Xpeedic ViaExpert和SnpExpert的使用和對比分析

隨著現在高速背板信號的速度越來越快，多層PCB的過孔所引發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計。S參數是在高速信號傳輸領域中，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域的一些優勢。

（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性，導致了信號在這里產生的反射和失真，引發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，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，過孔的Pad，Antipad大小，同時還可以調整激勵源在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，對于不同的區域采用不同的電磁算法，優化了算法的效率，同時智能地判斷信號的傳輸路徑和返回路徑，在這些區域重點剖分網格，優化了網格的剖分。

（a） （b）

圖（4）

最后我們來看下使用ViaExpert和HFSS的仿真后的結果對比，如圖（4）所示，（a）為S參數結果，紅色和綠色曲線分別為ViaExpert的S11和S21，藍色和紫色曲線為HFSS的計算結果；（b）為SMD的整個通路TDR結果。由此可見，ViaExpert和HFSS的結果是非常接近的。又正如前面所說，ViaExpert在采用了混合算法和優化路徑網格，盡管沒有采用HFSS的FEM有限元算法的自適應網格，但是計算精度卻絲毫沒有降低，同時，在這種結構的求解速度上，ViaExpert的優勢卻十分的明顯，在HFSS使用HPC分布式計算的基礎上，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具有非常大的優勢。

（2）SnpExpert

S參數是對互連器件或者系統的微波屬性的完美描述，S參數矩陣的每個參量事實上都是正弦信號從互連系統的某一端口的輸出和另一端口輸入的比較。在傳輸線結構中，S參數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重要，雖然S參數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，通過了解正弦波的行為就可以了解其它波形的行為。例如，互連系統對時域波形的每種頻率響應都可以通過S參數來描述，S參數的模值反應了系統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，通過數學上的傅里葉變化，就將S參數所表征的頻率響應，轉換成對應的時域響應。

綜上，S參數是一種能表現互連系統響應行為的比較好的方式，因此，對于S參數的分析，處理，轉換在信號完整性分析中至關重要。

圖（5）

目前市場上針對S參數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參數并行導入，并且支持大端口數據的導入；

Ø支持頻域S參數和時域TDR的快速顯示，以及SmithChart和Polar繪圖；

Ø支持類似PLTS的網格顯示模式，一鍵式定義差分對和設置串擾的攻擊線受害線；

Ø內置S參數無緣性，因果性，互易性和穩定性指標的檢查；

Ø內置延時和抖動計算模塊；

Ø包含調整端口順序，S參數拆分和S參數合并等專業S參數處理功能內置報告模板，一鍵式繪制各種曲線，自動生成相應的文檔；

Ø除芯片上pad的寄生效應，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

Ø內置二維全波求解器用于提取多種傳輸線結構的RLCG參數和S參數；

以其中一兩個功能為例，S參數的顯示和TDR的結果，對于評估一個系統非常重要，前者可以知道系統的損耗，后者可以直觀的觀測到系統通道的連續性情況。以一實際高速系統為例，通道從BGA區域出線，經過一個長達10inch的差分帶狀線，中間經過一次換層，到達連接器區域，用安捷倫矢量網絡分析儀測得了S參數。如圖（6）所示，（a）為其在SnpExpert打開下的經過差分轉換后的S參數；（b）為經過SnpExpert轉換后的時域TDR反射結果。由此可以非常直觀的分析整個系統的頻域和時域特性。

（a） （b）

圖（6）

圖（7）是同樣的用安捷倫PLTS軟件處理的S參數，結果幾乎一致，由此可見，SnpExpert跟同類軟件相比，同樣的高效準確。

（a） （b）

圖（7）

在高速互連系統設計中，信號完整性工程師需要設計PCB的阻抗連續，以及評估系統通道在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，首先以行業的標準軟件SI9000，設計一對真實高速系統PCB表層差分出線，參數輸入后，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，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）為此設定此微帶線為1inch下，SnpExpert和HFSS計算下的S參數，結果幾乎一致，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，又能像SI9000一樣設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，集這些軟件的優勢為一體，是信號完整性工程師好的應用工具。

總結，本文主要針對Xpeedic的兩款信號完整性領域的分析軟件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用工具。