Virtuoso Meets Maxwell: 電磁界シミュレーションにおけるポートのふるまい

'Virtuoso Meets Maxwell'はVirtuoso RFソリューションとVirtuoso MultiTechの機能及びその潜在能力の紹介を目的としたブログの連載です。ではどのようにVirtuosoがMaxwellと出会うのでしょうか。現在、VirtuosoプラットフォームはRF設計をサポートしており、RF設計者は物理的な放射の影響をマクスウェルの方程式で測ります。この連載では、有益なソフトウェアの改善点にスポットを当てて解説するだけでなく、VirtuosoのIC-パッケージ設計環境内の様々なツールの知識や経験についてRF、マイクロ波、及び高周波設計の視点から様々なブロガーや専門家の声をお届けします。月曜日に投稿されますのでチェックしてみてください。

電磁界シミュレーションの目的は、模倣されたシステムのSパラメータを抽出することです。そのためには、ストラクチャにエネルギーを注入し、シミュレータが計算した反射エネルギーの量からSパラメータを導出します。エネルギーはポートを通してシステムに注入されるため、ポートの正しい定義が電磁界シミュレーションの結果の良し悪しを決める重要な要素であることは明らかです。

Electromagnetic SolverアシスタントのEMX Planar 3D Solverにおけるポート定義については、すでにこのブログで説明しました。今回のブログでは、このトピックに関連する情報を追加し、ソリューションの可能性をより効果的に活用できるようにします。

システムはさまざまな方法で 「チャージ」することができます。シンプルなインダクターについて考えてみても、2つの異なるシナリオがあります。

• 特性評価段階では、ストラクチャにチャージするGround信号プローブを使用して、ウェハ上に測定対象のストラクチャを備えたテストチップを構築することがあります；
• RFIC に組み込まれた通常の使い方では、端子が接続されたメタルを介して注入される信号によって「チャージ」されます；

このため、EMX Planar 3D Solverのような電磁界解析ソルバーでは、さまざまな種類のポートを用意しています。適切なポートを選択する際の一般的なルールは、「実際に起こっていることを可能な限り再現する」ことです（図1参照）。

図1：左の図ではエッジポートが設定されており、チャージは左側のエッジから行われます。右の図ではパッドの中心に向かって「垂直」にチャージが行われるため、インターナルポートが使用されます。右のスクリーンショットはSTMicroelectronicsが公開したレイアウトです。詳細はIEEEの論文に掲載されています。

EMX Planar 3D Solverは、レイアウトに配置されたCadenceピンからポートを配置する場所を自動的に特定します。また、エッジポートかインターナルポートかを選択することができます。

ポートを定義する際、反射電流を測定しながらポート自体に電圧源を印加することによってシステムの励起が行われることに留意することが重要です。電圧源はそれが印加されるリファレンスを明らかに必要とし（2端子デバイス）、同時に、電圧源によってシステムに注入された電流は、電圧源の2番目の端子に戻る経路を見つける必要があります。この場合でも、各ポートリファレンスの定義は非常に重要であり、実際に起こることとできるだけ一致させなければなりません。

デフォルトでは、ポートはリファレンスされません。これは、現実には必ずしも存在しない基板下の理想的なグランドプレーンを参照していることを意味します。遅滞効果を考慮したい場合は、放射モードを有効にして、非物理的または非因果的な S パラメータを取得する危険を冒さない限り、各ポートの近くにある物理的なグラウンドリファレンスを特定することが必須です。

図2：左の図では、P1はリファレンスされないICポートとして定義されています。右の図は、同じP1がM3の下にある水色のM1内部グラウンドプレーンの端に参照されています。この2番目のケースでは、P1に注入された電流のリターン・パスは内部M1グラウンドプレーンを通ることになります。

Virtuoso Electromagnetic Solver アシスタントのPortsタブでは、N-Port Common Nodeフィールドの定義が可能です。それは何でしょうか？これはリファレンスノードであり、EMX Planar 3D Solverによって抽出されたSパラメータを含むテストベンチのSpectreシミュレーションを行うために必要な定義です。そのため、このようなノードはEMシミュレーション結果には影響しませんが、それらを使用する必要があります。実際、EMXシミュレーションが終了し、Touchstoneファイルが利用可能になると、次のステップでは、これらのSパラメータをゴールデンの回路図へ繋ぎ合わせます。これはVirtuoso analogLibのcfde_nportデバイスを通して行われ、自動的にインスタンス化され、Touchstoneファイルにリンクされます。このファイルには、シミュレーションで定義されたポート数に相当する数の端子と、N-Port Common Nodeがあります。Virtuoso Electromagnetic Solver アシスタントのPortsタブで指定されたN-Port Common Nodeは、バックアノテーションされた回路図のcfde_nportインスタンスのターミナルに自動的に接続されます。注意すべき点は以下の通りです：

• N-Port Common Nodeフィールドに何も設定しない場合、バックアノテーションされた回路図のcfde_nportコモン・ノードはgnd!に接続されます
• スケマティックドリブンフローでは、そのネットに接続されているピンにはEMポートは必要ありません。

図3：N-Port Common Nodeフィールドで指定されたネットは、cfde_nportコンポーネントのリファレンス端子が接続されているネットです。

すでに述べたように、ポートはレイアウトでインスタンス化されたピンを見て自動的に定義されます。ピンがインスタンス内で使用され（例えばスパイラル・インダクタなど）、別のピンがトップレベルに配置されることがあるかもしれません。重なっている2つのポートは自動的にグループ化され、EMシミュレーションでは1つのポートだけが使用されます。

Enrico Sacchi
Translator : Osamu Chiba

関連リソース

	Datasheets	Virtuoso RF Solution Virtuoso Heterogeneous Integration
	Product Manuals	Virtuoso MultiTech Framework Guide Virtuoso RF Solution Guide Virtuoso Electromagnetic Solver Assistant User Guide
	Free Trials	Virtuoso RF Solution - Module Layout with Edit-in-Concert Virtuoso RF Solution - EM Analysis Virtuoso RF Solution - Physical Implementation Flows

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Virtuoso Meets Maxwellについて

Virtuoso Meets Maxwellの連載では、設計者が設計者として生き抜くための設計プロセスの再構築と最適化にフォーカスする形で次世代のダイ、パッケージ、ボードの設計フローに関する投稿を行っています。ご注目ください！

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