深圳市賽孚電路科技有限公司專業(yè)生產(chǎn)PCB多層板,HDI板,軟硬結(jié)合板,光模塊PCB板。

光模塊PCB和光器件的仿真屬于高速串行數(shù)據(jù)鏈路(high speed serial data link)仿真的一個(gè)小分支,涉及的東西相對(duì)比較少,一般只要能扎實(shí)的練習(xí)一個(gè)光模塊仿真例子,不管是QSFP28還是CFP2的,其他類型模塊的仿真都能應(yīng)付,畢竟模塊里面的東西都是大同小異。稍微要注意的是,光器件的仿真設(shè)計(jì)到光電轉(zhuǎn)換(EO\OE),如何在仿真上準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換過(guò)程,就需要一些經(jīng)驗(yàn)的積累。

下圖是總結(jié)的光模塊PCB和光器件級(jí)聯(lián)仿真需要掌握的知識(shí),主要分三大塊,一是軟件操作的知識(shí),雖然仿真的東西不多,用的軟件卻不少,有五個(gè);第二是關(guān)于PCB(含F(xiàn)PC)仿真的內(nèi)容,主要是PCB的導(dǎo)入和裁剪簡(jiǎn)化,以及PCB上常見(jiàn)阻抗不連續(xù)性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仿真;第三是光器件的仿真,主要是評(píng)估器件的EO和OE響應(yīng)帶寬、眼圖等,“利用芯片外圍封裝來(lái)改善器件的性能”是這一節(jié)很重要的思想。

先來(lái)看看仿真用到的5個(gè)軟件,分別是HFSS、HFSS 3D Layout、Q2D\Q3D和circuit simulator,涵蓋電磁場(chǎng)和電路分析軟件,場(chǎng)路協(xié)同仿真已經(jīng)是一種很流行的趨勢(shì)了。建議大家升級(jí)到最新的軟件版本,因?yàn)樾掳姹镜能浖呀?jīng)引入了很多重要的功能,比如直接在HFSS中使用S parameter model、支持PAM4仿真,支持寬帶掃描等。各軟件的功能就不介紹了,網(wǎng)上資料很多,在仿真的過(guò)程中,要靈活交叉使用這幾個(gè)軟件,節(jié)省建模和求解時(shí)間,進(jìn)而減輕自己的工作量。

第二,關(guān)于光模塊PCB的仿真,只要能掌握下面7個(gè)基本互連結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仿真,你就出師了,接下來(lái)的任務(wù)就是做校準(zhǔn)測(cè)試板,來(lái)提升你仿真模型的準(zhǔn)確度。

第三、光器件的仿真,重中之重,要拿到芯片的等效電路模型,沒(méi)有這個(gè)模型,器件的仿真也就失去了靈魂。有了這個(gè)模型,就可以將器件里面所有跟高頻相關(guān)的封裝S參數(shù)提取出來(lái)做級(jí)聯(lián)仿真觀察眼圖和帶寬,當(dāng)然你也可以直接import hfss或Q3D model,不用額外提取S參數(shù)。還是那句話,封裝有時(shí)候?qū)π阅苡绊懞艽?要特別注意外圍封裝的設(shè)計(jì)。另外仿真出來(lái)的響應(yīng)帶寬要平坦,不能有過(guò)大的ripple,而且好的帶寬一定是對(duì)應(yīng)好的眼圖,反之亦然,如果對(duì)應(yīng)不上,肯定是仿真模型用得不到位。

以上即是光模塊PCB和光器件級(jí)聯(lián)仿真需要掌握的知識(shí),跟芯片的封裝以及板級(jí)PCB比起來(lái),東西要少很多,而且由于光模塊仿真重復(fù)的東西很多,因此要將經(jīng)常用到的模型慢慢積累,變成自己的通用模型,后面再仿真,只需要隨用隨調(diào)即可,不需要每次都去重復(fù)上一次的仿真工作,下圖是個(gè)人的一些仿真模型分類,供參考。

無(wú)源通道(passive)的仿真通常要占據(jù)大部分的工作時(shí)間,我們先從無(wú)源仿真開(kāi)始來(lái)介紹下使用ANSYS AEDT來(lái)仿真光模塊的基本流程。純無(wú)源的仿真主要是優(yōu)化和提取阻抗不連續(xù)結(jié)構(gòu)、封裝、PCB走線的S參數(shù)、調(diào)整通道阻抗,最終的目標(biāo)是讓通道的反射和串?dāng)_最小,帶寬足夠大。

無(wú)源通道的仿真分layout前仿真和layout后仿真,請(qǐng)參考下面紅黑箭頭指示方向,都是從PCB的導(dǎo)入開(kāi)始的,layout前仿真是在HFSS 3D layout中,將各阻抗不連續(xù)結(jié)構(gòu)(金手指、過(guò)孔、耦合電容、pcb和fpc的interface等)裁剪出來(lái),然后export至HFSS中進(jìn)行局部的優(yōu)化,待優(yōu)化好了之后,將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)導(dǎo)給layout工程師,讓他修改PCB。這里為什么不直接在HFSS 3D layout中進(jìn)行優(yōu)化呢,因?yàn)?D layout畫(huà)圖能力比較弱,盡管可以參數(shù)化設(shè)置一些變量,但是遠(yuǎn)不如在HFSS中優(yōu)化方便,因此局部的優(yōu)化都建議在HFSS中進(jìn)行,其他的光器件和高速submount的仿真也需要在HFSS中進(jìn)行。

但是layout后仿真我建議直接在3D layout中完成,當(dāng)然你用HFSS也完全可以應(yīng)付此工作,只不過(guò)又來(lái)一遍模型的導(dǎo)進(jìn)導(dǎo)出,相對(duì)比較繁瑣。在3D layout中,將需要分析的net裁剪出來(lái)后,你可以導(dǎo)入3d component,光模上常見(jiàn)的就是QSFP28 connector、SFP+ connector以及SMA轉(zhuǎn)接頭這些,這樣就可以進(jìn)行整個(gè)無(wú)源通路的仿真了,而且利用3d layout的phi mesh,在網(wǎng)格剖分上可以節(jié)省一點(diǎn)時(shí)間,畢竟layout后仿真,模型都比較大了,30萬(wàn)以上的網(wǎng)格數(shù)很常見(jiàn)。

無(wú)源仿真性能調(diào)整的差不多以后,就要進(jìn)行整個(gè)TX和RX通道的級(jí)聯(lián)仿真,屬于有源仿真,需要觀察通道的電壓、電流波形、眼圖以及EO/OE響應(yīng)帶寬等,下面是一個(gè)DML模型發(fā)射通道的整體仿真總結(jié)圖示,也有一些細(xì)節(jié)需要自己小心處理,請(qǐng)參考下圖中的文字說(shuō)明。

上面即是光模塊PCB和光器件仿真概述,要仿真的東西不多,要小心處理的地方卻也不少,以上內(nèi)容,只是我個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的一些總結(jié),有錯(cuò)誤的地方,請(qǐng)多包涵,謝謝!

以下文章來(lái)源于ANSYS老兵 ,作者劉星925