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(多图) 超越Spice:场解算器软件介入有空间约束的高频电路建模

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2007年04月10日 ?? 收藏0

  场解算器软件可以预测电路的行为,这种电路的速度和密度都超出了Spice正常建模的能力。无论你是准备验证信号完整性还是设计一款RFIC,都应了解场解算器如何协助设计。
  要 点
  Spice 不能准确地解算高速电路或小型互动电路。
  场解算器可为任何无源电路计算 Maxwell 方程。
  场解算器为仿真器提供时域或频域数据。
  现代仿真器可以在时域或频域中作计算。
  场解算器用于信号完整性和 RF 设计。


  Spice 是一种常用的电路仿真器。当电子设计转向更高频率和更小空间时,Spice 常常不足以预测电路的行为,哪怕是一款简单的电路。在这种情况下,工程师们必须转而使用场解算器软件。场解算器有时也叫 EM(电磁)场解算器,它用于计算电路物理表现的 Maxwell 方程(参考文献 1)。你必须根据 IC 或电路板布 局封装,或一个实体模型的输出,为场解算器提供电路物理结构的表述。实体模型中还必须包含各种属性,如相关区域内所有材料的电阻和介电常数。图 1a 表示一个传输线的建模,而图 1b 则显示了场分布的结果。注意,场解算器并不能用于求解晶体管或其它有源器件中发生的量子力学

问题。场解算器关注的是走线、电感、电容,以及这些器件之间的互动方式。

  Spice 软件工具用于预测电子电路的性能。它工作在时域中,即它在不连续的小步长上解算出电压和电流,然后显示一个瞬态仿真图,就像示波器屏幕上的波形一样。如果你想要一个频率响应,它会在一组频率下求解基于时间的问题,并以波德图方式显示结果。使用 Spice 的最好说明是 Inside Spice:Overcoming the Obstacles of Circuit Simulation(Spice 内幕:克服电路仿真的障碍)(参考文献 2)。参考文献 3 是 Spice 的一个很好的在线总结。对设计工程师来说,Spice 以造成设计工程师头痛而闻名(见附文“Spice 的麻烦”)。

图1用户可以直接建模电路走线或布局软件包可以反馈物理配置a场解算器用这个输入b计算场电压和电流Applied Wave Research供稿


  Spice 及其局限性

  应指出,Spice 并不解决物理问题,如电路板布局和信号交互。逻辑图不能传递这类信息的数据,它只不过是一堆元件和子电路的组合。15 年前,Spice 变化无常的输出就已经很明显了,因为五种 Spice 程序没有一种能与实际电路的性能达成一致(参考文献 4)。Spice 确实有传输线,有时甚至是有损耗的传输线。这些线路表示一个集总参数元件的子电路,并有代表线长的参数。Spice对有损耗特性的计算并不是根据布局,而仅仅是代入一个依据简单参数的损耗预测公式。Spice 亦不能建立物理现象的模型,如趋肤效应,尽管集总参数元件子电路可以模拟这些现象(参考文献 5 和参考文献 6)。

  现在,能够为物理现象建模的场解算器程序走上了前台。Applied Wave Research 的营销副总裁 Thomas Quan 指出:“随着模拟电路工作频率的增加,模拟设计者将大大得益于高频设计技术和工具,这些技术和工具已为微波设计者使用了很多年。”

  场解算器能计算一个带状线或螺线电感器的行为方式。用户将器件的虚拟表示输入为一个实体模型。该实体模型可以来自布局封装,或者用户也可以用场解算程序本身画出模型。很多场解算器都接受来自机械 CAD 软件的实体模型,如 Solidworks 和 Unigraphics。除了电路元件的物理形态以外,场解算器软件还必须知道设计中使用材料的电特性。这种要求不仅包括铜和铝的导电性能,另外还包括印制电路板、玻璃氧化物或导电元件周边焊接掩膜的介电常数。在极端情况下,实体模型还可以包括 RF4印制电路板中的玻璃纤维,以及可能恰好印在走线上的焊接掩膜标记。IC 模型不仅可以包括放置螺线电感的玻璃氧化物,而且还包括最终封装中芯核下方的金属层和封闭用环氧物质。对于在高频下运行的设计,所有这些因素都关系到电路的性能。

  Spice 利用电路网表创建一个传导矩阵,并尝试通过不同的时间步长来求解这个矩阵。场解算器采用网格技术,很像用于机械应力和压力的有限元分析程序。一旦场解算器程序将虚拟物理表现与各个小元素的表述以及用户为这些元素提供的介电常数和传导性相配合,就能够用不同的数学方法推算出场,从而得到与电路元素相关的电压与电流。著名的信号完整性专家 Henry Ott 有一句忠告应该牢记:“记住:是场产生电流,而不是其它方式。”

  当场解算器检查了电路的物理表现后,它就可以将这种配置的电气表示输出为 S 参数模型或 LRGC(电感/电阻—导电率/电容)模型。S 参数模型是一个频域表述,而 LRGC 模型是用 Spice 引擎做的时域分析表述。即使只有一个 S 参数输出,程序也可以完成一次数学卷积,以实现一个傅里叶逆变换。这一步使网络的时域表现更适合于 Spice 的解算,但


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场解算器? 高频电路建模?

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