专家讲坛 | PowerSI仿真与测试结果比较

Cadence_CPG_Mkt · 发表于 2018-3-13 09:58

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本帖最后由 Cadence_CPG_Mkt 于 2018-3-13 09:58 编辑

说到SI仿真结果的可信度，听到最多的声音是:某某软件的仿真精度最高，但是仿真时间较长，且建模复杂……。而实际的情况是怎样的呢？由于日常工作环境中软、硬件设备配置、仿真输入参数的准确性、测试校准知识等多方面原因限制，工作中SI工程师更多的是使用各类仿真软件获得一个仿真的结果，缺少与测试的闭环验证机会。于是出现一种奇怪的现象：很多SI工程师的工作是为了仿真而仿真，没有机会把仿真结果与测试进行详细的比较与迭代，最后只能相信软件，至于仿真的结果与实际的情况相差多少，心里没底，也就会偶尔出现：人云亦云，以讹传讹的现象。

仿真曲线与测试曲线在不同频段的吻合情况到底是怎么样的呢？这些拟合结果受什么影响最大呢？就这些疑问下面使用一条简单的传输线为例，通过使用Sigrity仿真工具把仿真结果与测试结果进行对比，通过对比，使大家对所用的软件精度会有一个较为理性及量化的认识。

1）被测传输线描述

被测传输线的数据从以下的TRL较准板上获得，通过较准及去嵌后获得一根长度为2.62inch的带状线2端口S参数测试结果。

图1 实测传输线PCB

此被测PCB所用的板材为TU-872 SLK，材料DK、DF数据DATASHEET如下图。

图2 板材TU-872 SLK DATASHEET

PCB加工时层叠信息如下

图3层叠结果信息

由于测试板使用Allegro设计，因而仿真挑选Sigrity的PowerSI，因为两者为同一家公司的软件，在仿真时省下了建模及设置等很多复杂步骤。

下面的仿真只使用了PowerSI最基本的Model Extraction模式进行仿真，对标准的传输线来说，理论上2D模型能保证很好的精度。当然对一些复杂的三维结构，3D模型更准确。Sigrity现在也有很强的3D仿真能力，有兴趣的同学可以进一步研究及试验。

2）仿真设置：

在PCB上画一条与被测试传输线一样的Trace，PCB转到Sigrity后，在两端加上port即可。

仿真使用Model Extracting模块如下：

图4 仿真使用Model Extraction模块

被仿真的传输线加port如下图：

图5 被仿真传输线

仿真层叠设置如下图，使用材料提供的在10GHz时的DK=3.72、DF=0.0088。

图6 层叠设置

仿真范围设为0-20GHz，最后仿真结果与测试结果比较如下：

图7 使用常数DK、DF值仿真与测试结果比较

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从仿真结果看，测试与仿真结果从0-3GHz范围内的吻合度都比较好，到5GHz后会有0.2dB的差距，再往后到18G时偏差越来越大了，达到了0.8dB。

以上仿真与测试在3GHz以下吻合度挺好，但更高频段时差别越来越大，有什么方法可以使仿真与测试在整个频段内都吻合得比较好吗？

经过摸索，发现提取出DK、DF随频率变化的数据表（详细可以参考【amao_eda365】公众号上关于DK、DF提取的系列文章），在仿真时使用此数据表替代常量的DK、DF值就可以得到在整个频率范围内都吻合较好的结果。

随频率变化DK、DF数据表在软件中引用的方式如下：

图8 DK、DF随频率变化表设置

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最后层叠中的DK、DF设置如下图。

图9 层叠设置

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使用随频率变化并优化过的DK、DF数值，再进行仿真，仿真结果与测试结果的比较如下。

图10 使用随频率变化DK、DF值的仿真与测试结果比较

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从以上仿真结果看，使用随频率变化并优化过的DK、DF数值全频段内的吻合度都比较好，到18GHz时也只有0.1dB小偏差。

为了使比较结果更明显，把DK、DF不随频率变化的仿真结果、DK、DF随频率变化的仿真结果与测试结果放在一起进行比较。可以看出使用DK、DF随频率变化表仿真在整个频率范围都非常吻合！在高频时使用DK、DF不随频率变化仿真方式结果与测试结果在3GHz以下都吻合得非常好，频率再高时则会分离越来越大。

图11 各种DK、DF条件下测试与仿真结果比较

从以上的仿真与测试比较可以得到以下的结论：

使用随频率变化DK/DF数据表进行仿真，对仿真软件的要求不需要很高，只要软件有支持此功能基本可以实现全频段内仿真与测试结果的良好吻合！根据材料的特性及应用环境况，很多情况下信号小于3GHz时使用DK、DF不随频率变化的常量已足够。

市面上SI仿真软件很多，不同EDA软件在易用性、仿真速度、仿真精度、建模方便性等方面各有所长，即使某个软件出现新的功能，其它软件的下一个版本也可能会加入类似的功能，因而后面使用不同软件仿真时，就不用太纠结软件的功能及暂时的易用性，但需要关注这些软件是否具用调用随频率变化的DK、DF值仿真的能力，而实际工程中使用同一个平台上的Layout及仿真软件却能保证仿真精度的同时还在仿真使用效率方面更具优势。