Сравнение результатов расчетов волнового сопротивления линий передач на печатных платах

В.С. Кухарук,  В.А. Ухин, Д.С. Коломенский, О.В. Смирнова.

Печатные платы (ПП) широко применяются в электронных устройствах. Именно они являются основным узлом, обеспечивающим связь между различными компонентами и сигнальными линиями. При проектировании ПП  необходимо учитывать такой важный параметр, как волновое сопротивление линий передач (ЛП), как одиночных, так и  дифференциальных.

Импеданс ЛП во многом определяет, как сигналы будут распространяться по ПП. Его несоответствие требуемым значениям может привести  к помехам, потерям мощности сигнала и нестабильной работе всего устройства. Поэтому важно корректно рассчитывать волновое сопротивление ЛП [1].

Существует несколько систем автоматизированного проектирования  (САПР), позволяющих вычислять импеданс ЛП на печатных платах с высокой точность. Все эти системы до последнего времени являлись импортными. Российских аналогов практически не было. 

В данной статье проводится сравнение рассчитанных параметров ЛП между ведущими зарубежными САПР и отечественным инструментом SimPCB. 

Современный инженер достаточно консервативный и тяжело меняет выбранные когда-то подходы и инструменты для проектирования. Только объективные доводы, новые возможности, современный и проверенный математический аппарат и высокое качество реализации могут убедить специалиста сменить программное средство. Итак, точность будет оцениваться путем сравнения значений импеданса, полученных с помощью SimPCB и в других подобных инструментах, а также с реальными измерениями волнового сопротивления ЛП на тестовой плате.

Исследование выполнялось, как для одиночных ЛП, так и  для дифференциальных, структуры которых наиболее часто используются инженерами. Расчеты производились калькуляторами, встроенными в следующие САПР: Altium Designer (Altium), Xpedition PCB (Siemens), Si9000 (Polar) [2]. Так же, как отмечалось выше теоретические расчеты сравниваются с реальными значениями волнового сопротивления на ПП.  Для этого были изготовлены тестовые купоны ЛП на предприятии “РЕЗОНИТ” и измерены  методом   динамической рефлектометрии (Time Domain Reflectometry, TDR) по стандарту IPC-2141A [3].

ЛП в виде тестовых купонов рассчитывались на основе стандартного стека (6 слоев) печатной платы толщиной 1 мм, которая была изготовлена на заводе “РЕЗОНИТ” из материала FR4 (TG150) (Рис.1,2) [4].

После изготовления ПП был получен отчет от завода, в котором отображены результаты измерения волнового сопротивление для каждой ЛП (Рис.3). В отчете подсчитаны все линии кроме копланарных ЛП.

Все результаты исследований были сведены в единую таблицу 1. Метка “X” значит, что данная ЛП не может быть посчитана в выбранной САПР или с помощью выбранного метода.

На рисунке 4 представлен сводный график результатов расчетов для волнового сопротивления.

Из представленного выше видно, что значения волнового сопротивления, рассчитанные в разных инструментах, практически не отличаются друг от друга. Максимальная погрешность наблюдается при сравнении теоретического импеданса с результатами измерений на реальной печатной плате. При этом отклонение не выходит за установленные границы в 10 процентов. Значение импеданса на реальной плате во многом зависит от технологических возможностей производства и качества материалов. Изготовление данной тестовой платы на другом заводе приведет к иным значениям волнового сопротивления. 

Таким образом, специалист по проектированию высокоскоростных и высокочастотных печатных плат может применять не только зарубежное программное обеспечение, но и отечественное. Инструмент SimPCB от компании “ЭРЕМЕКС”, как и его аналоги, вычисляет первичные и вторичные параметры ЛП с высокой точностью.

Список литературы

1. Печатные платы и узлы гигабитной электроники / Л.Н. Кечиев. – М.: Грифон, 2017. – 13 с.

2. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_EDA_companies

3. IPC-2141A Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards.

4. https://www.rezonit.ru/