【導讀】隨著集成電路尺寸的縮小，以及集成電路工作速率的不斷攀升，數據通信網絡、微處理器、存儲等產品的高速IO接口已經達到幾十甚至上百GHz并對靜電防護（ESD）越來越嚴格。然而，較大的ESD防護網絡擁有高量級的電容，這對于接口帶寬非常不利。是否能通過一種有效的方案，在不減少ESD電容的情況下，有效提升高速接口的帶寬呢？
高速接口市場概況
隨著市場對5G、大型數據中心、人工智能領域需求的持續增長，要實現超量數據的傳輸，必然要用到高速接口，這帶動了高速接口需求的井噴。
另外，在Memory、MCU、GPU、FPGA等應用領域，傳統的高速接口還不能滿足現有的傳輸需求，其能耗、速率還有很大的提升空間，56G高速接口已開始投產，112G高速接口的研發設計也已啟動。
與此同時，Foundry的先進工藝節點不斷精進突破至7nm、5nm，為高速接口速率提升在物理層面提供了可行性。眾多設計公司投入到各種高速接口IP開發中，希望背靠先進工藝，能夠讓自家高速接口IP應用于集成電路大系統中。
高速接口帶寬提升的設計仿真挑戰
1.IO接口電容對帶寬的惡化
為優化高速接口高頻段的信號損耗，設計者通常會采用高靈敏度接收器及均衡器。然而，這些增加的電路模塊不可避免地增大了系統功耗，因此我們希望能夠找到辦法盡可能減小這些IO接口的電容量。
接口電容主要是由ESD防護網絡貢獻，但是，較大的電壓防護裕度導致ESD電容不宜設計得太小。另外，金屬互聯線和有源器件寄生電容都對IO接口電容帶來不利影響，因此設計中的最大挑戰在于如何不斷減小這些接口電容，或者規避這些影響。
2.傳統寬帶提升方案的不足
傳統的帶寬提升方案是Inductive Peaking，即在負載端串接一個片上電感。受電感感抗隨頻率增加的影響，總的串聯阻抗（RD+jwL）也會隨頻率增加，這樣迫使大量電流流經負載電容，實現增益寬帶一致性，從而提升工作帶寬。
不過這種方案在高頻時會有明顯的阻抗不連續和回波損耗較差的問題，間接的又拉低了整個3dB工作帶寬。目前Inductive Peaking方案最大能提升帶寬1.8倍，如果要保證良好帶內平坦度，最大只能提升帶寬1.6倍，因此帶寬提升仍有不足。
3.T-coil帶寬提升方案設計難度
對于高速IO接口的帶寬提升方案，業界用的比較先進的方案是利用T-coil片上無源器件來實現。不過這種技術的原理及公式推導在2003年才公布于眾，很多設計人員還不是很了解。而且T-coil無源器件共有4個指標參數，在設計仿真時，很多設計人員無從下手，不清楚如何設計優化這些關鍵參數。
芯和T-coil帶寬提升設計仿真解決方案
芯和半導體針對高速IO接口帶寬提升的問題，提供了對應的解決方案，即通過設計及仿真片上無源T-coil結構，最大限度地對接口電路實現阻抗、提升3dB帶寬。
如圖1所示，T-coil是雙端口橋式-T網絡的一種特例。它由兩個互相耦合的電感（兩個電感常常對稱設計），和一個橋接電容（和電感進行并聯諧振，進一步提升帶寬）組成，實際設計中還要考慮兩個電感的耦合因子、線上插損等因素。
當某個負載加到T-coil電路時，從節點1或2處看到的阻抗比較特殊；同時這兩個節點到節點3（一般連接負載電容）的傳輸函數（Vout/Vin）特性也比較有研究價值。
圖1 T-coil拓撲圖
1.T-coil參數理論分析
芯和半導體已從設計理論層面對T-coil器件進行大量分析積累，T-coil的關鍵設計指標是自感L1、L2，耦合系數K，橋接電容Cb。因此首先要對這四個指標對應的等式方程有充分地理解，才能有的放矢地進行器件綜合優化。
T-coil傳遞函數如圖2所示，是一個四階函數，包括2個零點和4個極點（從分子的二次方程和分母的四次方程可看出）。其中，M是L1和L2之間的互感。
圖2 T-coil帶寬提升系統的傳遞函數
假設L1=L2=L，并且選擇好L的值，使得傳遞函數中分母的兩個零點和分子中2個極點抵消掉。L值的選擇，就是要滿足下面兩個條件式子，如下：
通過兩個條件帶入四階傳遞函數，可以用兩個極點抵消2個零點，得到一個二階傳遞函數，其方程如下：
芯和半導體通過多次仿真驗證并得出結論：當使用阻尼系數ξ=0.866進行計算時，得到T-coil方案能提升2.72倍帶寬，而Inductive peaking方案僅提升1.6倍帶寬。很顯然，采用T-coil的優勢巨大。
2.T-coil高效仿真建模
芯和半導體提供了基于神經網絡算法的無源器件優化平臺iModeler，它內建了豐富的無源器件參數化模板，其中包含了T-coil版圖結構。在iModeler軟件中調用T-coil模板后，設計者可以進行各種物理尺寸參數化掃描，然后利用4種參數的EM公式進行器件多指標優化。
圖3是基于iModeler的T-coil優化流程圖，設計者在選擇T-coil模板時，也可根據需要添加shielding、dummy等版圖結構。
圖3 Xpeedic-iModeler的T-coil器件優化流程
iModeler軟件集成于Cadence的Virtuoso環境中，設計人員能快速調用仿真建模流程。通過選擇期望的T-coil器件，掃描多個物理尺寸，設計師能得到多個拓撲結構的S參數模型，如下圖4界面所示。
圖4 T-coil優化掃描界面
3.T-coil仿真后處理
在進行T-coil仿真設計過程中，設計師需要利用電磁場公式對T-coil模型進行迭代分析，觀察仿真結果是否滿足指標要求。
芯和半導體提供了強大的S參數后處理軟件SnpExpert，它內置了豐富的EM公式，通過這些T-coil公式可以快速分析仿真曲線是否符合要求。
圖5 內置公式編輯
圖6 快速繪制結果曲線
4.橋接電容掃描
芯和半導體提供的iModeler軟件，在完成T-coil設計仿真建模后，能夠將T-coil模型同步到Cadence電路設計和仿真環境中。為了驗證T-coil方案的效果，我們分別搭建了理想和實際電路進行驗證。
理想電路：T-coil和橋接電容Cb都是按照理想元器件進行設置。
實際電路：T-coil是電磁場仿真生成的模型。由于T-coil模型中已經存在線圈間耦合電容，所以橋接電容Cb要扣除這部分影響，否則結果有偏差。因此需要對Cb進行變量掃描，來找出最優值。
圖7從左到右展示了三種驗證電路，分別為無T-coil原始電路、含理想T-coil電路、基于仿真模型T-coil電路進。
圖7 T-coil驗證
圖8是對實際電路中橋接電容Cb的掃描結果，分別為輸入端的S11（上圖）和負載電容處的3dB帶寬（下圖）。圖中可見，不同橋接電容對應的S參數曲線，需要根據插損和回損圖選擇最優的結果。
圖8 掃描結果
總結
本文首先從高速接口切入，講述了負載電容對工作帶寬的負面影響，并探討了帶寬提升有哪些途徑，接著對T-coil的參數公式進行推導，從理論的角度提出了最優的T-coil解決方案。最后使用芯片無源器件建模軟件iModeler進行方案的實例驗證。如果還想對接口電路性能做進一步優化，設計者可以參考更為詳細的文檔，從電路層面進行調整，然后再用iModeler進行模型實現，并按照這種思路反復迭代直至滿足指標。
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