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利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性

发布时间:2020-11-16 责任编辑:wenwei

【导读】传输线理论为今天的SI分析带来了福音。信号的上升时间是SI问题中的一个关键参数。在SI分析中,各种互连线的电学模型可以看作是传输线。在高速PCB设计中,必须牢记传输线理论的基础知识,理解传输线效应。
 
为了启动信号完整性问题分析,我们将需要各种技术来检查信号完整性。
 
信道模拟:我们有一个信道,它构成一个发射机,一个接收机。眼图告诉我们信道降低传输信号的程度。正如我们在图像中看到的,在Tx侧,眼睛是睁开的,“0”和“1”级别可以很容易地被发现。当信号穿过信道到达接收端时,眼睛几乎闭上,接收器很难区分“0”和“1”。这就是我们知道信号完整性问题普遍存在的地方。
 
利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性
利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性
 
识别信号劣化的根本原因:下一步是使用混合模式S参数分析和时域反射仪找出信号劣化的根本原因。让我们考虑传输线部分,并在端口S11发送频率为f0的正弦波。S11是反射系数,与回波损耗有关。它告诉我们有多少信号从端口1反射回来。参数S21告诉我们传输线如何传输信号。S21是传输系数,它与插入损耗有关。
 
利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性
 
现在的问题是,我们什么时候可以使用混合模式S参数分析?当我们使用一对传输线从差分端口1和2传输差分信号时,就会使用这些参数。混合模式参数告诉我们传输对差分和公共信号的反应。
 
利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性
 
SDD11:端口1的差分输出,由端口1的差分输入激励。
 
SDD11:与差分回波损耗有关。
 
SDD21:与差分插入损耗有关。
 
SCD21:模式转换:EM生成。
 
模式转换:电磁敏感度。
 
其中,术语DD提供关于差分响应的信息,而术语CD提供关于差分输入信号生成多少公共信号的信息。此外,术语DC表示有多少差分信号是由共同的输入信号产生的。
 
由于s参数给出了信道的频率响应,我们使用时域反射法来推导空间和时间信息。在TDR图上,右侧显示“开路”电路,以帮助我们识别通道的末端。
 
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TDR图
 
探索设计方案:在这里,我们通过考虑单脉冲响应来探索设计方案。我们发送具有特定时间和数据速率的单脉冲,以评估输出端的单脉冲响应。
 
利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性
 
单脉冲频率响应
 
让我们举一个单脉冲频率响应的例子。如果我们从响应的最大峰值开始,并将其命名为“cursor”,那么我们可以通过根据单位间隔划分响应来创建游标图。光标图告诉我们脉冲响应分布在多个前游标和后游标。扩频量还提供了有关码间干扰的信息。
 
利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性
 
光标图
 
电磁场视角下的信号完整性分析
 
在数字展望中,与电路和电磁场(EM)级别相比,在逻辑级别识别信号完整性问题是一项简单的任务。大多数的SI问题本质上都是电磁问题,不管是反射、串扰还是地弹。这就是为什么从电磁的角度理解SI问题的物理行为是非常好的。例如,在多层PCB中,通孔“a”中的开关电流将产生电磁波,这些电磁波沿着金属平面之间的径向从通孔传播出去。金属平面之间产生的电场将在它们之间产生电压变化。当波接近其他通孔时,它们会在这些通孔中产生电流。感应电流又会产生电磁波在两个平面之间传播。
 
利用S参数和电磁波理论来分析信号完整性
 
多层PCB封装结构
 
一旦这些波到达包裹的边缘,其中一部分会辐射到空气中,另一部分则会反射回来。当波在PCB封装结构内部来回反弹并相互叠加时,就会发生共振。波的传播、反射、耦合和共振是典型的电磁现象,发生在包装结构内部的信号瞬态。虽然电磁分析比电路分析更精确,但它包含复杂的算法。这就是为什么要用电路模拟器进行SI分析的原因。
 
传输线理论为今天的SI分析带来了福音。信号的上升时间是SI问题中的一个关键参数。在SI分析中,各种互连线的电学模型可以看作是传输线。在高速PCB设计中,必须牢记传输线理论的基础知识,理解传输线效应。
 
 
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