述評SPARQ系列網(wǎng)絡(luò )分析儀之二:信號完整性問(wèn)題與S參數關(guān)系
一、信號完整性的基本概念
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201612/334287.htmSI(Signal Integrity)是指傳輸系統在信號的傳輸過(guò)程中保持信號的時(shí)域和頻域特性的能力。
在理想情況下,信號在傳輸過(guò)程中不應該發(fā)生任何的變化,但是真正理想的傳輸通道是不存在的,實(shí)際情況是信號經(jīng)過(guò)一個(gè)非理想的傳輸通道后會(huì )發(fā)生各 種各樣的信號完整性問(wèn)題。從信號質(zhì)量角度考慮,主要有過(guò)沖、下沖、振鈴、反射等,信號質(zhì)量問(wèn)題會(huì )導致接收端芯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(shí)序問(wèn)題,主要表現為數據和時(shí)鐘之間的時(shí)序關(guān)系,如接收端的時(shí)鐘信號和數據信號不滿(mǎn)足建立時(shí)間和 保持時(shí)間。
概括來(lái)說(shuō),信號完整性問(wèn)題主要表現為兩個(gè)方面,一是信號質(zhì)量問(wèn)題;二是時(shí)序問(wèn)題(主要是建立時(shí)間和保持時(shí)間)。
1、信號質(zhì)量問(wèn)題
2、時(shí)序問(wèn)題
建立時(shí)間是指在時(shí)鐘沿到來(lái)之前的一段時(shí)間內數據必須要保持有效狀態(tài)(即高電平有效或者低電平有效),時(shí)鐘沿和數據開(kāi)始有效之間的這段時(shí)間即為建立時(shí)間值;保持時(shí)間是指在時(shí)鐘沿之后數據還必須保持一段有效狀態(tài)的時(shí)間,時(shí)鐘沿和數據開(kāi)始失效之間的時(shí)間即為保持時(shí)間值。
當前高性能示波器中都集成有建立時(shí)間和保持時(shí)間的專(zhuān)用測量參數,如下圖所示的Lecroy示波器中的建立時(shí)間和保持時(shí)間測量示例。
二、如何解決信號完整性問(wèn)題
當前信號完整性工程師面對信號完整性問(wèn)題主要有兩個(gè)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(shí)物之前對整個(gè)系統進(jìn)行仿真,系統中各個(gè)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。芯片使用廠(chǎng)家提供的HSPICE模型或者IBIS模型來(lái)等效,通道(包括接插件、過(guò)孔、傳輸線(xiàn)等)通常使用S參數模型來(lái)等效。
通道的S參數模型可以通過(guò)仿真軟件提取得到,在完成實(shí)物以后,再使用測試方法進(jìn)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(dòng)等。
由于硬件工程師無(wú)法改變芯片的模型,他們能夠分析研究的主要是整個(gè)鏈路的通道,而整個(gè)鏈路的通道響應特性可以由S參數來(lái)衡量。S參數可以反應通 道中各個(gè)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,在系統完成后對S參數進(jìn)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(wèn)題
下圖7所示為一個(gè)二端口S參數中的S11和S21的基本圖示,藍色的表示S11參數又稱(chēng)為回波損耗,粉紅色的表示S21系數又稱(chēng)為插入損 耗,S11表示信號經(jīng)過(guò)通道后的反射情況,S21表示信號經(jīng)過(guò)通道后的損耗情況。從圖中可見(jiàn),隨著(zhù)頻率的升高(S參數曲線(xiàn)的橫軸表示頻率,縱軸表示幅 度),反射越來(lái)越強(S11曲線(xiàn)越接近0dB),損耗越大(S21曲線(xiàn)下降的越大)。反射越強表明系統的匹配可能沒(méi)有做好,通道損耗過(guò)大表明走線(xiàn)可能太長(cháng) 了,曲線(xiàn)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(shí)域反射計)或者VNA(矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀)來(lái)測量,但這兩者都比較昂貴。尤其是VNA,因為其主要用于微波領(lǐng)域,包含有很多具有微波特性的功能,因此價(jià)格往往比較貴,且功能復雜,操作校準都需要一定的專(zhuān)業(yè)知識才不容易出錯,而信號完整性領(lǐng)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(zhuān)用于信號完整性領(lǐng)域的S參數測量的儀器,叫SPARQ,即信號完整性網(wǎng)絡(luò )分析儀,用一句話(huà)概括即:SPARQ是一鍵操作式40GHz,4端口信號完整性網(wǎng)絡(luò )分析儀,是信號完整性工程師以經(jīng)濟型投入并能夠快速、方便、準確的測量出S參數和TDR的一種新型儀器。這款儀器非常適合于廣大信號完整性工程師使用。
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