WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Таблица 1. Параметры исследуемой микрополосковой дифференциальной пары Параметр Значение Ширина проводников, мкм Зазор между проводниками, мкм Толщина проводников, мкм Толщина основания платы, мкм Относительная диэлектрическая проницаемость основания платы Толщина паяльной маски, мкм Относительная диэлектрическая проницаемость паяльной маски 3,Толщина влагозащитного покрытия, мкм Относительная диэлектрическая проницаемость влагозащитного покрытия 3,6,6,6,Нечетная мода 5,5,Четная мода 5,5,3,5 3,75 4 4,25 4,Относительная диэлектрическая проницаемость основания Рис. 5. Зависимость задержки распространения четной и нечетной мод от диэлектрической проницаемости основания платы 6,6,Нечетная мода 5,Четная 5,мода 5,3 3,25 3,5 3,75 Относительная диэлектрическая проницаемость паяльной маски Рис. 6. Зависимость задержки распространения четной и нечетной мод от диэлектрической проницаемости паяльной маски 6,6,Нечетная мода 5,Четная мода 5,5,3 3,25 3,5 3,75 Относительная диэлектрическая проницаемость влагозащиты Рис. 7. Зависимость задержки распространения четной и нечетной мод от диэлектрической проницаемости паяльной маски Задержка распространения, нс / м Задержка распространения, нс / м Задержка распространения, нс / м Разность задержки четной и нечетной мод пропорциональна диэлектрической проницаемости основания платы и обратно пропорциональна диэлектрическим проницаемостям паяльной маски и влагозащитного покрытия. При отсутствии паяльной маски и влагозащитного покрытия задержка распространения сигнала в режиме четной моды составляет 5,69 нс/м, в режиме нечетной моды – 5,16 нс/м, разность задержек 0,53 нс/м, что существенно больше, чем с покрытиями.

Помимо разбега мод, на целостность сигнала большое влияние оказывает рассогласование. Проблема рассогласования обостряется при использовании встроенных резисторов, часто имеющих недопустимо большой допуск на сопротивление. Проведенный анализ проблемы рассогласования из-за использования встроены резисторов позволил сделать следующие выводы:

• для того, чтобы коэффициент отражения в худшем случае не превышал допустимый (0,05) допуска на согласующие резисторы и дифференциальное полное сопротивление пары должны быть ±5%;

• при проектировании дифференциальных пар необходимо уточнить наличие встроенных в приемники резисторов. При их наличии необходимо уточнить номинальное значение, обращая внимание на то, что оно не всегда равно 100 Ом, а также допуск на сопротивление;

• если допуск на сопротивление встроенных резисторов больше ±5%, то рекомендуется рассмотреть возможность применения аналогичных приемников дифференциального сигнала но с меньшим допуском на сопротивление или без встроенных резисторов (т.е.

согласовать внешними чип-резисторами).

Оценка погрешности расчета дифференциального сопротивления различными методами была проведена на микрополосковой паре, так как на ее дифференциальное полное сопротивление влияет наибольшее число конструкторско-технологических факторов. В Таблица 2 приведены результаты расчета дифференциального полного сопротивления микрополосковой пары, а также микрополосковой пары, сечение которое показано на Рис. 8.

проводники 1 2 Рис. 8. Сечение исследуемой микрополосковой дифференциальной пары: 1, 2 – дифференциальная пара, 3 – одиночный проводник (микрополосковая пара II) Таблица 2. Результаты расчета дифференциального полного сопротивления пары с параметрами w=мкм, s=400 мкм, t=35 мкм, h=300 мкм, =Микрополосковая дифференциальная пара, расположенная близко к Микрополосковая краю платы, с паяльной дифференциальная пара маской и влагозащитным Средняя Метод (микрополосковая пара I) покрытием, проводником 3, погрешность, Примечание расчета щель в диэлектрике % (микрополосковая пара II) Расчетное Погрешность Расчетное Погрешность значение относительно значение относительно Zdiff, Ом ELCUT, % Zdiff, Ом ELCUT, % ELCUT 118,1 - 101,5 - - IPC-2141A 141,2 19,6 141,2 39,1 29,4 Паяльная маска, IPC-2141 121,5 2,9 121,5 19,7 11,3 влагозащитное [60, 86] покрытие, расстояние до края платы, близлежащий одиночный проводник, щель в диэлектрике не учитываются CITS25, 122,7 3,9 112,1 10,4 7,2 Помимо Polar параметров w, s, Instruments t, h, учитывается только толщина паяльной маски Анализ результатов, приведенных в Таблица 2, позволяет сделать следующие выводы:

• наименьшую погрешность расчета (2,9%) дифференциального полного сопротивления микрополосковой пары I обеспечивает формула, приведенная в стандарте IPC-2141, погрешность расчетов, выполненных в программе Polar Instruments на 1% выше, однако формулы из стандарта IPC-2141A имеют недопустимо высокую погрешность порядка 20%;

• относительно невысокую (7,2%) погрешность расчета дифференциального полного сопротивления микрополосковой пары II обеспечивает только Polar Instruments, погрешность формул из стандартов IPC-2141 и IPC-2141А недопустимо высока (11,3% и 29,4% соответственно). Вероятная причина высокой погрешности – отсутствие учета влияния многих факторов.

Выявленные в результате анализа преимущества и недостатки рассматриваемых методов сгруппированы Таблица 3.

Таблица 3. Выявленные преимущества и недостатки методов расчета Метод Преимущества Недостатки По инженерным формулам • Простота расчета (по формулам • Большая погрешность из IPC-2141) • Громоздкость формул (по формулам из IPC-2141A) • Не учитывается влияние многих факторов (например, паяльной маски и влагозащитного покрытия) С применением программных • Средняя погрешность • Высокая стоимость многих продуктов для проектирования программных продуктов • Учитывается влияние паяльной печатных плат маски в CITSМетод конечных элементов • Низкая погрешность • Сравнительно ограниченно (используется для расчета емкости, по пригоден для инженерного • Возможность исследования которой определяется применения практически любых сечений дифференциальное полное печатных плат сопротивление) • Возможность анализа влияния многих существенных факторов (в том числе, паяльной маски и влагозащитного покрытия) • Низкая стоимость программного обеспечения (стоимость годовой лицензии ELCUT для вузов 10 тыс. руб.) Третья глава посвящена разработке модели микрополосковой дифференциальной пары. Волновое сопротивление Z линии связи без потерь, в которой существует Т-волна, определяется выражением:

L µ Z = =, C C где L – погонная индуктивность, C – погонная емкость, µ – абсолютная магнитная проницаемость среды, – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

Если считать материалы линии передачи немагнитными, то выражение для волнового сопротивления линии связи примет следующий вид:

µ0eff(1) Z =, C где µ0 – магнитная постоянная, равная 1,2610-6 Гн/м, eff – эффективная диэлектрическая проницаемость, 0 –электрическая постоянная, равная 8,8510-12 Ф/м.

Распространение сигнала в дифференциальной паре принято представлять в виде совокупности четной и нечетной мод. Дифференциальное полное сопротивление равно сумме волновых сопротивлений первой и второй линии в режиме нечетной моды.

Эквивалентная емкость первой линии в режиме нечетной моды равна:

C1 = C11 + 2C12, где С11 – частичная емкость первого проводника, С12 – взаимная емкость между первым и вторым проводниками.

Перепишем (1) с учетом выше сказанного, а также представляющего интерес влияния одиночного проводника в виде микрополосковой линии, расположенного рядом с проводником 2 (см. Рис. 8):

µ01eff0 µ02effZдиф = Z1нм + Z2нм = +, (2) C11 + 2C12 C22 + 2C12 + 2Cгде Z1нм – волновое сопротивление первой линии в режиме нечетной моды, Z2нм – волновое сопротивление второй линии в режиме нечетной моды, 1eff – эффективная диэлектрическая проницаемость среды вокруг первого проводника, 2eff – эффективная диэлектрическая проницаемость среды вокруг второго проводника, С22 – частичная емкость второго проводника, С23 – взаимная емкость между вторым и третьим проводниками.

В Таблица 4 приведены названия и обозначения факторов, а также натуральные значения на уровнях «-1», «0», «+1» Таблица 4. Факторы, влияние которых исследовалось. Натуральные значения факторов на уровнях приведены в микрометрах, кроме факторов x2, x8, xКодовое Учет влияния Натуральные значения Условное обозна- фактора в факторов на уровнях обозначение Название фактора чение формулах IPCфактора -1 0 +фактора 2141A x1 hподл толщина подложки 150 300 450 да x2 подл диэлектрическая 2 4 6 да проницаемость подложки x3 hпров толщина проводников 17,5 35 52,5 да x4 w1 ширина проводника 1 150 300 450 учитываются, но x5 w2 ширина проводника 2 150 300 450 w1= wx6 s12 зазор между проводниками 1 200 400 600 да и x7 hп.м. толщина паяльной маски 17,5 35 52,5 нет x8 п.м. диэлектрическая 1,75 3,5 5,25 нет проницаемость паяльной маски x9 hвл толщина влагозащитного 35 70 105 нет покрытия x10 вл диэлектрическая 1,75 3,5 5,25 нет проницаемость влагозащитного покрытия x11 s23 зазор между проводниками 2 400 800 1200 нет и x12 w3 ширина проводника 3 150 300 450 нет x13 s1п зазор между проекцией 400 800 1200 нет проводника 1 на полигон заземления и краем полигона заземления x14 sотв-п расстояние от края щели до 500 1000 1500 нет края полигона заземления x15 dщ ширина щели 1000 2000 3000 нет Рассчитанные линейные эффекты позволяют существенно уточнить модель для определения дифференциального полного сопротивления, приведенную в стандарте IPC2141A. Уточненная модель имеет следующий вид:

174 5,98h -0,96s hп.м. - 35 п.м. - 3,5 hвл - Zdiff = ln( )(1- exp( )) - 0,79 - 5,99 - 2,87 0,8w + t h 17,5 1,75 подл +1,sщ -1000 dщ - п.м. - 3,5 s23 - 800 w3 - -4,67 + 2,83 - 0,42 - 0,90 + 0,68 - 24,26.

1,75 400 150 500 На Рис. 9 приведена зависимость относительной погрешности расчета дифференциального полного сопротивления микрополосковой пары по не уточненной и уточненной модели от отклонения значений факторов от нулевого уровня. Анализ графиков, приведенных на Рис. 9, позволяет сделать следующие выводы:

• погрешность уточненной модели меньше во всем рассматриваемом диапазоне значений факторов;

• в центре диапазона погрешность уточненной модели минимальна;

• при значениях факторов меньше нулевого уровня погрешность уточненной модели не превышает 6,5%. Учитывая постоянное уменьшение размеров проводников и зазоров между ними, невысокая погрешность расчета в данной области является существенным преимуществом уточненной модели над аналогами.

Рис. 9. Зависимость относительной погрешности расчета дифференциального полного сопротивления микрополосковой пары по не уточненной (пунктирная линия) и уточненной (сплошная линия) формулам от отклонения значений факторов от нулевого уровня Четвертая глава посвящена разработке и внедрению методики проектирования дифференциальных пар. Отличительной особенностью предлагаемой методики (Рис. 10) 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.

Анализ применяемой элементной базы Формулирование требований к дифферециальной паре Выбор слоев для размещения дифференциальных пар Формулирование конструкторскотехнологических ограничений Оптимизация конструкторскотехнологических параметров Трассировка линий Верификация на виртуальном прототипе нет Требования соблюдены Дифференциальная пара спроектирована Рис. 10. Этапы проектирования дифференциальной пары На основе уточненной модели, полученной в работе, была написана программа, позволяющая оптимизировать конструкторско-технологические параметры дифференциальной пары, целевая функция – разность расчетного и требуемого дифференциальных полных сопротивлений, критерий оптимальности: Zт - - Z Zт++, где Zт – требуемое дифференциальное полное сопротивление, - и + – допуски в Корректировка решений меньшую и большую стороны соответственно, Z – расчетное дифференциальное полное сопротивление. Блок схема использованного в программе алгоритма приведена на Рис. 11.

Начало Zт, +, - Исходная информация о параметрах Присваивание недостающих значений Формулирование целевой функции Z-Zт n = 1, 100, Определение отклонений параметров (di, dср) Цикл по изменяемым параметрам нет di dср или xi x i да да Z - Zт - - и xi = xi + sgn(Zт - Z )sgn(ki )si Z - Zт + нет да Z - Zт - - и Z - Zт + нет Вывод оптимальных значений параметров Конец Рис. 11. Блок-схема алгоритма оптимизации параметров пары Экспериментальная проверка использованных в методике подходов и моделей проводилась следующим образом. Для дифференциальных пар в исследуемом печатном узле различными методами было рассчитано дифференциальное полное сопротивление.

Дифференциальное полное сопротивление также было измерено методом рефлектометрии (TDR) с помощью прибора CITS900s4 производства Polar Instruments В Таблица 5 приведены расчетные и измеренные значения дифференциального полного сопротивления исследуемой пары. Наименьшая погрешность относительно ELCUT обеспечивается при расчете в разработанной программе «Оптимизатор параметров микрополосковой пары», а измеренное значение примерно на 10 Ом отличается от расчетного. По-видимому, это объясняется погрешностью проведенных измерений.

Таблица 5. Расчетные и измеренные значения дифференциального полного сопротивления исследуемой микрополосковой пары Дифференциальное полное Погрешность относительно Метод определения сопротивление, Ом ELCUT, % Расчет электростатического поля в 91,1 - ELCUT Расчет в программе «Оптимизатор 89,5 1,параметров микрополосковой дифференциальной пары» (по уточненной формуле) Расчет в CITS25, Polar Instruments 86,5 5,Измерение методом 100,5 10,рефлектометрии, CITS900sВ заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.

Основные результаты работы В процессе решения задач, поставленных в диссертации, получены следующие основные научные результаты:

1. Проведен анализ проблемы целостности сигнала в дифференциальной паре.

Проанализирован разбег мод и его последствия для целостности сигнала. Показано, что паяльные маски и влагозащитные покрытия существенно (до двух раз) снижают разбег мод. Проанализировано влияние встроенных резисторов на целостность сигнала.

Показано, что из-за больших допусков на сопротивление встроенных резисторов в худшем случае коэффициент отражения примерно в три раза превышает максимально допустимый (0,05).

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»