信号完整性分析与S参数测量

信号完整性分析及S参数测量专题介绍美国力科公司上海代表处胡为东[e-mail]2Agenda☆信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现☆高速链路中影响信号完整性的主要因素☆应对信号完整性的主要方法☆基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理☆VNA的S参数测量原理☆S参数测量仪器的校准☆力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍3信号完整性的基本概念真实情况下的信号形状4信号完整性问题的主要体现51、信号质量问题2、信号时序问题6建立时间和保持时间的基本概念力科示波器中定制有专门的建立时间和保持时间测试项目7信号完整性在眼图上的体现89Agenda☆信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现☆高速链路中影响信号完整性的主要因素☆应对信号完整性的主要方法☆基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理☆VNA的S参数测量原理☆力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍典型的高速背板系统需要考虑的一些关键问题:损耗,反射,串扰,偏移在高速背板系统中通常有很多个不连续点，这些不连续点会带来信号反射问题背板连接器线卡上的走线芯片封装芯片的寄生参数（端接电阻与负载电容)线卡上的过孔背板的走线背板的过孔串行链路中影响信号完整性的主要因素10串行链路中影响信号完整性的主要因素接插件、过孔等引起的阻抗不连续过长的走线导致信号衰减过大高速信号差分对之间的串扰过大1112Agenda☆信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现☆高速链路中影响信号完整性的主要因素☆应对信号完整性的主要方法☆基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理☆VNA的S参数测量原理☆S参数测量仪器的校准☆力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍信号完整性工程师如何解决SI（信号完整性）问题1.理解SI问题可能出现在哪里2.为其设计制定指导方针3.编写特定的设计规则4.创建设计中各组成部分的模型并进行仿真以预测系统性能5.通过实际测试来验证系统性能6.重新定义模型，回到第四步13仿真和测试是解决信号完整性问题的两个重要手段！14信号完整性仿真ＣＨＡＮＮＥＬReceiverTransmitter0246050403020100frequency(GHz)magnitude(dB).信道的频响背板发送端子卡芯片管脚接收端子卡芯片管脚用于描述背板信号通道的S参数曲线信号完整性测试15通过实际测试验证S参数是否满足要求通过实际测试验证信号质量是否满足要求S参数是解决信号问题的核心S-parametersFrequencyDomainComponentSimulationSpiceTDRVNAMeasurementAssistedModelsPulseResponseZero-ForcingEqualizerImpulseResponseChannelEmulationRationalFunctionFitterSpiceModelsTimeDomainSimulationTopologicalModelsFrequencyDomainSystemSimulationQualitativeViewsQuantitativeTestsLinearSimulatorVirtualProbingChannelEmulationFixtureDe-embeddingCableCompensationEqualization+SerialDataAnalysis1617四端口S参数测量的设置4端口网络可以是单端或差分的单端模式4端口S参数和2端口、1端口类似，只是S参数的数量多了些差分模式4端口S参数是将两个端口如1和3端口合并到一起作为差分端口，另外两个端口如2和4合并到一起作为另外一个差分端口，分别在各个差分端口注入共模信号和差模信号，得到两组2端口S参数合并到一起即为差分模式S参数4-portDUTPort1Port250Ω50ΩPort3Port450Ω50Ω44434241243332312421222114131211SSSSSSSSSSSSSSSS1234高速背板：S11=V1‘/V1S21=V2/V1S31=V3/V1S41=V4/V1S参数以标准的Touchstone文件格式表示Testfrequency|S11|dB|S21|dB|S12|dB|S22|dBS11S21S12S22#=DelimiterindicatingthatthisisafileformatstatementHz=FrequenciesarelistedasHz(insteadofMHz,etc.)DB=MagnitudesareexpressedindB(insteadoflinear)S=ParametersinS-Parameterformat(insteadofZ,etc.)R50=Impedanceisnormalizedto50ohms1819S参数的测量方法S参数的测试方法主要有两种：VNA（矢量网络分析仪），主要用于微波领域，特点是有较好的精度、但是价格昂贵、校准很复杂、需要一定的微波专业知识才能应用自如、需要配置很多额外的软件才能实现对S参数的分析和验证、体积大比较重、移动或者操作不够方便、测得的S参数无法包含DC频点、测得的S参数与仿真软件容易出现兼容性问题等。采样示波器（如力科的WE100G）配合TDR/TDT（配有TDR模块的高性能采样示波器）的测量，特点是使用时域的方法、不仅能够得到频域S参数结果、也能够观察时域结果、但是需要有多个TDR快沿脉冲模块、价格较贵、校准很复杂、需要配置额外的软件才能实现对S参数的分析验证、体积大比较重、移动操作不够方便等从功能上来看，信号完整性工程师都能够使用这两款仪器来进行S参数的测量，但是从价格、性能、方便性等角度来看，这两种测试仪器显然不是最适合信号完整性工程师使用的仪器。20Agenda☆信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现☆高速链路中影响信号完整性的主要因素☆应对信号完整性的主要方法☆基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理☆VNA的S参数测量原理☆S参数测量仪器的校准☆力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍采样示波器基于TDR/TDT测量S参数的基本原理时域反射(TDR,TimeDomainReflection)是测量时域的快沿脉冲信号通过被测件后的反射效果，可用于测量被测件的回波损耗（ReturnLoss）时域传输(TDT,TimeDomainTransmission)是测量时域的快沿脉冲信号通过被测件(DUT,DeviceUnderTest)后所受到的影响情况，可用于测量一个系统的插入损耗或者叫传输损耗Insertion(Transmission)Loss、近端串扰（Near-endCrosstalk）、远端串扰（Far-endCrosstalk）等;也可以测量系统对输入阶跃脉冲的上升时间的响应情况等。将TDT响应转换为频域响应则有助于决定一个系统对信号质量比如说信号眼图的影响–这时的测量结果也就是S参数。最简单的TDT测量需要两个时域反射计(TDR,TimeDomainReflection)模块–一个用于产生阶跃脉冲信号加到传输系统中，另外一个用于采样经过传输系统后的信号DUTTwoST-20modulesSimpleTDTset-up采样示波器基于TDR/TDT测量S参数的基本原理影响采样示波器测量精度的两个主要因素23•TDR快沿脉冲的上升时间•采样方法（力科采样专利技术CIS采样方法，采样率可以达到10M/S，大大增加了数据采集的速度，RMS抖动值小于600fs）使用采样示波器测量四端口S参数的连接示意图ST-20ST-20ST-20ST-20SMASMASMASMAChannel1Channel2Channel4Channel3+-+-NearendFarendS参数:S11,S12,S13,S14S21,S22,S23,S24S31,S32,S33,S34S41,S42,S43,S44Port1Port22425Agenda☆信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现☆高速链路中影响信号完整性的主要因素☆应对信号完整性的主要方法☆基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理☆VNA的S参数测量原理☆S参数测量仪器的校准☆力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍矢量网络分析仪(VNA)的原理框图26VNA的基本原理27VNA通过直接将正弦波加载到被测件DUT上进行S参数的测量，由于信号源很难发出接近DC频率的激励信号，因此VNA测得的S参数不包括DC频点。而DC直流频点也可能会是影响信号完整性的一个重要成分。VNA使用扫频方法测量S参数的基本原理28VNA频域测量和TDR时域测量的相互联系2930Agenda☆信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现☆高速链路中影响信号完整性的主要因素☆应对信号完整性的主要方法☆基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理☆VNA的S参数测量原理☆S参数测量仪器的校准☆力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍手动VNA校准:校准是VNA测量中不可忽略的一个重要组成部分校准过程是个缓慢而且需要极其细心谨慎的过程，校准的准确度会直接影响到测量结果的准确性每次测量都进行校准将会浪费太多的时间，降低工作效率，因此工程师很难做到每次测量都进行校准往往需要很专业的测试工程师才能得到重复的结果下面的23步为手动校准2-portVNA的步骤：1.ConnectOport12.Measure3.Disconnect4.ConnectSport15.Measure6.Disconnect7.ConnectLport18.Measure9.Disconnect10.ConnectOport211.Measure12.Disconnect13.ConnectSport214.Measure15.Disconnect16.ConnectLport217.Measure18.Disconnect19.ConnectTtoport120.ConnectTtoport221.Measure22.Disconnect123.Disconnect2314-port手动校准的步骤1.ConnectOport12.Measure3.Disconnect4.ConnectSport15.Measure6.Disconnect7.ConnectLport18.Measure9.Disconnect10.ConnectOport211.Measure12.Disconnect13.ConnectSport214.Measure15.Disconnect16.ConnectLport217.Measure18.Disconnect19.ConnectOport320.Measure21.Disconnect22.ConnectSport323.Measure24.Disconnect25.ConnectLport326.Measure27.Disconnect28.ConnectOport429.Measure30.Disconnect31.ConnectSport432.Measure33.Disconnect34.ConnectLport435.Measure36.Disconnect37.ConnectTport138.ConnectTport239.Measure40.Disconnectport241.ConnectTport342.Measure43.Disconnectport344.ConnectTport445.Measure46.Disconnectport447.Disconnectport148.ConnectTport249.ConnectT