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.
Исследование выполнялось, как для одиночных ЛП, так и для дифференциальных, структуры которых наиболее часто используются инженерами. Расчеты производились калькуляторами, встроенными в следующие САПР: Altium Designer (Altium), Xpedition PCB (Siemens), Si9000 (Polar) [2]. Так же, как отмечалось выше теоретические расчеты сравниваются с реальными значениями волнового сопротивления на ПП. Для этого были изготовлены тестовые купоны ЛП на предприятии “РЕЗОНИТ” и измерены методом динамической рефлектометрии (Time Domain Reflectometry, TDR) по стандарту IPC-2141A [3].
ЛП в виде тестовых купонов рассчитывались на основе стандартного стека (6 слоев) печатной платы толщиной 1 мм, которая была изготовлена на заводе “РЕЗОНИТ” из материала FR4 (TG150) (Рис.1,2) [4].
После изготовления ПП был получен отчет от завода, в котором отображены результаты измерения волнового сопротивление для каждой ЛП (Рис.3). В отчете подсчитаны все линии кроме копланарных ЛП.
Все результаты исследований были сведены в единую таблицу 1. Метка “X” значит, что данная ЛП не может быть посчитана в выбранной САПР или с помощью выбранного метода.
На рисунке 4 представлен сводный график результатов расчетов для волнового сопротивления.
Из представленного выше видно, что значения волнового сопротивления, рассчитанные в разных инструментах, практически не отличаются друг от друга. Максимальная погрешность наблюдается при сравнении теоретического импеданса с результатами измерений на реальной печатной плате. При этом отклонение не выходит за установленные границы в 10 процентов. Значение импеданса на реальной плате во многом зависит от технологических возможностей производства и качества материалов. Изготовление данной тестовой платы на другом заводе приведет к иным значениям волнового сопротивления.
Таким образом, специалист по проектированию высокоскоростных и высокочастотных печатных плат может применять не только зарубежное программное обеспечение, но и отечественное. Инструмент SimPCB от компании “ЭРЕМЕКС”, как и его аналоги, вычисляет первичные и вторичные параметры ЛП с высокой точностью.
Список литературы
Печатные платы и узлы гигабитной электроники / Л.Н. Кечиев. – М.: Грифон, 2017. – 13 с.
IPC-2141A Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards.
https://www.rezonit.ru/
Комментарии (11)
Flammmable
25.06.2024 11:34+2Сюда бы добавить вычисления TXLine, AppCAD и, главное, Keysight ADS и Siemens HyperLynx.
Измерения в Резоните производится оборудованием от Polar. Соответственно, когда я в своей статье проводил аналогичное исследование, Polar оказывался ближе всего :)
В РФ есть Государственный первичный эталон единицы волнового сопротивления ГЭТ 75-2017. Любопытно было бы почитать про измерения с точки зрения метрологии. А то может оказаться, что все пристреливаются по Si9000, сам Si9000 пристреливается по измерителю от Polar. А измеритель, являясь рабочим средством измерения, даёт неплохой разброс.
Просто подобная практика наблюдается и в других сферах симуляции. Несколько месяцев назад слушал доклад о симуляторе интегральной оптики, так его тоже пристреливали не по экспериментальным данным, а по ANSIS или чему-то такому.Читал в одной из книг Кечиева о пользе аналитических методов. Там он сравнивает предка симулятора Si9000 на численных методах и аналитическую формулу из IEC с... результатами, полученными в симуляторе ELCUT на численных методах. Это было забавно. ))))) Объяснения, почему вместо анализа метрологического древа и постановке натурного эксперимента (как у вас), был выбран в качестве "золотого эталона" симулятор ELCUT я в той книге не нашёл.
Skat-Pro Автор
25.06.2024 11:34"Сюда бы добавить вычисления TXLine, AppCAD и, главное, Keysight ADS и Siemens HyperLynx"
Была цель сравнить среди калькуляторов, которые встроенные в САПР для проектирования топологии печатных плат, polar взяли только из за того, что многие инженеры просили с ним сравнить (и он достаточно популярный). TXLine, AppCAD - все таки не так популярны.
Keysight ADS и HyperLynx - это все таки САПР для моделирования. Мы кстати брали HyperLynx для сравнения расчетов переходных отверстий, результаты не удовлетворительные. Возможно в будущем напишем статью на эту тему."Измерения в Резоните производится оборудованием от Polar. Соответственно, когда я в своей статье проводил аналогичное исследование, Polar оказывался ближе всего :)"
Почитал, интересная статья и хороший цикл статей по теме.
"В РФ есть Государственный первичный эталон единицы волнового сопротивления ГЭТ 75-2017...."
Изначальная цель была больше сравнить SimPCB от компании "Эремекс" с калькуляторами встроенными в САПР (которые являются лидерами на рынке), которые умеют делать трассировку и считать импеданс. Возможно было интересно посчитать с точки зрения метрологии, но запроса пока такого нет от инженеров, по крайней мере у нас.
"Читал в одной из книг Кечиева о пользе аналитических методов. Там он сравнивает предка симулятора Si9000 на численных методах и аналитическую формулу из IEC с... "
С точки зрения инженеров, главное что бы их калькуляторы рассчитывали импеданс достаточно точно (в пределах допуска) и расчеты совпадали с расчетами которые производят на заводе. В идеале, что бы это еще совпадало с натуральными замерами на реальной плате (способы есть разные).
На счет "золотого эталона" вопрос всегда дискуссионный).
Flammmable
25.06.2024 11:34Была цель сравнить среди калькуляторов, которые встроенные в САПР для проектирования топологии печатных плат
Тогда почему нет Cadence Sigrity имеющую весьма тесную интеграцию с Allegro? :)
На счет "золотого эталона" вопрос всегда дискуссионный
По-моему данный вопрос вполне однозначен :)
Кстати, а что, если!
Если взять какой-нибудь ADS. Просимулировать им дорожку, свипируя парамерты с, ну, достаточно крупным шагом - по основным геометрическим параметрам. Результаты записать в Эксцель. Затем на ВижуалБаисике написать скрипт для линейной интерполяции. Или даже без ВэБэ - прям в ячейках всё повычислять. Закинуть на лист пару кнопок и полей для ввода.
Затем нарисовать график, где сравнивается работа симулятора на основе Эксцеля и симулятора ADS - в некоторых точках совпадение может оказаться близким к 100%, - и заявить, что только что был создан аналог ADS, который не хуже него, но гораздо дешевле )))))P.S. Будут жаловаться на точность - повторить симуляцию со свипированием, только более убористо. Будут тогда жаловаться на большой объём дистрибутива - пробежаться линейной интерполяцией по всем ячейкам и там, где она даёт хороший результат - повыкидовать промежуточные точки )))
Skat-Pro Автор
25.06.2024 11:34+1"Тогда почему нет Cadence Sigrity имеющую весьма тесную интеграцию с Allegro? :) ...."
Sigrity по тем же причинам не рассматривали, что и HyperLynx.
"Кстати, а что, если!Если взять какой-нибудь ADS...."
Мы пошли по другому пути) разработали свой математический солвер, основанный на численном методе граничных элементов. Который нам дает намного больше перспектив в дальнейшем, сейчас уже есть расчет первичных и вторичных параметров для линии передачи и отверстия ( в планах расчет с учетом частоты, перекрестные помехи и т.д.). По мере реализации в SimPCB будем делиться результатами.Flammmable
25.06.2024 11:34Мы пошли по другому пути) разработали свой математический солвер
Ввиду того, что EDA и средства моделирования требуют от разработчиков несколько различных компетенций, зачастую "встроенные" в EDA средства моделирования являются, фактически, сторонними программными продуктами. Насколько я знаю, Altium не разработала с нуля, а прикупила для своей EDA симулятор Simbeor от компании Simberian.
Eremex решила развивать данные компетенции внутри себя? Чем это было обусловлено? Были ли попытки взаимодействия с разработчиками российского симулятора ELCUT - компанией Тор? И какой у вас сейчас солвер - 2D или 3D?
pbo
25.06.2024 11:34У меня в Xpedition получаются немного другие значение, которые больше приближены к реально измеренным. В даннем расчете также учитывылся etch factor=0.741
pbo
25.06.2024 11:34Микрополосок с маской: 52.044
Заглубленный микрополосок:62.756
полосковая: 50.638
pbo
25.06.2024 11:34микрополосок копланар: 72.076
микрополосок копланар c маской: 69.622
микрополосок копланар с опорным слоем: 47.967
Octabun
Чтобы сделать этот вывод, реальная плата не нужна. Нужно сравнение расчитаных разными программами величин для разных входных данных. А такому сравнению реальная плата только мешает.
Душнила и всепропальщик немедленно поинтересовался бы не подбиралась ли реальная плата так, чтобы "значения волнового сопротивления, рассчитанные в разных инструментах", практически не отличались друг от друга. А я не такой, мне это не интересно.
Skat-Pro Автор
"Чтобы сделать этот вывод, реальная плата не нужна. Нужно сравнение расчитаных разными программами величин для разных входных данных. А такому сравнению реальная плата только мешает. "
Совершенно верно, но нам было еще интересно на сколько расчеты в разных калькуляторах совпадают с реальными расчетами на плате. И как оказалось не все САПР одинаково хорошо считают некоторые структуры. Об этом напишем в будущем статьях.
"Душнила и всепропальщик немедленно поинтересовался бы не подбиралась ли реальная плата так, чтобы "значения волнового сопротивления, рассчитанные в разных инструментах", практически не отличались друг от друга. А я не такой, мне это не интересно."
Не подбиралась) брали структуры линий передач (одиночные и дифф. пары), которые чаще всего используют топологи. Так же для сравнения брали расчеты для копланарных линий передач (реже используются топологами), некоторые САПРы их в принципе не умеют считать и на реальной плате, как оказалось, практически тяжело посчитать методом TDR (но мы это уже позже узнали, когда плата была на согласовании).