Методика проектирования дифференциальных пар в печатных узлах устройств телекоммуникаций

• Автор: Нисан, Антон Вячеславович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 129 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Проблемы проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций

1.1. Анализ развития устройств телекоммуникаций

1.2. Анализ развития систем передачи сигнала

1.3. Применение в устройствах телекоммуникаций

1.4. Анализ возможностей САПР печатных плат

1.5. Постановка задачи

2. Анализ целостности сигнала в дифференциальной паре

2.1. Модовый анализ передачи сигнала по дифференциальной парс

2.2. Анализ причин нарушения целостности сигнала и способов их устранения
2.3. Анализ методов расчета параметров дифференциальных пар
2.4. Выводы
3. Разработка модели дифференциальной пары
3.1. Применение метода планирования вычислительного эксперимента к дифференциальным парам
3.2. Выбор и обоснование исходных данных
3.3. Расчет коэффициентов регрессионной модели
3.4. Выводы
4. Разработка методики проектирования дифференциальных пар
4.1. Разработка методики проектирования дифференциальных пар
4.2. Разработка программного обеспечения «Оптимизатор параметров микрополосковой дифференциальной пары»
4.3. Апробация методики проектирования дифференциальных пар
4.4. Выводы
Заключение
Литература

Введение
Телекоммуникации — одна из наиболее динамично развивающихся и приоритетных отраслей. Современный этап развития телекоммуникационной аппаратуры характеризуется постоянным ростом быстродействия, повышением сложности устройств, миниатюризацией. Для систем телекоммуникаций, где требования к быстродействию особенно высоки, цифровые системы должны работать с сигналами, фронты которых составляют доли наносекунд, что соответствует частотам в сотни и тысячи мегагерц [1-4]. Стремительное развитие систем и устройств телекоммуникаций во многом обусловлено ускоряющимся ростом объема информации, которую необходимо передавать. Причем эта тенденция будет сохраняться и, согласно прогнозу компании Nokia Siemens Networks [5], с 2010 по 2015 год объем трафика в фиксированных сетях увеличится в сто раз. Большими темпами идет прирост абонентов сотовых систем: если в начале 2008 года в мире насчитывалось 3 миллиарда пользователей, то согласно прогнозам [6], к концу 2012 года число пользователей вырастет практически до 5 миллиардов.
Суммарный годовой доход компаний телекоммуникационной отрасли мира в 2008 году составил 3,85 триллиона долларов [6], см. также Рис. 0.1. Успех компаний на этом многомиллиардном рынке во многом связан со временем вывода нового изделия на рынок. В таких условиях чтобы угнаться за конкурентами требуется максимально сокращать сроки разработки и доводки устройств, в том числе печатных плат.

□ Телекоммуникации
Вычислительная техника
□ Промышленное оборудование (другое)
□ Автоэлектроника
Авиакосмическая и военная техника
Рис. 0.1. Распределение рынка печатных плат Северной Америки по доходам |7|
Таким образом, две современные тенденции - повышение быстродействия и сокращение срока разработки - выводят проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) и целостности сигнала (ЦС) на новый уровень.
В России проблеме проектирования быстродействующих устройств и систем с учетом требований ЭМС и ЦС посвящены работы Балюка Н.В., Газизова Т.Р., Кечиева Л. Н., Князева А. Д., Костроминова А.М., Петрова Б. В., Файзулаева Б. Н., Чермошенцева С.Ф., и

др. Из исследований в этой области за рубежом можно выделить работы Дж. Барнса, Э. Богатина, Д. Брука, Д. Отта, Т. Уильямса, Д. Уайта, Э. Хабигера, А. Шваба.
Несмотря на то, что проектирование печатных плат с дифференциальными парами ведется с середины 90-х гг., существующие методики проектирования не всегда оказываются эффективными. Во многом это связанно с тем, что для обеспечения целостности сигнала на стадии проектирования требуется анализ влияния большого числа конструкторско-технологических факторов. Принципиально это возможно, но требует использования специального программного обеспечения, подготовки специалистов, и практически не используется предприятиями, разрабатывающими быстродействующие устройства телекоммуникаций. Повышение точности расчета электрофизических параметров платы сдерживается отсутствием методических и программных средств доступных для инженерного применения. В диссертационной работе рассматривается один из возможных подходов решения данной проблемы: предлагается улучшить существующие методики проектирования дифференциальных пар за счет учета влияния большего числа существенных факторов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 129 страниц.
В первой главе рассматривается современное состояние проблемы проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций. Показано развитие устройств телекоммуникаций, проанализированы тенденции в печатных платах и компонентах. Рассмотрено развитие систем передачи сигнала, вскрыты преимущества и недостатки дифференциальной передачи сигнала, проанализирована одна из наиболее распространенных сигнальных схем - схема низковольтных дифференциальных сигналов. Выполнен анализ возможностей САПР печатных плат в части проектирования дифференциальных пар.
В результате проведенного анализа сформулирована цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе развит модовый анализ передачи сигнала по дифференциальной паре. Проанализирован ряд причин, приводящих к нарушению целостности сигнала, и предложены способы их устранения. Выполнен сравнительный анализ методов расчета параметров дифференциальных пар, предложен способ построения новой модели дифференциальной пары.
Третья глава посвящена разработке модели микрополосковой дифференциальной пары. Обосновывается выбор исследуемого параметра, факторов, их нулевых уровней и интервалов варьирования. Выполнен расчет коэффициентов регрессии модели, произведена оценка погрешности полученной модели и с помощью метода «перевала» уточнены

окружение проектирования. Это окружение устраняет неудобства переключения между разными модулями для выполнения задач и обеспечивает координацию ограничений, используемых для автотрассировщика и интерактивного редактирования.
AutoActive дает разработчику больше возможностей контролировать процесс проектирования топологии, при необходимости переключаясь между автоматическим и ручным редактированием. Все задачи, от таких простых, как задание контура платы, до комплексных процедур выполнения условий трассировки высокоскоростных сигналов, реализуются системой и разработчиком совместно в реальном времени. Конечный результат применения технологии AutoActive это уменьшение времени проектирования, увеличение эффективности и высочайшее качество проектов.
Возможности AutoActive:
• единое, интегрированное окружение для редактирования размещения и трассировки, которое уменьшает общее время проектирования и увеличивает производительность;
• поддерживаются вес физические и высокоскоростные правила проектирования;
• в ходе проектирования проект полностью удовлетворяет заданным правилам, что исключает время, затрачиваемое на конечную зачистку ошибок;
• бессеточная, полноценная трассировка под 45 градусов;
• наиболее передовая технология авто-трассировки. Автотрассировщик можно в любое время остановить и запустить далее, при этом все результаты будут корректны с точки зрения заданных ограничений;
• динамическая оптимизация трасс, включая редактирование сегментов, исключение острых углов и выполнение правил подключения к площадкам.
Области Правил. Области правил существенно улучшают трассировку вокруг BGA и других компонентов с мелким шагом выводов. Области правил предоставляют полный набор правил, которыевыполняются при оперативной и пакетной проверке, а также при интерактивной и автоматической трассировке. Области правил можно задать по слоям и назначить в любой многоугольник, прямоугольник или окружность. При вхождении или выходе из области правил автоматически изменяется ширина трасс и зазоры. Для увеличения трассируемости, в области правил можно также изменять размер и диапазон переходов.
Трассировка шин с Переменным Шаблоном Переходов. Функция трассировки шин в Expedition PCB позволяет одновременно интерактивно трассировать несколько цепей, включая дифференциальные пары. Она позволяет трассировать даже через области, заполненные выводами в шахматном порядке. В случае необходимости при трассировке автоматически раздвигаются другие трассы, переходы и полигоны, препятствующие