高速数字电路AC耦合电容HFSS仿真

高速数字电路AC耦合电容HFSS仿真
高速数字电路中我们经常会需要耦合电容，特别对于一样高速SERDES，往往都需要进行AC耦合，一些时钟线也有可能需要AC耦合，这个时候不可避免的需要使用到耦合电容，我们知道高速数字电路中，需要尽可能的保持传输线的阻抗恒定，减少信号反射，提高信号质量，但是AC耦合电容的引进必然会导致阻抗的不连续性。

 耦合电容引起的阻抗不连续的原因是：电容焊盘相对于导线过大，根据公式C=εS/4πkd，能够得知焊盘和参考层之间的寄生电容会增大，传输线的特性阻抗与寄生电容大小成反比，所以AC耦合电容处的阻抗就会相较于导线处变小，就会引起信号质量变差。

因此为了减小电容焊盘出的阻抗不稳定，我们可以对焊盘进行优化，可以想象到。如果增大焊盘到参考面的距离，那么寄生电容就会减小，阻抗就会增大，所以一般高速数字电路中，一般都会对电容焊盘下面的参考面挖空，让电容焊盘参考更下面一层的参考面。

传统的2D阻抗计算软件是没法进行AC耦合电容焊盘仿真的，必须使用3D电磁仿真软件，一下介绍HFSS的仿真。

HFSS仿真电容，首先肯定需要进行仿真模型建立，可以参考我之前过孔建模的文章或者上网上找一个基础教程，电容仿真对于初接触者，最麻烦的是电容该怎么建模，下面介绍一下。

HFSS里面有各种各样的边界条件，其中一个是LumpedRLC，指的是集中元RLC参数，而电容其实就是一个集中元器件，所以可以用这个边界进行仿真，方法：先按照电容的实际摆放位置使用HFSS里面的box命令画4个焊盘（差分AC耦合两个电容），然后应用rect命令分别画一个矩形，该矩形大小应该小于等于这2个焊盘的实际大小（电容不能大于焊盘吧），和焊盘的上表面重合，一定要重合，不然相当于电容没有放在焊盘上面；然后设置边界条件，选择Lumped RLC，在里面会有电容大小的设置，这样就ok，就可以进行其他设置仿真了

 


电容的4个焊盘



加上2个Lumped RLC边界，构成电容。

下面上一下仿真结果：





上图中分别是地层挖空和不挖空的插损参数，绿色的是地层挖空，挖空大小和4个焊盘所占的大小相同。

从上面仿真图可以看出地层挖空之后，信号质量能有非常大的提升。

我们在看一下阻抗的变化：



地层挖空优化之后，阻抗得到了极大的改善。

其实还可以通过参数扫描，找出最合适的地层挖空大小，在这里就不贴出来仿真结果了。