Проектирование принципиальных схем и печатных плат в программной среде Mentor Graphics PADS 9.5.
Интеграция схемотехнического редактора DxDesigner и модуля предтопологического анализа LineSim

В DxDesigner имеется средство LineSim Link, позволяющее выполнить экспорт предназначенной для анализа цепи в LineSim. В статье рассмотрена работа в редакторе Free-Form Schematic Editor программы LineSim, приведен пример трансляции, моделирования и анализа цепи, разработанной в DxDesigner.

Введение

Одна из самых насущных задач разработчика электронных систем — заранее проанализировать, насколько надежно будет сконструированная им электрическая схема работать при реализации ее на печатной плате — дойдет ли сигнал от источника к приемнику в нужное время и с нужным качеством (то есть задача оценки целостности сигнала на печатной плате).

Многие из основных проблем, которые могут вызвать нарушения целостности сигнала, можно обнаружить еще на этапе схемы и исправить, используя модуль HyperLynx LineSim.

HyperLynx — это полный набор средств моделирования и верификации схем, включая проекты с высокоскоростными сигналами. В состав программы входят следующие модули:

• LineSim — программа предтопологического анализа, которую можно использовать для анализа цепей на целостность сигналов, перекрестные помехи и электромагнитную совместимость;
• BoardSim — программа посттопологического анализа, которую можно использовать для анализа целостности сигналов, наводок и электромагнитной совместимости тогда, когда доступна топологическая информация.

Предтопологический анализ включает предварительное исследование системы на наличие в ней проблем с целостностью сигналов, в то время когда еще не известны ее точные геометрические размеры и взаимное расположение компонентов. При этом не учитывается расположение печатных проводников по слоям. На схемном уровне устранение проблем, связанных с целостностью сигналов, решается путем согласования линий передачи и входных/выходных сопротивлений микросхем.

LineSim позволяет представить печатный узел в виде эквивалентной схемы, микросхемы и дискретные элементы которой описаны соответствующими IBIS-моделями, а печатные проводники на плате — моделями линий передачи. Библиотеки компонентов содержат тысячи моделей. Также разработчик может добавить и собственные модели. Библиотеки IBIS-моделей поставляются вместе с LineSim, при этом каждая модель, по сути, является внешним файлом с расширением .ibs. Пользователь может получить начальную информацию о работоспособности после задания последовательности слоев платы. Результат анализа позволяет конкретизировать требования к топологии, а модуль — передать их в систему проектирования. При помощи LineSim можно:

• определить стек слоев платы (слои диэлектрика, сигнальные слои, области металлизации);
• производить моделирование целостности сигнала при помощи цифрового осциллографа;
• моделировать перекрестные помехи;
• моделировать электромагнитную совместимость при помощи анализатора спектра;
• производить подбор согласующих сопротивлений при помощи мастера Termination Wizard, который рассчитывает оптимальные значения для согласования компонентов;
• определить для каждого слоя платы ширину трасс и зазоры.

При помощи модуля LineSim системы HyperLynx можно еще на стадии схемотехнического проектирования уточнить требования к электрическим параметрам микросхем, определить необходимость использования помехоподавляющих элементов, выбрать нужные корпуса микросхем. 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), Cell-Based Schematic Editor (рис. 2). Также в LineSim можно транслировать схему, разработанную в схемотехническом редакторе DxDesigner.

Рис. 1. Редактор Free-Form Schematic Editor программы LineSim

Рис. 2. Редактор Cell-Based Schematic Editor программы LineSim

DxDesigner — программа для создания принципиальных схем электронных устройств, которая позволяет выполнять проектирование различных электрических схем для последующей разводки на печатной плате. DxDesigner интегрируется со средствами проектирования топологии PADS и Expedition Enterprise и предоставляет все возможности для рисования схемы внутри простого в использовании графического интерфейса, после чего выбранную для анализа цепь можно передать в LineSim. Для этого в DxDesigner имеется средство LineSim Link.

Подготовка спроектированной в DxDesigner цепи к предтопологическому анализу

Разработка схемы электрической принципиальной

Экран графического редактора DxDesigner представлен на рис. 3. Первым этапом проектирования узла печатной платы в PADS является создание нового проекта в DxDesigner, который будет содержать результаты дальнейшей работы над платой.

Рис. 3. Окно графического редактора DxDesigner

Для создания нового проекта выберите в меню File/New пункт Project и в правой панели открывшегося окна New Project (рис. 4) заполните поля таким образом: в поле Name введите название вашего проекта, в поле Location укажите месторасположение нового проекта. В поле Layout Tool из выпадающего списка выберите маршрут проектирования (по умолчанию уже должен быть установлен PADS 9.5). Нажмите ОК. Директория проекта, содержащая файлы схем, символов и соединений (рис. 5), будет создана автоматически. Файл проекта имеет расширение .prj. В Navigator только что созданный проект будет выглядеть так, как показано на рис. 6. В левой панели окна New Project представлены стандартные шаблоны проектов. Шаблоны проектов используются для уменьшения шагов в процессе настройки проекта.

Рис. 4. Окно New Project, панель Netlist/default

Рис. 5. Директория нового проекта DxDesigner

Рис. 6. Структура нового проекта в окне Navigator

После того как проект создан и заданы первоначальные настройки, можно приступать к созданию схемы. Для формирования нового файла схемы выберите в меню File/New пункт Schematic. В результате добавится новая пустая схема. Схема может содержать несколько листов. Добавить новый лист в схему можно командой File/New/Sheet.

Более подробно создание схем электрических принципиальных в DxDesigner было рассмотрено в [1] и [2].

Экспорт цепи в HyperLynx LineSim

Выполнить анализ цепей схемы, разработанной в DxDesigner, на целостность сигналов, перекрестные помехи и электромагнитную совместимость можно при помощи модуля предтопологического анализа программы HyperLynx. Для чего выбранную для анализа цепь необходимо экспортировать в LineSim.

Рассмотрим на конкретном примере процесс предтопологического анализа цепи схемы, спроектированной в DxDesigner. Для этого откроем схему в схемотехническом редакторе (рис. 7). Левой кнопкой мыши выделим компонент, к которому подключена выбранная для анализа цепь, и просмотрим на панели Properties назначенные для моделирования IBIS-модели (поля SIM_MODEL и SIM_MODEL_FILE), показанные на рис. 8. При помощи левой кнопки мыши выделим предназначенную для анализа цепь, затем правой кнопкой мыши вызовем контекстное меню и выберем в нем пункт LineSim Link (рис. 9).

Рис. 7. Спроектированная в редакторе DxDesigner схема электрическая принципиальная

Рис. 8. Выделенный в рабочей области графического редактора компонент и панель его свойств

Рис. 9. Выделенная для анализа цепь DATA_BUS0, вызов контекстного меню и выбор в нем команды LineSim Link

Необходимо отметить, что для выделения отдельных объектов схемы в рабочей области проекта можно использовать фильтры. Выбор нужного фильтра производится в диалоговом окне Select (рис. 10) установкой флажков в чекбоксах. В частности, для выделения в рабочей области проекта цепей и шин используется фильтр Net and Bus, а для выделения компонентов схемы — фильтр Symbol. Для выделения всех объектов рабочего проекта предназначен чекбокс All. Для того чтобы открыть окно Select, необходимо на панели инструментов View нажать на пиктограмму Selection Filter. Данная панель добавляется в проект командой View/Toolbars/View основного меню редактора DxDesigner.

Рис. 10. Диалоговое окно Select

В нашем примере была выделена цепь DATA_BUS0, которая подключена к выводу 13 микросхемы U14 разработанной схемы. Как видно на рис. 8, для моделирования назначена следующая IBIS-модель — MC74LCX125 (поле SIM_MODEL панели Properties). В поле SIM_MODEL_FILE указано название файла IBIS-модели (MC74LCX125.ibs).

В результате выполнения команды LineSim Link будет открыто одноименное диалоговое окно, в котором для экспорта выбранной цепи надо произвести следующие действия:

• на вкладке Options (рис. 11а) в поле Schematic Contents установите переключатель в позицию Complete schematic (export including interconnections) (выполнить экспорт всей цепи, включая все компоненты и соединения) и нажмите на кнопку Load Data from DxDesigner (передать данные из DxDesigner). Отметим, что в случае выбора позиции Parts only schematic (no interconnections are exported) в редактор предтопологического анализа будут экспортированы только компоненты. В поле Transmission Line Properties можно изменить свойства линии передачи (Length — длину, Width — ширину, Layer — слой), в поле Passives Prefixes указаны префиксы компонентов схемы, а в поле Supply Nets — значения напряжения цепей питания;
• при этом на вкладке Schematic Topology (рис. 11б) будут показаны источники и приемники сигналов для выбранной цепи. В нашем случае 13‑й вывод микросхемы U14 и 13‑й вывод микросхемы U28 — приемники, вывод М26 микросхемы U11 — источник сигнала;
• на вкладке Options нажмите на кнопку Export to HyperLynx.

Рис. 11. Диалоговое окно LineSimLink:
а) вкладка Options;
б) вкладка Schematic Topology

В результате выполненных действий выбранная в проекте схемы цепь будет загружена в редактор предтопологического анализа (рис. 12).

Рис. 12. Результат экспорта цепи из DxDesigner в редактор Free-Form Schematic Editor программы LineSim

Назначение моделей элементам цепи в редакторе Free-Form Schematic Editor программы LineSim

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

Библиотеки IBIS-моделей поставляются вместе с LineSim, при этом каждая модель, по сути, является внешним файлом с расширением .ibs.

Разработчик может добавить и собственные модели. В LineSim и BoardSim включена система разработки IBIS-моделей — IBIS Development System (IDS), предоставляющая разработчику интерфейс для генерации и редактирования IBIS-моделей (рис. 13).

Рис. 13. Редактор IBIS-моделей

При трансляции из DxDesigner в LineSim система PADS загрузит для анализа цепь, используя модели, назначенные в схемотехническом редакторе.

Рассмотрим переданную в LineSim цепь. Как видно на рис. 12, у источника сигнала (вывод М26 микросхемы U11) отсутствует назначенная модель, что символизирует обозначение «????». В таком случае недостающую модель нужно назначить самостоятельно.

Для этого необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши на передатчике сигнала в рабочей области редактора (символ становится выделенным), а затем правой кнопкой мыши вызвать контекстное меню и выбрать в нем пункт Assign Models (рис. 14). В результате будет открыто одноименное окно (рис. 15), в котором для назначения модели в вывод необходимо выбрать этот вывод в списке Pins и нажать на кнопку Select. В открывшемся окне Select IC Model (рис. 16) надо при помощи мыши в поле Libraries выбрать нужную библиотеку компонентов, а затем выбрать модель, щелкнув на имени компонента в поле Devices и на номере вывода или имени сигнала в поле Pin (Signal). Стоит 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: Generic.MOD (общие компоненты для нескольких логических семейств, доступных во множестве скоростей фронтов), Probes.MOD (модели типичных входных зондов осциллографов), Open.MOD (модель 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 в случае отсутствия 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.

Рис. 14. Выделение символа передатчика сигнала в рабочей области редактора Free-Form Schematic Editor и вызов контекстного меню

Рис. 15. Выбор вывода в списке Pins окна Assign Models

Рис. 16. 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. 17), 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. 18). 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).

Рис. 17. Диалоговое окно IC Model Finder

Рис. 18. 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 цепи). Данную кнопку удобно применять, если все выводы имеют одинаковую модель и отличаются только установками буфера.

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

В нашем примере в окне Select IC Model для источника сигнала была выбрана модель XC95216_BGA352 [SLW=0; VIO=0], чье описание находится в файле xc9500.ibs. В результате чего вывод в списке Pins окна Assign Models отобразился как назначенный (красный знак вопроса сменился зеленым треугольником). В поле Buffer settings окна Assign Models было задано следующее назначение вывода — Output (Выход). В результате выполненных действий передатчик сигнала в рабочей области Free-Form Schematic Editor отобразился как назначенный (рис. 19).

Рис. 19. Цепь в редакторе Free-Form Schematic Editor после назначения модели передатчику сигнала

Предтопологический анализ цепей, спроектированных в схемотехническом редакторе DxDesigner

Анализ цепи при помощи виртуального осциллографа

Зачастую причиной периодически возникающих неполадок в работе устройства служат сигналы, которых в данном месте быть не должно, их называют «глитчи», или «выбросы». Выброс представляет собой искажение аналогового сигнала — на короткое время он становится выше, а затем ниже логического порога, создавая высокий логический уровень, существующий достаточно долго для того, чтобы возник выброс.

Для определения такого рода нарушений в LineSim можно использовать виртуальный осциллограф Digital Oscilloscope, одной из наиболее важных особенностей которого является возможность зарегистрировать однократное событие. Digital Oscilloscope предназначен для регистрации аналоговых характеристик исследуемых сигналов. Он может отображать прямоугольный сигнал, нестационарный выброс или синусоидальный сигнал. Полученный аналоговый сигнал отображается на экране графического дисплея виртуального осциллографа и показывает истинную природу выброса. На основе наблюдения и измерения полученного сигнала инженер может определить и устранить причину нарушения. Моделирование в осциллографе предусмотрено для анализа целостности сигналов и наводок в цепях схемы.

Открыть лицевую панель виртуального осциллографа в редакторе Free-Form Schematic Editor программы LineSim (окно Digital Oscilloscope, рис. 20) можно командой основного меню Simulate SI/Run Interactive Simulation (SI Oscilloscope) или нажатием на одноименную кнопку панели инструментов LineSim.

Рис. 20. Окно Digital Oscilloscope

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 посредством щелчка левой кнопки мыши в области графического дисплея. Третий щелчок удаляет курсоры.

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 системой автоматически будут использованы первые шесть выводов компонентов из возможных. Зонды устанавливают на любой вывод компонента. Все возможные точки зондирования отображаются в поле Probes окна Show. В нашем примере разместим зонды на выводах U14.13 и U11.io, установив флажки в соответствующих чекбоксах в поле Probes окна Show.

После установки зондов задаются входные условия моделирования и значения отображения симулятора.

Зададим воздействие в виде переднего фронта прямоугольного импульса. Для чего установим на лицевой панели осциллографа переключатель в позицию Edge (фронт): Rising edge (передний фронт).

Запуск моделирования производится посредством нажатия на кнопку Start Simulation в верхнем правом углу окна Digital Oscilloscope. На рис. 21а показан результат моделирования — временные диаграммы переднего фронта импульса (голубая кривая — напряжение на передатчике, зеленая кривая — напряжение на приемнике U14.13).

Рис. 21. Временные диаграммы переднего фронта импульса:
а) до согласования;
б) после согласования

Для определения значений понижающего/повышающего выброса необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши по самой низкой/высокой точке выброса. Полученные значения будут показаны в поле Cursors на лицевой панели осциллографа, при этом на кривой отобразятся маркеры курсоров. Напряжение выброса будет представлено в строке Delta V поля Cursors. Для приемника U14.13 оно составит 2.032 V.

Для того чтобы исправить проблемы целостности сигнала, добавим RC-согласование к приемнику U14.13 на схеме. Левой кнопкой мыши выберем пиктограмму Add RC terminator to schematic на левой панели инструментов Free-Form Schematic Editor. Переместим значок согласующего компонента в рабочую область редактора и совместим верхний вывод резистора с правой голубой точкой на выводе передающей линии TL3 (рис. 22).

Рис. 22. Модель линии передачи с параллельно включенным пассивным компонентом

Для моделирования согласования линии передачи с буфером ввода/вывода микросхемы в редакторе Free-Form Schematic Editor используются следующие пассивные компоненты: резистор, конденсатор, ферритовая шайба, катушка индуктивности, RC-согласование, заземленный конденсатор, подтягивающий резистор. Номиналы согласующих компонентов можно рассчитать автоматически, с помощью мастера согласования Termination Wizard.

Мастер самостоятельно производит подбор согласующих сопротивлений и рассчитывает оптимальные значения 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 при помощи команды основного меню Simulate SI/Optimize Termination или нажатием кнопки Run Terminator Wizard панели инструментов LineSim.

Для того чтобы задать номиналы согласующих элементов, необходимо выбрать в окне мастера в поле Apply tolerance из выпадающего списка значение допустимого отклонения, а в поле Termination suggestions нажать кнопку Apply Values. В результате в поле Terminator analysis будут показаны автоматически рассчитанные значения. Если в цепи нет компонентов согласования, то кнопка Apply Values будет неактивной.

В нашем примере в поле Apply tolerance был выбран допуск 5%. В результате выполнения расчета получены следующие значения согласующих компонентов: сопротивление резистора R8 — 75 Ом, емкость конденсатора C6 — 160 пФ (рис. 23). Для закрытия окна Terminator Wizard нажмите на кнопку ОК.

Рис. 23. Окно мастера Terminator Wizard

После согласования линии передачи с помощью компонента RC terminator выполним моделирование при помощи виртуального осциллографа, результат которого показан на рис. 21б. Здесь видно, что напряжение выброса (строка Delta V поля Cursors) для приемника U14.13 уменьшилось более чем вдвое и составило 897 мВ.

Для сохранения результатов моделирования нажмите в окне Digital Oscilloscope на кнопку Save/Load, в результате будет открыто окно Load/Save Waveforms (рис. 24). Установите в нем переключатель в позицию
HyperLynx.LIS — для дальнейшего использования результатов с проектом платы (при выборе позиции CSV (comma-separated values) результаты сохраняются как значения, разделенные запятыми, и могут использоваться для вставки в таблицы) и нажмите на кнопку Save As. В открывшемся окне проводника выберите месторасположение нового файла и задайте его название, после чего нажмите на кнопку «Сохранить». Закройте окно Load/Save Waveforms при помощи кнопки Close.

Рис. 24. Окно Load/Save Waveforms

Добавление пассивных компонентов, редактирование их параметров и параметров линий передачи

Для моделирования согласования линии передачи с буфером ввода/вывода микросхемы или другого компонента многослойной печатной платы в редакторе Free-Form Schematic Editor используются пассивные компоненты, которые добавляются в рабочую область проекта при помощи следующих пиктограмм левой панели инструментов редактора:

• Add resistor to schematic (добавить резистор);
• Add capacitor to schematic (добавить конденсатор);
• Add ferrite bead to schematic (добавить ферритовую шайбу);
• Add inductor to schematic (добавить катушку индуктивности);
• Add RC terminator to schematic (добавить RC-согласование);
• Add grounded capacitor to schematic (добавить заземленный конденсатор);
• Add pull-up/down resistor to schematic (доба-вить подтягивающий резистор).

Пиктограмма Add transmission line to schematic предназначена для добавления линии передачи.

Для того чтобы редактировать параметры линии передачи, принадлежащей цепи, переданной в редактор Free-Form Schematic Editor из DxDesigner, необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши на символе линии передачи (после чего символ на схеме становится выделенным), а затем правой кнопкой мыши и в открывшемся контекстном меню выбрать пункт Edit Type and Values. В результате будет открыто окно Edit Transmission Line, в котором на вкладке Transmission-Line Type (рис. 25) 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.

Рис. 25. Выделенная в рабочей области редактора Free-Form Schematic Editor линия передачи и редактирование ее параметров на вкладке 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. Для одиночных линий типа Stackup в поле Trace properties можно задать слой (Layer), длину (Length), ширину (Width), как это видно на рис. 26a, для линий типа Stripline задается длина (Length), ширина (Width), толщина проводника (Conductor thickness), высота диэлектрика (Dielectric height), диэлектрическая постоянная (Dielectric constant), тангенс угла потерь (Loss tangent) — рис. 26б, для линий типа Wire Over Ground задается длина (Length), радиус (Radius), высота диэлектрика (Dielectric height), диэлектрическая постоянная (Dielectric constant), тангенс угла потерь (Loss tangent) — рис. 26в. Для одиночных линий типа Simple настройка параметров недоступна.

Рис. 26. Настройка параметров на вкладке Values окна Edit Transmission Line для одиночных линий передачи типа:
а) Stackup;
б) Stripline;
в) Wire Over Ground

На вкладке Values для выбранного в данный момент типа передающей линии 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. 27): один из стандартных кабелей выбирают посредством установки переключателя в нужную позицию и ввода с клавиатуры длины кабеля в поле Cable length.

Рис. 27. Настройка параметров одиночных линий передачи типа Cable на вкладке Cables окна Edit Transmission Line

Для того чтобы применить те же параметры для дополнительных сегментов передающей линии, можно использовать 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. 28а) — выбор области влияния для передающей линии;
• Field Solver (рис. 28б) — моделирование перекрестных помех для выбранной области влияния. На рис. 28б линии электрического поля показаны синим цветом, а линии постоянного поля — красным. Отчет о моделировании (рис. 29) можно посмотреть, нажав на кнопку View в поле Numerical results;
• Edit Coupling Regions (рис. 28в) — 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.

Рис. 28. Вкладки окна Edit Transmission Line:
а) Move to Coupling Region;
б) Field Solver;
в) Edit Coupling Regions

Рис. 29. Отчет о моделировании перекрестных помех

После того как все настройки параметров линии передачи выполнены, нажмите на кнопку ОК.

Для того чтобы назначить параметры пассивных компонентов в редакторе Free-Form Schematic Editor, необходимо щелкнуть левой кнопкой мыши на размещенном в рабочем поле символе компонента (символ становится выделенным), а затем правой кнопкой мыши и в открывшемся контекстном меню выбрать пункт Edit Value and Parasitics (для резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности) или Assign Model and Edit Parasitics (для ферритовых шайб). В результате откроется окно Edit Resistor Values (рис. 30) для редактирования параметров резистора или окно Edit Capacitor Values (рис. 31а) 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. 31б) указываются паразитные параметры компонентов.

Рис. 30. Окно Edit Resistor Values

Рис. 31. Окно Edit Capacitor Values:
а) вкладка Value;
б) вкладка Parasitics

Настройка параметров ферритовой шайбы выполняется в окне Select Ferrite Bead Model (рис. 32а), катушки индуктивности — в окне Edit Inductor Values (рис. 32б). В окне Select Ferrite Bead Model на вкладке Model назначается модель ферритовой шайбы. 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. Модели ферритовых шайб назначаются из Bsw.FBD— или User.FBD-файлов. На вкладке Parasitics задаются паразитные параметры ферритовой шайбы.

Рис. 32. Окно настройки параметров:
а) ферритовой шайбы;
б) катушки индуктивности

Анализ цепи при помощи виртуального анализатора спектра

При помощи анализатора спектра в LineSim можно моделировать электромагнитную совместимость (ЭМС). 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 тестирование. Если все цепи удовлетворяют нормам с необходимым запасом, то плата имеет хорошие шансы пройти антенное тестирование.

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. Кроме того, для уменьшения проблем ЭМС применяют согласование.

Анализатор спектра можно использовать для оценки электромагнитных полей, распространяющихся от трасс схемы. В ходе моделирования назначить в качестве выходного передатчика можно только один вывод компонента. Открыть лицевую панель виртуального анализатора спектра в LineSim (окно Spectrum Analyzer — рис. 33) можно при помощи команды основного меню Simulate SI/Run Interactive EMC Simulation (Spectrum Analyzer) или нажатием на одноименную кнопку 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.

Рис. 33. 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. 34а);
• Current — токовый пробник (рис. 34б).

Рис. 34. 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 или пассивного компонента. Работа с токовым зондом становится возможной 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 new) или предыдущих результатов (позиция Show previous);
• 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, накладываясь на спектр моделированного излучения. Опция User дает возможность ввести 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 отображает токовую кривую передатчика в линейном масштабе. Нижнее окно Spectrum display демонстрирует спектр ЭМС в логарифмическом масштабе. Если в качестве зонда используется токовый пробник, то окно Spectrum display отображает спектр токов с помощью логарифмического масштаба.

Для анализа ЭМС цепи в нашем примере воспользуемся токовым зондом. Для этого откроем лицевую панель анализатора спектра, нажмем на кнопку Set в поле Probe и в открывшемся окне Set Spectrum Analyzer Probing (EMC) установим в поле Probe type переключатель в позицию Current. Установим зонд на вывод передатчика сигнала, для чего в поле Pins левой кнопкой мыши выберем пункт U11.io (at pin). Закроем окно Set Spectrum Analyzer Probing (EMC) при помощи кнопки Close. На лицевой панели анализатора спектра вывод передатчика, на который установлен токовый зонд, будет указан в поле Probe. На схеме точка зондирования будет отмечена значком стрелки, обведенным кружком (рис. 35).

Рис. 35. Токовый зонд, установленный на вывод передатчика сигнала (обозначение на схеме)

Установим следующие параметры в окне Spectrum Analyzer:

• Freq (частота) — 80 МГц;
• Duty cycle (рабочий цикл) — 78%;
• IC modeling (передатчик сигнала): Fast-Strong (быстрый сильный).

Настроим отображение измеряемого сигнала. Для чего в поле Display установим переключатель в позицию Show new и поставим флажок в чекбоксе Auto scale, чтобы отобразить в центре окна дисплея самую высокую вершину. Запуск моделирования производится нажатием на кнопку Start Simulation в верхнем правом углу лицевой панели анализатора спектра.

На рис. 36а показан результат моделирования, который отображается в двух окнах дисплея. Верхнее окно Mini oscilloscope display показывает токовую кривую передатчика U11.io в линейном масштабе. Нижнее окно Spectrum display отображает спектр токов, используя логарифмический масштаб.

Рис. 36. Спектральные диаграммы излучения:
а) IC modeling Fast-Strong;
б) IC modeling Slow-Week

Определим частоту и ток двух наибольших вершин, а затем установим значение поля IC modeling в позицию Slow-Week и повторим анализ ЭМС. Снова заметим частоту и ток двух наивысших вершин (рис. 36б). По результатам выполненного моделирования можно определить установки передатчика, которые приводят к наибольшему излучению.

Симуляция характеристик EMC может проводиться во временной (окно Mini oscilloscope display) и в частотной области (окно Spectrum display). Картина, полученная во временной области, позволяет оценить целостность сигналов, то есть крутизну фронтов, наличие выбросов/провалов или звона при передаче сигналов. Результаты компьютерного моделирования помогают выявить слишком длинные соединительные проводники и несогласованность импедансов.

Редактирование стека слоев печатной платы

В HyperLynx еще на этапе предтопологического анализа есть возможность определить стек слоев печатной платы (слои диэлектрика, сигнальные слои, области металлизации). Для улучшения целостности сигналов можно вносить изменения в стек слоев платы. При изменении стека автоматически рассчитываются характеристики импеданса и задержки передающих линий. 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 заданному 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 при работе c Cell-Based Schematic Editor и Free-Form Schematic Editor, а также в модуле посттопологического анализа BoardSim.

Для того чтобы открыть редактор Stackup Editor, необходимо в основном меню LineSim выбрать пункт Setup/Stackup/Edit или нажать на кнопку Edit Stackup на панели инструментов программы. В открывшемся окне (рис. 37) можно редактировать, удалять и добавлять слои платы. Более подробно работа с редактором Stackup Editor была рассмотрена в [4].

Рис. 37. Редактор Stackup Editor