اصول طراحی بردهای فرکانس بالا

[panatel-electronic]

با سلام
با توجه به پیشرفت هایی که در عرصه پردازش دیجیتال صورت گرفته و موبایلها نیز به پردازنده هایی (Processor) مجهز شده اند که امکان پردازش سیگنال با سرعت بالا را به آنها می دهند که هر روز بر سرعت پردازش این پردازنده ها افزوده می شود لذا طراحی بردهای فرکانس بالا (یعنی سیگنال های الکتریکی با فرکانس بالا از مسیرهای (trace) روی برد و درون برد (بردهای چند لایه) عبور می کنند) مطرح می شود. در عین حال بردهای موبایل بردهای رادیویی یا RF نیز هستند یعنی با سیگنال های رادیویی نیز سرو کار دارند. بنابر این طراحی آنها از پیچیدگی خاصی برخوردار است.
در این تاپیک به اصول طراحی این بردها می پردازیم.
در گذشته فرکانس سیستمها از حد چند مگاهرتز تجاوز نمی کرد و بردهای مدار چاپی یا PCB یک یا دو لایه تنها به عنوان بستری جهت قرار دادن المانها و برقراری ارتباط بین آنها مورد استفاده قرار می گرفت. همچنین نحوه اتصال و قرار گیری المانها و مسیرها تاثیری در کارایی سیستم نداشت. اما امروزه با افزایش فرکاس تا حد چند گیگاهرتز، پدیده های جدیدی امکان وقوع خواهند داشت که در صورت عدم طراحی صحیح برد و آشنایی با اصول لازم در این زمینه، به بروز اختلال در عملکرد سیستم منجر می شوند. از این رو لازم است نحوه طراحی برد و مسیر کشی یا Routing سیگنالها با دقت بیشتری مورد توجه قرار گیرد. از این میان عوامل تاثیر گذار در بازنگری نحوه طراحی سیستم های جدید می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- کاهش ابعاد المان های مدار و فاصله بین آنها
2- کاهش عرض مسیر سیگنالها و فاصله بین مسیرها
3- کاهش ولتاژ تغذیه سیستم و افزایش جریان آن
4- کاهش حاشیه نویز یا Noise margin
5-افزایش فرکانس و نرخ انتقال اطلاعات در سیتم های دیجیتال
6- المانهای سوئیچینگ با جریان بالا
7- تراشه هایی با تعداد پایه های ورودی-خروجی زیاد

منبع:
کاوه فارغی ، اصول طراحی بردهای فرکانس بالا ، انتشارات کامپیوتر پایتخت، بهار 1388

[panatel-electronic]

با توجه به مطالب فوق، آگاهی و رعایت نکات لازم در طراحی برد به منظور حفظ کیفیت سیگنال هاريا، جلوگیری از تاثیر متقابل قسمت های مختلف یک سیستم، اثر سیستم های مختلف به روی یکدیگر و سازگاری باEMC Electromagnetic Compatibility ضروری به نظر می رسد. به طوریکه عدم رعایت این نکات به عملکرد نامطلوب سیستم و طولانی شدن زمان عیب یابی آن منتهی می شود.
یکی از مهمترین نکات در این زمینه آنست که مشکلات ایجاد شده در این خصوص ممکن است تکرار پذیر نبوده، در هنگام تست سیستم بروز نکند و پس از تولید سیستم و استفاده مصرف کننده در شرایط خاص محیطی یا الگوی خاصی از شکل موج ورودی سیستم اثر خود را نشان دهد. متاسفانه اغلب طراحان بدون آگاهی و رعایت این نکات به طراحی سیستم مبادرت می ورزند که همین امر باعث می شود که در فرایند عیب یابی و راه اندازی سیستم، با سوالات و نکات مبهم زیادی مواجهع شوند به همین دلیل آشنایی با برخی مفاهیم و به کارگیری آنها ضروری به نظر میرسد.
با رعایت قیود لازم در طراحی برد هزینه و زمان اتمام آن کاهش یافته و لذا تولید به صرفه خواهد بود.

اغلب طراحان دیجیتال، سیستم را در حوزه زمان و با توجه به پارامترهایی از قبیل زمان صعود سیگنال یا تاخیر انتشار توصیف می کنند در حالی که جهت تحلیل و بررسی بسیاری از پدیده ها در سیستم های آنالوگ از حوزه فرکانس استفاده می شود.


منبع:
کاوه فارغی ، اصول طراحی بردهای فرکانس بالا ، انتشارات کامپیوتر پایتخت، بهار 1388

[panatel-electronic]

در نظر گرفتن پارامتهای جدید در طراحی سیستم:
کاهش ابعاد سیستمها طراحان بردهای الکترونیکی را بر آن واداشته است که المان ها و مسیرسیگنال ها را در کمترین فاصله ممکن از یکدیگر قرار دهند که همین امر موجب شده است اثر متقابل میدان های الکتریکی و مغناطیسی تولید شده توسط اجزای مختلف مدار بیش از قبل مورد توجه قرار گیرد. اتصال بین المانهای مختلف سیستم از مبدا تا مقصد توسط سیم، کابل یا مسیرهای موجود به روی برد برقرار می شود. در فرکانس های پایین می توان این مسیر ها را به صورت ایده آل در نظر گرفت. اما با افزایش فرکانس، خاصیت سلفی، خازنی، و مقاومتی مسیر اثر خود را نشان می دهد و لازم است در طراحی سیستم مورد توجه قرار گیرد زیرا امپدانس ایجاد شده توسط این المان ها به تضعیف سیگنال در فرکانس های بالا منتهی می شود.
شکل موج های واقعی بر خلاف حالت ایده آل دارای زمان صعود مشخصی می باشند و با توجه به آنکه مسیرهای اتصال دهنده المان های موجود به روی برد سیستم (track=trace) نیز دارای خاصیت سلفی هستند، ولتاژ ایجاد شده در دوسر آنها طبق رابطه V=L*di/dt محاسبه می شود، L بیانگر اندوکتانس مدار ، di مقدار تغییر جریان و dt زمان انجان این تغییر است که متناسب با زمان صعود یا نزول سیگنال می باشد. مقدار ولتاژ ایجاد شده نیز معیاری از میزان نویز سیستم می باشد، بنابراین مطابق با رابطه فوق با کاهش زمان صعود سیستم یا افزایش فرکانس ان، نویز ایجاد شده در سیستم افزایش می یابد. همچنین جریان دینامیک سیستم که توسط رابطه I=C dv/dt محاسبه می شود نیز بیشتر می شود.
به این ترتیب با افزایش فرکانس اثرات سلفی و خازنی المان های مدار که در فرکانس های پایین از آنها صرفنظر می شود، قابل چشم پوشی نمی باشد. پس مسیرهای اتصال دهنده المانها به روی برد سیستم، به صورت مجموعه ای از سلف ها و خازن ها مدل سازی می شوند که این مدل، مدل خط انتقال نامیده می شود.

نکته: باید توجه داشت که بر خلاف تصور رایج، تنها فرکانس سیگنال ها عامل تعیین کننده نمی باشد بلکه زمان صعود و نزول سیگنال نیز معیار تصمیم گیری است. به عنوان مثال طراحی سیستمی با فرکانس کاری 100MHz و زمان صعود و نزول 2ns ساده تر از طراحی سیستمی مشابه با فرکانس 50MHz و زمان صعود 1ns می باشد.
در حالتی که ابعاد فیزیکی و طول مسیرهای برد، قابل مقایسه با طول موج بالاترین مولفه فرکانسی سیستم باشند نیز باید از مدل خط انتقال به منظور تحلیل سیستم استفاده شود. طول موج مطابق رابطه λ=c/f محاسبه می شود که در این رابطه، c سرعت انتشار سیگنال بر روی برد مدار چاپی است که با توجه به نوع ماده برابر نصف تا دوسوم سرعت انتشار موجود در خلا (3X10^8 m/s) می باشد و f بیانگر بالاترین مولفه فرکانسی سیستم است. به عنوان مثال اگر بیشترین مولفه فرکانسی برابر 1GHz باشد در آن صورت طول موج مدار برابر است با :
λ=c/f=1.5X10^8/10^9=1.5cm

منبع:
کاوه فارغی ، اصول طراحی بردهای فرکانس بالا ، انتشارات کامپیوتر پایتخت، بهار 1388

[panatel-electronic]

با سلام
این مقاله که توسط گروه سه نفره Jan-Hein Broeders و Mark Meywes وBonnie Baker نوشته شده به مفهوم EMC به معنی ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY یا سازگاری الکترومغناطیسی در گذشته و حال می پردازه. از یکم ژانویه 1996 با استاندارد شدن قوانین EMC در مرزهای اتحادیه اروپا و شکل گیری استاندارد89/336/EEC ,کلیه تجهیزاتی که از درون مرزهای اتحادیه اروپا خریداری شدن با این استاندارد وارد بازار شده و یک CE-mark که اغلب ما باهاش آشنایی داریم دریافت می کنن، در عین حال کشورهایی که می خوان ازخارج از مرزهای اروپا با آنها تجارت کنن حتما باید تجهیزاتشون رو مطابق استاندارد IEC801 ارائه کنن و به نظرم در ادامه مبحث طراحی مدارات فرکانس بالا با توجه به اینکه در این مقاله مستقیما به EMI یا تداخل الکترومغناطیسی پرداخته شده بد نیست یه نیم نگاهی بهش داشته باشین.

موفق باشید

لینک دانلود:
[Only registered and activated users can see links]

[panatel-electronic]

در ادامه توضیحات مربوط به EMC یا سازگاری الکترومغناطیسی در ارتباط با طراحی و ساخت سیستم های الکترونیکی بد نیست به اهداف این استاندارد اشاره ای بشه.
EMC به دنبال پوشش دادن تمامی مفاهیم REGULATIONS ، SIGNAL INTEGRITY ، TIME TO MARKET و TECHNOLOGY است و با توجه به پیشرفت سریع تکنولوژی در حوزه طراحی IC های سرعت بالا و متعاقبا نیاز به مداراتی که بتونن در این سرعت کار کنن و در نتیجه لزوم طراحی بردهای سرعت بالا، باید بتونه این موارد رو محقق بکنه. برای اینکه اگه در طراحی مدارات مواردی چون اثر پوستی، تلفات دی الکتریک، کراستاک (Cross talk) ، پژواک و ناپیوستگی امپدانس و ... توسط طراح، در نظر گرفته نشن آثاری در مدار بجا میذارن که دیگه کاریش نمیشه کرد.
در اینجا به مفهوم SI (تمامیت سیگنال) و PI (تمامیت توان) می پردازیم و اینکه چرا امروزه باید از شبیه سازی SI در طراحی بهره بگیریم ، در حالی که مدتی نه چندان دور قبل، در طراحی مدارات، به صورت روتین ، به زمان های FALL و RISE سیگنالها و کوپلینگ یک مسیر یا TRACE و مسیرهای مجاور، و دکوپلینگ آنها روی PCB با تعدادی از قوانین معمولی پرداخته و دست به طراحی PCB می زدند در حالی که امروزه این روش اصلا جوابگو نیست البته ممکن است با این روش دست به طراحی زده و پس از چند مرتبه خطا های مکرر به جواب رسید که اصلا به صرفه نیست. پس چه باید کرد. توصیه میکنم، اونهایی که از ساخت مدارات فرکانس بالا که نهایتا جواب ندادن خسته شدن یک سری به لینک زیر بزنن:

لینک دانلود:
[Only registered and activated users can see links] ([Only registered and activated users can see links])

این هم نتایج بدست آمده از یک کنفرانس طراحی PCB که هر چند مربوط به سال 2000 میشه اما هنوز قابل استفاده است:

لینک دانلود:
[Only registered and activated users can see links] ([Only registered and activated users can see links])


با تشکر.

[panatel-electronic]

EDA یا Electronic Design Automation به ابزارهایی (نرم افزارهای شبیه ساز) که برای طراحی و تولید سیستم های الکترونیکی از انواع PCB گرفته تا ICها و MCM یا MULTI-CHIP MODULEها استفاده می شن گفته می شه. برای طراحی و تحلیل مدارات الکترونیک می توان ازاین ابزارها که همگام با پیشرفت سریع مدارات الکترونیک و پیچیده تر شدن آنها به بازار عرضه شده اند استفاده کرد که از معروف ترین و بهترین آنها نرم افزار SPICE محصول شرکت CADENCE می باشد و بدین ترتیب طراحی مدارات بسیار پیچده رو آسون کرد. شرکت ANSOFT نیز که در همین زمینه به طراحی نرم افزار مشابهی با نام Ansoft Designer v4.1 پرداخته که دارای قابلیت های زیر می باشد:

S-Parameter Analyzer tool
I/O Wizard for channel setup
Push excitations link for QuickEye & VerifEye analyses to HFSS, SIwave and PlanarEM.
Crosstalk channel analysis for QuickEye & VerifEye
Peak Distortion analysis
Expanded active and passive libraries for high frequency designs
Receiver jitter and noise

چند مثال از شبیه سازی های قابل انجام توسط این نرم افزار :
[Only registered and activated users can see links]

بالا چپ: WiMax mobile communication system schematic
بالا وسط: Cross-Modulation spectrum
بالا راست: Swept Bit Error Rate Responses for MPSK systems
پایین چپ: Eye Diagram for QPSK transmitter
پایین وسط: Constellation diagram for 128QAM system
پایین راست: End-to-End communication system including Baseband & RF transmitters and receivers

جدول مقایسه®Ansoft Designer ورژن student و Ansoft Designer®

[Only registered and activated users can see links]

در فایل زیر که توسط همین شرکت تهیه شده به معرفی بیشتر قابلیت های این شبیه ساز قوی پرداخته شده است.

لینک دانلود:
[Only registered and activated users can see links] ([Only registered and activated users can see links] )


منبع:
[Only registered and activated users can see links]

[panatel-electronic]

نرم افزار ENSOFT DESIGNER SV که ورژن دانشجویی این نرم افزار می باشد اولین نرم افزاری است که شامل تمامی ابزارهای طراحی در حوزه فرکانس بالا ، شبیه سازی الکترومغناطیسی بر پایه علم فیزیک ، مدل سازی و درنتیجه طراحی اتوماتیک محیط بدون درز برای تحلیل مدارها و سیستم هاست. بنابر این چه شما بخواهید ترانسیور بلوتوس و یا سیستم های راداری طراحی کنید و چه بخواهید MMIC ، RFIC طراحی کنید، این نرم افزار کنترل کاملی را در یک محیط ساده طراحی به شما می دهد. آنچه چنین یکپارچگی ای را رقم زده قابلیت SOLVER ON DEMAND یکتا در این نرم افزار است که در زیر توضیح داده شده. همچنین امکان وارد کردن طرح هایی که با انواع دیگر نرم افزارهای طراحی تهیه شده اند نیز در این نرم افزار به سادگی وجود دارد.
SOLVER ON DEMAND
این تکنولوژی، مدل سازی بسیار دقیق و قابل انعطاف و بازبینی ساختارهای نامحدودی که در طراحی قطعات، مدارها و سیستم های فرکانس بالا استفاده می شود را ممکن می سازد. این تکنولوژی به شما این امکان را می دهد تا ساختارها را از طریق مدل ها ی سیستمی و مداری و یا با استفده از ساختارهای متعدد الکترومغناطیسی که در خود ENSOFT با یک کلیک در دسترس خواهند بود شبیه سازی کنید.
این نرم افزار دارای رابط کاربری بسیار ساده بوده و در زمینه طراحی سیستم های ارتباطی، آی سی های فرکانس بالا ، ماجول ها و PCBها و ... کاربرد دارد.
سیستم های ارتباطی
ENSOFT DESIGNER با روشی بی نظیر در طراحی RF ، معماران سیستمهای ارتباطی (COMMUNICATION SYSTEMS) را به توسعه دهندگان سخت افزار پیوند می دهد. با این نرم افزار شما می توانید تمامی سیستم ها را در حوزه زمان ، فرکانس ، مد زمان-فرکانس مطالعه کنید و شکل موجهای دیجیتال پیچیده را به توپولوژی های سیستمی دلخواه اعمال و یا از آنها تولید کنید. مدلهای قابل انعطاف و یا شبیه سازی اتوماتیک مدارات غیر خطی یا شبیه سازی الکترومغناطیسی، راه حل هایی برای ساخت نمونهای اولیه و یا تایید و بازبینی طرح های نهایی فراهم می کند. این نرم افزار شکل موج های قابل پیکربندی 3G، شامل: 3GPP، WCDMA، TD-SCDMA و IEEE 802.11 a and b ساپورت میکند.

موفق باشید

منبع: HELP نرم افزار ENSOFT DESIGNER SV