Под электрическими соединениями понимают линии передачи (ЛП) и электри­ческие контакты, служащие для передачи сигналов и электрической энергии между радиодеталями и модулями, образующими ЭС. Электрические соединения бывают внутри- и межмодульными, внутри- и межблочными и т. п., что обусловливает их кон­структивное исполнение.

По выполняемым функциям различают сигнальные ЛП, объединяющие входы и выходы элементов и модулей и предназначенные для передачи сигналов, и ЛП электро­питания, осуществляющие подвод электрической энергии к элементам. Все ЛП имеют прямой и обратный провода. Обратный провод называют землей, линией нулевого потенциала, общим проводом. Выделяют неэкранированные и экранированные ЛП. Экраны обеспечивают защиту линий от воздействия электрических, магнитных и электромагнитных полей. В зависимости от конструктивных особенностей обратного провода ЛП подразделяют на симметричные, состоящие из двух одинаковых изолиро­ванных проводов, несимметричные с одним общим проводом для многих ЛП, и коак­сиальные, с обратным проводом по оплетке коаксиального кабеля [9].

В общем случае, линии передачи должны обладать:

• минимальным активным и индуктивным сопротивлениями;

• однородным по длине линии волновым сопротивлением;

• минимальным полем вокруг линии при протекании по ней тока;

• способностью передачи сигналов в широком диапазоне частот, токов и напря­жений;

• минимальной толщиной изоляции с диэлектрической проницаемостью, близкой к 1;

• способностью к объединению в узлы;

• способностью к автоматизации при проведении монтажных работ.

Универсальных ЛП, удовлетворяющих всем требованиям одновременно, не суще­ствует. В реальных конструкциях применяют разнообразные типы ЛП в зависимости от назначения и функциональных особенностей аппаратуры. На выбор типа ЛП вли­яют форма передаваемых сигналов, их напряжение и частота, ослабление сигнала на единицу длины линии, механическая гибкость, технологические требования и другие факторы.

Радиоэлектронные устройства содержат разнообразные по выполняемым функ­циям элементы и модули, отличающиеся характером обрабатываемых сигналов, их мощностью, частотой и пр. При передаче электрических сигналов по ЛП происходит искажение формы и спектра сигналов, их затухание. Искажение сигнала определя­ется степенью рассогласования параметров электронных схем с параметрами ЛП, вза­имным влиянием расположенных по соседству ЛП, задержкой сигналов в ЛП. Выбор конструктивно-технологического варианта исполнения электрических соединений — важная и сложная задача, влияющая на качество проектируемой ЭС.

Электрический сигнал передается по проводнику тока, которым является ме­таллическая проволока (провод), пленочные и печатные проводники. В поперечном сечении провода бывают круглыми или прямоугольными, пленочные и печатные проводники — прямоугольными. Провода защищаются изолирующими диэлектри­ческими оболочками, а при необходимости — экранами. По волноводам и волоконно-оптическим ЛП передается электромагнитная энергия радиочастотного (волновод) и светового (световод) диапазонов.

Для повышения производительности труда при сборке ЭС и упрощения электро­монтажных работ ЛП объединяют конструктивно-технологически в узлы (рис. 4.4.1), состоящие, например, в жгутах из нескольких десятков линий.

Рис. 4.4.1. Конструктивно-технологическое объединение линий передач

Линии электропитания представляют собой объемные провода, пленочные и печат­ные проводники либо проводящие пластины. Конструктивное исполнение сигналь­ных ЛП более разнообразно и во многом определяется частотным диапазоном переда­ваемых сигналов.

Все сигнальные линии связи разделяют на электрически длинные и электрически короткие, характер искажения сигналов в которых различен.

Электрически короткой называют ЛП, длина которой для гармонического сигнала определяется по выражению

,

где  — частота сигнала;

   — скорость электрона;

   — относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей линию передачи.

Электрически короткие ЛП. При анализе электрических процессов короткую ЛП моделируют эквивалентной схемой, состоящей из емкости и индуктивности ЛП, со­средоточенных в одной точке (рис. 4.4.2, б). Активным сопротивлением линии прене­брегают. Модуль 1, формирующий сигнал, представляется источником напряжения II с последовательно включенным сопротивлением R₁ . Модуль 2 является приемником сигнала и моделируется входным сопротивлением R₂.

Рис 4.4.2. Эквивалентные схемы коротких линий передачи

При  эквивалентную схему индуктивно-емкостной короткой линии со­вместно с сопротивлением можно представить резонансным контуром, в котором могут возникнуть колебания с частотой:

.

В результате колебательного процесса напряжение на входе схемы 2 может мно­гократно пересечь порог ее срабатывания и вызвать многократное изменение ее ло­гического состояния. Если колебания в ЛП прекратятся за минимальное время длительности фронта передаваемого по линии сигнала, то они не окажут влияния на ра­ботоспособность аппаратуры. Условие отсутствия колебаний в линии выполняется при . В этом случае индуктивностью линии можно пренебречь (см.рис. 4.4.2, в).

Реакция емкостной ЛП (в) на синусоидальный сигнал будет проявляться в умень­шении амплитуды выходного напряжения и сдвиге фазы выходного сигнала относи­тельно входного. В общем случае, сигналы на входе и выходе ЛП могут существенно различаться. Если ЛП нагружается на пороговые схемы, то при подаче на вход ЛП прямоугольного импулься амплитудой U время срабатывания схемы задерживается на величину:

,

где — постоянная времени,

  — пороговое напряжение логического элемента 2.

Если длительность импульса много больше τ, то ЛП передаст импульс практически без искажений. В противном случае линия передачи будет себя вести подобно интегри­рующей RC-цепи, занижая амплитуду импульса и сглаживая его фронты.

Перекрестные помехи обусловлены электрическим, магнитным и электромагнит­ным взаимодействием расположенных по соседству ЛП. Микроминиатюризация и уве­личение плотности упаковки проводников ставят перед конструктором важную задачу уменьшения помех до уровней, не влияющих на точную и надежную работу аппара­туры. Уровень помех зависит от взаимной индуктивности проводников и межпровод- никовой емкости, создавая соответственно индуктивную и емкостную составляющие взаимных помех. Ёмкостная составляющая возрастает с ростом скорости изменения напряжения на входе ЛП и величин сопротивлений на концах линии, индуктивная по­меха — с ростом скорости изменения тока в линии и увеличением числа нагрузок на выходе активной линии.

Снизить значение паразитной емкости между ЛП можно уменьшением длины со­вместного параллельного расположения проводов на минимально возможном расстоя­нии друг от друга, увеличением зазора между ними, укладыванием проводов, передаю­щих различные по уровням сигналы, в отдельные жгуты, приближением ЛП к земле, введением экранированных проводов, использованием коаксиальных кабелей. На­пример, заземление оплетки коаксиального кабеля позволит целиком избавиться от емкостной помехи. Ослабить взаимную индуктивность можно за счет разнесения ЛП возможно дальше друг от друга, уменьшением площадей контуров, образуемых прово­дами, по которым протекают прямые и обратные токи ЛП, использованием экраниро­ванных проводов, витых пар, коаксиальных кабелей.

Электрически длинные линии передачи. Хотя параметры линии являются рас­пределенными вдоль ее длины, на эквивалентной электрической схеме ЛП их аппрок­симируют сосредоточенными на малых фрагментах линии (рис. 4.4.3), где R, L, С — погонные (на единицу длины) сопротивление, индуктивность, емкость [9].

Рис. 4.4.3. Эквивалентная электрическая схема длинной линии передачи

Важнейшей характеристикой электрически длинной ЛП является ее волновое со­противление Z₀. Волновое сопротивление — это сопротивление линии электромаг­нитной волне при отсутствии отражений от концов линии. Оно зависит от первичных электрических параметров кабеля и частоты сигнала. Если электромагнитную волну
представить в виде раздельных волн напряжения и тока, то соотношение между ними  и представляет собой волновое сопротивление цепи: . Волновое сопротивление является комплексной величиной и состоит из активной и реактивной частей. Зави­симость волнового сопротивления от частоты повышается в области низких частот и имеет емкостной характер ( ). В области высоких частот имеет место , ) и значение волнового сопротивления стремится к постоянной величине , которое и принимается за значение .

Отражение сигналов в длинных линиях. При передаче сигналов по длинным ли­ниям важно согласовать сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением линии. В несогласованной линии одновременно присутствует прямая (падающая) волна, рас­пространяющаяся от начала линии к ее концу, и отраженная от нагрузки обратная волна, передающаяся от конца линии к ее началу. Отношение амплитуды напряже­ния , отраженной от нагрузки К волны к амплитуде  падающей волны определя­ется коэффициентом отражения:

.

Отраженная волна распространяется от конца линии к началу (с определенной по­терей энергии на 20), через определенное время задержки достигает начала линии, и точно также отражается от выходного сопротивления источника сигнала. Значение скорости распространения волн на высоких частотах стремится к постоянной величине , и, соответственно, . На низких частотах, где преобладает емкостной характер линии, время задержки может увеличиваться в 1,5-2 раза.

Если сопротивление в начале и конце линии соответственно  и  соблюдается отношение  то коэффициенты отражений на входе и выходе  линии соответственно будут и .

Искажение импульсного сигнала, когда длительность передаваемого импульса  при прохождении его по ЛП показано на рис. 4.4.4. Сигналы на графиках со­ответствуют моментам их поступления на вход  и выход  ЛП. Следует обратить внимание на изменение полярности отражаемых сигналов в зависимости от соотно­шения величин  и  с величиной . Таким образом, на вход линии поступил один импульс, а на входе нагруженной на линию с периодом  может оказаться несколько импульсов, превышающих порог ее срабатывания [9].

Рис. 4.4.4. Формы импульсного сигнала при прохождении через линию передачи

Согласование электрически длинных ЛП. Уменьшения или полного исключения отражений в длинных линиях можно добиться их согласованием. Линия передачи считается согласованной, если сопротивление, на которое она нагружена, равно вол­новому сопротивлению линии, при этом значение  становится равным нулю. Реко­мендуется также проводить согласование линии и с источником сигнала, если его вы­ходное сопротивление  много меньше , что обнуляет значение . Согласование обеспечивается введением согласующих резисторов  на входах и выходах ЛП. Для источников сигналов с малым выходным сопротивлением применяют последователь­ное согласование с ЛП ( ), на приемниках сигналов с высоким входным сопротивлением — параллельное согласование( ). При большем количе­стве нагрузок на выходе ЛП для согласования используют эмиттерные повторители (рис. 4.4.5).

Рис. 4.4.5. Эмиттерный повторитель

При конструировании цифровой аппаратуры входы триггеров, одновибраторов, регистров не рекомендуется подключать непосредственно к длинным линиям. Отсут­ствие буферных каскадов из-за значительной емкостной нагрузки и наличия отраже­ний приведет к неустойчивой работе аппаратуры. В качестве буферных каскадов для восстановления фронтов импульсов обычно используются триггеры  Шмитта. Анало­гично буферные каскады рекомендуется использовать и для согласования коаксиаль­ных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом, при этом выход кабеля нагружается на сопротивление 51 Ом.

В зависимости от специфики разрабатываемой аппаратуры в качестве длинных ли­ний используют микрополосковые и полосковые печатные проводники, свитую пару, плоский кабель, коаксиальный кабель. При высоком уровне внешних для ЛП электро­магнитных помех рекомендуется применение коаксиальных кабелей и витых пар с формированием разнополярных сигналов на обоих проводах пары.

Высокочастотный переменный или импульсный ток неравномерно распределяется по сечению проводника, имея наибольшую плотность у его поверхности, что является результатом проявления поверхностного эффекта. Поверхностный эффект увеличи­вает сопротивление проводника переменному току. Влияние поверхностного эффекта сказывается на искажении фронта и формы импульса, так как разные частоты за­тухают в материале проводника неодинаково. Для ослабления влияния поверхност­ного эффекта используют провод, свитый из большого числа изолированных друг от друга жил.

Для устранения перекрестных помех линии передачи экранируют. Применение ЛП с экранирующей металлической оболочкой является эффективным способом ее за­щиты от воздействий электрического и электромагнитного полей. Экраны необходимо заземлять короткими проводами минимального индуктивного сопротивления либо пу­тем непосредственного контакта с корпусом прибора. Отсутствие заземления экранов ЛП не устраняет емкостную связь между центральными проводами. Если ток, проте­кающий по центральному проводу ЛП, равен обратному току через его оплетку, то в пространстве, окружающем линию, электромагнитное поле отсутствует.