Xpeedic ViaExpert和SnpExpert的使用和对比分析

思科系统(中国)研发有限公司

吉中福(zhoji@cisco.com),张硕(shuozha@cisco.com),马文斌(wenma@cisco.com)

         随着现在高速背板信号的速度越来越快,多层PCB的过孔所引发的信号完整性问题原来越严重,越来越多的信号完整性工程师需要借助EDA工具来帮助评估以及过孔模型的设计。S参数是在高速信号传输领域中,描述无源器件传输特性的重要方式。 本文就芯禾科技Xpeedic的两款软件ViaExpert,以及SnpExpert和行业的一些标准软件进行对比分析,说明了这两款软件在信号完整性仿真领域的一些优势。

(1)ViaExpert

         在高速信号PCB板中,信号为完成在不同的走线层之间的传输,不可避免的需要以过孔的形式进行过渡,正是因为过孔模型的引入,破坏了传输线的连续性,导致了信号在这里产生的反射和失真,引发了严重的信号完整性问题。因此,信号完整性工程师越来越多的使用EDA软件来帮助评估PCB过孔。

         目前市场上主流的一些仿真工具都可以进行PCB的前仿真和后仿真,但是根据不同的叠层以及加工工艺进行不同的过孔模型的建模,成为了信号完整性工程师的难题。例如,现在比较主流的有Ansoft HFSS的ViaWizard软件,如图(1)所示。ViaWizard提供了很好的半自动建模过孔的方式,且可以和HFSS无缝对接,但是缺点就是,过孔的模型比较单一,不能满足信号完整性模型多样化的需求。

      图一a图一b

(a)                                                                    (b)

图(1):HFSS ViaWizard

         ViaExpert提供了很多经典的建模模板,通过这些自带的模板,可以很方便的将过孔模型建立起来,如图(2)所示,ViaExpert提供了差分过孔,表贴器件,AC耦合电容,BGA球,过孔阵列模板,我们选择其中的“Model With SMD”作为例子。SMD(Surface Mounted Devices,表面贴装器件)

图二

图(2)

         如图(3)(a)所示,利用ViaExpert自带的SMD模型,其中包括SMD的Package参数,可以很方便的定义过孔所连接走线的所在层,线宽,线长,信号孔焊盘,地孔的个数,过孔的Pad,Antipad大小,同时还可以调整激励源在Pin上的位置,模拟表贴器件的焊接位置。ViaExpert同时也支持导出所有的模型及计算求解设置到CST和HFSS中,为做对比,同时将模型导入到AnsoftHFSS中,如图(3)(b)所示。值得一提的是,因为ViaExpert对于CST和HFSS的无缝对接,在模型导入后,直接就可以进行计算。

图三a   图三b

(a)                                                                                              (b)

图(3)

          ViaExpert采用Hybrid求解器采用混合算法,对于特定的模型,对于不同的区域采用不同的电磁算法,优化了算法的效率,同时智能地判断信号的传输路径和返回路径,在这些区域重点剖分网格,优化了网格的剖分。

图四a  图四b

(a)                                                                                                                            (b)

图(4)

         最后我们来看下使用ViaExpert和HFSS的仿真后的结果对比,如图(4)所示,(a)为S参数结果,红色和绿色曲线分别为ViaExpert的S11和S21,蓝色和紫色曲线为HFSS的计算结果;(b)为SMD的整个通路TDR结果。由此可见,ViaExpert和HFSS的结果是非常接近的。又正如前面所说,ViaExpert在采用了混合算法和优化路径网格,尽管没有采用HFSS的FEM有限元算法的自适应网格,但是计算精度却丝毫没有降低,同时,在这种结构的求解速度上,ViaExpert的优势却十分的明显,在HFSS使用HPC分布式计算的基础上,ViaExpert差不多有3倍速度的提升。
综上所述,ViaExpert是一款可以快速准确简单进行多种过孔模型的建模和仿真的工具,在这些特殊的模型上,ViaExpert具有非常大的优势。
(2)SnpExpert

         S参数是对互连器件或者系统的微波属性的完美描述,S参数矩阵的每个参量事实上都是正弦信号从互连系统的某一端口的输出和另一端口输入的比较。在传输线结构中,S参数在形式上就定义了哪个端口是信号的输入,哪个端口是输出,因此S参数可以描述传输线到传输线的传输,反射,串扰等直接的测量结果。在差分对中也是可以直接测量的。

         在信号完整性分析中,时域波形的传输特性至关重要,虽然S参数是基于正弦波行为而得到的,但是对于所有线性时不变的互连系统,通过了解正弦波的行为就可以了解其它波形的行为。例如,互连系统对时域波形的每种频率响应都可以通过S参数来描述,S参数的模值反应了系统能量在不同端口之间的比例,相位信息携带着传输时间等信息,通过数学上的傅里叶变化,就将S参数所表征的频率响应,转换成对应的时域响应。

         综上,S参数是一种能表现互连系统响应行为的比较好的方式,因此,对于S参数的分析,处理,转换在信号完整性分析中至关重要。

图五

图(5)

         目前市场上针对S参数处理和分析比较高效的工具有Xpeedic的SnpExpert,如图(5)所示,特点鲜明,功能丰富:

  • 支持多个标准Touchstone格式的S参数并行导入,并且支持大端口数据的导入;支持频域S参数和时域TDR的快速显示,以及SmithChart和Polar绘图;
  • 支持类似PLTS的网格显示模式,一键式定义差分对和设置串扰的攻击线受害线;
  • 内置S参数无缘性,因果性,互易性和稳定性指标的检查;
  • 内置延时和抖动计算模块;
  • 包含调整端口顺序,S参数拆分和S参数合并等专业S参数处理功能内置报告模板,一键式绘制各种曲线,自动生成相应的文档;
  • 除芯片上pad的寄生效应,直通去嵌用于移除测量工具的影响,从而得到被测器件的S参数;
  • 内置二维全波求解器用于提取多种传输线结构的RLCG参数和S参数;

         以其中一两个功能为例,S参数的显示和TDR的结果,对于评估一个系统非常重要,前者可以知道系统的损耗,后者可以直观的观测到系统通道的连续性情况。以一实际高速系统为例,通道从BGA区域出线,经过一个长达10inch的差分带状线,中间经过一次换层,到达连接器区域,用安捷伦矢量网络分析仪测得了S参数。如图(6)所示,(a)为其在SnpExpert打开下的经过差分转换后的S参数;(b)为经过SnpExpert转换后的时域TDR反射结果。由此可以非常直观的分析整个系统的频域和时域特性。

图六a图六b

(a)                                                                                                                    (b)

图(6)

         图(7)是同样的用安捷伦PLTS软件处理的S参数,结果几乎一致,由此可见,SnpExpert跟同类软件相比,同样的高效准确。

图七a    图七b

(a)                                                                                                                      (b)

图(7)

         在高速互连系统设计中,信号完整性工程师需要设计PCB的阻抗连续,以及评估系统通道在PCB上的损耗,SnpExpert的二维全波求解,可以帮助工程师快速的得到结果。以一微带线为例,微带线因为传输线置于空气中,信号一部分位于介质基板中,一部分位于空气,电磁场的传输过程更加的复杂。
如图(8)所示,首先以行业的标准软件SI9000,设计一对真实高速系统PCB表层差分出线,参数输入后,得出其差分阻抗为97.24ohm。打开SnpExpert的二维求解器,输入相同的参数,如图(9)所示。

图八

图(8)

图九图(9)

         如图(10)(a)所示,红色曲线为SnpExpert计算的频带从DC-20GHz下的微带线的阻抗,在5GHz下,阻抗为98ohm。紫色为HFSS计算的阻抗,为97ohm。三款软件,都有相同的计算精度。图(b)为此设定此微带线为1inch下,SnpExpert和HFSS计算下的S参数,结果几乎一致,而回波损耗大概5dB的误差,源自于SnpExpert在计算的时,以计算的阻抗为参考,而HFSS以标准100ohm为参考阻抗。

 图十a图十b

 (a)                                                                                                                   (b)

图(10)

         综上,SnpExpert功能强大,既能如PLTS那样处理S参数,又能像SI9000一样设计二维传输线的阻抗,同时还能如HFSS一样计算传输线的损耗,集这些软件的优势为一体,是信号完整性工程师好的应用工具。

总结,本文主要针对Xpeedic的两款信号完整性领域的分析软件ViaExpert和SnpExpert进行简单的介绍试用,并通过其与行业其它标准软件,HFSS ViaWizard,HFSS,Agilent PLTS,SI9000等软件进行对比,说明了Xpeedic的ViaExpert和SnpExpert这两款软件的功能强大,计算准确快速,同时智能化程度高,操作简单方便,证明是信号完整性工程师不可多得的应用工具。