搜索Xpeedic ViaExpert和SnpExpert的使用和對比分析
2016-12-11 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網
本文作者為思科系統(tǒng)(中國)研發(fā)有限公司的吉中福、張碩、馬文斌
隨著現(xiàn)在高速背板信號的速度越來越快,多層PCB的過孔所引發(fā)的信號完整性問題原來越嚴重,越來越多的信號完整性工程師需要借助EDA工具來幫助評估以及過孔模型的設計。S參數(shù)是在高速信號傳輸領域中,描述無源器件傳輸特性的重要方式。 本文就芯禾科技Xpeedic的兩款軟件ViaExpert,以及SnpExpert和行業(yè)的一些標準軟件進行對比分析,說明了這兩款軟件在信號完整性仿真領域的一些優(yōu)勢。
(1)ViaExpert
在高速信號PCB板中,信號為完成在不同的走線層之間的傳輸,不可避免的需要以過孔的形式進行過渡,正是因為過孔模型的引入,破壞了傳輸線的連續(xù)性,導致了信號在這里產生的反射和失真,引發(fā)了嚴重的信號完整性問題。因此,信號完整性工程師越來越多的使用EDA軟件來幫助評估PCB過孔。
目前市場上主流的一些仿真工具都可以進行PCB的前仿真和后仿真,但是根據(jù)不同的疊層以及加工工藝進行不同的過孔模型的建模,成為了信號完整性工程師的難題。例如,現(xiàn)在比較主流的有Ansoft HFSS的ViaWizard軟件,如圖(1)所示。ViaWizard提供了很好的半自動建模過孔的方式,且可以和HFSS無縫對接,但是缺點就是,過孔的模型比較單一,不能滿足信號完整性模型多樣化的需求。
圖(1):HFSS ViaWizard
ViaExpert提供了很多經典的建模模板,通過這些自帶的模板,可以很方便的將過孔模型建立起來,如圖(2)所示,ViaExpert提供了差分過孔,表貼器件,AC耦合電容,BGA球,過孔陣列模板,我們選擇其中的“Model With SMD”作為例子。SMD(Surface Mounted Devices,表面貼裝器件)
圖(2)
如圖(3)(a)所示,利用ViaExpert自帶的SMD模型,其中包括SMD的Package參數(shù),可以很方便的定義過孔所連接走線的所在層,線寬,線長,信號孔焊盤,地孔的個數(shù),過孔的Pad,Antipad大小,同時還可以調整激勵源在Pin上的位置,模擬表貼器件的焊接位置。ViaExpert同時也支持導出所有的模型及計算求解設置到CST和HFSS中,為做對比,同時將模型導入到AnsoftHFSS中,如圖(3)(b)所示。值得一提的是,因為ViaExpert對于CST和HFSS的無縫對接,在模型導入后,直接就可以進行計算。
(a)
(b)
圖(3)
ViaExpert采用Hybrid求解器采用混合算法,對于特定的模型,對于不同的區(qū)域采用不同的電磁算法,優(yōu)化了算法的效率,同時智能地判斷信號的傳輸路徑和返回路徑,在這些區(qū)域重點剖分網格,優(yōu)化了網格的剖分。
(a)
(b)
圖(4)
最后我們來看下使用ViaExpert和HFSS的仿真后的結果對比,如圖(4)所示,(a)為S參數(shù)結果,紅色和綠色曲線分別為ViaExpert的S11和S21,藍色和紫色曲線為HFSS的計算結果;(b)為SMD的整個通路TDR結果。由此可見,ViaExpert和HFSS的結果是非常接近的。又正如前面所說,ViaExpert在采用了混合算法和優(yōu)化路徑網格,盡管沒有采用HFSS的FEM有限元算法的自適應網格,但是計算精度卻絲毫沒有降低,同時,在這種結構的求解速度上,ViaExpert的優(yōu)勢卻十分的明顯,在HFSS使用HPC分布式計算的基礎上,ViaExpert差不多有3倍速度的提升。
綜上所述,ViaExpert是一款可以快速準確簡單進行多種過孔模型的建模和仿真的工具,在這些特殊的模型上,ViaExpert具有非常大的優(yōu)勢。
(2)SnpExpert
S參數(shù)是對互連器件或者系統(tǒng)的微波屬性的完美描述,S參數(shù)矩陣的每個參量事實上都是正弦信號從互連系統(tǒng)的某一端口的輸出和另一端口輸入的比較。在傳輸線結構中,S參數(shù)在形式上就定義了哪個端口是信號的輸入,哪個端口是輸出,因此S參數(shù)可以描述傳輸線到傳輸線的傳輸,反射,串擾等直接的測量結果。在差分對中也是可以直接測量的。
在信號完整性分析中,時域波形的傳輸特性至關重要,雖然S參數(shù)是基于正弦波行為而得到的,但是對于所有線性時不變的互連系統(tǒng),通過了解正弦波的行為就可以了解其它波形的行為。例如,互連系統(tǒng)對時域波形的每種頻率響應都可以通過S參數(shù)來描述,S參數(shù)的模值反應了系統(tǒng)能量在不同端口之間的比例,相位信息攜帶著傳輸時間等信息,通過數(shù)學上的傅里葉變化,就將S參數(shù)所表征的頻率響應,轉換成對應的時域響應。
綜上,S參數(shù)是一種能表現(xiàn)互連系統(tǒng)響應行為的比較好的方式,因此,對于S參數(shù)的分析,處理,轉換在信號完整性分析中至關重要。
圖(5)
目前市場上針對S參數(shù)處理和分析比較高效的工具有Xpeedic的SnpExpert,如圖(5)所示,特點鮮明,功能豐富:
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支持多個標準Touchstone格式的S參數(shù)并行導入,并且支持大端口數(shù)據(jù)的導入;
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支持頻域S參數(shù)和時域TDR的快速顯示,以及SmithChart和Polar繪圖;
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支持類似PLTS的網格顯示模式,一鍵式定義差分對和設置串擾的攻擊線受害線;
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內置S參數(shù)無緣性,因果性,互易性和穩(wěn)定性指標的檢查;
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內置延時和抖動計算模塊;
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包含調整端口順序,S參數(shù)拆分和S參數(shù)合并等專業(yè)S參數(shù)處理功能內置報告模板,一鍵式繪制各種曲線,自動生成相應的文檔;
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除芯片上pad的寄生效應,直通去嵌用于移除測量工具的影響,從而得到被測器件的S參數(shù)
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內置二維全波求解器用于提取多種傳輸線結構的RLCG參數(shù)和S參數(shù);
以其中一兩個功能為例,S參數(shù)的顯示和TDR的結果,對于評估一個系統(tǒng)非常重要,前者可以知道系統(tǒng)的損耗,后者可以直觀的觀測到系統(tǒng)通道的連續(xù)性情況。以一實際高速系統(tǒng)為例,通道從BGA區(qū)域出線,經過一個長達10inch的差分帶狀線,中間經過一次換層,到達連接器區(qū)域,用安捷倫矢量網絡分析儀測得了S參數(shù)。如圖(6)所示,(a)為其在SnpExpert打開下的經過差分轉換后的S參數(shù);(b)為經過SnpExpert轉換后的時域TDR反射結果。由此可以非常直觀的分析整個系統(tǒng)的頻域和時域特性。
(a)
(b)
圖(6)
圖(7)是同樣的用安捷倫PLTS軟件處理的S參數(shù),結果幾乎一致,由此可見,SnpExpert跟同類軟件相比,同樣的高效準確。
(a)
(b)
圖(7)
在高速互連系統(tǒng)設計中,信號完整性工程師需要設計PCB的阻抗連續(xù),以及評估系統(tǒng)通道在PCB上的損耗,SnpExpert的二維全波求解,可以幫助工程師快速的得到結果。以一微帶線為例,微帶線因為傳輸線置于空氣中,信號一部分位于介質基板中,一部分位于空氣,電磁場的傳輸過程更加的復雜。
如圖(8)所示,首先以行業(yè)的標準軟件SI9000,設計一對真實高速系統(tǒng)PCB表層差分出線,參數(shù)輸入后,得出其差分阻抗為97.24ohm。打開SnpExpert的二維求解器,輸入相同的參數(shù),如圖(9)所示。
圖(8)
圖(9)
如圖(10)(a)所示,紅色曲線為SnpExpert計算的頻帶從DC-20GHz下的微帶線的阻抗,在5GHz下,阻抗為98ohm。紫色為HFSS計算的阻抗,為97ohm。三款軟件,都有相同的計算精度。圖(b)為此設定此微帶線為1inch下,SnpExpert和HFSS計算下的S參數(shù),結果幾乎一致,而回波損耗大概5dB的誤差,源自于SnpExpert在計算的時,以計算的阻抗為參考,而HFSS以標準100ohm為參考阻抗。
(a)
(b)
圖(10)
綜上,SnpExpert功能強大,既能如PLTS那樣處理S參數(shù),又能像SI9000一樣設計二維傳輸線的阻抗,同時還能如HFSS一樣計算傳輸線的損耗,集這些軟件的優(yōu)勢為一體,是信號完整性工程師好的應用工具。
總結,本文主要針對Xpeedic的兩款信號完整性領域的分析軟件ViaExpert和SnpExpert進行簡單的介紹試用,并通過其與行業(yè)其它標準軟件,HFSSViaWizard,HFSS,Agilent PLTS,SI9000等軟件進行對比,說明了Xpeedic的ViaExpert和SnpExpert這兩款軟件的功能強大,計算準確快速,同時智能化程度高,操作簡單方便,證明是信號完整性工程師不可多得的應用工具。
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