Экспертный анализ измеренных S-параметров

Введение

Существует множество учебных материалов по анализу параметров S. Обычно они включают в себя темы о том, как определить карты портов, что такое потери вставки и потери обратного отражения, а также как выглядят различные параметры S во временной области. Для начинающих это довольно ценно. Здесь мы кратко объясним эти темы и добавим некоторые дополнительные методы анализа для использования при изучении параметров S.

Краткий обзор параметров S

Параметры S по сути являются передаточными функциями. Вы можете умножить стимул в частотной области, например, импульс, на параметры S, и вы получите ответ этого импульса после того, как он прошел через канал, представленный параметрами S. Канал может быть пассивным, например, кабелем, или активным, например, CTLE.

Итак, основная идея заключается в том, что S-параметры используются для понимания того, что произойдет с вашим сигналом после его прохождения через этот черный ящик. В двухпортовых S-параметрах S21 и S12 являются параметрами потерь при вставке или параметрами передачи, и они должны быть примерно одинаковыми. S11 и S22 - это параметры потерь на обратном отражении. Эти параметры могут быть уникальными, если устройство не симметрично. Обычно их изображают в децибелах напряжения.

Где A - это ваш входной S-параметр: S21, S11 и т.д.

В этом примере S21 и S12 практически идентичны. S11 и S22 имеют некоторые значительные различия, например, большой резонанс в S22 около 18 ГГц, которого нет в S11.

Вот где я хотел бы поделиться с вами своим первым кусочком дополнительных знаний. Не смотрите только на величину S-параметров в дБ; смотрите на фазу. Рассчитайте фазу с помощью:

Вам также потребуется развернуть фазу. Развертывание фазы просто означает добавление или вычитание 2 x ПИ каждый раз, когда фаза сдвигается на 2 x ПИ, так чтобы фаза выглядела как прямая линия. На графике ниже слева фаза завернута, а справа - развернута.

Фаза может ответить на несколько вопросов:

1. Достаточно ли данных для перевода во временную область?
2. Действительны ли эти данные на всей измеренной полосе частот?
3. Какова задержка этой структуры?

Давайте рассмотрим эти вопросы по очереди.

Достаточно ли данных для перевода во временную область?

Чтобы ответить на все эти вопросы, мы рассмотрим параметр передачи, S21. Фаза должна монотонно изменяться с отрицательным уклоном от постоянного тока до максимально доступной частоты. Это означает, что между сдвигами от -pi до pi должно быть более одной точки до развертывания. Если между сдвигами находится одна точка или меньше, при преобразовании из частоты во время происходит так называемое наложение частот (алиасинг). Когда эти S-параметры преобразуются во временно́й домен, данные выглядят короче обычного или даже некаузальными (информация до t=0). Информация во временно́м домене в этих сценариях практически непригодна для использования. В этих случаях развернутая фаза имеет положительный уклон от постоянного тока до максимальной частоты, и ниже я привел пример этого на рисунке x. Чтобы исправить эту проблему, измеряйте S-параметры с меньшим шагом частоты. В общем, S-параметр с шагом в 10 МГц никогда не будет иметь этой проблемы.

Действительны ли эти данные на всем измеренном частотном диапазоне?

Давайте посмотрим на некоторые измеренные данные, чтобы ответить на этот вопрос.

Данные слева представлены в децибелах, а справа - развернутая фаза. Вы можете видеть, что при потере вставки данные становятся нечеткими около 15 ГГц, но потеря обратного сигнала выглядит нормально. Если посмотреть на фазу, она начинается с отрицательного наклона, что хорошо. Затем, примерно на 16 ГГц, вы можете заметить, что наклон становится нулевым. Это происходит потому, что S-параметры находятся на уровне шума векторного анализатора цепей (VNA), и VNA больше не может фиксировать фазу. Когда наклон становится нулевым, как это, S-параметры становятся недействительными. Исправить это не всегда возможно. У VNA уровень шума составляет около 80 до 110 дБ в зависимости от настройки полосы пропускания ПЧ (меньшая полоса пропускания ПЧ, ниже уровень шума). У векторных анализаторов цепей во временной области уровень шума ближе к -40 дБ.

Какова задержка структуры?

Инженеры по целостности сигналов обычно измеряют задержку во временной области с помощью ступенчатого отклика. Они измеряют пересечение на 50% входного ступенчатого сигнала от TDR. Затем они измеряют пересечение на 50% выходного сигнала, который прошел через испытуемое устройство. Существуют популярные модификации этого метода, такие как взятие производной от ступенчатых откликов и измерение задержки каждого пика вместо пересечения на 50%. Также существует метод измерения пересечения при фиксированном напряжении вместо относительной амплитуды ступеньки. Наконец, можно также измерять на другом пересечении, например, в точке 5%.

Все это хорошо, но есть несколько моментов, которые можно улучшить. Во-первых, это идея использования различного испытательного оборудования для измерения задержек. Было бы лучше, если бы потребовалось только одно устройство, и поскольку мы знаем, что у VNA более низкий уровень шумов, VNA является очевидным выбором измерительного устройства. Во-вторых, это согласованность результатов между лабораториями. VNA легко обеспечивают возможность отслеживания до стандартов NIST с использованием калибровки по методу Short-Open-Load и Unknown-Thru. Калибровка TDR не отслеживается до стандартов NIST, и это делает корреляцию результатов между лабораториями довольно сложной. Наконец, это передача данных. Данные во временной области не имеют стандартного формата и обычно передаются с помощью таблицы Excel. Данные VNA имеют множество стандартных форматов, включая повсеместно используемый файл touchstone. Практически все инструменты EDA принимают файл touchstone, и наличие этого формата значительно упрощает коммуникацию. Так что давайте использовать VNA и выясним, как получить задержку оттуда.

Первый метод заключается в том, чтобы делать то же самое, что и TDR, с преобразованием частоты во время. У этого подхода есть несколько преимуществ. Во-первых, вы можете интегрировать передаточную функцию, чтобы получить ступенчатый отклик. Таким образом, нет необходимости сначала измерять входную ступеньку, и вам нужно измерить только одну задержку вместо двух. Аргумент против этого подхода заключается в том, что при преобразовании частоты во время будет доступно меньше точек, и у вас будет слишком много неопределенности. Это разумный аргумент, но наклон ступенчатого отклика через канал настолько стабилен, что интерполировать до ближайшего пикосекунды довольно просто. Наклон ступеньки не меняется сильно, и получить точные интерполированные данные довольно просто.

Ступенчатый Отклик	Увеличенный

Красный - это исходные данные, а Синий - интерполированные методом сплайна. Курсоры данных - это дискретные точки вокруг 50% пересечения из исходных данных.

Вы можете сказать: «Да, это здорово, но я не знаю, как выполнить преобразование частоты во время или интерполяцию». Но вот в чем преимущество VNA - вам это делать не нужно. Если мы снова обратимся к фазе, мы можем применить простую формулу, чтобы получить задержку.

Что замечательно в этом уравнении, так это то, что вы получаете задержку в наносекундах, просто разделив на частоту в гигагерцах.

Во-первых, обратите внимание, что я отобразил ось y в том же масштабе, что и ось x, на графике переходного процесса. В переходном процессе задержка не такая уж и постоянная, как при методе в частотной области. От 10 ГГц до 50 ГГц задержка практически одинаковая. Это делает этот метод очень последовательным между лабораториями. Следующее, на что стоит обратить внимание, это задержка на частоте 25 ГГц, как показано, немного отличается от задержки в переходном процессе. Это потому, что 50% задержка находится где-то на низких частотах этого графика, где фаза быстро меняется с каждой точкой. Это снова другая причина, по которой метод переходного процесса несколько ненадежен для корреляции между лабораториями. Мне также нравится, что вы можете выбрать точку частоты вместо пересечения, что гораздо менее двусмысленно, и нет необходимости в интерполяции.

Быстрый и простой расчет скошенности

При отладке каналов одной из первых вещей, на которые следует обратить внимание, является сдвиг (skew). Сдвиг - это разница в задержках между положительной и отрицательной сторонами дифференциальной передающей линии. Когда передающие линии связаны слабо, этот трюк позволяет вам очень быстро рассчитать сдвиг. Сначала преобразуйте одиночные S-параметры в преобразование мод. Другими словами, S в SCD. Затем постройте данные SCD21 в дБ и найдите первый минимум.

Возьмите обратное значение частоты, и это будет сдвиг! Давайте посмотрим, как это соотносится с методом задержки, обсуждавшимся ранее.

Задержка линии 1: 1.38482356955646нс
Задержка линии 2: 1.42117027815264нс
Разница в задержках (сдвиг): 0.0363467085961828нс
Сдвиг, рассчитанный из SCD21: 1/27.52 = 0.0363372093023256нс
Ошибка: 9.49929385720555e-06нс (почти ноль)

Этот трюк обычно работает только тогда, когда сдвиг относительно велик (>50 пс).

Что вам говорит общий режим?

Общий режим часто является пренебрегаемым параметром. Он возникает во время обсуждений электромагнитных помех (EMI), чтобы помочь найти утечки в линии передачи. Однако, общий режим может помочь вам понять, что вы видите, как работает структура и где можно ожидать проблемы.

Для начала давайте рассмотрим общий режим в частотной области. Здесь вы хотите сравнить потери вставки общего режима с потерями вставки дифференциального режима. Это сравнение показывает, насколько хорошо ведет себя путь возврата сигнала по сравнению только с сигналом. Если мы рассмотрим пару дифференциальных полос в этом ключе, вы можете видеть, что общий режим и дифференциальный режим ведут себя аналогично. Я ожидал бы такого же поведения и в двухосном кабеле.

Когда в канал вставляется межсоединение, картина начинает меняться. Общий режим начинает отклоняться от потерь на вставку. В данном случае это происходит около 20 ГГц, и я ожидал бы увидеть увеличение излучения или перекрестных помех на частотах, где присутствует это отклонение.

Еще одно место, на которое стоит обратить внимание, это импеданс. Общий импеданс режима обычно составляет 25 ом. Когда импеданс ниже 25 ом, сигнал, скорее всего, полностью развязан, и импеданс дифференциальной передающей линии ниже 100 ом. Это довольно типичный сценарий в системах, поскольку многие интеграторы предпочитают использовать «слабо связанные» дифференциальные пары для уменьшения сдвига.  Когда импеданс высок, связь внутри пары увеличивается. Это также может указывать на то, что начинается нехватка заземления. Импедансы между 25 ом и 28 ом могут наблюдаться в связанных стриплайнах (см. рисунок ниже) и могут достигать до 32 ом в двухосных кабелях. Общие импедансы режима соединения могут быть относительно высокими. Например, известно, что у коннекторов QSFP общий импеданс режима около 50 ом. Это не проблема для большинства систем, и при анализе знание этого поведения помогает вам понять, на каком участке соединения вы находитесь, когда ищете проблемы.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту Altium.