Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы и выбор направления исследований в области разработки метода проектирования печатных плат с нормированным волновым сопротивлением 8
2.1. Общая характеристика проблемы целостности сигнала 8
2.2. Анализ развития проблем целостности сигнала и электромагнитной совместимости 10
2.3. Анализ подходов в проектировании печатных плат для устройств вычислительной техники 20
2.4. Анализ развития конструкций печатных плат 24
2.5. Анализ развития элементной базы для устройств вычислительной техники 31
2.6. Постановка задачи 41
2. Разработка математической модели линии передачи повышенной точности 45
2.1. Анализ методов оценки электрофизических параметров линий передачи на печатных платах для устройств вычислительной техники 45
2.2. Анализ влияния технологических параметров при производстве на электрофизические параметры печатных узлов 58
2.3. Разработка математической модели для расчета электрофизических параметров линии передачи в печатных узлах устройств вычислительной техники 72
2.4. Оценка точности расчетов по полученным формулам 78
2.5. Выводы 78
3. Анализ целостности сигнала в длинных линиях 81
3.1. Анализ системных задержек распространения сигнала в длинных линиях 81
3.2. Расчет помех отражения и анализ их влияния на целостность сигнала в устройствах вычислительной техники 86
3.3. Выводы 96
4. Внедрение результатов исследований и математической модели 97
4.1. Проведение эксперимента по сравнению математической модели и реального устройства 97
4.2. Моделирование печатного узла сверхбыстродействующего вычислительного комплекса 101
4.3. Разработка метода проектирования печатных плат с нормируемым волновым сопротивлением 102
4.4. Разработка рекомендаций по конструированию сверхбыстродействующей вычислительной техники 109
4.5. Выводы 114
Заключение 116
Список литературы 118
- Анализ развития проблем целостности сигнала и электромагнитной совместимости
- Анализ подходов в проектировании печатных плат для устройств вычислительной техники
- Анализ влияния технологических параметров при производстве на электрофизические параметры печатных узлов
- Расчет помех отражения и анализ их влияния на целостность сигнала в устройствах вычислительной техники
Введение к работе
Впервые печатные платы появились в составе радиоэлектронной аппаратуры более полувека назад. С тех пор, несмотря на многочисленные попытки применить альтернативные решения, они остаются на лидирующих позициях, а в последние годы благодаря успехам технологов печатные платы остались практически без конкуренции, являясь основной сборочной единицей современной аппаратуры любого назначения - от сотового телефона до крупного радиолокационного комплекса.
Развитие цифровых систем идет под знаком повышения быстродействия. На это направлены усилия разработчиков и изготовителей интегральных микросхем, системотехников и схемотехников, конструкторов и технологов радиоэлектронных и электронных устройств и систем. В условиях конкурентной борьбы на современном рынке электронных средств только совместные усилия всех групп разработчиков могут привести к успеху. Технические решения должны быть выверены и обоснованы, что сократит время доводки и отладки аппаратуры, в том числе и на уровне печатных узлов.
В этих условиях меняется содержание задач, которые приходится решать конструктору, разрабатывающему печатных платы. Традиционно для относительно низкочастотной аппаратуры требовалось решить в основном топологические задачи по безошибочной трассировки печатного монтажа, а некоторые особенности функционирования платы подсказывал разработчик принципиальной схемы. При проектировании плат для быстродействующих систем таких "подсказок" накапливается слишком много, что исключает эффективную работу конструктора. Он должен быть сам достаточно квалифицирован для принятия технических решений в новой изменившейся ситуации, для ведения конструктивного диалога со схемотехником, а также для анализа результатов испытаний и измерений.
В настоящее время в связи с повышением быстродействия РЭС появились новые проблемы- в области ЭМС, такие как проблема обеспечения целостности сигнала, уменьшения перекрестных помех между межсоединениями и т.д. Ранее в системах автоматизированного проектирования (САПР) такие задачи не были учтены. Включение их в состав современных САПР таких производителей, как Mentor Graphics Technologies, Cadence и Zuken, подтверждает возрастающую роль их учета при проектировании РЭС. Основой таких систем является математическое моделирование физических процессов, протекающих в аппаратуре при ее функционировании. При этом традиционное построение САПР опирается на применении рабочих станций и локальных вычислительных сетей. Для крупных промышленных предприятий с большой
номенклатурой проектируемых изделий целесообразно создание собственных вычислительных центров, оснащенных мощной вычислительной и сетевой техникой, и приобретение специализированных дорогостоящих программных продуктов. Развитие рыночных отношений вызвало к жизни появление большого числа малых производственных фирм, специализирующихся в некоторой узкой области, с малыми объемами проектных работ. Для таких фирм экономически не целесообразно приобретение мощного технического и программного обеспечения для решения своих задач.
В первую очередь при создании печатных узлов необходимо решить ряд вопросов, связанных с задержкой распространения сигналов, искажения формы сигналов, согласования линий передачи и отражения сигналов в проводниках, которая объединяется проблемой целостности сигналов, а также созданию методов и инструментов, которые помогут разработчикам устройств вычислительной техники сократить время проектирования и минимизировать необходимость внесения корректировок в проект. Решению этих вопросов и будет посвящена данная диссертация.
Существенный вклад в решение проблемы целостности сигнала внесли советские и российские ученые: А.Д. Князев, Б.В. Петров, Л.Н. Кечиев, С.Ф. Чермошенцев, 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 Риази (Abe Riazi), Дуглас Брукс (Douglas Brooks), Ховард Джонсон (Howard W. Johnson), Тим Уильяме (Tim Williams) и другие.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 124 с.
В первой главе проведен анализ состояния проблемы целостности сигнала и электромагнитной совместимости, описаны возможные нарушения целостности сигнала, их причины и задачи обеспечения целостности сигнала и электромагнитной совместимости. Проведен анализ развития методов проектирования печатных плат, тенденций в конструкции плат и развитии элементной базы. Показано, как новая элементная база влияет на конструкцию и топологию печатных плат, и какие проблемы целостности сигнала могут возникнуть в современных устройствах вычислительной техники. В конце главы представлен анализ подходов в проектировании печатных плат. На основе проведенного анализа и исследований сформулированы цели и задачи диссертационной работы, показана ее актуальность и научная новизна.
Вторая глава посвящена разработке математической модели линии передачи повышенной точности. Дан анализ методов расчета электрофизических параметров линий
передачи и современных инструментов, применяемых разработчиками, указаны их достоинства и недостатки, дано обоснование выбора метода конечных элементов для расчета электрофизических параметров для математической модели.
Для обоснования необходимости создания новой математической модели приведены результаты анализа влияния технологических факторов при производстве печатных узлов на их электрофизические параметры, в том числе тех факторов, которые не учитываются многими современными инструментами для разработчиков.
Далее приведен анализ методов планирования эксперимента. Дано обоснование использования метода планирования эксперимента для анализа влияния изменения различных факторов на значения волнового сопротивления линии передачи и задержки распространения сигнала в линии и получения математической модели линии передачи повышенной точности. А также приведено полное описание математической модели, алгоритма и области ее применения.
В третьей главе в дополнение к анализу физических задержек проведен анализ системных задержек распространения сигнала в линии передачи, который показал их зависимость от волнового сопротивления и влияние погрешностей при расчете волнового сопротивления на общую целостность сигнала в линии.
Далее был проведен расчет помех отражения для различных случаев согласованных и несогласованных нагрузок, который показал, что небольшое изменение значения волнового сопротивления вследствие погрешностей в расчетах, технологических погрешностей или неправильного выбора элементной базы может привести к сбою в работе устройства. В конце приведен анализ методов согласования линий передачи, показаны их преимущества и недостатки.
В четверной главе описан проведенный автором эксперимент, а также апробация математической модели при экспертизе конструкции многослойной печатной платы сверхбыстродействующего вычислительного комплекса. Подробно описан предложенный автором метод проектирования печатных плат с нормируемым волновым сопротивлением, а также даны рекомендации по конструированию и производству печатных узлов для устройств вычислительной техники.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в практику проектирования на предприятии ФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро «Марс». Разработанные в процессе написания диссертационной работы методические указания внедрены в учебный процесс ГОУВПО МИЭМ на кафедре "Радиоэлектронные и
телекоммуникационные устройства и системы" по дисциплине "Основы проектирования РЭС".
Апробация результатов работы. Результаты представлялись и докладывались на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2004 г., на Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2006 г., Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2007 г., 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, 2007 г., Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2008 г., Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2009 г.
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 4 тезиса докладов.
Диссертационная работа выполнена на кафедре "Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы" Московского государственного института электроники и математики.
Анализ развития проблем целостности сигнала и электромагнитной совместимости
В цифровых системах сигнал в виде логических нулей и единиц распространяется между компонентами схемы. Уровню логической единицы, как правило, соответствует высокий уровень напряжения, а уровню логического нуля - низкий. Конкретные значения этих напряжений зависят от серии микросхем. В реальных компонентах эти уровни задаются с некоторым допуском. Для приемного устройства логической единице соответствуют напряжение более некоторого порогового уровня FiHmin входного напряжения, а логический ноль будет восприниматься, если напряжение будет ниже нижнего порогового уровня Кцгпах (Рис. 1.1).
Если форма сигнала на входе приемника приближается к идеальной, то будут четко определены уровни логического 0 и 1, что обеспечит корректную работу системы. В реальной ситуации фронт сигнала претерпевает изменения по ряду причин: наличие потерь в линии передачи, отражения от несогласованных нагрузок, возникновение перекрестных помех, резонансные явления. Это приводит к искажениям формы сигнала, который становиться по сути аналоговым, со всеми присущими ему атрибутами: выбросы, провалы, "звон" и т.п.
Процесс работы цифрового устройства основан на событиях переключения микросхем, которые увязаны определенной логикой работы при помощи временных диаграмм, и процесс обработки данных привязан к синхронизирующим импульсам, а моменты переключения драйвера и приемника задаются с некоторым допуском. Если в зоне между FH И FJL (РИС. 1.1) происходит искажение фронта сигнала, то приемник не может четко определить логический уровень, и его состояние может оказаться не определенным, что приведет к нарушению функционирования системы [1].
Процесс проектирования очень часто интуитивный и творческий. Техническое понимание проблемы целостности сигнала очень важно для достижения приемлемого результата настолько быстро, насколько это возможно. Все специалисты, которые занимаются разработкой цифровых систем, должны представлять, как их технические решения влияют на конечный продукт [9].
Целостность сигнала относится, в её самом широком смысле, ко всем проблемам, которые возникают в быстродействующих узлах и устройствах. Все эти проблемы попадают в одну из следующих категорий:
Тайминг — это сложная область, связанная с временными соотношениями в системе. В определенный промежуток времени должен произойти ряд событий, связанных с обработкой дискретной информации, которая физически представляется в виде сигналов. Нарушение последовательности этих событий во времени приведет к нарушению работоспособности изделия. Некорректная конструкция платы, отсутствие должного временного анализа прохождения сигналов по линиям передачи в плате приведет к упомянутым нарушениям.
Внутриаппаратурные помехи проявляются в виде "звона", помех отражения, перекрестных помех, помеха переключения, немонотонности фронтов сигнала, скачков напряжения в шине питания и заземления, затухания, дисперсии и т.п. Все они относятся к свойствам межсоединений и воздействуют на форму цифрового сигнала, приводя к его искажению. Вышеупомянутые эффекты связаны с проблемами целостности сигнала и с одним из следующих источников внутриаппаратурных помех: 1. Электрофизические параметры и режим одиночной линии передачи. 2. Электромагнитное взаимодействие между двумя и более линиями. 3. Нарушения в системе распределения энергии и заземления. 4. Излучение от печатных узлов.
Эти проблемы играют важную роль во всех межсоединениях - от внутреннего межсоединения в кристалле и корпусе микросхемы до шкафа и стойки цифровой системы. На всех иерархических уровнях принципы и эффекты остаются неизменными, а отличия заключаются в физической структуре объекта - определенных геометрических размерах и материальных свойствах.
Анализ подходов в проектировании печатных плат для устройств вычислительной техники
Основными этапами создания печатного узла являются: разработка концепции, этап схемотехнического проектирования, конструкторско-топологического и технологического проектирования, а также производство. На этапе концептуальной проработки формулируются требования к основным параметрам изделия, его архитектуре и конструкции. На этапе схемотехнического проектирования разрабатывается принципиальная электрическая схема узла, проводятся необходимые расчеты электрических и тепловых режимов, определяются временные параметры работы цифрового узла. На этапе конструкторско-топологического проектирования решаются задачи размещения компонентов и трассировки печатных проводников, расположения шин питания и заземления. Для быстродействующих плат критерием качества выполнения топологических задач являет удовлетворение электрическим требованиям к топологии. В свою очередь эти требования формируются исходя из особенностей функционирования узла. Далее изделие запускается в производство. После прохождения сертификационных испытаний оно поступает на рынок [1].
При "ручном" методе проектирования размещение и трассировка выполнялись без участия САПР, опираясь только на опыт и знания разработчика. При этом обязательно требовалось создавать физическую модель (опытный образец), на которой отлаживались схемные решения и конструкция платы. Опытный образец продукции служил фактически физическим прототипом, на котором проводилась верификация.
Выявленные в процессе такой верификации ошибки подлежали исправлению либо простыми приемами (например, установкой перемычек), либо изменениями в принципиальной схеме. В худшем случае требовались существенные изменения, приводящие к полному пересмотру проекта. Как правило, требовалось многократное тестирование прототипа для выявления всех недостатков. В ряде случаев время на отладку узла было соизмеримо со временем разработки его первоначального варианта. Многократное повторение цикла "изготовление прототипа - обнаружение проблемы — решение проблемы - изготовление нового прототипа" затягивало разработку, а для быстродействующих плат такой подход вообще оказался непригодным. Это объясняется тем, что исправления, внесенные в прототип, по своим электрофизическим параметрам не будут соответствовать конечному продукту. Например, навесная проволочная перемычка в многослойной печатной плате, при помощи которой удалось устранить некоторый дефект, имеет электрофизические параметры совершенно отличные от печатного проводника, внесенного в документацию вместо этой перемычки.
В определенный период, произошло поэтапное внедрение САПР. Они охватывают в настоящее время стадии схемотехнического и топологического проектирования, технологической подготовки производства и изготовления, а также инженерных расчетов, что позволило объединить все этапы в единое направление автоматизации проектирования электронной аппаратуры.
Современная микроэлектронная аппаратура реализуется на БИС, которые выполнены в корпусах с большим (иногда до 1000 и более) числом выводов на многослойных печатных платах. Учитывая широкий диапазон частот, который типичен для таких узлов, любой контрольный вывод служит антенной и вносит искажения в показания тестирующей аппаратуры. Высокочастотный сигнал, проходящий по проводникам во внутренних слоях многослойной печатной платы, вообще не доступен для контроля. Кроме этого, даже, если удастся провести измерения и по их результатам потребуется внести изменения в физический прототип, то в большинстве случаев эта процедура не даст должного результата. Это объясняется тем, что после отладки прототипа соответствующие изменения будут внесены в конструкторскую документацию и реализованы в том виде и в той технологии, которая принята для конечного продукта. Поэтому нет никакой гарантии, что после изготовления нового дорогостоящего физического прототипа Ml 111 не придется вносить новых изменений. Чем выше быстродействие узла, тем безнадежней может оказаться ситуация бесконечного хождение по кругу "прототип - отладка - новый прототип - отладка - новый прототип -...".
Таким образом, для высокоскоростных печатных узлов применение виртуального прототипа и адекватных математических моделей позволяет устранить противоречие между желаемой скоростью поступления изделия на рынок и длительностью отладки прототипа. Верификация в проектировании плат
Процесс верификации позволяет выбрать рациональное техническое решение. Если для верификации используется максимально полная модель объекта, то говорят о параметрической верификации. Для сложных объектов, к которым относится печатная плата или печатный узел, модель, лежащая в основе параметрической верификации, может иметь чрезвычайную сложность, а во многих случаях она не может быть получена. Кроме этого, комплексная модель требует для анализа весьма больших вычислительных ресурсов. Поэтому рационально упростить модель объекта, например, рассмотрев раздельно тепловые и электродинамические процессы в печатном узле и печатной плате (при этом следует быть уверенном в слабом взаимодействии или полной независимости этих процессов). Для быстродействующих цифровых узлов, реализованных на печатных платах, целесообразно использовать следующие типы верификации: параметрическая; временная; целостности сигнала, электромагнитной совместимости.
В качестве примера рассмотрим фрагмент цифрового устройства (Рис. 1.11), содержащий схему совпадения - базовый вентиль 2И-НЕ.
При работе фрагмента схемы логический "0" на выходе Y микросхемы-нагрузки появляется, когда на оба входа XI аХ2 поданы логические "1". Важно, чтобы приход этих сигналов был в один и тот же момент времени. В противном случае на выходе микросхемы-нагрузки появиться логическая "1". Это, конечно, будет ошибкой, в результате которой работа цифровой системы будет нарушена.
Анализ влияния технологических параметров при производстве на электрофизические параметры печатных узлов
Далее в работе приведены результаты анализа влияния технологических факторов при производстве печатных узлов устройств вычислительной техники на электрофизические параметры линий передачи. Более подробно результаты анализа представлены в [69, 70, 71]
Поскольку толщина паяльной маски не варьируется в широких пределах и составляет порядка 30 ± 5 мкм, изменение ее толщины от максимума до минимума практически не влияет на величину волнового сопротивления - разница составляет лишь 0,2 Ом. Время задержки распространения сигнала составило 0,024 нс/м.
Диэлектрическая проницаемость паяльной маски для различных современных материалов лежит в пределах от 3 до 4. Для получения более полной картины, а также принимая во внимание возможное появление новых технологических материалов, расчет проводился для значений диэлектрической проницаемости от 2 до 7. Изменение времени задержки сигнала в интервале значений диэлектрической проницаемости от 3 до 4 составило 0,15786 нс/м, а разница волнового сопротивления составила 1,26069 Ом.
Диэлектрическая проницаемость подложки печатной платы оказывает наиболее сильное влияние на время распространения сигнала и волновое сопротивление линии связи. Этого результата следовало ожидать. Поскольку подложка по сути является диэлектриком, находящимся между двумя обкладками конденсатора — полигоном заземления и проводником — то изменение диэлектрической проницаемости материала подложки приводит к наиболее сильному изменению параметров линии связи.
Разница между максимальным и минимальным временем задержки распространения сигнала при изменении диэлектрической проницаемости печатной платы от 4 до 5,5 составила 0,85812 нс/м. Разница между крайними значениями волнового сопротивления составила 6,486 Ом.
Толщина влагозащитного покрытия в зависимости от способа нанесения и материала может изменяться в очень широких пределах. В результате проведения расчетов оказалось, что чем толще влагозащитное покрытие, тем меньше волновое сопротивление. Но эта зависимость носит не линейный, а гиперболический характер. В реальных условиях толщина покрытия может варьироваться от 25 мкм (в случае нанесения париленового покрытия) до 500 мкм в случае нанесения методом погружения в нижней части печатного узла по отношению к ванне с материалом. Случаи с большей толщиной влагозащитного покрытия были рассчитаны, чтобы понять характер зависимости. При очень больших толщинах покрытия дальнейшее изменение толщины перестает оказывать сильное влияние на распространение сигнала. Это объясняется тем, что эффективная диэлектрическая проницаемость среды вблизи проводника практически не меняется.
Неровный характер кривой на графиках объясняется тем, что при моделировании тонких покрытий толщиной 25 - 50 мкм нельзя игнорировать толщину металлического проводника. Покрытие, образно говоря, «огибает» проводник. Что вносит определенную погрешность в расчеты, так как предсказать толщину и контуры на углах проводника довольно сложно, поскольку это зависит, в том числе, от вязкости материала.
При нанесении покрытий толщиной 75 мкм толщиной проводника можно пренебречь (Рис. 2.24).
Согласно теории проектирования печатных плат, ширина слоя заземления должна быть как можно больше. Чем больше ширина полигона заземления, тем больше емкость линии связи, и, следовательно, лучше ее помехоустойчивость. Считается, что для качественной передачи сигналов ширина слоя заземления должна быть в три и более раз больше ширины проводника. Анализ данных, полученных при расчете влияния ширины слоя заземления на волновое сопротивление и время задержки распространения сигнала, показывает правильность данного утверждения.
Для того, чтобы оценить максимально возможную разницу между минимальным и максимальным волновым сопротивлением, а также максимальным и минимальным временем задержки распространения сигнала, был проведен расчет худших случаев.
Расчет помех отражения и анализ их влияния на целостность сигнала в устройствах вычислительной техники
В процессе анализа причин появления отражений в линии передачи и расчета помех отражения были использованы источники [78-82]. Повышение быстродействия элементов приводит к увеличению относительного числа длинных линий передачи в печатных платах. Искажения сигнала в этих линиях вызваны отражением сигналов от несогласованных нагрузок и неоднородностей, распределенных по длине линии. Эти помехи могут приводить к снижению быстродействия системы и нарушению ее функционирования. При согласовании линий уровень помех отражения сводится к минимуму, но при этом резко ухудшаются энергетические показатели системы, снижаются уровни информационных сигналов, что требует в ряде случаев установки специальных передающих и приемных устройств. Поэтому при конструировании аппаратуры необходимо уметь оценивать помехи отражения в длинных линиях и обоснованно выбирать методы их снижения. Далее рассмотрены два основных случая работы длинной линии передачи: с линейными и нелинейными нагрузками. Для инженерных оценок можно выделить два основных метода определения формы сигнала при наличии помех отражения: Аналитический метод, основанный на вычислении коэффициентов отражения. Графический метод расчёта, основанный на применении метода характеристик (В иностранной литературе известен под названием Bergeron Method). Аналитический метод основан на расчете коэффициентов отражения и итерационном определении амплитуд падающих и отраженных волн с последующим их суммированием. Метод применим только для линейных нагрузок, что существенно ограничивает его использование при анализе реальных систем, построенных на микросхемах.
Графический метод, реализующий метод характеристик решения дифференциальных уравнений, отличается высокой точностью, доступностью применения, возможностью оперативного анализа и наглядностью. Последнее качество особенно важно для проведения экспресс-анализа влияния волнового сопротивления линий передачи на целостность сигнала. Универсальность метода позволяет использовать его и в случае линейных нагрузок, а, учитывая простоту реализации, им можно пользоваться как основным инструментом. В обоих методах погрешность решения будет определяться достоверностью задания исходных данных, а именно уровнями напряжений, формой вольт-амперных характеристик и т.п. При проектировании линий передачи для быстродействующих и сверхбыстродействующих цифровых систем в качестве драйвера и нагрузок используются цифровые микросхемы, входные и выходные сопротивления которых нелинейные. В этом случае наиболее эффективным для оценки искажений сигнала является применение метода характеристик, существенное достоинство которого — возможность графической интерпретации.
При графическом задании вольт-амперных характеристик в качестве нелинейных граничных условий можно избежать ряд серьезных трудностей, возникающих при оперативных расчетах помех отражений. Подробно метод характеристик описан в [1]. а также характеристики падающих и отраженных волн при переключении драйвера из 0 в 1 в случае несогласованной линии. Как видно из этого графика, а таюке из осциллограмм для начала и конца линии (Рис. 3.8) в линии передачи присутствуют множественные отражения, что самым негативным образом влияет на целостность сигнала. Из осциллограммы для конца линии видно, что в случае порога срабатывания микросхемы ЗВ момент достижения порога срабатывания составляет 7Т. Это время на 6Т превосходит ожидаемое, определяемое только скоростью распространения сигнала в линии. Очевидно, что подобная ситуация недопустима. Для решения данной проблемы необходимо согласование линии. Один из вариантов согласования — установка согласующих элементов на входе и/или выходе линии. Специалисты часто применяют реактивные компоненты или даже длину проводника как элемент согласования, однако согласование широкополосных аналоговых и цифровых сигналов требует соответствующих резисторов, причем желательно выполненных в корпусах под технологию поверхностного монтажа вследствие их хороших ВЧ-свойств [7]. Согласно исследованиям компании Altera, если линия передачи длиннее, чем длина волны поделенная на 10, то требуется согласующий резистор [18]. Автором был проведен анализ влияния требований к коэффициенту отражения на выбор согласующих резисторов и стоимость решения, результаты которого приведены далее. При этом появление отраженной волны означает несогласованность линии KZ R„. Причиной рассогласованности линии является погрешность как волнового сопротивления, так и сопротивления нагрузки. Погрешность сопротивления нагрузки зависит от выбора согласующего резистора: его типа и, соответственно, точности. Погрешность волнового сопротивления может зависеть от точности расчета на этапе проектирования электронного модуля или отдельной печатной платы, а также на этапе производства из-за погрешностей различных технологических процессов. При этом, согласно проведенным расчетам, при наличии согласующего резистора с погрешностью 5%, максимальная погрешность волнового сопротивления может составлять 5%, а при резисторе 1% максимальная погрешность волнового сопротивления — 9,4%. Рассмотрим данные составляющие более подробно. В Таблица 3.1 и на гистограмме на Рис. 3.9 приведено соотношение средних цен на резисторы поверхностного монтажа с погрешностью 5% и 1% в зависимости от типоразмера. Использовались данные для резисторов номиналов 51 Ом (с погрешностью 5%) и 49,9 Ом (с погрешностью 1%). [68]
Из полученных данных видно, что соотношение цена/погрешность номинала с учетом современных тенденций перехода на компоненты 0402, а в определенных случаях сверхплотного монтажа и на 0201, указывает на то, что при использовании 1% резисторов, себестоимость изделия значительно увеличивается, поэтому с экономической точки зрения эффективнее использовать в производстве резисторы с погрешностью 5%. Исходя из сказанного выше, следует уделить особое внимание согласованию линии при выборе микросхем со встроенными согласующими компонентами. Как было сказано в первой главе, погрешность таких согласующих компонентов может достигать 30%. Соответственно это означает, что при необходимости иметь согласованную линию передачи с волновым сопротивлением 50 Ом, величина сопротивления встроенного резистора может колебаться от 35 Ом до 65 Ом. Таким образом, коэффициент отражения может достигать 17,65%, что может самым пагубным образом отразиться на целостности сигнала в линии передачи. Поэтому при выборе решений необходимо соблюдать баланс между требованиями по отражению и применением сомнительных решений ради минимизации геометрических размеров печатного узла. Для реализации методики оценки помех отражения необходимо получать реальные вольт-амперные характеристики микросхем. Наиболее прогрессивным методом на сегодняшний день является экспорт ВАХ из IBIS-моделей микросхем [83-90]. IBIS-модели (Input-Output Buffer Information Specification) используются для анализа целостности сигналов и перекрестных искажений в цифровых печатных узлах. Данная спецификация описывается стандартами EIA и ANSI (656-А) и поддерживается большинством производителей интегральных микросхем, поставляющих на рынок IBIS-модели своих изделий. С другой стороны, данный формат поддерживается почти всеми системами проектирования и моделирования. Формат IBIS - это формат внешнего описания электронного устройства как «черного ящика» без учета его внутренней структуры и особенностей функционирования. Упрощенно этот формат можно представить как попытку представить интегральную микросхему в виде резистивной матрицы из комплексных сопротивлений. Как правило, параметры IBIS-модели получаются на основе знания вольтамперной характеристики для различных логических состояний выводов по постоянному току, паразитных параметров корпуса и передаточных характеристик на идеальной резистивной нагрузке. Такой подход означает, что получить IBIS-модель можно либо выполнив ряд тестовых измерений при соответствующих условиях, либо выполнив полное SPICE-моделирование внутренней схемы устройства.
