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信号完整性分析与S参数测量


信号完整性分析及S参数测量专题介绍
美国力科公司上海代表处 胡为东 021-52400999 13818263752 derek.hu@lecroy.com

Agenda
☆ 信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现 ☆ 高速链路中影响信号完整性的主要因素 ☆ 应对信号完整性的主要方法 ☆ 基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理 ☆ VNA的S参数测量原理 ☆ S参数测量仪器的校准 ☆ 力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍

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信号完整性的基本概念

3

真实情况下的信号形状

4

信号完整性问题的主要体现

1、信号质量问题

2、信号时序问题

5

建立时间和保持时间的基本概念

6

力科示波器中定制有专门的建立时间和保持时间测 试项目

7

信号完整性在眼图上的体现

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Agenda
☆ 信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现 ☆ 高速链路中影响信号完整性的主要因素 ☆ 应对信号完整性的主要方法 ☆ 基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理 ☆ VNA的S参数测量原理 ☆ 力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍

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串行链路中影响信号完整性的主要因素
典型的高速背板系统
芯片封装 线卡上的 走 线 芯片的寄生参数(端 接电阻与负载电容)

背板连接器 背板的走线
线卡上 的过孔

背板的过孔

? ?

需要考虑的一些关键问题:
? 损耗, 反射, 串扰, 偏移

在高速背板系统中通常有很多个不连续点,这些不连续点会带来信号反射问题

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串行链路中影响信号完整性的主要因素 ? 接插件、过孔等引起的阻抗不连续 ? 过长的走线导致信号衰减过大 ? 高速信号差分对之间的串扰过大

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Agenda
☆ 信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现 ☆ 高速链路中影响信号完整性的主要因素 ☆ 应对信号完整性的主要方法 ☆ 基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理 ☆ VNA的S参数测量原理 ☆ S参数测量仪器的校准 ☆ 力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍

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信号完整性工程师如何解决SI(信号完整性)问题
理解SI问题可能出现在哪里 为其设计制定指导方针 编写特定的设计规则 创建设计中各组成部分的模型并进行仿真以预测系统性 能 5. 通过实际测试来验证系统性能 6. 重新定义模型,回到第四步 1. 2. 3. 4.

仿真和测试是解决信号完整性问题的两个重要手段!

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信号完整性仿真

背板
Transmitter
0

CHANNEL

Receiver

发送端子卡 芯片管脚

magnitude (dB)

10 20 30 40 50 60 0 2 4 freq uency (GH z)

信道的频响

接收端子卡 芯片管脚 用于描述背板信号通道的S参数 曲线
.

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信号完整性测试

通过实际测试验证S参数是否满足要求

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通过实际测试验证信号质量是否满足要求

S参数是解决信号问题的核心

Linear Simulator Pulse Response Impulse Response TDR Rational Function Fitter Measurement Assisted Models S-parameters Topological Models Spice Models ZeroForcing Equalizer Channel Emulation

Equalization + Serial Data Analysis

VNA

Virtual Probing Channel Emulation Fixture De-embedding Cable Compensation

Time Domain Simulation

Spice Qualitative Views Frequency Domain Component Simulation Quantitative Tests

Frequency Domain System Simulation

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四端口S参数测量的设置
50Ω
Port 1

高速背板: 1 3
Port 2

2 4
50Ω

4-port DUT
50Ω
Port 3 Port 4

50Ω

S11=V1‘/V1 S21=V2/V1 S31=V3/V1 S41=V4/V1
? 4端口网络可以是单端或差分的
? 单端模式4端口S参数和2端口、1端口类似,只是S参数的数量多了些
? S11 ? ? S 21 ? S31 ? ? ? S 41 S14 ? ? S 22 S 21 S 24 ? S32 S33 S 24 ? ? S 42 S 43 S 44 ? ? S12 S13

? 差分模式4端口S参数是将两个端口如1和3端口合并到一起作为差分端口,另外两 个端口如2和4合并到一起作为另外一个差分端口,分别在各个差分端口注入共模 信号和差模信号,得到两组2端口S参数合并到一起即为差分模式S参数

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S参数以标准的Touchstone文件格式表示
# = Delimiter indicating that this is a file format statement Hz = Frequencies are listed as Hz (instead of MHz, etc.) DB = Magnitudes are expressed in dB (instead of linear) S = Parameters in S-Parameter format (instead of Z, etc.) R 50 = Impedance is normalized to 50 ohms

Test frequency

|S11|
dB

?S11

|S21|
dB

?S2
1

|S12| dB

?S1
2

|S22| dB ?S22

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S参数的测量方法
? S参数的测试方法主要有两种:
? VNA(矢量网络分析仪),主要用于微波领域,特点是有较好的 精度、但是价格昂贵、校准很复杂、需要一定的微波专业知识才 能应用自如、需要配置很多额外的软件才能实现对S参数的分析和 验证、体积大比较重、移动或者操作不够方便、测得的S参数无法 包含DC频点、测得的S参数与仿真软件容易出现兼容性问题等。 ? 采样示波器(如力科的WE100G) 配合TDR/TDT(配有TDR模 块的高性能采样示波器)的测量,特点是使用时域的方法、不仅 能够得到频域S参数结果、也能够观察时域结果、但是需要有多个 TDR快沿脉冲模块、价格较贵、校准很复杂、需要配置额外的软 件才能实现对S参数的分析验证、体积大比较重、移动操作不够方 便等 ? 从功能上来看,信号完整性工程师都能够使用这两款仪器来进行S 参数的测量,但是从价格、性能、方便性等角度来看,这两种测 试仪器显然不是最适合信号完整性工程师使用的仪器。
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☆ 信号完整性的基本概念及信号完整性的主要体现 ☆ 高速链路中影响信号完整性的主要因素 ☆应对信号完整性的主要方法 ☆ 基于采样示波器TDR/TDT的S参数测量原理 ☆ VNA的S参数测量原理 ☆ S参数测量仪器的校准 ☆ 力科最新的信号完整性S参数分析仪SPARQ的主要特点介绍

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采样示波器基于TDR/TDT测量S参数的基本原理
? 时域反射(TDR,Time Domain Reflection)是测量 时域的快沿脉冲信号通过被测件后的反射效果 ,可用于测量被测件的回波损耗(Return Loss ) 时域传输(TDT,Time Domain Transmission) 是 测量时域的快沿脉冲信号通过被测件 (DUT,Device Under Test)后所受到的影响情况 ,可用于测量一个系统的插入损耗或者叫传输 损耗Insertion (Transmission) Loss、近端串扰 (Near-end Crosstalk)、远端串扰(Far-end Crosstalk)等;也可以测量系统对输入阶跃脉冲 的上升时间的响应情况等。 将TDT 响应转换为频域响应 则有助于决定一个 系统对信号质量比如说信号眼图的影响 – 这时 的测量结果也就是S参数。 最简单的TDT测量需要两个时域反射计 (TDR,Time Domain Reflection)模块 – 一个用 于产生阶跃脉冲信号加到传输系统中,另外一 个用于采样经过传输系统后的信号

?

Two ST-20 modules

DUT

Simple TDT set-up

?

?

采样示波器基于TDR/TDT测量S参数的基本原理

影响采样示波器测量精度的两个主要因素

?TDR快沿脉冲的上升时间 ?采样方法(力科采样专利技术CIS采样方法, 采样率可以达到10M/S,大大增加了数据采集 的速度,RMS抖动值小于600fs)
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使用采样示波器测量四端口S参数的连接示意图
Port 1 Port 2

ST-20

ST-20

ST-20

ST-20

Channel 1 SMA SMA -

Channel 2

Channel 3 SMA
SMA -

Channel 4

+ Near end Far end

+

S参数 : S11,S12,S13,S14 S21,S22,S23,S24 S31,S32,S33,S34 S41,S42,S43,S44
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矢量网络分析仪(VNA)的原理框图

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VNA的基本原理

VNA通过直接将正弦波加载到被测件DUT上进行 S参数的测量,由于信号源很难发出接近DC频率 的激励信号,因此VNA测得的S参数不包括DC频 点。 而DC直流频点也可能会是影响信号完整性 的一个重要成分。
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VNA使用扫频方法测量S参数的基本原理

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VNA频域测量和TDR时域测量的相互联系

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手动VNA校准:
? 校准是VNA测量中不可忽略的一个重要组成部分 ? 校准过程是个缓慢而且需要极其细心谨慎的过程,校准的准 确度会直接影响到测量结果的准确性 ? 每次测量都进行校准将会浪费太多的时间,降低工作效率, 因此工程师很难做到每次测量都进行校准 ? 往往需要很专业的测试工程师才能得到重复的结果 下面的23步为手动校准2-port VNA的步骤:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
31

Connect O port 1 Measure Disconnect Connect S port 1 Measure Disconnect Connect L port 1 Measure

9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

Disconnect Connect O port 2 Measure Disconnect Connect S port 2 Measure Disconnect Connect L port 2

17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.

Measure Disconnect Connect T to port 1 Connect T to port 2 Measure Disconnect 1 Disconnect 2

4-port手动校准的步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.
32

Connect O port 1 Measure Disconnect Connect S port 1 Measure Disconnect Connect L port 1 Measure Disconnect Connect O port 2 Measure Disconnect Connect S port 2 Measure Disconnect Connect L port 2 Measure Disconnect Connect O port 3 Measure

21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40.

Disconnect Connect S port 3 Measure Disconnect Connect L port 3 Measure Disconnect Connect O port 4 Measure Disconnect Connect S port 4 Measure Disconnect Connect L port 4 Measure Disconnect Connect T port 1 Connect T port 2 Measure Disconnect port 2

41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58.

Connect T port 3 Measure Disconnect port 3 Connect T port 4 Measure Disconnect port 4 Disconnect port 1 Connect T port 2 Connect T port 3 Measure Disconnect port 3 Connect T port 4 Measure Disconnect port 2 Connect T port 3 Measure Disconnect port 3 Disconnect port 4

VNA也提供了某种意义上的自动校准选件
? VNA用户可以购买“Ecal” or “AutoCal” 自动校准模块选件 ? 置于仪器主机之外, 通过USB接口与主机连接 ? 且没有4端口、40GHz Ecal自动校准件,因此欲要校准4端 口、40GHZ的VNA则必须使用完全手动校准或者使用2端口 的Ecal自动校准+手动校准来完成 4-port 20GHZ Ecal:

19,388 US$
N4433A

2-port 40GHz Ecal:

16,354 US$
110 page manual
33

N4692A

使用2端口ECAL自动校准件进行4端口校准的步骤
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Connect to ECAL port 1 Connect to ECAL port 2 Connect to VNA port 1 Connect to VNA port 2 Measure Disconnect from VNA port 2 Connect to VNA port 3 Measure Disconnect from VNA port 3 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Connect to VNA port 4 Measure Disconnect from ECAL port 1 Disconnect from ECAL port 2 Connect to DUT port 1 Connect to DUT port 2 Connect to DUT port 3 Connect to DUT port 4 Measure

少了一些步骤,但校准过程仍旧存在繁琐的多次连接/断开过程。

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Agenda
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力科SPARQ系列信号完整性网络分析仪

SPARQ是一键操作式、40GHz带宽,4端口 信号完整性网络分析仪,是信号完整性工 程师以经济型投入即可快速测量测量S参 数和TDR的一种新型仪器。

SPARQ (“S-Parameters Quick”)介绍

? 基于TDR/TDT的信号完整性S参数测试
? ? ? ? ? ?
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四端口,DC-40 GHz 频率范围内的S参数测量 内置OSLT自动校准件,每次测量都可实现自动校准 一键式操作 价格只是VNA的几分之一 快速的校准和测量时间 小巧而轻便( 12” x 12” x 6”) and (17 lbs)

SPARQ Models
? SPARQ-4004E: 4 端口, 40 GHz, 自动校准 ? SPARQ-4002E: 2 端口, 40 GHz, 自动校准 ? SPARQ-4002M: 2 端口, 40 GHz, 手动校准 很快会推出更多端口数(8端口/12端口等)的SPARQ 包括:
? ? ? ?
38

40 GHz 高相位稳定性的线缆 Female-female 2.92 mm转接头 扳手 装有SPARQ应用软件的USB盘

SPARQ可以为信号完整性工程师提供多种测量结果
1. 输入和输出端口脉冲的差 模和共模阶跃响应
1 4

2. 最高到40 GHz频率的混 合模式回波损耗
5

3. 测量中显示的TDR曲线

2

4. 最高到40 GHz频率的差模 和共模插入损耗

3

6

5. 脉冲响应

7

9
8

6. 差模和共模阻抗vs. 电气长 度

7. 所有时域结果的上升时间 归一化
39

8. 可同时显示多达16个测量参 数

9. 可单独对任一条曲线进行放 大缩小控制,操作简单方便

方便的流水线式设置界面
? ? ? ? 仅在一个对话框中即可完成所有的设置 每个对话框下的加号按钮可以展开进行高级设置 Preview / Normal / Extra三种模式选择 做好设置后,点击”Go”即可快速的完成校准和测试

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SPARQ的工作原理示意图

一个TDR脉冲源及采样模块及一个TDT采样模块, 配合高带宽开关矩阵,使得SPARQ的成本大大降 低,只有VNA的几分之一
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SPARQ 独有的去嵌能力
SPARQ测量系统框图:

? 过去,通过S参数进行去嵌一直是个挑战
? VNA没有固有的去嵌方法

? SPARQ采用的是基于系统级的算法 ? 力科的专利算法 ? 可基于S参数的方法进行去嵌

? 用户可以设置SPARQ来选择是否需要对线缆、适配器、夹具等进行 去嵌
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SPARQ快速的校准 & 测量时间
LeCroy SPARQ Measurement Time Benchmark PC: lenovo T61, Core2 Duo, 2.2GHz, 3GB RAM SPARQ app version 0.6.2.0, build 142087, using daily build from ~Aug 20 2010 Measurement times will strongly depend on the PC used 2-port measurement time, including calibration Preview # ports # points Mode Normal Mode 2 1000 29s 1m36s 2 4000 42s 1m52 2 8000 56s 2m15 Total time to perform calibration sequence Accuracy Mode Preview Normal Calibration time 25-Aug-10

11 seconds 1 minute

4-port measurement time, including calibration Preview # ports # points Mode Normal Mode 4 1000 1m36s 4m37s 4 4000 4m14s 6m 45s 4 8000 7m17 10m 5s

? Preview mode: 更快的校准和测量时间 ? Normal mode: 更多的平均次数,从而精度更高 ? 内置校准件,在每次测量前自动进行校准,而不需要重复的连接 、断开校准件
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SPARQ测量得到的S参数可以直接用于信号完整性 仿真软件
仿真软件一般会要求 S参数满足如下几个物理特性:
1、无源性(Passivity) 2、互易性(Reciprocity) 3、因果性(Causality) 由于VNA是针对微波领域的测试的,因此其没有考虑到信号完整性领 域的一些实际需求,测得的S参数往往可能不符合这三种特性; 力科的SPARQ提供了针对这三种特性的增强功能,使得SPARQ测量 得到的S参数可直接用于仿真软件。

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SPARQ可提供包含DC频点在内的S参数

DC直流干扰也有可能给信号完整性问题带来很大的影响, 信号完整性工程师也需要予以关注,
? VNA测得的S参数不能够包含DC点的S参数(业界VNA能测量最低的 频点也大概只有几KHZ)。 ?力科SPARQ则可以测量DC-40GHZ的满频段S参数。 此外,SPARQ能够测量出混合模式的S参数,而VNA则需要配置相应 的软件才能进行混合模式的S参数测量。

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SPARQ不仅可提供频域测量结果还可提供时域测 量结果
? 包括频域和时域结果显示
? 标准的单端和混合模式S参数测试结果 ? 阶跃响应, 冲激响应, 阻抗和阻抗系数结果 ? 时域结果显示便于观察,非常有利于debug测试中遇到的问题可能出在哪里

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实时观察TDR/TDT波形:
? TDR/TDT波形
? 用户可实时的观察到TDR和TDT的波形,通过观察时域波形可便于了 解测试参考面的位置,以及调试和查找导致S参数问题的可能原因

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可方便调入保存的S参数波形进行对比

49

一个二端口系统的S参数测量结果既TDR/TDT波形

50

SPARQ 优点总结
? 1、一键式操作即可快速完成S参数的测量 ? 2、实现S参数测量,价格只有VNA的一小部分
? 好的价格使得大部分信号完整性工程师都能够进行S参数的测试

? 3、内置OSLT 自动校准
? 不需要手动的连接和断开, 也不需要昂贵的ECAL自动校准件 ? 不再担心校准件丢失或者损坏

? 4、可输出完全符合仿真格式的S参数
? 具有passivity(无源性), reciprocity(互操作性) 以及causality等(因果性 )物理特性增强功能,S参数中包含了DC 点

? 5、包括频域和时域结果显示
? 标准的单端和混合模式S参数测试结果 ? 阶跃响应, 脉冲响应, 阻抗和阻抗系数结果 ? 时域结果显示更加 直观 ,有利于debug测试中遇到的问题,使您不再担心因 为操作错误而产生的测量结果错误

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SPARQ 优点总结
? 6、自动去嵌到DUT的测试参考平面
通过去嵌消除线缆, 适配器以及夹具对测量结果的影响

? 7、固有的TDR/T能力
TDR/TDT 的工作模式有助于快速的核查和调试测量中的问题

? 8、小巧, 轻便, 基于PC , 且使用非常方便

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SPARQ is:

? ?

强大的频域和时域的信号完整性问题调试工具 操作极其方便, 消除了VNA测量时所带来的诸多烦恼

?

价格只有VNA 和基于TDR方案的采样示波器的几分之一

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Qustions

Any Qustions?

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谢谢您的参与
美国力科公司上海代表处 胡为东 derek.hu@lecroy.com 021-52400999 13818263752 上海市长宁区江苏路369号兆丰世贸大厦23楼I座

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