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利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性

發(fā)布時間:2020-11-16 責任編輯:wenwei

【導讀】傳輸線理論為今天的SI分析帶來了福音。信號的上升時間是SI問題中的一個關鍵參數(shù)。在SI分析中,各種互連線的電學模型可以看作是傳輸線。在高速PCB設計中,必須牢記傳輸線理論的基礎知識,理解傳輸線效應。
 
為了啟動信號完整性問題分析,我們將需要各種技術來檢查信號完整性。
 
信道模擬:我們有一個信道,它構成一個發(fā)射機,一個接收機。眼圖告訴我們信道降低傳輸信號的程度。正如我們在圖像中看到的,在Tx側,眼睛是睜開的,“0”和“1”級別可以很容易地被發(fā)現(xiàn)。當信號穿過信道到達接收端時,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完整性問題普遍存在的地方。
 
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
 
識別信號劣化的根本原因:下一步是使用混合模式S參數(shù)分析和時域反射儀找出信號劣化的根本原因。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。它告訴我們有多少信號從端口1反射回來。參數(shù)S21告訴我們傳輸線如何傳輸信號。S21是傳輸系數(shù),它與插入損耗有關。
 
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
 
現(xiàn)在的問題是,我們什么時候可以使用混合模式S參數(shù)分析?當我們使用一對傳輸線從差分端口1和2傳輸差分信號時,就會使用這些參數(shù)?;旌夏J絽?shù)告訴我們傳輸對差分和公共信號的反應。
 
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
 
SDD11:端口1的差分輸出,由端口1的差分輸入激勵。
 
SDD11:與差分回波損耗有關。
 
SDD21:與差分插入損耗有關。
 
SCD21:模式轉換:EM生成。
 
模式轉換:電磁敏感度。
 
其中,術語DD提供關于差分響應的信息,而術語CD提供關于差分輸入信號生成多少公共信號的信息。此外,術語DC表示有多少差分信號是由共同的輸入信號產(chǎn)生的。
 
由于s參數(shù)給出了信道的頻率響應,我們使用時域反射法來推導空間和時間信息。在TDR圖上,右側顯示“開路”電路,以幫助我們識別通道的末端。
 
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
 
TDR圖
 
探索設計方案:在這里,我們通過考慮單脈沖響應來探索設計方案。我們發(fā)送具有特定時間和數(shù)據(jù)速率的單脈沖,以評估輸出端的單脈沖響應。
 
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
 
單脈沖頻率響應
 
讓我們舉一個單脈沖頻率響應的例子。如果我們從響應的最大峰值開始,并將其命名為“cursor”,那么我們可以通過根據(jù)單位間隔劃分響應來創(chuàng)建游標圖。光標圖告訴我們脈沖響應分布在多個前游標和后游標。擴頻量還提供了有關碼間干擾的信息。
 
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
 
光標圖
 
電磁場視角下的信號完整性分析
 
在數(shù)字展望中,與電路和電磁場(EM)級別相比,在邏輯級別識別信號完整性問題是一項簡單的任務。大多數(shù)的SI問題本質(zhì)上都是電磁問題,不管是反射、串擾還是地彈。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。當波接近其他通孔時,它們會在這些通孔中產(chǎn)生電流。感應電流又會產(chǎn)生電磁波在兩個平面之間傳播。
 
利用S參數(shù)和電磁波理論來分析信號完整性
 
多層PCB封裝結構
 
一旦這些波到達包裹的邊緣,其中一部分會輻射到空氣中,另一部分則會反射回來。當波在PCB封裝結構內(nèi)部來回反彈并相互疊加時,就會發(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)生在包裝結構內(nèi)部的信號瞬態(tài)。雖然電磁分析比電路分析更精確,但它包含復雜的算法。這就是為什么要用電路模擬器進行SI分析的原因。
 
傳輸線理論為今天的SI分析帶來了福音。信號的上升時間是SI問題中的一個關鍵參數(shù)。在SI分析中,各種互連線的電學模型可以看作是傳輸線。在高速PCB設計中,必須牢記傳輸線理論的基礎知識,理解傳輸線效應。
 
 
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