利用S參數來描述PCB串擾

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

如果您給某個傳輸線的一端輸入信號,該信號的一部分會出現在相鄰傳輸線上,即使它們之間沒有任何連接。信號通過周邊電磁場相互耦合會產生噪聲,這就是串擾的來源,它將引起數字系統的誤碼。一旦這種噪聲在相鄰傳輸線上出現,它將和任何其它信號一樣的傳播,最終被傳輸到傳輸線末端的接收機上,這種串擾將會影響到接收機所能承受的噪聲的裕量。在低端的模擬應用中,小到0.01%的串擾也許是可以接受的,在高速數字應用中,一般能接受高達5%的串擾。

不幸地是,在很多高速互連系統中,串擾帶來的信號幅度很容易超出系統能接受的幅度的10%,這將使得系統的誤碼率增加。定量測量從干擾源傳輸線到受干擾對象傳輸線的串擾大小是確認和消除可能的誤碼源的重要調試手段。

S 參數的概念是源于對互連器件或系統的微波屬性的描述,提供了描述從音頻范圍到毫米波頻率范圍的應用中存在的串擾的最直觀方法。畢竟S參數矩陣中的每個參量事實上都是正弦信號從互連系統中某一端口輸出和另一端口輸入之間的比較。在傳輸線結構中,S參數中的有些參量表示的就是傳輸線到傳輸線之間串擾的直接測量結果。在差分對中也是可以直接測量的。

1耦合的傳輸線待測物

為了演示如何用S 參數來描述串擾,我們設計了一個由四條耦合的傳輸線組成的待測物,如圖1所示。它們的末端標識為從1到8的數字。連接到每個末端的是一個端口,可以當作是一個50歐的傳輸線端接。測量DUT時的端口分配推薦是按端口1到端口2,3到 4,5到6,7到8來標識。

這個DUT的S參數矩陣中每個參量是正弦波形從一個端口輸入再從另外各個端口輸出的比例。有8個端口就有8x8=64種不同的輸入和輸出組合。S參數矩陣形式便于記錄每種組合。矩陣中的每個參量的數字表示哪個是輸入端口,哪個是輸出端口,比如S21就表示端口2輸出和端口1輸入之間的比例。這個術語傳統習慣上被稱做插入損耗,它表示的物理意義是信號經過通道傳輸過程中產生的衰減。

作為兩個正弦波形的比例,S參數矩陣中的每個參量都是復數,通過實部和虛部值或幅值和相位來描述。幅值是輸出端口波形和輸入端口波形幅度的比例,一般是以50歐作為每個端口的端接阻抗。

S參數中的大多數術語表示的是端口之間串擾的直接測量結果。在一條傳輸線上的端口1輸入正弦波形,在相鄰的傳輸線的端口3的輸出之間的串擾標識為S31,而相應地從端口1輸入,端口4輸出的串擾則表示為S參數矩陣中的S41。

2串擾的微妙之處

即使在低頻段,相鄰兩傳輸線之間的串擾大小也和被干擾傳輸線是哪個端口有關。反向傳輸的串擾是耦合的電容和電感之和而前向傳輸的串擾是耦合的電容和電感之差。理論上來說,S31不等于S41。圖2是利用力科的信號完整性網絡分析儀SPARQ測量到的這兩個參量S31和S41,比如在20MHz,近端串擾S31和遠端串擾S41是不一樣的,近端串擾S31會大于遠端串擾S41。互連系統中串擾信號的這種表現形式可能是一個和直覺上恰恰相反的特征,即使S31和S41是在相同的互連系統中從相同的干擾源測量到的串擾,被干擾傳輸線上每一端口的噪聲明顯不同,特別是在100MHz以上。

僅僅量化出現在兩條傳輸線上的噪聲并不能很好地說明問題,還要量化噪聲在被干擾傳輸線上的傳播方向,所以被干擾傳輸線上的兩端口次序要分別進行標識,如S31和S13。

根據S參數標識,S31就表示被干擾傳輸線靠近干擾發生源端的噪聲,稱作近端噪聲。將干擾源上的信號傳輸方向定義為正向,那么近端噪聲是被干擾傳輸線上和信號傳輸方向相反的噪聲。S41是在受干擾傳輸線的遠端測量到的噪聲,是正向的。如圖1所示緊耦合的微波帶傳輸線近端噪聲達到峰值時為-13dB,相當于原信號的22%,遠端噪聲峰值大小則可以達到-4dB,相當于原信號的63%。這么大的數值表明這兩條傳輸線之間的耦合是非常緊的。

S參數在形式上就定義了哪個端口是信號的輸入,哪個端口是信號的輸出,這使得S參數天然就很適合描述串擾。

3利用S參數描述串擾的頻域和時域響應

雖然S參數是基于正弦波的行為而得到的,但對于所有線性無源時不變的互連系統,通過了解正弦波信號的行為就可以了解任何其它波形的行為。

常見的時域波形是帶有高斯上升時間的0V到1V的階躍信號。互連系統對該信號中的每種頻率成分的響應即通過S參數來描述。利用數學運算,階躍信號轉換為頻域,每個頻率成分和S參數中對應的頻率點的數值相乘,結果再轉換到時域,即表示DUT對一個階躍信號的響應,例如使用圖2中完全相同的頻域數據表示在圖3 上但顯示為時域上對階躍信號的響應。可以發現近端串擾和遠端串擾有非常明顯不一樣的特征。再利用數學運算可改變激勵信號的上升時間來查看相應耦合到相鄰被干擾傳輸線上的信號會有什么改變。

本例中,近端串擾S31的峰值對于上升時間不管是50ps或200ps對應的變化不是很敏感,但是遠端干擾峰值電壓對上升時間的變化卻非常敏感,隨著上升時間的增加峰值從-40%變化到-25%。

近端和遠端串擾的時域顯示和頻域顯示的是相同的數據,只是顯示方式上的不同。時域和頻域之間相互轉換的靈活性便于我們快速得知某種上升時間的階躍信號帶來的串擾的噪聲波形。

4串擾隨耦合間距增加而下降

S參數描述的不僅僅是任何兩導體之間的耦合,而且還考慮了信號傳播的方向對串擾的影響。圖4表示測量到的對其它端口的近端串擾。和設想的一樣,端口1和另外三個相鄰端口的近端噪聲隨著該端口距離端口1越遠越小。

盡管近端串擾隨著端口遠離干擾源而下降,但是近端噪聲的頻域響應特征和遠端噪聲更類似,只是下降得更明顯。觀察S51和S71的時域響應可以確認,雖然噪聲是在近端測量到的,S51和S71的響應主要還是由遠端噪聲的峰值毛刺的反射所決定。

5差分響應

這四個單端傳輸線可以被看做是兩個差分對。在很多高速數字應用中,一個差分對也常稱做是一個通道。差分對的信號被描述成差模信號和共模信號。S參數形式上可以延伸為包括干擾源和受干擾對象的差模信號和共模信號的通道之間串擾的各種組合。

圖1的測試板有8個端口連接到4個獨立的單端的傳輸線上作為差分對,這樣總共就只有4個端口,2個差分對。按單端端口的標識方式,差分端口將標識為差分端口1到差分端口2和差分端口3到差分端口4。

按照約定俗成的方法標識差模和共模S參數,用字母D表示差模信號,字母C表示共模信號。從一個差分口輸入和另外一個差分口輸出的的S參數組合就標識為輸出端口模式的字母,輸入端口模式的字母,輸出端口和輸入端口。例如:

SDD31表示差模到差模信號之間的近端串擾。

SDD41表示差模到差模信號之間的遠端串擾。

SCC31表示共模到共模信號之間的近端串擾。

SDD41表示差模到差模信號之間的遠端串擾。

SCD31表示差模信號作為干擾源轉換為近端共模信號的串擾。

通道和通道之間的差模和共模串擾如圖5所示,這清楚地表明了緊耦合的差分通道在減小通道之間串擾方面的優勢。

差模信號的近端和遠端串擾比共模信號的近端和遠端串擾小20dB。這圖形化地說明了為什么差分信號比共模信號或者單端信號更能降低串擾。

高速信號之間的串擾問題是很復雜的,它取決于干擾源通道的哪個端口作為信號輸入以及受干擾通端的哪個端口是您觀察的視角,它隨頻率變化,而且變化的方式很復雜,也會因上升時間而變化。S參數具有一些天然的特性便于描述串擾的復雜行為。S參數矩陣中的每個參量描述了任意端口對之間的串擾,可以時域或頻域表示。它們可以用網絡分析儀進行測量,也可以通過一些仿真軟件仿真得到。如果您的設計中串擾是一個重要的問題,那么您就需要吃透S參數這個概念了!

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