利用S参数来描述PCB串扰

2016-12-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

如果您给某个传输线的一端输入信号,该信号的一部分会出现在相邻传输线上,即使它们之间没有任何连接。信号通过周边电磁场相互耦合会产生噪声,这就是串扰的来源,它将引起数字系统的误码。一旦这种噪声在相邻传输线上出现,它将和任何其它信号一样的传播,最终被传输到传输线末端的接收机上,这种串扰将会影响到接收机所能承受的噪声的裕量。在低端的模拟应用中,小到0.01%的串扰也许是可以接受的,在高速数字应用中,一般能接受高达5%的串扰。

不幸地是,在很多高速互连系统中,串扰带来的信号幅度很容易超出系统能接受的幅度的10%,这将使得系统的误码率增加。定量测量从干扰源传输线到受干扰对象传输线的串扰大小是确认和消除可能的误码源的重要调试手段。

S 参数的概念是源于对互连器件或系统的微波属性的描述,提供了描述从音频范围到毫米波频率范围的应用中存在的串扰的最直观方法。毕竟S参数矩阵中的每个参量事实上都是正弦信号从互连系统中某一端口输出和另一端口输入之间的比较。在传输线结构中,S参数中的有些参量表示的就是传输线到传输线之间串扰的直接测量结果。在差分对中也是可以直接测量的。

1耦合的传输线待测物

为了演示如何用S 参数来描述串扰,我们设计了一个由四条耦合的传输线组成的待测物,如图1所示。它们的末端标识为从1到8的数字。连接到每个末端的是一个端口,可以当作是一个50欧的传输线端接。测量DUT时的端口分配推荐是按端口1到端口2,3到 4,5到6,7到8来标识。

这个DUT的S参数矩阵中每个参量是正弦波形从一个端口输入再从另外各个端口输出的比例。有8个端口就有8x8=64种不同的输入和输出组合。S参数矩阵形式便于记录每种组合。矩阵中的每个参量的数字表示哪个是输入端口,哪个是输出端口,比如S21就表示端口2输出和端口1输入之间的比例。这个术语传统习惯上被称做插入损耗,它表示的物理意义是信号经过通道传输过程中产生的衰减。

作为两个正弦波形的比例,S参数矩阵中的每个参量都是复数,通过实部和虚部值或幅值和相位来描述。幅值是输出端口波形和输入端口波形幅度的比例,一般是以50欧作为每个端口的端接阻抗。

S参数中的大多数术语表示的是端口之间串扰的直接测量结果。在一条传输线上的端口1输入正弦波形,在相邻的传输线的端口3的输出之间的串扰标识为S31,而相应地从端口1输入,端口4输出的串扰则表示为S参数矩阵中的S41。

2串扰的微妙之处

即使在低频段,相邻两传输线之间的串扰大小也和被干扰传输线是哪个端口有关。反向传输的串扰是耦合的电容和电感之和而前向传输的串扰是耦合的电容和电感之差。理论上来说,S31不等于S41。图2是利用力科的信号完整性网络分析仪SPARQ测量到的这两个参量S31和S41,比如在20MHz,近端串扰S31和远端串扰S41是不一样的,近端串扰S31会大于远端串扰S41。互连系统中串扰信号的这种表现形式可能是一个和直觉上恰恰相反的特征,即使S31和S41是在相同的互连系统中从相同的干扰源测量到的串扰,被干扰传输线上每一端口的噪声明显不同,特别是在100MHz以上。

仅仅量化出现在两条传输线上的噪声并不能很好地说明问题,还要量化噪声在被干扰传输线上的传播方向,所以被干扰传输线上的两端口次序要分别进行标识,如S31和S13。

根据S参数标识,S31就表示被干扰传输线靠近干扰发生源端的噪声,称作近端噪声。将干扰源上的信号传输方向定义为正向,那么近端噪声是被干扰传输线上和信号传输方向相反的噪声。S41是在受干扰传输线的远端测量到的噪声,是正向的。如图1所示紧耦合的微波带传输线近端噪声达到峰值时为-13dB,相当于原信号的22%,远端噪声峰值大小则可以达到-4dB,相当于原信号的63%。这么大的数值表明这两条传输线之间的耦合是非常紧的。

S参数在形式上就定义了哪个端口是信号的输入,哪个端口是信号的输出,这使得S参数天然就很适合描述串扰。

3利用S参数描述串扰的频域和时域响应

虽然S参数是基于正弦波的行为而得到的,但对于所有线性无源时不变的互连系统,通过了解正弦波信号的行为就可以了解任何其它波形的行为。

常见的时域波形是带有高斯上升时间的0V到1V的阶跃信号。互连系统对该信号中的每种频率成分的响应即通过S参数来描述。利用数学运算,阶跃信号转换为频域,每个频率成分和S参数中对应的频率点的数值相乘,结果再转换到时域,即表示DUT对一个阶跃信号的响应,例如使用图2中完全相同的频域数据表示在图3 上但显示为时域上对阶跃信号的响应。可以发现近端串扰和远端串扰有非常明显不一样的特征。再利用数学运算可改变激励信号的上升时间来查看相应耦合到相邻被干扰传输线上的信号会有什么改变。

本例中,近端串扰S31的峰值对于上升时间不管是50ps或200ps对应的变化不是很敏感,但是远端干扰峰值电压对上升时间的变化却非常敏感,随着上升时间的增加峰值从-40%变化到-25%。

近端和远端串扰的时域显示和频域显示的是相同的数据,只是显示方式上的不同。时域和频域之间相互转换的灵活性便于我们快速得知某种上升时间的阶跃信号带来的串扰的噪声波形。

4串扰随耦合间距增加而下降

S参数描述的不仅仅是任何两导体之间的耦合,而且还考虑了信号传播的方向对串扰的影响。图4表示测量到的对其它端口的近端串扰。和设想的一样,端口1和另外三个相邻端口的近端噪声随着该端口距离端口1越远越小。

尽管近端串扰随着端口远离干扰源而下降,但是近端噪声的频域响应特征和远端噪声更类似,只是下降得更明显。观察S51和S71的时域响应可以确认,虽然噪声是在近端测量到的,S51和S71的响应主要还是由远端噪声的峰值毛刺的反射所决定。

5差分响应

这四个单端传输线可以被看做是两个差分对。在很多高速数字应用中,一个差分对也常称做是一个通道。差分对的信号被描述成差模信号和共模信号。S参数形式上可以延伸为包括干扰源和受干扰对象的差模信号和共模信号的通道之间串扰的各种组合。

图1的测试板有8个端口连接到4个独立的单端的传输线上作为差分对,这样总共就只有4个端口,2个差分对。按单端端口的标识方式,差分端口将标识为差分端口1到差分端口2和差分端口3到差分端口4。

按照约定俗成的方法标识差模和共模S参数,用字母D表示差模信号,字母C表示共模信号。从一个差分口输入和另外一个差分口输出的的S参数组合就标识为输出端口模式的字母,输入端口模式的字母,输出端口和输入端口。例如:

SDD31表示差模到差模信号之间的近端串扰。

SDD41表示差模到差模信号之间的远端串扰。

SCC31表示共模到共模信号之间的近端串扰。

SDD41表示差模到差模信号之间的远端串扰。

SCD31表示差模信号作为干扰源转换为近端共模信号的串扰。

通道和通道之间的差模和共模串扰如图5所示,这清楚地表明了紧耦合的差分通道在减小通道之间串扰方面的优势。

差模信号的近端和远端串扰比共模信号的近端和远端串扰小20dB。这图形化地说明了为什么差分信号比共模信号或者单端信号更能降低串扰。

高速信号之间的串扰问题是很复杂的,它取决于干扰源通道的哪个端口作为信号输入以及受干扰通端的哪个端口是您观察的视角,它随频率变化,而且变化的方式很复杂,也会因上升时间而变化。S参数具有一些天然的特性便于描述串扰的复杂行为。S参数矩阵中的每个参量描述了任意端口对之间的串扰,可以时域或频域表示。它们可以用网络分析仪进行测量,也可以通过一些仿真软件仿真得到。如果您的设计中串扰是一个重要的问题,那么您就需要吃透S参数这个概念了!

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