12.1 HFSS差分信號(hào)分析設(shè)計(jì)概述

    在現(xiàn)今的高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，差分信號(hào)（Differential Signal）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本章通過一個(gè)帶狀線差分對(duì)的分析設(shè)計(jì)實(shí)例，來(lái)講解 HFSS 在此類問題中的應(yīng)用。

     本章分析的帶狀線差分對(duì)如圖12.1 所示，帶狀線為0.5 盎司的敷銅線（即 PCB 板上蝕刻 的銅箔厚度 t = 0.7 mil），帶狀線寬度 W = 6 mil，帶狀線間的間距 S = 18 mil，介質(zhì)材料 為 FR4，介質(zhì)層的厚度 h = 26 mil，走線位于介質(zhì)層的中央；帶狀線的長(zhǎng)度為 1000 mil， 流經(jīng)帶狀線差分對(duì)的高速數(shù)字信號(hào)的上升沿時(shí)間 tr = 330ps 。

    我們首先在 HFSS 中創(chuàng)建出這樣的帶狀線差分對(duì)模型，然后使用 HFSS 軟件分析給出差分對(duì)的 S 參數(shù)分析結(jié)果、差模阻抗和共模阻抗值以及在差模信號(hào)或者共模信號(hào)作用下的電場(chǎng)分布，最后通過 HFSS 的參數(shù)掃描分析功能分析給出差分線的差模阻抗、共模阻抗和帶狀線 線寬 W、線間距 S 之間的關(guān)系。

圖 12.1 帶狀線差分對(duì)示意圖

    說(shuō)明： 在印刷電路板中習(xí)慣使用重量單位盎司（oz）來(lái)表示蝕刻銅箔的厚度，1 盎司是指重量為1 盎司的銅均勻平鋪在1 平方英尺的面積上所達(dá)到的厚度，這個(gè)厚 度約為 35mm，即 1.35 密耳，所以 0.5 盎司的銅箔厚度約為 0.7 密耳。

    12.1.1  HFSS 求解類型和建模簡(jiǎn)述

    對(duì)于帶狀線差分結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭峭ㄟ^電壓/電流的線性疊加來(lái)分析結(jié)構(gòu)的傳輸特性，所以在 HFSS 中需要選擇終端驅(qū)動(dòng)求解類型。關(guān)于端口激勵(lì)方式，因?yàn)榧�總端口之間相互獨(dú)立，仿真計(jì)算時(shí)不考慮線間耦合效應(yīng)，不能設(shè)置差分對(duì)，所以不適合此處差分問題的分析；而對(duì)于波端口激勵(lì)，多個(gè)帶狀線可以共享一個(gè)端口，仿真計(jì)算時(shí)會(huì)把線間耦合效應(yīng)也計(jì)算在內(nèi)，因此對(duì)于存在線 間耦合效應(yīng)的問題，使用波端口激勵(lì)更準(zhǔn)確。對(duì)于差分結(jié)構(gòu)，只能使用波端口激勵(lì)。

    我們知道，HFSS 仿真計(jì)算的時(shí)間、所占用的內(nèi)存與模型的大小是成正比的。本例中我們要分析的帶狀線差分對(duì)的實(shí)際長(zhǎng)度是1000 密耳，由于該帶狀線差分對(duì)在長(zhǎng)度方向上特性是一致的，所以為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，在建模時(shí)，我們可以只創(chuàng)建100 密耳長(zhǎng)度的帶狀線差分對(duì)；然后通過波端口的端口平移（Deembed）功能，在后處理時(shí)給出實(shí)際 1000 密耳長(zhǎng)度 帶狀線差分對(duì)的分析結(jié)果。

    在 HFSS 中創(chuàng)建的帶狀線差分對(duì)模型如圖 12.2 所示，帶狀線差分對(duì)模型長(zhǎng)度為 100 密耳， 介質(zhì)層為 100 密耳200 密耳26 密耳的長(zhǎng)方體模型，其材料屬性設(shè)為 FR4；差分信號(hào)線為 100 密耳6 密耳0.7 密耳的長(zhǎng)方體模型，其材料屬性為銅（copper）；差分信號(hào)線位于介質(zhì)層的中央。

圖 12.2 HFSS 中的帶狀線差分對(duì)模型 

    對(duì)于帶狀線結(jié)構(gòu)的波端口激勵(lì)，端口尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定。通常，端口寬度為線寬的8～10 倍，但同時(shí)要小于1/2 個(gè)工作波長(zhǎng)；端口在高度方向上與帶狀線的上下兩個(gè)參考地相接。本例中，創(chuàng)建與介質(zhì)層前后表面相同尺寸的矩形面作為波端口激勵(lì)表面。

     在 HFSS 中，與背景相接觸的表面會(huì)被默認(rèn)設(shè)置成理想導(dǎo)體邊界，因此，介質(zhì)層的四壁被自動(dòng)設(shè)置為默認(rèn)的理想導(dǎo)體邊界。這樣，介質(zhì)層的上下表面可以直接作為帶狀線的參考地，而不需要做其他額外的設(shè)置。

    12.1.2 求解頻率和掃頻設(shè)置

    高速數(shù)字信號(hào)有著很寬的頻譜范圍，使用 HFSS 分析此類問題時(shí)，求解頻率由數(shù)字信號(hào) 的上升沿時(shí)間 tr和在上升沿的采樣點(diǎn)數(shù) N 來(lái)確定。通常，求解頻率 f = N*0.5/tr 。

    另外，使用HFSS 分析此類問題時(shí)，仿真分析結(jié)果通常還需要導(dǎo)出 SPICE 模型用于時(shí)域分析。因此需要使用掃頻分析，計(jì)算出從直流到求解頻率整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的模型特性。對(duì)于這樣的寬頻問題，在HFSS 中一般需要選擇插值掃頻類型（Interpolating Sweep），掃頻頻率的下限為 0Hz，上限為求解頻率。我們知道，HFSS 主要用于高頻問題的仿真計(jì)算，對(duì)于低頻或者直流問題，HFSS 是無(wú)法直接計(jì)算的，所以在掃頻時(shí)需要選中 DC Extrapolating 選項(xiàng)，通過外插算法推導(dǎo)出模型的低頻特性。

    本例中，流經(jīng)分析對(duì)象的高速數(shù)字信號(hào)的上升沿時(shí)間 tr=330ps，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn) 確性，我們?cè)谛盘?hào)的上升沿采樣5 個(gè)點(diǎn)，因此求解頻率需要設(shè)置為

這里，求解頻率取為 8GHz。

    12.1.3 HFSS 設(shè)計(jì)環(huán)境概述

     >> 求解類型：終端驅(qū)動(dòng)求解

     >> 模型原型：長(zhǎng)方體、矩形面 

     >> 模型操作：鏡像復(fù)制操作，平移復(fù)制操作

     >> 邊界條件：軟件默認(rèn)的理想導(dǎo)體邊界 

     >> 端口激勵(lì)：波端口激勵(lì)、差分對(duì)

     >> 求解頻率：8GHz 

     >> 掃頻設(shè)置：0～8GHz 插值掃頻

     >> 后處理：S參數(shù)、差模阻抗和共模阻抗、電場(chǎng)分布圖

     >> Optimetrics：參數(shù)掃描分析