Разработка печатных плат в программе allegro. Обзор сапр печатных плат

Чтобы разрабатывать электронику нужно как минимум знания схемотехники, знания современной электронной базы компонентов, умение работать в одной из программ САПР и разводить платы в соответствии с требованиями ЭМС. И если вы ещё не определились с какой из САПР вы в основном будете работать, то эта статья для вас.

В настоящее время существует три профессиональные среды САПР для электроники это: Altium Designer, Allegro Cadence и Mentor Graphics PADS. Всякие полупрофессиональные типа Proteus, Eagle и тд, даже не стоит рассматривать, так как они на уровне радиолюбительства и сколько-нибудь сложных вещей делать не позволяют. Есть ещё разные архаичные, специализированные, типа Microwave, Uniboard и прочие, но их тоже рассматривать не стоит из-за их низкой популярности и как следствие отсутствия поддержки.

В данной статье я хочу дать обзор и немного рассказать о том, как работать в Allegro Cadence, поскольку сам пользуюсь данной средой по таким вот причинам:

• Во-первых, возможности Cadence весьма впечатляющи. Перечислять всё займёт только отдельную статью, но кое о чём я расскажу ниже.
• Во-вторых, Cadence очень не требователен к системе, будет нормально работать даже на очень слабых компах вроде 1ГГц, 512 ОЗУ. Если у вас компьютер не 2 ядра, то собственно у вас и другого выбора кроме Cadence нету, т.к. при разработке часто, а то и всегда, приходится одновременно держать открытыми сразу несколько программных пакетов, в моём случае SolidWorks и Cadence, если бы я запустил, например, Altium мой компьютер просто бы дымком изошёл.
• В-третьих, тут нет таких глуков как в Altium (на счёт Pads не знаю). В Cadence конечно есть некоторые неудобные вещи, надо сказать тут у них своя оболочка, полностью построенная на скриптах и управляемая из командной строки, многим это может показаться неудобно, но тут нет таких критических ошибок, как например бывают в Altium при конвертации файлов в гербер и вообще довольно стабильная среда в этом отношении.

Design Entry CIS
Эта программа для проектирования принципиальной схемы, её симуляции, рисования схем итд. Т.е. здесь вы создаёте или вставляете компоненты, привязываете к ним footprint , указываете правила, которые будут проверятся в конце, чтобы исключить ошибки, румы и тд. Вообще, в Design Entry CIS может быть весь ваш проект, включая и документацию, но для начала это всё излишняя информация, поэтому расскажу кратко что и как делать.

File->New->Project
Всё создали. Заходите на страницу принципиальной схемы PAGE1 и нажимаете Place Part, далее Add Library и выбираете необходимые библиотеки. Можно создавать свои библиотеки компонентов и даже нужно, и добавлять в проект их нужно также.

Рисунок

Нет, есть вариант проще, кликаем правой кнопкой на пустом месте схемы и выбираем в меню Place Database Part и в открывшейся вкладке щёлкаем на Internet Component Assistant

Рисунок

Рисунок

Чтобы привязать к компоненту footprint, нужно зайти в его свойства, кликнув два раза на компоненте и найти соответствующую графу. Название футпринта это название его файла, а сами футпринты лежат в директории ..\Cadence\SPB_16.5\share\pcb\pcb_lib\symbols изменить это нельзя, а если найдёте где, то лучше не стоит, Cadence очень не любит когда ему что-то указывают не так. С другой стороны если ему что-то не нравится, он вам точно скажет.

Сразу хочу рассказать про файлы которые лежат в папке..\symbols.
*.dra - файлы наших компонентов, другими словами наши footprint
*.bsm - механические отверстия
*.pad - файлы падов
*.psm - файлы padstack, в общем должны быть там же где *.dra

Для того, чтобы сделать плату нужно знать ещё одну вещь, это то как делать netlist , чтобы можно было разводить плату. Для этого вам нужно перейти на страницу проекта, выбрать его и нажать на Create netlist, там 1500 настроек, но я верю что вы разберётесь. И не волнуйтесь, если Cadence чем-то недоволен, то он не позволит вам испортить схему и пошлёт вам ошибку, а он это делает часто. Будьте уверены вы ещё его полюбите, даже если сначала возненавидите. C"est la vie.

Package Designer
Если у вас при создании netlist Cadence выдал ошибку, то скорее всего у вас где-то отсутствует footprint. Исправить это можно двумя способами, первое это исключить компонент из физической модели, а второе добавить, а если нет, то создать компоненту footprint. Для этого нам понадобится программа Package Designer. Здесь та же среда что и в программе проектирования платы PCB Editor, поэтому практически всё тут тоже самое, и управление, и многие функции.

Открывает она файлы типа *.dra, поэтому чтобы особо не мучится зайдите в директорию символов в папке..\pcb_lib\symbols и откройте какой-нибудь файл с расширением *.dra. Перед вами появится компонент состоящий их кучи слоёв. Теперь немного о том, как вообще жить в этом пространстве, т.к. если вы попытаетесь покликать и сделать что-то вменяемое, то будете удивлены как тут всё неудобно, но это на первый взгляд… в общем и на второй и на третий тоже, как я уже сказал Cadence вы ещё возненавидите, но это ничего потом вы смеритесь и даже полюбите его причём так что уже не распрощаетесь, это навсегда. Серьёзно.

Рисунок

Справа мы видим управляющую панель, которая состоит из трёх вкладок: Options, Visiability, Find

Рисунок

Всё что на панели вы сможете освоить сами, расскажу лишь основные тут вещи.

Меню Display->Color/Visiability - здесь вы настраиваете цвета элементов и их видимость на схеме.
Меню Setup->Design Parameters - важное меню, которое настраивает проект. Grids - сетка, с каким шагом вы будете перемещать элементы. Text - настройка текста по умолчанию.
Меню Setup->Areas->Part Height - очень важная опция, если вы хотите переносить плату в 3D модель, она задаёт высоту компонента, привязкой к слою Place_Bound_Top / Bottom.
Меню Shape - здесь управление формами. Формы это всё что угодно, от полигона, до корпуса компонента.
Меню Layout->Pins - вставка пинов.

В общем для этой программы это всё, повторяю, что здесь тоже самое что и в PCB Editor, многие опции даже те же самые. Но его рассмотрим позже, т.к. для создания компонента, нужно уметь создавать свои пады, а для этого нам нужна следующая утилита.

Pad Designer
Как вы уже догадались эта утилита создаёт пады, которые вам нужны для того, чтобы назначить их компонентам в Package Designer. Настроек тут много и сложно найти чего тут нет, начиная от произвольной формы пада до сверления отверстий с помощью плазмы или лазера, в общем всё это важно для производства. Для начала откройте какой-нибудь *.pad в папке..\symbols, так вы можете посмотреть как и что вводить.

PCB Editor
И наконец перешли к самой важной программе. Она позволяет вам расставить ваши компоненты и произвести их разводку в соответствии с электрической схемой. Тут тоже самое что и в Package Designer, только всего ещё больше. Подробно об этой проге нет смысла говорить, т.к. только о ней можно с десяток статей написать, тут очень много хитростей, тонкостей, подводных камней и тд. Перечислю только важные менюшки, чтобы при освоении не искать.

Меню Manufacture - здесь всё что касается подготовки к производству платы. Перевод в гербер, легенда дриллов, схема слоёв и прочее.
Cross section (Xsection) - там назначаются физические слои. Их число, толщина, материал, порядок. Это можно взять у производителя плат.
Constraint Manager - это целая подпрограмма, она задаёт правила разводки и клеарансы, можно например сделать чтобы в rats не показывался один из net-ов.

В общем с остальным более менее можно разобраться путём проб и ошибок. Просто для наглядности и как пример покажу кусок разведённой платы:

В общем всё, это был краткий обзор, просто чтобы понять как и что тут устроено, разумеется для этого мало просто статьи прочитать и нужно установить Cadence и сделать плату чтобы понять какая тут идеология. Это не просто рядовая программа для винды, если вы на неё подсидите то уже не слезете. Возможно сначала многое вам покажется неудобным, но поняв детали вы поймёте что всё так даже правильно.

И ещё три момента. При разводке платы, когда вы работаете с полигонами нужно ввести вот эту команду set etchedit_ignore_dynamic_shapes иначе нереально будет что-либо развести, полигоны будут мешать дорожкам и вы помрёте их перетаскивать. Вас это удивляет, что без одной команды, которая нигде не прописана нереально развести нормальную плату? Ну тут всё так, это Cadence вы будете сначала презирать тех садистов которые его сделали, но потом всё изменится и кроме Cadence -a другая САПР вам будет уже не нужна.

Второй момент вот какой. Не обязательно создавать в ручную footprint -ы, т.к. есть много программ которые генерируют их за вас. Самые известные это LP_Wizard и PCB Library Editor, они платные. Но есть ещё одна, и по моему очень неплохая и вроде бесплатная Footprint maker, скачать её можно

Набор утилит и программ, позволяющих проектировать интегральные схемы, проводить аналоговое и цифровое моделирование, разрабатывать и подготавливать к производству многослойные печатные платы высокого уровня.

Наряду с и Mentor Graphics PADS, Allegro Cadence является самой продвинутой и удобной системой автоматизированного проектирования электроники в современном мире. Среда Allegro Cadence имеет свою уникальную оболочку, почти полностью построенную на скриптах и управляемую из командной строки. Многие разработчики находят ее неудобной, тем не менее, она является признанным лидером по стабильности, отсутствию «багов» и критических ошибок.

Основу пакета Allegro Cadence составляет базовый набор PCB Design Studio, состоящий из трех модулей в которых имеются все необходимые инструменты для сквозного проектирования плат:
1. Concept HDL или Orcad Capture CIS на выбор. Два схемных редактора со встроенными средствами управления элементами, каждый из которых располагает своими подходами и сильными сторонами. Более простой Orcad Capture CIS идеален для быстрой работы над проектом с доступом через Интернет к широчайшей компонентной базе. Concept HDL подходит для групп, разрабатывающих сложные проекты. Всю работу можно легко раздробить на управляемые однозадачные модули и распределить между проектировщиками.
2. Allegro PCB – интерактивная оболочка для создания и редактирования печатных плат любой сложности с возможностями планирования топологии, трассировки и подготовки к производству.
3. SPECCTRA - программа, состоящая из редактора трасс и автотрассировщика. Оба средства интегрируются с Allegro PCB.
Кроме этого в пакете присутствует утилита PE Librarian, предназначенная для создания и управления библиотеками элементов.
Стандартные модули базового набора Allegro Cadence имеют возможность модернизации. Это позволяет увеличить некоторые их характеристики, а также открывает доступ к дополнительным функциям в соответствии с последними требованиями производства. Например, доступны улучшения:
Allegro performance option – расширяет наборы правил разработки высокоскоростных печатных плат;
SPECCTRA upgrade – увеличивает число слоев при автотрассировке до 256;
PSpice A/D – позволяет выполнять аналоговое и смешанное моделирование;
SPECCTRA Quest – выполняет качественное исследование сигналов перед и после трассировки топологии.

Мощные средства синхронизации автоматически распространяют изменения, произведенные в основной части проекта, на все его версии. Определять желаемую версию можно на любой стадии разработки: при создании списка расходных материалов, при моделировании или при формировании данных на производство. Сделать это можно как из топологического редактора, так и из схемного ввода.

Годовая стоимость базового набора Allegro Cadence составляет около 4000 американских долларов. Кроме этого существует еще расширенный базовый, продвинутый и максимальный вариант рассматриваемой среды проектирования. Высокая цена является основным недостатком данного пакета, ограничивающим его применение. Не только отдельные радиолюбители, но даже крупные компании, специализирующиеся на разработках печатных плат и заинтересованные в эффективности и производительности, не всегда могут позволить себе приобрести программу. С этой страницы можно скачать пробные версии ряда модулей программного пакета.

Утилиты, входящие в состав Allegro Cadence, разработали программисты компании Cadence Design Systems (http://www.cadence.com/), обладающей также всеми правами на OrCAD. Помимо разработки популярных пакетов проектирования интегральных схем (Virtuoso, Encounter, Incisive Platform) и печатных плат (Allegro и OrCAD), компания предоставляет возможность тестирования стороннего программного обеспечения на виртуальных чипах до выпуска самых микропроцессоров.
В настоящее время центральный офис Cadence Design Systems расположен в США, в городе Сан-Хосе, основная масса сотрудников работает в Кремниевой Долине, а по всему миру открыто уже более шестидесяти филиалов компании.

Язык интерфейса программного пакета Allegro Cadence только английский.

микроконтроллером и различными дополнительными устройствами: постоянной и оперативной памятью, клавиатурой, а также графическими и буквенно-цифровыми жидкокристаллическими дисплеями.

На декабрь 2014 г. сегодняшний день актуальна версия MultiSim 13.X.

Рис. 11. Результаты работы программы Ultiboard

Рис. 12. Рабочее окно программы MultiSim 20

Micro-CAP (Spectrum Software). Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program) – профессиональ-

ная программа аналогового, цифрового и смешанного моделирования и анализа цепей электронных устройств средней степени сложности.

Программа была написана в 1982 г. фирмой Spectrum Software, с тех пор она постоянно расширяется и совершенствуется. Фирма, в свою очередь, была основана Энди Томпсоном в феврале 1980 г., изначально позиционируясь на написании программ для Apple. Она расположена в одном из городов Кремниевой долины – Саннивейле (штат Калифорния, США).

Интуитивно понятный интерфейс, нетребовательность к вычислительным ресурсам ПК и большой спектр возможностей сделали популярной Micro-Cap среди специалистов и студентов. Алгоритм работы включает в себя создание электрической цепи в графическом редакторе (рис. 13), задание параметров анализа и анализ полученных данных. Программа самостоятельно составляет уравнения цепи и проводит моментальный расчёт. Любое изменение схемы или параметров элементов приводит к автоматическому обновлению результатов.

Рис. 13. Рабочее окно программы Micro-Cap

Графический редактор опирается на библиотеки электронных компонентов, которые можно пополнять на основе экспериментальных или справочных данных с помощью встроенного модуля Shape Editor. Все номиналы и параметры элементов могут быть как неизменными, так и зависящими от температуры, времени, частоты, состояния схемы, параметров других компонентов.

Анимированные детали (светодиоды, реле, семисегментные индикаторы и некоторые другие элементы) изменяют состояние в соответствии с поступающими на них сигналами. Моделирование включает в себя целый набор различных анализов (рис. 14): переходных процессов, передаточных характеристик по постоянному току, малосигнальных частотных характеристик, чувствительностей по постоянному току, нелинейных искажений, метода Монте-Карло и многих других. Опытные пользователи могут создавать свои макромодели, которые облегчают имитационное моделирование без потерь информации. Допускается одновременно использовать различные стандарты элементов схемы. Полная поддержка Spice -моделей позволяет применять проекты из других программ (DesignLab, OrCAD, P-CAD). Из недостатков можно отметить лишь необходимость установки дополнительных элементов, так как объем библиотек Micro-Cap (даже в полной версии) явно недостаточен.

Программа-дизайнер Micro-Cap Active Filter Designer (рис. 15) предлагает возможность автоматического расчета активных и пассивных фильтров Баттерворта, Чебышева, Бесселя, эллиптических: низких частот, высоких частот, полосовых, режекторных. Созданный фильтр можно вставить в проект. Designer также предлагает пользователю выбор операционных усилителей для использования в активных фильтрах. Он может создавать фильтры либо для точного значения, либо для стандартных значений импеданса.

Рис. 14. Рабочее окно результатов работы программы Micro-Cap

Рис. 15. Рабочее окно программы-дизайнера Micro-Cap Active filter designer

Стоимость Micro-Cap составляет несколько тысяч долларов, однако на сайте разработчика можно скачать свободно распространяемую Evaluation Version, которая обладает многими возможностями полнофункциональной версии. Основные отличия – не более 50 элементов в схеме, урезанная библиотека компонентов, ограничения на построение ряда графиков и медленная скорость работы.

Последней на декабрь 2014 г. является версия Micro-Cap 11 (2013).

4. СИСТЕМЫ «СКВОЗНОГО» ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

4.1. Продукты Cadence

Технологии одной из ведущих компаний – разработчиков «электронных» САПР фирмы Cadence Design Systems – охватывают практически все этапы проектирования сложных электронных устройств и систем – от системного уровня, свойственного разработчикам конечной аппаратуры, до уровней логического, схемотехнического и топологического проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС), их корпусирования, а также разработки печатных плат, на которых эти СБИС будут монтироваться.

Cadence Design Systems имеет на сегодня группу программ, объединенных на платформе Cadence SPB (Silicon – Package – PCB), ранее – PCB Design Studio. Часть из них является собственной разработкой Cadence (Allegro, Specctra), часть досталась при слиянии с фирмой OrCAD Systems (OrCAD Capture, PSpice).

Концепция платформы направлена на конечную цель – создание «электронного» продукта и включает в себя как разработку СБИС (чипов), так и их корпусов, а также печатных плат (рис. 16). Современный подход предполагает использование единого информационного пространства на всех этих и последующих этапах жизненного цикла проектируемого продукта.

Рис. 16. Концепция платформы Cadence SPB

Пытаясь взять лучшее от каждой из частей, Cadence с каждой версией повышает степень интеграции своих программ, часто используя термин OrCAD/Allegro. Вместе с тем, существует разделение этих продуктов: OrCAD можно позиционировать как систему проектирования «простых» проектов, Allegro – более сложных. Соответственно различаются и их функциональные возможности, требования и стоимость

В состав Cadence SPB (PCB Design Studio) на сегодня входят:

Orcad Capture CIS – схемный редактор с интегрированными средствами управления и доступом через Интернет к базе стандартных компонентов;

Рис. 17. Масштабируемость Cadence OrCAD/Allegro

Concept HDL – альтернативный схемный редактор. Используется, как правило, при повторном использовании разработок и совместной работе инженеров. Каждый из двух редакторов имеет свои подходы и сильные стороны. Orcad Capture CIS используется для работы над простым проектом. Concept HDL подходит для групп, разрабатывающих более сложные проекты. При этом всю работу можно разделить на однозадачные модули и распределить их между проектировщиками;

PSpice/AMS Simulator – программа моделирования аналоговых и смешанных устройств;

PE Librarian – программа, предназначенная для создания библиотек компонентов и управления этими библиотеками;

OrCAD/Allegro PCB Editor – топологический редактор печатных плат, служит для размещения и редактирования конструктивов электронных компонентов и проводников, а также для подготовки устройств к производству;

SPECCTRA – содержит редактор расстановки компонентов Placement Editor и редактор полуавтоматической бессеточной трассировки проводников Route Editor;

SPECCTRA Autorouter – автоматический трассировщик проводников (тоже бессеточный); OrCAD/Allegro PCB Signal Integrity – программа анализа целостности сигналов.

Orcad Capture. Программа Cadence OrCAD Capture (начиная еще с DOSовских версий) стала де-факто стандартом в своей области благодаря удобному интуитивно понятному интерфейсу и наличию многообразных функций для быстрого выполнения нужных действий. Для ускорения процесса проектирования используется «надстройка» CIS (Component Interchange System), которая открывает доступ к справочной информации производителей электронных компонентов как через Интернет так и через центральную базу данных.

Средства поиска позволяют найти необходимые компоненты, используя в качестве критерия поиска различные параметры. После того как нашли компонент, CIS переписывает все его данные: логические, физические, данные призводителя, информацию для заказа и т.д. и поддерживает доступ к ним из OrCAD Capture. Если модифицируются компоненты, база данных или схема, то обновление происходит нажатием одной кнопки. Двунаправленная интеграция с редактором печатных плат обеспечивает соответствие схемы

и топологии в случае перестановки отдельных элементов, выводов или изменения параметров и названий компонентов.

Основные функции OrCAD Capture:

1. Схемотехнический редактор построен на традиционном для OrCAD Capture интерфейсе (рис. 18), который сочетает в себе интуитивность с инструментарием и функциональностью, необходимыми для решения задач схемотехнического проектирования. Для более сложных схем предусмотрен многостраничный

и иерархический режим работы. Система обеспечивает аккуратность соединений между всеми частями схемы.

2. Центральная информационная система обеспечивает синхронизацию внешних данных с информацией внутри проекта. С помощью стандарта Microsoft ODBC система может интегрироваться с любой из известных баз данных, начиная с Excel или Access и заканчивая системами MRP, ERP или PLM. Гибкость системы позволяет нескольким пользователям осуществлять одновременный доступ к информации без взаимовлияния.

Рис. 18. Окно программы OrCAD Capture

3. Выбор компонентов . Благодаря быстрому доступу, удобной системе поиска и возможности добавления компонентов в проект непосредственно из внешней базы, CIS значительно сокращает время разработки печатных плат. Добавление компонентов прямо из центральной базы данных (рис. 19) уменьшает вероятность ошибок при составлении списка элементов и позволяет контролировать использование компонентов, соответствующих различным стандартам.

4. Поиск компонентов через Интернет . Одна из функций в CIS – возможность поиска элементов через Интернет с помощью Internet Component Assistant (ICA). Так же как и в случае с внутренней базой данных, поиск может осуществляться по любым электрическим или коммерческим свойствам компонентов. Бесплатная база данных, именуемая Cadence ActiveParts, содержит более двух миллионов компонентов, поиск которых может быть осуществлён по необходимым критериям с предварительным просмотром перед добавлением в схему.

Рис. 19. Структура работы с центальной базой данных на примере библиотеки компонентов

5. Интеграция с другими продуктами OrCAD . Двусторонняя интеграция с OrCAD/Allegro PCB Editor

обеспечивает безошибочную передачу данных из схемы на печатную плату и наоборот. Автоматизируется синхронизация схемы после разрешённой замены проводников в плате. Обеспечивается сквозное выделение проводников и компонентов. OrCAD Capture имеет возможность создания списка соединений (netlist) для других САПР.

6. Возможность создания схем и перечней элементов по ГОСТ.

На декабрь 2014 г. последней версией является Cadence OrCAD Capture 16.6 (2014 г.).

OrCAD/Allegro PCB Editor. Топологический редактор печатных плат OrCAD/Allegro PCB Editor считается одним из лучших в мире в своем классе. Он является интерактивной оболочкой для создания и редактирования сложных многослойных печатных плат. Его обширнейшие возможности отвечают самым современным требованиям. В нем компания Cadence впервые использовала концепцию разработки «под управлением правил»: ограничения на размещение компонентов, объединение их в группы, задание ширины проводников для критических цепей и т.д. (рис. 20).

Рис. 20. Правила (справа) технологичного размещения компонентов на печатной плате (слева)

Современное производство печатных плат требует применения очень сложных и мощных средств проектирования слоев металлизации. Необходимо свести число этих слоев к минимуму для уменьшения конечной стоимости изделия. Данную задачу решает система Allegro PCB, которая содержит высокоэффективные инструменты планирования и редактирования слоев печатных плат для создания на ней равномерного рассеивания мощности. Система включает инструменты выбора и разделения топологии печатных плат по слоям, негативного или позитивного представления внутренних слоев металлизации, а также различные опции, позволяющие пользователю определять фрагменты слоев питания. Пользователю предоставлен полный набор инструментов для изготовления фотошаблонов и печатных плат, а также их тестирования (в том числе таблица апертур формата Gerber 274x; таблица NCDrill, содержащая сведения об общем количестве, координатах и размерах отверстий, а также различные чертежи печатных плат). Возможна полная интеграция пакета с внутренними или специфическими внешними системами, применяемыми на том или ином производстве (рис. 21).

Набор функций позволяет решать множество проектных и производственных задач. Мощная система планирования и размещения компонентов и их групп включает в себя возможность для копирования фрагментов топологии в виде модулей-шаблонов для радикального сокращения этапа размещения.

Создание и редактирование топологии на печатных платах основано на технологиях расталкивания и огибания различных объектов – проводников, переходных отверстий в режиме реального времени, что обеспечивает наглядный контроль над установленными правилами длин и задержек. Разрыв и восстановление в динамических полигонах во время размещения компонентов и прокладывания трасс происходит в реальном времени.

С помощью PCB Editor также можно выпустить полный набор файлов для фотоплоттера, обработки деталей печатных плат и файлов для тестирования (Gerber 274x, NC drill и т.д.).

Рис. 21. Окно программы OrCAD/Allegro PCB Editor

К OrCAD/Allegro PCB Editor могут быть подключены следующие опции.

Опция RF. Разработка топологий высокочастотных (ВЧ) и СВЧ-плат. Многие современные цифровые печатные платы содержат цепи, работающие в радиочастотном диапазоне. К этим цепям предъявляются специфические требования, и обычно они разрабатываются и моделируются в среде проектирования Agilent ADS (прежнее название Agilent EEsof). Однако эти цепи должны находиться на одной печатной плате с другими цифровыми и аналоговыми цепями. Для этого в редакторе OrCAD/Allegro PCB Editor в процессе проектирования печатной платы есть возможность импорта радиочастотных блоков, спроектированных в Agilent ADS, а кроме того, ряд возможностей работы с такими компонентами:

создание новых ВЧ-компонентов;

настройка параметров ВЧ-компонентов;

использование ВЧ-элементов при трассировке;

перенос ВЧ-элементов или групп со слоя на слой;

вычисление электрических параметров полосковых линий;

конвертация ВЧ-компонентов в полигоны;

преобразование трасс в полосковые линии и параметризация «полосок». Опция Miniaturization. Микроминиатюризация:

микроотверстия и пространственные, пакетные правила, включая правила типа «переходное отверстие в контактной площадке»;

поддержка правил для плат со встроенными компонентами;

поддержка правил для компонентов, встроенных на внутренние слои платы;

трассировка по нелинейному контуру (для гибких плат);

динамическое усиление проводников на границе гибкой и жесткой части;

контроль многоярусных микропереходов.

Опция PCB Team Design дает возможность нескольким инженерам асинхронно взаимодействовать в процессе иерархической разработки изделия. Проект может быть разделен на предварительно заданные иерархические уровни и распределен между членами коллектива, предоставляя в распоряжение каждого инженера изолированное пространство для разработки и верификации своей части проекта.

Опция FPGA System Planner . Оптимизация ПЛИС под печатную плату.

Опция 3D-визуализации печатной платы. Пример использования данной опции показан на рис. 22.

Рис. 22. 3D-визуализация печатной платы

PSpice/AMS Simulator. Программа PSpice/Allegro AMS Smulator служит для выполнения аналогового численного моделирования. Пользователь может сконфигурировать условные обозначения на схеме таким образом, чтобы поставить им в соответствие Spice-модели и проводить численное моделирование. Также можно легко находить соответствие между компонентами электрической принципиальной схемы, их местоположением на печатной плате и результатами моделирования для быстрого определения различных характеристик (рис. 23).

Рис. 23. Соответствие между компонентами электрической принципиальной схемы,

их местоположением на печатной плате и результатами моделирования в PSpice/Allegro AMS Simulator

OrCAD/Allegro совместим с продуктами Microsoft и предоставляет возможность конфигурации панели команд. Используя специализированный язык, можно настроить среду под свои требования и желания.

Новая стратегия Cadence предполагает не постоянный выход новых версий, а их обновления (по заявлениям раз в квартал). Распространение программы платное, но имеется пробная версия последняя на де-

кабрь 2014 г. версия программы – OrCAD/Allegro SPB 16.6.

SPECCTRA. SPECCTRA – программа автоматической трассировки печатных плат компании Cadence Design Systems. Иногда она встречается под названием Allegro PCB Router. На декабрь 2014 г. последней является версия 16.5.

Программа SPECCTRA успешно трассирует платы большой сложности благодаря применению нового принципа представления графических данных, так называемой ShapeBased-технологии. В отличие от известных ранее пакетов, в которых графические объекты представлены в виде набора координат точек, в этой программе используются более компактные способы их математического описания. За счет этого повышается эффективность трассировки печатных плат с высокой плотностью расположения компонентов, обеспечивается автоматическая трассировка одной и той же цепи трассами разной ширины и др.

Автотрассировщик SPECCTRA использует адаптивные алгоритмы, реализуемые за несколько проходов трассировки. На первом проходе выполняется соединение абсолютно всех проводников без обращения внимания на возможные конфликты, заключающиеся в пересечении проводников на одном слое и нарушении зазоров. На каждом последующем проходе автотрассировщик пытается уменьшить количество конфликтов, разрывая и вновь прокладывая связи (метод rip-up-and-retry) и проталкивая проводники, раздвигая соседние (метод push-and-shove). Информация о конфликтах на текущем проходе трассировки используется для “обучения” – изменения весовых коэффициентов (штрафов) так, чтобы путем изменения стратегии уменьшить количество конфликтов на следующем проходе.

Трассировка проводников проводится в три этапа: предварительная трассировка, автотрассировка, дополнительная обработка результатов автотрассировки.

Все фазы трассировки выполняются в интерактивном или автоматическом режиме с помощью набора специальных команд (рис. 24).

Рис. 24. Экран программы SPECCTRA в режиме интерактивного размещения компонентов

Трассировка печатной платы (проводилась в системе Allegro)

• · Предварительное размещение компонентов на печатной плате.
• · Трассировка печатных проводников.
• · Проверка соответствия ПП заданным технологическим параметрам.

Этап проектирования печатной платы является самым трудоемким во всей последовательности этапов.

Как правило, еще до процесса проектирования печатной платы уже известны некоторые требуемые технологические параметры, это желательные габаритные размеры платы, или требования к расположению некоторых элементов, таких как разъемы, элементы управления и индикации, а также прочие конструктивные особенности, требования к ЭМС (электромагнитная совместимость).

На этапе предварительного размещения компонентов определяется возможность проектируемой платы соответствовать требуемым техническим параметрам, проводится коррекция этих параметров (как с целью улучшения, так и с целью оптимизации), и выбирается лучший вариант.

Параметры требуемых минимальных зазоров заносятся в специальную таблицу, по которой будет осуществляться автоматический контроль в процессе трассировки проводников.

После того как решение вопроса размещения компонентов закончено начинается процесс трассировки проводников, в зависимости от стратегии принятой на этапе подготовки схемы.

Трассировка проводников может происходить разными способами, при помощи специализированных программ в автоматическом режиме, в интерактивном режиме, в ручном режиме. Мы специализируемся на трассировке проводников в ручном и интерактивном режиме, что позволяет более грамотно подходить к вопросам ЭМС и позволяет получить высокую технологичность ПП чего пока еще невозможно добиться используя автоматическую трассировку.

В процессе трассировки проводников проводится проверка DRC (Design Rules Check) на наличие ошибок и соответствие всем заложенным технологическим параметрам. По окончании процесса трассировки проводников и положительном результате проверки, процесс трассировки проводников можно считать успешным.

Проектирование шестислойной печатной платы

На основе японской шестислойной платы Spartan-3A FPGA Board XCM-014 Series была спроектирована печатная плата в среде Cadence.

На первом этапе с сайта производителя были скачены все доступные материалы, что включало в себя

1) Принципиальную схему

Рис. 5.1

Рис. 5.2

Эту принципиальную схему я воссоздал в системе OrCAD.

Таблица№1 компоненты ПП

После этого с сайта производителя была взята схема трассировки по каждому слою создаваемой шестислойной платы.

Рис. 5.3

Рис. 5.4

После создания принципиальной схемы в системе OrCAD, далее я перешел в систему Allegro, для этого было необходимо экспортировать NETLIST.

В системе Allegro производилась непосредственно трассировка платы и размещение компонентов, аналогичные тому как это сделанно на оригинальной плате.

В программе осуществляется последовательная работа с каждым из шести слоев печатной платы: TOP, Internal 1, Mid layer1, Mid layer2, Internal 2, Bottom. Результаты работы представлены на Рис.5.5, Рис 5.5, Рис 5.7, Рис 5.8, Рис 5.9, Рис 5.10.

Рис.5.5 TOP

Рис 5.6 Internal 1

Рис 5.7 , Mid layer1

Рис 5.8 Mid layer2

Рис 5.9 Internal 2

Рис 5.

Результаты моджелирования

В среде Cadence Allegro Design была спроектирована принципиальная схема печатной платы (Рис.10). После чего была создана библиотека Footprint всех компонентов печатной платы. Далее весь проект переходит в среду Cadence PCB Editor, для этого в программе проверяются все соединения, наличие Footprint всех компонентов, после чего осуществляется трассировка печатной платы в Cadence PCB Editor, размещение всех компонентов в соответствие с техническим заданием и требованиями к электромагнитной совместимости.

Конечным результатом явилась создание печатной платы в Китае.

Готовая печатная плата

Обзор технологий проектирования печатных плат Cadence Allegro PCB Designer

Анатолий Сергеев,
специалист компании «Оркада» по продукции Cadence Design Systems, Inc., автор многочисленных статей. Окончил Владимирский государственный университет по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

Развитие электроники определяется увеличением производительности и функциональности полупроводниковых технологий. Новые устройства становятся все более сложными, и важными факторами их разработки являются конфигурации выводов компонентов, шаг между ними и плотность компоновки. Также новые устройства используют современные интерфейсы: DDR3, DDR4, PCI Express Gen3, USB 3.0 и другие, для которых необходимы новые типы внедрения в печатную плату. Все это обусловливает постоянно растущий спрос на новые методы корпусирования, увеличивающие плотность межсоединений на печатной плате. Сегодня для решения столь сложных задач инженерам необходимы современные технологии проектирования систем на уровне печатных плат, которые будут отвечать технологическим и методологическим требованиям. К ним, например, относится пакет программ Cadence Allegro PCB Designer, о некоторых важнейших функциях которого рассказывается в данной публикации.

Планирование соединений и трассировка

Сложные печатные платы с большим количеством электрических и технологических ограничений, высокой плотностью монтажа компонентов и множеством высокоскоростных сигнальных шин данных требуют при проектировании нового подхода. Использование традиционных и устаревших САПР, таких как P-CAD, становится недопустимым, так как они не способны обеспечить готовность подобных проектов в кратчайшие сроки. На первый план выходят САПР, которые активно развиваются и отвечают современным реалиям в электронной промышленности. Cadence Allegro PCB Designer в сочетании с опцией Interconnect Flow Planner содержит уникальную функцию для создания плана соединений и последующего преобразования его в готовую трассировку. Данный механизм планирования и трассировки дает инженеру возможность прокладывать большие массивы сигналов в виде специальных объектов — сигнальных жгутов, что позволяет значительно упростить проектирование и кардинально снизить время на разработку (рис. 1).

Инженер видит на экране не сотни или тысячи пересекающихся линий электрических связей, а план прокладки больших массивов этих связей. Понятно, что такой подход в разы повышает эффективность работы — есть возможность прокладывать сигнальные жгуты между слоями, планировать размещение переходных отверстий, избегать пересечения жгутов друг с другом, вести сигналы по кратчайшему пути и т.д. Для каждого жгута можно задать свой набор свойств, обеспечить его трассируемость с точки зрения временны х задержек сигналов в нем, копировать планы трассировки между разными проектами. Allegro PCB Editor на программном уровне «подскажет» разработчику оптимальные пути прокладки жгутов, а затем с помощью уникальных алгоритмов преобразует получившийся план в готовую топологию.

Ускорение проектирования времязависимых цепей

Все более широкое применение высокоскоростных цифровых интерфейсов, таких как DDR3, DDR4, PCI Express, USB 3.0, налагает целый ряд ограничений, которые должны быть учтены при проектировании печатной платы.

Allegro PCB Designer с опцией High-Speed помогает эффективно и быстро достичь соответствия требованиям современных интерфейсов. Данная опция расширяет набор контролируемых электрических ограничений, с помощью которых инженер может в кратчайшие сроки добиться максимальной целостности сигналов и обеспечить их точные временны е характеристики. Также вместе с опцией High-Speed в Allegro PCB Designer становятся доступны мощные инструменты управления времязависимыми цепями, такие как Auto-interactive Delay Tuning, Auto-Interactive Phase Tuning, Auto-Interactive Convert Corner, Timing Vision и т.д. Остановимся на некоторых из них более подробно.

Инструмент Auto-interactive Delay Tuning, сокращенно AiDT, дает пользователям возможность быстро подстраивать длину у выбранного набора сигналов на плате, например байтового тракта или полностью всего интерфейса. Этот инструмент кардинально снижает время подстройки временны х задержек у большого массива сигналов — с нескольких часов до нескольких минут (рис. 2). Пользователю достаточно обвести рамкой выделения нужный набор сигналов, после чего в соответствии с параметрами, указанными в Constraint Manager, произойдет автоматическая подстройка длины трасс.

Инструмент Auto-Interactive Phase Tuning, сокращенно AiPT, дает возможность в считаные минуты обеспечить оптимальную динамическую фазу для дифференциальной пары. Под динамической фазой подразумевается обеспечение равенства длины проводников с учетом их изгибов на разных участках прокладки от источника к приемнику сигнала. Благодаря данному инструменту значительно сокращается время на выравнивание длин проводников в дифференциальной паре.

Пользователь должен вести непрерывный контроль за времязависимыми цепями на плате. Специально разработанная встроенная в Allegro PCB Editor «среда» визуального контроля Timing Vision позволяет пользователю быстрее находить не соответствующие временны м ограничениям трассы на печатной плате. Данный инструмент включает средства цветовой индикации, возможность выбора специального узора для трасс и специальные всплывающие подсказки. В зависимости от заданных временны х ограничений в Constraint Manager трассы на плате будут подсвечены разным цветом, который выбирается в настройках (рис. 4).

Рис. 4. Инструмент Timing Vision для визуального контроля за длиной трасс с учетом временной зависимости сигналов

Проектирование с учетом технологий производства

Allegro PCB Editor поддерживает технологии проектирования с учетом тестопригодности (DFT), возможности изготовления (DFF) и технологичности сборки (DFA). Все эти важнейшие ограничения проверяются на этапе разработки топологии наряду с электрическими ограничениями. Пользователи могут выбирать количество тестовых точек и размеры их контактных площадок, определять зоны запрета для размещения тестовых точек и создавать отчеты для проверки степени готовности платы к тестированию. В Allegro PCB Editor включена специальная функция контроля правил DFA в режиме реального времени. С ее помощью можно контролировать и визуально отслеживать на плате любые нарушения, связанные с зазорами между компонентами. При сближении компонентов на максимально допустимое правилами DfA расстояние программа автоматически выдаст предупреждение и «остановит» пользователя перед возможным нарушением правил.

Передача данных на производство

Allegro PCB Designer может генерировать полный набор файлов для производства и тестирования печатной платы, включая Gerber 274x, NC Drill, NC Route и т.д. Но что особенно важно, Cadence поддерживает промышленную тенденцию перехода к «безгерберной» технологии производства с помощью нового универсального формата IPC-2581. Особенность данного формата заключается в том, что все данные, необходимые для производства, сборки, сверловки, фрезеровки и тестирования платы, хранятся в одном унифицированном файле. Пользователи могут выбирать данные для файла IPC-2581 с целью защиты своей интеллектуальной собственности. Импорт IPC-2581 в Allegro PCB Editor позволяет просматривать файл.

Маршрут проектирования плат с технологией HDI

Миниатюризация — сегодня это главный тренд в электронике. Устройства уменьшаются, а их производительность и функциональность растут. В проектах всё чаще применяются микросхемы в BGA-корпусах с шагом выводов от 0,8 мм и менее, что требует применения технологии повышенной плотности межсоединений (HDI) для вывода сигналов на внутренние слои от площадок BGA с помощью фэнаутов. Конструкция платы в этом случае требует применения микропереходных отверстий, размещения ПО на контактных площадках, особых технологических процессов в изготовлении. Все это должно учитываться системой проектирования печатных плат в полном объеме на уровне контроля правил проектирования.

Allegro PCB Designer в сочетании с опцией миниатюризации (Miniaturization Option) позволяет создавать проекты на основе технологии HDI любой степени сложности. Сюда включены следующие возможности:

• работа с микроотверстиями;
• оптимизация смешанных переходных отверстий;
• контроль слепых и глухих отверстий на слое;
• контроль этажерок переходных площадок;
• контроль ступенчатого расположения переходов;
• площадка внутри площадки;
• массовое изготовление переходов;
• контроль на соответствие технологии изготовления;
• учет правил проектирования HDI при автоматической трассировке.

В Allegro PCB Designer в сочетании с опцией миниатюризации включается множество различных инструментов интерактивной трассировки, таких как расталкивание слепых и глухих отверстий, динамическое сопряжение микропереходов, поддержка встроенных компонентов, трассировка по контуру для гибко-жестких плат и многое другое (рис. 5).

Поддержка технологии встроенных компонентов

Уменьшение размеров конечного изделия может быть достигнуто различными путями. Один из них состоит в размещении корпусных элементов на внутренних слоях платы. Allegro PCB Designer при наличии опции миниатюризации предлагает технологию трассировки, управляемой ограничениями для встроенных компонентов. Она поддерживает как традиционные технологии прямого и непрямого присоединения, так и новейшие технологии двустороннего подключения для одного компонента, вертикальное расположение компонента, встроенные компоненты для двусторонней платы. Опция миниатюризации позволяет пользователю создавать углубления и управлять ими на слоях, выделенных под размещение встроенных компонентов.

Создание аналоговых ВЧ- и СВЧ-плат

Пакет Allegro PCB Designer вместе с опцией проектирования аналоговых радиочастотных цепей Analog/RF Design представляет собой среду разработки для смешанных сигналов — от создания схемы до планирования с сохранением истории изменений, — обеспечивающую повышение производительности процесса проектирования радиочастотных изделий до 50%. Эта опция позволяет инженерам создавать, объединять и дорабатывать аналоговые радиочастотные и микрополосковые схемы совместно с цифровыми и аналоговыми схемами в среде Allegro PCB Designer. Имея развитые возможности планирования и мощные интерфейсы со средствами численного моделирования в радиочастотном диапазоне, эта опция дает инженерам возможность начинать процесс проектирования радиочастотных схем из Allegro Design Authoring, Allegro PCB Designer или Agilent ADS.

Параллельная коллективная разработка

Для сокращения длительности цикла разработки все чаще организуются географически разнесенные коллективы разработчиков. Традиционно применяемые при коллективной разработке процедуры ручной проверки и доводки очень медленны, времязатратны и связаны с риском внесения ошибок.
Технология Allegro PCB Design Partitioning реализует многопользовательскую параллельную методологию разработки для ускорения процесса и уменьшения времени планирования. С ее помощью множество разработчиков могут трудиться одновременно, имея доступ к общей базе данных независимо от удаленности. Разработчики могут разделять процесс проектирования на ряд задач или областей, для которых будет производиться планирование и редактирование, и поручать их нескольким членам коллектива. Разработки могут разделяться вертикально (секции) с программно задаваемыми границами или горизонтально (слои). В результате каждый разработчик может видеть все отдельные секции, наблюдать за процессом создания конструкции и оценивать результаты других проектировщиков. Возможность такого разделения помогает значительно уменьшить длительность циклов разработки и ускорить процесс проектирования.

Технология автоматической трассировки печатных плат

Технологии трассировки печатных плат тесно связаны с редактором печатных плат PCB editor. Посредством интерфейса трассировщика PCB Router вся конструкторская информация и ограничивающие условия автоматически поступают из PCB editor. По окончании трассировки вся информация автоматически передается обратно в PCB editor.

Возросшая сложность разработок, плотность размещения и наличие дополнительных ограничивающих условий для высокоскоростных схем делают процесс ручной трассировки трудным и времязатратным. Для решения задач трассировки сложных соединений требуется мощная автоматизированная технология. Надежный и испытанный в производстве автоматический трассировщик имеет режим пакетной трассировки с расширенным управлением стратегией трассировки и встроенными стратегиями трассировки.

Средство оптимизации для производства (Design For Manufacturing, DFM), входящее в трассировщик Allegro PCB Router, значительно уменьшает число впоследствии отбраковываемых изделий. Его алгоритмы обеспечивают возможность автоматического разнесения проводников с использованием всего имеющегося свободного места. Автоматическое разнесение проводников помогает повысить технологичность путем перемещения проводников для дополнительного увеличения зазоров между проводниками и выводами, между проводниками и контактными SMD-площадками и освобождения дополнительного места для проводящих полигонов. Пользователи используют преимущества гибкости задания допусков вручную либо по умолчанию.

Во время трассировки могут быть заданы свободные углы и контрольные точки. Алгоритмы DFM автоматически делают оптимальные отступы, начиная с наибольших и уменьшая их в доступных пределах. Средство создания контрольных точек автоматически вставляет на плате тестовые переходные отверстия или контактные площадки. Контрольные точки в виде тестовых переходных отверстий могут располагаться как на лицевой, так и на обратной стороне платы, что позволяет использовать односторонние или двусторонние тестеры. У разработчиков есть возможность выбора методологии вставки контрольных точек, соответствующей их производственным требованиям. Контрольные точки могут быть фиксированными во избежание необходимости модификации тестовой оснастки. Ограничивающие условия для контрольных точек включают форму поверхности тестовых зондов, размеры переходных отверстий, сеток и минимальные расстояния между центрами отверстий.

Автоматическая трассировка, управляемая ограничениями для быстродействующих плат

Высокоскоростные ограничивающие условия и алгоритмы трассировки прменяют дифференциальные пары, сетевое планирование, временны е параметры сигналов, уровень перекрестных помех, трассировку набора слоев и специальные требования к геометрии, предъявляемые к современным высокоскоростным цепям. Алгоритмы автоматической трассировки аккуратно выполняют трассировку с использованием переходных отверстий и вблизи них, а также автоматически поддерживают соответствие заданным временны м или пространственным критериям. Автоматическое сетевое планирование применяется для снижения уровня шума в чувствительных к нему цепях. К различным областям платы можно применять свои правила проектирования, например можно задать правило максимально плотного размещения в области проводников и менее строгие правила на остальной части платы.

Разработка высокоскоростной электроники должна быть обеспечена адекватными программными и аппаратными средствами проектирования. Allegro PCB Designer — это мощный инструмент в руках профессионала, занимающегося разработкой современной быстродействующей электроники. Последнее обновление — Update Release № 2, вышедшее в марте этого года, включает большое количество новых инструментов работы, которые частично были описаны в данной статье.