Газизов - ЭСиУРС

Для оценки влияния на ёмкостную и индуктивную связи в ППЛ и ОПЛ такого параметра, как толщина полосок, вычисления производились при четырёх значениях отношения толщины к ширине полоски t/w=0,1; 0,2; 0,3; 0,4 и соответствующем числе дискрет по толщине полоски nt=1; 2; 3; 4 для широкого диапазона значений параметров диэлектриков. Выборка результатов вычислений для одного набора параметров диэлектриков (h1/w=0,5; h2/w=0,1; εr1=1; εr2=5) приведена в табл. 2.4, из которой видно, что рост толщины полосок ППЛ может значительно влиять на ёмкостную и индуктивную связи в ППЛ и ОПЛ. В частности, для ППЛ эти связи могут существенно возрастать, а для ОПЛ – ослабляться. Разность абсолютных значений емкостного и индуктивного коэффициентов даже может менять знак (как видно из данных для ППЛ), что соответствует изменению полярности перекрёстной помехи на дальнем конце пассивной линии.

							Т а б л и ц а 2.4
	Влияние толщины полосок на ёмкостную и индуктивную связи
							ОПЛ
t/w		nt		ППЛ
			–C21/C11		L21/L11	–C21/C11		L21/L11
0,1		1	0,139		0,128	0,140		0,083
0,2		2	0,150		0,146	0,124		0,074
0,3		3	0,161		0,164	0,100		0,059
0,4		4	0,172		0,180	0,064		0,037

2.4.1.2.3. Емкостная и индуктивная связи между ППЛ и ОПЛ

Для уменьшения взаимного влияния межсоединений соседних слоёв печатных плат их располагают во взаимно ортогональных направлениях. Однако для повышения плотности и уменьшения длины межсоединений в некоторых фрагментах разводки межсоединения различных слоёв удобно провести параллельно друг другу. Ёмкостная и индуктивная связи при этом сильно возрастают и требуют своей оценки, например, для определения максимально допустимой длины связанных линий при заданном уровне перекрёстных помех.

В случае ПТМП такая оценка проведена с помощью программы MOM2, допускающей не только планарное, но и произвольное расположение проводников. Минимальный разнос полосок, расположенных на разных слоях, не ограничен шириной полоски, как в планарном случае. Поэтому связь между ППЛ и ОПЛ определена для трёх случаев разноса проводников (рис. 2.14). Ёмкостный и индуктивный коэффициенты вычислены по формулам

141

	KC =	−C2,1		;	KL =	L2,1		,
		C1,1	C2,2			L1,1	L2,2

где Сi,j и Li,j, i, j=1, 2 – вычисленные программой MOM2 элементы матриц погонных ёмкостных и индуктивных коэффициентов, соответственно.

Зависимости KC и KL от h2/w представлены на рис. 2.15 тремя группами графиков, обозначенными буквами а, б, в, соответствуя рис. 2.14 а, б, в. Вычисления производились для εr1=1, 2, 3, 4 при εr2=5; h1/w=0,5; t/w=0,1; w=d. Дискретизация всех границ эквидистантная, с числом подынтервалов, равным 2 на длине t и 5 на длинах w и d.

d

w

t d

d

w

t 2d

d

w

t

3d

εr2

h2

εr2

h2

εr2

h2

d

w

d

2d

t

w

d

3d

t

w

d

εr1

t

h1

εr1

h1

εr1

h1

а

б

в

Рис. 2.14. Три конфигурации связанных ППЛ и ОПЛ

1

|

KL

a |

KC (1)

KC (2)

|

KC (3)

KC (4)

|

б|

|

|

в| |

0

0

h 2/w

1

Рис. 2.15. Зависимости KL и KC (для εr1=1, 2, 3, 4) от h2/w для связанных ППЛ и ОПЛ из рис. 2.14 а, б, в

142

Анализ поведения графиков, а также суммы и разности ёмкостных коэффициентов позволили сделать ряд выводов относительно перекрёстных помех в связанных ППЛ и ОПЛ.

Уменьшение εr1 и разноса линий увеличивает перекрёстную помеху на ближнем конце.

В отличие от связанных ППЛ и связанных ОПЛ существует такая область значений параметров линии, в которой уменьшение h2/w не уменьшает, а увеличивает перекрёстную помеху на ближнем конце.

Соответствующий выбор параметров линий меняет полярность, уменьшает абсолютную величину и даже полностью устраняет перекрёстную помеху на дальнем конце.

Выбором параметров линий можно минимизировать чувствительность перекрёстных помех на ближнем и дальнем концах к изменению толщины подложки.

2.4.1.3. Многопроводные линии

Программа MOM2 позволяет вычислять параметры не только двух связанных линий, но и системы, состоящей из нескольких проводников. Для межсоединений это позволяет оценить влияния не только соседних, но и других близлежащих проводников. Полученные матрицы [L] и [C] используются для оценки перекрёстных помех в межсоединениях посредством строгого вычисления отклика или (после соответствующего анализа значений их элементов) упрощаются, например, приводятся к трёхдиагональному виду для применения более быстрых методов вычисления отклика.

Выполнено моделирование для пяти проводников. Рассмотрено три случая: пять ППЛ, пять ОПЛ [114], а также три ППЛ и две ОПЛ, расположенных в шахматном порядке [115].

2.4.1.3.1. Емкостная и индуктивная связи в пяти ППЛ и в пяти ОПЛ

Конфигурации пяти ППЛ и пяти ОПЛ представлены на рис. 2.16. Вычисления выполнены при w=s=d; t/w=0,1; εr1=1; εr2=5 для двух значений h1/w=0,5;1,5. Для всех границ использована эквидистантная дискретизация с числом подынтервалов, равным 1 на длине t и 4 на длинах w и d.

Результатом вычисления по программе MOM2 в этом случае являются две симметричные матрицы [C] и [L] размером 5×5. Для нормального восприятия при представлении результатов использованы данные только первого столбца этих матриц. Причём приведены только взаимные элементы, характеризующие связь первого проводника со вторым, третьим,

143

четвёртым и пятым, нормированные к собственному элементу первого проводника. Представленные значения называются здесь коэффициентами связи и выражаются следующими формулами.

KC1i =	−C1,i	;	KL1i =	L1,i	, i=2, 3, 4, 5,
				L
	C
	1,1			1,1

где С1,i и L1,i, i=1, 2, 3, 4, 5 – вычисленные программой MOM2 элементы матриц погонных ёмкостных и индуктивных коэффициентов соответственно. Значения ёмкостных и индуктивных коэффициентов связи (в логарифмической шкале) для пяти ППЛ представлены на рис. 2.17, а для пяти ОПЛ – на рис. 2.18.

d

w

t s

w

t s

w

t s

w

t s

w

t d

εr2

h2

εr1

а

h1

εr2

h2

d

s

s

s

s

d

εr1

w

t

w

t

w

t

w

t

w

t

h1

б

Рис. 2.16. Пять ППЛ (а) и пять ОПЛ (б)

Графики позволяют сравнить между собой ёмкостные и индуктивные коэффициенты различных проводников и сделать выводы о достаточности учёта только ближайшего проводника или необходимости учёта последующих. Конечно, для рассматриваемых случаев, когда все проводники имеют одинаковые ширину и толщину, одинаково разнесены друг от друга и расположены на одной высоте от плоскости земли, естественно предполагать доминирующее влияние ближайшего проводника, что и наблюдается на графиках. Однако специфика ППЛ и ОПЛ проявляется в следующем. Существует область параметров ППЛ и ОПЛ, в которой влияние проводника, следующего за ближайшим, может быть существенным. Например, значения коэффициентов связи могут быть около 0,1. Существует область параметров ППЛ и ОПЛ, в которой увеличение h2/w не увеличивает, а уменьшает некоторые ёмкостные коэффициенты. Подобно случаю двух связанных линий ёмкостная связь между различными полосками может быть больше, чем индуктивная.

144

1
		KC12
0,1		KC13
		KC14
		KC15
		KL12
0,01		KL13
		KL14
		KL15
0,001
0	h 2/w	1
		а
1
		KC12
		KC13
0,1		KC14
		KC15
		KL12
		KL13
0,01		KL14
		KL15
0,001
0	h 2/w	1
		б
Рис. 2.17. Зависимости ёмкостной и индуктивной связей от относительной
толщины подложки для пяти ППЛ при h1/w=0,5 (а) и при h1/w=1,5 (б)

145

1
		KC12
		KC13
0,1		KC14
		KC15
		KL12
		KL13
		KL14
0,01		KL15
0,001
0	h 2/w	1
		а
1
		KC12
		KC13
0,1		KC14
		KC15
		KL12
		KL13
0,01		KL14
		KL15
0,001
0	h 2/w	1
		б
Рис. 2.18. Зависимости ёмкостной и индуктивной связей от относительной
толщины подложки для пяти ОПЛ при h1/w=0,5 (а) и при h1/w=1,5 (б)

146

2.4.1.3.2. Емкостная и индуктивная связи в трёх ППЛ и двух ОПЛ

Одним из вариантов расположения параллельных ППЛ и ОПЛ является шахматный порядок с двойной плотностью монтажа. Пример такой конфигурации, состоящей из трёх ППЛ и двух ОПЛ, показан на рис. 2.19.

d		w		t s	w	t s	w	t d

εr2

2d

w

w

2d

h2

εr1

t

s

t

h1

Рис. 2.19. Три ППЛ и две ОПЛ в шахматном порядке

Вычисления для данной конфигурации выполнены при w=s=d; t/w=0,1; εr1=1; εr2=5; h1/w=0,5. Для всех границ использована эквидистантная дискретизация с числом подынтервалов 2 на длине t и 5 на длинах w и d. Ёмкостные и индуктивные коэффициенты вычислены по следующим формулам.

KC1i =	−C1,i	; KL1i =		L1,i		L , i=2, 3, 4, 5,
	C C		L
	1,1	i,i	1,1			i,i

где С1,i и L1,i, i=1, 2, 3, 4, 5 – вычисленные программой MOM2 элементы матриц погонных ёмкостных и индуктивных коэффициентов соответственно.

На рис. 2.20 показаны зависимости вычисленных коэффициентов от h2/w. Графики позволяют сравнить между собой ёмкостные и индуктивные коэффициенты различных проводников и отметить следующие особенности.

В отличие от предыдущих случаев для первого проводника ближайшими становятся два проводника, 2-й и 3-й, а следующими – 4-й и 5-й, т.к. чётко видна сопоставимость коэффициентов связи этих пар проводников.

Существует область параметров, в которой влияние проводников, следующих за двумя ближайшими, существенно. Например, значения коэффициентов связи близки к 0,1.

Существует область параметров, в которой увеличение h2/w не увеличивает, а уменьшает некоторые коэффициенты.

Подобно случаю двух связанных линий ёмкостная связь между различными полосками может быть больше, чем индуктивная.

147

1		KC12
		KC13
		KC14
0,1		KC15
		KL12
		KL13
0,01		KL14
		KL15
0,001
0	h 2/w	1
Рис. 2.20. Зависимости ёмкостной и индуктивной связей от относительной
	толщины подложки для трёх ППЛ и двух ОПЛ

2.4.2. Уменьшение искажений в структурах одиночных линий

В данном разделе представлены результаты вычисления временного отклика различных структур межсоединений, моделируемых последовательно соединёнными отрезками одиночных линий, ёмкостно нагруженными на стыках. Вычисления выполнены для различных параметров межсоединений печатной платы с двухслойным диэлектриком и показывают возможности уменьшения искажений [118].

Характеристики ППЛ и ОПЛ вычислялись вариационным методом для следующих параметров: Hd1/W=0,5; Hd2/W=0,1; 1. Рассматривались два случая: для εr1=2, εr2=5 и εr1=1, εr2=3. Результаты вычислений показаны в табл. 2.5. Ёмкость неоднородностей Cd полагается известной. Вычисляются формы сигналов временного отклика на входной сигнал с линейно нарастающим фронтом для случая согласованных отрезков на обоих концах структуры.

							Т а б л и ц а 2.5
		Параметры и вычисленные характеристики отрезков линий
	Параметры			Отрезок ППЛ		Отрезок ОПЛ
εr1	εr2		Hd2/W	Z, Ом	√εre	Z, Ом		√εre
2	5		0,1	69,153	1,411	63,534		1,385
2	5		1,0	88,237	1,695	55,117		1,596
1	3		0,1	89,998	1,084	83,821		1,050
1	3		1,0	111,902	1,336	74,417		1,182

148

Для максимальной плотности монтажа межсоединений ширины полосок обоих слоёв межсоединений могут быть выбраны минимально технологически возможными и равными друг другу. В этом случае, как видно из табл. 2.5, характеристический импеданс ППЛ выше, чем ОПЛ. Эту разницу можно компенсировать за счёт более широкой полоски подвешенной линии или, если это не желательно, эта разница может быть уменьшена посредством соответствующего выбора параметров диэлектриков, что также видно из табл. 2.5.

Когда имеет место первый случай (импедансы всех отрезков можно рассматривать равными), то для оценки увеличения фронта импульса изза различного числа регулярно разнесённых одинаковых изгибов полосок, отверстий или входов электронных приборов можно использовать эффективную формулу для проходящей волны [119]. Графики для этого случая показаны на рис. 2.21. Из результатов подобных вычислений можно быстро оценить степень влияния величины и числа ёмкостных нагрузок на искажения фронта сигнала в линии заданной длины и, при необходимости, принять меры для его уменьшения.

Сравнение форм сигнала, вычисленных без учёта и с учётом отражений от ёмкостей, показаны на рис. 2.22, из которого видно, что их влияние может быть существенным.

На рис. 2.23 показаны формы сигналов, когда между двумя отрезками подвешенной линии находится отрезок обращённой линии. Длины отрезков линий показаны в сантиметрах во вставке на графике, а общая длина трёх отрезков линий поддерживается постоянной.

На рис. 2.24 показано влияние разницы импедансов и различного порядка включения отрезков подвешенной и обращённой линий для двух случаев (εr1=2, εr2=5 и εr1=1, εr2=3) из табл. 2.5. Импедансы отрезков линий в омах показаны на вставке в график. Как видно, величина выбросов для рассматриваемых случаев может быть различной.

Влияние роста числа ёмкостно нагруженных отрезков для двух случаев, когда постоянны общая длина линии и длины двух смежных отрезков, показано на рис. 2.25 и рис. 2.26 соответственно. Видно, что с ростом n форма сигнала улучшается.

Итак, в данном разделе показано, как можно применить программно реализованные модели к оценке формы сигналов в различных структурах межсоединений, моделируемых последовательно соединёнными отрезками линий передачи, ёмкостно нагруженными на стыках. Результаты такой оценки позволяют учесть влияние параметров межсоединений на форму сигналов и предложить способы уменьшения искажений сигналов.

149

14

12

10

8
					n=2
6					n=4
					n=6
4					n=2
					n=4
2					n=6
0
0	100	200	300	400	500

Рис. 2.21. Формы сигнала (В, пс) с учётом только проходящей волны для n регулярно расположенных в линии ёмкостей величиной Cd=0,1; 2 пФ, tr=100 пс, Z=69 Ом

14

12

10

8
6
																без отражений
4																с отражениями
2
0
400											500	600	700	800		900	1000	1100	1200	1300

Рис. 2.22. Формы сигнала (В, пс) без учёта (—) и с учётом (---) отражений от ёмкостей. l=10 см, tr=100 пс, Cd=0,2 пФ, n=5, Z=69 Ом

150