Введение к работе
Актуальность. Решение задачи обеспечения максимальной скорости обработки информации при минимальных массогабаритных параметрах и гарантированной помехоустойчивости интегральных радиоэлектронных устройств (ИРЭУ) встречает всё большие трудности, связанные с получением оптимальных характеристик конструкций современных ИРЭУ.
Одними из основных элементов конструкции ИРЭУ являются коммутационные основания (КО): печатные платы (1111), а также подложки тонко- и толстоплёночных микросборок (МСБ).
Повышение функциональной сложности и степени интеграции элементной базы (ЭБ) ИРЭУ приводит к росту числа межсоединений в КО, что определяет рост плотности проводящего рисунка и применение многоуровневой разводки цепей. При этом на одном и том же КО (или соседних КО одного и того же ИРЭУ) устанавливаются разнотипные электрорадиокомпоненты (ЭРК): аналоговые и цифровые, высоко- и слаботочные. Данные факторы, одновременно с тенденцией к снижению уровня информационных сигналов и уровня допустимой помехи (использование ЭРК на основе ЭСЛ и арсенида галлия), приводят к ухудшению в ИРЭУ электромагнитной обстановки, что определяет рост требований на взаимные емкости и индуктивности в цепях КО.
Рост быстродействия ЭБ приводит к необходимости обеспечения помехоустойчивой работы различных ИРЭУ на границе диапазона СВЧ (300 МГц) и на более высоких частотах, в связи с чем особую важность приобретают такие параметры цепей КО, как время задержки и волновое сопротивление.
Принимая во внимание значительное число цепей (тысячи) в современных КО, а также взаимное влияние цепей соседних КО ИРЭУ, сделан вывод: проблема автоматизированного проектирования тополгии проводниковых слоев (ТПС) КО помехозащищённых ИРЭУ является актуальной.
Автором были исследованы 11 современных САПР ТПС КО ИРЭУ и 7 программ электромагнитного моделирования (ЭММ). Кроме того, автором были получены среднестатистические данные по автоматизированному
4 проектированию ТПС более 50 КО различных конструктивно-технологических вариантов (КТВ) с использованием трёх постпроцессорных и прогнозного алгоритмов обеспечения заданных электрических характеристик цепей КО.
Проведённый анализ показал, что не смотря на наличие высокоэффективных средств трассировки КО (например, автотрассировщик SPECCTRA) и пакетов ЭММ (например, программа APLAC), задача оптимального проектирования ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ, с применением современных САПР, не решается в полном объёме в приемлемые сроки (как при использовании постпроцессорных алгоритмов, так и в случае применения прогнозного алгоритма синтеза ТПС КО). Главными причинами этому являются следующие факторы: 1) в средствах разработки ТПС КО не предусмотрен учёт конструкции ИРЭУ в целом, что приводит к неприемлемым расхождениям расчётных и реальных значений электрических параметров цепей КО (до 50 раз); 2) низкая автоматизация используемых в настоящее время алгоритмов разработки ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ на основе стандартных САПР, что определяет длительные сроки проектирования топологии всех КО ИРЭУ (1-2 года для ИРЭУ с несколькими ПП и несколькими десятками МСБ).
Цель диссертационной работы состоит в снижении времени проектирования ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ при достижении максимальной плотности проводящего рисунка и требуемых электрических характеристик проводников КО путём разработки интегрированной САПР ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ. К данной САПР предъявляются следующие требования: 1) комплекси-рование стандартных средств разработки ИРЭУ; 2) максимальная автоматизация всех процедур, задействованных в процессе проектирования ТПС; 3) Обеспечение заданных электрических характеристик цепей ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ для различных КТВ, сложности конструкции и быстродействия ИРЭУ в приемлемое время.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) Разработка формального описания ИРЭУ любого КТВ для ЭММ (формальной модели ИРЭУ).
-
Разработка алгоритмов автоматического синтеза формальных моделей ИРЭУ.
-
Разработатка алгоритмов автоматической идентификации и включения в формальную модель ИРЭУ электрических параметров межсоединений ЭРК.
-
Разработка алгоритмов интерфейса со стандартными средствами проектирования ТПС и программами ЭММ КО.
-
Разработка прогнозных алгоритмов автоматического синтеза правил трассировки КО помехощащищённых ИРЭУ (предельных значений ширины проводников, расстояния между проводниками, длины цепей, длины связи параллельных сегментов проводников) для реализащш заданных электрических характеристик цепей (времени задержки, волнового сопротивления, взаимных емкостей и индуктивностей).
-
Реализация разработанных алгоритмов и САПР ТПС КО помехозащи-щённых ИРЭУ.
Методы исследования. В работе применены следующие методы: статистического анализа (при получении среднестатистических данных о времени проектирования КО ИРЭУ); компьютерного моделирования (в расчётах электрических характеристик цепей КО); наихудшего случая (при построении моделей ИРЭУ).
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработаны методы и алгоритмы синтеза и оптимизации моделей ИРЭУ, инвариантные к конструктивно-технологическому исполнению ИРЭУ, для электромагнитного моделирования цепей КО в автоматическом режиме.
-
Предложены методы и алгоритмы автоматического синтеза правил трассировки цепей КО с ограничениями на волновое сопротивление, время задержки, взаимные ёмкости и индуктивности.
-
Разработаны структура, интерфейсная система и алгоритм работы интегрированной САПР ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ.
4. Получены универсальные выражения для определения числа синтезируемых моделей, времени работы предложенных алгоритмов и разработанной на их основе САПР, а также объёма используемой памяти на жёстком диске. Практическая ценность и результаты внедрения. Практические результаты выполненных в диссертационной работе исследований связаны с реализацией разработанных методов, моделей и алгоритмов в САПР ТПС КО помехозащи-щённых ПРЭУ. Разработанная САПР внедрена в промышленность (АООТ "Темп-Авиа") и в учебный процесс (лабораторная работа по курсу "Проектирование радиоэлектронных систем (РЭС)" на кафедре "Конструирование и технология РЭС" в Арзамасском филиале Нижегородского государственного технического университета). В результате использования разработанной САПР достигается сокращение времени проектирования ТПС КО цифровых и аналоговых ИРЭУ, повышение плотности проводящего рисунка, улучшение массогабаритных и стоимостных характеристик.
На защиту выносятся следующие основные научные и практические результаты:
-
Результаты анализа постпроцессорных и прогнозного алгоритмов синтеза ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ.
-
Методы и алгоритмы автоматического синтеза моделей ИРЭУ для электромагнитного моделирования цепей КО.
-
Методы и алгоритмы автоматического синтеза правил трассировки цепей КО с ограничениями на значения волнового сопротивления, времени задержки, взаимных емкостей и индуктивностей.
4. Структура, основные характеристики и результаты внедрения в промыш
ленность интегрированной САПР ТПС КО помехозащищённых ИРЭУ.
Апробация работы. Основные научные результаты и положения диссертаци
онной работы докладывались и обсуждались на Ш Республиканской научно-
технической конференции молодых учёных и специалистов (г. Казань, 1997г.),
Всероссийской научно-методической конференции "Самостоятельная работа
студентов в условиях современной информационной среды" (г. Н. Новгород,
7 1998 г.); Всероссийских научно-технических конференциях: "Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении" (г. Арзамас, 1998 г.), "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Н. Новгород, 1999 и 2000 г.г.), "Приборостроение в аэрокосмической технике" (г. Арзамас, 1999 г.); Международной молодёжной научной конференции "XXV Гагаринские чтения" (г. Москва, 1999 г.).
Публикации по работе. По результатам диссертации опубликовано 4 научных статьи [1,5,6,7] и 7 тезисов докладов [2-4,8-11] на 4 научно-технических конференциях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы - 151 страница, включая 134 страницы основного текста, иллюстрированного 80 рисунками и 21 таблицей, а также список литературы из 140 наименований.
