Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций 6
1.1. Анализ развития устройств телекоммуникаций 8
1.2. Анализ развития систем передачи сигнала 21
1.3. Применение LVDS в устройствах телекоммуникаций 25
1.4. Анализ возможностей САПР печатных плат 29
1.5. Постановка задачи 40
2. Анализ целостности сигнала в дифференциальной паре 42
2.1. Модовый анализ передачи сигнала по дифференциальной паре 43
2.2. Анализ причин нарушения целостности сигнала и способов их устранения 58
2.3. Анализ методов расчета параметров дифференциальных пар 67
2.4. Выводы 82
3. Разработка модели дифференциальной пары 84
3.1. Применение метода планирования вычислительного эксперимента к дифференциальным парам 84
3.2. Выбор и обоснование исходных данных 91
3.3. Расчет коэффициентов регрессионной модели 95
3.4. Выводы 100
4. Разработка методики проектирования дифференциальных пар 102
4.1. Разработка методики проектирования дифференциальных пар 102
4.2. Разработка программного обеспечения «Оптимизатор параметров микрополосковой дифференциальной пары» 114
4.3. Апробация методики проектирования дифференциальных пар 118
4.4. Выводы 121
Заключение 123
Литература
- Анализ развития систем передачи сигнала
- Анализ возможностей САПР печатных плат
- Анализ методов расчета параметров дифференциальных пар
- Разработка методики проектирования дифференциальных пар
Введение к работе
Телекоммуникации - одна из наиболее динамично развивающихся и приоритетных отраслей. Современный этап развития телекоммуникационной аппаратуры характеризуется постоянным ростом быстродействия, повышением сложности устройств, миниатюризацией. Для систем телекоммуникаций, где требования к быстродействию особенно высоки, цифровые системы должны работать с сигналами, фронты которых составляют доли наносекунд, что соответствует частотам в сотни и тысячи мегагерц [1-4]. Стремительное развитие систем и устройств телекоммуникаций во многом обусловлено ускоряющимся ростом объема информации, которую необходимо передавать. Причем эта тенденция будет сохраняться и, согласно прогнозу компании Nokia Siemens Networks [5], с 2010 по 2015 год объем трафика в фиксированных сетях увеличится в сто раз. Большими темпами идет прирост абонентов сотовых систем: если в начале 2008 года в мире насчитывалось 3 миллиарда пользователей, то согласно прогнозам [6], к концу 2012 года число пользователей вырастет практически до 5 миллиардов.
Суммарный годовой доход компаний телекоммуникационной отрасли мира в 2008 году составил 3,85 триллиона долларов [6], см. также Рис. 0.1. Успех компаний на этом многомиллиардном рынке во многом связан со временем вывода нового изделия на рынок. В таких условиях чтобы угнаться за конкурентами требуется максимально сокращать сроки разработки и доводки устройств, в том числе печатных плат. 5%
36%
Ш Телекоммуникации
18%
Вычислительная техника
Промышленное оборудование (другое)
Автоэлектроника
34%
Авиакосмическая и военная техника
Рис. 0.1. Распределение рынка печатных плат Северной Америки по доходам [7] Таким образом, две современные тенденции - повышение быстродействия и
сокращение срока разработки - выводят проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС)
и целостности сигнала (ЦС) на новый уровень.
В России проблеме проектирования быстродействующих устройств и систем с учетом
требований ЭМС и ЦС посвящены работы Балюка Н.В., Газизова Т.Р., Кечиева Л. Н.,
Князева А. Д., Костроминова A.M., Петрова Б. В., Файзулаева Б. Н., Чермошенцева С.Ф., и
4 др. Из исследований в этой области за рубежом можно выделить работы Дж. Барнса, Э. Богатина, Д. Брука, Д. Отта, Т. Уильямса, Д. Уайта, Э. Хабигера, А. Шваба.
Несмотря на то, что проектирование печатных плат с дифференциальными парами ведется с середины 90-х гг., существующие методики проектирования не всегда оказываются эффективными. Во многом это связанно с тем, что для обеспечения целостности сигнала на стадии проектирования требуется анализ влияния большого числа конструкторско-технологических факторов. Принципиально это возможно, но требует использования специального программного обеспечения, подготовки специалистов, и практически не используется предприятиями, разрабатывающими быстродействующие устройства телекоммуникаций. Повышение точности расчета электрофизических параметров платы сдерживается отсутствием методических и программных средств доступных для инженерного применения. В диссертационной работе рассматривается один из возможных подходов решения данной проблемы: предлагается улучшить существующие методики проектирования дифференциальных пар за счет учета влияния большего числа существенных факторов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 129 страниц.
В первой главе рассматривается современное состояние проблемы проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций. Показано развитие устройств телекоммуникаций, проанализированы тенденции в печатных платах и компонентах. Рассмотрено развитие систем передачи сигнала, вскрыты преимущества и недостатки дифференциальной передачи сигнала, проанализирована одна из наиболее распространенных сигнальных схем - схема низковольтных дифференциальных сигналов. Выполнен анализ возможностей САПР печатных плат в части проектирования дифференциальных пар.
В результате проведенного анализа сформулирована цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе развит модовый анализ передачи сигнала по дифференциальной паре. Проанализирован ряд причин, приводящих к нарушению целостности сигнала, и предложены способы их устранения. Выполнен сравнительный анализ методов расчета параметров дифференциальных пар, предложен способ построения новой модели дифференциальной пары.
Третья глава посвящена разработке модели микрополосковой дифференциальной пары. Обосновывается выбор исследуемого параметра, факторов, их нулевых уровней и интервалов варьирования. Выполнен расчет коэффициентов регрессии модели, произведена оценка погрешности полученной модели и с помощью метода «перевала» уточнены
5 коэффициенты регрессии. Продемонстрировано уменьшение погрешности разработанной модели по сравнению с ранее известными моделями.
Четвертая глава посвящена разработке и внедрению методики проектирования дифференциальных пар. Отличительной особенностью предлагаемой методики является более полный учет влияния конструкторско-технологических параметров на дифференциальное полное сопротивления пары. Для обеспечения пригодности методики к инженерному применению была разработана программа «Оптимизатор параметров микрополосковой дифференциальной пары», позволяющая подобрать значения конструкторско-технологических параметров пары так, чтобы ее дифференциальное полное сопротивление соответствовало требуемому с учетом допуска.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования печатных узлов в ФГУП "МНИРТИ", а также в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ.
Апробация результатов работы. Результаты представлялись и докладывались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, в 2007, 2008, 2009 гг., Научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий», Сочи, 2007 г., на VII международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, в 2007 г., на Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости ЭМС-2008, Санкт-Петербург.
По теме диссертации подготовлено 15 публикаций, в том числе 2 в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, и одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики.
Анализ развития систем передачи сигнала
Передача сигнала по одиночной линии производится при помощи сигнальных проводников, по одному на каждый информационный канал, и общего проводника, по которому протекают возвратные токи [35]. На Рис. 1.20 показана схема передачи сигнала по одиночной линии. Приемник в конце одиночной линии определяет логическое состояние на входе на основании напряжения на конце одиночно линии относительно земли. Преимущества одиночных линий передачи в низкой стоимости и простоте реализации. В системах на основе одиночных линий требуется по одной линии на сигнал. Следовательно, такое решение может быть оптимально, когда затраты на линии передачи, кабели и разъемы важнее, чем скорость и расстояние передачи данных. Примером такого компромисса могут служить медленные компьютерные интерфейсы, такие как параллельный порт для принтера.
Схема передачи сигнала по одиночной линии [35] Основным недостатком передачи сигнала по одиночной линии является относительно низкая помехоустойчивость на высоких скоростях передачи данных или при передаче данных на большие расстояния. Так как помеха, внесенная в линию, складывается с напряжением сигнала, передача данных подвержена ошибкам. Одиночная линия передачи играет роль антенны, излучающей и принимающей электромагнитные поля. Источник напряжения VN на Рис. 1.20 отражает высокочастотную индуктивную связь. Так как одиночные линии передачи данных часто «делят» проводники, по которым протекают возвратные токи, с другими линиями, то также имеются кондуктивные помехи, создаваемые изменением возвратных токов, порождающих помехи напряжения «земли» VQ. Как правило, это низкочастотные помехи (50/60 Гц).
В результате невероятного роста сети Интернет, стремительного развития сотовой связи (см. Рис. 1.18) передача данных существенно увеличилась во всех областях телекоммуникаций [36]. Кроме того, потоки данных для цифрового видео, цветной графики требуют все большей ширины полосы пропускания. Стремительное развитие цифровой связи - движущая сила внедрения высокоскоростных соединений между компонентами, электронными модулями, системами.
Это привело к невозможности качественной организации передачи данных по одиночным линиям, и на смену традиционной передачи пришла дифференциальная передача сигналов [37]. Первый стандарт TIA/EIA-644, рассматривающий вопросы описания и применения дифференциальной передачи сигналов, появился только в 1996 году, а одна из наиболее популярных сигнальных схем - схема низковольтных дифференциальных сигналов (LVDS) - получила широкое распространение во второй половине 1990-х гг. В 2001 г. вышла обновленная версия стандарта TIA/EIA-644-A, ключевые требования этого стандарта приведены в Таблица 1.3 [38]. Из приведенных в данной таблице требований следует, что средняя компонента сигнала общего вида в виде постоянного напряжения составляет 1,25 В, средний размах напряжения 350 мВ, а среднее изменение сигнала в каждой линии 175 мВ.
В приведенных выше примерах высокоскоростная передача данных происходит как внутри, так и между системами. Передача данных внутри системы - основная область применения LVDS. Передача информации между системами производится по высокоскоростному интерфейсу ШЕЕ 1394, по оптоволоконным каналам и по гигабитным сетям Ethernet. Так как аппаратные и программные издержки межсистемных протоколов слишком дороги для их использования для передачи данных внутри системы, простая и недорогая схема LVDS является привлекательной альтернативой. Таким образом по схеме LVDS данные передаются в пределах печатного узла, между печатными узлами, ячейками, стойками. Средой передачи могут быть медные кабели или проводники в печатной плате.
Проанализируем рост частоты и скорости передачи дифференциального сигнала на примере интерфейса HyperTransport [41-47], см. Таблица 1.5. Принципиально данный интерфейс аналогичен LVDS, но значение опорного напряжения выше и составляет 2,5 В. Интерфейс HyperTransport был разработан под руководством AMD в 2001 году и используется для передачи данных между процессорами и наборами микросхем в материнских платах компьютеров и серверов, а также в маршрутизаторах.
В Таблица 1.6 приведены основные параметры различных технологий LVDS [48]. Все перечисленные технологии основаны на дифференциальной передаче сигналов и, таким образом, разделяют общие преимущества дифференциальных сигналов.
По сигнальным схемам LVDS и M-LVDS выпущены стандарты TIA/EIA-644 и TIA/EIA-899 соответственно. Некоторые поставщики в технических характеристиках компонентов указывают «LVDS I/O» (или «псевдо LVDS»), но фактически, такие компоненты могут не удовлетворять требованиям стандартов. Поэтому очень важно обращать внимание на соответствие требованиям стандартов TIA/EIA-644 и TIA/EIA-899.
Логика на переключателях тока (CML) и низковольтная положительная эмиттерно-связанная логика (LVPECL) - широко используемые в отрасли термины, хотя ни по одной из них не выпущено официального стандарта. Следовательно, технические характеристики компонентов, поставляемых различными компаниями, могут отличаться.
Типовая пара драйвер-приемник LVDS показана на Рис. 1.23. Источник тока номиналом 3,5 мА расположен в драйвере. Так как входное сопротивление приемника велико, практически весь ток протекает через согласующий резистор 100 Ом, что приводит к образованию напряжения 350 мВ на входе приемника. Гарантированная чувствительность приемника 100 мВ или меньше, она поддерживается на таком уровне во всем диапазоне значений сигнала общего вида от 0 до 2,4 В. Это сочетание обеспечивает отличный запас по помехоустойчивости и устойчивость к изменению сигнала общего вида между драйвером и приемником. Изменение направления тока приводит к той же амплитуде напряжения на приемнике, но другой полярности. Таким образом генерируются логические нули и единицы (см. Рис. 1.24).
Анализ возможностей САПР печатных плат
Системное Проектирование в Expedition Enterprise. При проектировании устройств необходим не только мощный инструмент проектирования топологии печатной платы, но и интегрированная система проектирования. Expedition Enterprise обладает высоким уровнем интеграции, давая возможность всем членам команды разработчиков выполнять работу более эффективно, ускоряя таким образом процесс проектирования.
Интеграция Expedition РСВ и DxDesigner облегчает плавную передачу правил проектирования и кросс-ссылки между схемотехническим и топологическим окружением. В процессе развития проекта, от концепции до конечного устройства, всегда поддерживается синхронизация баз данных, сообщая инженерам и разработчикам о произошедших изменениях, тем самым, исключая лишние и дорогостоящие итерации проектирования.
Система Expedition Enterprise интегрирована с системой DMS (Система Управления Данными), которая предоставляет централизованную структуру для библиотек компонентов, управление данными и версиями проектов, повторным использованием проектов, отслеживанием, где использован компонент, модуль и т.д., интеграцией с корпоративными PLM системами. Интеграция с инструментами вьщачи на изготовление гарантирует поддержание целостности проекта и после его окончания.
Описание Системы. DxDesigner предлагает законченное решение для создания проекта, его реализации и повторного использования. Он содержит все необходимое для проектирования схем и моделирования, выбора компонентов и управления библиотеками, планировки целостности сигналов, управления проектами и группового проектирования. DxDesigner имеет возможность публиковать схемы, данные библиотек и другие данные проектов через Интернет-сервер, таким образом, любой пользователь, с соответствующими правами доступа, может получить эту информацию, используя Интернет-браузер. DxDesigner также интегрирован с системами управления жизненным циклом изделия, делая доступными внутри предприятия данные проектов, схемы в формате PDF (Acrobat), и ведомости материалов (ВОМ). Он также поддерживает централизованные, базирующиеся на Интернет, библиотеки, таким образом, позволяя иметь только одну версию корпоративной библиотеки.
Дополнительные модули включают: DxDataBook для централизованного доступа к библиотеке, DxPDF для создания схем в формате PDF, DxVariantManager для определения вариантов проекта, DxDataManager для управления файлами проекта и DxViewOnly для визуализации схем через Интернет-подпрограммы.
Совместная Разработка ПЛИС и Платы. Для удовлетворения растущих потребностей проектов ПЛИС и печатных плат, Mentor Graphics предлагает I/O Designer, в качестве быстрого и эффективного решения оптимального назначения выводов ПЛИС с учетом размещения компонентов в топологии печатной платы. I/O Designer интегрирует маршруты проектирования ПЛИС и печатных плат для обеспечения одновременного проектирования сверху-вниз ПЛИС и платы, что позволяет команде разработчиков сократить цикл проектирования и оптимизировать производительность на системном уровне.
Поддерживая библиотеку компонентов ПЛИС от большинства производителей, I/O Designer предоставляет всю важную информацию о каждом выводе выбранного компонента. Пользуясь этой информацией, можно по выбору "закрепить" все сигналы за конкретными выводами компонента или только те сигналы, которые считаются критическими в проекте. Для этих критических сигналов можно также выбрать соответствующий стандарт ввода/вывода. Таким образом, можно оптимизировать распределение выводов в ПЛИС до перехода в топологию платы, добиваясь лучших характеристик системы и уменьшая плотность трассировки платы и время цикла проектирования. Если есть необходимость переставить выводы на плате для дальнейшего улучшения топологии, I/O Designer укажет какие выводы можно переставлять, а какие нет.
I/O Designer также отслеживает соответствие между маршрутами проектирования ПЛИС и платы, выступая в качестве инструмента для управления данными, он контролирует каждый маршрут и управляет любыми внесенными изменениями. I/O Designer отслеживает перестановку выводов на плате и обновляет все необходимые файлы. После этого I/O Designer генерирует ограничения размещения и трассировки ПЛИС, основанные на таблице назначения выводов и HDL- проекте ПЛИС, создает необходимые символы, схемы и иерархические ассоциации, на основе "пост-трассировочных" данных о выводах компонентов.
Топология Плат. Expedition РСВ, усиленный технологией Auto Active, является неотъемлемой частью интегрированного маршрута проектирования. Комбинируя легкость использования с расширенным набором функциональных возможностей, Expedition РСВ предлагает разработчикам передовую технологию для создания наиболее сложных на сегодняшний день проектов, включая интерактивную и многошаговую автотрассировку, настраиваемую пользователем под конкретные задачи проекта, такие как трассировка дифференциальных пар, выравнивание проводников, оптимизация для производства, технологии наращивания и микропереходов. AutoActive. Технологии автотрассировки сочетаются с возможностями интерактивного редактирования и представляет единое, мощное и легкое для использования окружение проектирования. Это окружение устраняет неудобства переключения между разными модулями для выполнения задач и обеспечивает координацию ограничений, используемых для автотрассировщика и интерактивного редактирования.
AutoActive дает разработчику больше возможностей контролировать процесс проектирования топологии, при необходимости переключаясь между автоматическим и ручным редактированием. Все задачи, от таких простых, как задание контура платы, до комплексных процедур выполнения условий трассировки высокоскоростных сигналов, реализуются системой и разработчиком совместно в реальном времени. Конечный результат применения технологии AutoActive это уменьшение времени проектирования, увеличение эффективности и высочайшее качество проектов.
Возможности AutoActive: единое, интегрированное окружение для редактирования размещения и трассировки, которое уменьшает общее время проектирования и увеличивает производительность; поддерживаются все физические и высокоскоростные правила проектирования; в ходе проектирования проект полностью удовлетворяет заданным правилам, что исключает время, затрачиваемое на конечную зачистку ошибок; бессеточная, полноценная трассировка под 45 градусов; наиболее передовая технология авто-трассировки. Автотрассировщик можно в любое время остановить и запустить далее, при этом все результаты будут корректны с точки зрения заданных ограничений; динамическая оптимизация трасс, включая редактирование сегментов, исключение острых углов и выполнение правил подключения к площадкам.
Области Правил. Области правил существенно улучшают трассировку вокруг BGA и других компонентов с мелким шагом выводов. Области правил предоставляют полный набор правил, которыевыполняются при оперативной и пакетной проверке, а также при интерактивной и автоматической трассировке. Области правил можно задать по слоям и назначить в любой многоугольник, прямоугольник или окружность. При вхождении или выходе из области правил автоматически изменяется ширина трасс и зазоры. Для увеличения трассируемости, в области правил можно также изменять размер и диапазон переходов.
Анализ методов расчета параметров дифференциальных пар
Дифференциальное полное сопротивление - полное сопротивление, которое встречает на своем пути дифференциальный сигнал. Дифференциальное полное сопротивление при слабой связи линий передачи в составе дифференциальной пары равно удвоенному волновому сопротивлению одиночной линии. Если сопротивление каждой линии равно 50 Ом, то дифференциальное полное сопротивление пары будет 100 Ом. Когда трассы расположены на расстояние более трех размеров ширины проводника, присутствие второй линии не будет влиять на волновое сопротивление первой линии.
В подавляющем большинстве случаев номинальное значение дифференциального полного сопротивления должно составлять 100 Ом.
Существует несколько методов расчета дифференциального полного сопротивления: 1. По инженерным формулам. 2. В программным пакетах для проектирования печатных узлов (например, Mentor Graphics). 3. Численными методами расчета емкостей, зная которые можно определить дифференциальное полное сопротивление (например, ELCUT [53]).
Сравним эти методы расчета. Расчет с помощью инженерных формул
Для гранично-связанной микрополосковой линии на стеклотекстолите, приближенное значение дифференциального полного сопротивления находится из уравнения (см. Рис. 2.23) [8, 85]: / ,Ом, Zdlfr = 2Z -0,96 1-0,48ехр V Л где: Z - волновое сопротивление несвязанной одиночной микрополосковой линии передачи, s - расстояние от края до края между трассами, мм, hms — толщина диэлектрика между сигнальной трассой и плоскостью возврата, мм.
Для расчета волнового сопротивление несвязанной одиночной микрополосковой линии передачи можно использовать следующую формулу [8]:
Общим недостатком имеющихся формул для расчета дифференциального полного сопротивления является учет не всех существенных факторов, что может приводить к большим погрешностям расчетов. Большим недостатком формул из стандарта IPC-2141A является их излишняя громоздкость, существенно ограничивающая их применимость в инженерной практике. Расчет в программных продуктах для проектирования печатных плат
Расчет дифференциального полного сопротивления в специальных программных пакетах для проектирования печатных узлов дает более точный результат. Основной недостаток данного метода состоит в том, что не всегда известно, рассчитываются ли в этих программах электрические поля или используются аппроксимации. Также следует отметить высокую стоимость (десятки тысяч долларов) и сложность освоения данных программ.
Данные программы можно разбить на две группы: 1. САПР печатных плат, в которых предусмотрена возможность расчета волновых сопротивлений (например, Mentor Graphics). 2. Специализированные программные продукты для расчета волновых сопротивлений численными методами (например, программные продукты компании Polar Instruments).
В данной работе для сравнения этого метода расчета с другими будет выбрана программа CITS25 компании Polar Instruments. Для расчета дифференциального полного сопротивления в программе CITS25 используется метод моментов [56]. На Рис. 2.25 приведен снимок окна данной программы, на котором показаны исходные данные и результаты расчета дифференциального полного сопротивления микрополосковой пары с покрытием паяльной маской. Сравнение данного метода с другими приведено в Таблица 2.6. Расчет с применением численных методов
Основные преимущества численных методов по сравнению с аналитическими состоят в том, что они более универсальны и позволяют проводить анализ более сложных объектов. Для расчета емкости могут использоваться метод граничных и метод конечных элементов. Рассмотрим суть этих методов и выделим их преимущества и недостатки.
Метод граничных элементов
Основная область применения - это расчёт электростатических полей, электрической ёмкости для системы электродов произвольной формы (трёхмерная или двумерная задача с бесконечно удалёнными границами и преимущественно в однородной диэлектрической среде). Одним из характерных ограничением данного метода является однородность среды, что связано с тем, что при расчете емкости в кусочно-однородной среде могут возникнуть серьезные проблемы с отсутствием функции Грина. Но так как в данной работе исследуемый объект - микрополосковая дифференциальная пара с диэлектрическими покрытиями (паяльная маска и влагозащита) - имеет кусочно-однородную среду, то более предпочтительным методом является метод конечных элементов, который практически не накладывает ограничений на однородность среды.
Метод конечных элементов
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 (в двумерной или трехмерной) на конечные элементы. Причем, чем мельче эти элементы, тем точнее описание процессов и явлений, но тем больше затраты вычислительных ресурсов.
Разбиение области на конечные элементы, см. Рис. 2.28. Форма конечных элементов может быть прямоугольной или треугольной. Вся расчётная область покрывается этими 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. В качестве иллюстративного примера можно привести конденсатор с краевым эффектом. В зоне равномерного поля конечные элементы больше, чем в зоне краевого эффекта, см. Рис. 2.28.
Разбиение области на конечные элементы 3. Выбор базовых функций для аппроксимации поля в пределах элемента. Решение данной задачи может быть проведено различными методами. Один из них основан на использовании аналогии. Потенциальная картина электрического поля (эквипотенциали) может быть промоделирована на резистивной сетке. После построения резистивной модели измеряем напряжения у, в определённой точке, которая является моделью подобной точки в области исследуемого конденсатора. Здесь имеется ввиду геометрическое подобие (Рис. 2.29).
Разработка методики проектирования дифференциальных пар
Предлагаемая методика проектирования дифференциальных пар включает в себя следующие этапы (см. Рис. 4.1): 1. Анализ применяемой элементной базы 2. Формулирование требований к дифференциальной паре. 3. Выбор слоев для размещения дифференциальных пар. 4. Формулирование конструкторско-технологических ограничений. 5. Оптимизация конструкторско-технологических параметров. 6. Трассировка линий. 7. Верификация на виртуальном прототипе.
Как правило, процесс проектирования включает в себя несколько итераций. Если при верификации пары на виртуальном прототипе окажется, что требования к ней не соблюдены, то производится корректировка решений, принятых на предыдущих этапах проектирования.
Раскроем содержание данных этапов. При анализе элементной базы необходимо обратить внимание на следующие: длительность фронтов; номинальное сопротивление согласующих резисторов (внешних или встроенных); допуск на сопротивление согласующих резисторов (внешних или встроенных).
Зная длительность фронта сигнала по Таблица 2.4 можно примерно оценить критическую длину линий, при которой разбег мод приведет к возникновению недопустимо большой помехи на дальнем конце.
Следует достаточно осторожно подходить к использованию компонентов со встроенными согласующими резисторами, так как зачастую они имеют достаточно большой допуск на сопротивление. При допуске на сопротивление более ±10% использование компонентов со встроенным резисторами представляется крайне нецелесообразным, так как
в этом случае будет затруднительно обеспечить допустимый коэффициент отражения (не более 0,05). Формулирование требований к дифференциальной паре
На этом этапе необходимо задаться требуемым дифференциальным полным сопротивлением и допуском на него, а также допустимыми диэлектрическими потерями. Выбор слоев для размещения дифференциальной пары
Для уменьшения перекрестных помех между дифференциальными парами и одиночными линиями рекомендуется размещать их в разных сигнальных слоях и располагать между этими сигнальными слоями по крайней мере два потенциальных слоя [35], см. Рис. 4.2. Рекомендуемое расстояние между слоями 2 и 3 - 127 мкм для обеспечения большой емкости между слоями.
. Рекомендуемый набор слоев четырехслойной печатной платы [35] На Рис. 4.3 показан один из наиболее часто используемых наборов слоев шестислойных плат. При такой конфигурации каждый сигнальный слой отделен от слоя питания хотя бы одним слоем заземления. Это приводит к улучшению целостности сигнала, но к увеличению стоимости изготовления плат.
Рассмотрим основные ограничения, а также факторы, их определяющие: 1. Минимальная и максимальная ширина проводников дифференциальной пары. При выборе этих ограничений необходимо учитывать минимальный шаг выводов компонентов и зазоры между контактными площадками, к которым подходят проводники дифференциальной пары (см. Рис. 4.7). Данные о зазорах между контактными площадками для различных корпусов компонентов приведены в стандарте IPC-7351 [87], а также на веб-сайтах крупных производителей электронных компонентов. При назначении этих ограничений необходимо также учитывать технологические возможности производства печатных плат.
Минимальные зазоры между проводниками. Главным образом, определяются технологическими возможностями производства печатных плат и экономической целесообразностью изготовления плат высоких классов точности.
Достаточно высокими техническими характеристиками обладают материалы фирмы Rogers. В Таблица 4.1 приведены марки материалов, рекомендуемые фирмой Rogers для применения в различных устройствах телекоммуникаций.
Также при выборе материалов необходимо учитывать потери при передаче. На частотах менее 1 ГГц потери при передаче сигнала главным образом определяются потерями на скин-эффект, пропорциональными квадратному корню из частоты [48]. На более высоких частотах определяющую роль играют диэлектрические потери, пропорциональные частоте.
В [48, 88] предлагается оценивать потери при передаче с помощью параметров, в частности, SDD21, представляющего собой вносимые потери в дифференциальный сигнал. Он характеризует изменения полученного дифференциального сигнала по амплитуде и по фазе после прохождения сигнала по каналу и отражает способность канала качественно передавать дифференциальный сигнал. На Рис. 4.4 приведена зависимость потерь при передаче дифференциального сигнала по микрополосковой паре на расстояние 25,4 см от частоты для указанных материалов [48].
