Проектування друкованої плати

Програма Microwave Office [29], застосована у попередньому підрозділі для моделювання підсилювача потужності, дозволяє не тільки моделювати радіотехнічні пристрої ультрависокого та НВЧ діапазонів, а й проектувати топології друкованих плат цих пристроїв.

Розробка топології друкованих плат за допомогою Microwave Office значною мірою відрізняється від розробки друкованих плат з застосуванням інших пакетів. Для проектування топології пристрою та управління зв‘язком між електричною схемою та топологією використовується Layout – модуль програми Microwave Office. При цьому він служить для контролю фізичної реалізованості пристрою, що проектується та для створення конструкторської документації. Кожний елемент у електричній схемі може бути представлений своїм топологічним аналогом (осередком). Топологічне представлення застосовується, щоб створити фізичне зображення електричного компонента. Через те що електричний символ і представлення у вигляді топології обробляються як той же самий об‘єкт (це два представлення однієї і тієї сомої бази даних), будь-яка зміна в електричній схемі негайно відображується і топології та навпаки. Жорстка залежність між електричним компонентом та топологічним представленням усуває витрати часу та помилки при зворотному контролі, який зазвичай вимагається, щоб синхронізувати схему і топологію в інших системах аналізу електронних схем.

Отже спроектуємо топологію друкованої плати розрахованого вище підсилювача потужності. Для цього необхідно буде виконати наступні кроки:

створити проект та побудувати схему підсилювача з конструктивів з зосередженими та розподіленими параметрами;

створити графічні зображення топологічних осередків та прив‘язати їх до відповідних конструктивів на схемі;

створити та відредагувати топологію друкованої плати;

окреслити контур друкованої плати та перевірити ймовірні помилки на побудованій топології;

Спроектувати фотошаблон топології друкованої плати.

Розглянемо ці кроки.

Створення проекту та побудова схеми підсилювача. Першим кроком при проектуванні у Microwave Office друкованої плати є створення та збереження за допомогою команд File/New Project і File/Save Project (As) нового проекту.

Топологія проектованого радіопристрою створюється автоматично, коли виконується команда виведення зображення топології з вікна програми редагування схеми радіопристрою. Тому однією з основних задач при проектуванні топології є побудова принципової схеми пристрою у вікні редактора схеми, що відкривається командою Project/Add Schematic/New Schematic…. Але, перш ніж розпочати формування схеми, слід визначитись у програмі в одиницях вимірювання геометричного розміру. Для цього, виконавши команду Options/Project Options… на закладинці Global Units, у групі елементів Length треба відмітити Metric Units та у Length Type встановити mm. На закладинці Frequency Values задайте також робочу частоту радіодавача.

Схема підсилювача збирається з зосереджених радіоелементів (таких, як транзистор, SMD резистори, ємності та індуктивності) і окремих мікросмужкових ліній, що з‘єднують зосереджені елементи, утворюють контактні площинки, елементи узгодження входу та виходу підсилюючого каскаду та ін. Необхідні елементи для формування схеми зберігаються у бібліотеках Microwave Office на закладинці Elem менеджера проекту. Наприклад, у бібліотеці Microstrip зберігаються необхідні нам мікросмужкові елементи. Так, у підрозділі Lines цієї бібліотеки крім інших знаходяться елементи MLIN, MLEF і MTRACE. Відповідно MLIN – відрізок мікросмужкової лінії з двома виводами (наприклад, для з‘єднання двох елементів схеми); MLEF – відрізок мікросмужкової лінії з одним виводом (наприклад, для формування клем живлення чи шлейфів узгоджуючих кіл підсилювача); MTRACE – спеціальний елемент, який дозволяє змінювати топологію при прокладанні електричної лінії у вигляді мікросмужкової лінії (наприклад, для створення стрибків ширини та/чи вигину провідника за допомогою одного, а не декількох відрізків ліній). Ці та інші мікросмужкові елементи мають наступні параметри: W – ширина провідника; L – довжина провідника.

У підрозділі Junction зберігаються елементи MTEE$ і MSTEP$, відповідно розгалуження мікросмужкових ліній та з‘єднання двох мікросмужкових ліній з різною шириною провідника (необхідні, наприклад, для формування контактних площинок під паяння SMD елементів ). Зверніть увагу на те, що у бібліотеці елементи, позначені $ у кінці імені, описуються характеристиками порту, до якого вони під‘єднані. Тобто, ширина провідників цих елементів визначається шириною провідників елементів, до яких вони підключені. Перемичку VIA, що з‘єднує мікросмужкові лінії з екраном, можна взяти з бібліотеки Interconnects. При цьому слід буде задати наступні параметри: D – діаметр отвору; H – товщина підкладинки; T – товщина провідникового шару підкладинки; Rho – питомий опір перемички, нормований до золота.

Призначення, характеристики та параметри усіх інших, не згаданих вище елементів, що розміщені у бібліотеці Microwave Office, можна подивитись у довідкових розділах програми. Для цього слід навести курсор на необхідний елемент, натиснути праву кнопку миші та вибрати команду Element Help….

Пасивні зосереджені елементи (резистори RES, ємності CAP, індуктивності IND) для формування схеми можна взяти з бібліотеки Lumped Element. На частотах понад 2 ГГц можна застосовувати плівкові, чи мікросмужкові резистори, ємності та індуктивності. Різноманітні види цих елементів розміщені у бібліотеці Microstrip/Сomponents (наприклад, TFR – тонкоплівковий резистор з наступними параметрами: RS - питомий поверхневий опір; а F – частота, при якій вимірювали цей опір; W, L – ширина та довжина провідника).

Як транзистор вибирається той елемент, нелінійна модель якого використовувалась при отриманні характеристик спроектованого підсилювача частоти (бібліотека Library/Nonlinear/…). Для зміни зображення транзистора у вигляді шестиполюсника треба двічі натиснути по ньому, та у діалозі зміни властивостей елемента на вкладинці Sumbol вибрати [e-mail] чи [e-mail], відповідно для біполярного чи польового транзистора. Для зручного розташування усіх елементів у вікні редактора електричної схеми пристрою користуйтесь командами «оберту» (Rotate – “Ctrl+R”) та «дзеркального відображення» (Flip – “Ctrl+F”) елементів.

При проектуванні топології високочастотного пристрою з застосуванням мікросмужкових ліній необхідно також вказати параметри підкладинки, на якій будуть розміщені усі його елементи, та від якої значною мірою залежатимуть характеристики даного пристрою. Для цього у вікні редагування схеми з бібліотеки Substrates потрібно розмістити елемент MSUB, що зображує підкладинку, та задати його параметри: Er – відносна діелектрична проникність підкладинки; H – товщина підкладинки, T – товщина провідникового шару підкладинки, Rho – питомий опір матеріалу, що утворює заземлення; Tand – тангенс діелектричних втрат; ErNom – номінальна діелектрична проникність підкладинки. Приклад частини схеми сформованої для проектування топології наведено на рис. 2.6.

Після формування схеми, перш ніж іти далі у розробці топології, у проекті необхідно встановити деякі параметри, від яких залежатиме подальше проектування (точність), наприклад розмір сітки (Grid spacing) і так звані одиниці бази даних (Database unit size). Дуже важливо, що ці параметри не треба змінювати після того, як вони встановлені. Зміна одиниць може призвести до помилки округлення, що, в свою чергу, призведе до проблеми у топологічному файлі (спотворення кресленника топології). Сітка має бути більшою або рівною одиниці бази даних. Через те, що розмір сітки кратний одиниці бази даних, рекомендується встановлювати розмір сітки у 10 разів крупніше, ніж у одиниці бази даних.

Якщо у проектувальника немає навичок у встановленні зазначених параметрів, у програму можна завантажити готові установки. Для цього необхідно відкрити вкладинку Layout у вікні перегляду проекту (рис. 2.7.а), виділити у верхній частині вікна пункт Layer Setup, натиснути праву клавішу миші та вибрати команду Import Process Definition…. У діалозі, що відкрився, вибрати, наприклад, файл Quick Start.lpf (зберігається у теці C:\Program Files\AWR\ AWR2002 \Examples\ Quick Start). Параметри шаблону Quick Start.lpf можна подивитись, виконавши команду Options/Layout Options… (рис. 2.7.б).

Рисунок 2.6 – Приклад формування схеми радіопристрою для проектування його друкованої плати

Зверніть увагу, що після того, як буде завантажений цей шаблон, у проекті зміняться одиниці вимірювання (замість встановлених раніше mm будуть встановлені mil), одиниці бази даних та розмір сітки. Тому, для виконання проекту необхідно знову змінити одиниці вимірювання на mm, а потім проконтролювати параметри Grid spacing і Database unit size (наприклад, встановити їх відповідно рівними 0.0254 та 0.00254.

Крім вікна встановлення опцій топології Layout Options, у програмі ще можна користуватись діалогом додаткових настроювань Layer Setup (рис. 2.7.в), пов‘язаних з кресленням шарів топології, наприклад, кольору ліній провідників, заповненням форм, властивостями 3D зображення топології, товщиною (Thickness) і висотою розміщенням (Z-Position) над площиною плати кожного шару будь-якого матеріалу, що наноситься на плату, та ін. Діалог відкривається за допомогою команди Options/Drawing Layers…, і зазвичай використовується при створенні осередків топологічної бібліотеки та фотошаблону друкованої плати.

Створення графічних зображень топологічних осередків та прив‘язка їх до відповідних конструктивів на схемі. Наступним кроком у розробці друкованої плати є створення графічних зображень компонентів для зосереджених елементів (транзистора, ємностей, перемички VIA та ін.). Тобто кожному елементу схеми (крім мікросмужкових елементів) необхідно поставити у відповідність зображення (топологічний осередок), яким елемент буде представлений на платі. Це можна зробити за допомогою графічного редактора компонентів (накреслити самим) або за допомогою імпортування вже існуючих у програмі осередків в форматах GDS або DXF.

а)	б)
в)

Рисунок 2.7 – Діалогові вікна настроювання проекту розробки топології плати

Для включення в проект бібліотеки топологічних елементів у зазначених форматах необхідно перейти на закладинку Layout (рис. 2.7.а) у вікні перегляду проекту, установити курсор на розділ Cell Libraries та натиснути праву кнопку миші. У меню, що відкрилося, вибрати Read GDSII Library. Далі слід вибрати файл однієї з бібліотек, наприклад, packages.gds, що розташована у директорії C:\Program Files\AWR\ AWR2002 \Examples\ Quick Start. Після цього вибрана бібліотека буде додана до розділу Cell Libraries вікна перегляду проекту програми, а її вміст набуде вигляду дерева файлів (графічних зображень деяких компонентів).

У менеджері топології Layout значки, котрі відображені для кожної бібліотеки, вказують на її стан. Так означає бібліотеки, що редагуються як зовнішні GDSII файли; – GDSII бібліотеки, що містять у проекті фотошаблони; – бібліотеки, що засновані на змішаному зовнішньому GDSII файлі; – GDSII бібліотека, що була заблокована. Нижче кожної бібліотеки наведені топологічні осередки, котрі входять до бібліотеки. При цьому кожен осередок позначається значком, що вказує на стан осередка. Осередки, які використовуються у топології проекту, будуть відображені червоним та синім прямокутниками. Якщо осередок не використовується, то ці прямокутники будуть сірі. Таким чином, означає, що осередок топології читається з файла бібліотеки. Якщо замість F у значку стоїть літера М – осередок топології модифікується редактором, а якщо літера Р – осередок топології заноситься у проект.

Зверніть увагу, після того як у проект долучаються топологічні осередки, усі елементи зібраної раніше електричної схеми, що мають зв‘язок з топологічними осередками, стали розового кольору. Ті елементи схеми, у яких відсутній такий зв‘язок, залишились синього кольору (наприклад, транзистор, ємності та ін.). Тому для правильної побудови топології плати необхідно встановити відповідність між «синіми» елементами схеми та їх топологічними осередками (3D зображенням). Але спочатку бажано створити свою бібліотеку, де зберігатимуться тільки ті осередки топології, що використовуються у проекті. Для цього на закладинці Layout виділіть Cell Libraries, натисніть праву кнопку миші, оберіть New GDSII Libraryта задайте ім‘я нової бібліотеки. Тепер у нову бібліотеку можна скопіювати топологічні осередки, які можуть буди використані у проекті, наприклад: Alpha_212_3 – транзистор; 50mil via – міжшарова перемичка; atc_100a_c – SMD ємність. Для цього у відкритій раніше бібліотеці (наприклад, packages) виділяємо (по черзі) необхідні нам осередки, натискаємо праву кнопку миші та обираємо команду Copy Layout Cell…, після чого у вікні, що відкрилося, у Library Name, вибираємо ім‘я заново створеної бібліотеки. Після копіювання топологічних осередків можна видалити з проекту долучену бібліотеку (packages) виділивши її, натиснувши праву кнопку миші та виконавши команду DeleteCell Library.

Якщо топологічні осередки з бібліотеки відповідають дійсним формам і розмірам вибраної елементної бази для проектування плати, то можна встановити відповідність елементів створеної електричної схеми та їхніх зображень. Для встановлення відповідності (наприклад, транзистора та його топологічного осередка) необхідно навести курсор на потрібний елемент зібраної електричної схеми, двічі натиснути ліву кнопку миші та у вікні Свойства: Element Option: … (рис. 2.8) на вкладинці Layout вибрати у списку Compatible cells назву відповідного осередка. 2D зображення осередків, що містяться у вікні Compatible cells можна побачити ліворуч.

Бібліотеки топологічних осередків програмиMicrowave Office мають доволі бідну комплектацію, тому у проекті доведеться згідно з паспортними розмірами формувати (створювати заново чи переробляти) свої топологічні осередки. Розглянемо як це робиться на прикладі формування SMD ємності.

Для її створення відкрийте вкладинку Layout менеджера проекту, наведіть курсор на назву створеної бібліотеки, двічі натисніть на ліву кнопку миші та виберить New Layout Cell. Задайте ім‘я корпусу майбутньої ємності.

Після виконаної процедури відкриється «графічне вікно» для створення 2D зображення ємності. На інструментальній панелі натисніть на кнопку Set Grid Snap Multiple (розмір сітки у «графічному вікні», по якій проходить креслення компонентів), та встановіть 0.5х. Далі сформуємо прямокутні виводи конденсатора. Для цього на вкладинці Layout у таблиці управління шарами топології натисніть кнопку «Cooper» (матеріал – мідь, що у лівому стовпчику цієї таблиці). Не чіпайте кнопки правого стовпця (кнопки з зображенням лампочки ), вони активують чи дезактивують відображення вибраного матеріалу на кресленнику топології. Для креслення прямокутних кон-

Дата добавления: 2015-10-21