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Home > ANSYS Designer 教學 >如何讓電容於電路外接做模擬?

 

本文始於2022年，以2022R2 SIwave與HFSS分別示範如何在電容位置下port，讓電容可於電路連接時透過外掛做模擬。還比較內建電容與外掛電容的模擬結果差異，並探討其根因。

這技巧可用來處理SI分析時高速訊號上的串接(隔直)電容，或PI分析時Power/Ground間的並接(去耦)電容。電容於電路模擬時外接，除了便於替換容值做最佳化分析，還可避免含大電容的PCB模型寬頻抽取時容易發生無源性或因果性違規。但天下沒有白吃的午餐，某些情況下其高頻結果會跟內建電容模擬有差異，使用者須做取捨選擇合適的模擬手法。

  1. SIwave抽取

    1.1 含內建電容抽取

    1.2 雙埠外接電容抽取

    1.3 單埠外接電容抽取

  2. HFSS抽取

    2.1 含內建電容抽取

    2.2 雙埠外接電容抽取

    2.3 單埠外接電容抽取

  3. 問題與討論

    3.1 為何此例內建電容與外接電容的手法，S11參數在5GHz以上就出現差異?

    3.2 步驟1.1內的C1下方參考平面是完整的，為何還要用HFSS region框起來求解?

  4. 重點總結

  1. SIwave抽取

    1.1 含內建電容抽取

    此例C1下方的參考平面是完整的，為何還要用HFSS Region框起來以3D full-wave求解呢?

    提示：各位可以試著把Region1刪除，比較結果有何不同，再想想是什麼原因? Refer to 3.2

    1.2 雙埠外接電容抽取

    對每一顆電容兩端的位置，都下一個port，這是最直觀的做法。

    但這做法的缺點是，當該端點就近沒有參考點時，下太長的circuit port會對模擬結果的準度有影響。

    net1+C1+net2的S11 (紅線)在5GHz以上明顯變好，這是為什麼?

    讓我們繼續看下去 ...

    1.3 單埠外接電容抽取

    對每一顆電容，就下一個port，而這port的兩端分別就是這電容的兩端。使用時只要把外接的電容在電路上接到net0就可以得到預期的結果。這方法也許不直觀，但卻方便使用，所以特別撰文跟大家介紹。

    想進一步了解其背後原理者，請參考此處

    2. 1.1/1.2/1.3net1+C1+net2的S11在5GHz以上都不同，這是為什麼?

    我們以HFSS同樣方式做一次，看看趨勢是否相同?

  2. HFSS抽取

    2.1 含內建電容抽取

    1.1 SIwave與2.1 HFSS做的結果完全相同。

    但HFSS要做出這正確低頻結果需用到特殊招式 (也許你不知道以下設定對低頻S參數反轉的題目超厲害)

    2.2 雙埠外接電容抽取

    此方法使用者容易犯的錯誤是：單獨建一個PEC當電容兩端下port的參考點，特別是該PEC沒有與PCB的地相連接，即"floating"。請特別留意！

    與1.2一樣地，net1+C1+net2的S11 (紅線)在5GHz以上明顯變好，這是為什麼?

    2.3 單埠外接電容抽取

    3. 2.1/2.2/2.3HFSS做net1+C1+net2的S11同樣在5GHz以上開始出現差異。

    電容內建模擬與外接模擬兩種手法間，會引起S11結果在5GHz以上差異的原因是什麼?

    為何只有net1+C1+net2的S11有差異，net3+C2+net4的S11不論用哪種方法做都沒有差異?

  3. 問題與討論

    3.1 為何此例內建電容與外接電容的手法，S11參數在5GHz以上就出現差異?

    4. 3.2 步驟1.1內的C1下方參考平面是完整的，為何還要用HFSS region框起來求解?

    Ans：如果把1.1內的HFSS Region1去掉再跑一次，會發現net1+C1+net2的S11模擬結果(紅線)會跟1.2相同，也就是在高頻(5GHz)以上S11模擬結果會變小(較佳)且出現週期性諧振點。

    3.1與3.2問題背後的原因相同：HFSS與SIwave在處理circuit element的方式有所不同，HFSS內含circuit element時，能量在求解過程中會流過該元件與其所在路徑。反之，SIwave求解的結果與circuit element於電路模擬時後製外掛相同，也就是SIwave EM求解的當下是沒有考慮該circuit element的影響，而是後面計算SYZ時才加上的。

    這樣也就"順道"解釋了為何這差異只在net1+C1+net2的S11存在，而在net3+C2+net4的S11卻看不到。因為後者在C2路徑下方的參考地被挖掉了，造成實際上C2對下方路徑的耦合本身就較小，所以不論是電容內建或外接的結果都一樣。

  4. 重點總結