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
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
为什么使用 S 参数? 波形 @ 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?? 波形 @ 连接器输出 Page 3
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
数字信号 vs. 模拟信号 100MHz 方波 t 数字角度 200Mbps 10101 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. 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
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 ).
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
校准的重要性 系统误差 如何进行校准 Page 24
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
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
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
为什么使用 S 参数? 波形 @ 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?? 波形 @ 连接器输出 Page 28
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
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
Keysight 高速数据 & 信号完整性方案 Advanced Design System (ADS) and EMPro Infiniium 90000 X- 系列 N1930B 物理层测试系统 (PLTS) Pulse Pattern Generator 16900 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
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.com/find/ena-tdr_compliance 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
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 http://www.usb.org/developers/ssusb Page 34
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
ENA 选件 TDR 一致性测试方案 一致性测试网页 www.keysight.com/find/ena-tdr_compliance 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
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
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
其他资源 ENA 选件 TDR 参考资料 www.keysight.com/find/ena-tdr 技术概览 (5990-5237EN) 应用笔记 Correlation between TDR oscilloscope and VNA generated time domain waveform (5990-5238EN) Comparison of Measurement Performance between Vector Network Analyzer and TDR Oscilloscope (5990-5446EN) Effective Hot TDR Measurements of Active Devices Using ENA Option TDR (5990-9676EN) Measurement Uncertainty of VNA Based TDR/TDT Measurement (5990-8406EN) Accuracy Verification of ENA Option TDR Time Domain Measurement using a NIST Traceable Standard (5990-5728EN) 高速数字标准的实现方法 (MOI) www.keysight.com/find/ena-tdr_compliance Page 39