S參數(shù)在SI仿真中的應用_基礎(chǔ)篇

2017-06-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

S參數(shù)的全稱為Scatter 參數(shù),即散射參數(shù)。S參數(shù)描述了傳輸通道的頻域特性,在進行串行鏈路SI分析的時候,獲得通道的準確S參數(shù)是一個很重要的環(huán)節(jié),通過S參數(shù),我們能看到傳輸通道的幾乎全部特性。信號完整性關(guān)注的大部分問題,例如信號的反射,串擾,損耗,都可以從S參數(shù)中找到有用的信息。網(wǎng)上有很多介紹S參數(shù)基本概念的資料,我在這里就不多浪費筆墨了,這篇文章我只是從實際應用的角度來討論下S參數(shù)。

問題1:怎樣從S參數(shù)中看出通道的阻抗匹配程度?

這里的匹配指的是端口阻抗與傳輸線阻抗之間的匹配,因為常規(guī)單根線的阻抗一般控50ohm,差分線的阻抗控制為100ohm,所以我們在提取通道S參數(shù)的時候,習慣將端口阻抗設(shè)置為單根50ohm,差分100ohm。

由S參數(shù)的定義,回波損耗S11或者S22表示能量的反射情況,下面我們來看看,當端口阻抗被定義為50ohm,傳輸線阻抗變化時,回波損耗的變化。如下圖:

由上圖我們可以看出,傳輸線阻抗與端口阻抗越接近,回波損耗越小,當傳輸線阻抗完全等于端口阻抗的時候,幾乎沒有能量反射。以上僅僅是理想的傳輸線,通常的傳輸鏈路中會包含過孔,連接器等阻抗不連續(xù)的因素,這些阻抗不連續(xù)程度都會反映在S參數(shù)的回損曲線中。

問題2:S參數(shù)中的插入損耗怎么理解?

S參數(shù)是頻域參數(shù),在插損曲線中,橫坐標表示的是正弦波的頻率,縱坐標表示的是正弦波穿過通道后的電壓幅值與發(fā)送端電壓幅值的比值并取對數(shù)。

如上圖所示,這條插損曲線是普通FR4板材下,10inch傳輸線的插損曲線?？梢钥闯鲈?G的時候,接收與輸入的比值為-8.35dB,10G的時候是-15.455dB,換算成幅度,分別是0.382和0.167,也就是說如果輸入端正弦波的幅值為1V,則接收端5G正弦波的幅值為382mV,10G正弦波的幅值為167mV,我們來驗證下,5GHz正弦波的輸入與輸出波形對比如下:

10GHz的正弦波輸入與輸出的波形對比如下:

感興趣的朋友們可以根據(jù)上圖中的數(shù)據(jù)自己計算下,實際仿真出的正弦波幅度與插損曲線中對應頻率下的幅度基本是一致的,有一點點誤差,原因是通道阻抗沒有做到完全匹配。

我們可以看到,隨著頻率的提高,正弦信號的幅值損失越來越嚴重。但是我們通常關(guān)注的是數(shù)字信號,那么可以直接從插損曲線中看出數(shù)字信號幅度的損失嗎?當然是不可以的。前面的文章也多次提到了通道對數(shù)字信號的影響主要是使波形的上升沿變緩,注意這里是上升沿變緩!并不是像正弦波一樣,直接表現(xiàn)出幅值的損失。而且常規(guī)的數(shù)字信號也不會像正弦波信號那樣整齊,所以通道對數(shù)字信號的影響要比對正弦信號的影響復雜得多,后期的文章會和大家一起討論這方面的問題。

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