В.С. Кухарук, В.А. Ухин

В статье рассмотрены основные возможности и маршрут анализа линий передачи и переходных отверстий в САПР SimPCB Lite. Данная программа предназначена для обеспечения целостности сигналов и снижения потерь в высокоскоростных цифровых и в высокочастотных аналоговых устройствах, реализованных на печатных платах.

SimPCB Lite - система численного анализа линий передачи, виртуальная исследовательская лаборатория. В ее основе лежит математический 2D-решатель, в котором реализован метод граничных элементов. С помощью данного решателя вычисляются четыре первичных параметра: емкость (С), проводимость диэлектрика (G), индуктивность (L) и сопротивление (R). C и G рассчитываются через энергию электрического поля, L и R - магнитного. Все остальные параметры (волновое сопротивление, задержка, потери и т. д.) определяются на их основе.

Аналогичной зарубежной САПР с похожим методом расчета является Si9000 (Polar). При этом SimPCB Lite в чем-то ее опережает. Например, при вычислении параметров переходного отверстия в САПР от компании “ЭРЕМЕКС” используется его реальная модель, а в Si9000 в основе - коаксиальный кабель. Понятно, что во втором случае погрешность вычисления будет значительной [1]. Кроме этого, SimPCB Lite частично покрывает возможности ANSYS (модуль 2D Extractor) и HyperLinks (Siemens) [2]. 

Рекомендуемая последовательность действий для расчета и анализа параметров линий передач (ЛП) и переходных отверстий (ПО) в САПР SimPCB Lite состоит из определенного набора шагов:

1. Выбор типа объекта, который инженер будет исследовать, вычислять его параметры; 

2. Выбор типа расчета (анализа); 

3. Ввод входных параметров, геометрических и электрофизических; 

4. Получение результата и его обработка; 

5. Сохранение расчета, если результат удовлетворяет заданным критериям; 

6. Переход к пункту номер три, если требуемый результат не достигнут. 

Схема маршрута представлена на рисунке 1.

Рассмотрим более детально интерфейс программы. Он состоит из пяти основных частей (рис.2).

1. Меню содержит разделы: “Файл”, “Вид”, “Справка” - для создания, открытия проектов и расчетов, сохранения изменений, отмены и повтора действий, экспорта в формат *.xlsx. Кроме этого из данного меню запускаются настройки проекта. В разделе “Основные” задаются единицы измерения, а также взаимосвязь между частотой сигнала (Fc) и длительностью фронта (tr). По умолчанию используется зависимость Fc=1/10tr. В данном выражении численный множитель - редактируемый. В вкладках “Линии передачи” и “Отверстие” устанавливается диапазон значений, в котором будет рассчитываться параметр под заданное волновое сопротивление и шаг ввода параметра в основном меню программы (рис.3). 

   

2. Панель проекты. В SimPCB Lite инженер работает с проектами или проектом, в который входит модель линии передачи и расчет. Проект может содержать любое количество моделей, а модель, в свою очередь, произвольное количество расчетов. Здесь же доступна возможность создать группу. Группа включает в себя модели и расчеты, для которых характерен общий признак, например, вычисления под конкретный интерфейс передачи данных (USB 3.0, DDR4). Также доступна функция создать/переименовать/переместить/удалить проект, группу и расчеты.

3. Область входных данных. Предназначена для назначения пользователем следующего:

   • Объект расчета. Вычисления выполняются для линий передачи (ЛП) или переходных отверстий (ПО).

   • Тип объекта. Для ЛП: одиночная, дифф. пара, копланарная одиночная, копланарная дифф. пара, ПО:  2-х и 4-х слойная печатная платы. В каждой группе доступны для выбора готовые модели ЛП (Рис.4) и ПО (Рис.5) [3].

     

   

   • Тип расчета. В SimPCB Lite реализовано четыре типа: без потерь, частотный анализ, S-параметры, перекрестные помехи. Для ПО доступен только расчет без потерь. Рекомендуется на первом шаге использовать тип расчета без потерь. Данный тип расчета позволит определится с моделью ЛП и ПО под требуемое значение импеданса или погонной емкости, индуктивности. 

   • Ввод геометрических и электрофизических параметров. Набор входных данных зависит от объекта и типа расчета (Рис.4, 5). 

4. Область выходных данных. Результаты вычислений могут быть представлены в виде таблицы и графиков, одновременно или отдельно друг от друга.

5. Настройка результатов расчета. Указывается тип выходных данных (таблица, график, режим вычислений), а также цветовое представление графиков.

   Рассмотрим более детально типы расчетов, доступные в САПР SimPCB Lite

   Расчет без учета потерь

   Расчет предназначен для оценки волнового сопротивления, погонной емкости, индуктивности ЛП, а также для определения ее геометрических, электрофизических параметров под конкретное значение импеданса.

   Для вычисления волнового сопротивления необходимо задать толщину диэлектрика (или диэлектриков, если в модели их несколько), диэлектрическую проницаемость, ширину и толщину проводника, толщину и диэлектрическую проницаемость маски при ее наличии. При этом радиокнопка должна  располагаться напротив параметра Zo или Zdiff  (зависит от типа объекта). После нажатия на кнопку Рассчитать вычисленный импеданс отобразится в поле Zo или Zdiff (рис. 6). Остальные значения (задержка, емкость, скорость распространения сигнала, индуктивность и эффективная диэлектрическая проницаемость ) доступны в таблице (Рис.7).

   

При вычислении геометрического или электрофизического параметра ЛП под конкретное волновое сопротивление необходимо включить радиокнопкой параметр, задать импеданс и нажать кнопку Рассчитать. На рисунке 8 показан пример вычисления H1 для дифференциальной микрополосковой линии с волновым сопротивлением 90 Ом.

При анализе ПО необходимо заполнить входные параметры, отредактировать структуру (исключить или добавить маску, опорный слой) и нажать кнопку Рассчитать. Результаты вычислений отобразятся в четвертой области интерфейса в виде таблицы.  Пример показан на рисунке 9.

Кроме этого, у пользователя есть возможность проводить множественный расчет, то есть задать входной параметр в виде диапазона с шагом. В этом случае инженеру будут доступны зависимости не только в табличной форме, но и в виде графиков (рис. 10).

Частотный анализ

Данный вид расчета используется для более детального исследования ЛП. С помощью него вычисляются следующие параметры в зависимости от частоты: 

• волновое сопротивление;

• индуктивность;

• активное сопротивление;

• проводимость диэлектрика;

• ослабление сигнала в проводнике, диэлектрике и общее ослабление; 

• фаза и скорость фазы;

• максимальную длину проводника, если известны потери в ЛП.

Для выполнения частотного анализа необходимо задать дополнительные параметры: 

• электропроводность;

• тангенс угла диэлектрических потерь;

• длину ЛП;

• частоту или фронт сигнала (Рис.11). 

S-параметры

S-параметры позволяют оценить энергетическую эффективность ЛП, а именно, определить на каких частотах, например, возвратные потери будут минимальными, рассчитать потери в самой линии. Фактически S-параметры – это модель ЛП, которую пользователь может применять для дальнейшего моделирования более сложных систем, схем, учитывая межкомпонентные связи. Специально для этого в SimPCB Lite предусмотрена возможность выводить S-коэффициенты в виде комплексного числа.   

Для выполнения расчета расчета необходимо заполнить поля в дополнительных параметрах, а также указать импеданс источника и приемника (Ом).  Пример расчета представлен на рисунке 12.

Перекрестные помехи

Программа SimPCB Lite позволяет вычислять перекрестные помехи для двух или трех одиночных линий передачи и для такого же количества дифференциальных пар в зависимости от частоты. Расчет выполняется без учета потерь. Это означает, что учитываются только параметры L и C. Следует отметить, что такие программы как HyperLinks (Siemens), Si9000 (Polar) также считают перекрестные помехи без учета потерь. Связано это, в том числе, с тем, чтобы рассматривать наихудший случай, когда ослабление сигнала игнорируется.

Для вычисления перекрестных помех необходимо задать дополнительные параметры: длина проводника, напряжение на каждом проводнике, зазор между проводниками, частоту или фронт сигнала. Рассчитывается  напряжение и фаза на дальнем  и ближнем конце ЛП (Рис. 2). 

Заключение

SimPCB Lite - программа, предназначенная для быстрого исследования различных моделей ЛП. Включение данной САПР в маршрут проектирования устройств на основе печатных плат позволит сократить время разработки и избежать ошибок. Преимущества SimPCB Lite от компании “ЭРЕМЕКС” следующие:

• возможность быстро и с высокой точностью провести расчеты без привязки к конкретной структуре печатной платы. Инженеру нет необходимости тратить время на проектирование stackup. Достаточно просто выбрать модель ЛП и провести необходимые расчеты. В тоже время, инженер может собрать из моделей ЛП структуру печатной платы; 

• большой выбор готовых моделей ЛП. В распоряжении специалиста более сотни линий, если учитывать возможность переворачивать сигнальный проводник. Такое количество покрывает значительную потребность современного инженера; 

• точный расчет параметров ПО и ЛП с помощью современных численных методов; 

• наличие различных типов расчетов: без потерь, частотный анализ, S-параметры, перекрестные помехи;

• возможность представлять посчитанные данные в различных вариантах: таблица, графики; 

• выгрузка результатов расчета в файл формата *.xlsx; 

• возможность использовать S-параметры в качестве моделей ЛП для дальнейшего анализа более сложных систем.

  Список литературы

  1. Оценка влияния и учет параметров  переходного отверстия на передачу высокочастотного сигнала.  В.А. Ухин, В.С. Кухарук, Д.С. Коломенский, В.С. Кухарук, О.В. Смирнова. - Современная электроника, №9/2023. - 37-39стр.

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

  3. Обзор основных возможностей инструмента SimPCB для расчета параметров.  линий передач в программе Delta Design. В.С. Кухарук, Д.С. Коломенский, В.А. Ухин, О.В. Смирнова. Современная электроника, №5/2024. 34-36стр.