利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號(hào)完整性
發(fā)布時(shí)間:2020-11-16 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】傳輸線理論為今天的SI分析帶來了福音。信號(hào)的上升時(shí)間是SI問題中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在SI分析中,各種互連線的電學(xué)模型可以看作是傳輸線。在高速PCB設(shè)計(jì)中,必須牢記傳輸線理論的基礎(chǔ)知識(shí),理解傳輸線效應(yīng)。
為了啟動(dòng)信號(hào)完整性問題分析,我們將需要各種技術(shù)來檢查信號(hào)完整性。
信道模擬:我們有一個(gè)信道,它構(gòu)成一個(gè)發(fā)射機(jī),一個(gè)接收機(jī)。眼圖告訴我們信道降低傳輸信號(hào)的程度。正如我們在圖像中看到的,在Tx側(cè),眼睛是睜開的,“0”和“1”級別可以很容易地被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)信號(hào)穿過信道到達(dá)接收端時(shí),眼睛幾乎閉上,接收器很難區(qū)分“0”和“1”。這就是我們知道信號(hào)完整性問題普遍存在的地方。
識(shí)別信號(hào)劣化的根本原因:下一步是使用混合模式S參數(shù)分析和時(shí)域反射儀找出信號(hào)劣化的根本原因。讓我們考慮傳輸線部分,并在端口S11發(fā)送頻率為f0的正弦波。S11是反射系數(shù),與回波損耗有關(guān)。它告訴我們有多少信號(hào)從端口1反射回來。參數(shù)S21告訴我們傳輸線如何傳輸信號(hào)。S21是傳輸系數(shù),它與插入損耗有關(guān)。
現(xiàn)在的問題是,我們什么時(shí)候可以使用混合模式S參數(shù)分析?當(dāng)我們使用一對傳輸線從差分端口1和2傳輸差分信號(hào)時(shí),就會(huì)使用這些參數(shù)?;旌夏J絽?shù)告訴我們傳輸對差分和公共信號(hào)的反應(yīng)。
SDD11:端口1的差分輸出,由端口1的差分輸入激勵(lì)。
SDD11:與差分回波損耗有關(guān)。
SDD21:與差分插入損耗有關(guān)。
SCD21:模式轉(zhuǎn)換:EM生成。
模式轉(zhuǎn)換:電磁敏感度。
其中,術(shù)語DD提供關(guān)于差分響應(yīng)的信息,而術(shù)語CD提供關(guān)于差分輸入信號(hào)生成多少公共信號(hào)的信息。此外,術(shù)語DC表示有多少差分信號(hào)是由共同的輸入信號(hào)產(chǎn)生的。
由于s參數(shù)給出了信道的頻率響應(yīng),我們使用時(shí)域反射法來推導(dǎo)空間和時(shí)間信息。在TDR圖上,右側(cè)顯示“開路”電路,以幫助我們識(shí)別通道的末端。
TDR圖
探索設(shè)計(jì)方案:在這里,我們通過考慮單脈沖響應(yīng)來探索設(shè)計(jì)方案。我們發(fā)送具有特定時(shí)間和數(shù)據(jù)速率的單脈沖,以評估輸出端的單脈沖響應(yīng)。
單脈沖頻率響應(yīng)
讓我們舉一個(gè)單脈沖頻率響應(yīng)的例子。如果我們從響應(yīng)的最大峰值開始,并將其命名為“cursor”,那么我們可以通過根據(jù)單位間隔劃分響應(yīng)來創(chuàng)建游標(biāo)圖。光標(biāo)圖告訴我們脈沖響應(yīng)分布在多個(gè)前游標(biāo)和后游標(biāo)。擴(kuò)頻量還提供了有關(guān)碼間干擾的信息。
光標(biāo)圖
電磁場視角下的信號(hào)完整性分析
在數(shù)字展望中,與電路和電磁場(EM)級別相比,在邏輯級別識(shí)別信號(hào)完整性問題是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。大多數(shù)的SI問題本質(zhì)上都是電磁問題,不管是反射、串?dāng)_還是地彈。這就是為什么從電磁的角度理解SI問題的物理行為是非常好的。例如,在多層PCB中,通孔“a”中的開關(guān)電流將產(chǎn)生電磁波,這些電磁波沿著金屬平面之間的徑向從通孔傳播出去。金屬平面之間產(chǎn)生的電場將在它們之間產(chǎn)生電壓變化。當(dāng)波接近其他通孔時(shí),它們會(huì)在這些通孔中產(chǎn)生電流。感應(yīng)電流又會(huì)產(chǎn)生電磁波在兩個(gè)平面之間傳播。
多層PCB封裝結(jié)構(gòu)
一旦這些波到達(dá)包裹的邊緣,其中一部分會(huì)輻射到空氣中,另一部分則會(huì)反射回來。當(dāng)波在PCB封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部來回反彈并相互疊加時(shí),就會(huì)發(fā)生共振。波的傳播、反射、耦合和共振是典型的電磁現(xiàn)象,發(fā)生在包裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的信號(hào)瞬態(tài)。雖然電磁分析比電路分析更精確,但它包含復(fù)雜的算法。這就是為什么要用電路模擬器進(jìn)行SI分析的原因。
傳輸線理論為今天的SI分析帶來了福音。信號(hào)的上升時(shí)間是SI問題中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在SI分析中,各種互連線的電學(xué)模型可以看作是傳輸線。在高速PCB設(shè)計(jì)中,必須牢記傳輸線理論的基礎(chǔ)知識(shí),理解傳輸線效應(yīng)。
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