Měření a simulace při vývoji zapojení

Při vývoji zapojení a následném návrhu desky plošných spojů je nutné často uvažovat různé parametry propojovacích struktur, které mohou více či méně ovlivnit funkci výsledného elektronického zařízení. Během návrhu je nutné uvažovat nejen elektrické parametry elektronických součástek, ale také elektrické i neelektrické parametry substrátů použitých k výrobě desek plošných spojů. Jelikož výsledná funkce elektronického zařízení nezávisí jen na výběru vhodných součástek, ale také na výběru vhodných konstrukčních materiálů a na správném návrhu propojovacích struktur, je nutné provádět již v době návrhu zapojení různé výpočty a simulace. Některé simulace jsou poměrně komplikované z důvodu velkého množství vstupních parametrů, proto je vhodné získané výsledky ze simulace kontrolovat měřením.

Provádět simulace elektronického zapojení není vždy úplně jednoduché a je nejprve nutné určit, které parametry mohou ovlivnit funkci zařízení a podle toho zvolit vhodný simulační program. Výběr simulačního programu závisí na tom, zda-li se jedná o zapojení s analogovými součástkami nebo číslicovými součástkami. Dalším rozhodujícím parametrem bude použitá frekvence pro přenos signálů mezi jednotlivými obvody.

„Nejjednodušším“ případem je simulace nízkofrekvenčních analogových obvodů, u kterých není až tak nutné uvažovat parametry použitého substrátu a přenosových cest. Pro tyto účely existuje řada samostatných programů jako je PSpice, MultiSIM atd., které pracují s matematickými modely součástek. V tomto případě se jedná pouze o obvodové simulace k ověření funkce zapojení. Obvodové simulátory jsou již většinou přímo součástí schématického editoru „velkých“ návrhových systémů jako je PADS, Altium, Cadence, Orcad atd. Návrh propojovacích struktur se zde většinou řídí zásadami pro dimenzování vodičů s ohledem na maximální dovolené oteplení pro danou proudovou hustotu. Minimální izolační vzdálenost mezi spoji je určena zvolenou konstrukční třídou přesnosti nebo bezpečnostními požadavky vyplývajícími z příslušných norem (např. ČSN EN 60950) a simulace není v těchto případech nutné provádět.

Při návrhu číslicových obvodů rozlišujeme simulace na dvě kategorie, a to na simulace k ověření funkce zapojení a na simulace kontroly signálové integrity na plošném spoji. K simulaci funkčnosti zapojení jsou opět využívány samostatné nebo integrované simulační programy. Opačná situace nastává pro kontrolu signálové integrity, kde je nutné použít speciální simulační programy jako je např. HyperLynx. Důvodem použití těchto speciálních programů je nutnost řešit problémy s impedančním přizpůsobením spojů, s přeslechy a s EMC kompatibilitou, které mohou být způsobeny použitím rychlých spínacích součástek, nevhodným návrhem propojovacích struktur nebo použitými materiály. Tyto speciální programy zahrnují do simulace všechny tyto uvedené parametry. Na obrázku 1 je znázorněn průběh napětí na vstupu číslicového obvodu pro různé typy impedančního přizpůsobení přenosové cesty.

Obr. 1 Průběh napětí na vstupu číslicového obvodu pro různé typy impedančního přizpůsobení přenosové cesty (1a – simulované hodnoty, 1b – naměřené hodnoty)

Návrh propojovacích struktur vysokofrekvenčních analogových systémů souvisí nejen s topologií vodičů, ale také s parametry použitých materiálů. Při návrhu vysokofrekvenčních systémů se můžeme proto setkat s celou řadou problémů, které mohou významně ovlivnit funkci elektronických zařízení. Tyto problémy mohou souviset s některými parametry plošných spojů:

• geometrický tvar vodivých cest
• šířka vodivé cesty
• tloušťka vodivé cesty
• vzdálenost vodivých cest
• pokovené otvory
• vliv pájeného spoje
• vliv lepeného spoje
• použitý substrát
• technologie výroby plošných spojů.

K simulaci takovýchto vysokofrekvenčních analogových systémů se využívají speciální programy jako je např. Ansoft Designer. Tento program zahrnuje v simulacích všechny zmiňované parametry. Příklad vlivu substrátu s různou relativní permitivitou na frekvenční charakteristiku pásmové propusti realizované pomocí mikropáskových vedení je uveden na obrázku 2.

Obr. 2 Simulace mikropáskové pásmové propusti pro různé hodnoty relativní permitivity substrátu

Obr. 3 Princip měření pomocí vektorového síťového analyzátoru

Simulace v různých úrovních návrhu zapojení mohou ušetřit spoustu starostí s odladěním výsledného zapojení, avšak je vhodné se nespoléhat jen na tyto simulace. Součástí každého návrhu jsou také praktická měření k ověření správné funkčnosti systému. K ověření funkčnosti součástek se využívají známé měřicí metody. K ověření signálové integrity je však nutné využít složitějších měřicích přístrojů a měřicích metod. U jednoduchých systémů většinou postačují k ověření funkce multimetry, případně osciloskopy. Pro zjištění elektrických parametrů propojovacích struktur je však nutné využít složitější přístroje pro měření RLC parametrů. U vysokofrekvenčních systémů se k ověření signálové integrity stále častěji využívají vektorové síťové analyzátory pro měření rozptylových parametrů. Tyto analyzátory pracují na principu měření úrovně odražených a procházejících napěťových vln. Princip měření propojovacích struktur na plošném spoji je znázorněn na obrázku 3.