SIwave：在 SIwave 中释放计算频率扫描的强大功能
SIwave 是一种电源完整性和信号完整性工具。Compute Frequency Sweeps 是 SIwave 中的工具之一，也是本博客的主题。
Compute Frequency Sweeps 求解器用于研究电源平面中的谐振。与另一个视频中讨论的谐振模式求解器类似，但有一些不同之处。频率扫描求解器根据物理尺寸以及源和负载的影响来检测谐振模式。在电路工具的帮助下，频率扫描求解器根据信号的实际频谱为每个频率注入正确的电压。因此，频率扫描求解器可以确定每个谐振的大小。
图 1：Compute Frequency Sweeps 求解器
让我们开始吧。
不建议使用 SIwave 构建 PCB。虽然这是可能的，但这不是使用 SIwave 的最佳方式。SIwave 可以导入以下类型的 CAD 文件：
图 2：SIwave 中的“导入”对话框
Ansys EDB 转换器可以安装在 Allegro 和 Altium 上以生成 EDB 文件。建议使用 Orcad 用户使用 IPC-2581。Mentor Expedition 用户应使用 ODB++ 文件。Cadence 用户应生成 BRD 文件并将其导入 3D 版图。这需要安装 Cadence，安装 Extracta from Cadence，并且应在 Path 环境变量中设置 Extracta from Cadence 的路径。
SIwave 从 CAD 文件中提取大量信息，包括叠层、材料、组件和网络。因此，模型已准备好进行求解。
添加源。
导入模型后，下一步是添加源。SIwave 需要知道每个电源平面网络是如何以及在何处被激发的。在 SIwave 中，可以通过三种方式添加源：DCIR 设置或净方式、手动方式或元件方式。
DCIR 设置
单击屏幕左上角的橙色小图标。
图 3：用于访问工作流向导的橙色图标
然后从列表中选择 DC IR 求解器。
图 4：工作流向导
选择 DCIR 后，将显示 DCIR 设置对话框。接下来，用户必须选择一个电源层或一组电源层，并为它们分配电压和电流源。电压源分配在输入端，而电流源通常位于负载侧（芯片侧）。
在继续之前，了解 SIwave 中的被动链接是必不可少的。它可以是使用无源元件（如电容器、电感器和电阻器）串联的一个或多个网络。电源平面通常使用电感器和电阻器，但不使用电容器。
图 5：DCIR 对话框
基于此配置，在每个频率下，输入电压为 1.2V，输入电流为 1A。配置、验证，但无需解决。
新的电压和电流源可以在元件面板中找到。
图 6：Components 选项卡
此外，它们还可以在 Circuit Element Parameters from Home 部分找到。
图 7：电路元件参数
图 8：Circuit Element 面板
图 9：Circuit Element 面板
手动方式：
手动分配端口是另一个选项。从主页中，选择电压源和电流源。
图 10：电路元件快速访问图标
用户必须知道源在哪里以及最近的接地在哪里。通过在 PCB 上选择两个点，SIwave 会立即识别这两个点下的所有网络。正极端子和负极端子可以选择任何层。下面，正极端子和负极端子在表面上。
图 11：手动添加端口
图 12：定义新端口的终端层
组件方式
组件是添加端口的第三种方式。从工具中，选择在元件上生成电路元素：
图 13：在元件上生成电路元件>工具
首先，选择零件名称，然后选择位号，以选择元件。从列表中选择一个正引脚和一个负引脚，然后从 Circuit type 中选择电压源或电流源。当元件在网络上有许多 pins时，用户可以定义和使用一组 pins。有许多视频讨论创建图钉组。
图 14：通过首先选择组件来添加元素
设置 Frequency Sweep 解算器
单击 Compute Frequency Sweeps 求解器。
为解决方案命名。
激励选项 1 使用 SIwave 中定义的源。第二种选择是使用外部源，这将在后面讨论。
选择频段，在本例中为 1MHz-2GHz，并请求绘制 Vcc 和 GND 之间的表面电压差。
保存设置后，用户可以启动该程序。
图 15：求解器设置
解决 方案
查看资料
检查解决方案的另一种重要方法是通过其配置文件。这显示了每个网络中使用的求解器时序和网格。可以使用此信息比较不同的模型。也可以使用此信息来规划长运行。
图 16：配置文件面板
View 仿真属性
可以随时使用 View simulation properties 来查看用于生成此解决方案的设置。
图 17：旧的仿真设置
绘制表面场
可以在所选层上以任何频率绘制场。还可以通过所有频率进行动画处理。刻度高达 2.19 伏。仅向电源平面提供 1.2 伏特。这意味着在某些频率下，会有共振。运行动画并观察高值出现的位置以检测这些谐振。使用此信息，用户可以放置电压探头。
图 18：频率内容
图 19：场图
绘制探头电压
只需将 3 个或 4 个电压探头手动添加到电源层中。这是因为电压探针的位置不是引脚，也不是网络和元件之间的连接。
从 Home （主页） 中，选择 voltage probes （电压探头）。
图 20：Circuit Element 面板
确保正极端子在 VCC 层，负极端子在 GND 层。在设置中，用户选择绘制 VCC 层和 GND 层之间的场差。使用 Probes 重新运行解决方案。
图 21：添加电压探针
根据这些结果，可以确定共振发生的频率。需要检查电压高于 1.2 伏的频率。在许多频率下都有反射，尤其是在低频下，但它们没有 1.33GHz 时那么严重。另外两个较弱：0.892GHz 和 1.877GHz。
这些结果中的假设是所有频率下的电压幅度相等，负载电流相等。因此，这些结果不能用于做出决策。必须注入正确的信号才能看到共振。因此，了解信号的正确频谱非常重要。
图 22：探测结果
自定义源
AEDT 的电路工具允许注入正确的电压和电流。要使用电路工具，SIwave 必须首先使用 PI 求解器求解结构的 S 参数。
PI 求解器
通过调用屏幕左上角的橙色小图标来选择 PI 求解器。将端口分配给感兴趣的 Powerplane 的输入和输出。
图 23：PI 对话框
配置、验证和模拟。在求解器设置中设置波段。该电路使用瞬态求解器，因此不要忘记包含 0Hz。需要注意的是，最大频率数会影响上升时间数。0.5/Freq 用于计算上升时间。
图 24：SYZ 求解器设置
电路设置
启动 Ansys Electronic Desktop 并创建一个新项目。将项目保存在与 SIwave 模型相同的目录中。添加 Circuit 工程。然后，添加 SIwave 链接。
图 25：电路工具中的 SIwave 图标链接
图 26：分配正确的 SIwave 文件
图 27：选择正确的文件和正确的解决方案。
在 CPU 侧添加一个电阻器 R=1Ohm，并在 VRM 侧添加一个电压（噪声）源。从独立源添加幅度等于 0.2V 的 PRBS 信号源。
图 28：调整电压源的条目
添加一个步长为 0.1ps、持续时间为 100ns 的瞬态求解器。该步长由最差的上升时间决定，持续时间应足够长，以捕获噪声信号的频谱。可能需要尝试不同的长度。
图 29：瞬态求解器设置
使用该解决方案，用户可以在任何走线上绘制电压和电流。用户应该可以看到许多位。数据越多，分析就越准确。
图 30：电路所有网络（输入、输出和接地）上的电压
用户还可以绘制信号的频谱内容。创建标准报告时，选择光谱选项：创建标准报告 - >矩形绘图 - > 域：光谱。这就解释了为什么用户必须解决许多位。随着添加的位数增加，频谱会变得更加准确。
图 31：绘制输入信号频谱
图 32：输入信号频谱
使用 Push Excitation 选项将设置推送到 SIwave。
Figure 33: Push excitation
Back to SIwave
Launch the frequency sweeps again in SIwave. The solver is choosing to use external data instead of internal data.
图 34：使用外部源。
使用相同的设置启动求解器。现在可以再次绘制三个电压探头的电压。请注意源的输入频谱（底部）和扫描响应（顶部）。在 1.3GHz 时，存在严重的共振。
图 35：谐振与输入频谱的关系
在 1.3GHz 处绘制磁场。可以看到共振位置。
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图 36：1.3GHz 谐振的场图
Resonant mode solver 谐振模式求解器
Resonant 模式求解器根据物理结构计算谐振。将频率谐振求解器的结果与频率扫描求解器的结果进行比较非常重要。另一个视频解释了谐振模式。本文将仅讨论结果。
resonant mode solver 提供了一个谐振列表。要找到关键选项，用户必须逐个滚动浏览它们。谐振模式求解器可检测 1.2875GHz 的谐振。由于注入的信号只有 1.3GHz 的分量，因此频率扫描求解器看到的是谐振的侧面，而不是最大值。
图 35：谐振列表
图 38：1.287GHz 时的谐振场图
结论
使用频率扫描求解器比使用谐振模式求解器查找谐振要容易得多。使用自定义源的频率扫描检测到的谐振比任何其他工具检测到的谐振都更准确。