Xpeedic ViaExpert和SnpExpert的使用和對比分析
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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(shè)計。S參數(shù)是在高速信號傳輸領(lǐng)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(lǐng)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(chǎn)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。
（a） （b）
圖（1）：HFSS ViaWizard
ViaExpert提供了很多經(jīng)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(diào)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(shè)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(wǎng)格，優(yōu)化了網(wǎng)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(jié)果對比，如圖（4）所示，（a）為S參數(shù)結(jié)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(jié)果；（b）為SMD的整個通路TDR結(jié)果。由此可見，ViaExpert和HFSS的結(jié)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(wǎng)格，盡管沒有采用HFSS的FEM有限元算法的自適應(yīng)網(wǎng)格，但是計算精度卻絲毫沒有降低，同時，在這種結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)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(yīng)都可以通過S參數(shù)來描述，S參數(shù)的模值反應(yīng)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(yīng)，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的時域響應(yīng)。
綜上，S參數(shù)是一種能表現(xiàn)互連系統(tǒng)響應(yīng)行為的比較好的方式，因此，對于S參數(shù)的分析，處理，轉(zhuǎn)換在信號完整性分析中至關(guān)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：
Ø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；
Ø支持頻域S參數(shù)和時域TDR的快速顯示，以及SmithChart和Polar繪圖；
Ø支持類似PLTS的網(wǎng)格顯示模式，一鍵式定義差分對和設(shè)置串擾的攻擊線受害線；
Ø內(nèi)置S參數(shù)無緣性，因果性，互易性和穩(wěn)定性指標的檢查；
Ø內(nèi)置延時和抖動計算模塊；
Ø包含調(diào)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(nèi)置報告模板，一鍵式繪制各種曲線，自動生成相應(yīng)的文檔；
Ø除芯片上pad的寄生效應(yīng)，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)
Ø內(nèi)置二維全波求解器用于提取多種傳輸線結(jié)構(gòu)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(jié)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(jīng)過一個長達10inch的差分帶狀線，中間經(jīng)過一次換層，到達連接器區(qū)域，用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)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(jīng)過差分轉(zhuǎn)換后的S參數(shù)；（b）為經(jīng)過SnpExpert轉(zhuǎn)換后的時域TDR反射結(jié)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(jié)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(shè)計中，信號完整性工程師需要設(shè)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(jié)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(zhì)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(shè)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(shè)定此微帶線為1inch下，SnpExpert和HFSS計算下的S參數(shù)，結(jié)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(shè)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(yīng)用工具。
總結(jié)，本文主要針對Xpeedic的兩款信號完整性領(lǐng)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，HFSS ViaWizard，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(yīng)用工具。
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