Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Анализ современного состояния систем проектирования печатных плат с учетом требований ЭМС
1.1. Тенденции развития электроники, повышение быстродействия, миниатюризация РЭА, новые технологии, сокращение сроков проектирования, ужесточение требований ЭМС 13
1.2. Современные направления развития систем автоматизации проектирования радиоэлектронной аппаратуры 25
1.3. Развитие САПР, встраивание виртуального прототипа в процесс проектирования 29 1А Необходимость учета паразитных эффектов при проектировании печатного монтажа, для соблюдения требований ЭМС 33 1.5. Постановка задачи 41
ГЛАВА 2. Анализ моделирования и разработка методов определения электрофизических параметров
2.1. Моделирование печатных плат радиоэлектронной аппаратуры с учетом требований ЭМС 42
2.2. Особенности проектирования высокоскоростных схем на базе печатных плат с учетом требований ЭМС 49
2.3. Основные положения методики проектирования печатного монтажа с учетом электрофизических параметров проводников 53
2.4. Определение наиболее рационального метода расчета ЭФП линий связи 56
2.5. Метод конформных преобразований, как методическая основа расчета ЭФП печатного монтажа 72
2.6. Выводы по главе 2 77
ГЛАВА 3. Интерактивный оперативный анализ печатных плат в распределенной среде
3.1. Идеология распределенных вычислений, проектирование через Интернет 79
3.2. Пакет «Mathematica» и его применимость в расчете ЭФП токоведущих цепей 87
3.3. Алгоритм расчета ЭФП печатного монтажа для пакета 92 «Mathematica»
3.4. Создание WEB-интерфейса для организации общего доступа и упрощения расчетов 94
3.5. Выводы по главе 3 96
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по применению моделей и оперативному анализу эфп печатного монтажа на начальной стадии проектирования
4.1. Основные подходы в реализации методики проектирования печатного монтажа с учетом ЭФП 97
4.2. Выбор геометрических параметров типовых сечений печатных плат 100
4.3. Примеры расчета ЭФП типовых сечений печатного монтажа 101
4.4. Практические рекомендации по проектированию печатных плат и использованию моделей проектирования 103
4.5. Внедрение результатов работы 108
4.6. Выводы по главе 4 108
Заключение 109
Список использованной литературы
- Тенденции развития электроники, повышение быстродействия, миниатюризация РЭА, новые технологии, сокращение сроков проектирования, ужесточение требований ЭМС
- Моделирование печатных плат радиоэлектронной аппаратуры с учетом требований ЭМС
- Идеология распределенных вычислений, проектирование через Интернет
- Основные подходы в реализации методики проектирования печатного монтажа с учетом ЭФП
Введение к работе
В эпоху бурного роста научно-технического прогресса все больше внимания уделяется дальнейшему совершенствованию электронно-вычислительной техники. Это связано с разработками новых информационных систем, автоматизированных систем управления (АСУ), систем автоматизации проектирования (САПР) и т.д. Решение этих сложных научно-технических задач и другие проблемы объективно вызывают необходимость использования болыпого числа радиоэлектронных устройств различного назначения.
Уровень технологии производства радиоэлектронных устройств является одним из основных факторов, определяющих конкурентоспособность на рынке производства радиоэлектронных средств (РЭС) в мире. В условиях современной рыночной экономики, характеризующейся острой конкурентной борьбой производителей, повышение требований к качеству продукции, выражающиеся в необходимости ее сертификации, длительные сроки разработки и появления продукции на рынке вообще лишает смысла ее производства. Развитие технологий проектирования и производства оказало решающее влияние на конструкции и производство радиоэлектронных устройств.
Благодаря современным технологиям, основным направлением совершенствования радиоэлектронных устройств является повышение быстродействия, миниатюризация и возрастающая степень сложности оборудования. Как следствие, повысились требования к радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) на соответствие стандартам и требованиям по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС). Возникла необходимость учета этих требований на стадии проектирования, поскольку неполный или неверный учет требований по обеспечению ЭМС на стадии проектировании приводит значительному росту временных и материальных затрат производителя на последующую доработку производимой электронной аппаратуры.
Основным фактором в повышении быстродействия и миниатюризации современных РЭС стало рациональное конструирование межсоединений на основе анализа полных электрических схем замещения, включающих как модели электрорадиоэлементов (ЭРЭ), так и адекватные модели линий связи. Линии связи играют важнейшую роль в обеспечении электромагнитной совместимости РЭС.
Таким образом, проблема обеспечения ЭМС радиоэлектронных устройств и систем выходит на новый уровень, являясь гарантом надежности и безопасности всех типов радиоэлектронного оборудования в реальных условиях эксплуатации. Следовательно, соответствие требованиям по обеспечение ЭМС становится одним из показателей качества выпускаемой радиоэлектронной аппаратуры. Проблеме обеспечения ЭМС посвящено множество работ, как в нашей стране, так и за рубежом. Из целого ряда исследователей данной проблемы стоит выделить работы Князева А.Д., Кечиева JLH., Петрова Б.В., Газизова Т,Р., Чермошенцева С.Ф., Фай-зулаева Б.Н., Бессонова АЛ., Д, Уайта, Т. Уилльямса, Э. Хабигера, Дж. Барнса, А. Шваба [1 - 10].
Наиболее рациональным решением проблемы обеспечения ЭМС на уровне печатных плат, является своевременный расчет электрофизических параметров (ЭФП) печатного монтажа, производимый на стадии проектирования. Расчет электрофизических параметров линий связи требует точной оценки электрической емкости с минимальной погрешностью. Расчету электрической емкости проводников посвящены работы Иосселя Ю.Я., Кочанова Э.С., Струнского М.Г., Кечиева Л.Н., ЦиринаИ.В. [И, 12].
Длительная эволюция применения компьютеров для численных расчетов привела к развитию методов компьютерного моделирования и вычислительного эксперимента. Активное использование компьютеров для проведения символьных и графических вычислений, освобождающие исследователя от проведения рутинных, но трудоемких и чреватых ошибками преобразований, существенно сократило время реализации научных и технических проектов. Как следствие этого появилось большое множество компьютерных программ и целых пакетов, позволяющих существенно ускорить и автоматизировать процесс проектирования. Проблема выбора наиболее рационального программного обеспечения (ПО) для проведения конкретных расчетов и проектирования конкретных узлов стала проявляться вес острее.
Автоматизация проектирования является одним из основных факторов сокращения сроков и повышения качества проектирования РЭА. На современном рынке систем автоматизации проектирования существуют программы предтопо-логического анализа, интегрирующиеся в среду проектирования. Разработка топологии платы, с учетом предтопологического анализа электрофизических па-
раметров, анализа целостности сигналов, а также ряда паразитных параметров, происходит качественнее и занимает значительно меньшее время. Постгополо-гический анализ перестаёт быть итерационным процессом с компоновкой и трассировкой заново, а становится средством для заключительного утверждения конструкции платы. В исследование проблем теории автоматизированного проектирования и создания САПР значительный вклад внесли следующие ученые: Абрайтис Л.Б., Вишнеков А.В., Газизов Т.Р., Норенков И.П., Петренко А,И,, Рябов Г\Г\, Селіотин В.А., Чермошенцев С.Ф. [4, 5, 13 - 23] и др.
Но стоит отметить, что, с одной стороны существуют обширные и успешные исследования и наработки отечественных специалистов в теории и практике создания САПР, с другой стороны, широкое распространение в нашей стране получили только зарубежные программные продукты. Помимо высокой стоимости зарубежного программного обеспечения существуют и другие проблемы в области эксплуатации САПР - необходимо обеспечить рабочее место современной ЭВМ и обучить инженера-проектировщика тонкостям эксплуатации пакета. Также к негативным аспектам эксплуатации зарубежных пакетов САПР можно отнести отсутствие универсальных САПР необходимых для расчетов различного типа, а также полное отсутствие или неполную информацию о математических моделях, используемых в пакетах. Однако, учет требований электромагнитной совместимости в условиях современного проектирования, невозможен без понимания алгоритмов и методик, а также моделей электрорадиоэлементов и линий связи, при помощи которых производятся расчеты. А реализация быстродействия, потенциально заложенного в элементной базе, возможна только при корректном конструировании межсоединений на основе анализа полных схем замещения.
На основании проведенного анализа можно сформулировать цели и задачи диссертационной работы. Целью настоящей работы является разработка методики проектирования печатных плат в распределенной вычислительной среде с учетом электрофизических параметров линий печатного монтажа и требований ЭМС.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.
1, Проведен анализ современного инженерно-технического и математического программного обеспечения, численных и аналитических методов расчета электрофизических параметров (ЭФП) печатных проводников.
2. Разработаны алгоритм и методика расчета электрической емкости, индуктивности, волнового сопротивления и времени задержки сигнала линий связи печатного монтажа,
3- Разработан алгоритм встраивания оперативного анализа электрофизических параметров печатного монтажа в процесс проектирования с учетом требований электромагнитной совместимости.
4. Разработаны требования к реализации интерактивного оперативного рас
чета ЭФП печатного монтажа, а таюке WEB-интерфейс для упрощения проведения
расчетов.
5, Реализована и внедрена в процесс проектирования печатных плат мето
дика оперативного анализа и расчета электрофизических параметров проводников
печатного монтажа в распределенной вычислительной среде.
В процессе решения поставленных задач использовались принципы системного подхода, методы конформных преобразований и математического моделирования, элементы теоретических основ САПР, теория расчета параметров цепей, электромагнитной совместимости и основы расчета емкости, индуктивности и волнового сопротивления.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 121 наименование, и 4 приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 120 страниц.
В первой главе рассмотрено современное состояние и тенденции развития конструкций элементов и узлов радиотехнической и электронной аппаратуры. Описаны современные технологии производства компонентов и печатного монтажа. Показаны основные направления проблемы обеспечения электромагнитной совместимости. Особое внимание уделено способам обеспечения ЭМС радиотехнических и электронных устройств и систем - прежде всего путем рационального конструирования межсоединений печатных плат, что позволяет сократить уровень непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП). Проведен комплексный анализ решения проблемы обеспечения ЭМС с позиции САПР РЭА на основе тенденции развития стандартов по ЭМС,
Показано, что с позиции проектирования радиоэлектронной аппаратуры выполнение требований по ЭМС характеризует качество производимой продукции и является одним из показателей ее конкурентоспособности. В то же время иеобхо-
димость снижения временных и материальных затрат производителя на доводку изделий при их несоответствии требованиям по ЭМС приводит к возрастанию роли математического моделирования и верификации в процессе проектирования.
Произведен анализ современного программного обеспечения, относящегося к разделу САПР. Показано, что на рынке специализированного программного обеспечения существуют программные продукты, направленные на проведение предтопологического анализа емкостных и индуктивных параметров, расчетов волнового сопротивления, времени задержки сигналов в линии, анализа целостности сигналов, а также ряда паразитных параметров, которые полностью интегрируются в среду проектирования. Таким образом постгопологический анализ становится средством для заключительного утверждения конструкции. Однако анализ и эксплуатация современных САПР позволил выявить множество негативных аспектов использования для малых предприятий в условиях современного рынка.
На основании проведенного анализа сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены вопросы традиционного моделирования печатных плат для обеспечения ЭМС радиотехнической и электронной аппаратуры на основе методов расчета электрофизических параметров печатного монтажа, с учетом требований, изложенных в первой главе.
Описаны основные положения методики проектирования печатного монтажа с учетом электрофизических параметров проводников, которая сводится к расчету электрической емкости, индуктивности, волнового сопротивления и времени задержки сигнала в линии.
Произведен анализ методов непосредственного определения емкости (метод средних потенциалов, метод площадок, метод эквивалентных зарядов, метод граничных элементов и т.д.), а также вспомогательных методов и оценок, который показал, что наиболее приемлемым подходом для реализации расчета ЭФП печатного монтажа, с последующим использованием в структуре САПР, с возможностью использования распределенных вычислений через глобальную сеть, является применение метода конформных преобразований. Метод конформных преобразований сочетает в себе необходимую точность расчетов и относительную простоту. Метод применим при расчете емкостей в плоскопараллельных системах, состоящих из двух или более проводников. В основе метода лежит свойство емкости со-
хранять неизменным свое значение при конформных преобразованиях указанных систем (инвариантность емкости относительно конформного преобразования).
В третьей главе разработана практическая реализация средств распределенного вычислительного эксперимента при помощи математического пакета «Mathematical, разработана методика проведения расчетов ЭФП линий связи печатного монтажа» а также алгоритм расчета для проведения вычислений данного типа.
В качестве инструмента расчета ЭФП предложено использование программного пакета «Mathematica», созданного компанией Wolfram Research для выполнения математических вычислений. Выбор пакета «Mathematica» для проведения соответствующих математических расчетов обусловлен, широкими возможностями при проведении сложных математических вычислений и его модульной организацией. Программный пакет «Mathematica» создан в виде набора взаимодействующих модулей - расчетного и интерфейсного, что позволяет существенно повысить эффективность его работы, В частности, благодаря этому, появляется возможность замены стандартного интерфейсного модуля на WEB-интерфейс, что позволяет осуществлять удаленный доступ к вычислительному ядру системы.
Основываясь на проведенном анализе и следуя рекомендациям, изложенным во вспомогательной литературе, был разработан алгоритм интерактивного анализа электрофизических параметров линий печатного монтажа для математического пакета «Mathematica», с последующим созданием WEB-интерфейса для проведения расчетов через глобальную сеть Интернет.
Основываясь на разработанном алгоритме, была разработана программа и создан WEB-интерфейс, позволяющий с любого компьютера, оснащенного выходом в глобальную сеть, за несколько секунд получить точные значения ЭФП и выявить интересующую зависимость относительно изменений входных параметров. Таким образом, по полученным результатам инженер-проектировщик может сформировать критерии для последующей разработки топологии. Благодаря использованию WEB-интерфейса отпадает необходимость приобретения дорогостоящего программного обеспечения, изучения всех тонкостей самого программного продукта и технологий производства печатных плат. Инженеру-разработчику, как конечному пользователю, достаточно лишь произвести расчет интересующего его участка, сформировать топологию и передать необходимые данные производите-
ліо, что таюке возможно через сеть Интернет- Благодаря этому, возможность проведения полного цикла проектирования и производства РЭА при помощи глобальной сети, перешло на новый этап и сформировало новое направление - «е-дизайн».
В четвертой главе разработаны рекомендации по применению моделей и оперативному анализу ЭФП печатного монтажа, а таюке предложена методика проектирования печатных плат с учетом электрофизических параметров на начальной стадии проектирования.
Рекомендуется производить подобные расчеты на этапе следующим после этапа разработки конструкции печатной платы для дальнейшего учета электрофизических параметров линий связи на этапе топологического проектирования. Таким образом, поеттопологический анализ платы и этап параметрической верификации перестаёт быль итерационным процессом с компоновкой и трассировкой заново, а становится средством для заключительного утверждения конструкции.
При использовании программ расчета электрофизических параметров печатного монтажа в учебном процессе, а также при проведении научных исследований предусмотрена возможность построения графических зависимостей выходных параметров от изменения геометрических размеров проводников или относительной диэлектрической проницаемости материала диэлектрика,
Кроме этого в главе разработаны рекомендации по применению материалов подложек печатных плат, а также геометрических параметров проводников печатного монтажа,
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом и обобщены результаты решения актуальной задачи в области систем автоматизации проектирования печатных плат с учетом требований ЭМС.
В приложении к диссертационной работе приведены копии Актов внедрения результатов работы и Свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ, полученные в процессе работы над диссертацией,
В диссертационной работе получены следующие основные результаты: 1. Показано, что разработка современной электронной аппаратуры невозможна без учета современных требований стандартов по обеспечению электромагнитной совместимости, поскольку сертификация является залогом безопасности
производимого изделия, а таюке качества его изготовления. При этом меры по обеспечению ЭМС должны осуществляться па ранних этапах проектирования,
На основе анализа группы численных и аналитических методов расчега емкости, индуктивности и волнового сопротивления был сделан вывод, что метод анализа ЭФП печатного монтажа при помощи формул, полученных методом конформных преобразований, является наиболее приемлемым подходом для реализации расчетов с последующим использованием в структуре САПР, и возможностью использования распределенных вычислений через глобальную сеть.
Разработана методика анализа и расчета электрофизических параметров печатного монтажа при помощи пакета математического моделирования Mathe-matica. Данная методика позволяет при минимальных временных и ресурсных затратах производить расчет ЭФП печатного монтажа, а также строить графические зависимости емкости, индуктивности и волнового сопротивления от изменения геометрических параметров проводников и относительной диэлектрической проницаемости материала подложки платы.
Разработаны алгоритм и процедура встраивания в процесс проектирования оперативного анализа электрофизических параметров печатного монтажа па ранней стадии проектирования, что позволяет ускорить и повысить эффективность процесса проектирования печатных плат в условиях нового направления проектирования РЭА - «с-дизайн».
В соответствии с принципами построения распределенной вычислительной среды разработаны методика и алгоритм для проведения оперативного расчета ЭФП через глобальную сеть Интернет, Разработанный WEB-интерфейс освобождает конечного пользователя от приобретения дорогостоящего программного и технического обеспечения, а также в кратчайшие сроки позволяет в полной мере учитывать появление новых технологий и тенденций в проектировании РЭА.
В процессе исследований и разработки программного продукта по расчету электрофизических параметров токоведущих цепей линий связи были поданы документы в Российское агентство по патентам и товарным знакам на официальную регистрацию разработанных программ. В результате были получены два Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ - «Расчет электрофизических параметров печатного монтажа» (Приложение 1) и «Расчет электрофизических параметров плоских кабелей» (Приложение 2). Правообладателем про-
граммных продуктов является Московский государственный институт электроники и математики (технический университет), авторами - Кечиев Л.Н., Шевцов М.А.
7. Полученные в диссертационной работе результаты проведенных исследований в области расчета ЭФП были внедрены в учебный процесс на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы». По материалам исследований был разработан ряд лекционных и семинарских занятий с самостоятельной работой для студентов 3—4 курса Московского государственного института электроники и математики, проходящих обучение по дисциплине «Основы проектирования РЭС» (Приложение 3), а также в практику проектирования печатных плат и электронных блоков оптико-электронных систем в «НПО «Геофизика -НВ» (Приложение 4).
Апробация результатов работы.
Работа в целом и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2002 - 2005 г.г., на LVII научной сессии, посвященной дню радио, на Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости в Санкт-Петербурге в 2002 г., а также на научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» с 2000 г. по 2005 г.
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 учебное пособие, 1 учебно-практическое пособие, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, 6 статей, 5 тезисов доклада.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики.
Тенденции развития электроники, повышение быстродействия, миниатюризация РЭА, новые технологии, сокращение сроков проектирования, ужесточение требований ЭМС
В эпоху бурного роста научно-технического прогресса все больше внимания уделяется дальнейшему совершенствованию электронно-вычислительной техники. Это связано с разработками новых информационных систем, автоматизированных систем управления, систем автоматизации проектирования и т.д. Решение этих сложных научно-технических задач и другие проблемы объективно вызывают необходимость использования большого числа радиоэлектронных устройств различного назначения [1, 8- 10, 24-26].
Большинство процессов, связанных с развитием микроэлектроники, носит явно выраженный экспоненциальный характер, а темпы изменений таковы, что подобных им еще не знало человечество па всем протяжении того, что принято называть научно-технической революцией. Это справедливо и для электроники в целом, которая развиваясь в течение последнего полувека с темпом 15 % годовых, в конце 80-х вышла на уровень товарооборота, превосходящий любую другую отдельно взятую отрасль промышленности США. Такого темпа не знало ни одно из направлений научно-технического прогресса (рис. 1.1, а).
Одно из направлений совершенствования современной микроэлектроники -снижение энергопотребления, сопровождающееся снижением удельной себестоимости. Соответствующие зависимости от текущего времени для работы, затрачиваемой па единицу информации (бит), или же - иначе - «параметра качества» (А) полупроводникового прибора в составе интегральной схемы (ИС), и для себестоимости элементарного микроучастка ИС, предназначаемого для обработки этой единицы информации (рис. 1.1, б, в). Они представляют собой падающие экспоненциальные зависимости, что соответствует быстрому относительному удешевлению ИС при одновременном уменьшении удельного энергопотребления. Характеристические параметры элементов ИС при этом улучшаются. Одновременно с увеличением диаметра кремниевого монокристалла происходит рост стоимости всего остального технологического оборудования для изготовления интегральных схем, которое необходимо согласовать по размерам с большой величиной диаметра пластины [28].
Рост реализующейся степени интеграции (и) явился основанием т.н. «закона Мура» в первоначальной его формулировке: «интеграция увеличивается вдвое каждый год». Эта закономерность соответствовала действительности несколько более 10-ти начальных лет развития микроэлектроники, но далее, начиная со второй половины 70-х, ход зависимости несколько замедлился, что заставило Мура искать другие формулировки: «два раза в два года» или же, потом, точнее, «четыре раза в три года» (модифицированный закон Мура).
Исследуя проблему темпов роста интеграции ИС, стоит отметить, что уве личивать п выгодно с точки зрения достижения более высокой производительности обработки информации, как ввиду возможности запараллеливания большого коли чества каналов обработки и использования более емких внутренних резервуаров памяти, так и ввиду увеличения быстродействия всех процессов. Однако реальные возможности всегда ограничены предельно малым размером того конструктивного элемента, из которых строятся все входящие в ИС приборы. Этот минимальный размер (атіп) в свою очередь определяется минимальными физически достижимы ми размерами, или же предельной разрешающей способностью того или иного ви да микротехники, т.е. техники создания микрорисунка на поверхности полупро водниковой пластины. Формально степень интеграции можно определить как: n = (B-b)2/k3ami[t2 , (1.1) где b - площадь технологических и контактных полей, не занятая непосредственно под элементы ИС, к3 - коэффициент, определяющийся реальной конструкцией элемента ИС, а также зазорами между элементами. Все величины, входящие в (1.1), в принципе, не являются константами и изменяются во времени. Величина b составляет обычно малую долю В, и эта доля уменьшается с увеличением интеграции. В первое десятилетие развития микроэлектроники уменьшение величины степени интеграции коэффициента заполнения (к3) обусловило 21-кратный рост интеграции. К концу первого десятилетия (пределы «классического» закона Мура) вклад к3 уменьшился в результате применения автоматизированных систем проектирования и понимания важности этого показателя качества топологического ри супка ИС - до 2,1 раза за последовавшие годы. В дальнейшем он будет изменяться слабо, и его можно считать константой, большей или равной 10. Таким образом, пренебрегая малым изменением этих величин со временем, возможно получить n(t), главным образом, как произведение квадратов двух временных зависимостей: B(t) и ат (І), при этом зависимость B(t) относительно слаба. Таким образом, определяющей зависимостью оказывается amin(t).
Уровень технологии производства радиоэлектронных устройств является одним из основных факторов, определяющих конкурентоспособность на рынке производства РЭС в мире. Развитие технологий производства оказало решающее влияние на конструкции и производство радиоэлектронных устройств. Основным фактором в повышении быстродействия и миниатюризации современных радиоэлектронных средств, а таюке необходимость полного соответствия стандартам и требованиям электромагнитной совместимости, стало рациональное конструирование межсоединений на основе анализа полных электрических схем замещения, включающих как модели электрорадиоэлементов, так и адекватные модели линий связи [11, 12,29].
С одной стороны, уследить за всеми нюансами технологических преимуществ того или иного процесса очень сложно, с другой стороны цена ошибки очень высока. Производственные компании не могут себе позволить развивать технологии, которые в конечном счете оказываются тупиковыми. На сегодняшний день существует достаточно много групп компонентов, применяемых на печатных платах. Стоит рассмотреть терминологию и определения, которые стали стандартами в мировой «электронной сборке» [24, 30 - 32].
Моделирование печатных плат радиоэлектронной аппаратуры с учетом требований ЭМС
ЭМС электронной схемы определяется, главным образом, тем, как компоненты расположены друг относительно друга и как выполнены электрические соединения между самими компонентами [3, 24. 31, 62 - 67]. Каждый ток, протекающий по проводнику, порождает обратный ток такой же величины, протекающий по соответствующему проводнику- Создающаяся при этом петля представляет собой антенну, которая может излучать электромагнитную энергию с величиной, определяющейся амплитудой тока, периодом повторения сигнала и геометрическими размерами токовой петли. Нарис, 2.1 показаны пути токов для типовой схемы.
Проводники, в различной степени способствующие генерации нежелательного излучения, разделены на следующие категории:
1, Шины питания создают петли A-C-D-B и A-B-F-B. По этим шинам передастся энергия, необходимая для работы схемы. Поскольку потребляемая мощность не является постоянной величиной, а зависит от состояний компонентов в определенный момент времени, все частотные составляющие, создающиеся этими компонентами, будут представлены на шинах питания. Из-за относительно высокого импеданса шин питания (обычно около 100 Ом) быстрые изменения токов не могут быть подавлены низким выходным сопротивлением источника питания, поэтому данная функция возлагается на разделительный (развязывающий) конденсатор Св.
2, Добавочные петли формируются сигнальными проводниками L-M-F-D и N-Q-P-F. Площади, создаваемые внутри этих петель, обычно малы, если сигналы располагаются внутри устройства. Однако по таким проводникам часто передаются высокочастотные сигналы, поэтому эти шипы необходимо также принимать во внимание.
3. Схема генератора со своими компонентами создает петлю G-H-J-K. По скольку в этой части схемы обычно присутствуют высокочастотные сигналы, ей должно быть уделено особое внимание, чтобы не допустить появления дополни тельного излучения, а размещение компонентов и разводка проводников должны осуществляться так, чтобы минимизировать эффективные площади излучающих антенн.
Токовые выбросы, являются одним из наиболее значимых факторов, определяющих электромагнитную помеховую обстановку [1, 8, 10], Каждый раз, когда выходной каскад переключается из одного состояния в другое, по шинам питания протекает импульсный ток. Проблема обостряется, когда переключения происходят на высокой частоте, например, в проводниках, связывающих процессор с микросхемами быстродействующей памяти.
На практике подавление помех на шинах питания рекомендуется производить включением рядом с интегральной схемой развязывающего керамического конденсатора Св емкостью 100 нФ (рис. 2.1). Такой способ подавления помех является эффективным в цифровых системах. Тем не менее, он будет приводить лишь к незначительному уменьшению электромагнитных помех.
Для достижения значительных улучшений в первую очередь необходимо проанализировать полную схему с паразитными компонентами (рис. 2.2) [1, 9, 68]. Два транзистора {QI и Q2) представляют собой выходной каскад интегральной схемы. Их подключение к соседним компонентам осуществляется через цепи Lp/Rp/Cp, представляющие паразитные компоненты выводов корпуса; - Lp- индуктивность вывода от 5 до 30 нГн; - Ср- емкость вывода от 1,5 пФ до 3 пФ; -RP- омическое сопротивление вывода ОД Ом.
Выводы питания VQC И GND подсоединяются к конденсатору С# и источнику постоянного напряжения (рис. 2.2). Следующие значения характеризуют импеданс шины питания Vcc от источника напряжения до вывода микросхемы: - U- индуктивность на единицу длины 5 нГн/см; - С- емкость на единицу длины 0,8 пф/см; - R - сопротивление на единицу длины 0,01 Ом/см. Далее проводник шины питания подходит к первому развязывающему конденсатору Св (рис. 2,2, компоненты Ьь, Н иС в правой части схемы); - СІ-типовое значение емкости 100 пФ; - Lb- индуктивность вывода SMD-корпуса 2 нГн; - Rb - сопротивление потерь 0,2 Ом.
Затем проводник питания (длина 5 см) подходит к второму развязывающему конденсатору Св (рис. 2.2, компоненты Ьы &ь и Сь в центральной части схемы). Эквивалентная схема этих компонентов (проводника и конденсатора) аналогична рассмотренным ранее.
Для простоты, примем следующие номиналы компонентов для эквивалентной схемы источника питания; - Ln - индуктивность 5 мкГн, - С„ - емкость 051 мкФ, - Rn - выходное сопротивление 50 Ом,
Поведение этой схемы было промоделировано SPICE-программой [69, 70]. При этом было допущено, что выход схемы не был нагружен. На рис. 2.3 приведены результаты моделирования в виде временных диаграмм со следующими обозначениями: - Ice - ток питания интегральной схемы (вывод Vcc)i - la -ток, протекающий через первый развязывающий конденсатор;
Идеология распределенных вычислений, проектирование через Интернет
Идеологом и основателем распределенных вьічислепиґі является компания Sun Microsystems, провозгласившая «сеть - это компьютер» [89, 90], Смысл этой фразы кроется в использовании для информационных вычислений не только отдельно взятого компьютера с ограниченными ресурсами, но и практически безграничных ресурсов сети, к которым данный компьютер имеет доступ. Согласно этой концепции все большие задачи должны решаться на мощных серверах, а клиент должен иметь доступ только к вводу данных и к результатам.
Начальные затраты на сетевой компьютер невелики, прочие расходы, например на эксплуагацию и модернизацию аппаратного и программного обеспечения, также заметно ниже расходов на содержание обычной рабочей станции или персонального компьютера. Невысокие цены связаны с тем, что сетевые компьютеры не нуждаются в специальном администрировании. Так как большинство сетевых компьютеров остаются без собственных устройств постоянной памяти, вес пользовательские данные и конфигурационная информация хранится на серверах. Таким образом, при модернизации программного обеспечения или при установке новых приложений все замены происходят только в одном месте - на сервере. Java-техиологии позволяют размещать приложения на сервере и делать их доступными для любого клиента, независимо от его платформы. Это быстрее и значительно дешевле в эксплуатации традиционных путей распространения программного обеспечения.
Концепция сетевого компьютера очень тесно связана с разработанным компанией Sun языком Java и Java-технологиями в целом. При вычислениях по модели Java задачи администрирования и модернизации с уровня клиентов переходят на централизованные серверы. Для поддержки работы с Java серверы должны поддерживать взаимодействие с клиентами Java и запуск приложений Java. Т.к. основная доля расчетов при работе с клиентом, каким является сетевой компьютер, выполняется на сервере, необходимо заботиться о повышении пропускной способности серверов, их масштабируемости с точки зрения производительности и емкости. і&т Т-ЇО и платформа paij мый, митерпретмруеш, и и ооьсішш-оришгарованньш жш& программирование также среду да основных щтпщпт Java СОСТОИТ В ТОМ. ЧПУ ожрйцшожгт мй отделена от разработки приложений. J\m аб&ептетт илатформоисзаписн была сдзсцифнвдіроадна виргуадьшш Java-машина, на которой Ehmosmmrnvn программы. Исходные тексты Java-программ транслируются в шды этой ма; ітлх ыточ Стан для ебшракгаой машины» которая состоит из интерпретатора Java ЇЇ ECIIOJ шетемьт Набор байт-кодов Java легко не только шітарпретаротаїь, но и но оффетггашю компилирован, «на лету» в шшвтшъ колы той платформы, торой рабоюег дарту&лышя машина &т При этом байт-коды содержат ті ную шіформапиш, шшюлшмдую проверять их на ffeionaenoc з ь исполнения, дарт Java определяет также, что при редактировании вненгних сіжтсй прозрачным ДДЙ пользователя образом может осуществляться оомск аеоб объектов не только m локальной тпнт но и на других компьютерам досту к СС1И. пределенных информационных систем. Ограничения вводятся на получение и передачу данных и кода тга хосты, отличные от того, с которого запущен Java-аплет, что приводит к необходимости применять особые сервера-посредники (proxy) для связывания всех необходимых компонентов.
Java-технологии получили особенно широкое применение в инфраструктуре сетей Интернет, Использование броузера Интернет упрощает работу пользователей в сети, позволяет избежать проблем, связанных с обновлением программного обеспечения на рабочих местах пользователей, улучшает внутреннее взаимодействие систем. Использующиеся принципы WEB-навнгации и поиска облегчают пользователям процесс сбора и анализа информации. Одним из преимуществ использования Java-технологий в сетях является предоставление пользователям возможности входить в систему с любого рабочего места, оборудованного доступом в Интернет, и получать при этом доступ к своей родной рабочей среде.
В основе Java-вычислений лежит модель клиент-сервер, в которой программный код Java загружается динамически с сервера по требованию клиента. Приложения Java могут работать в любом месте, где установлено программное обеспечение виртуальной машины Java. Этим достигается платформой езависи-мость и мобильность кода Java, Они могут исполняться в любом броузере с поддержкой Java, Исполняемые па клиенте приложения взаимодействуют с серверами посредством стандартных сетевых протоколов. Более сложные, многоуровневые приложения могут быть построены с использованием распределенных объектов, которые имеют возможность взаимодействовать при помощи протоколов CORBA. Платформонезависимость Java позволяет использовать Java-технологии не только в традиционных настольных средах, но и в многочисленных устройствах, например в интеллектуальных телефонах со встроенными дисплеями, цифровых ассистентах (PDA) как, например, PalmPilot.
В настоящее время в центре СИТМО МИЭМ ведутся работы по созданию информационно-образовательной среды (ИОС). Основной задачей ИОС является доступность учебных материалов через Интернет [90, 92, 93].
Основные подходы в реализации методики проектирования печатного монтажа с учетом ЭФП
Перед тем как рассматривать вопросы, связанные с практической реализацией методики проектирования печатного монтажа с учетом электрофизических параметров, рассмотренной в предыдущей главе, необходимо рассмотреть те тенденции и направления, которые в настоящее время прослеживаются в подходах к проектированию радиоэлектронной аппаратуры вообще и печатных плат в частности. Некоторые из этих тенденций уже были описаны ранее. Как было показано, производство радиоэлектронной аппаратуры (как, впрочем, и любой другой продукции) в условиях рыночной экономики характеризуется острой конкурентной борьбой производителей, как следствие, повышаются требования к качеству продукции, что выражается в необходимости се сертификации, к срокам появления продукции па рынке. С позиции экономического функционирования фирмы-производителя это выражается в стремлении с одной стороны, минимизировать издержки производства, и с другой - повысить качество выпускаемой продукции при условии максимального снижения сроков ее появления на рынке, Следствием этого подхода являются многие тенденции, наблюдаемые сегодня в мировой экономике, среди которых можно выделить углубление специализации производителей продукции и их географическую обособленность.
Стремительное развитие информационных технологий за последнее десятилетие вывело решение многих вопросов, связанных с производством продукции, па качественно новый уровень. При этом, информационные технологии по сути явились инструментарием, позволившим реализовать основные критерии функционирования фирм-производителей в условиях рыночной экономики. Использование высокопроизводительных вычислительных комплексов, Интернет и Интра-нет технологий является средством достижения высоких экономических показателей производителями продукции в условиях жесточайшей конкуренции на рынке.
Область применения информационных технологий охватывает весь жизненный цикл изделия: от этапа проектирования до его выхода на рынок и послепродажного обслуживания.
С позиции проектирования радиоэлектронной аппаратуры в цепочке разработчик — производитель это означает;
1. Широкое использование информационных технологий для получения требуемой, в процессе проектирования, информации в глобальном или локальном информационном пространстве;
2. Внедрение и применение программных и аппаратных средств в процессе проектирования продукции, обеспечивающих минимальные затраты (временные и материальные) при их использовании;
3. Представление используемых в процессе проектирования данных в наиболее удобной как для проектировщика, так и производителя форме. При этом форма представления информации должна не только обеспечивать се полноту и наглядность, но и возможность ее использования в процессе проектирования без дополнительной обработки.
Изложенные выше принципы следует рассмотреть более подробно с позиции их практического воплощения в рамках предложенной методики проектирования печатного монтажа с учетом ЭФП (рис, 4.1).
Рекомендуется производить подобные расчеты на этапе, следующим после этапа разработки конструкции печатной платы, для дальнейшего учета электрофизических параметров линий связи на этапе топологического проектирования. Таким образом, постгопологический анализ платы и этап параметрической верификации перестает быль итерационным процессом с компоновкой и трассировкой заново, а становится средством для заключительного утверждения конструкции.
Основываясь на результатах анализа, и согласно литературе [11, 29, 102] основным методом расчета электрофизических параметров линий связи печатного монтажа, наиболее рационально применимым для расчетов данного типа является метод конформных преобразований- Точнее не сам метод, а формулы расчета емкости, поученные при помощи метода конформных преобразований.
Таким образом, методика расчета электрической емкости линии связи в печатном монтаже с помощью формул, полученных методом конформных преобразований [11,12], сводится к следующим шагам: 1, Необходимо задаться геометрическими размерами проводников и диэлектрическими проницаемостями основания платы и окружающей среды; 2, Вычислить г Эф - эффективную диэлектрическую проницаемость изоляционных материалов; 3, Вычислить модули к и дополнительные модули к полных эллиптических интегралов первого рода К, К ; 4, Определить модулярный угол а - arcsin к и дополнительный модулярный угол а = arcsin к\ 5, Определение эллиптических интегралов К и 1С, как функции соответственно модулярного и дополнительного модулярного углов по таблицам полных эллиптических интегралов первого рода, приведенных, например, в [11,12]; 4. Вычисление с/ =/(К, К9) по соотношениям, приведенным в справочных таблицах [11, 12] и связывающим геометрические параметры сечения линии и коэффициенту; 5. Определение непосредственно электрической емкости между проводниками С = S,S5sr ctl; 6. При необходимости, рассчитать индуктивность и волновое сопротивление.
На основании проведенного анализа и руководствуясь соображениями, приведенными в [90, 93, 99], инструментом практической реализации изложенной методики предлагается использование пакета «Mathematica». Данный математический пакет предназначается для обработки массивов данных, нахождения коэффициентов и самих полных эллиптических интегралов, а также наглядного графического представления полученных результатов. Выбор пакета «Mathematica» объясняется его широкими возможностями при проведении сложных математических вычислений и принципом его построения- основанном на использовании двух взаимодействующих модулей - расчетного и интерфейсного.
Пакет «Mathematica», созданный компанией Wolfram Research относится к классу интегрированных математических пакетов, и предназначен для выполнения в одном сеансе работы символьных, графических и численных расчетов, а также создания программ для выполнения таких расчетов.
