高速信號 AC耦合電容 HFSS仿真

高速數字電路AC耦合電容HFSS仿真

2019-06-17
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高速數字電路中我們經常會需要耦合電容,特別對于一樣高速SERDES,往往都需要進行AC耦合,一些時鐘線也有可能需要AC耦合,這個時候不可避免的需要使用到耦合電容,我們知道高速數字電路中,需要盡可能的保持傳輸線的阻抗恒定,減少信號反射,提高信號質量,但是AC耦合電容的引進必然會導致阻抗的不連續性。

?耦合電容引起的阻抗不連續的原因是:電容焊盤相對于導線過大,根據公式C=εS/4πkd,能夠得知焊盤和參考層之間的寄生電容會增大,傳輸線的特性阻抗與寄生電容大小成反比,所以AC耦合電容處的阻抗就會相較于導線處變小,就會引起信號質量變差。

因此為了減小電容焊盤出的阻抗不穩定,我們可以對焊盤進行優化,可以想象到。如果增大焊盤到參考面的距離,那么寄生電容就會減小,阻抗就會增大,所以一般高速數字電路中,一般都會對電容焊盤下面的參考面挖空,讓電容焊盤參考更下面一層的參考面。

傳統的2D阻抗計算軟件是沒法進行AC耦合電容焊盤仿真的,必須使用3D電磁仿真軟件,一下介紹HFSS的仿真。

HFSS仿真電容,首先肯定需要進行仿真模型建立,可以參考我之前過孔建模的文章或者上網上找一個基礎教程,電容仿真對于初接觸者,最麻煩的是電容該怎么建模,下面介紹一下。

HFSS里面有各種各樣的邊界條件,其中一個是LumpedRLC,指的是集中元RLC參數,而電容其實就是一個集中元器件,所以可以用這個邊界進行仿真,方法:先按照電容的實際擺放位置使用HFSS里面的box命令畫4個焊盤(差分AC耦合兩個電容),然后應用rect命令分別畫一個矩形,該矩形大小應該小于等于這2個焊盤的實際大小(電容不能大于焊盤吧),和焊盤的上表面重合,一定要重合,不然相當于電容沒有放在焊盤上面;然后設置邊界條件,選擇Lumped RLC,在里面會有電容大小的設置,這樣就ok,就可以進行其他設置仿真了

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電容的4個焊盤



加上2個Lumped RLC邊界,構成電容。

下面上一下仿真結果:




上圖中分別是地層挖空和不挖空的插損參數,綠色的是地層挖空,挖空大小和4個焊盤所占的大小相同。

從上面仿真圖可以看出地層挖空之后,信號質量能有非常大的提升。

我們在看一下阻抗的變化:




地層挖空優化之后,阻抗得到了極大的改善。

其實還可以通過參數掃描,找出最合適的地層挖空大小,在這里就不貼出來仿真結果了。


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