SPARQ系列述評之二 ――信號完整性問(wèn)題與S參數的關(guān)系

摘要：隨著(zhù)半導體工藝的不斷發(fā)展，數字信號的速率也愈來(lái)愈高，Gbps以上的高速信號已經(jīng)隨處可見(jiàn)。面對高速設計的新領(lǐng)域，硬件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(zhì)量，或許在制定產(chǎn)品設計方案的時(shí)候就需要進(jìn)行調研;需要在設計過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節 去思考信號質(zhì)量問(wèn)題，如方案設計環(huán)節，原理圖設計環(huán)節，PCB設計環(huán)節，測試驗證環(huán)節等等;需要考慮到系統中的每一個(gè)構成成分可能給信號質(zhì)量帶來(lái)的影響， 如過(guò)孔，電容，電感，阻抗，接插件等等;所有高速設計相關(guān)的問(wèn)題也常被統稱(chēng)為信號完整性(即SI，Signal Integrity)問(wèn)題，SI是當前硬件設計工程師們的一個(gè)最熱門(mén)的話(huà)題之一。和SI相關(guān)的兩個(gè)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件將芯片、信號傳輸鏈路的模型連接到一起，進(jìn)行初步的信號質(zhì)量的預測，信號完整性仿真中一個(gè)最為重要的模型是S參數模型，它常被 用來(lái)模擬傳輸線(xiàn)、過(guò)孔、接插件等的模型，在仿真之初S參數常常是通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件等仿真的方法獲得，然后再用相應的測試儀器如TDR、VNA以及力科新推出的新型專(zhuān)用于信號完整性領(lǐng)域的信號完整性網(wǎng)絡(luò )分析儀SPARQ等進(jìn)行測試驗證。S參數模型貫穿于整個(gè)信號完整性分析過(guò)程，它是一切信號完整性問(wèn)題的心臟。

關(guān)鍵詞： 信號完整性 仿真 S參數 建立時(shí)間 保持時(shí)間

一、信號完整性的基本概念

SI(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。