PSLM12), а вторые их концы объедине- ван миниатюрный стабилизирован- ны и подключены к выходу ОУ DA1.1 ный ИП (рис. 3) с выходными напря- (1-й вывод) – сигнал RI. Конденсаторы жениями ±3,5 В и максимальным током СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 31
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ П1 T1 T1 - 2х4,5В/0,1А Плата ИП +/-3,5В 33×25 мм. Трансформатор подключается к сети ~220 В слаботочным двухжильным X1' X1 VD3 + C1 Vin+ Vin- DA1 -3,5 сетевым кабелем ШВПТ-М сечением каж- 4700,0/10В C3 C4 дой жилы по 0,20 мм2, рассчитанным на ~220 В 11 VD1 1,0 NC In- 5 4 10,0 напряжение до 300 В, с помощью тумбле- ра SMTS-102-2A2 (П1) с одной группой ~4,5В ~4,5В GND +3,5 контактов на 2 положения, рассчитан- SMTS-102 22 Adj Out- R1 C6 ного на напряжение 250 В и ток до 1,5 А. 6,8К 2,2 33 R2 Выходные стабилизированные на- пряжения (± 3,5 В) подаются на разъ- VD2 VD4 + C2 1 5K ём X2 (PSLM3) платы. К этому разъё- SIP3 PSLM3 4700,0/10В 2 му одним концом с ответным разъё- 3 R3 мом SIP3 (X2′) подключается кабель, 7,5К ко второму концу которого подключён X2\" X2' X2 Vin- MIC5270BM5 разъём РС4ТВ(В) – вилка (X2′′). К это- VD1-VD4 - PMEG2010 DA2 R4 му разъёму подключается кабель пита- 1 +3,5 1 1 5K ния генератора. 2 GND 2 2 -3,5 Для индикации наличия выходных 3 -3,5 3 3 +3,5 Vin+ 1 VinVout 5 напряжений –3,5 В и +3,5 В использо- C5 ваны светодиоды соответственно сине- РС4ТВ(В) SIP3 PSLM3 1,0 2 GND 4 го (LED1) и жёлтого (LED2) цвета све- 3 En Adj чения, которые подключены к кабелю, ко второму концу которого подключён LED1 X3' X3 R5 -3,5 MIC5235BM5 разъём SIP3 (X3′). Этот разъём вставля- Син. 1 1 ется в ответный разъём PSLM3 (X3 пла- 2 2 1,5К ты). Резисторы R5 и R6 – токоограни- LED2 3 3 R6 чивающие для светодиодов. Жел. SIP3 PSLM3 1,5К +3,5 Постоянные резисторы и конденса- торы C3–C6 (керамические) типораз- Рис. 3. Принципиальная схема ИП ±3,5 В мера 0603 для поверхностного монта- жа. Резисторы R2, R4 – миниатюрные аб подстроечные для поверхностного мон- тажа 3223W размером 3×4 мм и высо- вг той 4 мм. Микросхемы MIC5270BM5 (DA1) и MIC5235BM5 (DA2) в корпусе Рис. 4. Разводка и внешний вид платы генератора со стороны компонентов для поверхностного (а, в) SOT23-5. Это микросхемы производ- и навесного (б, г) монтажа ства компании MICREL, которая неко- торое время назад вошла в состав ком- 100 мА, что в 4 раза превосходит потре- и с максимальным (по абсолютному зна- пании MICROCHIP. Здесь необходимо бление тока генератором (25 мА – см. чению) входным напряжением 16 В и заметить, что если помимо регулируе- выше). Мостовой выпрямитель со сред- 24 В соответственно. Настройка выход- мого LDO стабилизатора положитель- ней точкой выполнен на миниатюрных ных напряжений –3,5 и +3,5 В осущест- ного напряжения MIC5235BM5 можно диодах Шоттки PMEG2010 (VD1–VD4) вляется подстроечными резисторами найти аналогичные или похожие дру- в корпусе SOD323F (SC-90) размером R2 и R4 соответственно, входящими в гих (кроме MICREL) производителей, 1,8×1,3 мм с максимальным током 1 А, состав делителей напряжения R1R2 и то регулируемого LDO стабилизатора максимальным обратным напряжени- R3R4. Конденсаторы C3–C6 положе- отрицательного напряжения (кроме ем 20 В и падением напряжения 0,3 В ны по штату работы соответствующих MIC5270BM5) с входным напряжением при токе 100 мА (и 0,25 В при токе 25 мА). стабилизаторов. Входное переменное до 14 В и выходным током до 100 мА в Конденсаторы C1 и C2 – сглаживающие напряжение (2 × ~4,5 В) подаётся на пла- корпусе SOT23-5 других компаний авто- электролитические. Для получения ста- ту с разъёма X1 (PSLM3). К этому разъёму ру найти не удалось. билизированных напряжений –3,5 и одним концом (разъёмом X1′ – SIP3) под- +3,5 В использованы миниатюрные регу- ключён кабель, второй конец которого Здесь необходимо добавить, что лируемые стабилизаторы с низким паде- подключён к двум вторичным обмоткам генератор работоспособен не толь- нием напряжения (Low Drop Out – LDO) (2 × ~4,5 В под нагрузкой) миниатюрного ко при напряжениях питания ±3,5 В. MIC5270BM5 (DA1) и MIC5235BM5 (DA2) тороидального трансформатора с макси- Это минимальные напряжения с неко- с максимальным током 100 мА и 150 мА мальным током 100 мА размером (D/H) торым запасом (при напряжениях ±3,2…±3,3 В начинают уже проявлять- ся искажения синусоиды – в основном обрезаются её минимумы, а верхушки остаются). Автор проверял работоспо- собность генератора с помощью ИП, описанного в [2], при напряжениях питания от ±3,5 до ±16 В. В этом диа- 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ диапазоне напряжений питания гене- аб ратор идеально работает и никаких искажений обнаружено не было. Это вг позволяет использовать этот ИП, если тестируемое устройство имеет напря- Рис. 5. Разводка и внешний вид платы ИП со стороны компонентов для поверхностного (а, в) и жения питания, отличные от ±3,5 В. навесного (б, г) монтажа В этом случае генератор подключается к дублирующему напряжения разъёму части платы снизу от подстроечного РС4ТВ(В), а тестируемое устройство – резистора голубого цвета). Как можно к клеммам ИП (см. [2]). убедиться, лампа не занимает много места на плате (размер колбы лампы (d/h) все- Настройка генератора го 3×6 мм). Тем не менее это настоящая лампа накаливания: у неё есть вольфрамо- Настройка генератора в основном вая спираль и даже специальный крючок, сводится к подбору лампы накалива- поддерживающий спираль, чтобы она не ния. Наилучшие результаты как по ста- провисала при нагреве. Кроме того, как и бильности генерации, так и по качеству у обычной лампы накаливания, из её кол- сигнала для всех частот показала мини- бы откачан воздух. атюрная лампа СМН6-20-1 (с номиналь- ным напряжением 6 В и током 20 мА). Конструкция и внешний вид Рис. 6. Генератор в открытом корпусе Здесь необходимо особо отметить, что устройств эти лампы имеют очень большой раз- лентой или 2–3 полосками обычной брос по сопротивлению в холодном Генератор собран в пластиковом кор- изоленты. 12-проводные кабели также состоянии: приблизительно от 28 до пусе размером 95×48×38 мм (G1068B) – необходимо закрепить в 2–3 местах изо- 45 Ом. Оптимальные результаты (как рис. 6. Плата генератора прикручена к лентой. Если этого не сделать и оставить по стабильности амплитуды, так и по днищу корпуса двумя винтами М2 впо- всё так, как показано на рис. 6, то на неко- «идеальности» синусоиды) получены тай и гайками через пластиковые стой- торых частотах могут появиться иска- при сопротивлениях ламп в диапазоне ки высотой 3 мм. Кабель питания распо- жения (в основном это может быть низ- от 30 до 35 Ом. Измерять сопротивле- ложен на днище корпуса; он пропущен кочастотная амплитудная модуляция). ние ламп в холодном состоянии нужно через резиновую втулку, прижимаемую к В связи с простотой процедуры фотогра- только цифровым тестером из-за малого днищу крышкой корпуса, в которой сде- фия со скрученными кабелями не приво- тока, который он пропускает через рези- лано специальное углубление. Светоди- дится. Таким образом, выполнение выше- стор для измерения его сопротивления. оды в специальных оправках, галетный указанной процедуры является строго Стрелочный тестер для таких измере- переключатель частот, тумблер, подклю- обязательным. В этом случае все сигна- ний не годится. Например, если попы- чающий сигнал к разъёму RCA и зажига- лы генератора частотой, соответствую- таться измерить сопротивление лампы ющий жёлтый светодиод, и переменный щей положению галетного переключа- стрелочным тестером ТЛ-4 на диапазо- резистор, регулирующий амплитуду, теля частот (ГП1, рис. 1), и амплитудой, не 1 Ом, то через лампу потечёт такой расположены на верхней части крыш- соответствующей положению регулято- ток, что она загорится (это можно очень ки корпуса, а разъёмы (RCA и 3,5 моно) – легко увидеть), и её сопротивление, есте- на торце крышки. Обе половины корпу- ственно, возрастёт до 100 Ом и более. са скручены саморезами, входящими в комплект поставки корпуса. В схеме рис. 1 измеренное сопротив- ление лампы L1 в холодном состоянии Здесь необходимо добавить, что все составило 32,6 Ом. Поскольку сейчас 2- и 3-проводные кабели необходимо стоимость лампы СМН6-20-1 не пре- скрутить и закрепить от раскручива- вышает 2–3 руб/шт, имеет смысл при- ния, например, обмотав их тонкой фум- обрести с десяток таких ламп и выбрать из них одну с необходимым сопротив- лением (автор в своё время приобрёл 50 таких ламп ещё по стоимости 1 руб/шт). Помимо выбора лампы, возможна некоторая подстройка генератора вра- щением резистора R3. Разводка и внешний вид плат Разводка плат генератора и ИП сде- лана автором с помощью программы SprintLayOut 6.0. Файл разводки в фор- мате *.lay6 приведён в дополнитель- ных материалах к статье на сайте журнала. Рисунки разводки плат и их фотографии приведены на рис. 4 и 5. На рис. 4г можно увидеть лампу СМН6-20-1 (она расположена в левой СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 33
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 7. ИП в открытом корпусе тор прикручен к стойке винтом М3 через Осциллограммы приведены в обла- специальную чашку. Между трансформа- сти низких (рис. 9), средних (рис. 10) и тором и чашкой установлена резиновая высоких (рис. 11) частот. Разрешение по прокладка чуть больше размера чашки, горизонтали у всех осциллограмм раз- а между трансформатором и днищем ное, поскольку на них показаны сиг- корпуса также установлена резино- налы 7 различных частот. Это разре- вая прокладка по размеру трансфор- шение указано в нижней правой части матора. Эти две прокладки вырезаны осциллограмм надписью светло-серо- из резинового бинта толщиной 0,5 мм. го цвета «Time …». Например, разреше- Сетевой кабель пропущен через резино- ние по горизонтали на рис. 9а составляет вую втулку, которая прижимается крыш- 10 мс/деление (надпись «Time 10.00ms»). кой с углублением к днищу корпуса. Пла- Также в правой нижней части осцил- та ИП укреплена вертикально. Разъём с лограмм указана частота в Гц или кГц выходными напряжениями и тумблер, – надпись жёлтого цвета «Freq(1) = …». включающий питание, расположены на Например, частота на рис. 9а составля- торце крышки, а светодиоды в специаль- ет 25,38 Гц (надпись «Freq(1) = 25.38Hz»). ных оправках – на верхней части крыш- Действующее значение напряжения сиг- ки. Обе половины корпуса скручиваются нала (VRMS) показано в левой нижней саморезами, которые поставляются вме- части осциллограмм надписью жёлто- сте с корпусом. го цвета «VRMS(1) = …». Например, действу- ющее значение напряжения на рис. 9а После подключения кабеля питания равно 705 мВ («VRMS(1) = 705mV»). На всех генератора к ИП и включения тумбле- осциллограммах автором установлена ра на ИП генератор включается в рабо- такая развёртка, чтобы на экране уме- ту (рис. 8). стилось как минимум 2 периода сигнала. Для определения переключателя Для определения синусоидально- определённым частотам, на бумаге был сти сигнала используют отношение распечатан «лимб», который был выре- действующего значения напряжения зан и приклеен на верхнюю поверх- (VRMS) к среднему за полупериод (VСР), ность корпуса генератора (вокруг называемое коэффициентом формы клювика переключателя). В допол- KФ. Для чистой синусоиды KФ = 1,11. нительных материалах к статье этот Иногда синусоидальность оценивают лимб приведён в масштабе 1:1 в фор- отношением амплитудного значения мате *.pdf. (VAMP) к действующему (VRMS). Коэффи- циент КА = VAMP/VRMS называют коэффи- Рис. 8. Общий вид подключённого к ИП Результаты работы генератора циентом амплитуды. Для чистой сину- генератора в сборе соиды VAMP больше VRMS в 2 раз, т.е. KА = На рис. 9–11 приведены осцилло- = 2 (≈ 1,414). ра амплитуды (R7, рис. 1), воспроизводят- граммы сигналов генератора (жёлтого ся идеально без каких-либо искажений. цвета) и их спектры, подсчитанные по В таблице приведены значения БПФ (fast Fourier transform – FFT), сире- VAMP и VRMS, взятые из осциллограмм ИП собран в пластиковом корпу- невого цвета. На всех осциллограммах рис. 9–11. Там же подсчитаны коэф- се размером 64×44×32 мм (G1031B) – амплитуда сигналов установлена рав- фициент амплитуды KА и его относи- рис. 7. Трансформатор укреплён на ной 1 В, т.е. размах от пика до пика, рав- тельная погрешность в % по сравнению днище корпуса. Для этого использова- ный двойной амплитуде, составляет 2 В с числом 2 . Как видно из табл. 1, мак- на металлическая стойка с внутренней (надпись внизу в середине жёлтого цве- симальная погрешность, или, другими резьбой М3, которая прикручена к днищу та «Vpp(1) = 2.00V»). Разрешение по вер- словами, «несинусоидальность» сигна- корпуса винтом М3 впотай. Трансформа- тикали для всех осциллограмм состав- лов генератора не превышает 1 %. ляет 500 мВ/деление (надпись «500mV» в левом нижнем углу жёлтого цвета). Здесь необходимо добавить, что сами значения VAMP и VRMS подсчитаны (осцил- аб лографом) также с некоторой ошибкой. Рис. 9. Осциллограммы сигналов генератора амплитудой 1 В в НЧ-области частотой: а – 25 Гц, б – 50 Гц Эта ошибка определяется дискретно- стью (ступенчатостью) воспроизведе- ния сигнала цифровым осциллографом, что легко увидеть на любой осцил- лограмме (рис. 9–11). Однако если посмотреть на осциллограмму сигна- ла генератора на обычном аналоговом осциллографе, то там синусоида абсо- лютно гладкая. Кроме того, если посмотреть на спектры сигналов (сиреневого цвета, рис. 9–11), то можно обнаружить сле- 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ аб в Рис. 10. Осциллограммы сигналов генератора амплитудой 1 В в СЧ-области частотой: а – 500 Гц, б – 1 кГц, в – 2,2 кГц аб дующее. Во-первых, в спектрах име- ется единственный пик на основной Рис. 11. Осциллограммы сигналов генератора амплитудой 1 В в ВЧ-области частотой: а – 18 кГц, частоте. Никаких других пиков в спек- б – 22 кГц трах больше нет, а пик достаточно узок. Во-вторых, в спектрах отсутству- Таблица. Относительные ошибки коэффициента амплитуды DK [%] ют какие-либо боковые лепестки (как, А например, у спектра прямоугольного меандра). Всё это показывает, что сигнал Частота VAMP[мВ] VRMS[мВ] KA = VAMP/VRMS DKА = 100 × |KA – |/ достаточно близок к синусоидальному. 1000 705 1,418 0,31 25 Гц 1000 709 1,410 0,25 Заключение 50 Гц 1000 707 1,414 0,03 500 Гц 1000 706 1,416 0,17 Описанный генератор, на взгляд автора, 1 кГц 1000 704 1,420 0,46 лёгок, компактен, достаточно удобен для 2,2 кГц 1000 707 1,414 0,03 настройки аудиоустройств и несложен в 19 кГц 1000 704 1,420 0,46 изготовлении своими силами. Автор реко- 22 кГц мендует его для использования. Литература 1. Кузьминов А. Ю. Электронные устройства. Современные аппаратные и программ- ные средства. М.: Перо, 2021. 2. Кузьминов А. Применение мощного ОУ LM1875T в новых (не аудио) приложе- ниях // Современная электроника. 2021. № 7. С. 40–44. НОВОСТИ МИРА ЕВРОПЕ НЕ ПОД СИЛУ ДОСТИЧЬ Речь идёт о сумме примерно в 150 млрд регнать их (да хотя бы даже поравняться) долл. США – примерно столько, по свежим чрезвычайно сложной. МИКРОПРОЦЕССОРНОГО оценкам европейских экспертов, необхо- СУВЕРЕНИТЕТА димо, чтобы от нынешнего уровня разви- Если в 1990-х страны, составляющие ныне тия полупроводниковой индустрии в ЕС пе- Евросоюз, выпускали около 40% всех потре- Когда в начале 2021 г. Еврокомиссии был рейти к полному самообеспечению всеми блявшихся в них полупроводников, то сегодня официально представлен план развития ев- необходимыми союзу чипами. Более то- эта доля не превышает 10%. И наиболее реа- ропейской полупроводниковой индустрии – го, даже если желающие вложить такие листичная цель плана 2030 Digital Compass, не 2030 Digital Compass, авторы соответствую- деньги в развитие европейских чипмей- подразумевающая столь заоблачных по раз- щего доклада смотрели в будущее довольно керов и найдутся, не факт, что построен- мерам инвестиций, – к 2030-му увеличить эту оптимистично. Теперь же, под конец года, ные в итоге фабрики сумеют выпускать долю хотя бы вдвое. Напомним, что в ЕС нет один из этих авторов, ныне комиссар по во- конкурентоспособную продукцию. Миро- предприятий, которые выпускали бы смарт- просам состязательности Маргрет Вестагер вые лидеры индустрии полупроводников фоны или ПК. Но Евросоюз не надеется до- (Margrethe Vestager), настроена значитель- – Intel, Samsung, TSMC – не только имеют стичь микропроцессорного суверенитета да- но менее позитивно. В интервью корреспон- уже значительную фору, но и в совокуп- же в области СБИС для оснащения автомо- денту CNBS комиссар заявила: «Сумма, о ности инвестируют в дальнейшее разви- билей, умных станков, бытовой электроники которой я слышала, объём прямых инве- тие своих технологий около 30 млрд долл. и прочих товаров, традиционно не относив- стиций, который обеспечил бы полный су- ежегодно, что делает задачу догнать и пе- шихся к разряду ИТ. веренитет в этом плане, – она делает зада- чу нереальной». itbestsellers.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 35
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Работа с последовательным интерфейсом SPI в программной среде Proteus 8.11. Часть 2 Татьяна Колесникова ([email protected]) код управления передачей данных. Необходимо отметить, что програм- В статье рассматривается проектирование схем микроэлектронных ма инициализации пишется как для устройств с использованием интерфейса SPI в Proteus на примере ведущего, так и для обоих ведомых его реализации в микроконтроллерах AVR (семейства Mega) и STM32 микроконтроллеров. (семейства Cortex-M3). Описаны особенности написания программного кода для инициализации интерфейса и работы с ним, а также Задачей мастера будет послать моделирования схем, в которых проводится передача данных через SPI управляющий сигнал (кодовую ком- между двумя и тремя устройствами, сконфигурированными как master и бинацию) сначала первому ведомому slave. Выполнено отображение принятых ведомым устройством данных устройству, а затем второму. Переклю- на экране виртуального терминала. С помощью осциллографа проведён чение между ведомыми устройствами контроль входных/выходных сигналов, присутствующих на выводах выполняется путём установки веду- устройств схемы. щим микроконтроллером логической единицы на линии NSS (РА4) ведомых Передача данных через вим в рабочее поле три таких микро- микроконтроллеров. При этом при интерфейс SPI между тремя схемы, два светодиода, два резистора передаче данных по интерфейсу SPI1 микроконтроллерами Cortex-M3 (100 Ом), два символа «земли». При между тремя микроконтроллерами в этом микросхема DD1 будет выпол- нашем примере этот сигнал выдаёт- Рассмотрим процесс передачи нять роль ведущего микроконтролле- ся на линии PА0, PА1 порта PА ведуще- ра, а микросхемы DD2 и DD3 – роль го микроконтроллера. Задача каждого данных через интерфейс SPI меж- ведомых. Соединим компоненты, как ведомого устройства – принять кодо- показано на рис. 14, и напишем на язы- вую комбинацию, после чего запустить ду несколькими микроконтроллера- ке программирования С программный цикл, в котором выполняется последо- вательное включение и выключение ми Cortex-M3 на примере микросхем светодиода. STM32F103C4, для чего создадим в Для удобства соединения в рабочей области проекта отразим по горизон- Proteus новый схемный проект и доба- тали микросхему DD1. В окне настро- ек Edit Component для каждого микро- контроллера в поле Crystal Frequency установим частоту работы 2 МГц. Кноп- кой Hidden Pins для каждого микрокон- троллера откроем окно Edit Hidden Power Pins, где выполним согласова- ние скрытых выводов питания и цепей питания. Напишем на языке программирова- ния С следующий код программы ини- циализации для ведущего микрокон- троллера DD1: #include <stm32f1xx.h> // подклю- чение заголовочного файла void delay (int dly) // подпро- грамма формирования задержки { int i; for(; dly>0; dly--) for ( i=0; i<10000; i++); } Рис. 14. Моделирование передачи данных между тремя микроконтроллерами STM32F103C4 через int main() // начало программы интерфейс SPI в программной среде Proteus { RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ SPI1EN; // включаем тактирование SPI1 36 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ // подсоединение линий порта РА // отсылаем кодовую комбинацию SPI1->CR1 = (1<<6) | (0<<2); // к шине APB2 для второго ведомого микроконтрол- включаем SPI, режим работы Slave лера (ведомый) RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ IOPAEN; SPI1->DR = 0b11111110; delay(10); while (1) // бесконечный цикл } { while(!(SPI1->SR & SPI_SR_ // настройка линий РА5 (SCK), PA6 RXNE)) { } // ждём данные в буфере (MISO), PA7 (MOSI), РА0-РА4 Для ведомого микроконтроллера DD2 приёмника SPI был написан следующий код програм- if (SPI1->DR !=0b11111110) // // порта РА ведущего микрокон- мы инициализации: если кодовая комбинация не получена троллера GPIOB->ODR= (0<<0) ; // посылаем #include <stm32f1xx.h> // подклю- на линию РВ0 порта PB лог.0 // биты CNF5, CNF7 = 10 (цифро- чение заголовочного файла else if (SPI1->DR==0b11111110) вой выход c альтернативной функ- // если кодовая комбинация полу- цией), void delay (int dly) // подпро- чена грамма формирования задержки { while (1) // бесконечный цикл // биты MODE5, MODE7 = 11 (вывод {GPIOB->ODR=(1<<0); // включить данных с частотой переключения 50 { int i; светодиод D1 МГц), for(; dly>0; dly--) delay(10); // задержка for ( i=0; i<10000; i++); } GPIOB->ODR=(0<<0); // погасить // биты CNF6 = 10 (вход с подтя- светодиод D1 гивающим резистором), int main() { // начало программы delay(10); }}}} RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ // биты MODE6 = 00 (приём данных), SPI1EN; // включаем тактирование Код программы инициализации для // биты CNF0-CNF4 = 00 (цифро- SPI1 ведомого микроконтроллера DD3: вой выход), // подсоединение линий порта РА // биты MODE0-MODE4 = 11 (вывод к шине APB2 #include <stm32f1xx.h> // подклю- данных с частотой переключения RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ чение заголовочного файла 50 МГц) IOPAEN; GPIOA->CRL =0xb8b33333; // подсоединение линий порта РB void delay (int dly) // подпро- к шине APB2 грамма формирования задержки // конфигурация SPI1 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ SPI1->CR1 = (0<<11) // формат IOPBEN; { int i; кадра данных 8 бит for(; dly>0; dly--) | (0<<7) // направление передачи // настройка линий PA4 (NSS), РА5 for ( i=0; i<10000; i++); } младшим разрядом вперёд (SCK), PA6 (MISO), PA7 (MOSI), РА0- | (1<<9) // включаем программное РА3 int main() { // начало программы управление сигналом NSS RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ | (1<<8) // NSS в высоком состо- // порта РА первого ведомого SPI1EN; // включаем тактирование янии микроконтроллера SPI1 | (1<<5)|(0<<4)|(0<<3) // ско- // подсоединение линий порта РА рость передачи данных: F_PCLK/32 // биты CNF4, CNF5, CNF7 = 10 к шине APB2 | (1<<2) // режим работы Master (вход с подтягивающим резистором), RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ (ведущий) IOPAEN; | (0<<1)|(0<<0) // полярность (0) // биты MODE4, MODE5, MODE7 = 11 // подсоединение линий порта РB и фаза тактового сигнала (0) (приём данных), к шине APB2 | (1<<6); // включаем SPI RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ // биты CNF6 = 10 (цифровой выход IOPBEN; // выбираем для передачи данных c альтернативной функцией), // настройка линий РА0-РА7 пор- по SPI та РА второго ведомого микрокон- // биты MODE6 = 00 (вывод данных троллера // первый ведомый микроконтрол- с частотой переключения 50 МГц), GPIOA->CRL =0x8b883333; лер (лог. 1 на линии РА0) // настройка линий РВ0-РВ7 пор- // биты CNF0-CNF3 = 00 (цифро- та РВ второго ведомого микрокон- GPIOA->ODR=(1<<0)|(0<<1); вой выход), троллера while(!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE)) { GPIOB->CRL =0x33333333; } // после установки в 1 флага TXE // биты MODE0-MODE3 = 11 (вывод регистра SPI1_SR данных с частотой переключения 50 // конфигурация SPI1 // отсылаем кодовую комбинацию МГц) SPI1->CR1 = (1<<6) | (0<<2); // для первого ведомого микроконтрол- включаем SPI, режим работы Slave лера GPIOA->CRL =0x8b883333; (ведомый) SPI1->DR = 0b11111110; delay(10); // настройка линий РВ0-РВ7 пор- // выбираем для передачи данных та РВ первого ведомого микрокон- while (1) // бесконечный цикл по SPI троллера // второй ведомый микроконтрол- // биты CNF0-CNF7 = 00 (цифро- лер (лог.1. на линии РА1) вой выход), GPIOA->ODR=(0<<0)|(1<<1); // биты MODE0-MODE7 = 11 (вывод while(!(SPI1->SR & SPI_SR_TXE)) { данных с частотой переключения } // после установки в 1 флага TXE 50 МГц) регистра SPI1_SR GPIOB->CRL =0x33333333; // конфигурация SPI1 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 37
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ аб в Рис. 16. Осциллограмма работы светодиодов D1 и D2, подключённых к ведомым микроконтроллерам STM32F103C4 Рис. 15. Передача данных между тремя устройствами через интерфейс SPI. Вкладка Source Code, код программы инициализации: ведущего микроконтроллера (а), первого ведомого микроконтроллера (б), второго ведомого микроконтроллера (в) {while(!(SPI1->SR & SPI_SR_RXNE)) граммным путём были даны указания микросхемы DD2 логический ноль, что { } // ждём данные в буфере при- ведущему микроконтроллеру через активизирует интерфейс SPI1 микро- ёмника SPI интерфейс SPI1 отправить каждому схемы DD3 и делает неактивным интер- ведомому микроконтроллеру кодовую фейс SPI1 микросхемы DD2. if (SPI1->DR !=0b11111110) // комбинацию. Это действие выполня- если кодовая комбинация не получена ется последовательно. Сначала веду- Если ведомое устройство выбра- щий микроконтроллер через линию но ведущим, то программа ведомого GPIOB->ODR= (0<<0) ; // посылаем PА0 своего порта PА подаёт на линию микроконтроллера выводит на линию на линию РВ0 порта PB лог.0 NSS (РА4) микросхемы DD2 логиче- РВ0 порта PВ логический ноль, в резуль- скую единицу, а через линию PА1 тате чего подключённый к порту све- else if (SPI1->DR==0b11111110) // на линию NSS (РА4) микросхемы тодиод будет погашен. Как только по если кодовая комбинация получена DD3 логический ноль, что оповеща- интерфейсу SPI1 получена кодовая ком- ет первое ведомое устройство о том, бинация от ведущего микроконтролле- {while (1) // бесконечный цикл что именно оно выбрано для обме- ра, запускается подпрограмма, дающая {GPIOB->ODR=(1<<0); // включить на данными с ведущим по интер- указания ведомому микроконтроллеру светодиод D2 фейсу SPI, активизирует интерфейс запустить цикл, в котором последова- delay(10); // задержка SPI1 микросхемы DD2 и делает неак- тельно выводятся на линию порта PВ0 GPIOB->ODR=(0<<0); // погасить тивным интерфейс SPI1 микросхе- значения логической 1 и 0. Эти значе- светодиод D2 мы DD3. ния удерживаются при помощи коман- delay(10); }}}} ды задержки. После задержки ведущий микрокон- Код программы инициализации вво- троллер через линию PА1 своего порта После запуска моделирования при дится на вкладке Source Code схемного PА подаёт на линию NSS (РА4) микро- помощи двух светодиодов, подклю- редактора на отдельной закладке для схемы DD3 логическую единицу, а чённых к линиям PВ0 порта PВ ведо- каждого микроконтроллера (см. рис. 15). через линию PА0 на линию NSS (РА4) мых микроконтроллеров DD2 и DD3, мы можем проверить правильность Проанализируем работу демонстра- ционной схемы, представленной на рис. 14. На вкладке Source Code про- 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ работы программы – светодиоды под- свечиваются и гаснут поочерёдно, что наглядно демонстрирует осцил- лограмма, представленная на рис. 16. В момент времени, когда на выводе PВ0 микроконтроллера DD2 едини- ца, на выводе PВ0 микроконтроллера DD3 – ноль. Работа с SPI Рис. 17. Демонстрационная схема с использованием двух микроконтроллеров ATmega16 в микроконтроллерах Mega и светодиодов в Proteus Рис. 18. Настройка параметров микроконтроллера ATmega16 при передаче данных между двумя Передача данных через устройствами через интерфейс SPI интерфейс SPI между двумя ● поле Boot Loader Size – (00) 1024 регистра SPCR, пятый бит (DORD) зада- words. Starts at 0x1C00; ёт порядок передачи данных, а четвёр- микроконтроллерами AVR тый бит (MSTR) этого регистра опреде- Рассмотрим процесс передачи дан- ● поле SUT Fuses – (01); ляет режим работы интерфейса. ● поле Advanced Properties – Clock ных между двумя микроконтролле- Перед выполнением передачи дан- рами AVR на примере микросхемы Frequency (Default). ных необходимо, прежде всего, разре- ATmega16, для чего создадим в редак- Окно настроек можно открыть при шить работу модуля SPI. Для этого сле- торе Schematic Capture новый про- помощи двойного щелчка левой кноп- дует установить в единицу шестой бит ект и добавим в его рабочее поле две кой мыши по выбранному на схеме регистра SPCR. Режим работы опре- микросхемы ATmega16, два светоди- микроконтроллеру. деляется состоянием четвёртого бита ода, два резистора (100 Ом), два сим- В модуле SPI имеется три регистра этого регистра: если бит установлен в 1, вола «земли» и соединим компонен- ввода/вывода: микроконтроллер работает в режиме ты, как показано на рис. 17. Напишем ● SPDR – регистр данных, содержит по- Master, если сброшен в 0 – в режиме на языке программирования С про- сылаемый или принятый байт данных; Slave. Программно (на языке програм- граммный код управления передачей ● SPCR – регистр управления, опреде- мирования С) эти действия можно реа- данных. Необходимо отметить, что ляет функционирование модуля SPI; лизовать следующим образом: программа инициализации пишет- ● SPSR – регистр состояния, отобража- ся как для ведущего, так и для ведо- ет состояние модуля SPI. SPCR=0b01010000; // установка мого микроконтроллера. Определим Включение/выключение SPI выпол- микроконтроллер DD1 как ведущий, а няется установкой шестого бита (SPE) битов регистра SPCR ведущего микро- микроконтроллер DD2 как ведомый. При этом задачей ведущего контрол- контроллера лера будет послать управляющий сиг- нал (кодовую комбинацию), задачей ведомого – принять его и последова- тельно включить и выключить оба светодиода. Для удобства соединения можно отразить в рабочей области микросхему DD1, для чего выделим её при помощи левой кнопки мыши, при помощи правой кнопки мыши вызовем контекстное меню и выбе- рем в нём пункт X-Mirror. В резуль- тате микросхема будет отражена по горизонтали в рабочем поле проекта. В таком положении выводы PB4/SS, PB5/MOSI, PB6/MISO, PB7/SCK обеих микросхем соединить намного про- ще, при этом соединительные линии на схеме будут короче. В окне настроек Edit Component для каждого микроконтроллера установим следующие параметры (см. рис. 18): ● поле CKOPT (Oscillator Options) – (1) Unprogrammed; ● поле BOOTRST (Select Reset Vector) – (1) Unprogrammed; ● поле CKSEL Fuses – (0010) Int.RC 2MHz; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 39
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 19. Процесс моделирования проекта передачи данных между двумя микроконтроллерами PORTD=0b00000000; // посылаем на ATmega16 через интерфейс SPI в программной среде Proteus все линии порта PD - 0 SPCR=0b01000000; // установка #include <avr/interrupt.h> #include <avr/sleep.h> else if (SPDR==0b11111110) // битов регистра SPCR ведомого микро- #include <util/delay.h> int main() если кодовая комбинация получена контроллера { Передача данных осуществляет- PORTB=0b00000000; // инициализа- {PORTD=0b00000001; // включить ция порта PB микросхемы DD1 ся следующим образом. При записи в DDRB=0b10110000; // указываем светодиод D1 регистр данных SPI ведущего микро- направление передачи информации по контроллера запускается генератор линиям порта _delay_ms(1000); // задержка в тактового сигнала модуля SPI. Дан- // линии SS, MOSI, SCK установ- ные начинают побитно выдаваться на лены как выходы 1 секунду вывод MOSI устройства Master и, соот- SPCR=0b01010011; // инициализа- ветственно, поступать на вывод MOSI ция SPI PORTD=0b10000000; // погасить устройства Slave. Порядок передачи SPSR=0b00000000; битов данных определяется состоя- SPDR=0b11111110; // отсылаем светодиод D1 и включить светоди- нием пятого бита регистра SPCR. Если кодовую комбинацию для ведомого бит установлен в 1, первым передаётся микроконтроллера од D2 младший бит байта, если же сброшен return 0; в 0 – старший бит. } _delay_ms(1000); } // задержка в Частота тактового сигнала SCK и Для ведомого микроконтроллера был 1 секунду соответственно скорость передачи написан следующий код программы данных по интерфейсу определя- инициализации: }} ются состоянием первого и нулево- го битов (SPR1:SPR0) регистра SPCR #include <inttypes.h> После того как в рабочей области и нулевого бита (SPI2X) регистра SPSR #include <avr/io.h> проекта собрана схема, а на вкладке ведущего микроконтроллера, так как #include <avr/interrupt.h> Source Code для каждого микрокон- именно он является источником так- #include <avr/sleep.h> троллера (ведомого и ведущего) вве- тового сигнала. Для ведомого микро- #include <util/delay.h> дён код программы, кнопкой Run the контроллера состояние этих битов не int main() simulation можно запускать модели- имеет значения. Программно частоту { рование (см. рис. 19). В результате, в тактового сигнала ведущего микро- PORTB=0b00000000; // инициализа- том случае, если компилятор не обна- контроллера можно задать следую- ция порта PB микросхемы DD2 ружит ошибок в программе, на диске щим образом: DDRB=0b00000000; // линии порта компьютера в рабочей папке проек- PB работают как входы та будут созданы файлы *.elf , *.hex и SPCR=0b01010011; PORTD=0b00000000; // инициализа- *.c. Для компиляции кода программы, ция порта PD написанного на языке программиро- SPSR=0b00000000; DDRD=0b11111111; // линии порта вания С, в Proteus применяется компи- Здесь мы установили первый и нуле- PD работают как выходы лятор WinAVR. вой бит регистра SPCR в единицу и SPCR=0b01000011; // инициализа- нулевой бит регистра SPSR в ноль, что ция SPI Проанализируем работу демонстра- приведёт к установке следующей часто- while (1) // бесконечный цикл ционной схемы, представленной на ты сигнала SCK: fCLK/128, где fCLK – { рис. 19. На вкладке Source Code про- тактовая частота микроконтроллера. if (SPDR!=0b11111110) // если граммным образом были даны ука- Напишем на языке программирова- кодовая комбинация не получена зания ведущему микроконтролле- ния С следующий код программы ини- ру через интерфейс SPI отправить циализации для ведущего микрокон- ведомому микроконтроллеру кодо- троллера: вую комбинацию. Программа ведо- мого микроконтроллера выводит на #include <inttypes.h> линии порта PD все нули, в результате чего два подключённых к порту све- #include <avr/io.h> тодиода будут погашены. Как только по интерфейсу SPI получена кодовая комбинация от ведущего микрокон- троллера, запускается подпрограм- ма, которая даёт команду ведомому микроконтроллеру вывести на линии PD0 и PD7 значения логической 1 и 0 соответственно, которые удержи- ваются на этих линиях при помощи команды задержки. Затем на линии PD0 и PD7 выводятся значения логи- ческого 0 и 1 соответственно, после чего (после задержки) выполнение этого фрагмента программы повто- ряется. После запуска моделирова- ния при помощи двух светодиодов, подключённых к линиям PD0 и PD7, мы можем проверить правильность работы программы – светодиоды под- свечиваются и гаснут поочерёдно (см. рис. 19). 40 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 20. Процесс моделирования проекта передачи данных между тремя Рис. 21. Настройка параметров микроконтроллера ATmega16 при микроконтроллерами ATmega16 через интерфейс SPI в программной передаче данных между тремя устройствами через интерфейс SPI среде Proteus Передача данных через горизонтали микросхему DD1. SPSR=0b00000000; интерфейс SPI между тремя В окне настроек Edit Component PORTB=0b00000010; // выбираем для микроконтроллерами AVR для каждого микроконтроллера передачи данных по SPI первый ведо- установим следующие параметры мый МК Рассмотрим процесс передачи (см. рис. 21): SPDR=0b11111110; // отсыла- данных через интерфейс SPI между ● поле CKOPT (Oscillator Options) – (1) ем кодовую комбинацию для первого несколькими микроконтроллерами ведомого МК ATmega16, для чего создадим новый Unprogrammed; _delay_ms(1000); // задержка схемный проект и добавим в рабочее ● поле BOOTRST (Select Reset Vector) – PORTB=0b00000001; // выбираем для поле три таких микросхемы, два све- передачи данных по SPI второй ведо- тодиода, два резистора (100 Ом), два (1) Unprogrammed; мый МК символа «земли». При этом микросхе- ● поле CKSEL Fuses – (0001) Int.RC SPDR=0b11111110; // отсыла- ма DD1 будет выполнять роль ведуще- ем кодовую комбинацию для второго го микроконтроллера, а микросхе- 1MHz; ведомого МК мы DD2 и DD3 – ведомых. Соединим ● поле Boot Loader Size – (00) 1024 _delay_ms(1000); компоненты, как показано на рис. 20, return 0; и напишем на языке программирова- words. Starts at 0x1C00; } ния С программный код управления ● поле SUT Fuses – (00); передачей данных. Программа ини- ● поле Advanced Properties – Clock Для ведомого микроконтроллера DD2 циализации пишется как для ведуще- был написан следующий код програм- го, так и для обоих ведомых микро- Frequency (Default). мы инициализации: контроллеров. Окно настроек открывают двой- ным щелчком левой кнопки мыши по #include <inttypes.h> Задача ведущего контроллера – выбранному на схеме микроконтрол- #include <avr/io.h> послать управляющий сигнал (кодо- леру. #include <avr/interrupt.h> вую комбинацию) сначала первому Напишем на языке программирова- #include <avr/sleep.h> ведомому, а затем – второму. Переклю- ния С следующий код программы ини- #include <util/delay.h> чение между ведомыми выполняется циализации для ведущего микрокон- int main() путём установки ведущим микрокон- троллера: { троллером логического нуля на линии PORTB=0b00000000; // инициализа- SS ведомых микроконтроллеров. При #include <inttypes.h> ция порта PB микросхемы DD2 передаче данных по интерфейсу SPI #include <avr/io.h> DDRB=0b00000000; // линии порта между тремя микроконтроллерами в #include <avr/interrupt.h> PB работают как входы нашем примере этот сигнал выдаётся #include <avr/sleep.h> PORTD=0b00000000; // инициализа- на линии PB0, PB1 порта PB ведуще- #include <util/delay.h> ция порта PD микросхемы DD2 го микроконтроллера. Задача каждо- int main() DDRD=0b11111111; // линии порта го ведомого – принять кодовую ком- { PD работают как выходы бинацию, после чего запустить цикл, в PORTB=0b00000000; // инициализа- SPCR=0b01000011; // инициализа- котором выполняется последователь- ция порта PB микросхемы DD1 ция SPI ное включение и выключение свето- DDRB=0b10100011; // указываем while (1) // бесконечный цикл диода. направление передачи информации по { линиям порта Для удобства соединения в рабо- // линии MOSI, SCK, PB0, PB1 уста- чей области проекта отразим по новлены как выходы SPCR=0b01010011; // инициализа- ция SPI СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 41
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Рис. 22. Осциллограмма работы светодиодов D1 и D2, подключённых к ведомым данными с ведущим устройством по микроконтроллерам ATmega16 интерфейсу SPI, активизирует интер- фейс SPI микросхемы DD2 и делает if (SPDR!=0b11111110) // если else if (SPDR==0b11111110) // неактивным интерфейс SPI микро- кодовая комбинация не получена схемы DD3. если кодовая комбинация получена PORTD=0b00000000; // посылаем на После задержки ведущий микрокон- все линии порта PD - 0 {PORTD=0b00000001; // включить троллер через линию PB1 своего пор- та PB подаёт на линию SS микросхемы else if (SPDR==0b11111110) // светодиод D2 DD3 логический ноль, а через линию если кодовая комбинация получена PB0 на линию SS микросхемы DD2 – _delay_ms(1000); // задержка логическую единицу, что активизирует {PORTD=0b00000001; // включить интерфейс SPI микросхемы DD3 и дела- светодиод D1 PORTD=0b10000000; // погасить ет неактивным интерфейс SPI микро- схемы DD2. _delay_ms(1000); // задержка светодиод D2 PORTD=0b10000000; // погасить Если ведомое устройство выбра- светодиод D1 _delay_ms(1000); } // задержка но ведущим, то программа ведомо- _delay_ms(1000); } // задержка го микроконтроллера выводит на }} }} линии порта PD все нули, в резуль- тате чего подключённый к пор- Код программы инициализации для Код программы инициализации вво- ту светодиод будет погашен. Как ведомого микроконтроллера DD3: дится на вкладке Source Code схемного только по интерфейсу SPI получе- редактора на отдельной закладке для на кодовая комбинация от ведуще- #include <inttypes.h> каждого микроконтроллера. После го микроконтроллера, запускает- #include <avr/io.h> того как в рабочей области проекта ся подпрограмма, дающая указания #include <avr/interrupt.h> собрана схема, а на вкладке Source ведомому микроконтроллеру запу- #include <avr/sleep.h> Code введён код программы, можно стить цикл, в котором последова- #include <util/delay.h> запускать моделирование. В резуль- тельно выводятся на линию порта int main() тате, если компилятор не обнаружит PD0 значения логической 1 и 0. Эти { ошибки в программе, на диске ком- значения удерживаются при помо- PORTB=0b00000000; // инициализа- пьютера в рабочей папке проекта щи команды задержки. ция порта PB микросхемы DD3 будут созданы для каждого микрокон- DDRB=0b00000000; // линии порта троллера файлы *.elf , *.hex и *.c. После запуска моделирования при PB работают как входы помощи двух светодиодов, подклю- PORTD=0b00000000; // инициализа- Проанализируем работу демон- чённых к линиям PD0 порта PD ведо- ция порта PD микросхемы DD3 страционной схемы, представлен- мых микроконтроллеров DD2 и DD3, DDRD=0b11111111; // линии порта ной на рис. 20. На вкладке Source мы можем проверить правильность PD работают как выходы Code программно были даны ука- работы программы – светодиоды под- SPCR=0b01000011; // инициализа- зания ведущему микроконтролле- свечиваются и гаснут поочерёдно, ция SPI ру через интерфейс SPI отправить что наглядно демонстрирует осцил- while (1) // бесконечный цикл каждому ведомому микроконтрол- лограмма, представленная на рис. 22. { леру кодовую комбинацию. Это дей- В момент времени, когда на выводе if (SPDR!=0b11111110) // если ствие выполняется последовательно. PD0 микроконтроллера DD2 едини- кодовая комбинация не получена Сначала ведущий микроконтрол- ца, на выводе PD0 микроконтролле- PORTD=0b00000000; // посылаем на лер через линию PB0 своего порта ра DD3 – ноль. все линии порта PD - 0 PB подаёт на линию SS микросхемы DD2 логический ноль, а через линию Литература PB1 на линию SS микросхемы DD3 логическую единицу, что оповеща- 1. STM32F103х4, STM32F103х6 MCU ет первое ведомое устройство о том, что именно оно выбрано для обмена Datasheet. STMicroelectronics. 2009. 2. Proteus VSM Help. Labcenter Electronics. 2020. 3. STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx advanced ARM-based 32-bit MCUs. Reference manual. STMicroelectronics. 2010. 4. Колесникова Т. Работа с универсальным синхронно/асинхронным приёмо-пере- датчиком USART в программной среде Proteus 8.11 // Современная электрони- ка. 2021. № 8. С. 34. 5. 8-bit AVR Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash. ATmega16, ATmega16L. Atmel Corporation. 2010. 42 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Монтаж компонентов и связанные с ним технологии. Подсистема ГРИФ-4 – Монтаж. Часть 2 Юрий Ёлшин ([email protected]) Каждая папка содержит файлы раз- личных представлений компонентов, В статье приводится описание подсистемы формирования исходной используемых в текущем проекте. Для информации для реализации этапа подготовки данных для монтажа примера рассмотрим папку, первую на компонентов на печатной плате и собственно этапа монтажа рис. 2 – 4229.132-3-F. В ней содержат- компонентов на основе этих данных. Программное обеспечение этих ся 3 файла. этапов реализовано в рамках ГРИФ-4 – «Информационно-программного комплекса расширения функционала САПР P-CAD 200X». Первый в списке файл 4229.132-3.pcb содержит чертежи корпуса микросхе- Модуль FormHeap01.exe предназна- Эти виды содержат данные о контуре мы в разных проекциях: в верхней чен для формирования каталога фай- платы и размещении всех перечислен- части чертежа – вид сбоку, в нижней лов с чертежами установки (монтажа) ных на рис. 2 компонентов на этих сло- части – вид сверху на компонент (ниж- компонентов, применённых в данном ях с их позиционными обозначениями. няя часть совмещена с видом посадоч- проекте. Начальный диалог этой про- Сразу отметим, что общее число компо- ного места компонента). Распечатка граммы приведён на риc. 1. нентов различного типа (с точки зре- этого файла показана на рис. 4. Фор- ния конструкции посадочных типов) Данный модуль формирует папку с име- в данном примере 32, но фактически, Таблица 1 нем, например, ВУИА.468172.045СБ_л.01, с точки зрения доработки их для мон- которая содержит папки и отдельные тажа, всего 10. Остальные 22 монтиру- НР ПРОЧИЕ ИЗДЕЛИЯ файлы, необходимые для выполнения ются элементарной их установкой по НЭ МИКРОСХЕМА монтажных работ. Результат работы виду на сборочном чертеже платы. При ПН 5600ВВ3Т программы FormHeap01 приведён ниже работе модуля их можно показать раз- ТУ АЕНВ.431290.084ТУ (cм. рис. 2). дельно. На рис. 3 продемонстрированы КЛ 1 файлы, необходимые монтажнику для ПР 3 Как следует из рисунка 2, в спроек- установки компонентов, представлен- ТТ 4229.132-3.pcb тированной печатной плате исполь- ные в различных форматах. ПЧ зовано 32 разных типа компонентов, ВЫС 3.8 перечисленных в алфавитном поряд- АБД Глухов А.Н. ке, начиная с папки компонента с име- нем 4229.132-3-F и заканчивая пап- Таблица 2 кой с компонентом с именем TRS-LS5. Далее содержатся два файла с деци- НР1 ДЕТАЛИ мальными номерами сборочного чер- НЭ1 Радиатор тежа ячейки – лист 03 и лист 04, кото- ДН1 ВУИА.752694.025-01 рые содержат чертежи расположения ФТ1 А3 компонентов на слоях TOP и BOTTOM КЛ1 1 соответственно. ПР1 1 Рис. 1. Начальный диалог программы Рис. 2. Результат работы программы НР2 СТАНДАРТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ FormHeap01 FormHeap01 НЭ2 Винт ПР2 2 Рис. 3. Файлы, необходимые монтажнику для установки компонентов, представленные ТУ2 ГОСТ 17473-80 в различных форматах ПН2 M3-6gх10.36.016 КЛ2 1 НР3 СТАНДАРТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ НЭ3 Шайба ПР3 2 ТУ3 ГОСТ 10450-78 ПН3 С 3.04.016 КЛ3 1 НР4 СТАНДАРТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ НЭ4 Шайба ПР4 4 ТУ4 ГОСТ 6402-70 ПН4 3 65Г 016 КЛ4 1 НР5 СТАНДАРТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ НЭ5 Гайка шестигранная нормальная ПР5 2 ТУ5 ГОСТ ISO-4032 ПН5 M3-6-А2А КЛ5 1 НР6 Детали НЭ6 Прокладка (для микросхем 1335ЕН5П и 1335ЕР1П) ДН6 ВУИА.741124.985 ФТ6 А4 КЛ6 1 ПР6 1 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ мат файла соответствует формату дан- Рис. 4. Чертёж формовки выводов и установки Рис. 5. Трёхмерное представление компонента ных о плате в САПР P-CAD 2006. компонента на плате в пиксельном формате Второй в списке файл Заключение Рис. 6. 3D-чертёж печатной платы после 4229.132-3.nga содержит тексто- монтажа компонентов на печатной плате вую информацию о компонен- Как и следовало ожидать, разработан- какой-либо информации об аналогич- те 4229.132-3, распечатка которого ная новая методика выполнения техно- ной разработке в рамках отечествен- приведена ниже (см. табл. 1). Здесь логических этапов проектирования и ных и зарубежных САПР печатных метка НР обозначает наименова- изготовления печатных плат, а именно плат. Возможно, это просто невезение! ние раздела в спецификации ячей- этапов монтажа компонентов на печат- Хотелось бы услышать о подобных раз- ки. Метка НЭ – наименование типа ной плате, вызывает активный протест работках и примерах их успешной экс- элемента в БД ГРИФ-4. Метка ПН – предполагаемых участников его реали- плуатации. полное наименование компонента зации новым способом в значитель- в БД. Метка ТУ – наименование тех- ной мере из-за нарушения привычного Литература: нических условий компонента. КЛ – метода работы, установленного уста- количество, ПР – примечание, ТТ – код ревшими ГОСТ. В этом случае автор 1. Ёлшин Ю.М. Гриф-4. Информационно- посадочного места компонента, ВЫС – полностью согласен с требованиями программный комплекс расширения высота компонента относительно ГОСТ Р МЭК 61191-1-2017, пункт 4.5 функционала САПР P-CAD 200x: моно- поверхности платы после её монта- «Требования к управлению технологи- графия. М.: ПАО «НПО «Алмаз», 2017. жа, АБД – фамилия сотрудника адми- ческим процессом». Разумеется, практи- 496 с.: ил. нистрации БД, который осуществил ка покажет, кто прав. Главное состоит ввод данного компонента в БД. в том, что, по мнению автора, предла- 2. Андреев Г.И., Созинов П.А., Тихомиров В.А. гаемый состав документов и сама тех- Управленческие решения при проек- Фактически здесь содержится нология работы позволяют повысить тировании радиотехнических систем: паспорт ячейки. При наличии в соста- производительность труда конструк- монография / под. ред. П.А. Созинова. М.: ве компонента дополнительных кре- тора ячейки и монтажника и практи- Радиотехника, 2018. 560 с. (научная серия пёжных или иных деталей этот спи- чески не допускать ошибок при монта- «Принятие решений в управлении»). сок содержит продолжение с прочими же компонентов. Особый эффект будет данными о деталях. Как видно из это- получен при наличии на его рабочем Список рекомендуемых го файла, данный компонент не имеет месте компьютера, который позволит стандартов для монтажа дополнительных деталей. получать все необходимые вспомога- компонентов на печатной плате: тельные данные из файлов, поступаю- Однако в целях иллюстрации ниже щих из отделов, прямо на его рабочем 1. ГОСТ Р 53386-2009 «Платы печатные. Тер- приведён пример распечатки фай- месте. При отсутствии компьютера воз- мины и определения». ла дополнительной неграфической можно получение всех необходимых атрибутики для микросхемы 1335ЕН5П распечаток на специально установлен- 2. ГОСТ IEC 61188-5-8-2013 «Печатные пла- (см. табл. 2). ном компьютере общего пользования ты и печатные узлы. Проектирование и в монтажно-сборочном цехе. применение. Часть 5–8. Общие требова- Третий в списке файл 4229.132-3. jpg содержит информацию о трёх- Данный программный комплекс мерной модели компонента, а имен- пока не прошёл опытной эксплуата- но – картинку в пиксельном формате ции. Однако представляется, что сама 3DМ-компонента (см. рис. 5). Этот файл идея будет доведена до рабочего состо- выполняет вспомогательную функцию, яния, а попытки её реализации окажут- чисто иллюстративную. ся полезными. Автор не обнаружил Все перечисленные файлы могут быть распечатаны на любом принтере. При подготовке всех проектных файлов программа FormHeap01.exe дополни- тельно формирует файл FormHeap01. err, который содержит протокол кон- троля корректности подготовленного документа. Этот файл заводу-изготови- телю не передаётся. Однако этот прото- кол необходим конструктору, который формирует документы для монтажа. Его содержимое позволяет устранить про- белы в строках, что говорит об отсут- ствии отдельных необходимых ком- понентов в базе данных подсистемы ГРИФ-4, и повторно запустить програм- му FormHeap01.exe. На рисунке ниже в качестве приме- ра представлен 3D-чертёж печатной платы после монтажа компонентов на печатной плате (см. рис. 6). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022 WWW.SOEL.RU 45
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ния. Анализ соединений (посадочные 5. ГОСТ IEC 61188-5-5-2013 «Печатные пла- места для монтажа компонентов). Дис- места для монтажа компонентов). Ком- ты и печатные узлы. Проектирование и кретные компоненты». поненты с матрицей контактов (BGA, применение. Часть 5-5. Общие требова- 8. ГОСТ Р МЭК 61191-2-2017 «Печатные FBGA, CGA, LGA)». ния. Анализ соединений (посадочные узлы. Часть 2. Поверхностный монтаж. 3. ГОСТ IEC 61188-5-6-2013 «Печатные пла- места для монтажа компонентов). Ком- Технические требования». ты и печатные узлы. Проектирование и поненты с выводами в виде \"крыла чай- 9. ГОСТ Р МЭК 61188-7-2017 «Печатные пла- применение. Часть 5-6. Общие требова- ки\" с четырёх сторон». ты и печатные узлы. Часть 7. Нулевая ори- ния. Анализ соединений (посадочные ентация электронных компонентов для места для монтажа компонентов). Ком- 6. ГОСТ IEC 61188-5-3-2013 «Печатные пла- создания библиотек САПР». поненты с J-образными выводами с четы- ты и печатные узлы. Проектирование и 10. ГОСТ Р МЭК 611-1-2017 «Часть 1. Поверх- рёх сторон». применение. Часть 5-3. Общие требова- ностный монтаж и связанные с ним техно- 4. ГОСТ IEC 61188-5-4-2013 «Печатные пла- ния. Анализ соединений (посадочные логии. Общие технические требования». ты и печатные узлы. Проектирование и места для монтажа компонентов). Ком- 11. ГОСТ Р МЭК 61191-3-2019 «Часть 3. Мон- применение. Часть 5-4. Общие требова- поненты с выводами в виде \"крыла чай- таж в сквозные отверстия. Технические ния. Анализ соединений (посадочные ки» с двух сторон». требования». места для монтажа компонентов). Ком- 12. ГОСТ Р МЭК 61191-4-2019 «Часть 4. Мон- поненты с J-образными выводами с двух 7. ГОСТ IEC 61188-5-2-2013 «Печатные пла- таж компонентов. Технические требова- сторон». ты и печатные узлы. Проектирование и ния». применение. Часть 5-2. Общие требова- ния. Анализ соединений (посадочные НОВОСТИ МИРА YADRO ПОСТРОИТ КРУПНЕЙШИЙ тах» – отметил министр цифрового разви- ля российских производителей на рынке. В РОССИИ ЗАВОД ПОЛНОГО тия, связи и массовых коммуникаций РФ Только по многослойным крупным печат- Максут Шадаев. ным платам производственные мощности в ЦИКЛА ПО ПРОИЗВОДСТВУ России фактически утроятся – за счёт одно- РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Завод будет производить отечественные го этого предприятия. Мы считаем, что Мо- персональные устройства, сообщил он. «Но- сковская область и Дубна – это лучшее и Группа российских технологических ком- вая амбиция, новая цель – начать выпускать самое комфортное место для инженеров, паний Yadro приступает к основной фазе персональные устройства, компьютеры, план- для IT-специалистов, это и другие передо- строительства в Дубне крупнейшего в Рос- шеты. Завод призван к тому, чтобы начать вые предприятия здесь оказались неслу- сии завода полного цикла по производству производить персональную электронику, ко- чайно», – сказал заместитель председате- радиоэлектронной продукции, передаёт кор- торая будет соответствовать всем междуна- ля правительства Московской области Вя- респондент ТАСС с церемонии старта ос- родным стандартам», – рассказал Шадаев. чеслав Духин. новного этапа строительства завода. В пресс-службе Yadro отметили, что тех- О компании Yadro Предприятие сможет выпускать до нологические возможности нового завода Yadro – группа российских технологиче- 1 млн единиц техники в год, производствен- позволят обеспечить крупносерийное про- ских компаний, объединяющая направления ные мощности будут также доступны дру- изводство полного цикла как текущего, так разработки и производства вычислитель- гим отечественным производителям. Про- и перспективного продуктового портфеля ных платформ, систем обработки и хране- ект нацелен на создание производствен- группы компаний Yadro: серверы, системы ния данных, телекоммуникационного и се- ных возможностей нового класса в стране. хранения данных, сетевое и телекоммуни- тевого оборудования, персональных и «ум- кационное оборудование, продукты класса ных» устройств, микропроцессорных ядер Предприятие Yadro Fab Dubna будет рас- клиентских систем. и fabless-производство микропроцессоров. полагаться на территории особой экономи- R&D-центры расположены в Москве, Санкт- ческой зоны (ОЭЗ) «Дубна» в 110 км от Мо- «Когда предприятие Yadro Fab Dubna бу- Петербурге, Екатеринбурге, Нижнем Новго- сквы. Общая площадь завода составит око- дет запущено, а это случится через год, кар- роде. Компания входит в многопрофильную ло 40 тыс. кв. м, он будет включать цеха по тина с производством российского железа ИТ-группу «ИКС Холдинг». производству многослойных печатных плат поменяется. Серверы, системы хранения с потенциальной производительностью до данных, производство печатных плат – tass.ru 10 миллионов квадратных дециметров мно- цифры поменяются радикально, как и до- гослойных печатных плат любой сложно- сти в год, линии поверхностного монтажа и автоматизированные конвейерные линии сборки и тестирования готовой продукции, а также современный складской комплекс площадью более 3500 кв. м. «Есть национальная цель – увеличить в четыре раза расходы на российские реше- ния к 2030 году, и есть такие амбициозные проекты, как Yadro, пожалуй, один из самых ярких и успешных примеров отечественной разработки. Новый завод будет содейство- вать реализации проектов цифровой транс- формации страны на отечественных продук- 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ Работа с последовательным интерфейсом I2C в программной среде Proteus 8.11 Татьяна Колесникова ([email protected]) В статье рассматривается проектирование схем микроэлектронных го времени действия сигнала SCL (SCL = 1) устройств с использованием интерфейса I2C в Proteus на примере состояние линии SDA должно оставать- его реализации в устройстве измерения температуры, собранном на ся неизменным. Изменение данных на основе микроконтроллера AVR (семейства АТ90) и датчиков LM75AD. линии SDA происходит при отсутствии Описаны особенности написания программного кода на языке С тактового сигнала на линии SCL (SCL = 0). для инициализации интерфейса и работы с ним. Приведён пример Исключение составляют стартовый и моделирования схемы, в которой проводится передача данных через стоповый биты, определяющие нача- I2C между датчиками температуры, сконфигурированными как ведомые ло и конец обмена. Стартовый бит фор- устройства, и ведущим микроконтроллером АТ90S8515, компиляция мируется путём изменения уровня сиг- программы инициализации которого выполнена в CodeVisionAVR. нала на линии SDA с 1 на 0 при SCL = 1, Выполнено отображение принятых ведущим устройством данных на стоповый бит – при изменении сигна- экране буквенно-цифрового дисплея LM016L. С помощью осциллографа ла SDA с 0 на 1 также при SCL = 1. проведён контроль сигналов, присутствующих на линиях SDA и SCL интерфейса I2C. Протокол обмена по шине предпо- лагает передачу двух типов кадров: с Введение выводы всех устройств находятся в тре- адресом и данными. Кадр 7-разрядно- тьем (высокоимпедансном) состоянии. го адреса содержит: Двухпроводный последовательный ● S – стартовый бит; интерфейс I2C (Integrated Circuit) обе- Устройство, подключённое к шине, ● А – 7-разрядный адрес ведомого спечивает взаимодействие микрокон- может иметь статус ведущего (master) троллера с множеством микросхем или ведомого (slave). Статус микрокон- устройства, передаваемый ведущим, (энергонезависимой памятью, кон- троллера устанавливается программно. начиная со старшего разряда; троллерами параллельных портов, ● R/W – управляющий бит, опреде- LCD-дисплеями, микроконтроллера- Протоколом работы шины предус- ляющий тип транзакции на шине ми и различными специализированны- мотрены: (R/W = 0 – запись, R/W = 1 – чтение); ми устройствами). Данный интерфейс ● посылка ведущим устройством стар- ● АСК – бит подтверждения. позволяет объединить до 128 устройств Адрес, передаваемый ведущим устрой- по схеме, приведённой на рис. 1. тового бита начала обмена; ством после захвата шины, поступает ко ● передача последовательности из семи всем устройствам, подключённым к ней. Интерфейс представляет собой две Каждое из устройств сравнивает посту- линии: одна (SDA) используется для разрядов адреса ведомого устройства; пающий адрес с собственным. При рас- передачи данных, другая (SCL) – для ● транзакция чтения или записи 8-би- познавании ведомым устройством свое- тактовых сигналов. Через резисторы го адреса оно возвращает на линию SDA R1, R2 обе линии подключены к источ- товых данных; сигнал подтверждения АСК низкого нику питания VCC. Выходы устройств ● получение ведущим устройством би- уровня во время 9-го тактового сигна- выполнены по схеме с открытым кол- ла SCL. Если по каким-либо причинам лектором (стоком), что позволяет реа- тов подтверждения передачи адреса ведомое устройство не способно обслу- лизовать функцию «монтажное И» для и данных; жить запрос ведущего, оно удерживает выходных сигналов. Низкий уровень ● формирование бита подтверждения на линии SDA сигнал высокого уровня. сигнала (логический 0) на выходе любо- после приёма данных; Нулевой адрес используется для обще- го из устройств устанавливает низкий ● посылка ведущим устройством сто- го вызова всех устройств. Управляющий уровень на всей линии. Высокий уро- пового бита. бит в этом случае устанавливается в 0, вень на линии устанавливается, когда Шина I2C является последователь- чтобы обеспечить передачу одного и ной: все данные и адреса передаются по того же сообщения всем устройствам. линии SDA поразрядно. Каждый переда- После передачи адреса начинается ваемый бит сопровождается тактовым передача данных. Кадр байта данных сигналом на линии SCL. В течение все- содержит восемь битов данных и один бит подтверждения, формируемый приёмни- Рис. 1. Схема соединения устройств по интерфейсу I2C ком. Данные, так же как и адрес, передают- ся последовательно бит за битом, начиная со старшего разряда. После приёма каждо- го байта данных приёмник вырабатывает сигнал подтверждения АСК путём выда- чи на линию SDA сигнала низкого уровня. Высокий уровень сигнала свидетельству- 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2022
Search
