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.  

  Запуск SimPCB в программе Delta Design осуществляется через меню  Инструменты (рис.1) в редакторах схемы или платы.

Инструмент состоит из следующих основных функциональных областей (для ЛП) (рис.2):  

• Высокая точность и скорость расчета параметров  ЛП и ПО [3];

• Использование большого набора структур ЛП (104 структуры);

• Учет высоты маски и технологического подтрава проводника;

• Расчет первичных и  вторичных параметров ЛП и ПО (емкость, индуктивность, волновое сопротивление, задержка сигнала и т.д.);

• Множественный расчет; 

• Учет различных вариантов расположения маски и опорных слоев для ПО.

1. В данной секции осуществляется выбор типа ПО. В текущей версии доступно отверстие для двухслойной ПП.

2. Активация/деактивация наличия опорных слоев и маски у ПО.

3. Графическое представление ПО с параметрами.

4. Описание  параметров. 

5. Область ввода значений параметров отверстия: 

1. Выбор типа ЛП. Доступно четыре типа: одиночная, дифференциальная, копланарная одиночная, копланарная дифференциальная. 

2. Список ЛП в группе. На текущий момент времени доступно 104 (с учетом перевернутого проводника) структуры для расчета.

3. Описание выбранной ЛП. Здесь же располагается опция перевернуть  проводник и тем самым имитировать  положение ядра (основания диэлектрика) относительно целевого проводника (рис.3).

   

4. Выбор вычисляемого параметра. Осуществляется путем активации кнопки, расположенной рядом с параметром (Рис.4). По умолчанию рассчитывается волновое сопротивление одиночных (Z0) или дифференциальных (Zdiff) ЛП (зависит от выбранной структуры). При необходимости пользователь может рассчитать толщину диэлектрика (H), диэлектрическую проницаемость (Er), толщину проводника (T), ширину проводника (W), зазор внутри дифференциальной пары (S), расстояние от проводника до опорной плоскости (D) для конкретного значения волнового сопротивления. Список параметров зависит от выбранной структуры.

   

5. Область ввода значений параметров структуры и отображение результата.   

6. Настройка множественного расчета. SimPCB позволяет вычислять первичные и вторичные параметры ЛП в диапазоне значений одного выбранного параметра. Необходимо задать минимальное значение, максимальное и шаг. Результаты отображаются  в виде таблицы, которую можно сохранить в формате .xlsx (Рис.5).

   

7. Область отображения первичных параметров ЛП. В настоящее время дополнительно вычисляются: задержка в проводнике (Tpd), погонная емкость (C0), погонная индуктивность (L0), скорость распространения сигнала (Vp) и эффективная диэлектрическая проницаемость (EEr). Для дифференциальных сигналов дополнительно рассчитывается волновое сопротивление нечетной моды (Zodd),  четной моды (Zeven) и  режима общего вида (Zcomm). 

8. В данной секции расположена функциональность настройки допустимых значений параметров, выбор единиц измерения  и сохранения расчета. Также есть возможность открыть ранее сохраненную структуру в формате .xml и вывести результаты расчетов в формате .xlsx.

   Функциональные области для расчета параметров ПО представлены на рисунке (рис.6): 

   

   1. В данной секции осуществляется выбор типа ПО. В текущей версии доступно отверстие для двухслойной ПП.

   2. Активация/деактивация наличия опорных слоев и маски у ПО.

   3. Графическое представление ПО с параметрами.

   4. Описание  параметров. 

   5. Область ввода значений параметров отверстия: 

   • Dv - диаметр ПО;

   • Tp - толщина меди в отверстии;

   • Dp - диаметр площадки на слое;

   • Da - диаметр антипада;

   • T - толщина меди на слое;

   • H - толщина диэлектрика;

   • Er - диэлектрическая проницаемость;

   • С1 - толщина маски;

   • CEr - диэлектрическая проницаемость.

   6. Секция отображения рассчитанных первичных параметров ПО: задержка (Tpd), емкость (C0), индуктивность (L0), скорость распространения сигнала (Vp), волновое сопротивление (Zo). 

   7. Настройка допустимых значений параметров, сохранение проекта и выбор единиц измерения.  

   Таким образом, инструментарий SimPCB позволяют современному инженеру решать часть задач обеспечения целостности сигналов высокоскоростных печатных плат. Основные преимущества инструмента следующие:

   • Высокая точность и скорость расчета параметров  ЛП и ПО [3];

   • Использование большого набора структур ЛП (104 структуры);

   • Учет высоты маски и технологического подтрава проводника;

   • Расчет первичных и  вторичных параметров ЛП и ПО (емкость, индуктивность, волновое сопротивление, задержка сигнала и т.д.);

   • Множественный расчет; 

   • Учет различных вариантов расположения маски и опорных слоев для ПО. 

   Инструмент SimPCB предоставляет возможность современному инженеру проводить расчеты первичных и вторичных параметров ЛП и ПО с высокой точностью. Отличительной особенностью SimPCB от подобных программных продуктов является более полный подход в представлении ЛП. Специалист имеет возможность контролировать параметры межслойного перехода, что актуально для современных печатных плат, проектировать ЛП в которых без применения ПО становится все сложнее. 

   Delta Design c инструментом SimPCB выходит на новый уровень в части проектирования высокоскоростных и высокочастотных устройств, а выбранный подход обеспечивает лидирующие позиции в части контроля параметров ЛП, так как ни один из САПР подобного назначения не позволяет учитывать ПО в линиях.

Список литературы

1. Печатные платы и узлы гигабитной электроники / Л.Н. Кечиев. – М.: Грифон, 2017. – 57 с.

2. Методы расчета волнового сопротивления линий передач на печатных платах / В.А. Ухин, Д.С. Коломенский, В.С. Кухарук, О.В. Смирнова. - Современная электроника, №9/2023. - 40 стр.

3. Сравнение результатов расчетов волнового сопротивления линий передач на печатных платах. / В.С. Кухарук, Д.С. Коломенский, В.А. Ухин, О.В. Смирнова. - Современная электроника, №9/2023. - 43 стр.