AC耦合电容仿真知多少

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了六种不同的电容模型，并通过仿真数据对比了它们在高频下的性能差异。其中，使用边界条件的模型在高频下性能较差，而校准过的金属block电容模型表现更好。文章建议在高速率下使用经过严格测试校准的金属block电容模型进行仿真。同时，还提到了电容仿真的其他细节和参考资料。

AC耦合电容，也叫DC blocking隔直电容，在几乎所有的高速串行链路中，都可以看到它的身影，它的主要作用是去掉信号中的直流偏置分量，同时让高频分量可以顺利通过，类似于一个高宽带的滤波器。

由于电容的焊盘通常都要比传输线的宽度要细，在电容这里会形成一个阻抗偏低点，提升这个阻抗，是电容仿真优化的重点。

为了减小阻抗失配，会选用封装比较小的电容，目前高速PCB中，0201和01005封装的电容用的比较多，一般都是MLCC（Multi-layer Ceramic Capacitor ）多层陶瓷电容，因为使用的是多层电极叠加结构，高频时电感非常低，具有非常低的等效串联电阻，损耗小。

MLCC电容结构参考图一：两边是用来焊接的大电极，镀镍，镀锡，中间的陶瓷介质是钛酸钡，中间包裹着相互交错叠加的电极薄片，容值大小不同，电极的数量就不同。图二是0201封装电容尺寸，从村田官网截的图。

图二、0201电容封装尺寸

AC耦合电容仿真，如果能拿到具体的MLCC模型最好不过了，但是像陶瓷的介电常数、内部电极数量这些参数对厂家来说都是机密，一般人是没法拿到这些数据的，就算有这些尺寸，因为内部电极的厚度不过1~3um，这种薄片在HFSS中仿真，会划分非常多的网格数，耗费很多的CPU和内存资源，仿真时间很长，因此MLCC模型不太适合直接用来仿真。

当然，这也并非绝对，samtec的大神就发表了关于用MLCC陶瓷电容仿真56Gbps和112Gbps PAM4的论文，有兴趣的可以去了解下文末的参考资料，但是对普通的仿真者来讲，技术难度还是比较大，图三是我根据论文建立的MLCC模型，因为仿真出来的SDD21曲线有很多谐振，就不过多分享了，毕竟结果不正确。

图三、真实的MLCC陶瓷电容仿真模型

既然利用真实的MLCC模型仿真行不通，那么就得找到一些相对简单的模型来进行电容阻抗的优化。基于此模型，仿真出来的阻抗（TDR）应该与测试的TDR很接近，不然仿真模型也没有意义，凡是与测试结果差异很大的模型都无效，必须通过多次校准来完善模型。我自己建立的电容模型有6种，分别为：

• 第一、type A——就是一个金属块模型，见图四，它不是标准的0201封装尺寸，这个模型是我校准过的模型，近期的一些测试发现它的精度还不够，要继续完善；

图四、校准过的金属block电容模型

• 第二、type B——是一个标准0201封装尺寸的金属块模型，中间的block尺寸可调，需要基于实测TDR，见图五；

图五、0201封装尺寸金属block电容模型

• 第三、type C——这个模型是HFSS help提到的一种，保留电容两边的金属电极，中间加了一个0.1uF电容边界条件，见图六;

图六、金属电极加RLC边界电容模型

• type E/F——这是很多人常用的电容模型，用一个RLC boundary或者perfect E直接替代电容，见图七;

图七、常见RLC或者perfect E电容模型

• type D——就是真实的MLCC电容模型，参考图三，因为仿真结果不对，仅分享下图片;

以上6种模型，除type D还有错误不参与比较外，哪一种模型跟实际的模型会更接近，或者说用它仿真得到的结果更准确？我们不能主观上判定哪一个更准，需要基于严格的仿真或者测试数据。

上面的几个模型，使用HFSS进行仿真，求解方式为drivern terminal，插值法宽带扫描并且使用的wave port的deembedding，求解频率设置为DC~75GHz，对应信号的上升沿时间为15ps。 

对比使用不同电容模型时的TDR曲线，其中尖峰前后两段较平坦的曲线为差分对的阻抗，尖峰为电容阻抗，从图八可以看出，同样的传输结构，使用不同的电容模型，仿真出来的阻抗差异还是很大的，Type A和Type B两种模型仿真出来的阻抗更接近，而使用边界条件的模型，阻抗要比纯金属的模型阻抗大5ohm左右。

图八、不同电容模型TDR比较

再来看通道的插损insertion loss，也就是SDD21的差异，请看图九，当频率小于12.5GHz，可以认为模型间基本没差别，因此低速信号的仿真（<10Gbps），这几种模型都是可以使用的，但是到了高频尤其是20GHz以后，性能的差别就出来了，还是校准过的模型type A损耗最小,其次是type B，使用边界条件的模型损耗偏大，这跟电容这里的阻抗偏高（106ohm）有关系。

图九、不同电容模型是插损比较

上面的仿真数据对比说明，使用不同的电容模型，当频率（>20GHz)高了以后，性能差异还是很大的。低速率时代（<10Gbps），使用任何一种模型都没问题，当速率高了以后，就不建议直接使用边界条件电容模型，因为它们不会呈现导体加厚后的寄生电容效应，以及电容本身与GND的电容效应，此时建议使用type A和Type B这两种模型，对应的金属block尺寸要经过严格的测试校准。

因此你需要做一些测试板，参考图十，对比电容有无隔层参考，以及隔层参考时不同GND cutout尺寸时的仿真与测试阻抗的对比，如此反复几次，就可以得到一个比较精确的电容模型，后面所有的电容仿真，你可以直接调用此模型。

图十、参考校准板模型

图十一和十二是仿真和实测电容阻抗的对比值，当两者差异较小时，此时对应的电容模型，即可作为你的基础仿真模型之一，随用随调。

图十一、测试TDR曲线

以上就是今天分享的AC耦合电容仿真的一些细节，当速率高于25Gbps及以上时，应尽量避免使用边界条件电容模型，要用自己校准过的金属block电容模型，当然电容还有其他细节要注意的比如：回流孔的位置摆放、电容位置摆放是靠近发射芯片好还是靠近接收芯片好、以及电容位置摆放对串扰的影响等，这些就留着以后有机会再讲。