Проектирование принципиальных схем и печатных плат в программной среде Mentor Graphics PADS 9.5. Часть 6. Предтопологический анализ целостности сигналов высокоскоростных печатных плат в HyperLynx

№ 4’2015
PDF версия
Mentor Graphics PADS представляет собой пакет специализированных модулей, охватывающих все этапы разработки печатных плат. В состав системы включен модуль анализа высокоскоростных печатных плат HyperLynx, в котором имеется программа предтопологического анализа LineSim. Данную программу можно использовать для анализа цепей на целостность сигналов, перекрестные помехи и электромагнитную совместимость, что позволит еще до проведения проектирования топологии оценить, как будут вести себя сигналы на плате. В статье рассмотрены приемы работы в программе LineSim, приведены примеры создания, моделирования и анализа схем.

Все статьи цикла

Введение

Задачи целостности сигнала предполагают рассмотрение цифрового сигнала как аналогового с произвольными искажениями его формы, которые вызваны физическими особенностями распространения сигнала в реальной конструкции платы. HyperLynx — средство анализа целостности сигналов и электромагнитной совместимости (ЭМС) — в настоящее время включает два продукта: LineSim и BoardSim. LineSim предназначен для предварительной оценки проблем ЭМС, BoardSim — для более подробного посттопологического анализа целостности сигналов, перекрестных помех и параметров ЭМС. В программе имеются средства моделирования перекрестных помех и анализа ЭМС, которые позволяют рассчитать наводимые сигналы в цепях, их спектры, а также оценить электромагнитное излучение вокруг них с учетом режима переключения и сравнить с разрешенными пороговыми значениями.

LineSim позволяет представить печатный узел в виде эквивалентной схемы, микросхемы и дискретные элементы которой отображаются соответствующими IBIS-моделями, а печатные проводники на плате — моделями линий передачи. Библиотеки компонентов LineSim содержат тысячи моделей.

Пользователь может получить начальную информацию о работоспособности после задания последовательности слоев платы. Результат анализа помогает конкретизировать требования к топологии, а модуль — передать их в систему проектирования. LineSim используется для анализа цепей на целостность сигналов, перекрестные помехи и электромагнитную совместимость. Чем раньше в цикле проектирования будут найдены и устранены проблемы, связанные с целостностью сигналов, тем меньше окажутся затраты на устранение этих проблем на этапах физического прототипирования и производства.

 

Общие аспекты работы в LineSim

LineSim позволяет нарисовать электрическую схему, задать параметры передающих линий и моделей компонентов схемы и запустить моделирование распространения сигнала. Схему в LineSim создают при помощи графического интерфейса программы в одном из редакторов: Free-Form Schematic Editor (рис. 1) или Cell-Based Schematic Editor (рис. 2). Запуск этих редакторов производится из основного меню LineSim — File. Редактор Cell-Based Schematic Editor представляет собой конструктор схем, в котором все возможные элементы находятся на схеме в неактивном состоянии. Для того чтобы активизировать элемент, нужно щелкнуть по нему левой кнопкой мыши. Для больших схем предпочтителен редактор Free-Form Schematic Editor, чей интерфейс подобен интерфейсу схемных редакторов.

Редактор Free-Form Schematic Editor

Рис. 1. Редактор Free-Form Schematic Editor

Редактор Cell-Based Schematic Editor

Рис. 2. Редактор Cell-Based Schematic Editor

Создание схемы

Рабочее поле редактора Cell-Based Schematic Editor состоит из ячеек, в каждой из которых есть буфер ввода/вывода (приемник/передатчик сигнала) (рис. 3а), две линии передачи (рис. 3б), параллельно включенные резисторы и конденсатор (рис. 3в), последовательно включенный пассивный компонент (рис. 3г): ферритовая шайба, резистор, конденсатор, катушка индуктивности. Пассивные компоненты используются для моделирования согласования линии передачи с буфером ввода/вывода микросхемы или другого компонента многослойной печатной платы. Таким образом, каждая ячейка редактора Cell-Based Schematic Editor — это прототип линии передачи в многослойной печатной плате, которая может быть согласована или не согласована.

Ячейка конструктора схем Cell-Based Schematic Editor

Рис. 3. Ячейка конструктора схем Cell-Based Schematic Editor:
а) буфер ввода/вывода (приемник/передатчик сигнала);
б) две линии передачи;
в) параллельно включенные резисторы и конденсатор;
г) последовательно включенный пассивный компонент (ферритовая шайба, резистор, конденсатор, катушка индуктивности)

Опция вставки Edit/Insert Row (Edit/Insert Column) позволяет вставить новый ряд или колонку между существующими рядами или колонками в схеме. Это полезно, если необходимо разбить передающую линию на два сегмента (когда трасса меняет слой). После добавления ряда (или колонки) в схеме появляется новая горизонтальная (или вертикальная) линия.

При создании схемы используют следующие операции:

  1. Добавление вывода компонента. Для того чтобы добавить вывод компонента в схему, необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши на неактивном приемнике/передатчике сигнала в схеме (символ становится выделенным), а затем правой кнопкой мыши. В результате будет открыто окно Assign Models (рис. 4), в котором для назначения модели в вывод следует выбрать этот вывод в списке Pins и нажать на кнопку Select. В открывшемся окне Select IC Model (рис. 5) нужно в поле Libraries выбрать соответствующую библиотеку компонентов, а затем — модель, щелкнув на имени компонента в поле Devices и на номере вывода или имени сигнала в поле Pin (Signal). Надо отметить, что название данного поля зависит от установленного переключателя в поле Select by и может принимать одно из двух значений: Pin, Signal. В окне Select IC Model для выбора доступны следующие типы моделей:
  • *.ibs— IBIS-модели;
  • *.ebd— EBD-модели — это расширение IBIS-моделей, которое используется для электрического описания платы;
  • *.mod— MOD-модели — это упрощенный формат HyperLynx. Обычно MOD-модели представляют семейства интегральных микросхем. В HyperLynx включены следующие библиотеки MOD-моделей: MOD (общие компоненты для нескольких логических семейств, доступных во множестве скоростей фронтов), Probes.MOD (модели типичных входных зондов осциллографов), Open.MOD (модели для открытых выводов интегральных микросхем), Diodes.MOD (базовые модели диодов), User.MOD (пользовательские модели в формате MOD), Easy.MOD (технологично-ориентированные модели, которые можно задать при отсутствии в распоряжении нужной модели);
  • *.pml— PML-модели — это расширение MOD-моделей. Файлы *.pml содержат типовые модели для корпусных компонентов с добавлением паразитных характеристик корпуса и цоколевок конкретных корпусов;
  • *.sp— SPICE-модели;
  • *.s4p— S‑Parameter (Touchstone) модели — это последовательные модели, используемые для создания моделей коннекторов и корпусов. В *.s4p-файлах могут описываться S, Y, Z и другие параметры.

Выделенный приемник/передатчик сигнала в схеме и выбор вывода в списке Pins окна Assign Models

Рис. 4. Выделенный приемник/передатчик сигнала в схеме и выбор вывода в списке Pins окна Assign Models

Окно Select IC Model

Рис. 5. Окно Select IC Model

Модели передающих и приемных буферов можно выбрать из обширных библиотек, поставляемых с продуктом.

Кнопка Find Model окна Select IC Model открывает диалог IC Model Finder (рис. 6), который позволяет найти модели по ключевым словам (текст для поиска вводится в поле Search text). После того как все действия в окне Select IC Model выполнены, нажмите на кнопку ОК. В результате диалоговое окно будет закрыто, а параметры выбранной модели отобразятся в окне Assign Models (рис. 7). При этом в поле Buffer settings посредством установки переключателя в одну из позиций можно задать назначение вывода:

  • Input (вход);
  • Output (выход);
  • Output Inverted (инверсный выход);
  • Stuck High (постоянно высокий);
  • Stuck Low (постоянно низкий).

Диалоговое окно IC Model Finder

Рис. 6. Диалоговое окно IC Model Finder

Параметры выбранной модели в окне Assign Models

Рис. 7. Параметры выбранной модели в окне Assign Models

Для назначения одной и той же модели нескольким выводам можно использовать следующие кнопки поля Model to paste:

  • Copy (копировать);
  • Paste (вставить);
  • Paste All (назначение выбранной модели всем выводам в схеме). Данную кнопку удобно применять, если все выводы схемы имеют одинаковую модель и отличаются только установками буфера.

После того как все параметры в окне Assign Models настроены, нажмите на кнопку ОК.

  1. Добавление линий передачи. Для того чтобы добавить линию передачи в схему, необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши на ее неактивном символе (после чего символ на схеме становится выделенным), а затем правой кнопкой мыши. В результате откроется окно Edit Transmission Line, в котором на вкладке Transmission-Line Type (рис. 8) в одноименном поле посредством установки переключателя в одну из позиций необходимо выбрать тип передающей линии:
  • Uncoupled (single line) (одиночная линия): Simple, Stackup, Microstrip, Buried Microstrip, Stripline, Wire Over Ground, Cable, Connector;
  • Coupled (связанная линия): Stackup.
Вкладка Transmission-Line Type окна Edit Transmission Line

Рис. 8. Вкладка Transmission-Line Type окна Edit Transmission Line

В поле Transmission-line properties отображаются свойства передающей линии. Описание линии можно ввести с клавиатуры в текстовом окне Comment.

Для передающих линий Uncoupled (single line) на вкладке Values можно задать свой набор параметров. Как показано на рис. 9a, для одиночных линий типа Stackup в поле Trace properties можно задать слой (Layer), длину (Length), ширину (Width). Для линий типа Stripline (рис. 9б) задается длина (Length), ширина (Width), толщина проводника (Conductor thickness), высота диэлектрика (Dielectric height), диэлектрическая постоянная (Dielectric constant), тангенс угла потерь (Loss tangent). Для линий типа Wire Over Ground задается длина (Length), радиус (Radius), высота диэлектрика (Dielectric height), диэлектрическая постоянная (Dielectric constant), тангенс угла потерь (Loss tangent), как показано на рис. 9в. Для одиночных линий типа Simple настройка параметров недоступна.

Настройка параметров на вкладке Values окна Edit Transmission Line для одиночных линий передачи

Рис. 9. Настройка параметров на вкладке Values окна Edit Transmission Line для одиночных линий передачи типа:
а) Stackup;
б) Stripline;
в) Wire Over Ground

Для выбранного в данный момент типа передающей линии на вкладке Values можно ввести значения в текстовых окнах или выбрать в меню из выпадающего списка. Электрические свойства автоматически рассчитываются и отображаются в поле Electrical properties.

Для одиночных линий типа Cable настройка параметров производится на вкладке Cables (рис. 10) путем выбора одного из стандартных кабелей посредством установки переключателя в нужную позицию и ввода с клавиатуры длины кабеля в поле Cable length.

Настройка параметров одиночных линий передачи типа Cable на вкладке Cables окна Edit Transmission Line

Рис. 10. Настройка параметров одиночных линий передачи типа Cable на вкладке Cables окна Edit Transmission Line

Для того чтобы использовать те же параметры для дополнительных сегментов передающей линии, предусмотрены кнопки Copy и Paste, расположенные в поле Transmission line to paste вкладки Transmission-Line Type.

В том случае, если в поле Transmission-line type выбран тип линии Coupled Stackup, в окно Edit Transmission Line будут добавлены следующие вкладки:

  • Move to Coupling Region (рис. 11а) — выбор области влияния для передающей линии;
  • Field Solver (рис. 11б) — моделирование перекрестных помех для выбранной области влияния. На рисунке линии электрического поля показаны синим цветом, а линии постоянного поля — красным. Отчет о моделировании (рис. 12) можно посмотреть, нажав на кнопку View в поле Numerical results;
  • Edit Coupling Regions (рис. 11в) — редактирование области влияния для передающей линии. На данной вкладке можно задать следующие параметры:
    • Coupling region Name (имя области влияния);
    • Length (длина передающей линии);
    • Trace width (ширина трассы);
    • Transmission line X position (позиция линии передачи);
    • Layer (слой);
    • Trace-to-trace separation (зазоры между трассами);
    • Trace-to-plane separation (зазоры между трассой и областью металлизации), а также редактировать стек слоев при помощи кнопки Edit Stackup.

 Вкладки окна Edit Transmission Line

Рис. 11. Вкладки окна Edit Transmission Line:
а) Move to Coupling Region;
б) Field Solver;
в) Edit Coupling Regions

Отчет о моделировании перекрестных помех

Рис. 12. Отчет о моделировании перекрестных помех

После того как все настройки параметров линии передачи выполнены, нажмите кнопку ОК, в результате чего линия передачи с заданными настройками будет добавлена в схему (рис. 13).

Включенная в схему линия передачи

Рис. 13. Включенная в схему линия передачи

  1. Добавление пассивных компонентов. Для того чтобы добавить параллельно включенный пассивный компонент в схему, необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши на неактивном символе компонента в схеме (символ становится выделенным), а затем правой кнопкой мыши — для назначения параметров компонента. В результате откроется окно Edit Resistor Values (рис. 14) для редактирования параметров резистора и окно Edit Capacitor Values (рис. 15а) для редактирования параметров конденсатора. Оба окна имеют идентичный интерфейс и позволяют на вкладке Value задать номинал пассивного компонента: сопротивление для резистора (поле Resistance) и емкость для конденсатора (поле Capacitance). На вкладке Parasitics (рис. 15б) задаются паразитные параметры компонентов.

Окно Edit Resistor Values

Рис. 14. Окно Edit Resistor Values

Окно Edit Capacitor Values

Рис. 15. Окно Edit Capacitor Values:
а) вкладка Value;
б) вкладка Parasitics

Для того чтобы добавить последовательно включенный пассивный компонент в схему, нужно щелкнуть левой кнопкой мыши на неактивном символе компонента в схеме. В итоге откроется меню (рис. 16), в котором предлагается выбрать один из следующих пунктов:

  • Resistor (резистор);
  • Ferrite Bead (ферритовая шайба);
  • Inductor (катушка индуктивности);
  • Capacitor (конденсатор);
  • None (удаление пассивного компонента из схемы).
Меню выбора последовательно включенного пассивного компонента

Рис. 16. Меню выбора последовательно включенного пассивного компонента

Выбор компонента выполняется при помощи левой кнопки мыши, после чего компонент будет добавлен в схему. Для того чтобы назначить параметры для последовательно включенного компонента, необходимо щелкнуть по нему правой кнопкой мыши, в результате будет открыто окно Edit Resistor Values для резистора, Edit Capacitor Values для конденсатора, Select Ferrite Bead Model для ферритовой шайбы (рис. 17а) и Edit Inductor Values для катушки индуктивности (рис. 17б). В окне Select Ferrite Bead Model на вкладке Model назначается модель ферритовых шайб. Для этого необходимо в поле Vendors выбрать производителя модели, а в поле Part numbers — ее номер. При этом фильтрующие характеристики выбранной ферритовой шайбы графически отображаются в верхней части окна Select Ferrite Bead Model, а значения модели — в левой части окна в поле Model values. Модель ферритовых шайб назначается из Bsw.FBD— или User.FBD-файлов. На вкладке Parasitics задаются паразитные параметры ферритовой шайбы.

Окно настройки параметров для последовательно включенного компонента

Рис. 17. Окно настройки параметров для последовательно включенного компонента:
а) ферритовой шайбы;
б) катушки индуктивности

На рис. 18 показана схема, в которую добавлены параллельно включенные резистор и конденсатор и последовательно включенная катушка индуктивности.

Включенные в схему пассивные компоненты

Рис. 18. Включенные в схему пассивные компоненты

После того как схема создана, надо установить значение напряжения для каждой цепи питания. Сделать это можно из основного меню LineSim — Setup/Power Supplies. После выполнения команды будет открыто окно Set Power-Supply Voltages and Nets (рис. 19), в котором, чтобы назначить цепи значение питания, следует в поле Power-Supply nets при помощи левой кнопки мыши выделить цепь, а в поле New voltage ввести напряжение питания и нажать кнопку ОК. Значение напряжения для моделирования нужно установить для каждой цепи питания. Необходимо отметить, что должна существовать по крайней мере одна цепь питания (Vcc) и одна цепь «земли» (Vss). Также может быть несколько цепей питания с разными значениями напряжения.

Окно Set Power-Supply Voltages and Nets

Рис. 19. Окно Set Power-Supply Voltages and Nets

Редактирование стека слоев печатной платы

Для улучшения целостности сигналов можно вносить изменения в стек слоев печатной платы. Редактор стека слоев Stackup Editor позволяет изменять характеристики диэлектрических и металлических слоев, удалять или добавлять новые слои и анализировать происходящие вследствие этого перемены. Встроенные в редактор средства анализа электрических параметров предоставляют возможность для заданных характеристик конструкции печатной платы автоматически определять ширину трассы по установленному импедансу (отдельно для каждого слоя) и параметры дифференциальной пары (для заданного дифференциального импеданса). В Stackup Editor можно также назначить цвет для каждого слоя, впоследствии эти цвета будут использоваться для отображения трасс. Редактор стека слоев применяется как при работе с модулем LineSim, так и в модуле посттопологического анализа BoardSim. Чтобы открыть редактор Stackup Editor, необходимо в основном меню программы LineSim выбрать пункт Setup/Stackup/Edit. В открывшемся окне можно редактировать, удалять и добавлять слои платы. Слой удаляют командой основного меню редактора Edit/Delete, предварительно выделив его в таблице слоев, для чего необходимо в первой колонке таблицы щелкнуть левой кнопкой мыши по номеру слоя, в результате чего будет выделена вся строка с описанием слоя. Добавить слой можно при помощи команд Edit/Insert Above (добавить слой выше выбранного слоя) и Edit/Insert Below (добавить слой ниже выбранного слоя) основного меню редактора. Управлять выделением слоев в таблице слоев можно следующими кнопками панели инструментов редактора:

  • Select all layers (выделить все слои);
  • Select all metal layers (выделить все слои металлизации);
  • Select all dielectric layers (выделить все слои диэлектрика);
  • Deselect selected layers (снять выделение всех слоев).

Редактор Stackup Editor содержит вкладки, на которых можно настраивать:

  • общие параметры слоев (вкладка Basic, рис. 20а): видимость (поле Visible) и цвет слоя (поле Color), стиль заливки слоя металлизации (поле Pour Draw Style: None — нет заливки, Solid — сплошная, Hatched — штриховка, Outline — контур), теплопроводность (поле Thermal Conductivity), сопротивление (поле Z0), толщину слоя (поле Thickness), тип слоя (поле Type: Dielectric — диэлектрик, Metal — металл), применение (поле Usage, для слоев металлизации: Signal — сигнальный, Plane — заливка; для слоев диэлектрика: Substrate — подложка, Solder Mask — паяльная маска);
  • параметры слоев диэлектрика (вкладка Dielectric, рис. 20б): тип слоя (поле Type), применение (поле Usage), технологию (поле Technology), тангенс угла потерь (поле Loss Tangent), теплопроводность (поле Thermal Conductivity);
  • параметры слоев металлизации (вкладка Metal, рис. 20в): тип слоя (поле Type), применение (поле Usage), материал металлизации (поле Metal), толщину слоя (поле Thickness), удельное сопротивление (поле Bulk R), температурный коэффициент (поле T coef), сопротивление (поле Z0), кривые потерь (поле Loss Curve), теплопроводность (поле Thermal Conductivity).
Редактор Stackup Editor

Рис. 20. Редактор Stackup Editor:
а) вкладка Basic;
б) вкладка Dielectric;
в) вкладка Metal

В поле Loss Curve вкладки Metal находится кнопка View, которой можно открыть окно графика кривых потерь (рис. 21). Управлять отображением кривых на графике можно при помощи переключателей: Resistance (Сопротивление), Attenuation (Затухание) и чекбоксов Resistive (Резистивное), Dielectric (Диэлектрик), расположенных в поле Show в правом верхнем углу окна.

Окно Loss-vs-Frequency Graph

Рис. 21. Окно Loss-vs-Frequency Graph

Созданный стек слоев проверяется на наличие ошибок командой Setup/Stackup/Check основного меню LineSim. В результате выполнения команды будет выведено сообщение об отсутствии ошибок. В случае их обнаружения система попытается самостоятельно устранить ошибки. Продемонстрируем работу этой команды на конкретном примере. Искусственно введем ошибку в стек слоев платы — удалим слой диэлектрика, который находился между слоем VCC и слоем InnerSignal1 (рис. 22а), в результате рядом окажутся сигнальный слой и слой заливки (рис. 22б), и проведем проверку при помощи команды Setup/Stackup/Check. По итогам выполнения команды было получено сообщение (рис. 23) “A dielectric layer was added near layer InnerSignal1” («Слой диэлектрика был добавлен возле слоя InnerSignal1») — это означает, что причина ошибки выявлена и устранена. В этом можно убедиться, открыв стек слоев платы (рис. 22в).

Стек слоев платы

Рис. 22. Стек слоев платы:
а) до ввода ошибки;
б) после ввода ошибки;
в) после выполнения команды Setup/Stackup/Check

Сообщение об ошибке в стеке слоев платы

Рис. 23. Сообщение об ошибке в стеке слоев платы

Мастер согласования Terminator Wizard

Terminator Wizard можно использовать для оптимизации номиналов согласующих компонентов. Мастер самостоятельно производит подбор согласующих сопротивлений и рассчитывает оптимальное значение для согласования компонентов. Эти значения можно автоматически применить в схеме LineSim. Terminator Wizard анализирует цепь и выдает рекомендации по улучшению качества сигналов. Если в цепи обнаруживаются значительные отражения и другие паразитные эффекты, вызванные несогласованностью сопротивлений, Terminator Wizard посоветует, какой тип согласующего сопротивления поможет преодолеть проблемы, и выдаст его параметры. Разработчик может повторить моделирование в присутствии такого виртуального сопротивления и при необходимости добавить соответствующие элементы цепи (с коррекцией топологии платы). Запуск мастера согласования выполняется командой основного меню Simulate SI/Optimize Termination или нажатием кнопки Run Terminator Wizard панели инструментов LineSim, в результате открывается окно выбора цепи Select Net for Terminator Wizard (рис. 24). Щелкните в этом окне левой кнопкой мыши в поле Select a device pin по названию вывода компонента, из которого берет начало цепь, затем название цепи отобразится в поле Net, и нажмите на кнопку ОК. Откроется окно мастера Terminator Wizard (рис. 25), в котором автоматически рассчитанные значения будут показаны в поле Terminator analysis. Для назначения рассчитанных значений необходимо нажать кнопку Apply Values, расположенную в верхнем правом углу окна мастера. Если закрыть окно мастера без применения значений, то схема не обновится. Если в цепи нет компонентов согласования, то кнопка Apply Values будет неактивной.

Окно выбора цепи Select Net for Terminator Wizard

Рис. 24. Окно выбора цепи Select Net for Terminator Wizard

Окно мастера Terminator Wizard

Рис. 25. Окно мастера Terminator Wizard

 

Анализ схемы при помощи виртуального осциллографа

Моделирование в осциллографе используется для анализа целостности сигналов и наводок в цепях схемы. Если назначен регион влияний, то моделирование будет автоматически включать эффекты влияний.

Открыть лицевую панель виртуального осциллографа в LineSim (окно Digital Oscilloscope, рис. 26) можно командой основного меню Simulate SI/Run Interactive Simulation (SI Oscilloscope) или нажатием одноименной кнопки панели инструментов LineSim. В верхней левой части окна расположен графический дисплей, предназначенный для графического отображения формы сигнала. Также прибор оснащен двумя курсорами для проведения измерений во временной области, каждый из которых можно установить, щелкнув левой кнопкой мыши в области графического дисплея. Третий щелчок удаляет курсоры.

Окно Digital Oscilloscope

Рис. 26. Окно Digital Oscilloscope

В нижней правой части окна находятся четыре ручки управления, предназначенные для настройки отображения измеряемого сигнала:

  • поле Vertical содержит две ручки: Position — устанавливается положение кривой по вертикальной оси, Scale — задается величина деления по оси Y;
  • поле Horizontal содержит две ручки: Delay — устанавливается положение кривой по горизонтальной оси, Scale — задается величина деления по оси Х.

На лицевой панели осциллографа также можно настроить следующие параметры отображения сигнала:

  • Operation (отображение сигнала): Standard (стандартное), Eye Diagram (глазковая диаграмма);
  • Edge (фронт): Rising edge (передний фронт), Falling edge (задний фронт);
  • Oscillator (отображение обоих фронтов), при этом есть возможность задать частоту (поле MHz) и рабочий цикл (поле Duty);
  • IC modeling (передатчик сигнала): Slow-Week (медленный слабый), Typical (типичный), Fast-Strong (быстрый сильный);
  • Show— выбор кривых и информации для совместного отображения.

Перед запуском моделирования нужно установить зонды. Если установка зондов не была произведена разработчиком, то система автоматически использует первые шесть выводов компонентов из возможных. Предусмотрена установка зондов на любой вывод компонента. Все возможные точки зондирования отображаются в поле Probes окна Show. После установки зондов задаются входные условия моделирования и значения отображения симулятора. Запуск моделирования выполняется нажатием кнопки Start Simulation в верхнем правом углу окна Digital Oscilloscope.

Для примера рассмотрим модель линии передачи (рис. 27) со следующими параметрами:

  • буферы ввода/вывода выполнены по технологии CMOS,3.3V,FAST (быстродействующая комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник (КМОП) с питанием 3,3 В) — библиотека mod;
  • линия передачи одиночная (не имеющая электромагнитной связи с соседними линиями), расположена на внутреннем сигнальном слое между двумя потенциальными; длина линии 10 см, а ширина 125 мкм, волновое сопротивление 70 Ом, время задержки сигнала 691 пс.
Модель линии передачи

Рис. 27. Модель линии передачи

Воздействие зададим в виде заднего фронта прямоугольного импульса длительностью 1 нс. На рис. 28а показан результат моделирования. Хорошо видно, что из-за отсутствия согласования линии передачи с нагрузкой напряжение приемника (зеленая кривая) не устанавливается даже в течение 5 нс, хотя длительность фронта передатчика равна 1 нс (красная кривая).

Временные диаграммы заднего фронта импульса

Рис. 28. Временные диаграммы заднего фронта импульса (красная кривая — напряжение на передатчике, зеленая кривая — напряжение на приемнике):
а) до согласования;
б) после согласования

Модель линии передачи с последовательно включенным пассивным компонентом

Рис. 29. Модель линии передачи с последовательно включенным пассивным компонентом

Выполним моделирование при согласовании линии передачи с помощью последовательного резистора (рис. 29). Требуемое сопротивление можно рассчитать автоматически, с помощью мастера согласования Termination Wizard. Результат согласования показан на рис. 28б. Как видно из рисунка, понижающий выброс сократился почти до 500 мВ, и сигнал установлен.

 

Анализ схемы при помощи виртуального анализатора спектра

С помощью анализатора спектра в LineSim можно моделировать электромагнитную совместимость. ЭМС рассматривает электромагнитные поля, распространяющиеся от передающей линии в пространство. Многие типы электроники должны удовлетворять нормам ЭМС. Плата не удовлетворяет требованиям ЭМС, если максимальное электромагнитное излучение превышает нормы ЭМС на любой частоте. Излучения рассчитываются для единичных цепей. Если одна из цепей превышает нормы ЭМС, то, возможно, плата не пройдет тестирования. Если все цепи удовлетворяют нормам с необходимым запасом, то плата имеет хорошие шансы пройти антенное тестирование. HyperLynx моделирует только дифференциальные излучения. Если в слоях металлизации есть пустоты или слой металлизации разбит на разные области, то электромагнитное излучение может быть больше, чем рассчитано. Чтобы высокоскоростные проекты прошли ЭМС-тестирование, обычно необходимо обеспечить высокоскоростные пути соединения между областями металлизации, особенно для возвратных путей высокоскоростных сигналов. Эта высокоскоростная связь между слоями металлизации существенно уменьшает общее излучение. Электромагнитное излучение зависит от характеристик передающих линий трасс и скорости фронта передатчика, наибольшие значения будут получены для длинных трасс и передатчиков с быстрыми фронтами. Также оно зависит от расстояния до слоя металлизации. Размещение трасс на внутреннем слое между слоями металлизации уменьшает электромагнитное излучение. Проблемы ЭМС можно решить, укорачивая трассы или размещая проблемные трассы между слоями металлизации. Для уменьшения проблем ЭМС можно использовать согласование.

Анализатор спектра можно применить для оценки ЭМС от трасс схемы. В течение моделирования назначить в качестве выходного передатчика можно только один вывод компонента. Лицевая панель виртуального анализатора спектра в LineSim (окно Spectrum Analyzer, рис. 30) открывается командой основного меню Simulate SI/Run Interactive EMC Simulation (Spectrum Analyzer) или нажатием одноименной кнопки панели инструментов LineSim. Так как еще нет топологической информации, LineSim делает некоторые упрощающие предположения о размещении сегментов трасс. Если на схеме есть связанные передающие трассы, то при моделировании будут учитываться эффекты взаимовлияний. Эту информацию можно использовать для оценки эффектов экранирующих трасс и других близлежащих цепей. При моделировании электромагнитного излучения допускается применение только одного передатчика, все остальные выводы должны быть определены как приемники.

Окно Spectrum Analyzer

Рис. 30. Окно Spectrum Analyzer

Перед запуском моделирования нужно установить зонды. Для этого необходимо нажать на кнопку Set в поле Probe лицевой панели анализатора спектра. В результате будет открыто окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC). Тип зонда устанавливается в поле Probe type и может принимать одно из двух значений:

  • Antenna— антенна (рис. 31а);
  • Current— токовый пробник (рис. 31б).
Окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC), тип зонда

Рис. 31. Окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC), тип зонда:
а) антенна;
б) токовый пробник

По умолчанию используется антенный зонд, для которого можно задать следующие параметры:

  • Distance from antenna to PCB— расстояние между платой и антенной;
  • Automatically find positions for maximum radiation— автоматически установить позицию антенны с учетом наибольшего излучения;
  • Antenna height— высота антенны;
  • PCB rotation angle— угол поворота платы относительно антенны;
  • Automatically find max. radiation— автоматическое нахождение максимального излучения;
  • Include radiation from— учитывать при измерении излучение от: Printed-circuit traces (печатных проводников платы), Component packages (компонентов платы), Мultipath from earth ground (цепей «земли»).

Токовый зонд устанавливается на любой вывод интегральной микросхемы (передатчика) или на любой вывод пассивного компонента (например, резистора). Работа с токовым зондом возможна после того, как в поле Probe type окна Set Spectrum Analyzer Probing (EMC) переключатель установлен в позицию Current. При этом все доступные точки токовых зондов отображаются в списке Pins.

После установки зонда необходимо в окне Spectrum Analyzer определить следующие настройки моделирования и отображения сигнала:

  • Freq (частота);
  • Duty cycle (рабочий цикл);
  • IC modeling (передатчик сигнала): Slow-Week (медленный слабый), Typical (типичный), Fast-Strong (быстрый сильный);
  • Display— отображение новых (позиция Show previous) или предыдущих результатов (позиция Show new);
  • Regulations (выбор норм ограничений). Многие типы электроники должны удовлетворять нормам ЭМС, которые устанавливаются такими регулирующими ведомствами, как FCC (Federal Communications Commission) в США, CISPR (Европа) и VCCI (Япония). Выбранные нормы будут отображаться в виде линий ограничений на дисплее Spectrum display, налагаясь на спектр моделированного излучения. Опция User предоставляет возможность ввести свои собственные ограничения.

В нижней правой части окна находятся три ручки управления, предназначенные для настройки отображения сигнала:

  • поле Vertical содержит ручку Offset, при помощи которой устанавливается смещение графика в окне Spectrum display по вертикальной оси;
  • поле Horizontal содержит две ручки: Central Freq — центральная частота, Scale — величина деления по оси Х.

После того как все настройки выполнены, можно запустить моделирование, для чего необходимо нажать на кнопку Start Simulation в верхнем правом углу лицевой панели анализатора спектра. После окончания моделирования результаты отображаются в двух окнах дисплея. Верхнее окно Mini oscilloscope display показывает токовую кривую передатчика в линейном масштабе. Нижнее окно Spectrum display показывает спектр ЭМС в логарифмическом масштабе. Если в качестве зонда применен токовый пробник, то окно Spectrum display отображает спектр токов, используя логарифмический масштаб.

Выполним моделирование с установкой значения Fast-Strong в поле IC modeling (рис. 32а). Определим частоту и амплитуду двух наибольших вершин, а затем установим значение поля IC modeling в позицию Slow-Week и повторим анализ ЭМС. Для того чтобы отобразить в центре окна дисплея самую высокую вершину, можно установить флажок в чекбоксе Auto scale в поле Display. Снова замерим частоту и амплитуду двух наивысших вершин (рис. 32б). По результатам выполненного моделирования можно определить установки передатчика, которые приводят к наибольшему излучению ЭМС и являются причиной нарушения норм ЭМС. Плата не удовлетворяет требованиям ЭМС, если максимальное электромагнитное излучение превышает нормы ЭМС на любой частоте.

Спектральные диаграммы излучаемого магнитного поля

Рис. 32. Спектральные диаграммы излучаемого магнитного поля:
а) IC modeling Fast-Strong;
б) IC modeling Slow-Week

В рассмотренном примере нарушения норм FCC не было, однако были нарушены пользовательские нормы ограничений (рис. 33) в случае использования быстрого передатчика сигнала. Из этого можно сделать вывод, что при решении проблемы ЭМС не следует забывать про используемую элементную базу. Применение микросхем с меньшей скоростью переключения между логическими уровнями напряжения всегда предпочтительнее, если это не сказывается на быстродействии устройства. Чем меньше быстродействие буферов ввода/вывода, тем надежнее меры по обеспечению целостности сигналов и ЭМС.

Окно настройки параметров пользовательских норм ограничений

Рис. 33. Окно настройки параметров пользовательских норм ограничений

Литература
  1. PADS ES Suite Evaluation Guide, Mentor Graphics Corporation, 2012.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *