Методика проектирования дифференциальных пар в печатных узлах устройств телекоммуникаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Нисан, Антон Вячеславович

• Нисан, Антон Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нисан, Антон Вячеславович

Введение.

1. Проблемы проектирования быстродействующих устройств телекоммуникаций.

1.1. Анализ развития устройств телекоммуникаций.

1.2. Анализ развития систем передачи сигнала.

1.3. Применение LVDS 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 паре.

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика проектирования дифференциальных пар в печатных узлах устройств телекоммуникаций»

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.

5%

18%

36%

34%

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 A.M., 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.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Нисан, Антон Вячеславович

4.4. Выводы

1. Предложена методика проектирования дифференциальных пар, основанная на учете влияния конструкторско-технологических параметров дифференциальной пары на ее электрофизические характеристики.

2. Разработано программное обеспечение, позволяющее оптимизировать параметры пары под требуемое дифференциальное полное сопротивление.

Проведена апробация и внедрение разработанной методики и программного обеспечения в практику промышленного проектирования и в учебный процесс вуза. Подтверждены преимущества, обеспечиваемые использованием разработанной методики и программы «Оптимизатор параметров микрополосковой дифференциальной пары».

Заключение

В диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ проблемы целостности сигнала в дифференциальной паре. Проанализирован разбег мод и его последствия для целостности сигнала. Показано, что паяльные маски и влагозащитные покрытия существенно (до двух раз) снижают разбег мод. Проанализировано влияние встроенных резисторов на целостность сигнала. Показано, что из-за больших допусков на сопротивление встроенных резисторов в худшем случае коэффициент отражения примерно в три раза превышает максимально допустимый (0,05).

2. Вскрыты преимущества и недостатки существующих методов расчета дифференциального полного сопротивления. Предложен способ построения новой модели дифференциальной пары на основе уточненной инженерной формулы. Для уточнения формулы предлагается учесть влияние большего числа существенных факторов (паяльной маски, влагозащитного покрытия, ближайшего одиночного проводника и др.), используя вычислительный эксперимент.

3. Разработана модель дифференциальной пары, учитывающая зависимость дифференциального полного сопротивления пары от 13 существенных конструкторско-технологических факторов. Следует отметить, что большая часть рассматриваемых факторов (таких, как толщина и диэлектрическая проницаемость влагозащитного покрытия, расстояние до щели и ширина щели в плате) в ранее существующих моделях не учитывалась.

4. Предложена методика проектирования дифференциальных пар, основанная на учете влияния конструкторско-технологических параметров дифференциальной пары на ее электрофизические характеристики.

5. Разработано программное обеспечение, позволяющее оптимизировать параметры пары под требуемое дифференциальное полное сопротивление.

6. Проведена апробация и внедрение разработанной методики и программного обеспечения в практику промышленного проектирования и в учебный процесс вуза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нисан, Антон Вячеславович, 2009 год

1. Guidelines for Designing High-Speed FPGA PCBs. AN-315, ver. 1.1. Altera Corporation, 2004. -72 p.

2. Board Systems Design and Verification. Mentor Graphics Corporation, 2001. 15 p.

3. Bogatin E. Signal Integrity Simplified. Prentice - Hall PTR, 2003. - 608 p.

4. Brooks D. Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design. Prentice Hall PTR, 2003. -432 p.

5. Василик О. Скорость — основной приоритет. // Сети и телекоммуникации. — 2008. — № 10.

6. Plunkett's Telecommunications Industry Almanac. 2009 Edition. 621 p.

7. K. Robinson. PCB Market Trends // Surface Mount Technology. January 2003.

8. Кечиев JI.H. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры / JI.H. Кечиев М.: ООО "Группа ИДТ", 2007. - 616 е.: ил. - (Библиотека ЭМС).

9. Electrical Performance of Packages. National Semiconductor. Application Note 1205. August 2001.-6 p.

10. Holden H. HDIs Beneficial Influence on High-Frequency. Signal Integrity. Mentor Graphics. Part 1 1 - 12 p., Part 2-2-7 p. Westwood Associates, West Haven, CT, USA.

11. Moore's Law 40th Anniversary. Press Kit. Intel, (http://www.intel.com/pressroom/kits/events /mooreslaw40th/index.htm?iid=techmooreslaw+bodypresskit).

12. International Technology Roadmap for Semiconductors. 2007 Edition. Assembly And Packaging. 81 p.

13. Beelen C., Verguld M. Trends in Assembly Processes for Miniaturised Consumer Electronics. — 16 p.

14. Belmonte J. Considerations in the Development of the 01005 Component Assembly Process -10 p.

15. Optical MEMS for Communications Market (http://www.micralync.com/markets/mems-communications. html).

16. UT54LVDS032LVT Low Voltage Quad Receiver with Integrated Termination Resistor. Data Sheet. December, 2008. 11 p.

17. Jordan A. Aeroflex LVDS Products. Product Overview, September, 2004. 24 p.

18. Quad high-speed differential receivers. Texas Instruments, 2004. 25 p.

19. Innovative Engineering with Optimal Results. DDi Technology, 2007. — 258 p.

20. Fjelstad J. Flexible Circuit Technology. Third Edition. BR Publishing, Inc., 2006. 226p.

21. Fjelstad J. Flexible Circuit Technology. Addendum. Third Edition. BR Publishing, Inc., 2008. -97 p.

22. Flex Circuits Design Guide. Minco, 2007. 32 p.

23. Finstad M. Designing for Flexibility and Reliability. Minco. Application Aid FAA31, 2006. 5 P

24. Butler B. Automated System for Controlled Impedance Testing. CircuiTree. April 1, 2002. (http://www.circuitree.com/CDA/Articles/WebOnlyEditorial/0e553646d8fe7010VgnVCM10 0000ff932a8c0)

25. Holden H. The HDI Handbook. First Edition. BR Publishing, Inc. 2009. 631 p.

26. IPC-2226. Sectional Design Standard for High Density Interconnect (HDI) Printed Boards. 2003.-49 p.

27. Макаров В.В. Телекоммуникации России: состояние, тенденции и пути развития. -Монография М.: ИРИАС, 2007. - 296 с.

28. Kelly Т. Global technology trends. International Telecommunication Union. HKUST, 2004. -21 p.

29. Biggs P. Strategies to Attract FDI in Telecommunications. Meeting of Experts on "FDI, Technology & Competitiveness 8-9 March 2007, UNCTAD, Geneva, Switzerland FDI, Technology & Competitiveness", 2007. 22 p.

30. Kelly T. Emerging policy and regulatory challenges of Next Generation Networks (NGN). ComRegworkshop: "NGN in Ireland", 8 March 2007, Dublin. 20 p.

31. Network Effects: An Introduction to Broadband Technology&Regulation. A Study Commissioned by the U.S. Chamber of Commerce. December 2008. 27 p.

32. Telecommunications Predictions. TMT Trends, 2007. 22 p.

33. Odlyzko A.M. Internet traffic growth: Sources and implications. University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA. 15 p.

34. Trends In Telecommunication Reform 2008. November 2008. 32 p.

35. LVDS Application and Data Handbook. Texas Instruments, November 2002. 158 p.

36. Low-Voltage Differential Signalling. The International Engineering Consortium. 15 p.

37. PCB Dielectric Material Selection and Fiber Weave Effect on High-Speed Channel Routing. Altera. Application Note 528. May 2008. 21 p.

38. Dietz J. Introduction to M-LVDS (TIA/EIA-899). Application Report. Texas Instruments. 11 P

39. Interface Circuits for TIA/EIA-644 (LVDS). Texas Instruments. Design Notes. 2002. 12 p.

40. PHY Interface for the PCI Express Architecture. PCI Express 3.0. Revision 0.5. Intel Corporation. August 2008. 45 p.

41. HyperTransport I/O Link Specification. Revision 3.10. 7/23/2008. 453 p.

42. HyperTransport I/O Link Specification. Revision 1.10. 8/25/2003. 330 p.

43. HyperTransport I/O Link Specification. Revision 1.05c 8/5/2003. 288 p.

44. HyperTransport I/O Link Specification. Revision 1.04 5/30/2002. 230 p.

45. HyperTransport I/O. Link Specification Revision 1.03 10/10/2001. 217 p.

46. HyperTransport I/O Link Specification. Revision 2.00b 4/27/2005. 325 p.

47. HyperTransport I/O. Link Specification. Revision 3.00 4/21/2006. 428 p.

48. LVDS Owner's Manual. Fourth Edition. National Semiconductors. 2008. 115 p.

49. Cole E. Reducing Electromagnetic Interference (EMI) With Low Voltage Differential Signaling (LVDS). Texas Instruments. 2002. 6 p.

50. А. Сабунин. Трассировка дифференциальных пар в САПР P-CAD 2006 и Altium Designer 6.0 // EDA Express. 2006. - №14. - С. 18-24.

51. Expedition Enterprise. Технологический лидер в области проектирования сложных систем на печатных платах. Mentor Graphics. — 7 с.

52. Wu N. Design Trends and the EDA Market in Taiwan. Design & Engineering Group, Gartner Dataquest. 14 p.

53. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.5. ПК "ТОР", Санкт-Петербург, 2007.

54. IPC-2141A. Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards. 2004. - 47 P

55. IPC-2141 A. Errata Information. 4 p.

56. Staniforth J.A. Calculation of controlled impedance 2D Field solving in the SI6000 and CITS25. 5 p.

57. Дубицкий С.Д., Поднос В.Г. ELCUT — инженерная система моделирования двумерных физических полей. CADmaster #06/1.2001 (январь-март) // Электротехника. с. 17-21.

58. Джонсон Говард В. Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии. М.: Диалектика-Вильяме, 2005. - 1024 с.

59. Hoover D., Gulia L. World Class Printed Circuit Board & Flexible Circuit Manufacturer. Multek. 44 p.

60. IPC-2141 Controlled Impedance Circuit Boards and High-Speed Logic Design. 1996. - 15 p.

61. Адлер Ю.П., Маркова E.B., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. — М.: Наука, 1971. 287 с.

62. Новые идеи в планировании эксперимента. / Под ред. В.В. Налимова. М.: Наука, 1969 — 334 с.

63. Адлер Ю.П., Горский Б.Г. Планирование промышленных экспериментов. М.: Металлургия, 1974.

64. Кечиев JI.H., Нисан A.B. Анализ зависимости дифференциального полного сопротивления с поперечным сечением в виде микрополосковой линии от конструкторско-технологических факторов // Технологии ЭМС. 2007. — №3. С. 48-54.

65. Кечиев Л.Н., Нисан A.B. Оптимизация конструкторско-технологических параметров микрополосковой дифференциальной пары. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств / под ред. Л.Н. Кечиева. М.: МИЭМ, 2008. - С.92-97.

66. Нисан A.B. Оптимизация конструкторско-технологических параметров микрополосковой дифференциальной пары. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. Москва, 2008.

67. Нисан A.B. Методика проектирования дифференциальных пар в печатных узлах устройств телекоммуникаций. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тез. докл. Москва, 2009.

68. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008612070 "Оптимизатор параметров микрополосковой дифференциальной пары", выданное Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

69. Rogers Advanced Circuit Materials. Market Solutions. Communication Infrastructure. (http://www.rogerscoф.com/acm/markets/3/Communication-Infrastructure.aspx)

70. IPC-A-610D-RU. Критерии приемки электронных сборок, 2005. 400 с.

71. Нисан A.B., Соловьев A.B. Школа поверхностного монтажа: Введение в поверхностный монтаж. Технологии приборостроения. 2007. - №1. - С. 56-66.

72. Нисан A.B., Соловьев A.B. Школа поверхностного монтажа: Трафаретная печать. Технологии приборостроения. 2007. — №3. — С. 62-71.

73. Нисан A.B., Соловьев A.B. Школа поверхностного монтажа: Дозирование. Технологии приборостроения. 2007. - №4. - С. 61-72

74. Нисан A.B., Соловьев A.B. Школа поверхностного монтажа: Установка компонентов. Технологии приборостроения. 2008. - №1. - С. 64-71.

75. Нисан A.B., Соловьев A.B. Школа поверхностного монтажа: Пайка оплавлением. Технологии приборостроения. 2008. - №2. - С. 62-71.

76. Б. Сайлер, Дж. Споттс. Использование Visual Basic 6. Специальное издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2005. - 832 с.

77. Controlled Impedance Test System CITS900s4. Polar Instruments 2007. 6 p.

78. Шнейдер В.И. Обеспечение целостности сигналов в электронных модулях быстродействующего телекоммуникационного оборудования: Дис. канд. техн. наук.: 05.12.13/ Моск. гос. ин-т электроники и математики. М., 2005. - 185 с.

79. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.2. ПК "ТОР", Санкт-Петербург, 2005.

80. Mears J. Transmission Line RAPIDESIGNER Operation and Applications Guide/ AN-905, National Semiconductor Corporation, 1996 28 p.

81. McLamb J. Differential Nets and Impedance Matching in High-Speed PCB Design.

82. Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard. February 2005. -92 p. 1

83. Bogatin E. Differential S-Parameters: The New Universal Standard for Interconnects. September 2006. (http://www.altera.com/technology/signal/columns/2006/2006-09-sepl .html)

84. Kaufer S., Crisafalu К. Terminating Differential Signals on PCBs. "Printed Circuit Design magazine", March 1999. 25 p.

85. High-Speed Board Designs. Application Note 75. Altera. November 2001, ver. 4.0 18 p.

86. Медведев A.M. Технология производства печатных плат. / A.M. Медведев. М.: Техносфера, 2005. - 360 с.

87. Кечиев Л.Н., Нисан А.В. Особенности проектирования дифференциальных пар. Технологии ЭМС. 2008. - № 3. - с. 68-75.