S-Parameter Measurements Basics for High Speed Digital Engineers

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祀胡
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1 S 参数测量基础 -- 高速数字工程师参考资料刘娜产品市场工程师网络分析仪产品事业部 2014/08/13 1

2 内容 Page 2 为什么使用 S 参数? S 参数基础差分 S 参数 S 参数测量基础数字应用中的 S 参数测量总结附录

3 为什么使用 S 参数? 发射机输出 100Ω 传输线阻抗与特征阻抗匹配 (50Ω) 50Ω 芯片封装信号线 0Ω PCB 信号线时间 (= 距离 ) 卡连接器传输线阻抗与特征阻抗匹配 (50Ω). 为什么连接器输出端的波形恶化了? 只测量特征阻抗还不够?? 连接器输出 Page 3

4 从模拟的角度来观察数字信号 TP1 门限测试点 1 (TP1) 芯片封装卡信号线 PCB 信号线 1Gb/s 波形 TP2 TP1 连接器门限测试点 2 (TP2) 10Gb/s 波形 TP2 Page 4 对于高速数字信号来说需要用模拟信号的方式观察

5 数字信号 vs. 模拟信号 100MHz 方波 t 数字角度 200Mbps bit pattern 模拟角度 100MHz 的正弦波, 由许多正弦波组成基波 3 次谐波基波 5 次谐波由正弦波组成 3 rd 5 th 100MHz 300MHz 500MHz f Page 5 数字信号 = 模拟信号 ( 包含正弦波 )

相位 -90 0 输出 / 输入 0.5 1 正弦波的变换输出是什么? DUT ( 线性器件 ) 线性器件 = 输出频率等于输入频率 1 2 3 DUT ( 线性器件 ) 频率.

6 相位输出 / 输入正弦波的变换输出是什么? DUT ( 线性器件 ) 线性器件 = 输出频率等于输入频率 DUT ( 线性器件 ) 频率. 幅度变化插入损耗时间变化相位移动 1 与输入信号相等 2 幅度 = ½, 相位 = -90 deg 3 无信号信号幅度 / 相位随着频率变化而变化频域的幅度和 / 或相位特性 S 参数 Page 6

7 什么是 S 参数? S 21 Vi Vt 端口 1 输入传输端口 2 S 11 Z=Z0 传输线 Z Z0 S 22 反射 Vr DUT S 12 S 2 1 输出端口输入端口反射 / 输入 = 反射系数 S 11,S 22 传输 / 输入 = 传输系数 S 21,S 12 S 参数是一个复数矩阵, 反映了在频域范围内的反射信号 / 传输信 Page 7 号的特性 ( 幅度 / 相位 ).

8 S 参数是什么表达式反射参数 S 11,S 22 反射 ( 回波损耗 ) 阻抗 X=j50Ω 反射导纳 X=j25Ω 电阻圆 VSWR 0Ω 50Ω Ω 传输参数 S 21,S 12 增益 / 损耗 ( 插入损耗 ) 相位群时延 ( 延时 ) X=-j25Ω 电抗圆 X=-j50Ω 史密斯圆图相位增益 / 损耗群时延 Page 8

9 Smith chart Connect L in parallel Connect L in series Connect R in parallel 50Ω Connect R in series Connect C in parallel Connect C in series R + jx 史密斯圆图 : 更直观地进行阻抗换算 Page 9

10 S 参数是什么史密斯圆图 C parallel 1.42pF C series 1.2pF R + jx 在某个频率点, 可以有多种方式对匹配电路进行调节, 使之达到 Page 10 特征阻抗

11 损耗 [db] 损耗 [db] 损耗 [db] 损耗 [db] S 参数的优点频率 [Hz] 频率 [Hz] 频率 [Hz] 频率 [Hz] 注意 : 这些并非实际数据用多个 S 参数可以很容易地预测系统性能 Page 11

12 差分信号传输在一个差分对上传输两个互补电信号的方法优点 : 1. 抗噪声干扰 : 抑制共模信号 2. 提供信号衰减的余量 : 接收机得到两倍的电压 3. 低电压工作 : 低功耗, di/dt (EMI 抑制 ) 4. EMI 辐射小 : 磁场抵消缺点 : 1. 占用面积 : 两倍信号线, 面积 Page 12

13 差分对上的模式转换模式转换 : 差分共模 EM 干扰 EM: 电磁 EM 抗扰性模式转换 : 共模差分对于一个不理想的差分器件来说会产生不希望的模式转换. Page 13

14 平衡器件 SE 2- 端口端口 1 DUT 端口 2 端口 1 端口 2 SE 4- 端口 DUT 单端端口配置端口 3 端口 4 端口 1 Diff 2- 端口 DUT 端口 2 差分端口配置差分模式响应由差分 S 参数表示 Page 14

15 4- 端口差分 S 参数差分差分共模差分差分模式响应模式转换 ; EMI 抑制差分共模模式转换 : 电磁辐射共模共模共模响应 Page 15

16 S 参数测量基础矢量网络分析仪 (VNA) S 21 信号源 S 11 DUT S 22 S 12 接收机接收机反射 S 11 = A / R1 传输 S 21 = B / R1 传输 S 12 = A / R2 反射 S 22 = B / R2 框图 (2 端口 VNA) 注 : 平衡器件的测量需要 4 端口 VNA 用正弦波频率扫描来测量元器件的幅度 & 相位 Page 16

17 频域时域频率响应 0 傅里叶反变换脉冲响应 f 传输反射 0 t 积分阶跃响应 0 t 使用傅里叶反变换可以把频域响应转换为时域响应 Page 17

18 S 参数 & TDR/TDT 测量 Tdd11(TDR) Tdd21(TDT) Ω 激励 V 时间 ( 距离 ) Sdd11( 回波损耗 ) 反射传输时间 Sdd21( 插入损耗 ) db db 频率时域和频域的分析都有效并可以实现频率 Page 18

19 时域频域频域响应 0 傅里叶变换 f 传输反射脉冲响应 0 t TDR/TDR S 参数哪个方案更好, TDR vs VNA? 微分阶跃响应 0 t Page 19

20 TDR( 采样 ) 示波器 86100D 采样器 DUT 阶跃发生器采样器 Et 框图 ( 示波器 TDR) 输入阶跃信号, 从反射 / 传输测量结果得到阻抗 / 损耗 Page 20

21 VNA vs. TDR 示波器 VNA 的优点低噪声宽动态范围测量速度快最先进的校准技术抗静电 ESD 支持时域和频域, 各种格式的测量 VNA 动态范围 80~90dB TDR 示波器动态范围 30~40dB TDR 示波器噪底 VNA 噪底 VNA 测量更为精确 Page 21

22 校准的重要性加校准与不加校准的对比插入损耗 ( 频域 ) 反射 ( 频域 ) 校准后校准前校准前 Delta = 5dB 校准后 Delta = 10dB 电压 ( 时域 ) 阻抗 ( 时域 ) 校准前校准后校准后 Delta = 30mV, 6ns 校准前 Delta = 5Ω 校准与不校准的明显差别校准方法非常重要 Page 22

23 校准的重要性误差类型系统误差由分析仪与测试设置的不理想引起假定为时不变的 ( 可预见的 ) 可以在测量时通过校准找到误差来源并通过数学的方法来去除随机误差随着时间随机性的变化 ( 不可预见的 ) 主要来源 : 仪器噪声 ( 信号源的相位噪声, 中频噪声等 ) 开关与连接器的重复性不能通过校准的方式去除频率. 可重复噪底漂移误差由于校准之后系统的性能变化引起主要由于温度变化导致 Page 23

24 校准的重要性系统误差如何进行校准 Page 24

25 校准的重要性校准件 SHORT SHORT OPEN OPEN LOAD LOAD 直通机械校准套件电子校准件 (E-Cal) 用 E-Cal 可以更快速, 容易并精确地进行校准 Page 25

26 如何使用 S 参数? 在示波器上 PCB 仿真的激励波形在接收机处得到的仿真波形在探头处测量的结果借助于 S 参数, 在信号分析软件上可以轻松地来移动观察点 Page 26

27 我们如何使用 S 参数? 使用仿真软件传输线的性能如何? DUT PPG DUT 示波器使用脉冲发生器进行波形分析在 ADS 上用 S 参数进行仿真使用 S 参数可以方便地在任何条件下对 DUT 和波形进行评估 Page 27

28 为什么使用 S 参数? 发射机输出 100Ω 传输线阻抗与特征阻抗匹配 (50Ω) 50Ω 芯片封装信号线 0Ω PCB 信号线时间 (= 距离 ) 卡片连接器传输线阻抗与特征阻抗想匹配 (50Ω). 为什么连接器输出处的波形恶化了?? 只测量特征阻抗还不够么?? 连接器输出 Page 28

29 为什么使用 S 参数? 输入信号 ( 频域 ) 5dB/div 插入损耗 ( 频域 ) 5dB/div 15dB 0GHz 10GHz 20GHz 信号线芯片封装卡片 30dB 0GHz 10GHz 20GHz PCB 信号线传输线限制了带宽コネクタ端波形测量 S 参数非常重要输出信号 ( 频域 ) 5dB/div 0GHz 10GHz 20GHz Page 29

30 总结高速数字行业需要测试 S 参数 S 参数是一个复数矩阵, 反映了频域内的反射和传输特性 S 参数可以有多种格式 ( 直角坐标, 史密斯圆图, 极坐标, ) 差分信号可能会导致模式转换 ( 例如 EM 辐射 ) 差分 S 参数包含这种模式转换特性 S 参数可以转换为 TDR/TDT VNA vs.tdr: VNA 测量更为精确用 S 参数可以方便地在示波器上移动观察点, 并在仿真软件上仿真不同条件下的波形 Page 30

31 Keysight 高速数据 & 信号完整性方案 Advanced Design System (ADS) and EMPro Infiniium X- 系列 N1930B 物理层测试系统 (PLTS) Pulse Pattern Generator 系列逻辑分析仪 Bit Error Ratio Testers (BERTs) 86100D Infiniium DCA-X ENA-TDR 提供从安装到实现的整体工程支持 ( 灵活的定制 ) Page 31

32 ENA 选件 TDR 是什么产品? ENA 选件 TDR 安装在 ENA 网络分析仪内, 可以给高速串行互连分析提供单台表方案. Time Domain 频域 3 大突破对于信号完整性设计与验证来说 Eye Diagram 简单直观的操作界面快速, 精确的测量 ESD protection inside 超强抗静电能力 Page 32

ENA 选件 TDR 一致性测试方案已通过认证的 MOIs ENA 选件 TDR 的一致性测试方案 (i.e. 已认证的 MOIs) 可参考如下网站 : www.keysight.

Time & Frequency Time & Frequency Time & Frequency 100BASE-TX 10GBASE-T Time & Frequency Time &

33 ENA 选件 TDR 一致性测试方案已通过认证的 MOIs ENA 选件 TDR 的一致性测试方案 (i.e. 已认证的 MOIs) 可参考如下网站 : 电缆 / 转接头发射机 / 接收机 (Hot TDR) * Time & Frequency Frequency Time & Frequency Time & Frequency Time & Frequency Time & Frequency 100BASE-TX 10GBASE-T Time & Frequency Time & Frequency Time & Frequency Time & Frequency Time & Frequency Time & Frequency BroadR-Reach Time & Frequency * 更多标准正在研究中 Page 33

34 USB 3.0 电缆 / 连接器一致性测试方案开发者大会 ( 台湾, 2010 年 4 月 ) 很多标准性组织的认可与认证 ENA 选件 TDR 为电缆转接头测试的推荐方案 SuperSpeed USB Compliance: Overview, Rahman Ismail, Intel Corporation Page 34

35 ENA 选件 TDR 一致性测试方案使用 ENA 选件 TDR 的认证测试中心测试中心支持 ENA 选件 TDR ENA 选件 TDR 被全球的认证中心广为使用, 标准包括 USB, HDMI, DisplayPort, MHL, Thunderbolt 和 SATA. Page 35

36 ENA 选件 TDR 一致性测试方案一致性测试网页 MOIs & 状态文件详细的测试和有用的打包文件测试方案概览测试需求与资源指南 Page 36

37 ENA 选件 TDR 一致性测试方案测试方案概览测试需求与资源指南测试目的测试参数测试设置需要的仪器 / 附件 Page 37

38 ENA 选件 TDR 一致性测试方案 MOIs & 状态文件详细的测试过程和有用的测试打包文件实现方法 (MOI) 测试打包文件 (e.g., HDMI cable assembly test package) : 状态文件, 眼图, 和均衡文件 Page 38

39 其他资源 ENA 选件 TDR 参考资料技术概览 ( EN) 应用笔记 Correlation between TDR oscilloscope and VNA generated time domain waveform ( EN) Comparison of Measurement Performance between Vector Network Analyzer and TDR Oscilloscope ( EN) Effective Hot TDR Measurements of Active Devices Using ENA Option TDR ( EN) Measurement Uncertainty of VNA Based TDR/TDT Measurement ( EN) Accuracy Verification of ENA Option TDR Time Domain Measurement using a NIST Traceable Standard ( EN) 高速数字标准的实现方法 (MOI) Page 39

Keysight E5071C ENA 9 khz 4.5/6.5/8.5 GHz 100 khz 4.5/6.5/8.5 GHz T 300 khz 14/20 GHz T

Keysight E5071C ENA 9 khz 4.5/6.5/8.5 GHz 100 khz 4.5/6.5/8.5 GHz T 300 khz 14/20 GHz T ENA Keysight E5071C ENA ENA 9 khz 20 GHz < 0.004 db rms IFBW 70 khz > 123 db 401 9 msec 0.005 db/ C 2 4 E5092A 22