Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований в области разработки метода проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций 11
1.1. Общая характеристика проблемы //
1.2 Анализ современных материалов, используемых в качестве оснований для создания быстродействующей
цифровой аппаратуры 14
1.2.1 Материалы на основе политетрафторэтилена 14
1.2.2 Печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров 18
1.2.3 Технология НТСС 19
1.2.4 Технология производства КНТО 21
1.2.5 Процессы технологии производства КНТО
1.3 Анализ особенностей создания топологии верхних слоев многослойных керамических модулей 30
1.4 Анализ особенностей проектирования телекоммуникационных устройств, изготавливаемых с. применением КНТО
1.4.1 Изменение геометрических размеров при обжиге 35
1.4.2 Минимальные топологические размеры 36
1.4.3 Расположение металлизированных отверстий 37
1.4.4 Интегрированные пассивные компоненты 38
1.4.5 Влияние диэлектрической проницаемости керамической основы на прохождение сигнала в линиях передачи
1.5 Обзор методов проектирования цифровой быстродействующей аппаратуры 41
1.6 Анализ элементной базы, используемой в быстродействующих устройствах телекоммуникаций 43
1.7 Обзор линий передачи 47
1.8 Постановка задачи 48
2 Разработка модели микрополосковой линии передачи, учитывающей особенности технологии изготовления многослойных керамических модулей 50
2.1 Анализ методов расчета электрической емкости микрополосковой линии передачи 51
2.2 Анализ программного обеспечения, реализующего расчет методом конечных элементов 2.2.1 FlexPDE 55
2.2.2 PDEase2D 57
2.2.3 QuickField 58
2.2.4 Maxwell Spicelink 59
2.2.5 ELCUT 2.3 Обоснование выбора метода планирования эксперимента . 65
2.4 Обоснование выбора метода Бокса-Уилсона 68
2.5 Создание плана эксперимента 70
2.6 Обоснование выбора факторов
2.6.1 Диэлектрическая проницаемость керамической основы 73
2.6.2 Толщина керамической основы 74
2.6.3 Толщина проводника сигнального слоя 74
2.6.4 Ширина проводника сигнального слоя с учетом подтравов 75
2.6.5 Диэлектрическая проницаемость и толщина компаунда на поверхности линии передачи 77
2.6.6 Толщина полимерного компаунда на поверхности линии передачи 81
-2 2.7 Создание модели микрополосковой линии передачи 81
2.7.1 Определение адекватности линейной модели для расчетов волнового сопротивления 83
2.7.2 Разбиение области определения факторов на подобласти 90
2.7.3 Включение в модель эффектов взаимодействия факторов 94
2.7.4 Влияние подтравов проводников назначение волнового сопротивления линии передачи 96
2.7.5 Определение регрессионной модели расчета волнового сопротивления с учетом всех рассматриваемых факторов 97
2.7.6 Определение вида нелинейной модели для расчета значения волнового сопротивления 101
2.7.7 Уточнение нелинейной модели добавлением учета влияния подтравов проводников 102
2.7.8 Уточнение нелинейной модели учетом влияния кусочно-однородной среды 107
2.7.9 Проверка точности полученной модели
2.8 Практическая реализация полученной модели 113
2.9 Выводы 118
3 Анализ целостности сигнала в линиях передачи 121
3.1 Расчет помех отражения и анализ их влияния на сохранение целостности сигнала 123
3.2 Интеграция IBIS-моделей микросхем в расчет помех отраясения методом характеристик 126
3.3 Применение предложенного алгоритма для расчета помех отражения линии передачи 133
3.4 Выводы 136
4 Разработка метода проектирования микрополосковых линий передачи на многослойных керамических подложках 138
4.1 Разработка метода 138
4.1.1 Определение типа линии передачи 139
4.1.2 Определение технологии производства изделия и применяемых материалов 142
4.1.3 Определение параметров линии передачи 142
4.1.4 Расчет волнового сопротивления линии передачи 144
4.1.5 Оценка соответствия расчетных данных требуемым 146
4.1.6 Анализ элементной базы 147
4.1.7 Подбор соответствующих конструкторских решений, удовлетворяющих заданным требованиям ... 148
4.1.8 Оценка помех отражения и их влияния на целостность сигнала 148
4.1.9 Создание виртуального прототипа изделия 1 4.2 Апробация метода проектирования 149
4.3 Рекомендации по проектированию многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций 1 4.3.1 Общие положения, вытекающие из особенностей многослойных керамических подложек 153
4.3.2 Расположение компонентов и топология 155
4.3.3 Создание полостей 158
4.3.4 Создание встроенных пассивных компонентов 158
4.3.5 Требования к конструкции, обусловленные технологическими процессами производства 159
4.4 Выводы 162
Заключение 163
Литература 165
- Анализ особенностей создания топологии верхних слоев многослойных керамических модулей
- Анализ программного обеспечения, реализующего расчет методом конечных элементов
- Интеграция IBIS-моделей микросхем в расчет помех отраясения методом характеристик
- Подбор соответствующих конструкторских решений, удовлетворяющих заданным требованиям
Введение к работе
Актуальность работы
На сегодняшний день перед разработчиками современной телекоммуникационной аппаратуры открываются широкие возможности по выбору различных вариантов исполнения изделий и технологий их производства. Основой любого устройства телекоммуникации является подложка, которая содержит токоведущий контур и на которую в процессе сборки изделия монтируются электрорадиоизделия (ЭРИ). В технологии производства быстродействующей цифровой телекоммуникационной аппаратуры наилучшим образом себя зарекомендовали подложки на основе керамики и подложки на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ).
Традиционные стеклотекстолитовые печатные платы, широко использующиеся в качестве основы устройств телекоммуникаций, производимых с применением технологии поверхностного монтажа, имеют весьма ограниченную область применения. Свойства базового материала позволяют использовать их только в изделиях, работающих на частотах до 2 ГГц. При более высоких частотах передачи данных резко возрастают потери в диэлектрике, и, как следствие, нарушается целостность передаваемого сигнала. Частоты, на которых осуществляется передача данных в современных быстродействующих устройствах телекоммуникаций, могут составлять несколько десятков гигагерц. Фронты передаваемых сигналов уменьшаются, предъявляя жесткие требования к повышению скоростей передачи данных и к согласованию линий передачи. Реалии сегодняшнего дня таковы, что требования рынка диктуют необходимость создания миниатюрных цифровых быстродействующих устройств телекоммуникации, обладающих высочайшей надежностью и имеющих уникальные эксплуатационные характеристики. Заданным требованиям в полной мере отвечают телекоммуникационные устройства, выполненные с применением керамики с низкой температурой обжига (КНТО). При разработке устройств телекоммуникаций, выполненных с применением КНТО, разработчикам необходимо, помимо прочего, учитывать особенности применяемых конструктивных материалов (керамики, металлизационных резистивных и токопроводящих паст), параметры производственного процесса (разрешающая способность процесса фотолитографии, возможности по созданию минимальных расстояний проводник/зазор) и т.д.
В этих условиях, перед разработчиками быстродействующих устройств телекоммуникации встает ряд новых задач. Стоимость единичных серий изделий, изготовленных на основе керамических модулей достаточно высока. Цена ошибки разработчиков и конструкторов возрастает. Появляется ряд задач в области обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). В частности, задачи обеспечения целостности сигнала, уменьшения перекрестных помех, согласования линий передачи. С целью сокращения затрат на доработку неработоспособных изделий возникает необходимость в использовании современных методов проектирования, которые учитывают особенности различных техноло-
гических процессов производства изделий, свойства применяемых материалов и их влияние на конечные свойства изделий. Существующие на сегодняшний день методы проектирования зачастую не учитывают всех необходимых параметров. В этой связи, возникает необходимость в разработке новых методов, позволяющих с высокой точностью рассчитать и сконструировать работоспособную цифровую быстродействующую телекоммуникационную аппаратуру, изготавливаемую с применением современных конструктивных материалов.
На сегодняшний день на рынке программного обеспечения представлено множество продуктов, направленных на решение специфических конструкторских задач при проектировании устройств телекоммуникаций. Это как, ставшие стандартными инструментами разработчиков программные пакеты от Mentor Graphics Technologies, Cadence и Zuken, так и многофункциональные узконаправленные программы производства компаний Polar Instruments, IMST и др. Применение данных продуктов целесообразно с точки зрения повышения точности инженерных расчетов, однако, не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Стоимость специализированного программного обеспечения высока и зачастую сравнима со стоимостью разработки изделия. В этой связи, для частных компаний, специализирующихся на создании конкурентоспособных телекоммуникационных изделий, производимых небольшими партиями, использование подобных дорогостоящих инструментов проектирования может оказаться нецелесообразным.
Тенденции развития современных телекоммуникационных устройств связаны с повышением быстродействия, увеличением частот передачи сигналов, снижением длительности фронтов передаваемых сигналов. В этой связи, одной из ключевых задач при проектировании устройств телекоммуникаций является решение вопросов, связанных с задержкой распространения сигналов, искажения формы сигналов, согласования линий передачи и отражения сигналов в линиях передачи, которые тесно связаны с проблемой сохранения целостности сигналов. В этой связи, поскольку инструменты и методы, используемые при проектировании изделий на основе стеклотекстолитовых печатных плат, в условиях разработки устройств на основе многослойных керамических подложек неэффективны, возникает необходимость в создании методов и инструментов, которые помогут разработчикам устройств телекоммуникаций сократить время проектирования и повысить эффективность процесса.
Существенный вклад в решение проблемы проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций внесли советские и российские ученые: А.Д. Князев, Б.В. Петров, Л.Н. Кечиев, С.Ф. Чермощенцев, Т.Р. Газизов, Б.Н. Файзулаев, В.Г. Журавский, П.В.Степанов, Ю.А. Чурин, а также зарубежные ученые Эрик Богатин (Е. Bogatin), Кейт Армстронг (Keith Armstrong), Абе Риа-зи (Abe Riazi), Дуглас Брукс (Douglas Brooks), Ховард Джонсон (Howard W. Johnson), Тим Уильяме (Tim Williams) и другие.
Цель работы
Целью настоящей работы является сохранение целостности сигнала при его передаче в межсоединениях КНТО за счет учета электрофизических, техно-
логических и топологических параметров многослойных керамических модулей на ранних этапах проектирования.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
-
Проведен анализ существующих технологий производства быстродействующих телекоммуникационных устройств, перспектив развития технологий, общемировых тенденций в производстве устройств телекоммуникаций.
-
Проведен анализ особенностей проектирования телекоммуникационных устройств на основе керамики с низкой температурой обжига.
-
Разработана математическая модель для определения значения волнового сопротивления микрополосковых линий передачи с учетом дополнительных конструкторско-технологических факторов, а именно: подтравов проводников, влияния кусочно-однородной среды.
-
Проведен анализ влияния погрешности встроенных и внешних согласующих резисторов микросхем нагрузки на целостность сигнала при передаче в устройствах быстродействующей телекоммуникационной аппаратуры.
-
Разработан метод проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций на основе многослойных керамических модулей с нормируемым волновым сопротивлением.
-
Разработаны рекомендации по проектированию телекоммуникационных устройств на основе многослойных керамических модулей, изготавливаемых по технологии КНТО.
Методы исследования
При решении поставленных задач были использованы принципы системного подхода, методы теории планирования эксперимента, метод конечных элементов, теория длинных линий, методы математического моделирования.
На защиту выносятся:
Математическая модель микрополосковой линии передачи, выполненной на многослойных керамических модулях, изготовленных по технологии КНТО, учитывающая: изменение значения диэлектрической проницаемости ег в широком диапазоне, влияние подтравов проводников и кусочно-однородной среды на значение волнового сопротивления;
метод проектирования многослойных керамических модулей для быстродействующих устройств телекоммуникаций, учитывающий на этапе разработки изделий возможность возникновения помех отражения при передаче сигнала;
рекомендации по проектированию быстродействующих устройств телекоммуникаций на основе многослойных керамических модулей.
Научная новизна
Научная новизна заключается в разработке метода проектирования мик-рополосковых линий передачи верхних слоев многослойных керамических модулей, отличительной особенностью которого является более полный и точный учет влияния на волновое сопротивление существенных конструкторскс-технологических параметров: подтравов проводников, диэлектрической проницаемости и толщины защитного компаунда. Разработанный метод проектирования позволяет учесть возникновение помех отражения в линии передачи на этапе проектирования и принять меры для их устранения.
Практическая значимость работы:
получена математическая модель расчета волнового сопротивления микро-полосковой линии передачи на многослойных керамических модулях, учитывающая зависимость волнового сопротивления от ранее не учитываемых значимых факторов;
разработан метод проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций, позволяющий сократить временные и экономические затраты на разработку новых устройств засчет более точного расчета параметров линий передачи на ранних стадиях проектирования.
разработана программа для расчета значения волнового сопротивления мик-рополосковых линий передачи многослойных керамических модулей быстродействующих устройств телекоммуникаций для ЭВМ.
Реализация результатов и предложения об использовании
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования на предприятии ЗАО «Инструментальные системы». Разработанные в процессе написания диссертационной работы методические указания внедрены в учебный процесс ФГБОУВПО МИЭМ на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" по дисциплинам «Основы проектирования РЭС», «Технология поверхностного монтажа».
Полученные в диссертационной работе результаты рекомендуется использовать при проектировании современных быстродействующих устройств телекоммуникаций, конструкция которых предусматривает наличие многослойных керамических модулей.
Апробация результатов работы
Результаты представлялись и докладывались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва,
-
2008, 2009, 2010, 2011 гг., Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Саратов,
-
Первой всероссийской конференции «Силовая электроника», Москва, 2008, Десятой научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности Санкт-Петербург, 2008.
B 2008, 2011 годах результаты работы были признаны лучшими среди работ, представленных на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ и удостоены диплома I степени.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 6 тезисов докладов, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы. В приложении приведены акты внедрения и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Анализ особенностей создания топологии верхних слоев многослойных керамических модулей
Материалы на основе ПТФЭ широко используются в России и за рубежом для производства быстродействующих устройств телекоммуникаций. Область применения данных материалов достаточно широкая. В зависимости от типа наполнителя, материалы на основе; - материалы для аналоговых приложений имеют меньший допуск на тефлона применяются в производстве как аналоговых, так и цифровых приложений. При этом, для различных применений необходимо использовать различные материалы. Различия между материалами для аналоговых и цифровых приложений заключаются в следующем [7]: - материалы для аналоговых приложений обычно имеют меньшее значение относительной диэлектрической проницаемости, что обеспечивает большую стабильность на высоких частотах и при изменении температурытолщину диэлектрического основания; - фольга материалов для аналоговых приложений может быть как электролитической, так и катанной; для цифровых приложений применяется только электролитическая фольга; - только отдельные материалы для аналоговых приложений могут применяться в многослойных печатных платах; материалы для цифровых приложений все пригодны для таких применений; - тангенс угла диэлектрических потерь материалов для аналоговых приложений на порядок лучше, чем для цифровых приложений.
Широкая номенклатура материалов ПТФЭ и уникальные свойства тефлона обуславливают возможность их применения в различных отраслях промышленности, начиная от бытовой электроники, заканчивая высокочастотными устройствами аэрокосмического назначения. Данные о возможности применения материалов ПТФЭ для изделий, эксплуатирующихся в космосе приведены в источнике [14].
Печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров На сегодняшний день небольшой процент высокочастотных радиоэлектронных изделий изготавливается с использованием материалов на основе жидкокристаллических полимеров (ЖКП). Жидкокристаллические полимеры используются в качестве основы подложек изделий, функционирующих на высоких и сверхвысоких частотах. Они обладают уникальными свойствами для различных применений, однако, широко в промышленности не распространены в силу сложности процесса производства и необходимости прецизионного контроля каждой стадии процесса. Это существенно удорожает стоимость изделий, изготовленных с использованием ЖКП и делает их применение экономически нецелесообразным. Уникальность свойств ЖКП заключается в следующем:
НТСС (High Temperature Cofired Ceramics) - высокотемпературная, спекаемая за одну технологическую стадию керамика. Использование данной технологии широко применяется в радиоэлектронной промышленности (рис. 1.4). Главным образом, для создания корпусов микроэлектронных изделий. Для создания устройств быстродействующей цифровой телекоммуникационной аппаратуры данная технология применяется в значительно меньшей степени, чем все остальные, описываемые в первой главе.
К преимуществам технологии НТСС можно отнести: высокую теплопроводность материала основания, высокую механическую прочность, стабильность электрических свойств. В Таблице 1.3 приведены типичные свойства диэлектрического основания подложек, изготовленных с применением технологии НТСС.
Для изготовления НТСС-подложек используется керамическая основа. Чаще всего это алюмооксидная керамика с содержанием АЬОз 92%. Это обуславливает высокую механическую прочность НТСС-изделий. Модуль Юнга 92-х процентной керамики составляет 275 ГПа, что более чем в 20 раз больше, чем у материалов на основе ПТФЭ. Теплопроводность керамической основы изделий НТСС составляет около 20 Вт/м К [15]. Вместо оксида алюминия в производстве НТСС-керамики часто используется нитрид алюминия A1N. Данный материал обладает значительно большей теплопроводностью (100-170 Вт/мС) по сравнению с оксидом алюминия (20-30 Вт/мС) [16].
Температура спекания слоев оксида алюминия в технологии НТСС составляет около 1600С. Для создания токопроводящего рисунка используются высокотемпературные пасты на основе вольфрама и молибдена. Подобные пасты обладают худшей электропроводностью по сравнению с золотом и серебром. Так, удельное сопротивление проводника из молибдена - 5,2, а из вольфрама - 5,5 мкОм см против 1,6 и 1,7 мкОм см для проводников из серебра и меди соответственно [17]. Это приводит к увеличению времени задержки сигналов и потерь электрической мощности. В этой связи, изделия, изготовленные по технологии НТСС, реже используются в процессе производства цифровой быстродействующей аппаратуры, чем материалы на основе ПТФЭ и низкотемпературной керамики. В то же время, существуют экспериментальные данные, указывающие на возможность применения изделий, изготовленных по технологии НТСС на частотах до 24 ГГц, а при соблюдении определенных конструкторских требований - на частотах до 30 ГГц [15]. На рис.1.5. приведена модель диэлектрических потерь в керамике НТСС.
Одним из основных преимуществ изделий, изготовленных по технологии НТСС является возможность использования в составе герметичных конструкций. Для большинства изделий, имеющих военную приемку, герметичность является обязательным условием. Кроме того, технология НТСС позволяет создавать встроенные в керамические подложки пассивные элементы (конденсаторы, резисторы, индуктивности).
Анализ программного обеспечения, реализующего расчет методом конечных элементов
Расчёт электрической ёмкости представляет весьма сложную физико-математическую задачу. В инженерной практике используются справочные данные, готовые программные продукты, но, как правило, крайне редко самостоятельно решаются новые задачи по определению ёмкости. Если эта задача нетривиальная, то она является предметом научного исследования.
Все методы расчета электрической ёмкости можно классифицировать следующим образом:
Первые два метода относятся к аналитическим, последующие - численные методы, требуют при реализации программных средств.
Строгие аналитические методы основаны на строгом решении уравнений электростатического поля (уравнений Лапласа или Пуассона).
Задача решается только для тривиальных случаев (однородная среда и простейшая форма электродов в виде пластин, ёмкости между двумя шарами или цилиндрами и т. п.). В результате получают некоторую аналитическую формулу, которую можно использовать.
Метод конформных преобразований применим при расчете емкостей в плоскопараллельных системах, состоящих из двух или более проводников. В основе метода лежит свойство емкости сохранять неизменным свое значение при конформных преобразованиях указанных систем [56]. Метод конформных преобразований применим для расчета только однородных диэлектрических сред. Кусочно-однородные среды могут быть рассчитаны только в отдель -51 ных частных случаях. Кроме того, данный метод оперирует с пластинами, в связи с чем рассматриваемая система должна быть представлена в виде бесконечно тонких пластин.
Таким образом, аналитические методы расчета электрической емкости рассматриваемой модели микрополосковой линии неприменимы для решения поставленной задачи. В случае, когда существует необходимость расчета электрической емкости кусочно-однородных сред, оптимальным, как правило, является использование численных методов расчета электрической емкости.
Метод конечных элементов является одним из самых мощных методов, пригодных для анализа самых разнообразных технических и научных задач. Он основан на разбиении всей расчетной области (двухмерной или трехмерной) на конечные элементы. Причем, чем мельче эти элементы, тем точнее описание процессов и явлений, но тем больше затраты вычислительных ресурсов.
Рассмотрим основы метода на примере расчета линии связи. На рис. 2.1. представлена блок-схема метода конечных элементов.
Сделаем эскиз неэкранированной линии (неэкранированный конденсатор), определим при этом условную границу (некоторый условный периметр сечения линии). Для метода конечных элементов необходимо задание границ расчётной области. Если линия не экранирована, приходится вводить условные границы, если экранированная - границы определяются сами собой по периметру экрана. Расчёты областей с бесконечно удаленными границами, в отличие от метода граничных элементов, представляются весьма сложными в части размерности задачи и задания граничных условий. Реализация расчетов с применением метода конечных элементов выполняется поэтапно.
Второй этап - разбиение области на конечные элементы. Форма конечных элементов может быть прямоугольной или треугольной. Вся расчётная область покрывается конечными элементами. Чем больше область и меньше элемент по размерам, тем больше элементов N и размерность задачи. Для одной области возможно применение конечных элементов различной формы и различного размера. Наиболее мелкие элементы применяются в области более резкого изменения картины поля. Крупные - при плавном изменении картины поля.
Решение данной задачи может быть проведено различными методами. Один из них основан на использовании аналогии. Потенциальная картина электрического поля (эквипотен-циали) может быть промоделирована на резистивной сетке. После построения резистивной модели измеряется напряжение q j в определённой точке, которая является моделью подобной точки в области исследуемого конденсатора. Здесь имеется ввиду геометрическое подобие.
Итак, если переход к модели (значения сопротивлений сетки) выполнен правильно, то потенциалы на узлах резистивной сетки будут соответствовать потенциалам электрического поля в соответствующих точках диэлектрической среды.
Четвёртый этап в решении данной задачи - описание конечных элементов. При этом используется модель конечного элемента: его геометрические размеры и параметры среды. Каждому конечному элементу будет соответствовать фрагмент резистивной сетки из четырёх резисторов (в двумерном случае). Значения сопротивлений зависят от параметров элемента: Ri = Дєг, їх, /у); і = 1, 2, 3, 4, где їх, h - геометрические размеры конечного элемента. Значения сопротивлений рассчитываются как функция от эффективной диэлектрической проницаемости и линейных размеров элемента.
В пределах конечного элемента значение єг неизменно (диэлектрическая среда - однородна), соседний элемент может иметь другое значение єг. Учитывая малость конечного элемента, это практически означает снятие ограничений на однородность среды.
Пятый этап - формирование резистивной сетки. Составляем модель диэлектрической среды конденсатора из моделей конечных элементов. Все проводящие элементы (металлические электроды, экраны и т.д.) моделируются закороченными узлами.
Шестой этап - задание граничных условий. После того как получена некоторая резистив-ная модель, в которой есть узлы, лежащие на периферии, эти узлы необходимо подключить либо к источнику тока, либо к источнику напряжения. Тем самым будут заданы граничные условия задачи. Если наружные узлы моделируют экран, то они должны быть подсоединены к земле, т. е. на них задан нулевой потенциал ф = 0, для электродов конденсаторной системы - фі = 1 и ф2 = 0 (аналогично методу граничных элементов). Таким образом, в системе (два электрода в экране) фактически рассчитывается двухэлектродная система, т. к. поскольку потенциалов только два. Данная система - двухэлектродная, так как электроды с одинаковым потенциалом фактически есть один электрод. Большинство задач электростатики сводится к двухэлектродной задаче.
Седьмой этап - определение потенциалов в узлах R-сетки путём применения программ расчёта электрических цепей. Более эффективно применять специальные программы расчёта пассивных линейных резистивных цепей. Эти программы используют определённое свойство матриц, описывающих Я-сетку. Матрица, описывающая 7?-сетку (система линейных алгебраических уравнений) представляет из себя диагональную матрицу, сильно разреженную. Для подобных матриц существуют эффективные алгоритмы решения (L [/-разложение и др.), что позволяет решать задачи размерностью несколько тысяч и десятков тысяч.
Восьмой этап - расчёт зарядов на электродах. Заряд на электродах определяется через потенциалы соответствующих приграничных узлов. Пусть фі и ф2 соответственно потенциалы приграничных узлов. Тогда заряд на поверхности будет определяться через соотношения: qi = фі//у ; qi = фг//у В этих выражениях /у длина нормали к поверхности электрода, которая известна из размеров приграничного конечного элемента. В общем виде:
Интеграция IBIS-моделей микросхем в расчет помех отраясения методом характеристик
Знак « - » перед значением коэффициента bs означает, что при увеличении значения соответствующего параметра значение параметра оптимизации будет уменьшаться. В данном случае, знаки коэффициентов перед факторами соответствуют их действительному влиянию на значение волнового сопротивления. Модуль Ъ\ свидетельствует о степени влияния соответствующего коэффициента на значение целевой функции. В соответствии с полученными в результате проведения численного эксперимента данными, на рис. 2.14 показана диаграмма влияния на значения волнового сопротивления микполосковой линии передачи исследуемых факторов.
Влияние различных факторов на расчет значения волнового сопротивления Как видно из приведенной диаграммы, наибольшее влияние на значение волнового сопротивления при данном подборе уровней факторов оказывают диэлектрическая проницаемость керамической основы и ее толщина.
В соответствии с выражением (2.21) па основании результатов проведенных численных экспериментов была построена следующая регрессионная модель:
Изначально при подготовке к проведению эксперимента была поставлена задача определить адекватность и применимость неполной квадратичной модели для расчета значения волнового сопротивления многослойной керамической подложки со значениями диэлектрической проницаемости керамической подложки и ее толщины, варьируемыми в широком диапазоне. В соответствии с обозначенными задачами далее была проведена проверка точности полученной модели (2.23). С применением программного комплекса ELCUT была проведена серия экспериментов для определения значения волнового сопротивления микрополос-ковой линии передачи при значениях факторов, выбранных произвольно в рамках их области определения. Была использована матрица планирования эксперимента, приведенная
С целью проверки возможности использования неполной квадратичной модели для расчета значения волнового сопротивления было произведено сравнение экспериментальных данных, представленных с расчетными, полученными с применением модели (2.23).
Как видно из данных, приведенных в Таблице 2.15, погрешность в определении значения волнового сопротивления в соответствии с полученной моделью составляет от 0,2% до 10,5%. При проектировании устройств цифровой быстродействующей аппаратуры погрешность в определении значения волнового сопротивления 10,5% может привести к возникновению помех отражения и, как следствие, к нарушению целостности передаваемого сигнала. В связи с тем, что область определения нескольких факторов (значение диэлектрической проницаемости керамической подложки и ее толщина) велика, возникает необходимость в решении задачи интерполяции. Одним из методов решения задачи интерполяции является разбивка всей области определения факторов на несколько подобластей и решение задачи в них.
Разбиение области определения факторов на подобласти Разобьем область определения значения диэлектрической проницаемости на 2 области. Первая область - значения параметра от 4 до 7. Вторая область - от 7 до 10. Уровни значе -90 ний толщины керамической основы для наглядности оставим прежними. Определение коэффициентов влияния параметров регрессионной модели в данных подобластях покажет возможность применения линейной модели для решения задачи интерполяции в данном конкретном случае.
Для упрощения модели рассмотрим влияние на значение волнового сопротивления мик-рополосковой линии передачи, как и в предыдущей серии экспериментов, четырех факторов: ширины проводника w, толщины проводника /г„„, толщины диэлектрического основания єкер и диэлектрической проницаемости основания hKep. В Таблице 2.16 приведены минимальные, максимальные значения факторов и нулевой уровень для первой серии экспериментов при 4 єкер 7. Как видно из приведенных данных, область определения факторов выбрана достаточно узкой, в связи с чем, с высокой долей вероятности можно предположить, что линейная модель может быть применима для описания поведения целевой функции.
Для проведения численных экспериментов была использована матрица планирования, представленная в Таблице 2.11. Матрицы планирования первого и второго экспериментов серии с указанием значений факторов на уровнях приведены в Таблицах 2.18 и 2.19 соответственно. Для повышения точности определения коэффициентов регрессионной формулы было принято решение использовать полный факторный эксперимент и провести по 16 численных экспериментов для двух серий. Численные эксперименты проводились с использованием программного комплекса ELCUT.
Подбор соответствующих конструкторских решений, удовлетворяющих заданным требованиям
При согласовании по выходу линии нагрузочная прямая (тонкая сплошная линия), которая строится под углом Z , совпадает с В АХ согласующего резистора (рис. 3.18). Поэтому на первом же шаге построений мы попадаем в конечную точку, определяющую статический режим. Построенные осциллограммы сигналов для начала линии и конца линии (рис. 4.1) показывают, что информационный сигнал не искажается по форме.
Следует вывод, что данный вариант обеспечивает неискажённую форму сигнала как на входе, так и на выходе линии.
Графики ВАХ падающих и отраженных волн Таким образом, в рассматриваемом случае целесообразным является согласование линии передачи по выходу путем установки параллельного согласующего резистора с сопротивлением 75 Ом. Однако, как показали расчеты помех отражения, в данном случае помехи отражения несущественны и не скажутся на целостности передаваемого сигнала даже при отсутствии согласующего резистора.
В третьей главе был проведен анализ способов согласования линий передачи, показаны преимущества и недостатки наиболее распространенных способов. Рассмотрено влияние погрешности сопротивления внешних и встроенных в ИМС согласующих резисторов, в ре -136 зультате которого было показано, что необходимо учитывать погрешность данных резисторов на этапе проектирования.
Было показано, что на сегодняшний день отсутствуют методики проектирования, учитывающие конструкторско-технологические параметры линии передачи и погрешность значения согласующих резисторов при определении помех отражения.
Также в третьей главе была обоснована необходимость использования IBIS-моделей ИМС для расчета помех отражения на этапе проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций.
Был разработан алгоритм проектирования, учитывающий ВАХ современных ИМС, параметры линий передачи, особенности согласования электрически длинных линий.
Расчет отражений в соответствии с предложенным алгоритмом показал, что в случае, если при проектировании не учитывать погрешность согласующих резисторов (встроенных и внешних), может произойти нарушение целостности сигнала при его передаче. Расхождение реального значения волнового сопротивления с нормируемым из-за выбора неправильного инструмента расчета с большой погрешностью, или неучтенной погрешности согласующих резисторов может привести к тому, что линия передачи перестанет быть согласованной и в нужный момент уровень сигнала не достигнет уровня логической «1» и микросхема не переключится. Применение предложенного алгоритма позволяет на ранних стадиях проектирования оценить помехи отражения и принять решение о допустимости применяемых проектных решений и соответствия результатов техническому заданию.
Разработка метода проектирования микрополосковых линий передачи на многослойных керамических подложках В предыдущих главах была разработана уточненная модель расчета значения волнового сопротивления микрополосковой линии передачи. Использование приведенных моделей отдельно от комплексного анализа помех отражения в линии передачи представляется малоэффективным. Были проведены расчеты и исследования линий передачи, показывающие необходимость создания целостной методики проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций. В данной главе приводится описание разработанного автором метода проектирования, показаны его отличительные особенности и преимущества в использовании для расчета линий передачи многослойных керамических модулей быстродействующих устройств телекоммуникаций.
Предлагаемый метод проектирования микрополосковых линий передачи многослойных керамических модулей приведен на рис. 4.1. Данный метод предусматривает последовательный расчет электрофизических параметров линии передачи с регулярной верификацией полученных данных.
Первоначально при расчетах линий передачи необходимо определить тип линии передачи, которая будет использоваться в конкретном устройстве. В рамках данной работы разработана методика проектирования микрополосковых линий передачи. В соответствии с международным стандартом IPC-2221 [41] существует несколько типов мирополосковых линий передачи:
Данный тип линий передачи получил широкое распространение в цифровых быстродействующих устройствах. Микрополосковая линия - несимметричная иолосковая линия передачи СВЧ, для передачи электромагнитных волн в воздушной или. как правило, в диэлектрической среде вдоль двух или нескольких проводников, имеющих форму тонких полосок и пластин. В микрополосковой линии распространяется волна квази-ТЕМ и силовые линии электрического поля проходят не только в диэлектрике, по и вне его.
Основным достоинством микрополосковой линии и различных устройств на ее основе считается возможность автоматизации производства с применением технологии изготовления керамических модулей, печатных плат, гибридных и пленочных интегральных схем. Кроме того, микрополосковая линия обладает рядом преимуществ: малыми размерами, низкой стоимостью изготовления, отсутствием частоты отсечки, простотой интеграции с активными устройствами [103J. Основной недостаток, ограничивающий применение - возможность использования только при малых и средних уровнях СВЧ колеЖинрополосковые линии передачи ведут свое начало от двухпроводных линий передач. В отличие от полосковых, микрополосковые структуры сверху открыты. Такая конфигурация линии очень удобна при использовании в СВЧ устройствах, в состав которых входят дискретные активные и пассивные сосредоточенные устройства.
