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].

Рис. 1. Структура ПП для тестовых купонов
Рис. 1. Структура ПП для тестовых купонов
Рис.2 Тестовая плата с ЛП
Рис.2 Тестовая плата с ЛП

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.

Рис. 3. Отчет предоставленный компанией Резонит после изготовления ПП
Рис. 3. Отчет предоставленный компанией Резонит после изготовления ПП

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.

Таблица 1.  Исходные параметры и результаты расчетов, измерений волнового сопротивления
Таблица 1.  Исходные параметры и результаты расчетов, измерений волнового сопротивления

На рисунке 4 представлен сводный график результатов расчетов для волнового сопротивления.

Рис.4. Сравнение результатов расчетов волнового сопротивления ЛП на ПП
Рис.4. Сравнение результатов расчетов волнового сопротивления ЛП на ПП

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

  1. Печатные платы и узлы гигабитной электроники / Л.Н. Кечиев. – М.: Грифон, 2017. – 13 с.

  2. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_EDA_companies

  3. IPC-2141A Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards.

  4. https://www.rezonit.ru/

Комментарии (11)


  1. Octabun
    25.06.2024 11:34

    Таким образом, специалист по проектированию высокоскоростных и
    высокочастотных печатных плат может применять не только зарубежное
    программное обеспечение, но и отечественное.

    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.


    1. Skat-Pro Автор
      25.06.2024 11:34

      "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).


  1. Flammmable
    25.06.2024 11:34
    +2

    1. Сюда бы добавить вычисления TXLine, AppCAD и, главное, Keysight ADS и Siemens HyperLynx.

    2. Измерения в Резоните производится оборудованием от Polar. Соответственно, когда я в своей статье проводил аналогичное исследование, Polar оказывался ближе всего :)

    3. 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.

    4. 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.


    1. 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).


  1. Flammmable
    25.06.2024 11:34

    Была 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 )))


    1. 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.


      1. Flammmable
        25.06.2024 11:34

        Мы 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?


  1. Karlson_rwa
    25.06.2024 11:34

    Спасибо, но нет.


  1. pbo
    25.06.2024 11:34

    У меня в Xpedition получаются немного другие значение, которые больше приближены к реально измеренным. В даннем расчете также учитывылся etch factor=0.741


  1. pbo
    25.06.2024 11:34

    Микрополосок с маской: 52.044

    Заглубленный микрополосок:62.756

    полосковая: 50.638


  1. pbo
    25.06.2024 11:34

    микрополосок копланар: 72.076

    микрополосок копланар c маской: 69.622

    микрополосок копланар с опорным слоем: 47.967