Обеспечение целостности сигналов в электронных модулях быстродействующего телекоммуникационного оборудования

• Автор: Шнейдер, Вера Ивановна
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 187 с. : ил.

ф 1. Проблемы обеспечения целостности сигнала и ЭМС электронных модулей

быстродействующих устройств телекоммуникаций

1.1. Общая характеристика проблемы

1.2. Место и стратегия проектных решений

1.3. Повышение быстродействия при обработке информации

1.4. Тенденции в конструкциях и технологии печатных плат

1.5. Анализ использования специализированного программного обеспечения

верификации

1.6. Постановка задачи

2. Разработка стратегии верификации электронных модулей

2.1. Верификация в проектировании модулей

2.2. Моделирование и симуляция
2.3. 1В18-моделирование
3. Модели линий передачи в быстродействующих модулях
3.1. Влияние быстродействия системы на параметры линий передачи
3.2. Целостность сигнала и ее составляющие
4 3.3. Расчет параметров линий передач
4. Линии передачи с потерями
4.1. Межсимвольные искажения
4.2. Потери в линии передачи
4.3. Источник потерь: сопротивление проводника и толщина скин-слоя
4.4. Потери в диэлектрики
4.5. Модель линии с потерями
4.6. Волновое сопротивление линии передачи с потерями
4.7. Скорость распространения сигнала в линии с потерями
4.8. Ослабление в линии с потерями
4.9. Полоса пропускания межсоединения
4.10. Контрольная диаграмма
4.11. Выводы
5. Дифференциальная пара
5.1. Передача дифференциальных сигналов
5.2. Сигналы дифференциального и общего вида и компоненты напряжения нечетного и
четного видов
• 5.3. Согласование дифференциального и общего сигнала
5.4. Преобразование дифференциального сигнала в общий сигнал
6. Процедура верификации плат в САПР
6.1. Разработка ЮК-моделей для создания виртуальных прототипов электронных
устройств
6.2. Верификация на основе виртуального прототипа
6.3. Методология проектирования перспективных электронных модулей
Заключение
Литература

Современное развитие телекоммуникационной аппаратуры характеризуется постоянно повышающимся быстродействием, миниатюризацией, возрастающей сложностью, интеграцией в единые комплексы радиолокации, радионавигации и связи. Это приводит, во-первых, к ужесточению требований по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) и целостности сигналов (ЦС) и, во-вторых, к необходимости учета этих требований на стадии проектирования устройств телекоммуникаций, поскольку неполный или неверный учет этих требований приводит значительному росту временных и материальных затрат производителя на последующую доработку производимой электронной аппаратуры.
В условиях рыночной экономики, характеризующейся острой конкурентной борьбой производителей, повышаются требования к качеству продукции, что выражается в необходимости ее сертификации, поздние сроки появления продукции на рынке во многих случаях вообще лишает смысла ее разработку. С этой позиции проблема обеспечения ЭМС и ЦС устройств телекоммуникаций и систем выходит на новый уровень, являясь гарантом надежности и безопасности всех типов электронного оборудования в реальных условиях его эксплуатации. При этом критерием обеспечения ЭМС и ЦС изделия является его соответствие требованиям стандартов в области ЭМС. Таким образом, обеспечение ЭМС и ЦС становится одним из показателей качества выпускаемой электронной аппаратуры, а с учетом возрастающей роли телекоммуникационных систем и систем связи является также и важным экономическим фактором. В России проблеме обеспечения ЭМС и ЦС в электронной аппаратуре посвящены работы Балюка Н.В., Кечиева Л. Н., Князева А. Д., Костроминова А.М., Петрова Б. В., Файзулаева Б. Н., Чермошенцева С.Ф., Газизова Т.Р. и др. Из исследований в этой области в других странах следует выделить работы Д. Отта, Д. Уайта, Т. Уильямса, Дж. Барнса, Э. Хабигера, А. Шваба, Д. Брука, Э. Богатина [1, 3, 4, 7 - 9, 22, 26, 31, 33, 65]. В Израиле работы подобного рода находятся в начальной стадии и в основном сводятся к заимствованию результатов исследований зарубежных специалистов.
Решение проблемы обеспечения ЭМС и ЦС осуществляется путем повышение помехоустойчивости и помехозащищенности устройств телекоммуникации (УТ) как в отношении кондуктивных, так и излучаемых непреднамеренных электромагнитных помех (НЭМП), а также обеспечения условий минимизации искажений цифрового сигнала в УТ. Наиболее перспективные системы автоматизированного проектирования содержат в своем составе подпрограммы, которые с той или иной полнотой решают отмеченные задачи, что позволяет комплексно решать вопросы проектирования печатных плат. Однако,

методическая основа таких подпрограмм не раскрывается, что не позволяет судить о полноте и адекватности получаемых решений.
На основании проведенного анализа можно сформулировать цели и задачи диссертационной работы. Целью настоящей работы является повышение эффективности процесса проектирования электронных модулей на печатных платах для обеспечения ЭМС и ЦС в быстродействующих системах телекоммуникаций путем увеличения точности моделирования таких модулей за счет учета механизмов искажения сигнала при высоком быстродействии. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи.
1. Предложена концепция встраивания виртуального прототипа электронного модуля в типовой процесс создания модулей; сформулированы базовые задачи создания виртуального прототипа: функциональная верификация, целостность сигнала, временная верификация (тайминг), электромагнитная совместимость.
2. Проведен анализ влияния параметров печатных плат быстродействующих электронных модулей на качественные показатели передачи цифрового сигнала в них.
3. Уточнены методы оценки целостности сигнала при создании модулей сверхвысокого быстродействия, требующих учета потерь в линиях передачи печатных плат и применения дифференциальной передачи цифрового сигнала.
4. Разработана методика формирования виртуального прототипа электронных модулей, которая позволяет проводить моделирование и анализировать целостность сигнала на самых ранних этапах проектирования.
5. Разработана методика получения IBIS-модели цифровых вентилей как составной части виртуального прототипа для целей функциональной верификации; методика реализована на примере IBIS-модели вентиля НЕ.
Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами, заключения, списка литературы, содержащего 101 наименование. Общий объем работы - 185 с.
В процессе решения поставленных задач использовались принципы системного подхода, методы математического моделирования, теория, электромагнитной совместимости, а также элементы вычислительного эксперимента.
В первой главе рассматривается современное состояние проблемы обеспечения электромагнитной совместимости и целостности сигнала электронных модулей перспективных быстродействующих цифровых устройств телекоммуникаций. Дается общая характеристика проблемы, определяется место и стратегия проектных решений, которые вытекают из повышения быстродействия устройств телекоммуникации при обработке информации. Отмечено, что перспективные технологии обработки информации, переход на

одинаковые для всех выводов параметры (при задании характеристик корпуса), так и индивидуально. Как правило, эти характеристики одинаковые для всех выводов, поскольку с технологической точки зрения наиболее удобен корпус, в котором все выводы одинаковы. Но бывают и исключения (это обычно связано с внутренним устройством ИС).
В качестве GND_Clamp и POWER_Clamp обозначены диоды, и их назначение не очевидно. Действительно, пока напряжение питания лежит в интервале от 0 до +Vcc, оба диода заперты, и ток через них практически не течет. Но если напряжение выходит за этот интервал, то такой режим работы, как правило, аварийный, вызывает весьма существенный ток через один из диодов. В зависимости от типа логики, при напряжениях на входе ИС вне указанных пределов, переходы полевых и биполярных транзисторов могут оказываться в инверсном режиме, что приведет к протеканию через переход достаточно большого тока. Этот ток необходимо также учитывать. Таким образом, оказывается, что в данной модели эти диоды необходимы, хотя в случае упрощения, а также при других типах логики они могут быть исключены.
Емкость С_сотр отражает наличие инерционных свойств буферов. При этом емкость, как правило, рассматривается на шину заземления. Однако такой подход справедлив только в том случае, если индуктивность и сопротивление питающей шины невелика. В противном случае емкости входа (выхода) микросхемы не могут быть объединены в одну эквивалентную, поскольку шины питания и заземления не будут закорочены по переменному току.
В отдельных случаях обнаруживается необходимость включения параллельно емкости нелинейного сопротивления, которое отражает поведение входного буфера в статическом режиме при различном напряжении на нем. Однако, согласно, IBIS-стандарту, это не делается, чтобы не усложнять процесс моделирования. Такое упрощение означает, что вход микросхемы не потребляет тока, что допустимо только не для всех типов логики.
Кроме рассмотренных элементов моделей, на Рис. 2.11 условно изображены два МДП-транзистора, которые обозначены как Pull_down и Pull_up. Это условные обозначения нелинейных сопротивлений, которые включаются соответственно к шинам заземления и питания. Их сопротивления меняются при переключении выходного буфера в противоположное логическое состояние, а в статическом режиме остаются неизменными.
Рассмотрим теперь общую структуру модели выходного буфера, которая отражает связь логического состояния на данном выходе, состояние на одном из входов и уровень логического сигнала на входе, определяющем состояние кристалла (Рис. 2.12).