Компания «ЭРЕМЕКС» совсем недавно представила инструмент SimPCB, который предназначен для проектирования высокоскоростных цифровых и высокочастотных аналоговых устройств. Это лаборатория, которая уже сейчас позволяет проводить специалисту целый ряд исследований свойств линий передачи и переходных отверстий [2, 3, 4]. Однако SimPCB не исключает рутинных действий, отвлекающих инженера от процесса проектирования. Поэтому компания «ЭРЕМЕКС» упростила и автоматизировала важные этапы разработки устройств с контролем импеданса путём внедрения расчётов в основной маршрут проектирования печатных плат. Вычисление геометрических параметров линий передачи и, как одиночных, так и дифференциальных, в САПР Delta Design теперь выполняется в инструменте «Конфигуратор набора слоёв и переходных отверстий». Все расчёты осуществляются с помощью решателя, реализованного в SimPCB.
Рассмотрим маршрут проектирования с учётом изменений на примере, представленном далее.
Маршрут проектирования устройств с учётом волнового сопротивления линий передачи
Маршрут проектирования состоит из трёх основных этапов и представлен на рис. 1.
- Расчёт геометрических параметров ЛП под заданный импеданс, подбор материалов и структуры печатной платы:
- создание профиля импеданса;
- выбор типа ЛП;
- задание целевого импеданса;
- установка допуска на волновое сопротивление;
- задание ширины проводника (W1), подтрава (W2), зазора для дифференциальных пар (S1) в случае необходимости;
- подбор материалов, их добавление/удаление/перемещение, если это необходимо. -
Применение рассчитанных параметров одиночных проводников и дифференциальных пар в правилах проектирования:
- получение def-строчек, содержащих информацию о профиле: ширина проводника, зазор для дифференциальной пары, структура печатной платы, слои;
- назначение правил для цепей и классов цепей. - Трассировка ЛП, дифференциальных пар или их групп в редакторе печатной платы. При трассировке рассчитанная ширина и зазор применяются автоматически.
Расчёт геометрических параметров ЛП под заданный импеданс, подбор материалов и структуры печатной платы
В данной статье будет рассмотрен пример проектирования печатной платы с контролем волнового сопротивления одиночной ЛП. Предположим, необходимо спроектировать ЛП для следующей печатной платы.- Плата состоит из 4 слоёв. Количество слоёв зависит от конкретных конструктивных ограничений. Кроме этого, при формировании структуры печатной платы для высокочастотных цепей необходимо обеспечить прямой и возвратный путь протекания сигнала, а также организовать планарный конденсатор между потенциальными (опорными) слоями.
- Импеданс 50 Ом. Конкретное значение импеданса зависит от выбранного интерфейса. Информация присутствует в документации.
- Ширина проводника W1 = 0,2 мм, c учётом подтрава W2 = 0,18 мм на внешних слоях. Выбор ширины проводника (W1) зависит от многих факторов, например, от материалов, доступных на производстве и соответствующих технологическому процессу, класса точности ПП, минимального шага компонентов, потерь, перекрёстных помех и т.д. Подтрав (W2) зависит от технологических процессов на заводе. На внешних и внутренних слоях он, как правило, разный. Хороша практика уточнения инженером информации у технологических служб на заводе.
- Отклонение расчёта импеданса не более 10%. При расчёте волнового сопротивления для высокоскоростных и высокочастотных сигналов допуск в 10% вполне достаточен. В более требовательных случаях может использоваться отклонение в 5%.
- Внутренние слои. Второй и третий слой используются как опорные.
- Необходимо запустить инструмент «Конфигуратор набора слоёв и переходных отверстий». Во вкладке «Структура» будет отображаться текущий стек с материалами (рис. 2).
-
Для контроля волнового сопротивления необходимо выбрать вкладку «Калькулятор импеданса» и добавить новый профиль импеданса, нажав на плюс в верхнем меню (рис. 3).
-
После добавления профиля импеданса программа автоматически посчитает ширину одиночного проводника (W1) под заданный импеданс (по умолчанию 50 Ом) на тех слоях, где это возможно (рис. 4).
- Стек – выбор структуры для расчёта. Например, если используется гибко-жёсткая плата с несколькими структурами. Оставим по умолчанию Default.
- Профиль импеданса – полное название профиля. Здесь же осуществляется добавление/удаление или выбор другого профиля при его наличии. Оставим по умолчанию один профиль. После изменения типа линии и добавления текста в поле Описание название профиля должно измениться на S50_Data.
- Описание – дополнительная информация о профиле. Изменим имя на Data.
- Тип – одиночная или дифф. пара. Оставим по умолчанию Одиночная.
- Импеданс – значение целевого волнового сопротивления. Для данной задачи импеданс составляет 50 Ом. Пользователь всегда может его поменять, если требуется подстройка расчётов под другое значение.
- Допуск – рассчитывается между целевым и расчётным импедансом Zo или Zdiff, в зависимости от типа выбранной ЛП. Оставим по умолчанию 10%.
- Расчёт – для одиночной ЛП рассчитывается ширина проводника W1. Для дифф. пары вычисление может выполняться как для W1, так и для S1. Кроме автоматического расчёта W1 и S1 инженер всегда может ввести свои геометрические параметры линии передачи и получить соответствующие им значения Zo или Zdiff.
Изменим ширину проводника во вкладке «Калькулятор импеданса» для слоёв L1 и L2 на данные, указанные в условии выше: W1 = 0,2 мм, W2 = 0,18 мм. Расчётный импеданс примет значение 65,44 Ом. Отклонение более 30%, что недопустимо. В ячейке Zo и профиле импеданса будут сообщения об ошибке (рис. 5).
Для того чтобы импеданс попал в нужный допуск (%), а ширина проводника W1 соответствовала определённой величине, необходимо подобрать материалы с определёнными параметрами (толщина и диэлектрическая проницаемость) и стек ПП.
В распоряжении инженера два поля: Толщина (мм) и диэлектрическая проницаемость Er, а также возможность проводить любые манипуляции с перемещением, добавлением и удалением слоёв как проводящих, так и диэлектрических. Используя данные о реальных материалах, изменим толщину диэлектрика между слоями L1–L2 и L3–L4 на 0,125 мм. Данный параметр соответствует препрегу FR4 (Tg150) тип 2116. При этом Zo на внешних слоях составит 53,79 Ом, что близко к заданному (рис. 6).
Система отслеживает параметры применяемых материалов и не позволяет использовать абстрактные. На рис. 6 показано сообщение об ошибке. Это реакция программы на несоответствие. Специалисту следует использовать материалы в структуре печатной платы только из «Стандартов», которые должны соответствовать реальным, имеющимся в наличии у завода-изготовителя.
В данном случае подходящий материал присутствует: препрег FR4 (Tg150) тип 2116 с толщиной 0,125 мм. Установим его между слоями L1–L2 и L3–L4 (рис. 7).
Если материала нет в наличии, то его необходимо добавить в раздел «Материалы» панели «Стандарты». Параметры материала должны полностью соответствовать реальному, применяемому на заводе-изготовителе.
Для примера добавим в раздел новый материал: Фольга 0,018 мм + + осаждённая медь 0,023 мм (рис. 8). Таким образом можно учесть увеличение толщины меди на внешних слоях после металлизации отверстий.
Во вкладке «Структура» для слоя L1 и L2 применим новый материал (рис. 9).
Здесь же, в колонке Тип слоя, назначим L2 и L3 как опорные (рис. 10). После этого в калькуляторе импеданса внутренние слои станут недоступны для расчёта волнового сопротивления.
В «Калькуляторе импеданса» снова назначим на внешних слоях W1 = 0,2 мм и W2 = 0,18 мм. При этом Zo составит 51,47 Ом.
В табл. 1 показано значение волнового сопротивления для разных материалов.
Последний вариант является наиболее предпочтительным. Для сохранения расчётов и передачи данных в правила необходимо нажать кнопку «ОК».
Применение рассчитанных параметров одиночных проводников и дифф. пар в правилах проектирования
Данные из «Калькулятора импеданса» в «Конфигураторе слоёв и переходных отверстий» передаются в правила проектирования. В правилах они представляются в виде командных строк, которые начинаются с def.Ниже представлен пример строчки из редактора правил (рис. 12).
Командная строка выглядит следующим образом:
def S150_Data { L1 {Layer="L1"; Width=0,2; Stack="Default"}; L4 {Layer="L4"; Width=0,2; Stack="Default"}}
Здесь:
S50_Data – название профиля;
Layer L1 и L4 – слои, для которых применяется правило;
Default – стек печатной платы;
Width=0,2 – ширина проводника в мм.
На рис. 13 показано назначение профиля к конкретной цепи и классу цепей.
Командные строки выглядят так:
Width: (Net="A0") use S50_Data;
Width: (NetClass="B") use S50_Data.
Если расчёт выполняется для дифф. пар, например с параметрами, представленными ниже:
D100_NewProfile:
- слой L1 c шириной проводника = 0,16 мм и зазором внутри дифф. пары = 0,1 мм, стек – Default;
- слой L2 c шириной проводника = 0,12 мм и зазором внутри дифф. пары = 0,12 мм, стек – Default,
def D100_NewProfile { L1 {Layer="L1"; Width=0,16; Stack="Default"; Gap=0,1}; L2 {Layer="L2"; Width=0,12; Stack="Default"; Gap=0,12}}.
Назначение профиля для конкретной дифф. пары:
DiffPair: (Net="A") use D100_NewProfile.
Для класса дифф. пар:
DiffPair: (NetClass="D") use D100_NewProfile.
После внесения изменений в правила их следует сохранить.
Трассировка линий передач, дифф. пар или их групп в редакторе печатной платы
Трассировка проводников с контролируемым волновым сопротивлением аналогична прокладке обычных трасс. Система автоматически применяет ширину, рассчитанную для заданного импеданса. Например, если выбрать цепь A0 из представленного примера и начать выполнять трассировку на слое L1, то применится ширина проводника, равная 0,2 мм. Данный параметр соответствует волновому сопротивлению в 50 Ом. При переходе на слой L4 ширина сохранится (рис. 14).
Подобным же образом работает трассировка и для класса цепей (рис. 15).
Заключение
«Калькулятор импеданса» в «Конфигураторе набора слоёв и переходных отверстий» САПР Delta Design реализован на основе инструмента SimPCB и интегрирован в маршрут проектирования печатных плат, что позволяет осуществлять контроль волнового сопротивления как одиночных, так и дифференциальных линий передачи, проектировать структуру, учитывать материалы и особенности производства. Любые изменения структуры печатной платы приводят к быстрому пересчёту параметров линий. В случае выхода импеданса за указанный допуск система оповещает специалиста, исключая появление ошибок. Данные из конфигуратора набора слоёв автоматически передаются в правила проектирования, позволяя инженеру сосредоточиться на процессе разработки устройства, а не на рутинных действиях.Основные преимущества нового подхода:
- расчёт геометрических параметров линий передачи (одиночных и дифференциальных) под заданный импеданс непосредственно в инструменте «Конфигуратор набора слоёв и переходных отверстий»;
- управление материалами. Специалист разрабатывает не абстрактную структуру, а реальную. Контроль импеданса осуществляется в связке с библиотекой материалов и их параметров;
- оповещение инженера в случае выхода волнового сопротивления за указанный допуск;
- автоматическое применение рассчитанных параметров линий передачи в правилах;
- трассировка с учётом импеданса.
Список литературы
- Кечиев Л.Н. Печатные платы и узлы гигабитной электроники. М.: Грифон, 2017. 424 с.
- Обзор основных возможностей инструмента SimPCB для расчёта параметров линий передач в программе Delta Design // Современная электроника. 2024. № 5. С. 34–36.
- Ухин В.А., Коломенский Д.С., Кухарук В.С. и др. Методы расчёта волнового сопротивления линий передач на печатных платах // Современная электроника. 2023. № 9. С. 40–42.
- Кухарук В.С., Коломенский Д.С., Ухин В.А. и др. Сравнение результатов расчётов волнового сопротивления линий передач на печатных платах // Современная электроника. 2023. № 9. С. 43–45.
© СТА-ПРЕСС, 2024
