Программа расчета паразитных эффектов печатных плат Polaris
В Design Center начиная с версии 6.1 имеется возможность моделировать схемы с учетом паразитных эффектов, связанных с неидеальностью конструкции реальной печатной платы: задержками распространения сигналов, паразитными емкостями, индуктивностями и взаимными индуктивностями. В литературе эта проблема называется проверкой целостности сигналов в высокочастотных схемах [29]. Последовательность проектирования следующая. С помощью Schematics создается принципиальная схема, которая сначала разрабатывается без детального учета паразитных эффектов и моделируется с помощью PSpice. Затем информация о списке соединений схемы передается в собственный редактор печатных плат PCBoards системы Design Center (см. гл. 8) или в виде текстового файла в другие системы проектирования печатных плат P-CAD, PADS, CADStar или TangoPRO. Применительно к наиболее распространенной системе P-CAD данные передаются в виде текстового файла с расширением имени .alt [19]. Информация о топологии разработанной печатной платы передается обратно в Design Center, применительно к P-CAD в виде текстового файла в формате PDIF (файлы имеют расширение имени .pdf). После этого программа проверки целостности сигналов Polaris представляет указанные пользователем цепи в виде линий передачи, аппроксимируя их по методу конечных элементов, включает паразитные элементы в первоначальную схему и передает ее в PSpice для моделирования. В заключение с помощью программы Probe на одном экране просматриваются результаты моделирования без учета и с учетом паразитных эффектов.
В программе Polaris рассчитываются следующие параметры линий передач, образованных печатными проводниками:
– волновые сопротивления Z0 и погонные емкости и индуктивности;
– задержки распространения сигнала Tpd;
– паразитные емкости между проводниками и подложкой C, емкости стеков контактных площадок и переходных отверстий C_via, омические сопротивления проводников R, индуктивности проводников L и коэффициенты связи между параллельными проводниками Coupling.
Расчет линий передачи выполняется приближенно при выполнении следующих условий:
– заряды всех конечных элементов считаются поверхностными;
– все электрические поля в линиях передачи считаются поперечными;
– коэффициенты связи между проводниками должны быть малыми;
– потери в линиях незначительны.
Программа Polaris имеет два режима работы. В первом, наиболее естественном (он называется Native Mode), печатная плата разрабатывается на основании принципиальной схемы, созданной в программе Schematics. На экране Schematics курсором выбираются цепи, для которых нужно учесть паразитные эффекты, и затем проводится моделирование. Во втором режиме (он называется внешним – External Mode) принципиальная схема создается в графическом редакторе другой системы, в которой разрабатывается печатная плата (или в текстовом виде просто вводится список ее соединений), и поэтому на экране Schematics схему просмотреть нельзя. Цепи, для которых учитываются паразитные эффекты, выбираются по именам, программа Polaris на основании содержащейся в базе данных печатной платы составляет задание на моделирование и передает его PSpice.
Приведем примерную последовательность действий при работе с Polaris в режиме Native.
1. Подготовительные операции. С помощью Schematics создается принципиальная схема и на ней маркером POLARIS по команде Mark Advanced меню Markers помечают цепи, для которых нужно рассчитать паразитные эффекты. Далее в меню Tools по команде Configure Layout Editor выбирается тип редактора печатных плат. Schematics создает файлы списка соединений в формате 9 графических редакторов, однако Polaris поддерживает только четыре из них:
PCBOARDS – собственный редактор PCBoards системы Design Center;
CADSTAR – редактор CADStar;
PADS – редактор системы PADS;
PCAD – редактор PCB Editor (PC-CARDS) системы P-CAD (любой версии);
TANGO – редактор TangoPRO.
В меню команды Configure Layout Editor в графе Netlist File Extension система указывает расширение текстового файла с перечнем компонентов схемы и таблицей их соединений, в графе ECO File Extension – расширение имени файла обратных ссылок для внесения в принципиальную схему изменений, выполненных при разработке печатной платы.
В командной строке Layout Editor Command Line пользователь вводит полное имя команды выбранного графического редактора печатных плат (по умолчанию предлагается загрузить PCBoards).
В меню Tools по команде Annotate производят упаковку схемы и назначение позиционных обозначений компонентов. При этом надо убедиться, что включены опции Package and Assign Reference Designators и All Exept User-Assigned (рис. 2.15).
Файл с перечнем компонентов схемы и таблицей их соединений создается в меню Tools по команде Create Layout Netlist. Для графического редактора PCBoards он имеет расширение имени .nlf, для P-CAD – .alt.
2. Разработка печатной платы. Проектирование печатных плат в системе Design Center изложено в гл. 8. Здесь же рассмотрим принцип взаимодействия с наиболее популярной системой P-CAD [19]. Программа Netlist Conversion (PC-NLT) системы P-CAD на основании файла соединений, имеющего расширение имени .alt, и файла контура печатной платы создает файл упакованной базы данных печатной платы. На эту плату автоматически наносятся изображения корпусов всех компонентов и указываются их электрические связи с помощью “резиновых” нитей. После размещения компонентов и выполнения трассировки соединений информация о плате передается обратно в Design Center с помощью программы PDIF File Writer (PDIFOUT). В меню PDIF Output программы PDIF File Writer необходимо включить опции Indented
(структурирование данных в выходном файле), Scan Reserved Characters (вставка знака “\” перед каждым найденным во входном файле зарезервированным символом) и List Pin Names in Component (включение в выходной файл имен выводов компонентов). В графе Input Database Filename указывается имя файла базы данных печатной платы (расширение имени .pcb), в графе Output PDIF Filename – имя текстового выходного файла (расширение имени .pdf).
Под управлением DOS программа PDIF File Writer запускается из командной строки
pdifout -i -e -p <имя файла базы данных> [<имя выходного файла>]
3. Запуск программы Polaris. Программа Polaris вызывается из управляющей оболочки Schematics по команде Run Polaris в меню Tools. На основной панели диалога Polaris (рис. 7.22) помечается опция Native и затем нажимается кнопка Polaris Setup
для настройки конфигурации (рис. 7.23).
 Рис. 7.22. Основная панель диалога программы Polaris |
 Рис. 7.23. Панель настройки конфигурации Polaris |
На строке Routed PCB file указывается имя текстового файла печатной платы (для редактора PCBoards имеет расширение имени .si, для P-CAD – .pdf, для PADS - .asc). Проще всего имя файла выбрать из списка, открывающегося после нажатия клавиши Browse PCB files.
На строке Board Stack указывают имя файла стека контактных площадок и выбирают его из списка, нажав кнопку Browse board stacks. По команде Create board stack вызывается текстовый редактор для создания этого файла. В Design Center принято следующее соглашение о структуре имен файлов стеков контактных площадок:
nnLccmmS.bst
Здесь nn – два символа для обозначения общего количества слоев печатной платы; cc – код системы разработки печатных плат (PD – PADS, PC – P-CAD, CS – CADStar, TN – TangoPRO); mm – количество сигнальных слоев (цепи питания и “земли” могут прокладываться на отдельных слоях). Например, файл стека контактных площадок двухслойной печатной платы с одним сигнальным слоем, разработанной в системе P-CAD, имеет имя 2lpd1s.bst. Приведем текст этого файла:
.UNITS mils ; Система единиц
.THRU_VIA .99 ; Емкость переходного отверстия, пФ
.STRUCTURE ; Тип линии передачи (stripline – полосковая,
microstrip ; microstrip – микрополосковая)
.DIELECTRIC ; Спецификация диэлектрика
T=62 ER=4.6 ; T – толщина слоя; ER – относительная диэлектрическая
; проницаемость
air ; Воздушная среда, окружающая печатную плату
.ENDS
.SIGNAL ; Спецификация сигнального слоя
L=23 H=62 T=1.2 ; L – номер слоя (в соответствии с принятой в файле PDIF
; нумерацией)
; H – расстояние от мелаллической поверхности
; T – толщина металлизации
.ENDS
.ENDS
Информация о нумерации слоев, принятая в файле текстового описания печатной платы в формате PDIF, извлекается с помощью транслятора, вызываемого в среде DOS с помощью командной строки
poltran.exe <имя файла.pdf> /lw
Файл стека контактных площадок имеет следующие секции:
.UNITS
mils | cm
.STRUCTURE
microstrip | stripline
[спецификация диэлектрика]*
[спецификация сигнального слоя]*
.ENDS
.DIELECTRIC
[спецификация диэлектрика]* | air
.ENDS
.SIGNAL
[спецификация сигнального слоя]*
.ENDS
.WID_ADJ
<уточненное значение ширины проводника>
.THRU_VIA
<емкость переходного отверстия, пФ>
.BURIED_VIA
<номер 1-го слоя> <номер 2-го слоя> <емкость межслойного переходного отверстия, пФ>
.RESISTIVITY
<удельное сопротивление проводника, Ом/см>
На панели диалога Crosstalk setup (рис. 7.24) выбирается один из возможных режимов:
Marked, coupled nets (VICTIM)
– расчет паразитных эффектов отдельно для каждого из указанных сигналов и затем поиск связанных с ними линий передачи;
Marked nets only (LIST) – расчет паразитных эффектов для указанных сигналов и определение связей между ними;
All Nets – расчет паразитных эффектов для всех цепей печатной платы.
 Рис. 7.24. Настройка конфигурации расчета перекрестных искажений |
Здесь же указывается максимальное количество соседних проводников, для которых рассчитываются коэффициенты связи (Maximum number of Neighbors), максимальный радиус поиска связанных проводников (Maximum Search Radius)
и минимальная длина параллельных проводников, для которых рассчитывается коэффициент связи (Minimum Parallel Run Length).
Список выбранных сигналов просматривается на панели Extract signals (рис. 7.25).
 Рис. 7.25. Список выбранных сигналов |
 Рис. 7.26. Результаты расчета паразитных эффектов для выбранных сигналов |
 Рис. 7.27. Загрузка данных в программу Probe |
Проиллюстрируем результаты расчетов на примере схемы, изображенной на рис. 7.28. На ней имеются две связанные линии V и D, расположенные параллельно.
Длина параллельного участка составляет 30 см, расстояние между линиями 0,5 мм, ширина проводников 0,25 мм. Одна линия возбуждается импульсным генератором, к другой с обоих концов подключены согласованные нагрузки. В отсутствие паразитной связи между линиями напряжение цепи V равно нулю, задержка распространения сигнала по цепи D не учитывается. Результаты моделирования с учетом и без учета паразитных параметров реальной печатной платы приведены на рис. 7.29. Обратим внимание, что при выводе этих результатов нельзя ссылаться на имена цепей (ведь каждый проводник рассматривается теперь как линия передачи), а нужно указывать имена выводов компонентов V(Rterm2:1), V(Rser:1) и т. п.
 Рис. 7.28. Пример связанных цепей |
 Рис. 7.29. Результаты моделирования с учетом паразитных эффектов |
Глава 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
8.1. Редактор печатных плат PCBoards
