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ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章图 , 以 及 提 供 全 波 SPICE 模 型 , 该 模 型 可 用 在 Designer 和 其 他 信 号 完 整 性 分 析 工 具 中 。 针 对封 装 和 PCB 板 上 高 速 串 行 信 号 的 信 号 完 整 性 问 题 , 工 程 师 可 以 使 用 HFSS 轻 松 地 设 计 并 评 估连 接 器 、 传 输 线 及 PCB 上 的 过 孔 , 高 速 元 件 引 起 的 信 号 完 整 性 和 电 磁 干 扰 性 能 。 最 新 版 本 的HFSS 除 了 提 供 频 域 有 限 元 电 磁 场 求 解 器 , 还 增 加 了 积 分 方 程 求 解 器 IE, 以 及 时 域 有 限 元 电 磁场 求 解 器 HFSS-Transient, 使 得 求 解 电 磁 场 问 题 的 规 模 和 效 率 进 一 步 提 高 。图 3.2 HFSS 仿 真 技 术3.2.2 功 能 简 介HFSS 提 供 三 维 建 模 、 电 磁 场 仿 真 和 结 果 后 处 理 集 成 化 环 境 , 可 以 广 泛 用 于 微 波 天 线 、 波导 、 滤 波 器 、 信 号 完 整 性 和 电 磁 兼 容 等 领 域 的 仿 真 。 独 有 的 自 适 应 网 格 剖 分 和 丰 富 的 边 界 条 件设 置 , 能 确 保 求 解 精 确 稳 定 , 使 得 初 学 者 能 够 与 资 深 使 用 者 一 样 , 方 便 简 单 地 得 到 精 确 的 分 析结 果 。3.2.3 HFSS 在 信 号 完 整 性 分 析 中 的 作 用HFSS 是 功 能 强 大 的 任 意 三 维 结 构 电 磁 场 全 波 仿 真 设 计 工 具 和 EMI 集 成 仿 真 验 证 环 境 。HFSS 可 以 对 设 计 中 的 任 意 三 维 结 构 进 行 从 直 流 到 几 十 GHz 范 围 的 全 波 分 析 , 以 S 参 数 显 示 ,用 于 分 析 信 号 的 传 输 、 反 射 及 匹 配 特 性 , 计 算 辐 射 、 色 散 、 模 式 转 换 和 材 料 频 变 效 应 等 对 信 号传 输 的 影 响 , 如 整 个 电 子 设 计 系 统 高 速 关 键 路 径 , 包 括 : 子 电 路 板 / 背 板 的 高 速 信 号 线 、 过 孔 、电 缆 、 封 装 、 连 接 器 等 , 并 进 一 步 设 计 和 优 化 。HFSS 也 可 以 配 合 SIwave 和 Q3D 和 AnsoftDesigner 使 用 , 用 于 分 析 机 箱 机 柜 环 境 中 , 一 个 或 多 个 PCB 单 板 、 电 源 部 件 和 线 束 线 缆 的 屏蔽 效 应 和 对 外 的 EMI 辐 射 , 从 而 考 察 机 箱 材 料 、 结 构 和 开 槽 等 对 系 统 EMI 辐 射 的 影 响 。33

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例3.2.4 工 作 窗 口观 察 如 图 3.3 所 示 的 HFSS 工 作 窗 口 可 知 ,HFSS 是 基 于 Windows 操 作 风 格 的 界 面 , 将 项目 管 理 窗 口 (Project Manager)、 建 模 窗 口 (Modeler), 以 及 属 性 (property)、 信 息 (message)、进 程 (process) 等 辅 助 窗 口 集 成 在 一 个 界 面 下 。 所 有 的 操 作 都 可 以 通 过 菜 单 、 工 具 栏 、 对 话 框 ,鼠 标 右 键 等 方 式 快 捷 操 作 。Menu barToolbarsProjectManagewith projecttree3D ModelerWindowProperty WindowMessageManagerProgressWindowStatusbarCoordinate Entry Fields图 3.3 HFSS 的 工 作 窗 口3.2.5 基 本 操 作HFSS 在 安 装 完 成 后 , 桌 面 出 现 如 下 图 标 。双 击 打 开 后 , 选 择 求 解 类 型 。 对 于 绝 大 多 数 SI 问 题 , 都 使 用 频 域 有 限 元 求 解 器 , 因 此 选择 Project→Insert HFSS Design, 或 者 图 标 。HFSS 的 仿 真 流 程 可 以 由 图 3.4 概 括 。开 始 一 个 项 目 后 , 首 先 要 选 择 仿 真 类 型 。HFSS 包 含 四 种 基 本 仿 真 类 型 :Driven Modal、Driven Terminal、Eigen Mode、Transient, 可 以 根 据 设 计 需 要 选 择 不 同 的 求 解 类 型 。Driven Model和 Driven Terminal 都 是 在 有 源 驱 动 ( 可 理 解 为 需 要 端 口 激 励 ) 的 情 况 下 的 求 解 类 型 。 其 中 DrivenModal 求 解 类 型 的 典 型 应 用 在 微 带 线 、 波 导 等 传 输 线 结 构 , 采 用 这 种 求 解 类 型 得 到 的 S 参 数 是基 于 主 模 到 高 次 模 的 各 种 模 式 的 广 义 S 参 数 ;Driven Terminal 求 解 类 型 的 典 型 应 用 在 终 端 为 多34

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章根 导 体 的 传 输 线 , 比 如 差 分 线 , 这 种 端 口 需 要 定 义 终 端 线 , 求 解 得 到 的 S 参 数 是 基 于 终 端 的 ,例 如 差 分 线 可 得 到 差 模 及 共 模 的 S 参 数 值 。 对 于 天 线 和 微 波 器 件 的 仿 真 多 用 Driven Model, 而Driven Terminal 在 电 路 、 高 速 互 连 设 计 中 用 得 较 多 , 一 般 的 SI 问 题 , 大 多 选 择 Driven Terminal方 式 , 如 图 3.5 所 示 。图 3.4 HFSS 仿 真 流 程HFSS 为 用 户 提 供 一 个 方 便 的 三 维 绘 图 建 模 环 境 , 既 可 以 在 其 中 画 出 分 析 对 象 的 三 维 结 构 ,输 入 材 料 参 数 , 进 行 仿 真 分 析 , 也 可 以 导 入 AutoCAD、Pro/E、STEP、IGES、ACIS 等 机 械 结 构设 计 文 件 , 或 者 通 过 AnsoftLinks 导 入 PCB 或 封 装 的 局 部 模 型 , 设 置 材 料 和 边 界 条 件 后 直 接 做仿 真 。 仿 真 结 果 可 以 是 坐 标 系 下 的 辐 射 场 量 , 也 可 以 是 三 维 或 动 画 云 图 。 在 绘 图 之 前 如 图 3.6所 示 选 择 单 位 , 然 后 在 图 3.7 软 件 自 带 的 材 料 库 中 选 择 材 料 , 最 后 如 图 3.8 所 示 绘 制 模 型 结 构 。图 3.5 Driven Terminal 方 式图 3.6 选 择 单 位电 磁 场 有 限 元 求 解 需 要 设 置 端 口 (Port) 和 边 界 条 件 (Boundary Condition), 一 般 在 需 要 分析 的 目 标 和 参 考 平 面 ( 或 者 外 边 界 ) 之 间 , 绘 制 二 维 平 面 作 为 端 口 设 置 激 励 。 端 口 分 为 波 端 口(Wave Port) 和 集 总 端 口 (Lump Port)。 一 般 暴 露 在 外 围 边 界 处 的 端 口 设 置 为 波 端 口 , 模 型 内部 的 端 口 设 置 为 集 总 端 口 。 选 择 菜 单 HFSS→Excitations→Assign→Lumped Port, 如 图 3.9 所 示 ,35

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章通 常 在 求 解 模 型 外 部 需 要 绘 制 一 个 空 气 盒 子 (airbox) 作 为 求 解 区 域 , 这 个 盒 子 需 要 包 围所 有 的 互 联 结 构 , 而 且 外 延 一 定 距 离 , 这 个 距 离 通 常 在 十 分 之 一 波 长 到 四 分 之 一 波 长 之 间 , 取决 于 目 标 对 外 辐 射 能 量 的 大 小 。 选 中 这 个 空 气 盒 子 , 选 择 菜 单 HFSS→Boundaries→Assign→Radiation…, 选 择 Radiating Only, 如 图 3.10 所 示 。图 3.10 设 置 Radiation Boundary下 面 进 行 仿 真 求 解 设 置 , 选 择 菜 单 HFSS→Analysis Setup→Add Solution Setup。 有 关 求 解频 率 、 迭 代 次 数 和 误 差 门 限 的 设 置 如 图 3.11 所 示 。Add Solution SetupToolbar图 3.11 仿 真 求 解 设 置SI 仿 真 通 常 还 需 要 宽 带 扫 频 , 因 此 进 行 扫 频 设 置 , 包 括 起 止 频 率 、 取 点 数 和 扫 频 方 式 ,如 图 3.12 所 示 。以 上 设 置 完 成 并 检 查 (Validate) 无 误 后 , 就 可 以 开 始 仿 真 (Analyze All) 了 , 如 图 3.13所 示 。HFSS 仿 真 结 束 后 , 可 以 在 报 告 中 输 出 SYZ 参 数 , 以 及 二 维 三 维 场 图 。 选 择 菜 单 HFSS→Results→Create Terminal Solution Data Report→Rectangular Plot, 可 以 输 出 S 参 数 , 结 果 如 图 3.14 所 示 ,选 择 菜 单 HFSS→Fields→Plot Fields→E→Mag_E, 输 出 的 二 维 三 维 场 图 如 图 3.15 所 示 。37

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例Add SweepToolbar图 3.12 扫 频 设 置ValidateAnalyze All图 3.13 检 查 和 仿 真图 3.14 输 出 S 参 数 结 果图 3.15 场 图38

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章3.3 Designer 软 件3.3.1 Designer 概 述Designer 是 ANSYS 公 司 推 出 的 高 性 能 信 号 完 整 性 分 析 和 RFIC、MMIC、 无 线 传 输 系 统 、SoC, 以 及 其 他 微 波 射 频 器 件 的 设 计 平 台 。 这 个 平 台 方 便 地 集 成 了 缜 密 的 电 磁 场 和 复 杂 的 电 路系 统 仿 真 功 能 , 具 有 晶 体 管 级 的 仿 真 精 度 、 极 大 的 电 路 容 量 、 极 高 的 仿 真 速 度 和 杰 出 的 收 敛 性 。3.3.2 功 能 简 介Designer 为 高 速 电 路 和 微 波 射 频 电 路 系 统 设 计 者 提 供 一 个 全 集 成 的 图 形 化 设 计 环 境 , 实 现了 原 理 图 绘 制 、 版 图 绘 制 和 导 入 、 电 路 设 计 和 优 化 、 参 数 扫 描 、 敏 感 度 分 析 、 统 计 分 析 、 仿 真结 果 后 处 理 等 全 面 功 能 。 适 用 于 多 种 高 速 信 号 传 输 总 线 设 计 , 例 如 XAUI、XFI、SATA、PCIE、HDMI、DDRx 等 总 线 构 架 。 通 过 动 态 链 接 和 ANSYS 强 大 的 电 磁 场 分 析 软 件 : 准 静 态 电 磁 场工 具 Q3D、 三 维 全 波 电 磁 场 工 具 HFSS, 以 及 PCB 板 级 SI/PI/EMI 仿 真 工 具 SIwave, 协 同 进行 电 路 和 电 磁 场 仿 真 , 方 便 地 对 PCB、 数 模 混 合 电 路 和 高 速 串 行 通 道 的 时 域 和 频 域 进 行 仿 真分 析 , 得 到 信 号 波 形 、 眼 图 、 同 步 开 关 噪 声 (SSN)、 同 步 开 关 输 出 (SSO), 电 源 / 地 的 波 动 、数 模 干 扰 等 分 析 结 果 , 高 精 度 地 完 成 Gigabit 传 输 通 道 、 高 速 存 储 总 线 和 EMI/EMC 设 计 。3.3.3 Designer 在 信 号 完 整 性 分 析 中 的 作 用Designer 作 为 ANSYS 高 速 电 路 仿 真 工 具 和 集 成 化 管 理 工 具 , 在 信 号 完 整 性 分 析 中 的 主 要作 用 体 现 在 以 下 几 点 :1. 设 计 输 入 和 管 理Desinger 由 灵 活 易 用 的 原 理 图 、 版 图 编 辑 模 块 和 高 精 度 、 大 容 量 的 可 视 化 电 路 仿 真 引 擎 模块 组 成 。 能 够 导 入 主 流 的 ECAD 版 图 设 计 工 具 (Cadence、Mentor Graphics、Zuken 和 Altium)生 成 的 ODB++ 格 式 制 造 文 件 , 或 者 IC 宏 模 型 、GDSII 或 者 DXF 版 图 。Desinger 强 大 的 设 计管 理 功 能 保 证 设 计 者 能 够 将 S 参 数 、W-Element、HSPICE、Spectre 和 IBIS 作 为 电 路 原 理 图 部件 , 直 接 应 用 在 同 一 原 理 图 中 , 完 成 行 为 级 、 电 路 级 和 系 统 级 的 仿 真 。2. 电 路 仿 真 能 力Designer 电 路 仿 真 器 为 线 性 和 非 线 性 电 路 仿 真 提 供 了 晶 体 管 级 精 度 , 以 及 超 强 的 仿 真 规 模和 收 敛 性 。 电 路 仿 真 功 能 包 括 :(1) 直 流 , 交 流 , 瞬 态 分 析 ;(2) 单 音 多 音 谐 波 分 析 , 振 荡 分 析 , 时 变 噪 声 分 析 , 相 噪 分 析 ;(3) 包 络 仿 真 , 牵 引 负 载 仿 真 , 周 期 传 递 函 数 分 析 ;(4) 统 计 分 析 眼 图 :1)VerifyEye: 使 用 统 计 算 法 对 串 行 互 联 进 行 眼 图 分 析 的 一 种 新 方 法 。 相 对 传 统 暂 态 算 法而 言 , 仿 真 速 度 极 大 提 高 , 并 且 保 证 仿 真 精 度 。2)QuickEye: 基 于 线 性 叠 加 , 使 用 快 速 卷 积 算 法 在 数 十 秒 内 完 成 用 户 定 义 的 数 百 万 位 数据 仿 真 。 使 用 峰 值 失 真 分 析 (PDA) 选 项 ,QuickEye 会 自 动 找 出 造 成 最 大 通 道 衰 减 的 最 坏 激39

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例励 码 流 。3)IBIS-AMI: 与 QuickEye/VerifyEye 类 似 的 快 速 分 析 算 法 。 厂 商 编 译 后 的 器 件 库 内 可 包含 均 衡 (Equalization)、 串 扰 和 时 钟 恢 复 (CDR) 单 元 。3. 动 态 链 接Desinger 提 供 与 PCB 和 三 维 电 磁 场 设 计 工 具 SIwave、HFSS 的 双 向 动 态 链 接 功 能 , 如 图3.16 所 示 。Designer 可 以 直 接 将 SIwave 和 HFSS 的 仿 真 工 程 链 接 进 Desinger 设 计 中 , 作 为 一个 部 件 进 行 电 路 仿 真 和 优 化 ; 电 路 仿 真 器 仿 真 电 路 和 系 统 的 瞬 态 波 形 、 仿 真 结 果 可 以 通 过 激 励推 送 方 式 , 输 出 到 HFSS 和 SIwave 中 , 得 到 系 统 实 际 工 作 状 态 下 的 电 磁 辐 射 和 传 输 特 性 。图 3.16 双 向 动 态 链 接3.3.4 工 作 窗 口Designer 基 于 Windows 操 作 风 格 的 界 面 , 将 项 目 管 理 窗 口 (Project Manager)、 电 路 编 辑(scheme), 以 及 属 性 (property)、 信 息 (message)、 进 程 (process) 等 辅 助 窗 口 集 成 在 一 个界 面 下 , 如 图 3.17 所 示 。 所 有 的 操 作 都 可 以 通 过 菜 单 、 工 具 栏 、 对 话 框 、 鼠 标 右 键 等 方 式 快捷 完 成 , 如 图 3.18 所 示 。图 3.17 Designer 的 工 作 窗 口40

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例Definitions 下 的 Models 中 , 同 样 以 拖 拽 方 式 放 入 电 路 图 中 。 模 型 互 联 可 以 用 菜 单 Draw→Wire命 令 实 现 , 或 者 拖 拽 器 件 使 管 脚 相 互 接 触 后 松 开 鼠 标 , 再 移 动 就 可 以 。图 3.20 导 入 SPICE 或 IBIS 模 型 库 ( 左 : 导 入 SPICE, 右 : 导 入 IBIS)图 3.21 调 用 模 型完 成 电 路 设 计 后 , 执 行 Circuit→Add Nexxim Solution Setup→… 或 者 在 项 目 管 理 窗 口 选 中Analysis, 鼠 标 右 击 Add Nexxim Solution Setup…>…, 选 择 仿 真 类 型 , 如 图 3.22 所 示 。 然 后 执行 菜 单 Circuit→Anslysis, 或 者 单 击 图 标 开 始 仿 真 。图 3.22 建 立 分 析42

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章仿 真 结 果 可 以 选 中 项 目 管 理 窗 口 的 Results 项 , 或 者 鼠 标 右 击 选 择 Create Standard Report→Rectangular Plot, 生 成 报 告 , 如 图 3.23 所 示 。图 3.23 生 成 报 告3.4 SIwave 软 件3.4.1 SIwave 概 述SIwave 是 ANSYS 专 用 于 PCB、IC 封 装 、SiP 等 进 行 信 号 完 整 性 (SI)、 电 源 完 整 性 (PI)以 及 电 磁 干 扰 (EMI) 分 析 的 软 件 。SIwave 使 用 全 波 有 限 元 算 法 分 析 高 速 PCB 单 板 和 复 杂IC 封 装 上 的 谐 振 、 反 射 、 串 扰 、 同 步 开 关 噪 声 、 电 源 / 地 弹 、 直 流 电 压 / 电 流 分 布 、 近 场 和 远场 辐 射 。 适 用 于 精 确 快 速 分 析 包 含 大 规 模 复 杂 电 源 、 地 平 面 的 PCB 和 封 装 设 计 ,SIwave 采用 混 合 场 求 解 技 术 , 适 合 对 多 层 平 面 结 构 PCB 和 封 装 结 构 提 供 直 流 、 频 域 、 时 域 分 析 , 如图 3.24 所 示 。3.4.2 功 能 简 介SIwave 可 以 帮 助 工 程 师 进 行 从 DC 到 10Gb/s 以 上 的 信 号 、 电 源 完 整 性 、 电 磁 辐 射 分 析 ,从 PCB 或 封 装 设 计 版 图 中 直 接 提 取 信 号 网 络 和 电 源 分 布 网 络 的 频 域 电 路 模 型 , 输 出 到 Designer等 SPICE 兼 容 的 电 路 仿 真 器 当 中 , 再 结 合 芯 片 的 IBIS 或 SPICE 模 型 , 确 认 信 号 和 电 源 完 整 性问 题 。 也 可 以 设 置 电 压 或 电 流 激 励 源 , 仿 真 PCB 或 封 装 的 远 场 和 近 场 电 磁 辐 射 特 性 。 与 Designer动 态 链 接 , 可 以 导 入 实 际 工 作 信 号 的 波 形 , 进 行 精 确 的 信 号 噪 声 辐 射 和 干 扰 。SIwave 还 可 以利 用 IC 晶 片 (Die) 网 络 建 模 器 , 对 晶 片 上 的 硅 效 应 进 行 建 模 , 或 者 引 入 Apache RedHawk 生成 的 晶 片 模 型 进 行 同 步 翻 转 噪 声 (SSN) 分 析 。SIwave 的 直 流 分 析 得 到 的 功 率 损 耗 , 还 可 以43

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例作 为 热 源 导 入 到 ANSYS 热 仿 真 工 具 当 中 , 进 行 精 确 的 热 仿 真 。图 3.24 SIwave 功 能3.4.3 SIwave 在 信 号 完 整 性 分 析 中 的 作 用SIwave 通 过 导 入 PCB 和 封 装 等 复 杂 结 构 的 互 联 结 构 模 型 , 使 用 电 磁 场 仿 真 技 术 提 取 信 号和 电 源 的 分 布 参 数 , 得 到 信 号 插 损 、 回 损 、 远 端 串 扰 (FEXT)、 近 端 串 扰 (NEXT)、 差 分 S参 数 及 共 模 抑 制 比 等 。 再 结 合 Designer 等 电 路 仿 真 器 , 可 实 现 信 号 时 序 、 反 射 、 串 扰 及 同 步开 关 噪 声 的 仿 真 。 此 外 ,SIwave 的 谐 振 分 析 可 以 在 设 计 初 期 , 帮 助 设 计 师 找 到 并 抑 制 由 于 层叠 和 布 局 带 来 的 潜 在 电 磁 振 荡 危 险 , 利 用 与 Designer 电 路 仿 真 工 具 的 双 向 数 据 连 接 功 能 , 加入 实 际 信 号 的 波 形 作 为 干 扰 源 , 仿 真 PCB 单 板 或 封 装 的 噪 声 分 布 、 近 场 和 远 场 辐 射 等 指 标 ,仿 真 和 优 化 PCB 和 封 装 的 电 磁 兼 容 性 能 。除 了 仿 真 ,SIwave 还 具 备 版 图 和 电 路 编 辑 功 能 , 通 过 改 变 层 叠 、 平 面 形 状 、 走 线 , 以 及无 源 RLC 器 件 值 , 仿 真 这 些 因 素 对 于 信 号 、 电 源 完 整 性 和 电 磁 辐 射 的 影 响 , 从 而 优 化 设 计 性能 。 自 带 的 电 源 完 整 性 优 化 工 具 PI_Advisor 还 可 以 在 设 计 前 规 划 电 源 网 络 去 耦 电 容 的 选 取 和位 置 , 在 设 计 后 进 行 电 容 成 本 、 数 量 和 性 能 的 优 化 。3.4.4 工 作 窗 口SIwave 基 于 Windows 操 作 风 格 的 界 面 , 将 版 图 编 辑 (Layout Editor), 网 络 浏 览 (Nets)、器 件 浏 览 (Components)、 层 叠 显 示 (Layers), 以 及 属 性 (property)、 信 息 (message)、 进 程(process) 等 辅 助 窗 口 集 成 在 一 个 界 面 下 。 所 有 的 操 作 都 可 以 通 过 菜 单 、 工 具 栏 、 对 话 框 、 鼠标 右 键 等 方 式 快 捷 完 成 , 如 图 3.25 所 示 。44

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章Menu barToolbarsNetsResultsLayersComponentsPropertiesMessagesInformation/Errors/WarningsStatus bar图 3.25 SIwave 的 工 作 窗 口3.4.5 基 本 操 作SIwave 在 安 装 完 成 后 , 桌 面 出 现 如 下 图 标 。双 击 打 开 后 , 首 先 需 要 通 过 菜 单 File→Import→ANF 导 入 第 三 方 PCB 或 封 装 设 计 通 过AnsoftLinks 接 口 输 出 的 anf 格 式 中 间 文 件 。 导 入 的 PCB 或 封 装 数 据 会 与 Layout 设 计 环 境 中 的保 持 一 致 , 包 括 网 络 、 器 件 、 层 叠 、 键 合 丝 、 布 线 和 平 面 。仿 真 之 前 需 要 设 置 , 包 括 层 叠 材 料 特 性 、 厚 度 、 铜 箔 粗 糙 度 、 键 合 丝 结 构 、 焊 球 直 径 和高 速 、 过 孔 焊 盘 和 反 焊 盘 尺 寸 。 这 些 信 息 如 果 已 经 在 设 计 工 具 中 设 置 好 一 些 , 会 自 动 导 入SIwave 当 中 。 执 行 菜 单 Edit→Layer Stack…., 或 单 击 工 具 栏 进 入 层 叠 编 辑 窗 口 , 如图 3.26 所 示 。 设 置 层 叠 材 料 特 性 、 厚 度 、 铜 箔 粗 糙 度 。 如 果 有 特 殊 的 材 料 , 可 以 单 击 Edit MaterialProperties 按 钮 添 加 新 的 材 料 。图 3.26 层 叠 编 辑 窗 口45

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例如 果 是 封 装 或 SiP 设 计 , 有 wirebonding 层 , 执 行 菜 单 Edit→Bondwire Model 设 置 键 合 丝属 性 , 如 图 3.27 所 示 。图 3.27 Bondwire 编 辑 窗 口焊 球 、Solder Bump 和 过 孔 焊 盘 编 辑 , 执 行 菜 单 Edit→Solder ball,Edit→Padstack, 按 照提 示 输 入 参 数 即 可 。执 行 菜 单 Edit→Circuit Elements, 或 者 进 入 Component 窗 口 , 选 择 电 容 、 电 阻 或 电 感 , 选择 Local 类 内 的 某 款 器 件 , 如 图 3.28 所 示 , 鼠 标 右 击 Edit Component Properties, 就 可 以 编 辑器 件 属 性 , 如 图 3.29 所 示 。图 3.28 选 择 器 件图 3.29 编 辑 器 件 属 性仿 真 之 前 执 行 菜 单 Tools→Validation Check, 先 做 规 则 检 查 ,SIwave 会 自 动 检 查 、 定 位 并修 正 一 些 开 路 、 短 路 或 交 叠 等 错 误 。 同 时 执 行 菜 单 Simulation→Options, 进 行 有 关 电 磁 场 有 限元 仿 真 的 设 置 , 通 常 默 认 设 置 如 图 3.30 所 示 。检 查 完 毕 没 有 错 误 就 可 以 开 始 仿 真 了 。 一 开 始 SIwave 中 没 有 添 加 任 何 激 励 和 端 口 时 , 在Simulation 下 只 能 做 谐 振 分 析 Resonent Analysis。 在 谐 振 分 析 中 输 入 最 高 频 率 或 谐 振 模 式 数 , 如46

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章图 3.31 所 示 , 就 可 以 开 始 仿 真 了 。 仿 真 完 成 后 , 结 果 通 过 执 行 菜 单 Results→Resonant Modes→Resonant Mode Sim 1→View Results 打 开 , 显 示 了 PCB 或 封 装 的 谐 振 频 率 点 , 如 图 3.32 所 示 。图 3.30 电 磁 场 有 限 元 仿 真 的 设 置图 3.31 谐 振 分 析 设 置图 3.32 显 示 谐 振 频 率 点选 中 一 种 谐 振 模 式 后 , 选 择 某 两 个 相 邻 平 面 层 , 如 图 3.33 所 示 , 单 击 Compute 计 算 出 每个 模 式 对 应 的 谐 振 电 压 分 布 情 况 , 如 图 3.34 所 示 。图 3.33 选 择 两 个 相 邻 两 平 面 层图 3.34 谐 振 电 压 分 布 情 况对 于 关 注 的 信 号 和 电 源 网 络 , 可 以 通 过 添 加 端 口 的 方 式 , 提 取 网 络 的 SYZ 参 数 。 执 行 菜单 Circuit Elements→Add Port, 或 者 Circuit Elements→Generate on Components/Generate on47

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例Selected Nets…, 可 以 通 过 Layout 编 辑 界 面 手 工 添 加 端 口 , 或 者 选 中 Component 窗 口 中 器 件 ,Net 窗 口 中 的 网 络 自 动 添 加 端 口 。 执 行 菜 单 Simulation→Compute S-, Y-, Z-parameters…, 如 图3.35 所 示 , 输 入 仿 真 频 率 范 围 、 取 点 数 目 , 就 可 以 提 取 信 号 和 电 源 网 络 的 寄 生 参 数 。图 3.35 计 算 SYZ 参 数仿 真 结 束 后 , 执 行 菜 单 Click Results→SYZ→SYZ Sweep 1→Plot Magnitude/Phase…, 打 开SIwave Reporter 浏 览 SYZ 参 数 , 如 图 3.36 所 示 。图 3.36 浏 览 SYZ 参 数48

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章如 果 还 需 要 时 域 仿 真 , 执 行 菜 单 Item Results→SYZ→SYZ Sweep 1→Compute FWSSubcircuit…, 得 到 图 3.37。 将 仿 真 结 果 输 出 到 Designer 或 其 他 SPICE 兼 容 格 式 的 模 型 , 就 可用 于 电 路 仿 真 。图 3.37 计 算 全 波 SPICE 子 电 路在 Designer 当 中 , 提 取 的 PCB 信 号 线 参 数 模 型 作 为 一 个 器 件 , 加 上 激 励 源 和 负 载 后 , 得到 电 路 图 3.38, 实 现 过 冲 、 反 射 、 串 扰 和 时 序 等 仿 真 , 结 果 如 图 3.39 所 示 。图 3.38 电 路 图图 3.39 仿 真 结 果49

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例对 于 一 组 总 线 的 ( 包 括 一 组 信 号 线 和 电 源 网 络 ) 的 大 规 模 电 路 仿 真 ,SIwave 推 荐 使 用SIwizard, 自 动 实 现 多 端 口 添 加 、 参 数 提 取 、 模 型 导 入 、 仿 真 设 置 , 快 速 实 现 场 路 协 同 仿 真 。3.5 Q2D( 以 前 称 SI2D)/Q3D 软 件3.5.1 Q2D/Q3D 概 述随 着 器 件 的 高 速 和 高 集 成 化 发 展 , 反 射 、 传 输 延 时 、 串 扰 、 抖 动 等 信 号 完 整 性 问 题 越 来越 突 出 , 需 要 精 确 求 解 传 输 线 、 电 缆 的 宽 带 寄 生 参 数 。Q2D/Q3D 是 用 于 PCB、 芯 片 封 装 和 电源 模 块 设 计 的 二 维 / 三 维 寄 生 参 数 提 取 工 具 。 可 以 计 算 任 意 导 电 结 构 上 寄 生 的 频 变 电 阻 、 电 感 、电 容 、 电 导 参 数 。 准 确 地 提 取 这 些 寄 生 参 数 对 于 仿 真 和 验 证 高 性 能 封 装 、 连 接 器 、 汇 流 排 和 电力 电 子 转 换 器 等 复 杂 结 构 的 性 能 非 常 关 键 。3.5.2 功 能 简 介Q2D(SI2D)/Q3D 提 供 二 维 和 三 维 建 模 、 电 磁 场 仿 真 和 结 果 后 处 理 集 成 化 环 境 , 从 设 计 中提 取 RLGC 参 数 , 并 得 到 电 流 分 布 、 电 压 分 布 、CG 和 RL 参 数 矩 阵 。 软 件 能 自 动 生 成 多 种 格式 的 网 表 , 包 括 SML(Simplorer 格 式 ) 和 SPICE 模 型 , 用 于 信 号 完 整 性 和 电 磁 兼 容 等 领 域 的仿 真 。Q2D/Q3D 还 可 以 生 成 代 表 器 件 或 无 源 互 连 网 络 的 多 端 口 网 络 参 数 的 Touchstone 格 式 的S 参 数 。 通 过 动 态 链 接 Ansoft Desinger 和 Simplorer, 仿 真 这 些 频 变 效 果 , 还 可 用 于 提 取 大 功率 汇 流 排 、 电 缆 和 大 功 率 逆 变 器 / 转 换 器 封 装 的 电 阻 、 自 电 感 和 电 容 参 数 , 在 Simplorer 中 研 究电 源 系 统 的 电 磁 兼 容 性 能 。Q3D 仿 真 技 术 如 图 3.40 所 示 。图 3.40 Q3D 仿 真 技 术3.5.3 Q2D/Q3D 在 信 号 完 整 性 分 析 中 的 作 用Q2D 根 据 传 输 线 、 电 缆 的 截 面 形 状 (2D) 抽 取 寄 生 参 数 (RLGCZ0), 生 成 SPICE/IBIS模 型 。Q2D 使 用 有 限 元 法 , 根 据 截 面 形 状 (2D 模 型 ) 和 材 料 特 性 , 可 以 精 确 提 取 寄 生 参 数 。50

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章二 维 和 三 维 结 构 准 静 态 电 磁 场 仿 真 , 自 动 和 自 适 应 共 形 网 格 剖 分 , 充 分 考 虑 金 属 趋 肤 效 应 和 介质 损 耗 , 直 接 计 算 结 构 的 电 容 和 导 纳 , 交 流 、 直 流 状 态 下 的 电 阻 、 电 感 参 数 , 传 输 线 特 性 阻 抗 ,得 到 电 荷 分 布 、 表 面 电 流 等 结 果 , 生 成 SPICE 等 效 电 路 模 型 和 S 参 数 , 进 行 PCB、 封 装 、 电缆 、 线 束 和 连 接 器 的 设 计 和 模 型 抽 取 , 用 于 信 号 完 整 性 前 仿 真 的 传 输 线 规 划 。Q3D 可 以 根 据 三 维 互 联 结 构 的 形 状 直 接 抽 取 寄 生 参 数 (RLGC), 生 成 SPICE/IBIS 模 型 。ANSYS Q3D Extractor 使 用 边 界 元 法 , 根 据 实 际 的 三 维 模 型 和 材 料 属 性 , 可 以 精 确 快 速 提 取 寄生 参 数 模 型 , 结 合 Designer 等 SPICE 兼 容 的 电 路 仿 真 器 , 用 于 封 装 、PCB、 连 接 器 、 线 缆 等信 号 完 整 性 后 仿 真 。Q3D 的 准 静 态 算 法 , 相 比 HFSS 的 全 波 电 磁 场 有 限 元 算 法 , 在 求 解 结 构的 频 率 上 限 , 一 般 适 合 尺 寸 小 于 求 解 频 率 波 长 的 1/10 以 内 , 如 图 3.41 所 示 。图 3.41 Q3D 的 适 用 范 围3.5.4 工 作 窗 口Q2D/Q3D 基 于 Windows 操 作 风 格 的 界 面 , 将 项 目 管 理 窗 口 (Project Manager)、 建 模 窗 口(Modeler), 以 及 属 性 (property)、 信 息 (message)、 进 程 (process) 等 辅 助 窗 口 集 成 在 一 个界 面 下 。 图 3.42 是 Q2D 的 工 作 窗 口 , 图 3.43 是 Q3D 的 工 作 窗 口 。 所 有 的 操 作 都 可 以 通 过 菜单 、 工 具 栏 、 对 话 框 、 鼠 标 右 键 等 方 式 快 捷 完 成 。图 3.42 Q2D 的 工 作 窗 口51

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例MenubarToolbarsProjectManagewith projecttree3D ModelerWindowMessageManagerProgressWindowStatusbarCoordinate Entry FieldsProperty Window图 3.43 Q3D 的 工 作 窗 口3.5.5 基 本 操 作Q3D 安 装 完 后 , 桌 面 出 现 如 下 图 标 。双 击 打 开 后 , 选 择 二 维 Q2D 求 解 器 或 者 三 维 Q3D 求 解 器 。 对 于 绝 大 多 数 SI 前 仿 真问 题 , 以 及 具 备 沿 信 号 传 输 方 向 结 构 一 致 的 导 体 结 构 —— 如 不 换 层 的 微 带 带 状 传 输 线 、 差 分 线 、平 行 导 线 、 同 轴 线 等 —— 使 用 Q2D 对 导 体 和 介 质 截 面 建 模 仿 真 。 对 于 从 结 构 设 计 攻 击 或 PCB封 装 等 电 子 设 计 工 具 导 入 的 后 模 型 进 行 SI 后 仿 真 , 使 用 Q3D 做 三 维 模 型 的 仿 真 。Q2D/Q3D 的 仿 真 流 程 可 以 由 图 3.44 概 括 。DesignParametric ModelGeometry/MeterialsExcitationssro/snkAnalysisSolution SetupAnalyzeMeshOperationsMeshRefinementSolveResults2D ReportsFieldsSolve LoopNOConvergedUpdateYESFinished图 3.44 Q2D/Q3D 的 仿 真 流 程52

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章Q2D/Q3D 为 用 户 提 供 一 个 方 便 的 二 维 / 三 维 绘 图 建 模 环 境 (Q2D 二 维 模 型 设 置 长 度 后 也 可以 转 为 三 维 模 型 )。Q2D/Q3D 既 可 以 在 其 中 画 出 分 析 对 象 的 三 维 结 构 , 输 入 材 料 参 数 , 进 行 仿真 分 析 , 也 可 以 导 入 AutoCAD、Pro/E、STEP、IGES、ACIS等 机 械 结 构 设 计 文 件 , 或 者 通 过 AnsoftLinks 导 入 PCB 或 封装 的 局 部 模 型 , 设 置 材 料 和 边 界 条 件 后 直 接 做 仿 真 。 仿 真 结果 可 以 是 RLGC, 生 成 SPICE/IBIS 模 型 , 或 者 扫 频 得 到 的 S参 数 , 也 可 以 是 三 维 或 动 画 场 云 图 。 在 绘 图 之 前 先 如 图 3.45所 示 选 择 单 位 , 然 后 如 图 3.46 所 示 在 软 件 自 带 的 材 料 库 中 选图 3.45 选 择 单 位择 材 料 , 之 后 如 图 3.47 所 示 绘 制 模 型 结 构 。图 3.46 选 择 材 料图 3.47 绘 制 模 型 结 构Q2D 模 型 创 建 完 后 , 执 行 菜 单 2D Extractor→Conductor→Auto Assign Signal, 自 动 识 别 连 接在 一 起 的 金 属 导 体 作 为 一 个 网 络 。Q2D 使 用 二 维 有 限 元 求 解 器 , 需 要 把 导 体 中 的 至 少 一 个 设 置 为参 考 地 (Reference Ground), 如 图 3.48 所 示 。 然 后 就 可 以 设 计 求 解 , 执 行 菜 单 2D Extractor→AnalysisSetup→Add Solution Setup…, 选 择 求 解 频 率 , 以 及 有 限 元 迭 代 计 算 次 数 和 , 如 图 3.49 所 示 。53

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例图 3.48 设 置 参 考 地图 3.49 求 解 设 置所 示 。以 上 设 置 完 成 并 检 查 (Validate) 无 误 后 , 就 可 以 开 始 仿 真 (Analyze All) 了 , 如 图 3.50图 3.50 检 查 和 仿 真仿 真 的 结 果 , 可 以 输 出 RLC 参 数 , 以 及 二 维 三 维 场 图 。 执 行 菜 单 2D Extractor→Results→Solution data, 可 以 看 到 寄 生 参 数 矩 阵 , 如 图 3.51 所 示 , 也 可 以 输 出 各 种 格 式 SPICE 模 型 ,如 图 3.52 所 示 , 执 行 菜 单 2D Extractor→Fields→CG Fields/RL Field 可 以 显 示 电 场 和 磁 场 。图 3.51 寄 生 参 数 矩 阵Q3D 的 仿 真 过 程 与 Q2D 类 似 , 执 行 菜 单 Q3D Extractor→Conductor→Auto Assign Signal,自 动 识 别 连 接 在 一 起 的 金 属 导 体 作 为 一 个 网 络 。Q3D 使 用 三 维 边 界 元 准 静 态 求 解 器 , 电 容 和导 纳 计 算 与 电 阻 和 电 感 求 解 是 独 立 的 , 求 解 一 个 网 络 的 电 阻 电 感 和 互 感 , 就 需 要 在 导 体 截 面 上54

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章设 置 源 (Source) 和 漏 (Sink), 指 定 电 流 流 向 , 然 后 才 可 以 设 计 求 解 。 没 有 源 (Source) 和 漏(Sink) 的 导 体 只 有 电 容 , 不 计 算 电 感 电 阻 。 如 图 3.53 所 示 , 在 导 体 两 端 截 面 设 置 源 (Source)和 漏 (Sink)。图 3.52 输 出 各 种 格 式 SPICE 模 型Source4Rotate to the opposite endof your trace by 180ºSink 4图 3.53 设 置 源 (Source) 和 漏 (Sink)下 面 开 始 仿 真 求 解 设 置 , 执 行 菜 单 Q3D Extractor→Analysis Setup→Add Solution Setup。有 关 求 解 设 置 、 迭 代 次 数 和 误 差 门 限 的 设 置 如 图 3.54 所 示 。以 上 设 置 完 成 并 检 查 (Validate) 无 误 后 , 就 可 以 开 始 仿 真 (Analyze All) 了 , 如 图 3.55所 示 。Q3D 仿 真 结 束 后 , 可 以 直 接 输 出 RLC 参 数 , 以 及 二 维 三 维 场 图 。 也 可 以 做 矩 阵 消 减 (ReduceMatrix), 无 需 重 新 求 解 , 仿 真 不 同 信 号 分 配 、 不 同 接 地 或 者 串 并 联 、 开 路 短 路 等 对 导 体 的 寄生 参 数 影 响 。 执 行 菜 单 Q3D Extractor→Reduce Matrix→…, 选 择 不 同 的 矩 阵 消 减 类 型 。 消 减矩 阵 的 结 果 , 可 以 在 Project Manager 窗 口 下 的 Reduce Matrix 看 到 , 如 图 3.56 所 示 。55

ANSYS 信 号 完 整 性 分 析 与 仿 真 实 例Add Solution SetupToolbar图 3.54 求 解 设 置ValidateAnalyze All图 3.55 检 查 和 仿 真图 3.56 消 减 矩 阵 的 结 果消 减 矩 阵 后 的 结 果 , 执 行 菜 单 Q3D Extractor→Results→Solution Data 可 以 看 到 如 图 3.57所 示 的 寄 生 参 数 矩 阵 , 也 可 以 如 图 3.58 所 示 输 出 各 种 格 式 SPICE 模 型 , 执 行 菜 单 Q3D Extractor→Fields→CG Fields/RL Field 可 以 显 示 电 场 和 磁 场 , 如 图 3.59 所 示 。图 3.57 寄 生 参 数 矩 阵56

ANSYS 用 于 信 号 完 整 性 分 析 的 EDA 软 件第 3 章图 3.58 输 出 各 种 格 式 SPICE 模 型图 3.59 显 示 电 场 和 磁 场57