Об’ємний координатний комутатор

Реферат: Винахід належить до обчислювальної техніки та телекомунікаційних систем і може використовуватися у складі обчислювальних систем для міжблочного обміну даними, різних випробувальних стендів та інших мікроелектронних функціональних пристроїв. Об'ємний координатний комутатор являє собою матрицю, що містить входи та виходи, площа, яку вона займає, мінімізується шляхом багатошарового її виконання, а кожен її шар складається з діелектрика з розміщеними на ньому ортогональними шинами, в точках перетину яких міститься спільний для всіх шарів з'єднувальний елемент, виконаний у вигляді стержня з контактами. Зменшення кількості рядків та стовпців матриці за рахунок її багатошарового виконання дозволяє при одному і тому ж розмірі комутатора збільшити кількість входів та виходів або мінімізувати площу, яку він займає, та зменшити на ній кількість елементів комутації, що дозволяє значно скоротити час виготовлення комутаційних плат, що важливо при великій номенклатурі малосерійних виробів. UA 109758 C2 (12) UA 109758 C2 UA 109758 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до обчислювальної техніки та телекомунікаційних систем та може використовуватися у складі обчислювальних систем для міжблочного обміну даними, різних випробовувальних стендів та інших мікроелектронних функціональних пристроїв. Існують аналоги координатних комутаторів, що являють собою матрицю ортогональних шин, які містять входи та виходи із з'єднувальними елементами в точках їхнього перетину. Наприклад, в патенті Великобританії № 2188211 від 23 вересня 1987 р. "Напівпровідникова комутаційна матриця" описано матрицю, яка містить двокоординатну сітку металевих провідників, розділених діелектричною підкладкою. В кожній точці перетину знаходиться декодер і тригер, які керуються набором вентилів. Наведений комутатор містить ортогональні вхідні та вихідні шини, в точках перетину яких знаходиться з'єднувальний елемент. В цьому пристрої із збільшенням кількості входів та виходів збільшується площа, яку займає комутаційне поле. Така конструкція не дозволяє збільшувати входи та виходи комутатора без збільшення площі комутаційного поля, що обмежує їхнє ефективне використання в мікроелектроніці. В патенті США № 09/330335 від 25 лютого 2003 р. "Електронний координатний комутатор" наведено комутатор, який складається з кількох перемикаючих модулів комутації, накладених один на одного. Елементи комутації реалізовано з використанням каскадних перемикачів. Така модульна конструкція підвищує загальну компактність. Але даний комутатор не є координатним, і тому може бути неповнодоступним, що ускладнює його налагодження і роботу. Така конструкція обмежує їхнє ефективне використання в мікроелектроніці. Як прототип вибрана комутаційна матриця патенту Великобританії № 2184325 від 17 червня 1987 р. "Комутаційна система". Комутатор містить матрицю ортогональних шин, які зв'язані з входами та виходами. На перетині вхідних та вихідних шин розміщений елемент комутації. Робота схеми комутатора-прототипу здійснюється шляхом подачі сигналу активізації на вибрані вхід та вихід, що приводить до перемикання елементів комутації. Таким чином, при вводі інформації на вхід і вихід матриця перемикається в одну із множин комутаційних станів. Недоліком схеми комутатора-прототипу є велика площа, яку займає комутаційне поле, оскільки 2 із n елементів комутації, розміщених на поверхні, задіяно лише n елементів. В основу винаходу поставлено задачу мінімізації площі, яку займає комутатор, шляхом зменшення кількості рядків та стовпців матриці. Матриця виконана багатошаровою з кількістю k  z  t r , кожен шар якої складається з діелектрика з розміщеними на ньому шарів ортогональними шинами, в точках перетину яких розміщений спільний для всіх шарів з'єднувальний елемент, який виконано у вигляді стержня з контактами, кожен з яких завдяки контактам з'єднується з певним входом та виходом, де k - коефіцієнт зменшення рядків,  коефіцієнт зменшення стовпців, t - число шин рядка, розміщених на одному шарі, r - число шин стовпця, розміщених на одному шарі. На фіг. 1.1 зображено загальний вигляд об'ємного координатного комутатора, на фіг. 1.2 схема з'єднувального елементу у вигляді стержня з контактами. На фіг. 2 подано схематичне зображення об'ємного координатного комутатора. На фіг. 3, фіг. 4, фіг. 5 зображено шари об'ємного координатного комутатора, які описано в прикладах. На фіг. 6 - фіг.7 - з'єднувальні елементи у вигляді стержня, які використовуються у прикладах. На фіг. 1.1 подано об'ємний координатний комутатор з n входами 1 та m виходами 2, у якого вхідні 3 і вихідні 4 шини розміщено на шарах 5, 6, розділених діелектриком 7. В точці перетину входів та виходів знаходяться спільні для всіх шарів з'єднувальні елементи 8 (фіг. 1.2) кількістю nm k . З'єднувальний елемент 8 (фіг. 1.2) виконаний у вигляді стержня з попарно зв'язаними між собою контактами 9, 10, розділеними діелектриком 7. Кожна така пара контактів переключає об'ємну матрицю в одне із множин комутаційних станів шляхом з'єднання відповідних входів та n m  z виходів. Звідси випливає, що площа об ємного координатного комутатора розміром k  d1n  k d2 m   k дорівнює , де d1 - відстань між сусідніми елементами комутації по горизонталі, d2 - відстань між сусідніми елементами комутації по вертикалі. Схематичне зображення об'ємного координатного комутатора подано на фіг. 2, де схематично зображено входи 1, виходи 2, вхідні 3, вихідні 4 шини та елементи комутації 8. Якщо кожен шар задати у вигляді матриці S 50 1 UA 109758 C2   p   nm , Cp    c j       Z  k   Q    Y Cp   елементи; 2j}, 5 10 15 20 25 30 35 40 p 1  то об'ємний координатний комутатор запишемо як де   Cp   - p-й шар;   c pj    - спільні для всіх шарів з'єднувальні   - кількість шарів матриці Q(Κ ), n  0 mod (k), m 0 mod (  ), k,  , n, m  {2,4,…, Z  t n n  n k  ,   , j1 ..., ;     , k  2  -й варіант об'ємного координатного комутатора, що утворений із заданого координатного. Позначимо ці варіанти множиною K = [K1,…,Kq], де q - їхня кількість. Робота запропонованого об'ємного координатного комутатора проводиться наступним чином (фіг. 1.1-1.2.). Нехай необхідно з'єднати вхід 1, зв'язаний із вхідною шиною 3, розміщеною на шарі 5, з виходом 2, зв'язаним з вихідною шиною 4, розміщеною на шарі 6, з'єднаними між собою двома контактами 9 та 10 стержня 8 (фіг 1.2), відділеними від інших контактів діелектриком 7 та розміщеними на рівні шарів 5 і 6, перемикаються вхідна шина 3 шару 5 і вихідна шина 4 шару 6. Тим самим електричний сигнал, що надходить на вхід 1, завдяки контактам 9 та 10 з'єднувальному елементу 8, з'являється на виході 2. Аналогічним способом комутуються будь-які задані вхід та вихід. Оскільки один з'єднувальний елемент комутує k вхідних та  вихідних шин, то при комутації k входів та  виходів в рядку матриці задіяно k з'єднувальних елементів, а в стовпці - відповідно  . Приклад 1. Маємо координатний комутатор, в якого n=8, m=8, d1=2,5 мм, d2=2,5 мм. Площа, яку займає комутаційне поле дорівнює 2 D1(n-1)d2 (m-1) = 306,25 mm , кількість з'єднувальних елементів дорівнює 64. Зменшимо площу комутаційного поля по рядках. Нехай k=2,  = 1, d1=2,5 мм, d2=2,5 мм, t=1, k   3 r=1. Тоді кількість шарів зменшеного комутатора дорівнює t r , його площа дорівнює d1 n  k d 2 m    nm  131,25mm 2 ,  32. k а кількість з'єднувальних елементів k Звідси видно, що площа комутатора зменшилася в 2,3 разу, а кількість з'єднувальних елементів, розміщених на поверхні, відповідно - в два рази. На фіг 3.1, а, фіг 3.1, б, фіг 3.2 зображено запропонований об'ємний координатний 8 83 комутатор розмірністю 2 , виконаний на трьох шарах друкованої плати. Доступ до шарів виконується шляхом металізованого перехідного отвору 11 (фіг. 6,а). На кожному із двох зовнішніх шарах (фіг. 3.1, а, фіг. 3.1, б) розміщено чотири рядки, кожен з яких містить один ряд перехідних отворів 11 та одну вихідну шину 4, яка не має постійних зв'язків з отворами 11, але кожна з яких зв'язана з виходами 2. Внутрішній шар (фіг. 3,2) містить вісім стовпців, в кожному з яких один ряд перехідних отворів 11 та одна вхідна шина 3, зв'язана постійним зв'язком з чотирма перехідними отворами 11 та входом 1. Відповідні вхід та вихід з'єднуються стержнем (фіг. 6,б). При одночасній комутації восьми входів та виходів в рядку задіяно два перехідних отвори, а в стовпці - один. Приклад 2. Зменшимо координатний комутатор розмірністю 8 × 8, заданий в прикладі 1, по рядках в чотири рази. Покладемо k=4,  = 1, t=2, r=1. Оскільки в одному рядку розміщено дві шини, то розміри між сусідніми елементами d1=3,75 мм, d2=2,5 мм. Кількість шарів отриманого d1 n  k d 2 m    k   3  65,25mm 2 , t r k комутатора дорівнює , площа, яку він займає дорівнює а кількість з'єднувальних елементів, розміщених на поверхні комутаційного поля, дорівнює nm  16. k Таким чином, площа комутатора зменшилася в 4,6 раз, а кількість з'єднувальних елементів в 4 рази. 8 83 На фіг. 4, а, фіг. 4, б, фіг. 4, в об'ємний координатний комутатор розмірністю 2 , виконаний на трьох шарах плати. Доступ до шарів проводиться завдяки металізованим 2 UA 109758 C2 5 10 15 20 25 30 35 перехідним отворам 11 (фіг. 6, а). На кожному з двох зовнішніх шарах (фіг 4, а,фіг 4, б) розміщено два рядки, кожен з яких містить один ряд перехідних отворів 11 та дві вихідні шини 4, які не мають постійних зв'язків з отворами, але зв'язані з виходами 2. Для забезпечення повнодоступності комутатора одна шина розміщена з однієї сторони, а друга з другої сторони ряду отворів. Внутрішній шар (фіг.4, в) містить вісім стовпців, в кожному з яких один ряд перехідних отворів і одна вхідна шина З зв'язана постійним зв'язком з двома перехідними отворами 11 і входом 1. Відповідні вхід та вихід комутуються завдяки контактам стержня (фіг. 6, б). При одночасній комутації восьми входів та восьми виходів в рядку задіяні чотири перехідних отвори, а в стовпці - один. Приклад 3. Задано комутатор, в якого n=16, m=16, d1=2,5 мм, d2=2,5 мм. Площа, яку займає 2 комутаційне поле дорівнює d1(n-1)d2 (m-1) = 1406,25mm . Кількість з'єднувальних елементів дорівнює 256. Зменшимо площу комутатора по рядках і стовпцях. Нехай k=4,  = 2, t=1, r=1. Тоді, кількість d1 n  k d 2 m    k   6  131,25mm 2 , k шарів дорівнює t r , площа комутатора дорівнює кількість з'єднувальних елементів зменшилася у вісім разів. На фіг. 5.1, а, фіг. 5.1, б, фіг. 5.2, а, фіг. 5.2, б, фіг. 5.3, а, фіг. 5.3, б зображено об'ємний 16 16  6 2 координатний комутатор розмірністю 4 , виконаний на шести шарах. Доступ до шарів здійснюється завдяки неметалізованим перехідним отворам 11 (фіг. 7, а). На кожному з двох зовнішніх шарах (фіг. 5.1, а, фіг. 5.1, б) розміщено вісім стовпців, кожен з яких містить один ряд перехідних отворів 11 та одну не з'єднану з ними вхідну шину 3, але зв'язану з входами 1. Внутрішні шари (фіг. 5.2, а, фіг. 5.2, б, фіг. 5.3, а, фіг. 5.3, б) містять по чотири рядки, в кожному з яких один ряд перехідних отворів та одна, з'єднана з ними вихідна шина 4, що зв'язана з виходом 2. Відповідні вхід та вихід комутуються стержнем (фіг. 7, б). При одночасній комутації шістнадцяти входів та виходів в рядку задіяно чотири перехідних отвори, а в стовпці два. Позитивний ефект, одержаний від запропонованого об'ємного координатного комутатора k   полягає в тому, що завдяки його розміщенню на t r - шарах зменшується поверхня комутатора більше, ніж в k  разів за рахунок зменшення в k  разів кількості з'єднувальних елементів, розміщених на його поверхні. Площа комутатора прототипу S=d1(n-1)d2 (m-1), а кількість з'єднувальних d1 n  k d 2 m    , k елементів дорівнює nm. Площа об'ємного комутатора дорівнює а кількість nm k    2. з'єднувальних елементів – відповідно k  . Кількість шарів збільшується на t r Запропонований об'ємний координатний комутатор виконується багатошаровим з використанням впроваджених в мікроелектроніці технологій. Для його реалізації використовується стандартне обладнання, що має місце на виробництві радіоелектронної та обчислювальної апаратури. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 Об'ємний координатний комутатор, що являє собою матрицю ортогональних електричних шин, яка містить входи та виходи із з'єднувальним елементом в точках їхнього перетину, який відрізняється тим, що матриця виконана багатошаровою з кількістю шарів 45 k   , кожен шар t r якої складається з діелектрика з розміщеними на ньому ортогональними шинами, в точках перетину яких знаходиться спільний для всіх шарів з'єднувальний елемент у вигляді стержня з контактами, кожен із яких з'єднаний з відповідним входом та виходом, де k - коефіцієнт зменшення рядків,  - коефіцієнт зменшення стовпців, t - число шин рядка, r - число шин стовпця, розміщених на одному шарі. 3 UA 109758 C2 4 UA 109758 C2 5 UA 109758 C2 6 UA 109758 C2 7 UA 109758 C2 8 UA 109758 C2 9 UA 109758 C2 10 UA 109758 C2 11 UA 109758 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12