述評SPARQ系列網絡分析儀之二:信號完整性問題與S參數關係

2021-01-11 電子產品世界

隨著半導體工藝的不斷發展，數位訊號的速率也愈來愈高，Gbps以上的高速信號已經隨處可見。面對高速設計的新領域，硬體設計工程師們需要改 變傳統的設計理念，他們需要以更加超前的思維去思考自己將要設計的信號的質量，或許在制定產品設計方案的時候就需要進行調研；需要在設計過程的每一個環節 去思考信號質量問題，如方案設計環節，原理圖設計環節，PCB設計環節，測試驗證環節等等；需要考慮到系統中的每一個構成成分可能給信號質量帶來的影響， 如過孔，電容，電感，阻抗，接插件等等；所有高速設計相關的問題也常被統稱為信號完整性(即SI，Signal Integrity)問題，SI是當前硬體設計工程師們的一個最熱門的話題之一。和SI相關的兩個最為重要的工作是信號完整性仿真和信號完整性測試。信號 完整性仿真是指使用仿真軟體將晶片、信號傳輸鏈路的模型連接到一起，進行初步的信號質量的預測，信號完整性仿真中一個最為重要的模型是S參數模型，它常被 用來模擬傳輸線、過孔、接插件等的模型，在仿真之初S參數常常是通過電磁場仿真軟體等仿真的方法獲得，然後再用相應的測試儀器如TDR、VNA以及力科新推出的新型專用於信號完整性領域的信號完整性網絡分析儀SPARQ等進行測試驗證。S參數模型貫穿於整個信號完整性分析過程，它是一切信號完整性問題的心臟。

一、信號完整性的基本概念

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/334287.htm

SI(Signal Integrity)是指傳輸系統在信號的傳輸過程中保持信號的時域和頻域特性的能力。

在理想情況下，信號在傳輸過程中不應該發生任何的變化，但是真正理想的傳輸通道是不存在的，實際情況是信號經過一個非理想的傳輸通道後會發生各 種各樣的信號完整性問題。從信號質量角度考慮，主要有過衝、下衝、振鈴、反射等，信號質量問題會導致接收端晶片錯誤的判別接收到的信號的邏輯特性，如將0 電平誤認為是1電平，從而出現數據傳輸錯誤，另外一方面是時序問題，主要表現為數據和時鐘之間的時序關係，如接收端的時鐘信號和數據信號不滿足建立時間和 保持時間。

概括來說，信號完整性問題主要表現為兩個方面，一是信號質量問題；二是時序問題(主要是建立時間和保持時間)。

1、信號質量問題

2、時序問題

建立時間是指在時鐘沿到來之前的一段時間內數據必須要保持有效狀態(即高電平有效或者低電平有效)，時鐘沿和數據開始有效之間的這段時間即為建立時間值；保持時間是指在時鐘沿之後數據還必須保持一段有效狀態的時間，時鐘沿和數據開始失效之間的時間即為保持時間值。

當前高性能示波器中都集成有建立時間和保持時間的專用測量參數，如下圖所示的Lecroy示波器中的建立時間和保持時間測量示例。

二、如何解決信號完整性問題

當前信號完整性工程師面對信號完整性問題主要有兩個方法，一是信號完整性仿真，二是信號完整性測試。測試的目的的一方面是驗證系統最終的信號完整性性能，二是驗證仿真結果的準確性。

信號完整性仿真是在系統做成實物之前對整個系統進行仿真，系統中各個部分使用等效的電路模型，如下圖5的高速背板系統可以等效為圖6的模型。晶片使用廠家提供的HSPICE模型或者IBIS模型來等效，通道(包括接插件、過孔、傳輸線等)通常使用S參數模型來等效。

通道的S參數模型可以通過仿真軟體提取得到，在完成實物以後，再使用測試方法進行S參數的測試驗證以及系統整體性能的驗證，如測試高速信號的眼圖、抖動等。

由於硬體工程師無法改變晶片的模型，他們能夠分析研究的主要是整個鏈路的通道，而整個鏈路的通道響應特性可以由S參數來衡量。S參數可以反應通 道中各個組成成分的特性，如損耗、衰減、反射等。因此仿真中S參數的正確性將直接影響到仿真結果的正確性和可信性。因此，在系統完成後對S參數進行測試驗 證是非常有必要的。

三、S參數可反應出所有的信號完整性問題

下圖7所示為一個二埠S參數中的S11和S21的基本圖示，藍色的表示S11參數又稱為回波損耗,粉紅色的表示S21係數又稱為插入損 耗,S11表示信號經過通道後的反射情況，S21表示信號經過通道後的損耗情況。從圖中可見，隨著頻率的升高(S參數曲線的橫軸表示頻率，縱軸表示幅 度)，反射越來越強(S11曲線越接近0dB),損耗越大(S21曲線下降的越大)。反射越強表明系統的匹配可能沒有做好，通道損耗過大表明走線可能太長 了，曲線不平滑則表明通道的阻抗連續性不是很好等。

四、S參數的測量

S參數通常使用TDR(時域反射計)或者VNA(矢量網絡分析儀)來測量，但這兩者都比較昂貴。尤其是VNA，因為其主要用於微波領域，包含有很多具有微波特性的功能，因此價格往往比較貴，且功能複雜，操作校準都需要一定的專業知識才不容易出錯，而信號完整性領域的S參數測試則完全不需要具有很多功能的VNA或者TDR。力科公司最近推出一款全新概念的專用於信號完整性領域的S參數測量的儀器，叫SPARQ，即信號完整性網絡分析儀，用一句話概括即：SPARQ是一鍵操作式40GHz,4埠信號完整性網絡分析儀，是信號完整性工程師以經濟型投入並能夠快速、方便、準確的測量出S參數和TDR的一種新型儀器。這款儀器非常適合於廣大信號完整性工程師使用。


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    上面舉例的衰減器，當對他進行網絡分析以後，直接得到了衰減量這個參數，就能直觀的了解衰減器接入射頻電路以後會產生什麼效果。下面天線的例子，進一步說明了這種分析方法的方便之處。 通過網絡分析，能夠直接測到天線的S11參數，包含一個幅度（或功率）關係和一個相位關係，例如0.5∠90°。圖（3）是一個極坐標的S11關係圖，它的徑向坐標代表幅度關係，繞軸旋轉的角度代表相位關係。
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  • S參數簡述及實戰解讀
    ）一樣（還有Y參數，代表阻抗的倒數1/Z），屬於多埠網絡系統的參數.是微波傳輸中的一個重要參數。S11為輸入反射係數，也就是輸入回波損耗，S22為輸出反射係數，也就是輸出回波損耗S參數被大量應用於高速電路和高頻電路設計和仿真中，對于越來越高速的電子產品，以及不僅僅是信號完整性和電源完整性工程師需要了解S參數，對於電子工程師、測試工程師和EMC工程師等等都需要了解， 如果看不懂S參數曲線，那就無從分析頻域信號，很顯然在高頻的時候參數變化也無從說起，今天一起探討下S參數，首先高頻S參數包括以下項目
  • S參數應用技巧-正確分配埠號
    當信號頻率比較低時，這些互連線對信號是透明的。當互連線的物理尺寸大於1 / 4信號波長時，它對信號的反射和相位時延已不能忽略，需要將其視為傳輸線（Transmission Line）。S參數是描述傳輸線電氣特性的理想模型，已成為射頻領域、信號完整性領域的事實標準。S參數可以由仿真軟體產生，也可以由儀器對實物測量得到，比如力科公司的信號完整性網絡分析儀SPARQ。
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    網絡分析儀測量方法　　反射係數（G）和傳輸係數（T）分別對應入射信號中反射信號和傳輸信號所佔的比例。圖3示意了這兩個向量。現代網絡分析基於散射參數或S-參數擴充了這種思想。　　S-參數是一種複雜的向量，它們代表了兩個射頻信號的比值。