基于ViaExpert仿真的AC耦合電容阻抗優(yōu)化設計*

本文首先介紹了高速串行鏈路設計中AC耦合電容阻抗優(yōu)化的重要性，然后闡述如何利用Xpeedic蘇州芯禾科技公司旗下軟件ViaExpert對AC耦合電容設計進(jìn)行前仿真，然后指導后續PCB設計，最后PCB完成后進(jìn)行后仿真，完成仿真的閉環(huán)設計。

1 引言

隨著(zhù)高速串行總線(xiàn)的速率越來(lái)越高，鏈路的阻抗也隨之成為SI工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。由于高速串行總線(xiàn)鏈路中唯一的無(wú)源器件就是AC耦合電容，所以在我們對傳輸線(xiàn)阻抗以及過(guò)孔或者連接器的PIN的阻抗優(yōu)化之后，剩下的也就是AC耦合電容的阻抗的優(yōu)化，當然25Gbps鏈路為了進(jìn)一步減小AC耦合通道阻抗不連續性的影響，IC廠(chǎng)家直接把AC耦合電容設計在接收端芯片這里，所以對于正在設計10Gbps鏈路的應用，AC耦合電容成為SI工程師的必修課了。

AC耦合電容的阻抗仿真，因為需要考慮到焊盤(pán)和GND或者POWER平面的容性耦合，所以常規在HFSS中建模會(huì )比較耗費時(shí)間，目前芯禾科技推出的ViaExpert建模工具可以針對各種疊層和電容封裝進(jìn)行AC耦合電容阻抗優(yōu)化前仿真，后續布線(xiàn)階段也可以導入Brd文件提取出AC耦合電容的焊盤(pán)尺寸和掏空的層數和大小，最終仿真出你所能接受的阻抗設計。

2 AC耦合電容的掏空設計

AC耦合電容焊盤(pán)相比鏈路的走線(xiàn)會(huì )比較寬，這樣對于高速信號傳輸來(lái)說(shuō)就是一處阻抗不連續點(diǎn)（如圖1），為保證阻抗的一致性，AC耦合電容的下方需要做多層的掏空，但是由于PCB設計的第3層或者倒數第3層通常是POWER層，挖空后可能會(huì )導致BGA IO口模擬電源的壓降問(wèn)題；目前很多電源模塊都具有Remote Sense功能，可以補償PCB壓降問(wèn)題，所以AC耦合電容焊盤(pán)下方做多層掏空也是可以的。

在此背景下，我們就需要一種仿真工具可以對掏空大小和掏空層數做阻抗優(yōu)化仿真，通過(guò)調整AC耦合電容焊盤(pán)下方的挖空大小以及挖空的層數來(lái)確定單板基于某種疊層下的焊盤(pán)阻抗是否比較接近差分傳輸線(xiàn)的阻抗，最終給出PCB設計的優(yōu)化規則。后續我將介紹如何利用芯禾科技推出的ViaExpert軟件進(jìn)行AC耦合電容阻抗優(yōu)化仿真的設計。

圖1 高速串行鏈路中AC耦合電容的設計

3 AC耦合電容阻抗前仿真優(yōu)化

在芯禾科技發(fā)布的最新ViaExpert版本中，有專(zhuān)門(mén)針對AC耦合電容阻抗仿真的優(yōu)化流程，軟件界面如下圖2所示。疊層可以利用軟件默認設置也可以由用戶(hù)PCB疊層，通過(guò)Import按鈕導入。AC耦合電容這里可以支持一對差分也可以支持多對差分進(jìn)行AC耦合電容的串擾仿真，這里我們只以單對差分為例進(jìn)行仿真。

圖2 AC耦合電容建模初始界面

上圖確定好疊層和AC耦合電容的對數之后我們就可以對單對AC耦合電容的出線(xiàn)及信號孔和地孔做更詳細的設置，具體設置信息如下圖3所示。

圖3 AC耦合電容建模設置

這里我們以0402的AC耦合電容為例進(jìn)行仿真，一端Botm層通過(guò)換層過(guò)孔連接Top面的AC耦合電容，另外一端通過(guò)過(guò)孔再連接到Art12層，這里我們分別仿真3種情況；電容掏空到GND02層，X方向掏34mil，Y方向掏66mil（Case1）。模型建好后的3D效果圖如圖4所示。

圖4 AC耦合電容3D效果圖（Case1）

電容掏空到GND02層，X方向掏28mil，Y方向掏58mil（Case2），如圖5所示。

圖5 AC耦合電容3D效果圖（Case2）

電容掏空到POWER04層，X方向掏34mil，Y方向掏66mil（Case3），如圖6所示。

圖6 AC耦合電容3D效果圖（Case3）

模型生成好后，電容出線(xiàn)的兩端會(huì )自動(dòng)生成Wave Port，所以不需要你手動(dòng)去設置Port，這里還有一點(diǎn)就是材料的參數以及孔徑需要你去設置，材料參數設置因為是前仿真，所以用Djordjevic-Sarkar Model Input簡(jiǎn)單的頻變模型（圖7），只需要設置一個(gè)頻點(diǎn)的Dk和Df值就可以求解寬帶的頻變曲線(xiàn)。具體設置界面如下所示，這里我們板材選用FR-4，Dk和Df的值選擇1GHz頻點(diǎn)。

圖7 Djordjevic-Sarkar Model Input

Case1和Case2參數分別設置好之后，我們就可以開(kāi)始仿真，仿真頻率范圍設為10MHz-20GHz頻段。具體設置如下圖8所示，芯禾科技在最新的版本當中加入了Dense Mesh功能，可以在對結構復雜區域增加Mesh的數量，客戶(hù)可以通過(guò)勾選項自行選擇。

圖8 仿真引擎設置

下面是Case1，Case2，Case3三種情況下AC耦合電容插入損耗，回波損耗以及差分阻抗曲線(xiàn)，分別如圖9,圖10及圖11所示。這里使用的是Xpeedic公司的SnpExpert對S參數進(jìn)行比較。

圖9 3種Case的插入損耗曲線(xiàn)

圖10 3種Case的回波損耗曲線(xiàn)

圖11 3種Case的差分阻抗曲線(xiàn)

從以上3種情況的仿真結果可以看出，掏空2層的阻抗是最接近100ohm的，所以在5.16GHz基頻處的插入損耗和回波損耗也是最優(yōu)秀的，但是和掏空1層的結果差別不是太大，Case2情況是最差的，因為掏空區域變小了，差分阻抗變低了。所以后續我們在PCB設計階段就可以根據以上前仿真結果進(jìn)行指導，對于通流比較緊張的情況，我們只掏空GND02層的地，對于POWER03或者ART03空間寬裕的情況下，可以掏2層處理。

4 AC耦合電容阻抗后仿真驗證

根據上節3種Case情況下的仿真結果和PCB設計的實(shí)際情況，AC耦合電容只掏空GND02層，掏空尺寸為X方向掏34mil，Y方向掏66mil。因為ViaExpert可以直接導入Brd文件，所以在PCB設計完成后在ViaExpert里面直接對Brd進(jìn)行解析，提取出板上的AC耦合電容和出線(xiàn)。PCB實(shí)際AC耦合電容的設計以及導入到ViaExpert中提取完成的3D效果圖分別如圖12和圖13所示。

圖12 實(shí)際AC耦合電容出線(xiàn)

圖13 實(shí)際AC耦合電容3D效果圖

因為ViaExpert里面提取Brd無(wú)法獲得電容相應的模型，所以后仿真需要把模型導入到HFSS中，然后加上AC耦合電容的Model，最終如圖14所示。

圖14 實(shí)際AC耦合電容3D效果圖

仿真結果如下圖15，圖16，圖17所示?；竞颓胺抡娼Y果一致

圖15 實(shí)際AC耦合電容后仿真插入損耗

圖16 實(shí)際AC耦合電容后仿真回波損耗

圖17 實(shí)際AC耦合電容后仿真差分阻抗

5 結論

本文介紹了如何利用Xpeedic公司旗下的ViaExpert軟件對高速串行鏈路AC耦合電容的前仿真差分阻抗優(yōu)化以及PCB后仿真建模，前仿真得出設計方向后指導PCB設計，最后后仿真確定設計是否滿(mǎn)足要求，最終保證高速串行鏈路設計的一板成功。