Методы размещения и трассировки печатных плат на примере модуля памяти

Печатные платы нашли широкое применение в электронике, позволяя увеличить надёжность элементов, узлов и машин в целом, технологичность (за счёт автоматизации некоторых процессов сборки и монтажа), плотность размещения элементов (за счёт уменьшения габаритных размеров и массы), быстродействие, помехозащищённость элементов и схем.

Печатный монтаж – основа решения проблемы компановки микроэлектронных элементов.

Особую роль печатные платы играют в цифровой микроэлектронике. В наиболее развитой форме (многослойный печатный монтаж) он удовлетворяет требования конструирования вычеслительных машин третьего и последующих поколений. При разработке конструкции печатных плат проектеровщику приходится решать схемотехнические (минимизация кол-ва слоёв, трассировка), радиотехнические (расчёт паразитных наводок), теплотехнические (температурный режим работы платы и элементов), конструктивные (размещения), технологические (выбор метода изготовления) задачи. В данном курсовом проекте при разработке печатной платы мы попытались показать методы решения лишь схемотехнических и технологических задач. 1. ВЫБОР СЕРИИ И ТИПОВ МИКРОСХЕМ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПО КОРПУСАМ. 1.1. Выбор физических элементов для реализации схемы и обзор параметров выбранной серии . Выбор серии интегральных микросхем для реализации блока оперативной памяти в первую очередь продиктован скоростью работы такого блока. В этом отношении микросхемы серии ТТЛШ (транзисторно–транзисторная логика со структурой Шотки) наиболее предпочтительны.

Электрическая функциональная схема блока оперативной памяти содержит сорок пять элементов 2И-НЕ, три элемента 3И-НЕ. Для реализации блока оперативной памяти выбираем следующие типы микросхемы: две микросхемы серии КР1531ЛА3 (корпус содержит 4 элемента 2И-НЕ); две микросхемы серии КР1531ЛА4 (корпус содержит 3 элемента 3И-НЕ); Основные параметры микросхем ТТЛШ серии КР1531: — напряжение питания U ип = 5В ± 10%; — выходное напряжение низкого уровня не более U 0 вых = 0,5В; — выходное напряжение высокого уровня не менее U 1 вых = 2,5В; — время задержки распространения t зд.р. = 4,5нс; — потребляемая мощность P пот = 4мВт; — сопротивление нагрузки R н = 0,28кОм; 1.2. Распределение элементов функциональной схемы по корпусам.

Распределение четырёх элементов 2И-НЕ составляющих триггер очевидно:

Поскольку в нашем случае все вершины имеют одинаковое количество связей, выбираем любую из них, например вершину Х1. б) Определяем множество вершин подключённых к базовой: {4;7} Для каждой из вершин рассчитываем функционал по формуле: L i =a ij -p ij где a ij – число связей вершины; p ij – число связей с базовой вершиной; В нашем случае функционал равен: L 7 = L 4 =2-1=1 ; Для объединения с базовой вершиной необходимо выбрать вершину с наименьшим функционалом.

Поскольку в нашем случае вершины Х7 и Х4 равнозначны, то объединяем их с Х1. Поскольку мощность блока (4 элемента 2И-НЕ в одной микросхеме) ещё не достигнута, а все оставшиеся вершины идентичны по отношению к вершине Х(1+4+7), дополним блок вершиной Х2, объединив их в одну микросхему.

Получим граф:

Проанализировав полученные результаты можно увидеть, что для компоновки элементов Х1-Х9 необходимо 3 микросхемы КР1531ЛА3, причём в последней из них будет задействован лишь один элемент. В нашем случае рациональней будет уменьшить мощность блока до трёх. В этом случае количество необходимых микросхем не изменится, а элементы распределятся следующим образом: Х(1+4+7), Х(2+5+8), Х(3+6+9). Окончательно примем к проектированию именно такой вариант компоновки. Три элемента 3И-НЕ поместим в одну микросхему КР1531ЛА3 поскольку в этом случае мощность блока (кол-во элементов в микросхеме) равна количеству элементов в функциональной схеме. На основании полученных результатов строим электрическую принципиальную схему блока оперативной памяти (см. графическую часть). 2. РАЗМЕЩЕНИЕ ЭРЭ НА МОНТАЖНОМ ПРОСТРАНСТВЕ. В соответствии с заданием монтажное пространство — печатная плата 95х130 мм. Для размещения микросхем DD 1— DD 13 и разъема Х1 разобьем монтажное пространство на 14 посадочных мест, из которых место К14 отведем под разъем (рис.2.1).

Считаем для этой позиции D F по формуле : (2.2) где a ij – количество связей между iм и j-м элементами ; r ij – расстояние между элементами, берётся из матрицы расстояний ; f ij – элемент матрицы весовых коэффициентов ; 4) Повторяем пункт 3 для всех свободных позиций на печатной плате.

Окончательно устанавливаем выбранный элемент в позицию с минимальным D F . 5) Повторяем пункты 2 - 4 пока не установим все элементы.

Произведём размещение элементов по вышеописанному алгоритму. В нашем случае, поскольку все элементы равноправны, матрица весовых коэффициентов в формуле 2.2 будет единичной, поэтому этот параметр мы указывать не будем. В первую очередь установим разъём в позицию К14, т.к. его положение жёстко определено конструкторскими ограничениями.

Вычислим коэффициенты связности : Ф 1 =Ф 2 =Ф 3 =Ф 4 =Ф 5 =Ф 6 =Ф 7 =Ф 8 =Ф 9 =2/7; Ф 10 =Ф 11 =Ф 12 =06=0; Ф 13 =3/12; Выбираем элемент DD1. Поскольку позиции К10,К11,К12 и К13 равноценны с точки зрения минимума длинны связи с разъёмом, то установим DD1 в позицию К13. Снова рассчитываем коэффициенты связности : Ф 2 =Ф 3 = Ф 4 =Ф 7 =3/7; Ф 5 =Ф 6 =Ф 8 =Ф 9 =2/7; Ф 10 =Ф 11 =Ф 12 =06=0; Ф 13 =3/12; Из наиболее связанных выбираем элемент DD2. Расчитываем D F для позиций К9, К10, К11 и К12 как наиболее подходящих для установки, поскольку D F для остальных позиций будет заведомо больше, и его расчёт не имеет смысла. D F 9 =1*1+2*2=5; D F 10 = D F 11 = D F 12 =1*2+2*1=4; Устанавливаем элемент DD2 в позицию К 10. Снова рассчитываем коэффициенты связности : Ф 3 =4/7; Ф 4 =Ф 7 = Ф 5 =Ф 6 =3/7; Ф 8 =Ф 9 =2/7; Ф 10 =Ф 11 = 1/6; Ф 12 =06=0; Ф 13 =3/12; Из наиболее связанных выбираем элемент DD3. Рассчитываем D F для позиций К9 и К1 1: D F 9 =1*1+1*1+2*2=6; D F 11 =1*2+2*1=4; Устанавливаем элемент DD3 в позицию К 11. Снова рассчитываем коэффициенты связности : Ф 4 =Ф 5 = Ф 6 =Ф 7 = Ф 8 =Ф 9 =3/7; Ф 12 = Ф 10 =Ф 11 = 1/6; Ф 13 =3/12; Из наиболее связанных выбираем элемент DD4. Рассчитываем D F для позиций К9 и К1 2: D F 9 =1*1+0*1+0*2+2*2=5; D F 12 =1*2+0*2+0*1+2*1=4; Устанавливаем элемент DD4 в позицию К 12. Аналогичные расчёты проводим до тех пор, пока не расставим все элементы по позициям печатной платы. В результате расчётов получаем следующее размещение микросхем на плате :

Рассматриваем две строки – 1-ю и 2-ю. Самая короткая связь между 1 и 8, между которыми и проводится следующая связь. ‘В ычёркивается ’ столбец 2. Теперь рассматриваем три строки – 1-ю, 2-ю, и 8-ю.

Наименьшее расстояние имеется между 8 и 3, 8 и 9. Проводим эти связи ‘вычёркивая’ соотв. столбцы . И т.д.

Повторяем до тех пор, пока все точки не будут соеденены (т.е. все столбцы матрицы смежности будут ‘вычеркнуты’ ). Полученый результат виден на рис. 3.1. 3.2 Трассировка по алгоритму Краскала Алгоритм Краскала заключается в следующей последовательности : 1) . 2) Упорядочиваем получившийся список рёбер по длинне. 3) Проводим связь первого ребра из списка. 4) Из списка рёбер выбираем следующее по очереди ребро. 5) Если обе вершины выбраного ребра уже есть в списке проведённых ребер, вычёркиваем это ребро из списка и возвращаемся к п. 4. Если же одна (и только одна!) из вершин выбраного ребра уже участвует в связи (присутствует как вершина в списке проведённых рёбер), то проводим это ребро, иначе возвращаемся к п. 4. 6) Повторяем пункты 4-5 до тех пор, пока список рёбер не опустеет.

Проведём трассировку цепи питания +5В. Выпишем список всех возможных рёбер, сразу откидывая ребро, если в списке уже есть ребро с такими же вершинами. 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 1-7 1-8 1-9 1-10 1-11 1-12 1-13 1-14 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14 3-4 3-5 3-6 3-7 3-8 3-9 3-10 3-11 3-12 3-13 3-14 4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10 4-11 4-12 4-13 4-14 5-6 5-7 5-8 5-9 5-10 5-11 5-12 5-13 5-14 6-7 6-8 6-9 6-10 6-11 6-12 6-13 6-14 7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 7-13 7-14 8-9 8-10 8-11 8-12 8-13 8-14 9-10 9-11 9-12 9-13 9-14 10-11 10-12 10-13 10-14 11-12 11-13 11-14 12-13 12-14 13-14 Упорядочим этот список в порядке увеличения длинны рёбер.

Полученый список запишем построчно : 5-6 6-11 11-12 4-7 7-10 10-13 3-8 8-9 9-14 1-2 2-3 3-4 4-5 7-8 6-7 9-10 10-11 12-13 13-14 5-11 6-12 4-7 7-13 3-9 8-14 2-4 3-5 6-8 9-11 12-14 1-8 1-9 1-14 3-7 5-7 4-6 4-8 6-10 7-11 9-7 8-10 11-13 10-12 10-14 9-13 2-8 2-7 3-6 5-8 8-11 6-9 9-12 11-14 5-10 6-13 4-9 7-14 7-12 4-11 3-10 8-13 2-9 2-14 3-13 4-14 4-12 5-13 1-4 1-7 1-10 1-13 1-5 1-6 2-13 3-11 5-9 8-12 6-14 2-5 2-6 2-11 3-12 5-14 2-12 Проводим первую связь 5-6. Следующее ребро имеющее общую точку – 6-11. Проводим и его.