В.А. Ухин,В.С. Кухарук, компания «ЭРЕМЕКС»

В статье рассматриваются математические и физические основы расчета параметров линий передачи в зависимости от частоты, реализованного в САПР SimPCB Lite от компании «ЭРЕМЕКС», приводится сравнение результатов вычислений с программой Ansys.

При проектировании высокоскоростной или высокочастотной электронной аппаратуры разработчик сталкивается с необходимостью вычисления волнового сопротивления линий передачи, как одиночных, так и дифференциальных. Импеданс должен соответствовать значению, указанному в описании к микросхеме либо в стандарте передачи данных. Это чаще всего 40-50 Ом или 80-100 Ом. 

Определяя импеданс линии или ее геометрические, электрофизические параметры под заданное значение волнового сопротивления, инженер, как правило, использует расчет без учета потерь. В этом случае модель линии передачи представляется так, как показано на рисунке 1 [1].

В.С. Кухарук, В.А. Ухин

В статье рассматривается пример расчета первичных и вторичных параметров дифференциальной пары высокоскоростного интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite, разработанной компанией ЭРЕМЕКС.

При проектировании высокоскоростных интерфейсов на печатной плате важно рассчитывать параметры линий передачи с высокой точностью. Одним из таких интерфейсов является USB 3.1, у которого скорость передачи данных достигает 10 Гбит/с. На таких скоростях несогласованность импеданса может критически повлиять на целостность сигнала, что приведет к некорректной работе всего устройства.

В статье подробно рассматривается процесс вычисления параметров линии передачи с контролируемым дифференциальным волновым сопротивлением для интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite. Расчет ослабления сигнала и перекрестных помех, применительно к USB 3.1, будет рассмотрен в следующих статьях.

Но вначале немного о самом интерфейсе

Интерфейс USB 3.1 — это развитие универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus), предложенное как обновление к USB 3.0. Он представляет собой второе поколение спецификации USB 3.x и был представлен USB-IF (USB Implementers Forum) в 2013 году. Давайте рассмотрим его:

Ниже представлены основные особенности интерфейса USB 3.1.

Сравнение USB 3.1 c предыдущими версиями (Таблица 1).

В.С. Кухарук, В.А. Ухин

В статье рассмотрены основные возможности и маршрут анализа линий передачи и переходных отверстий в САПР SimPCB Lite. Данная программа предназначена для обеспечения целостности сигналов и снижения потерь в высокоскоростных цифровых и в высокочастотных аналоговых устройствах, реализованных на печатных платах.

SimPCB Lite - система численного анализа линий передачи, виртуальная исследовательская лаборатория. В ее основе лежит математический 2D-решатель, в котором реализован метод граничных элементов. С помощью данного решателя вычисляются четыре первичных параметра: емкость (С), проводимость диэлектрика (G), индуктивность (L) и сопротивление (R). C и G рассчитываются через энергию электрического поля, L и R - магнитного. Все остальные параметры (волновое сопротивление, задержка, потери и т. д.) определяются на их основе.

Аналогичной зарубежной САПР с похожим методом расчета является Si9000 (Polar). При этом SimPCB Lite в чем-то ее опережает. Например, при вычислении параметров переходного отверстия в САПР от компании “ЭРЕМЕКС” используется его реальная модель, а в Si9000 в основе - коаксиальный кабель. Понятно, что во втором случае погрешность вычисления будет значительной [1]. Кроме этого, SimPCB Lite частично покрывает возможности ANSYS (модуль 2D Extractor) и HyperLinks (Siemens) [2]. 

Рекомендуемая последовательность действий для расчета и анализа параметров линий передач (ЛП) и переходных отверстий (ПО) в САПР SimPCB Lite состоит из определенного набора шагов:

Ухин В.

Delta Design для большого количества инженеров становится основным инструментом разработки печатных плат. С появлением в его составе модуля SimPCB стало проще и удобней проектировать устройства с контролем импеданса. Наша команда занимается разработкой этого модуля и на данный момент добилась, как мы считаем, неплохих результатов. Ознакомиться с ними Вы можете в статьях (ссылка), либо непосредственно в программе Delta Design (ссылка). 

Стоп!!! А где же здесь Polar SI9000? - спросит нетерпеливый читатель. Не торопись, друг, история только начинается.

Не так давно один из пользователей обратился к нам со следующей проблемой: необходимо спроектировать копланарную линию передачи с волновым сопротивлением 75 Ом на материале RO4003С с параметрами: толщина диэлектрика 0.203 мм, диэлектрическая проницаемость 3.38. На рисунке 1 представлен фрагмент спецификации материала.

В.А. Ухин, В.С. Кухарук,  Д.С. Коломенский, О.В. Смирнова

В статье оценивается влияние переходного отверстия на потери сигнала в линии передачи. Оценка выполняется с помощью расчета коэффициентов S матрицы. Подчеркивается необходимость реализации вычисления первичных и вторичных параметров межслойного перехода непосредственно в САПР печатных плат. 

Практически невозможно спроектировать современное электронное устройство без контроля емкости, индуктивности и импеданса линий передач. Это характерно для всех видов аппаратуры. 

Когда говорят о линиях передачи, реализованных на печатной плате, то часто подразумевают опорный слой и проводник определенного поперечного сечения в среде диэлектрика (рис. 1) [1, 2].

В.С. Кухарук, В.А. Ухин, Д.С. Коломенский, О.В. Смирнова

В статье рассматриваются основные возможности инструмента SimPCB в составе Delta Design. Выделяются его преимущества над аналогичными программными реализациями.

Одним из ключевых элементов в конструкции печатной платы (ПП) является линия передачи (ЛП). Эта система прямых и возвратных проводников, расположенных в непосредственной близости друг от друга и формирующих единое электромагнитное поле. Управление параметрами ЛП на ПП позволяет минимизировать потери, связанные с деградацией целостности сигналов и ЭМС. [1]

Для обеспечения надежной работы высокоскоростных и высокочастотных электронных устройств необходимо контролировать параметры ЛП. ЛП - это не только сигнальный трек, расположенный на одном слое, внешнем или внутренним, как представляют его большинство систем автоматизированного проектирования (САПР), но и контактные площадки (КП) компонентов, переходные отверстия (ПО). Параметры КП возможно учесть, представив их через обычные структуры ЛП. Это будет или микрополосковая, копланарная или копланарная микрополосковая ЛП без маски. Расчет ПО полностью отсутствует, а их параметры выбираются, как правило, из технологических возможностей производства. В результате межслойный переход становится неоднородностью на пути следования сигнала и может привести к серьезному снижению его качества.  

Инструмент SimPCB, входящий в состав программы Delta Design, кардинально отличается от программ подобного назначения. SimPCB дает возможность рассматривать ЛП более полно, так как позволяет вычислять параметры не только ЛП в привычном их понимании, но и ПО. Следует отметить еще раз, что во всех современных зарубежных САПР печатных плат таких, как Altium Designer, PADS, VX и другие, не реализован расчет первичных и вторичных электрических параметров межслойных переходов, что в значительной степени может негативно повлиять на качество разработки, особенно высокочастотных устройств.  

В.А. Ухин, В.С. Кухарук, Д.С. Коломенский, О.В. Смирнова

Все больше современных электронных устройств содержит в себе высокоскоростную цифровую часть и (или) высокочастотную аналоговую. Проектировать такие изделия без контроля волнового сопротивления на всем пути распространения сигнала практически невозможно. 

Известно, что основным конструктивным узлом любой аппаратуры является печатная плата, поэтому расчет импеданса линий передач, реализованных на их основе, является важной и актуальной задачей. 

Значения импеданса, к которым необходимо стремиться, для разработчика не является секретом. Чаще всего для одиночных линий оно составляет 50 Ом, а для дифференциальных 100 Ом. Кроме того, практически на любой стандарт или интерфейс  передачи данных легко можно найти требования к значению импеданса. В таблице 1 представлен их пример для USB 3.0 [1, 2].

Таблица 1. Требования к трассировки USB 3.0

В.С. Кухарук,  В.А. Ухин, Д.С. Коломенский, О.В. Смирнова.

Печатные платы (ПП) широко применяются в электронных устройствах. Именно они являются основным узлом, обеспечивающим связь между различными компонентами и сигнальными линиями. При проектировании ПП  необходимо учитывать такой важный параметр, как волновое сопротивление линий передач (ЛП), как одиночных, так и  дифференциальных.

Импеданс ЛП во многом определяет, как сигналы будут распространяться по ПП. Его несоответствие требуемым значениям может привести  к помехам, потерям мощности сигнала и нестабильной работе всего устройства. Поэтому важно корректно рассчитывать волновое сопротивление ЛП [1].

Существует несколько систем автоматизированного проектирования  (САПР), позволяющих вычислять импеданс ЛП на печатных платах с высокой точность. Все эти системы до последнего времени являлись импортными. Российских аналогов практически не было. 

В данной статье проводится сравнение рассчитанных параметров ЛП между ведущими зарубежными САПР и отечественным инструментом SimPCB. 

Современный инженер достаточно консервативный и тяжело меняет выбранные когда-то подходы и инструменты для проектирования. Только объективные доводы, новые возможности, современный и проверенный математический аппарат и высокое качество реализации могут убедить специалиста сменить программное средство. Итак, точность будет оцениваться путем сравнения значений импеданса, полученных с помощью SimPCB и в других подобных инструментах, а также с реальными измерениями волнового сопротивления ЛП на тестовой плате.