第 卷第 期上海交通大学学报
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文章编号
共面结构双面印刷电路板的电特性仿真曹毅帆 李征 上海交通大学电子工程系 上海 摘 要 介绍了一个用于双面印刷电路板电特性分析的软件 它以布线软件生成的电路板描述文件 集总参数元件列表文件和芯片
的
模
型文件为输入 用部分元等效电路模型对双面板上的导体建模并利用部分高斯消去法进行含非线性元件的电路分析 可计算各种激励下的电路响应 对试验电路板的分析表明 该软件的分析结果与测量结果符合较好 关键词 双面印刷电路板 部分元等效电路 电特性分析中图分类号 文献标识码
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#" , # ! # ,& & #& . " 2 )&# " !# ! # - * ! #!& . & "!&"/&#+ 在现代通信电子设备中大量地应用了印刷电路线层上 形状既不规则又相互交错 这样的结果是引板 -# " ,* ! # # , -&* 技术 传统-*的 入了明显的由互连线和其他结构引起的寄生效应 基本形式为多层板 其中有专门的接地层和馈电层 对系统的电特性产生显著影响 其后果是布线前预将布线层隔离开 近年来为降低成本 提高-*的 期的电性能在经过布线和实际生产后产生很大的偏利用率 出现了共面结构的双面印刷板 即将信号差 造成电路性能降低甚至不能正常工作 为此 迫线 馈电线 板和接地线 板共面做在介质板的两面 切需要在这种特殊形式的电路板投入加工前进行电两面布线由通孔实现连接 这种双面板和传统的多特性仿真 但双面板是一种三维结构 不适合用现有层板相比 布线面积利用充分 结构更为紧凑 同时大多数仿真软件所采用的二维模型建模和分析 而可大幅度降低生产成本 是一种有发展前途的电路且还有仿真规模的问题 因此目前尚无针对这项任形式 务的软件 但是 由于这种-*没 有专门的馈电层和接地 为完成上述任务 可以对所需的软件作如下的层 因此信号线 接地线 板和馈电线 板都在一个布设想和要求 在双面板的电磁建模中可认为印刷电路板上所有的导体互连线构成一个线性无源的网收稿日期 络 尽管整个电路板的总体性能是由板上所有的导
&%$ 上 海 交 通 大 学 学 报第 卷 体和器件共同决定的 但由于器件往往采用成品的 , , 6 缘故 调整的范围有限 而互连网络调整修改的余地 较大 而且线性无源网络的分析方法较为完善 因此 式中 6 再利用部分电感的公式 5 在进行较大规模电路板性能分析和* 的 时候往 往采用如下方法 先按经验进行认为合适的布 6, , 5 线 用电磁场方法对线网的电特性进行分析 观最终整理可得如下形式的系统状态方程 察可能出现问题的互连线两端的信号 评估时延 畸 8
变等性能 这可能需要对多根连接线进行很多次分67
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析 修改布线 重复 经以上步骤处理 如能使式中 分别为节点电压和支路电流 分别为线网的传输特性满足要求的话 基本可保证电路板各电容单元的互电容矩阵和各支路的互电感矩阵 的正常工作 和 分别为电导和电阻矩阵
别为节点
分
为了尽可能地与电路板的实际工作状态接近 和电流的连接关系矩阵 在运用- 模*型时 先各芯片的
也 应该端接在互连线上一同分将电路 导体 有时还包括介质 划分成为电容和电析 但 是非线性器件 因此完整的分析应解感单元 然后计算这些单元之间的自 互电容和电决含非线性元件的电路分析问题 另外 由于要分析感 最后再进行电路模拟 的双面板是为实际生产设计的 分析软件就必须与自动布线软件有好的接口 以便直接接收电路板的 任意形状接地 馈电板的自动单元描述信息供分析之用 而且对于实际的电路板 这些分割信息的录入若靠手工完成也是不可能的 由于边缘效应 在工作时接地 馈电板的电流分本文介绍一个用于双面印刷电路板的电特性分布将集中于边缘上 因此在单元分割时是基于图形析软件 它可计算各种激励下的电路响应 的边界 自动单元分割的思路是 将整个板按一定的 电路的建模 单位画上坐标网格 以图形边界上与坐标线相交的点为边界节点 以在图形内部的坐标格点为内部节 对整个双面-*电 路的建模 选择部分元等效点 边界节点由边界电流连接 电流可以由不同方向电路 -& #& . " )2& " # !* # - * 的几段连接而成 相 同纵 横坐标的节点在图形内模型 并以该模型生成的状态方程进行时域响应部分别由横向 纵向电流连接 整个算法中均假定图分析 要完整地分析一个几何结构的电磁特性 理论形内部在边界的右边 这一思路的大意如图 所示 上应该进行全波分析 但由于电路结构的复杂性和高昂的计算代价 在对实际电路的分析中一般仍用似稳场建模的等效电路方法 而其中- 模*型是一种很好的选择 因为它同时考虑了结构的电效应和磁效应 - 的原*理是将 5 5 6 中的电磁位用积分形式 6 , 6 , 图 不规则形状的单元分割 ! " # 表示 得到式 在 第 个单元的离散表达式 在上面的单元分割过程中 电流和节点间的连 , 7 接关系即矩阵 :
;和: ;
也同时确定了 分割时所 用的单位是根据电路的工作频率和双面板的尺寸决 , , 7 定的
第 期曹 毅 等 共面结构双面印刷电路板的电特性仿真&%%的额外运算较少 含有非线性元件的电路分析 结果比较 求解电路的时域响应就是时域的迭代 而每一步都相当于解一个线性方程组 对于线性电路 由于 图 图 所示为本程序对测试板进行分析后元件参数不会随电路变量 电压和电流 的改变而变所得的部分结果 上图 和测量结果 下图 的比较 化 所以状态方程是非时变的 在电路分析时只需对测试板尺寸为 . # . # .
# 9 状态方程矩阵求逆一次 以后的迭代都可使用该结 . 电 路变量数 图
图 为一组 9根连果 但对于含非线性元件的电路 元件参数是随电路接 块芯片的耦合线在不同激励情况下的波形 由变量而改变的 因此状态方程在每一迭代步都不同 一块发送信号而另一块接收 部分波形图还显示了原则上每步迭代都要重新求逆 但通常非线性元件电源和接地管脚上电压的波动情况 比之线性元件在数量上少得多 故可用下述部分高斯消去法求解状态方程 以节省计算量 先将非线性电路变量集中放置在变量向量一端 通常为上部 于 是待求解的状态方程为 ,6 :;7 , ,67 , 式中 下标" 代表非线性部分 代表线性部分 为总的变量 包括电流和电压 式 的 时域求解可按如下的格式进行迭代 7 5 6 : 7 7 ; : 5 ; 7 6 7 此格式的每一步实际为求解一线性方程组 部分高斯消去法的处理如图 所示 图% 最边上节 根互连线接收端的波形 %* + + (图$ 部分高斯消去法的图示 $' # ( # ) # ( 非时变部分的上三角化只需做一遍即可 但在每一步 时变部分都有改变 此时可用固定的已经上三角化的非时变部分将时变部分化为对角线上的方阵 然后再按一般的消去法将该小规模的方阵三角图, 最边上第$根互连线接收端上的波形化 这样整个矩阵就三角化了 因为非时变部分占矩 ,* + + $ (阵的绝大部分 所以每一迭代步由非线性元件带来
&%, 上 海 交 通 大 学 学 报第 卷 结论 -* 特别是特殊结构的如双面板那样的-* 的电特性仿真具有较大的实际意义 但由于电路结构的复杂和非线性元件的引入 迄今尚无较完满的解决办法 本文介绍了一个直接利用布线软件生成的版图信息对实际双面板进行电特性仿真的软件 它采用了针对双面板特殊结构的某些较新电磁建模方法 可直接从布线软件获取版图几何信息进行自动单元分割 结合集总元件列表和 的
模
型构成等效电路 采用部分高斯消去法进行含非线性元件电路的时域分析 仿真结果与实测结果吻合较好 进一步完善后该软件将有较大的实用价值 参考文献 图- 接收端并联%个管脚的波形 -* + + 0 1 ) ( 2+) ( ) # ( . % ( (( # # ( ) ( ) " # 0# 1
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# ( " # () # ( ( + ( 2 ) ) # 0 1
# : 4 55$4%5 7 8956,5&$ 作者简介 曹 毅 56年 生 5 55/5年5于上海交通大学电子工程系分别获硕士 博士学位4并留校任教 主要研究领域为高速集成电路系统中互连与封装结构的电磁建模 参数提取和电特性分析 已发表学术论文 ;余篇 李征帆 男4 5年-毕&业于清华大学无线电系4并留校任教< 5 & 5&年%为美国康奈尔大学访问学者4现为上海交通大学电子工程系教授 博士生导师 主要从事微波集成图/ 输出端串联电阻负载端电路和高速数字集成电路系统中的电磁场理论和电路理论为电阻电容并联的波形及: 方'法的研究4承担国家重点攻关及自然科学基金等 /* + + 研究项目 在国外学术刊物上发表论文,;多篇<国内学术刊. ( ( ( )) . # (物上发表论文5;多篇 下期发表论文摘要预报基于时序分析的电火花线切割伺服进给状态伍 俊 李明辉 上海交通大学塑性成形工程系 上海 摘 要9为研究电火花线切割加工中伺服进给状态4开发了一种间隙放电状态检测系统4对典型伺服进给状态下高速走丝电火花线切割加工过程进行了检测4并运用时序分析的方法对正常放电序列结构进行了辨识 研究结果揭示了电火花线切割加工中伺服进给状态与间隙放电状态之间的关系4为实现其高速 高质量加工提供了重要依据
