Efektivní návrh DPS s RF signály

V minulém čísle jsme se v článku nazvaném „Zkrácení doby návrhu RF desek“ zabývali standardním (ale neefektivním) způsobem, jakým se v současnosti provádí návrh systémů obsahujících RF. Poté jsme představili novou metodologii RF návrhu, která umožňuje výrazně snížit počet návrhových cyklů a zkrátit dobu jejich trvání. V rámci této nové metodologie se RF návrh stává integrální součástí celého návrhového systému a není již jen pouhým izolovaným jednoúčelovým nástrojem.

V dnešním článku se praktickému využití moderních metod návrhu RF budeme věnovat na konkrétním příkladu návrhového systému Expedition PCB firmy Mentor Graphics.

Integrovaný přístup

Obr. 1 V současnosti používaný (zastaralý) model návrhu RF

Aby bylo možné poskytnout návrhářům RF maximum možností, které nová metodologie návrhu RF nabízí, spojila firma Mentor Graphics své síly s dalšími dvěma dodavateli specializovanými na užší segment RF návrhu – Agilent (ADS) a AWR. Vzniklo tak integrované prostředí, ve kterém jsou moduly pro schéma a topologii úzce propojeny se systémy pro RF simulaci, přičemž propojení lze používat dynamicky a nikoliv jen přes ASCII rozhraní. Knihovny jsou neustále synchronizovány a umístění návrhových dat při přechodech mezi RF částmi a standardním návrhovým prostředím desky s plošnými spoji je stále na stejném místě. RF návrhář je plnohodnotně začleněn do celého návrhového týmu. RF obvody jsou navrhovány v kontextu celé „zbývající“ desky s plošnými spoji. Jakékoliv změny jsou ihned zohledňovány a mohou být analyzovány v prostředí pro RF simulaci. Odpadá nutnost překladů a synchronizace, tedy faktorů, které dříve zvyšovaly riziko vzniku chyb, prodlužovaly dobu návrhu a zvyšovaly počet nutných návrhových otoček.

Obr. 2 Nový model návrhu RF

Souběžný návrh

A to není vše. Mentor Graphics disponuje i zajímavou technologií zvanou Xtreme, umožňující souběžný návrh a analýzu prováděné několika návrháři současně, využívajíce přitom společnou centrální databázi (pozn. technologii Xtreme budeme věnovat samostatný článek v některém z dalších čísel). Je jedno, zda souběžně pracující návrháři, navrhující komplexní desku s RF částmi, pracují na jednom místě a nebo jsou rozptýleni po světě a dálkově připojeni ke společné síti. Xtreme samozřejmě umožňuje i souběžný návrh návrhářů více specializací – jeden navrhuje RF část, jiný digitální, další analogovou. Souběžně může pracovat až 16 návrhářů.

Obr. 3 Technologie Xtreme umožňuje návrhářům s různými specializacemi pracovat souběžně, ať jsou kdekoliv

Návrhový proces – tvorba schématu

Tím, že existuje společná RF knihovna, má návrhář volbu použít k tvorbě RF schématu buď přímo speciální RF nástroj, nebo standardní nástroj pro tvorbu schématu ze systému, který se běžně používá při návrhu plošných spojů (v tomto případě DxDesigner). Do takto vytvořených obecných schematických symbolů pak návrhář přidá parametry tak, aby pomocí syntézy bylo možné vygenerovat fyzické tvary.

Obr. 4 Schéma pro RF obvod může být vytvořeno jak v nástroji pro DPS, tak i v nástroji pro RF

Syntéza RF tvarů

Knihovny běžně obsahují obecné RF tvary. Další RF tvary, specifické pro konkrétní návrh, z nich průběžně vznikají prostřednictvím automaticky prováděné syntézy, na základě parametrů dodaných uživatelem. RF parametry mohou být specifikovány buď ve schématu nebo zadány pomocí vyskakovacího menu. Již syntetizované tvary mohou být poté modifikovány na úrovni topologie tak, aby splňovaly požadované parametry pro rozmístění a izolační vzdálenosti na desce. Při simulaci tvarů pak můžeme zvolit režim, který zviditelní potřebné úpravy, po jejichž provedení získáme požadovanou funkčnost.

Vytvoření obvodu ze schématu a tvarů

Obr. 5 Funkce „auto arrange“ respektuje propojení ze schématu a vytvoří z něj správný RF obvod

U RF obvodů nestačí jen „nějak“ propojit součástky libovolně tvarovanými spoji. Aby plnily správnou funkci, musí být součástky všech tvarů přímo propojeny (neboť všechny tvary, včetně propojů, ovlivňují funkci) a konfigurovány. Pro automatické provedení tohoto úkolu byla vyvinuta funkce „auto arranger“, která spojuje logiku ze schématu, tvary a soubor pravidel, kterými se řídí finální konfigurace.

Obr. 6 Interface mezi nástroji pro DPS a RF simulátorem

Simulace návrhu

Pro RF simulaci obvodu může návrhář prostřednictvím interaktivního propojení v reálném čase mezi nástroji pro návrh desky a návrh RF použít speciální nástroje. Ty umožňují simulaci RF tvarů, zákaznických tvarů, zapouzdřených součástek, spojů, oblastí rozlitých mědí a termálních plošek. Tvary mohou být otestovány v návrhovém prostředí desky a zvýrazněny v RF prostředí nebo naopak. Pokud se simulací tvarů nezjistí požadovaná funkčnost, mohou být tvary změněny buď úpravou parametrů (opakovaná syntéza) nebo ruční editací RF tvarů nebo dalších „součástek/tvarů“ (tj. zákaznických tvarů, zapouzdřených součástek, spojů, oblastí rozlitých mědí a termálních plošek) v prostředí pro tvorbu běžné topologie nebo RF topologie, které samozřejmě zůstávají stále synchronizované.

Obr. 7 Schopnost interaktivního propojení demonstruje těsnou integraci mezi návrhovými systémy pro DPS a RF

Manipulace se skupinami

Umístit RF obvod na desce s plošnými spoji a mít přitom možnost upravit jeho pozici s ohledem na ostatní analogové nebo digitální obvody vyžaduje, aby RF tvary byly navzájem umístěny v pokud možno těsně ohraničeném prostoru. Jinak se může stát, že drobná změna jejich relativní pozice může dramaticky změnit jejich funkčnost. Proto je důležitá existence nástrojů, které jsou schopny RF obvody sdružit tak, aby bylo možné s nimi manipulovat jako se skupinou, nikoliv jen s jednotlivými tvary. V souvislosti se skupinami je rovněž důležité, aby návrhář specifikoval izolační vzdálenosti mezi skupinou a ostatními tvary, jinak by opět hrozilo nesprávné fungování RF obvodu. To platí pro izolační vzdálenosti jak v osách X–Y, tak i v třetí ose Z. Relativní izolační vzdálenost mezi různými objekty v ose Z totiž umožňuje maximální kontrolu RF návrhu v případě, že návrhář mění jeho umístění ve stejné nebo jiné vrstvě desky.

Obr. 8 Sdružení do skupin a manipulace s nimi zpřehledňuje návrh a udržuje jeho integritu

Automatizace pokládání stínicích prokovů

Správné propojení zemnicích ploch nebo stínění RF tvarů často vyžadují přidání několika (třeba i stovek) prokovů. Pokud bychom toto měli dělat ručně, trvalo by to dlouho. Nástroj pro tvorbu topologie desky plošných spojů proto umožňuje definovat specifické uspořádání prokovů, které se poté během několika vteřin automaticky provede. Tímto způsobem mohou vzniknout velmi spletité obrazce nebo se jen jednoduše zaplní celá oblast prokovy.

Obr. 9 Pokládání stínicích prokovů (stitching vias) je automatizované

Meandry

Jako meandr se dá definovat jakýkoliv RF tvar, který pomáhá zachovat určené izolační vzdálenosti. Jinými slovy, meandry umožňují spojení mezi jednotlivými elementy definovaným způsobem. Do topologie se meandry dají přidat kdykoliv. I meandr lze samozřejmě rozdělit na jednotlivé elementy, které mohou být simulovány. Meandr také může být jako součást topologie odeslán přes dynamické rozhraní k provedení elektromagnetické (EM) simulace.

Závěr

Na příkladu propojení pokročilých funkcí pro tvorbu schématu a topologie, které jsou k dispozici v návrhovém systému Expedition PCB firmy Mentor Graphics, se specializovanými nástroji pro RF návrh a simulaci (Agilent, AWR) bylo ukázáno, jak je možné použitím nové metodologie zejména u velkých a komplikovaných desek s plošnými spoji významně zkrátit dobu návrhu a snížit počet návrhových obrátek.

(Článek byl napsán s využitím materiálů poskytnutých firmou Mentor Graphics.)