1. Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Факультет технической кибернетики и информатики
Направление 210200 «Проектирование и технология электронных средств»
Дисциплина «Информационные технологии электромагнитной совместимости ЭС»
Лекция №4 «Системы анализа электромагнитной
совместимости электронных средств»
Автор - Чермошенцев С.Ф.
Казань 2008

2. Системы анализа электромагнитной совместимости
электронных средств
1.Маршрут проектирования модулей ЭС.
2.Системы анализа ЭМС ЭС конструктивных модулей I-ого и II-го
уровня.

3. 1. Маршрут проектирования модулей ЭС.
В современных системах конструкторского проектирования достигнуты большие
успехи при решении задач размещения логических элементов и трассировке связей
между ними на конструктивных модулях ЭС.
Однако вопросы автоматизации
прогнозирования ЭМС конструктивов ЭС еще не нашли достаточного воплощения при
построении современных САПР.
Перспективным
считается
создание
системы анализа ЭМС ЭС, САПР или
подсистемы САПР, позволяющей проводить расчеты электрических параметров
межсоединений конструктивов и уровней электромагнитных помех в них с целью
последующего
внесения
необходимых
изменений
конструктивов, если это окажется необходимым.
в
топологию
межсоединений

4. САПР выполняет следующие этапы проектирования модулей ЭС [289]:
 разбиение логической функции узла на части, удовлетворяющие требованиям
конструктива приемлемых размеров;
 покрытие конструктива элементами из библиотечного набора;
 моделирование логической схемы
и
проверка соответствия заданной
логической функции;
 автоматизированное размещение элементов и трассировка межсоединений
между ними;
 прогнозирование ЭМС конструктива и корректировка межсоединений;
 проектирование фотошаблонов;
 проверка конструктивов на соответствие заданной логической функции.

5. Маршрут проектирования модулей ЭС представлен на рис. 1.11.

6. Маршрут автоматизированного проектирования модулей ЭС, изображенный на
рис.
1.11,
правомерен
по
отношению
к
следующим
объектам:
БИС,
СБИС,
коммутационные платы, печатные платы и панели.
В табл. 4 приведены известные системы анализа ЭМС ЭС, САПР, подсистемы
САПР, пакеты прикладных программ (ППП) и отдельные программы, позволяющие
пользователю проводить полный или частичный анализ ЭМС различных конструктивов
ЭС. Рассмотрим основные особенности перечисленных систем анализа ЭМС ЭС по
решаемым задачам [258, 287].

7. 2. Системы анализа ЭМС ЭС конструктивных модулей Iого и II-го уровня.
Таблица 4
Системы анализа ЭМС ЭС
№
п/п
1
Наименование системы
анализа, САПР, подсистемы
САПР,
ППП, программы
Автоматический
конструктор интегральных
матричных схем - АКИМС
Объект
КМОП
БИС
Основные решаемые
задачи анализа
Прогноз задержек на связях и
последующее временное
моделирование схемы

8. Продолжение таблицы 4
№
п/п
Наименование системы
анализа, САПР, подсистемы
САПР,
ППП, программы
Объект
БИС
Основные решаемые
задачи анализа
2
Автоматизированные
подсистемы проектирования
АСП-65, АСП-66
3
САПР САМРИС
(программа ДЕТОПТ)
4
КОМПАС-82
(САПР
высокопроизводительных ЭВМ)
БИС
Моделирование распространения
сигналов, получение временных
диаграмм
5
САПР
элементов
интегральных схем
ИС
Расчет параметров пассивных элементов
и аналитическое
моделирование физикотопологических
задач
6
САПР LDSI
КМОП,
ТТЛ, ЭСЛ
БИС
Обеспечение синхронизации
прохождения сигналов
по межсоединениям, составление
программ испытания схем
7
САПР PSPICE
МОП БИС
Временной анализ схемы
ЭСЛ, ТТЛ,
И2Л, МДП
БИС ОЗУ
Определение задержек на каждом
базовом элементе при заданном режиме,
моделирование схемы с учетом
задержек сигналов в топологии
Расчет задержек сигналов в топологии,
анализ состязаний сигналов и переходных
электромагнитных процессов

9. №
п/п
Наименование системы анализа,
САПР, подсистемы САПР,
ППП, программы
Объект
Основные решаемые
задачи анализа
8
САПР VITA
КМОП БИС
Вычисление схемных задержек до и после
топологического проектирования
9
САПР Bull
КМОП
Анализ критических электрических цепей
10
Подсистема САПР MINIC
БИС
Расчет задержек
в межсоединениях кристалла
БИС, СБИС
Вычисление времен задержек распространения
сигналов
в каналах кристаллов
12
Подсистема контроля
помехоустойчивости
МДП БИС
Анализ статической помехоустойчивости
элементов и расчет задержек сигналов в RС –
межсоединениях
13
Комплекс программ расчета
паразитных электромагнитных
взаимодействий
Гибридная ИС
14
Отраслевая САПР РАПИРА-5.3
Микросхем,
микросбора
15
ППП МАКРО
МДП структура
16
Система
программ анализа
элементов и линий связи
(СПАЭЛ)
МПП
Анализ переходных процессов и искажений
сигналов в линиях связи
17
САПР полосковых печатных плат
МПП
Динамический учет электро-магнитных эффектов
в линиях связи при трассировке
11
Программа AUTODELAY
Анализ электромагнитных взаимодействий в
конструкциях
Учет паразитных электромагнитных эффектов при
автоматизированном проектировании
Анализ распределенных электрических цепей с
одним типом реактивностей

10. №
п/п
Наименование системы
анализа, САПР,
подсистемы САПР,
ППП, программы
Объект
Основные решаемые
задачи анализа
18
САПР NESSY
Печатная
плата
Расчет электрических парамет-ров печатного монтажа и
уров-ней электромагнитных помех в нем
19
Программа анализа
отражений в линии связи
Печатная
плата,
кабель
Анализ отражений в одиночной разветвленной длинной
линии
20
Подсистема
автоматизированного
проектирования печатных
плат помехозащищенных
цифровых узлов
Печатная
плата
Расчет электрических парамет-ров межсоединений,
определение задержек сигналов, помех отражения в
линии и уровней пере-крестных помех между двумя
соседними проводниками
Комплекс программ анализа
помехоустойчивости МПП
МПП
Определение электрических параметров
межсоединений, задер-жек сигналов в межсоединениях
и перекрестных помех для элек-трически коротких
участков проводников
(1 активный - 1 пассивный)
22
Программно-методический
комплекс
ПА-7
БИС, СБИС,
печатная
плата,
кабель
Анализ задержек сигналов, их искажений и отражений;
анализ перекрестных помех в системе нескольких
межсоединений
23
Комплекс программ анализа
электродинамического
взаимодействия
Аналоговая
печатная
плата
Анализ электродинамического взаимодействия
проводников на плате
21

11. №
п/п
Наименование системы анализа,
САПР, подсистемы САПР,
ППП, программы
Объект
Основные решаемые
задачи анализа
24
Система проектирования цифровых
устройств
Workview Office
Вентильная
матрица,
гибридная
многокристальная сборка,
печатная
плата
Моделирование задержек
сигналов и искажений, анализ
электрических параметров
межсоединений и
коэффициентов связи
проводников
25
Программа ХМ
Печатная плата
Анализ электромагнитных
связей проводников
26
ППП CAE TOOLS
Печатная плата
Анализ в межсоединениях
эффекта длинных линий
27
Программа
Contec Radio
Печатная плата
Анализ электромагнитных
излучений, отражений сигналов
и перекрестных помех
28
Программа для
высокоскоростных СБИС
СБИС
Анализ влияния
конструктивных параметров на
быстродействие
29
Программы MANDI,
FREACS, COMORAN
Печатная плата
Анализ задержек сигналов, их
отражений и помех
30
ППП для анализа
электромагнитного излучения
Печатная плата
Анализ электромагнитных
излучений

12. №
п/п
Наименование системы
анализа, САПР,
подсистемы САПР,
ППП, программы
Объект
Основные решаемые
задачи анализа
31
ППП Polaris
Печатная плата
Анализ паразитных
электромагнитных эффектов
32
ПО EMC Consultant
Печатная плата
Учет требований ЭМС
33
Набор моделей для анализа
ЭМС
Печатная плата,
радиоэлектронная
аппаратура
34
Программа моделирования
Электронные
приборы
Анализ высокочастотных
эффектов
35
Программа многослойной
трассировки
Многослойные
структуры
Анализ электромагнитных
связей, скин-эффекта,
перекрестных помех
Анализ помехозащищенности
Автоматический конструктор интегральных матричных схем (АКИМС) КМОП БИС
[11] с целью получения топологии с требуемыми динамическими параметрами
выполняет прогноз задержек на связях. При этом межсоединения представляются в
виде сосредоточенных емкостей. Затем с целью аттестации
работоспособности
проектов
БИС
проводится восстановление схемы из топологии и временное
моделирование RC-структур, включающих макромодели логических элементов и
межсоединений.

13. Автоматизированные подсистемы проектирования АСП-65 и АСП-66 [7] позволяют
производить временную верификацию матричных БИС, содержащую следующие
процедуры:
- вычисление
емкостного и омического сопротивлений по известным удельным
величинам и выполненной топологии;
- повторное моделирование схемы с учетом задержек сигналов в топологии при
заданном режиме.
По
результатам
моделирования
возможны
коррекции
топологии
или
перепроектирование БИС.
В составе САПР САМРИС [39] имеется программа ДЕТОПТ для БИС оперативных
запоминающих устройств, предназначенная:
-для оптимального распределения заданной величины задержки распространения
сигнала в топологии БИС;
- ликвидации временных состязаний в цепях БИС;
- коррекции длительности переходных электромагнитных процессов в трактах БИС с
целью обеспечения наилучших условий в системе.

14. Особо следует выделить САПР элементов интегральных схем [220], в состав
которой входят программные комплексы по расчету параметров пассивных элементов
и аналитическому моделированию физико-топологических задач. Расчет электрических
емкостей
межсоединений
многопроводного
осуществляется
участка связанных
для
отрезков
продольно-однородного
межсоединений в двухмерной
постановке. Вычисление параметров неоднородностей межсоединений производится
по аналитическим
аналитическое
моделям,
полученным в приближении Олинера. Дальнейшее
моделирование
функционально
направлению с той разницей, что
электрическими эквивалентами
эти
подобно
модели
не
схемотехническому
являются
элементов, а представляют собой линейные и
нелинейные аппроксимации, зависимости и системы уравнений, составленные либо
формально математически,
либо в виде некоторых композиций аналитических
решений упрощенных физико-топологических задач.
Возможности САПР LDSI, КОМПАС-82, PSPICE, VITA, Bull, подсистемы MINIC и
программы AUTODELAY по решению задач анализа ЭМС ЭС существенно не
отличаются от рассмотренных систем.
Подсистема контроля статической помехоустойчивости [62] и задержек
распространения
проверку МДП БИС.
сигналов
в
межсоединениях
RC-типа
ориентирована на

15. Комплекс программ расчета паразитных взаимодействий [201] позволяет проводить
анализ электромагнитных взаимодействий в гибридной интегральной схеме с реальной
структурой корпуса, то есть с учетом влияния его боковых и торцевых стенок,
параметров,
определяющих
магнитодиэлектрических
поверхностное
постоянных
сопротивление,
а
также
подложки и пространства внутри корпуса.
С помощью отраслевой САПР РАПИРА-5.3 [112, 113] возможен учет паразитных
электромагнитных эффектов, не предусмотренных принципиальной электрической
схемой,при автоматизированном проектировании топологии микросхем и микросборок.
Разработанные математические модели описывают электромагнитные процессы,
протекающие в пленочных элементах микросхем и микросборок. Расчет паразитных
реактивностей
проводников
проводится
по
аналитическим
выражениям,
справедливым в диапазоне частот до 300 МГц.
В составе ППП "МАКРО" [73, 74] реализованы асимптотические адаптируемые
модели для автоматизированного анализа электрических цепей с одним типом
реактивностей.
построении
использовании
Алгоритмы
анализа
цепей
в
ППП "МАКРО"
основаны на
иерархического ряда асимптотических редуцированных моделей и
критериев
перестройки,
быстроменяющихся компонент решения.
учитывающих
время
существования

16. Система программ анализа элементов и линий связи [151] позволяет проводить расчет
задержек сигналов и искажений их формы в системе «элемент – линия связи –
элемент». В основе данного подхода лежит математическая модель, описывающая
поведение импульса напряжения во времени на концах линии связи, и
соответствующая данной модели схема замещения. Модель построена на
аналитическом решении системы дифференциальных уравнений в
частных
производных, описывающей поведение напряжения и тока в одиночной линии
связи без потерь.
САПР полосковых печатных плат [140] динамически учитывает взаимные
перекрестные помехи в линиях связи в процессе трассировки межсоединений на МПП,
а затем выполняет проверочный расчет спроектированной платы с учетом
реальной топологии подключенных элементов. В силу последовательного характера
предложенного динамического алгоритма невозможно учесть влияние вновь
прокладываемых межсоединений на уже проложенные. Кроме того, не учитывается тот
факт, что линии связи могут иметь неоднородности, связанные с изменением
топологии и подключением выводов элементов.
В программе (табл. 4, поз. 19) реализован
метод
анализа
отражений в
одиночной разветвленной линии связи МПП [206]. Метод основан на представлении
межсоединения в виде нескольких независимых двухполюсников для расчета режимов
на концах линии. Связь двухполюсников обеспечивается пересчетом мгновенных
профилей волн в линии. Каждый элемент, подключенный к линии, представляется
моделью из двухполюсников и описывается соответствующим кодом в программе.

17. Подсистема автоматизированного проектирования печатных плат помехозащищенных
цифровых узлов [95, 101] выполняет:
 расчет собственных и взаимных электрофизических параметров межсоединений;

анализ
в
межсоединениях
задержек
распространения
методом
сигналов
характеристик,
и
в
помех
котором
отражения
расчет
для падающей и отраженных волн сведен к решению линейных алгебраических
уравнений;
 расчет
уровней
перекрестных
помех
между
двумя
соседними
проводниками оценивается для начала и конца линии связи через коэффициенты
емкостной и индуктивной связи.
Комплекс программ анализа помехоустойчивости МПП [30] позволяет:
проводить расчет емкостных параметров межсоединений методом частичных
площадок и индуктивных параметров проводников методом участков;
фрагментацию монтажного поля с целью выбора межсоединений для анализа
на
основе
ранжирования элементов схемы по уровням срабатывания и поиска
критичных входных последовательностей сигналов методами структурных тестов
цифровой аппаратуры;
Расчет
электрических
задержек
сигналов
в
межсоединениях
и перекрестных помех для электрически "коротких" участков проводников.

18. Программно-методический комплекс ПА–9 [146] выполняет анализ задержек
сигналов,
их
искажений
и
отражений,
анализ
перекрестных
помех
в
межсоединениях СБИС, печатной платы [262, 263, 287] и кабеля методом
продвижения во времени.
Комплекс программ анализа электродинамического взаимодействия проводников на
аналоговой печатной плате [136, 137] позволяет по заданной принципиальной
электрической схеме и топологии печатной платы определять функциональные
характеристики аналоговых узлов радиоэлектронной аппаратуры. Дискретная
электродинамическая модель проводника в печатной плате представлена на
основе изопараметрических конечных элементов.
Система проектирования цифровых устройств Workview Office [202] имеет
модульную структуру, комплектуемую в зависимости от характера проекта.
Основные модули системы, позволяющие анализировать задачи ЭМС следующие:
1) моделирование цифровых устройств с учетом реальных задержек прохождения
сигналов в вентильных матрицах и печатных платах. Задержки сигналов в
проводниках печатных плат
процедуры
трассировки.
недопустимые
значения
рассчитываются путем оценки длин связей до
В
результате
времени
моделирования
установки/удержания
и
обнаруживаются
контролируются
критические пути прохождения сигналов, проводится анализ случайного разброса
задержек по методу наихудшего случая;

19. 2) анализ целостности сигналов цифровых устройств, т.е. расчет линейных и
нелинейных искажений сигналов, связанных с эффектами распространения
сигналов в проводниках реальных печатных плат и гибридных многокристальных
сборок.
Рассчитываются
волновые
сопротивления,
сопротивления
потерь,
погонные емкости и индуктивности, а также коэффициенты связи произвольной
конфигурации проводников, металлизированных слоев и диэлектриков. Расчеты
производятся на основе данных о топологии печатных плат;
3) оптимизация вентильных матриц по критериям максимального быстродействия или
минимизации площади кристалла. Критерий оптимизации задается глобально для
всего проекта или для каждой его части.
Программа ХМ [371] обеспечивает проектирование межсоединений печатных плат и
навесных элементов с минимальными электромагнитными связями. Программа
позволяет учесть параметры подложки – диэлектрическую постоянную, тангенс угла
потерь и скин–эффект проводников.
ППП САЕ TOOLS [471] позволяет анализировать межсоединения печатных плат на
эффект длинных линий и вносить необходимые изменения в топологию.

20. В программе Contec Radio [351] печатные платы, излучающие электромагнитные
помехи,
моделируются
как
аналоговые
схемы,
а
разводка
проводников
моделируется как линии передачи с большими потерями и множественными
связями. Программа автоматически извлекает электромодели из файлов разводки
печатных плат и в соответствии с распределением во временной области токов и
напряжений
излучений
в
на
проводниках
базе
анализирует
принципов
рамочной
интенсивность
антенны,
электромагнитных
отражения
сигналов
и
перекрестные помехи в высокоскоростных цифровых и аналоговых системах.
Программа для высокоскоростных СБИС [386] позволяет анализировать физическую
структуру, внутренние соединения между кристаллами и тип корпуса с целью
оценки влияния конструктивных параметров на быстродействие. Данная программа
включает
три
многопроводной
вычислительные
структуры
процедуры,
набором
длинных
основанные
линий.
на
Анализ
представлении
характеристик
выполняется на основе метода конечных и граничных элементов или частотного
элемента эквивалентной схемы.
В работе [421] рассматриваются последние направления и разработки в области
машинного проектирования и ЭМС электронных конструкций: программа MANDI
анализирует размещение элементов с учетом расстояний от узлов схем и
соответственно задержки сигналов в межсоединениях печатной платы; FREACS –
эффекты помех и отражений сигналов; COMARAN – электромагнитный режим
трехмерных межсоединений.

21. ППП для анализа электромагнитных излучений с поверхности печатных плат [364]
базируется
на
методе
моментов
для
полной
электромагнитной
волны.
Используется двумерная функция формы “односкатная крыша”, объемная модель
токов поляризации в диэлектрике, модель поверхностных токов в проводниках.
ППП Polaris [372] анализирует и выделяет различные паразитные электромагнитные
эффекты, соответствующие разным структурам печатных проводников. С учетом
этих
эффектов
далее
программа
PSPICE
осуществляет
моделирование характеристик печатных плат, а
имитационное
результаты моделирования
представляются посредством постпроцессора.
Программное
обеспечение
EMC
Consultant
[370]
применяется
для
выбора
технологий компоновки элементов, для выбора межслойных соединений и
источников питания в процессе проектирования печатных плат с учетом требований
ЭМС. Разработчик, пользуясь этим программным обеспечением, может проводить
быстрый анализ всей схемы или ее части на ЭМС. Возникающие при этом
нарушения и отклонения в ЭМС разрабатываемых схем с помощью программного
обеспечения идентифицируются, причем в этом случае обеспечивается выдача
рекомендаций для их устранения или уменьшения. EMC Consultant позволяет на
ранней стадии проектирования печатных плат решать проблемы ЭМС.

22. Полный набор моделей для анализа ЭМС радиоэлектронной аппаратуры
с
применением ЭВМ приводится в [410], начиная с печатных плат и комплектующих
элементов и до комплектов аппаратуры. Эксперты дают рекомендации по
помехозащищенности для аналоговых и цифровых систем на основе прототипов,
по критическим сигналам в межсоединениях
с последующим графическим
представлением результатов.
Предлагается применение метода конечных разностей во временной области для
программы моделирования [406] и автоматизированного конструирования
электронных приборов с высокоскоростными сигналами и повышенной плотностью
пересечения сигнальных каналов, где должны учитываться высокочастотные
эффекты, имеющие место в таких структурах. Конечно–разностная методика во
временной области хорошо подходит для моделирования геометрически сложных
структур и позволяет синтезировать необходимую частотную характеристику этой
структуры. Методика построения во временной области эквивалентных цепей
применима для имитации высокочастотных режимов в диапазоне частот до
нескольких ГГц.
В программе многослойной трассировки [408] реализована новая стратегия для
высококачественных многокристальных модулей, обеспечивающая разводку цепей
с минимальными электромагнитными связями между проводниками и отверстиями,
а также с минимумом неоднородностей в каждом межсоединении. Программа
анализирует скин-эффект и перекрестные помехи в межсоединениях
многокристальных модулей.

23. Контрольные вопросы:
1. Охарактеризуйте спектр задач систем анализа ЭМС ЭС.
2. Назовите основные этапы маршрута проектирования модулей ЭС.
3. Поясните смысл следующих этапов маршрута проектирования модулей ЭС:
компоновка схем, размещение элементов, трассировка межсоединений.
4. Поясните смысл этапа прогнозирования конструктива на ЭМС и оптимизация
ЭМС межсоединений.
5. Перечислите классы систем анализа ЭМС.
6. Охарактеризуйте системы анализа ЭМС конструктивных модулей I уровня.
7. Поясните модели и методы решения в системах анализа ЭМС
конструктивных модулей I уровня.
8. Охарактеризуйте системы анализа ЭМС конструктивных модулей II уровня.
9. Поясните модели и методы решения в системах анализа ЭМС
конструктивных модулей II уровня.
10. Назовите основные допущения в методах решения систем анализа ЭМС
конструктивных модулей I и II уровня.