что такое трассировка печатной платы

трассировка печатных плат

Трассировка печатных плат — это один из шагов проектирования, который представляет собой процесс определения места и реализации проводящего рисунка платы.

При осуществлении разводки плат выполняется прокладка проводников, которые соединяют между собой те или иные компоненты. Данный процесс происходит после окончательного расположения компонентов на поверхности печатной платы, но стоит понимать, что разводка печатных плат может вызвать необходимость оптимизации конструкции путем изменения положения компонентов.

На данный момент существует три способа реализации трассировки печатных плат:

автоматическая, при которой САПР без вмешательства разработчика наносит проводники на чертеж платы, используя лишь заданные ограничения (такие как, например, минимальный зазор и размер проводника). При данном подходе разработчик контролирует процесс и в случае необходимости исправляет его путем внесения коррективов в исходные параметры, таких как расположение компонентов на печатной плате;

интерактивная, которая совмещает работу САПР и человека. Программа осуществляет прорисовку цепи, а также работу по контролю правил разводки печатной платы, а разработчик, в свою очередь, указывает последовательность действий на тех участках трассировки, которые наиболее сложны для реализации. Такой способ осуществления разводки может быть использован для доработки печатной платы как при ручной, так и при автоматической разводке.

Связанные термины

Процесс обеспечения технологичности конструкции печатной платы, оптимизация производственных затрат.

Проектирование, направленное на оптимизацию стоимости изделия.

Источник

Трассировка печатных плат

Трассиро́вка печатных плат — это пошаговый процесс прокладки проводников в одном из многочисленных САПР печатных плат. Существует три способа трассировки:

Постановка задачи трассировки

Трассировка соединений является, как правило, заключительным этапом конструкторского проектирования РЭА и состоит в определении линий, соединяющих эквипотенциальные контакты элементов, и компонентов, составляющих проектируемое устройство.

Задача трассировки — одна из наиболее трудоемких в общей проблеме автоматизации проектирования РЭА. Это связано с несколькими факторами, в частности с многообразием способов конструктивно-технологической реализации соединений, для каждого из которых при алгоритмическом решении задачи применяются специфические критерии оптимизации и ограничения. С математической точки зрения трассировка — наисложнейшая задача выбора из огромного числа вариантов оптимального решения.

Одновременная оптимизации всех соединений при трассировке за счет перебора всех вариантов в настоящее время невозможна. Поэтому разрабатываются в основном локально оптимальные методы трассировки, когда трасса оптимальна лишь на данном шаге при наличии ранее проведенных соединений.

Основная задача трассировки формулируется следующим образом: по заданной схеме соединений проложить необходимые проводники на плоскости (плате, кристалле и т. д.), чтобы реализовать заданные технические соединения с учетом заранее заданных ограничений. Основными являются ограничения на ширину проводников и минимальные расстояния между ними.

Исходной информацией для решения задачи трассировки соединений обычно являются список цепей, параметры конструкции элементов и коммутационного поля, а также данные по размещению элементов. Критериями трассировки могут быть процент реализованных соединений, суммарная длина проводников, число пересечений проводников, число монтажных слоев, число межслойных переходов, равномерность распределения проводников, минимальная область трассировки и т. д. Часто эти критерии являются взаимоисключающими, поэтому оценка качества трассировки ведется по доминирующему критерию при выполнении ограничений по другим критериям либо применяют аддитивную или мультипликативную форму оценочной функции, например следующего вида:

,

где — аддитивный критерий; — весовой коэффициент; — частный критерий; — число частных критериев.

Известные алгоритмы трассировки печатных плат можно условно разбить на три большие группы:

Источник

Маленькие секреты трассировки плат с операционными и инструментальными усилителями

При проектировании плат
Ничто не обходится так дёшево,
И не ценится так высоко,
Как правильная трассировка.

В век интернета вещей и доступности изготовления печатных плат, причём не только по ЛУТ технологии, их проектированием часто занимаются люди, вся деятельность которых связана с цифровой техникой.

Даже при трассировке простой цифровой платы существуют негласные правила, которым я всегда следую в своих проектах, а в случае разработки измерительных устройств с цифроаналоговыми участками схем это просто необходимо.

В данной статье я хочу обратить начинающих проектировщиков на ряд элементарных приёмов, которые следует соблюдать чтобы получить устойчиво работающую схему и снизить погрешность измерения или минимизировать коэффициент искажений звукового тракта. Для наглядности информация изложена в виде рассмотрения двух примеров.

Рекомендации очень просты и многим известны, тем не менее, как показала моя практика, далеко не всегда даже специалисты с опытом их придерживаются.

Пример номер два. Трассировка простой схемы операционного усилителя

Рис. 1. Схема усилителя на ОУ

Для начала рассмотрим простейший пример. Всего несколько резисторов и конденсаторов — неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления по напряжению 2. Поставим себе задачу оптимизировать трассировку по площади и рассмотрим два варианта. Плата в обоих случаях двухслойная, верхний сигнальный слой красный, нижний синий. Правый вариант не только несколько меньший по площади, главное в нём ниже вероятность возникновение паразитных связей.

Рис. 2. Два варианта трассировки платы усилителя на ОУ

Во первых, обратите на то, как установлен блокировочный конденсатор С2 на правой части рисунка — на минимальном расстоянии от вывода питания. Во вторых, приходящее с источника отрицательное напряжение сначала попадает на конденсатор и лишь оттуда на вывод питания ОУ. Этот простой приём значительно увеличивает эффективность работы блокировочного конденсатора. Похожим образом я поступил и с конденсатором С1. Кстати, если вы применяете несколько блокировочных конденсаторов, например тантал большой ёмкости и керамический меньшей, то конденсатор меньшей ёмкости должен располагаться ближе к выводу питания, так как он имеет меньшую паразитную индуктивность и лучше подавляет высокочастотные помехи.

Элементы цепи обратной связи должны быть расположены как можно ближе к неинвертирующему входу, что минимизирует возможность наводок на высокоомную входную цепь.

Вместо отдельных проводников земли использована заливка землёй нижнего слоя платы экранный слой, что снижает паразитные наводки. В конце ещё одна рекомендация — не стоит оставлять изгибы проводников под прямым углом — сглаживайте их насколько возможно, это уменьшает длину проводников, вероятность наводок и отражений сигнала.

Переходим к более серьёзному и интересному случаю из области измерений, где трассировка бывает архи важна.

Пример номер один. Трассировка монитора тока потребления на инструментальном усилителе

Рис. 3. Схема монитора тока с использованием инструментального ОУ

На рисунке представлена схема измерителя потребляемого тока. Измерительным элементом служит сопротивление шунта включенное в цепь питания. Нагрузка на которой измеряется ток — Rload. Измеряемое напряжение снимается с сопротивления Rshunt и фильтруется с помощью симметричной цепи на элементах R1,R2,C1-C3. Микросхема U2 служит для подачи опорного напряжения. R4, C5 — выходной фильтр.

При трассировке разумеется необходимо соблюдать все рекомендации которые были даны выше.

Рис. 4. Два варианта трассировки платы усилителя на инструментальном ОУ

Разберём недочёты, которые имеет левая схема:

Не держите на стене заряженное ружьё. Однажды оно обязательно выстрелит и выберет для этого самый неудобный момент.

Источник

Трассировка печатной платы в KiCAD

Введение

Рассмотрим этот инструмент подробнее применительно к уже решенной мною задаче — трассировке печатной платы для преобразователя уровней на базе MAX232.

1. Установка KiCAD и библиотек

Дистрибутив программы и инструкции по установке имеются на её официальном сайте. Так как я предпочитаю использовать Linux, а конкретно Arch Linux, то установка сводится к заклинанию для пакетного менеджера

Первый пакет — сама программа, второй — библиотеке компонентов, третий — 3D-модели компонентов. Собственно и всё. Аналогичный набор пакетов имеется для всех популярных дистрибутивов Linux. Для Windows качаем бинарный инсталлятор здесь. Для macOS все аналогично. В общем, установка элементарна и затруднений не вызывает.

2. Чертим принципиальную схему

Запустив KiCAD мы увидим главное окно программы. Оно содержит дерево проекта и кнопки вызова программных компонент, предназначенных для различных этапов проектирования устройства.

/work/kicad/rs232, и проект назову rs232.

После создания проекта в дереве образуются два файла: rs232.pro — файл проекта; rs232.sch — файл принципиальной схемы. Дважды кликаем по файлу схемы и переходим Eeschema — программу для рисования схем

Формат основной надписи чертежа, естественно буржуазный. Но нас пока не интересует следование ГОСТ и ЕСКД. Нам надо оценить возможности пакета для решения конкретной практической задачи, путь даже такой простой. Поэтому приступим к рисованию схемы.

С правой стороны окна расположена панель инструментов. На ней имеется кнопка с изображением операционного усилителя — жмем на неё и переходим в режим размещения компонентов. Кликая мышью в поле схемы мы инициируем появление диалога

В строке фильтра начинаем набирать «max232». система производит поиск по библиотеке и предлагает нам интересующую нас микросхему. Выбираем её, жмем ОК и курсором мыши помещаем компонент в нужное место схемы. Аналогичным образом кладем на схему электролитический конденсатор, который отзывается в KiCAD по имени CP

Наводим курсор на конденсатор, жмем «V» и в появившемся окне задаем его номинал

Если навести курсор на любой элемент, в частности только что добавленный конденсатор, то нажатием соответствующих клавиш можно выполнять следующие действия

M — переместить компонент (начать перемещение)
C — создать копию компонента
R — повернуть компонент по часовой стрелке
X — отразить компонент относительно горизонтальной оси
Y — отразить компонент относительно вертикальной оси

Действуя описанным образом, размещаем все остальные компоненты схемы. Нам понадобятся следующие элементы

Кроме того, нам понадобится земля и питание +5 В. Эти элементы добавляются в режиме размещения портов питания, который включается на правой панели кнопкой с символом «земли». Нам понадобятся следующие порты: GND — собственно «земля»; +5V — без комментариев.

В конечном итоге на поле схемы у нас получится что-то вроде этого

Теперь, нажатием кнопки с изображением зеленой линии переходим в режим «Разместить проводник» и соединяем выводы всех элементов согласно принципиальной схеме устройства. Если нам нужна дополнительная «земля», наводим курсор на ближайшую «землю», жмем «C» и клонируем её, без отрыва от процесса соединения элементов. В конечном итоге у нас получится следующая схема

Задаем интересующие нас настройки и жмем «Обозначить компоненты». Теперь другое дело

Полагая, что мы закончили схему, проверяем правильность её построения с точки зрения правил KiCAD. Для этого жмем на верхней панели кнопку с изображением божьей коровки с зеленой галочкой. В предложенном нам окне жмем кнопку «Выполнить» и получаем результат

Ошибок нет, но зато есть 13 предупреждений. Эти предупреждения принципиальны — они указывают на то, что некоторые выводы элементов у нас никуда не подсоединены, а также на то, что мы не подали питание на схему.

Неиспользуемых выводов у нас много. Чтобы система не ругалась на нас по их поводу, отметим эти выводы ка неиспользуемые. Для этого выберем режим указания неиспользуемых пинов нажатием кнопки с косым крестом «X» на правой панели, так называемый флаг «Не подключено». Помечаем этим флагом все незадействованные пины

Входы второго канала MAX232 (ножки 8 и 10) подтягиваем к «земле», с тем чтобы гарантировать нулевое напряжение на них при работе устройства.

После этого проверяем схему ещё раз

Отлично, всего два предупреждения о не подключенном питании. Питание в нашем случае подается с другого устройства через штыревую колодку P1, поэтому системе следует указать не это, используя виртуальный порт питания PWR_FLAG. Устанавливаем этот порт питания на схему и подсоединяем его к порту питания +5V, к «земле» и проводу идущему от разъема P1 к диоду, как показано на рисунке

Таким образом мы указываем системе по каким линиям в схему подается питание и следующая проверка проходит уже без ошибок и предупреждений. Сохраняем готовую схему.

выбираем родной для KiCad формат списка цепей, задаем имя файла списка rs232.net и жмем кнопку «Сформировать».

Схема готова и можно приступать к следующему этапу

2. Связывание компонентов и их посадочных мест

В первой колонке расположен список доступных библиотек. Во второй колонке — список компонентов, представленных в нашей схеме. В третьей — список доступных посадочных мест. Скажем нам нужна определится с форм-фактором конденсатора C1. У нас имеются в наличии конденсаторы Ether для монтажа в отверстия с диаметров 5 мм, высотой 11 мм и с расстоянием между выводами 2 мм. Хорошо, выбираем библиотеку Capacitor_ThroughHole (конденсаторы для монтажа в отверстия) в первой колонке, конденсатор C1 во второй колонке и посадочное место C_Radial_D5_L11_P2 в третьей колонке. Двойным щелчком по выбранному посадочному месту связываем его с компонентом. Справа от конденсатора C1 появится выбранное посадочное место, как показано на рисунке выше.

Для проверки посмотрим на чертеж посадочного места, нажав кнопку с изображением микросхемы под лупой на верхней панели

Нажав в окне просмотрщика кнопку с изображением микросхемы, мы увидим 3D-модель компонента

Убеждаемся, что выбранное посадочное место соответствует фактической детали, имеющейся у нас. Таким же образом связываем и остальные компоненты. У меня вышел вот такой список

Надо сказать найти нужное посадочное место с непривычки довольно трудно. Но мне удалось обойтись стандартными библиотеками. В любом случае, проблема отсутствия нужной детали решается путем гугления или самостоятельного изготовления (но это выходит за рамки статьи).

Сохраняем полученный список, закрываем CvPcb и заново генерируем список цепей. Теперь всё готово чтобы приступить к непосредственной разводке платы.

3. Разводка печатной платы

Для настройки правил трассировки идем в меню «Правила проектирования» и в окне

задаем ширину дорожек, зазор между ними, диаметр отверстий, диаметр сверла в соответствии с имеющимися у Вас техническими возможностями. Мои настройки представлены на скриншоте.

Если мы не ошибались на предшествующих этапах, процесс пройдет без ошибок. Закрываем окно и видим, что компоненты разместились в окне чертежа платы

Разумеется они все слиплись в кучу. И их придется растащить на предназначенные для них места. Перемещение компонентов происходит теми же командами что и в редакторе схем — наводим курсор на элемент и жмем «M». Если мы хотим переместить компонент на другую сторону платы, то в режиме перемещения нажимаем клавишу «F». Так следует поступить с микросхемой U1, ибо она располагается со стороны дорожек, ввиду SMD-исполнения корпуса.

Попыхтев немного получаем что-то подобное

Стараемся размести компоненты так, чтобы получалось как можно меньше пересекающихся связей. Теперь можно приступать к трассировка. Автоматическая трассировка у меня не вышла, возможно я не до конца разобрался с её настройками. Для ручной трассировки перейдем в режим трассировки нажав на верхней панели кнопку «Режим дорожек: автотрассировка».

Правой кнопкой мыши щелкаем по пустому пространству рабочего окна и в выпавшем меню выбираем «Выбор рабочего слоя». В появившемся окне выбираем слой B.Cu (медь с обратной стороны платы)

Наводим курсор на какой-либо пин и жмем «X». Появится дорожка, идущая от выбранного пина до текущего положения курсора. Тянем эту дорожку, фиксируя её промежуточные точки однократными щелчками мыши. По завершении, на последнем пине делаем двойной щелчок. Если нам не нравится результат, жмем Esc отменяя проведенную дорожку. Другие полезные команды и их горячие клавиши доступны в контекстном меню, вызываемом правой кнопкой в момент трассировки.

Надо сказать что процесс трассировки интуитивно понятен и довольно скоро мы получаем результат

Желтой линией на скрине показан контур платы. Чтобы нарисовать его переходим в слой Edge.Cuts (список слоев расположен в окне программы справа) и инструментом «Линия или полигон» (кнопка с изображением пунктирной линии на правой панели инструментов) рисуем контур платы.

Результат выглядит довольно симпатично, правда монтаж можно сделать и поплотней.

Задаем печатаемый слой (B.Cu — медь с задней стороны платы), обязательно выставляем галочку «Зеркально», проверяем что выставлен масштаб 1:1 и убираем галку «Печать рамки листа». Жмем печать. Если у нас нет принтера, то печатаем в PDF

Получая на выходе искомый шаблон

Заключение

Надо сказать, что я довольно бегло пробежался по возможностям KiCAD, обращая внимание лишь на ключевые моменты его использования. Эта статья некоторый вводный мануал, обобщающий весьма разрозненную информацию, имеющуюся в сети. Тем не менее он может служить хорошим стартом.

Можно сделать вывод, что программа вполне пригодна для проектирования печатных плат, учитывая что описание всех её возможностей выкатится не в один десяток подобных статей. Её несомненным преимуществом является бесплатность и открытый формат всех конфигурационных файлов и библиотек, дающих бескрайний простор для расширения компонентной базы.

Надеюсь было интересно. Спасибо за внимание!

Источник

Основы трассировки печатных плат. Высокоскоростной дизайн. Часть 1

Аннотация

Данная статья посвящена проектированию печатных плат для высокоскоростной цифровой аппаратуры, целью которой является ознакомить читателей с основами высокоскоростного дизайна при реализации конструкции печатной платы на этапе компоновки и трассировки. Рассмотрены вопросы автоматизированного проектирования печатных плат с учетом анализа целостности сигнала с применением программной среды Altium Designer.

Введение

Конструктор печатных плат сталкивается с проблемами высокоскоростного дизайна по ряду причин. Это применение современной цифровой элементной базы – микросхем с высокой скоростью нарастания и спада – скоростью переключения, настолько быстрой, что переключение из одного логического состояния в другой происходит прежде, чем сигнал успевает переместиться вдоль заданного маршрута и достигнуть целевого контакта. При этом возникает такая ситуация, что сигнал может быть отражен назад к исходному контакту, ухудшив данные исходного сигнала. Т.е. мы должны иметь в виду, что при проектировании высокоскоростных устройств возникают различного рода искажения сигнала, отражения. Для того чтобы сигнал сохранил свою целостность при проектирование высокоскоростных устройств мы производим трассировку не столько печатных проводников, а производим разработку линий передачи, встроенных в печатную плату. Принцип передачи без искажений состоит в применение линий передач с заданным волновым сопротивлением одинаковым на всем протяжении от источника к приёмнику сигнала.

Следовательно, возникает вопрос:когда следует рассматривать печатный проводник как линию передачи?

Здесь уместно ввести понятие электрической длины печатного проводника, которая выражается в долях от обратной величины минимальной длины волны – длительности фронта. Если печатный проводник имеет слишком большую длину волны, то для предотвращения искажений следует выполнить его как линию передачи.

А как определить, что электрическая длина проводника на печатной плате имеет большую длину?

Для решения этого вопроса, существует известное правило: 1/3 длительности фронта сигнала. Т.е. печатный проводник является электрически длинным, если время прохождения сигнала от источника к приемнику превышает 1/3 длительности фронта сигнала.

Для определения электрически длинных сигналов, и для решения вопросов, связанных с тем какие именно печатные проводники выполнять, как линии передачи воспользуемся следующими формулами.

Скорость распространения сигнала V_p – скорость, с которой электрический сигнал может перемещаться вдоль печатного проводника рассчитывается по формуле

где c – скорость света,

ε_r – диэлектрическая проницаемость материала печатной платы.

Предположим, что мы применяем в своем проекте широко распространенный материал FR-4, тогда скорость распространения будет равна

V_p=(299.792458/√4) мм/нс=149.89 мм/нс.

Длина печатного проводника L_r рассчитывается по правилу 1/3 длительности фронта сигнала

где L_r – длина печатного проводника,

Т.е. получается, что при приведенных выше условиях, печатный проводник, имеющий длину 5 мм и более следует рассматривать как линию передачи.

Кроме того, следует отметить, что для достижения целостности сигнала на печатной плате, рассчитанные выше значения могут быть и меньше, что связано, прежде всего, с данными приведенными в документации на конкретную микросхему: данные по длительности фронта сигнала, приведенные в документации, отражают максимальное значение, а значит, реальное время переключения может быть меньше, кроме того, оно может меняться от партии к партии.

Теперь дадим определения терминам, которые широко применяются при высокоскоростном дизайне.

Термины и определения

Линия передачи – система прямых и обратных проводников достаточной протяженности, расположенных в непосредственной близости друг от друга, формирующих единое электромагнитное поле, которое распространяется в этой системе преимущественно от источника к приёмнику (см. рисунок 1).

Модель элементарного отрезка линии передачи состоит из последовательного соединения сопротивления R и индуктивности L и параллельного соединения проводимости G и емкости C. Совокупность этих параметров называется первичными электрическими параметрами линии.

Следующим важным понятием при высокоскоростном дизайне является волновое сопротивление Z.

Волновое сопротивление – вторичный электрический параметр, который образуют погонная индуктивности и емкость, если рассматривать случай линии передачи без потерь, т.е. R=0, G=0 на частотах примерно до 1 ГГц.

Значение волнового сопротивления для линий передачи на печатных платах общепринято выполнять в 50 Ом (такие печатные платы называются платами с управляемым или контролируемым волновым сопротивлением), хотя волновое сопротивление может быть реализовано в диапазоне 40-120 Ом.

Примечание: Сопротивление R характеризует активные потери в линии, содержащее две составляющие. Во-первых, это сопротивление постоянному току или токам низкой частоты. Во-вторых, это сопротивление на высоких частотах, при которых начинает проявляться скин-эффект, т.е. ток течет по скин-слою (по поверхности печатного проводника). Индуктивность L и емкость C определяется конструкцией линии и применяемыми материалами. Проводимость G определяется утечками в изоляционном материале линии.

Типы линий передач

В зависимости от формы сечений различают несколько типов линий передач – см. таблицу 1.

Тип линии передачи	Вид линии передачи в структуре печатной платы
Микрополосковая линия
Копланарный волновод
Копланарный волновод с земляной плоскостью
Прямоугольный волновод
Коаксиальная линия
Связанная микрополосковая линия
Полосковая линия
Витая пара

В случае, когда поперечное сечение линии неизменно вдоль всей её длины, то такую линию передачи называют однородной.

Следует знать, что все высокоскоростные соединения должны быть спроектированы как однородные линии передачи. Кроме того, целостность сигнала при проектировании печатных плат обеспечивается за счет выполнения всех соединений в виде однородных линий передачи и минимизации длины всех неоднородных линий передачи.

Структура слоев

Многие проблемы в высокоскоростном дизайне играет неправильное проектирование возвратных токов. Как правило, прямой ток – это ток, текущий по узкому проводнику, а возвратный ток – проводник, выполненный в виде потенциального слоя. Поэтому важным моментом на этапе компоновки и трассировки печатных плат является правильное проектирование сигнально-потенциальных звеньев, т.е. правильная настройка стека слоев в структуре многослойно печатной платы. Кроме того, это позволяет реализовать требуемое волновое сопротивление.

Исследования показали, что для создания конструкции многослойных печатных плат используются четыре базовых сигнально-потенциальных звена (С – сигнальный слой; Е – потенциальный слой (слой «питание» или «земля»)):

Известно, что волновое сопротивление линии передачи есть функция от диэлектрических параметров среды и линейных размеров сечения линии: толщины и ширины печатного проводника, расстояния между сигнальным и потенциальными слоями.

Расстояние между сигнальными и потенциальными слоями рассчитывается по формуле

Зная значение h_ms, можно определить число прокладок (препрегов):

Из формул приведенных выше и при условии, что ширина печатного проводника выдержана на минимальных технологических нормах, можно сделать вывод о том, что в звене CE при заданном материале, единственным способом управления волновым сопротивлением является число прокладок.

Особенностью данного звена является то обстоятельство, что количество прокладок между сигнальными слоями k_min выбирается минимальным, а между сигнальным слоем и потенциальным зависит от исходных электрических параметров. Таким образом, волновые сопротивления между сигнальными проводниками на разных слоях (Z1 и Z2) и потенциальным слоем будут отличаться. В связи с этим, для того чтобы уровнять волновые сопротивления необходимо будет увеличить ширину печатных проводников на удаленном от потенциального слоя сигнальном слое. Следует иметь в виду, что ширина печатного проводника выбирается из условия Z1=Z2. Отметим, что с практической точки зрения звено ССЕ вносит определенные трудности в её расчете.

Данное звено обладает рядом положительных свойств, прежде всего связанных с возможностью прогнозировать значение волнового сопротивления. Кроме того, в каждом зазоре между слоями располагается одинаковое количество прокладок и волновое сопротивление зависит от расстояния h_s. Что касается небольшой асимметрии сигнального проводника, то это мало влияет на значение волнового сопротивления. Кроме того, симметричность можно улучшить, перераспределяя прокладки в зазорах. Для волнового сопротивления Z=50 Ом расстояние между потенциальными слоями рассчитывается по формуле

Данное звено следует рассматривать как звено, состоящее из двух простых звеньев ЕСЕ. Можно сделать следующий вывод: с практической точки зрения звенья ЕССЕ и ЕСЕ позволяют сформировать достаточно хорошо экранированные полосковые линии передачи. Кроме того, электрические параметры при реализации конструкций многослойных печатных плат со структурой этих звеньев наиболее стабильны.

В таблице 2 ниже приведены различные стеки слоев многослойных печатных плат при высокоскоростном дизайне.

В Altium Designer структура слоев задается на этапе компоновки и трассировки печатной платы в редакторе PCB. Для этого необходимо выполнить команду из главного меню Design>Layer Stack Manager в результате чего появляется диалоговое окно управления стеком слоев – см. рисунок 6.

Проектирование печатных плат для быстродействующей аппаратуры в САПР

Теперь непосредственно рассмотрим, как применить вышеизложенную теорию на практике. Для этого рассмотрим автоматизированные возможности реализации требований, предъявляемых к печатным платам для быстродействующей аппаратуры, на примере САПР Altium Designer. В Altium Designer имеется модуль Signal Integrity, который позволяет проводить анализ целостности сигнала как на этапе проектирования схемы 4 (предтопологический уровень – не учитывается расположение печатных проводников и используется усредненное значение для длины и волнового сопротивления), так и на этапе трассировки печатной платы (посттопологический уровень).

В Altium Designer можно решить следующие задачи по анализу целостности сигнала:

— подбор стека слоев, с учетом требуемого волнового сопротивления;

— возможность обнаружить в результате автоматизированного анализа два главных источника шумов и взаимных помех: отражения (Reflection) и перекрестные помехи (Glosstalk).

Отражения могут появиться вследствие неправильного согласования и неудачной топологии печатной платы. Исходящий сигнал отражается в направлении источника и накладывается на следующие импульсы. Перекрёстные помехи возникают, когда длинные проводники проходят рядом; это приводит к связи между ними через взаимную ёмкость и индуктивность. Кроме того, значительные токи и резкие фронты приводят к увеличению уровня электромагнитного излучения и, следовательно, перекрёстных помех.

Как было сказано выше, задачи целостности сигнала решаются как на схемном этапе, так и на этапе трассировки печатной платы. На этапе проектирования схемы можно решить задачи по согласованию линий передачи и входных/выходных сопротивлений микросхем. Анализ целостности начинается с выполнения команды Tools > Signal Integrity (см. рисунок 7), в результате чего открывается диалоговое окно Signal Integrity (см. рисунок 8).

Далее нам необходимо выполнить ряд настроек для тех цепей, которые мы хотим анализировать: добавить IBIS-модели, описать цепи питания и земли, описать цифровые сигналы, произвести настройку анализа целостности сигнала.

Добавление IBIS-моделей производится нажатием на кнопку Model Assignments (см. рисунок 9).

Далее нам необходимо указать номинальные значения уровня земли и питания, а также задать параметры воздействующего сигнала. Для этого в диалоговом окне Signal Integrity, правой кнопкой мыши необходимо щелкнуть на списке цепей, в результате чего появляется контекстное меню, в котором мы выбираем команду Setup Options, вызывая диалоговое окно SI Setup Options (см. рисунок 12).

На вкладке Supply Nets необходимо выключить опцию Use rules defined in Schematic/PCB и указать для цепей питания и земли их цифровые значения. На вкладке Stimulus диалогового окна SI Setup Options указано значение воздействующего сигнала, который определяет порядок частот работы схемы. Воздействующие сигналы могут быть различны для разных участков схемы, поэтому их удобнее задать с помощью команды Place > Directives > Stimulus. Последнее, что задаётся в диалоговом окне SI Setup Options –вкладка Track Setup, это усредненное значение длины дорожки и значение её импеданса (см. рисунки 13-15). Следует отметить, что эти опции задаются только при предтопологическом анализе.

В качестве примера, далее нам необходимо будет выбрать цепь, находясь в диалоговом окне Signal Integrity, для которой рассчитанное значение Rising Edge Overshoot (максимально допустимый положительный выброс на переднем фронте сигнала) превышает аналогичные значения для других цепей. В нашем случае это цепь М0. Добавляем её в правый список. Под списком цепей справа, мы видим все цепи, которая соединяет эта цепь. В разделе Termination (согласованная нагрузка) устанавливаем режим Serial Res (последовательный резистор). Включаем опцию Perform Sweep, указав разброс резистора от 10 до 100 Ом с шагом 10 Ом, и запускаем анализ нажатием кнопки Reflection Waveforms (см. рисунок 16).

Результатом анализа будет отображение двух графиков Из графика рисунка 17 (выбран вариант без согласования) видно, что на выводе микросхемы U1 имеются довольно большие выбросы, которые могут повлиять на правильность работы схемы. Под выбросами понимаются минимальные и максимальные напряжения, имеющие место после переключения сигнала между логическими уровнями. Такие выбросы являются следствием отражения сигнала из-за неправильного согласования. Недостатком предтопологического анализа является отсутствие возможности задать предельно допустимые значения для выбросов сигналов (это можно сделать лишь на этапе компоновки и трассировки печатной платы).

Если мы будет выбирать предложенные номиналы резисторов в качестве согласованной нагрузки (см. рисунок 18), то получим, что наиболее сглаженные фронты сигнала получаются при величине согласующего резистора 60 Ом (если резистора с таким номиналом не существует, то необходимо использовать ближайший из доступного ряда, т.е. 62 Ом).

Вывод: предтопологический анализ целостности сигнала позволяет решить проблемы высокоскростного дизайна, связанного с отражениями сигнала из-за неправильного согласования. Однако его недостатком является невозможность задать предельно допустимые значения для выбросов сигналов. Данный пробел можно восполнить, применив посттопологический анализ на стадии задания правил проектирования печатной платы.

Известно, что перед тем как приступить к этапу компоновки и трассировки печатной платы, необходимо задать правила проектирования. Для высокоскоростного дизайна в Altium Designer предусмотрена возможность задать ряд правил (находясь в редакторе печатных плат, выбираем команду Design>Rules в результате чего открывается диалоговое окно Design Rules) для анализа целостности сигнала см. рисунок 19 и таблицу 3. Как видно из рисунка правила для анализа целостности сигнала сгруппированы на вкладке Signal Integrity.

Наименование правила	Графическое представление
Impedance Constraint – определяет минимально и максимально допустимый импеданс цепи
Overshoot – Falling Edge – определяет максимально допустимый отрицательный выброс (затухающие колебания относительно низкого значения напряжения) на заднем фронте импульса сигнала
Overshoot – Rising Edge – определяет максимально допустимый положительный выброс (затухающие колебания относительно высокого значения напряжения) на переднем фронте сигнала
Signal Base Value – определяет максимально допустимое значение напряжения сигнала низкого уровня
Signal Flight Time Falling Edge – определяет максимально допустимое время задержки заднего фронта сигнала
Signal Flight Time Rising Edge – определяет максимально допустимое время задержки переднего фронта сигнала
Signal Stimulus – определяет характеристики входных сигналов, которые используются при анализе целостности сигналов. Это сигналы, которые подаются на каждый входной вывод тестируемой цепи и формируются на выходных выводах. Во время проверки правил проектирования возвращается наихудший возможный результат
Signal Top Value – определяет минимально допустимое значение напряжения сигнала высокого уровня
Slope – Falling Edge – определяет максимально допустимое значение крутизны заднего фронта импульса. Под этим значением здесь подразумевается время, затраченное на изменение уровня сигнала от порогового напряжения (VT) до действительного значения напряжения низкого уровня (VIL)
Slope – Rising Edge – определяет максимально допустимое значение крутизны переднего фронта импульса. Под этим значением здесь подразумевается время, затраченное на изменение уровня сигнала от порогового напряжения (VT) до действительного значения напряжения высокого уровня (VIH)
Undershoot – Falling Edge – определяет максимально допустимое значение положительного выброса (затухающие колебания относительно низкого значения напряжения) на заднем фронте сигнала
Undershoot – Rising Edge – определяет максимально допустимое значение отрицательного выброса (затухающие колебания относительно высокого значения напряжения) на переднем фронте сигнала

Следует отметить, что для того чтобы использовать все правила, приведенные в таблице, обязательно должны быть заданы правила для Signal Stimulus и Supply Nets. Далее нам нужно запустить режим проверки правил проектирования командой из главного меню Tools>Design Rule Check и в открывшемся диалоговом окне Design Rule Checker нажать в левой части окна кнопку Signal Integrity после чего в правой части отметить все параметры, которые необходимо проверить на соответствии заданным правилам проектирования. После этого следует запустить режим проверки нажатием кнопки Run Design Rule Check (см. рисунок 20). Далее программой будет сформирован отчет, в котором мы можем обнаружить нарушения, связанные с нарушением правил проектирования. Данное нарушение можно устранить, промоделировав распространение сигнала в ней, запустив режим проверки целостности сигнала, аналогично предтопологическому моделированию командой из главного меню Tools > Signal Integrity.

В отличие от предтопологического моделирования, в посттопологическом моделировании при запуске режима анализа целостности сигнала цепи, у которых есть нарушения по заданным правилам проектирования, подсвечиваются, например, это цепь D7 на рисунке 21. Далее правой кнопкой мыши щелкаем по данной цепи и вызываем контекстное меню, в котором выбираем команду Cross Probe>To PCB для того, чтобы эта цепь была показана на печатной плате (см. рисунок 22). Если в контекстном меню выбрать команду Details, то можно получить полные результаты анализа – см. рисунок 23.

Из рисунка 22 ясно, что для оптимизации выделенной цепи необходимо меандр заменить на прямую дорожку, что приведет в соответствие с правилами проектирования значение отрицательного выброса на переднем фронте импульса. Это можно проверить, открыв заново диалоговое окно Signal Integrity и нажать кнопку Reanalyze Design. В результате для цепи D7 будет получено новое значение для отрицательного выброса 208 мВ (было 549,9 мВ), в правилах проектирования было задано не более 500 мВ.

Кроме того, Altium Designer позволяет выполнить проверку перекрестных помех, но для анализа требуются не только знания возможностей САПР, но и теоретические знания: необходимо определить цепи, которые являются парными для выбранной цепи, так как известно, что перекрестные помехи возникают из-за возвратных токов по экрану питания – их плотности.

Примечание: Плотность тока меняется по экспоненциальному закону и максимально под проводником, а на расстоянии трех толщин печатного проводника становиться практически незначимой.

В Altium Designer, чтобы определить парные цепи необходимо в диалоговом окне Signal Integrity из контекстно меню выбрать команду Preferences и на вкладке Configuration задать максимальное расстояние, на котором дорожки создают перекрёстные помехи (Max Dist) и минимальную длину (Min Length) – см. рисунок 24.

Далее необходимо из контекстного меню выбрать команду Find Coupled Nets, в результате чего будут подсвечены все парные цепи в соответствии с произведенными нами настройками параметров (см. рисунок 25).

Добавляем эти цепи в список для моделирования правой клавишей назначаем одну цепь агрессором (источником помехи), после чего другие цепи автоматически становятся жертвами. В результате назначение агрессора становится активной кнопка Grosstalk Waveforms, позволяющая запустить анализ перекрёстных помех.

На рисунке 26 показаны результаты моделирования перекрёстных помех в виде сигнала на источнике помехи и уровня помехи на проводнике жертве. Если уровень помехи превышает уровень установки цифрового значения, то на проводнике жертве произойдёт ложное срабатывание, и устройство будет работать некорректно. Следовательно, необходимо будет дорабатывать топологию печатной платы.

Выводы: Altium Designer позволяет решить лишь малую часть задач, связанных с высокоскоростным дизайном, т.е. модуль Signal Integrity не позволяет решить все задачи по обеспечению электромагнитной совместимости и целостности сигнала, и рекомендуется экспортировать проект печатной платы из Altium Designer в специализированную программу – HyperLynx. Кроме того, следует отметить, что без знаний физических процессов происходящих на высоких частотах, представляется невозможным качественно спроектировать печатную плату для цифровой быстродействующей аппаратуры.

Источник