Zkrácení doby návrhu RF desek

Během posledních let doznává charakter návrhu desek s plošnými spoji obsahujících RF části výrazných změn. Zdaleka se již nejedná pouze o aplikace určené převážně pro letecký nebo vojenský průmysl. Všichni vnímáme i pokračující překotný vývoj kapesních komunikačních zařízení, dálkově ovládaných zařízení, základových stanic, přenosných počítačů a mnohých spotřebních zařízení. Všechna tato zařízení obsahují v menší či větší míře RF.

Z pohledu návrháře v elektronice lze jasně vidět, že RF části v elektronických zařízeních bývají již jen zřídka izolované od svého okolí, ale většinou jsou částí nějakého mnohem většího celku. Zatímco klasický RF návrh býval chápán jako malý, třeba jen dvouvrstvý RF modul, dnešní RF návrhy jsou mnohem větší, složitější a vykonávající více funkcí. Často se jedná o návrhy využívající více technologií na vícevrstvých spojích a sestávající z několika RF modulů integrovaných s ultrarychlými digitálními, analogovými, výkonovými a napájecími obvody, přičemž všechny tyto moduly jsou natěsnány blízko sebe na jedné hustě osazené desce.

Jak se navrhovalo dříve

Zde samozřejmě pomineme „předpotopní“ metody, kdy návrháři nedisponovali ničím více než vlastními zkušenostmi získanými nesčetnými pokusy a omyly, tužkou a papírem, v lepším případě počítačovým programem kreslícím čáry.

Máme na mysli období posledních deseti až patnácti let, během kterých se rozvinulo používání specializovaných softwarových nástrojů pro návrh vesměs jednodušších obvodů obsahujících výhradně RF části, přičemž ve většině firem se používají i dnes. Problém je v tom, že tyto nástroje a související metodologie návrhu byly vyvinuty pro řešení deset i více let starých RF technologií, a přitom je snaha řešit s nimi RF návrhy současných parametrů. Vyvíjet starými nástroji moderní RF návrhy je sice možné, ovšem jen za cenu značného prodloužení doby návrhu a z toho plynoucího mnohonásobně opakovaného ladění.

Průzkumy provedené mezi návrháři desek obsahujících „moderní“ RF části přinesly zajímavý poznatek, že až 75 % času návrhu je nutné věnovat návrhu RF částí, zatímco zbývajících 25 % času připadá na návrhy ostatních částí návrhu, i když ty tvoří jeho výrazně většinovou část. Další detaily těchto průzkumů rovněž ukázaly, že někdy až 75 % času vyhrazeného pro návrh RF částí návrháři spotřebují neustálým slaďováním softwarových nástrojů pro návrh RF částí s nástroji pro návrh standardních systémových částí desky s plošnými spoji, což celkem představuje kolem 50 % času návrhu celé desky. To je v kontextu týdnů a často i měsíců nezbytných pro návrh složitější desky velice mnoho času. A i přesto je toto realita ve většině dnešních firem.

Logickým snažením mnoha firem v takové situaci je snaha o vylepšování existujících metodologií návrhu, ale s návrhovými prostředky z doby před 10 a více lety mají tyto snahy jen nevýznamný výsledek.

Vycházeje z těchto poznatků je tedy nasnadě, že bylo zapotřebí vyvinout zcela novou technologii návrhu desek s RF, která by byla schopna zkrátit dobu vývoje o významnou část, řádu desítek procent (například na polovinu).

Jak je patrné z titulu tohoto článku, takové metody již existují.

Jak se většinou navrhuje dnes

Typický postup návrhu desky s plošnými spoji obsahující RF části dnes vypadá tak, že RF bloky jsou navrhovány s použitím k tomu určených softwarových RF nástrojů. Tyto nástroje obvykle mají svou vlastní knihovnu součástek a svou vlastní strukturu návrhových souborů. RF návrhář s jejich pomocí může vytvořit parametrické schéma nebo fyzickou topologii nebo obojí a pak má k dispozici nějaký simulátor, kterým ověří funkci navrženého obvodu.

Jakmile je návrhář spokojený se stavem svého návrhu, následuje takový překlad RF návrhové databáze, aby mohl být importován do standardního systému pro návrh plošných spojů jako část schématu a topologie. Návrhář standardní části desky s plošnými spoji poté zkompletuje celý návrh desky. Je přitom žádoucí, aby tento návrhář byl v úzkém kontaktu s návrhářem-specialistou, který RF část navrhl. S jeho pomocí pak přidá i rozlité země a zemnicí prokovy.

Pro zajištění integrity RF obvodu RF návrhář posuzuje jeho implementaci v kontextu celé desky a s ohledem na to vytvoří ekvivalentní model obvodu. Tento model poté může být importován zpět do návrhového prostředí pro RF a zde simulován. I když se tento postup může na první pohled zdát jasným a logickým, přesto se dá říci, že pro návrh současných složitých desek je nedostatečný.

Kde je chyba?

I když popsaná metodologie vypadá na první pohled jednoduše, přesto něco není v pořádku. Ale co?

V popsaném postupu návrhu existuje několik aspektů, které mají za následek delší dobu návrhu spojenou s častými návrhovými otočkami. Jedním z problémů je ten, že dílčí RF části návrhu jsou v rámci celkového návrhu vytvářeny jako izolované moduly, které neberou v potaz vzájemné interakce mezi jednotlivými RF částmi a nefungují jako integrální součást celkového návrhového prostředí. Nástroje pro RF návrh mají vlastní knihovní součástky, vlastní návrhovou databázi a hlavně formát jejich dat se značně odlišuje od formátu používaného současnými systémy pro návrh desek plošných spojů. Ty samozřejmě mají své vlastní knihovny a své vlastní způsoby uchování dat. Tento rozpor tak vytváří situaci, ve které je kvůli zabránění chybám zapotřebí rozdílné knihovny neustále 100 % synchronizovat. Vzniklé četné konverzní soubory samozřejmě značně zvyšují riziko vzniku dalších chyb.

Rozdílné struktury dat jsou ostatně důvodem, proč jsou překlady dat mezi nástroji pro návrh standardních desek plošných spojů a nástroji pro návrh RF plošných spojů vždy problematické. Většina návrhářů jistě souhlasí s tím, že překlady vždy vyžadují ruční zásahy a že je vždy nutná jejich manuální kontrola. Je třeba brát v potaz i to, že překlady nepodporují inkrementální aktualizace a rovněž to, že konvertory běžně převádějí „inteligentní“ RF tvary z nástrojů pro RF do „hloupých“ kousků kovu ve standardním návrhovém systému, čímž znemožňují efektivní verifikaci návrhu.

Běžně se pro překlady používají formáty IFF na bázi ASCII, DXF od Auto‑CADu a binární GDS-II. Mnohé z problémů jsou způsobené kombinací datových modelů s těmito datovými formáty, které nemají dostatečnou inteligenci na to, aby správně mapovaly kritická data mezi oběma prostředími. Jinými slovy, návrháři používají datové formáty, které nebyly vytvořeny k takovýmto úkolům. Takže máme další zdroj možných problémů.

I když pro zmírnění těchto nedostatků byly učiněny dílčí úpravy, pravdou zůstává, že zlepšení byla spíše jen kosmetického rázu a že hlavní potíže přetrvávají.

Zlepšení existujících metod

Z výše uvedeného je zřejmé, že pro řešení všech těchto zásadních problémů je nutné vytvořit zcela novou metodu RF návrhu. Při tvorbě této nové metody je v první řadě zapotřebí definovat si cíle, kterých by se mělo dosáhnout, tedy například:

• Výrazně zkrátit dobu návrhu systému obsahujícího RF.
• Snížit celkový počet cyklů návrhu.
• Eliminovat nutnost údržby dvojích knihoven.
• Eliminovat četné konverzní soubory.
• Umožnit inkrementální aktualizace.
• Umožnit opakované použití již navržených bloků a vytváření různých verzí RF modulů.
• Umožnit používání vždy posledních verzí všech používaných softwarových nástrojů.
• Umožnit rychlou simulaci RF i smíšených technologií jak ze schématu, tak i z topologie.
• Umožnit RF simulaci skutečné desky plošných spojů na úrovni topologie.
• Umožnit souběžný návrh jak schématu, tak i topologie.

Je též zapotřebí pojmenovat hlavní faktory, které brání dosažení těchto cílů při použití současných metod návrhu RF. Prvním je používání několika knihoven, které je nutné synchronizovat. Druhým je existence velkého množství konverzních souborů pro jediný projekt. Třetím je existence zásadních rozdílů mezi nástroji pro RF návrh a návrh klasických desek plošných spojů, které brání jednoduchému přenosu dat mezi nimi.

Integrace standardního návrhového systému s RF

Jak již bylo vysvětleno, navrhovat RF návrhy jednoúčelovými a v podstatě izolovanými nástroji, pak je překládat, synchronizovat knihovny a toky návrhových dat, není zrovna ideální řešení. Navíc již víme, že dílčí úpravy nic podstatného neřeší. Nabízí se proto řešení v podobě vytvoření zcela nové metodologie, která by měla RF návrh co nejvíce přiblížit prostředí pro standardní systémový návrh desek s plošnými spoji.

Stručně řečeno, bylo by nejjednodušší, pokud by existovala možnost návrhu RF obvodů přímo ve standardních návrhových systémech pro tvorbu schématu a topologie jako náhrada separátního prostředí vyžadujícího pozdější překlad, jak je tomu doposud. Je samozřejmě rovněž nutné mít vhodné prostředí pro RF simulaci, ladění parametrů a optimalizaci. „Finta“ však spočívá v tom, že simulačnímu prostředí stačí daleko méně dat a v jednodušší formě než kolik jich obsahuje „skutečný“ návrh. Tímto se elegantně eliminují rozdíly mezi datovými modely a tedy i řeší problémy plynoucí z nutnosti překladu.

Výhody takového přístupu jsou zřejmé. RF část návrhu je nyní součástí celého systému, takže je možné navrhovat ji souběžně s ostatními částmi tohoto systému. Takto je s nimi na stejné úrovni a už nepředstavuje cizí element, který musí být časem pomocí překladu importován do systému. Čím těsnější je integrace, tím se stávají všechny součásti návrhu (včetně RF části) přehlednější na úrovni celého systému. Libovolná část obvodu v tom případě může zohledňovat vliv sousedících částí a tím být reálnější, a tedy i přesnější. Nejdůležitější však je, že existuje pouze jediná knihovna a že všechna data jsou uchovávána na jednom společném místě. To značně zpřehledňuje řízení celého návrhového procesu. Vedlejším efektem je to, že pro návrh RF je nyní možné používat i doposud nedostupné funkce, jako například opakované použití návrhových bloků, kontrolu verzí nebo management návrhových dat.

Požadavky na návrhové prostředí

S možností tvorby RF návrhu s pomocí běžných návrhových funkcí vyvstávají i některé nové požadavky na návrhové prostředí. Nástroje pro návrh RF totiž běžně operují s parametrickými obvodovými elementy jako například MLIN, MCURVE, MBEND a MSTUB, jejichž rozměry se nastavují pomocí parametrů jako W pro šířku a L pro délku. Aby bylo možné používat běžné návrhové nástroje i pro návrh RF, musí být tyto nástroje obohaceny o parametrické tvary na úrovni schématu i na úrovni topologie.

Samozřejmě by měly existovat i mechanismy zajišťující, aby se součástky v knihovně parametrických tvarů v systémových návrhových nástrojích chovaly stejně jako jejich protějšky v podobě modelů pro simulaci obvodu v simulačním prostředí RF. V praxi to znamená, že systémové návrhové nástroje musí mít přístup do knihovního prostředí RF a být s ním synchronizovány. Tímto se eliminuje nutnost ruční údržby systémových knihoven pro RF.

Integrace RF simulace

Obr. 1 RF simulační netlist

Nyní jsou vytvořeny základy pro systémový návrh RF a je třeba nalézt cestu, jak převést kompletní elektrické charakteristiky RF obvodu do RF simulátoru. Tento převod by neměl být prováděn překladem celého návrhu, ale pouze posláním toho, co simulátor potřebuje, tj. netlist pro simulaci, který se odvolává na obvodové elementy. To je naštěstí jednoduchý proces. Typický netlist pro RF simulaci má nekomplikovaný formát, jaký je ukázán na obr. 1. Řádky se čtou následujícím způsobem, jak je ukázáno na příkladu první zvýrazněné řádky:

• Pole 1: model obvodu (MLIN2)
• Pole 2: typ obvodu pro RF element (RF_MLIN_57)
• Pole 3: pin 1 jméno signálu (_I$7697_NET100)
• Pole 4: pin 2 jméno signálu (ads_net_3)
• Pole 5: seznam parametrických vlastností (L = W = Subst = Msub1).

V prostředí RF je definována „circuit test bed“, která dodává stimuly, obsahuje zakončení a definuje simulace a analýzy, které jsou prováděny, jak je ukázáno na obr. 2.

Obr. 2 RF simulační prostředí

Pro současné návrhové nástroje je RF simulace v kontextu reálné desky s plošnými spoji obtížná. V nejlepším případě se dají metalické struktury přenést do simulátoru použitím primitivních formátů jako Gerber nebo GDS-II. Žádný z těchto nástrojů bohužel není dostatečně inteligentní na to, aby přenesl jakoukoliv smysluplnou informaci o obvodu nutnou pro jeho simulaci.

Jak bylo zmíněno výše, navrhovaná nová metodologie zahrnuje pouze přenos netlistu pro simulaci. Jeho formát je sice o něco složitější, ale to je pochopitelné, když si uvědomíme, že potřebujeme popsat libovolné metalické tvary, jak je ukázáno na obr. 3, včetně všech externích propojení jako jsou porty pro extrakci S-parametrů.

Obr. 3 Obecně tvarované metalické struktury tak, jak byly vytvořeny pro extrakci S-parametrů

Je zřejmé, že tento postup je radikálně odlišný od dřívějších pokusů o překlad celého návrhu. Tento nový přístup rovněž umožňuje modelovat a analyzovat vzájemné ovlivňování sousedících RF modulů nebo vzájemné působení mezi běžnými strukturami (které nejsou RF).

Integrace nástrojů

Ve své nejjednodušší formě mohou být netlisty pro simulaci pouze ručně importované ASCII soubory.

V pokročilé formě může tok informací mezi výpočetními nástroji fungovat i tak, že prostředí pro systémový návrh a prostředí pro RF návrh si přes síť dynamicky vyměňují data. Tím se otevírá několik zajímavých scénářů.

Za prvé mohou návrháři přímo porovnat systémový návrh s RF simulací. Za druhé, pokud mají návrháři velký nebo komplikovaný RF obvod, mají možnost rozdělit obvodovou simulaci do několika výpočetních platforem, aby se paralelně prováděnými výpočty zkrátil simulační čas. Alternativně je možné z důvodu úspory času rozdělit návrh sestávající z několika modulů do jednotlivých modulů a každý z nich poslat do jiného simulátoru. Toto vše je umožněno vzájemným propojením nástrojů.

Závěr

Způsob, jakým se v současnosti provádí návrh systémů obsahujících RF, je zřetelnou příčinou dlouhé doby potřebné pro návrh a četných návrhových otoček. Důvodem jsou komplikace vzniklé nepředvídatelným chováním na systémové úrovni.

Abychom mohli výrazně snížit počet návrhových cyklů a zkrátit dobu jejich trvání, je žádoucí začít používat novou metodologii návrhu popsanou v tomto článku, která lépe integruje RF návrh se standardním systémovým návrhem desky plošných spojů a tím řeší současné problémy bránící lepší efektivitě návrhu. V rámci této nové metodologie se RF návrh stává integrální součástí celého návrhového systému a není již jen pouhým izolovaným jednoúčelovým nástrojem. Po dobrém tréninku a při vhodně sestaveném plánu nic nebrání plnohodnotnému využití nových návrhových nástrojů a metod.

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