SPARQ系列述評之二 ——信號完整性問題與S參數(shù)的關(guān)系
摘要:隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展,數(shù)字信號的速率也愈來愈高,Gbps以上的高速信號已經(jīng)隨處可見。面對高速設(shè)計(jì)的新領(lǐng)域,硬件設(shè)計(jì)工程師們需要改 變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念,他們需要以更加超前的思維去思考自己將要設(shè)計(jì)的信號的質(zhì)量,或許在制定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的時(shí)候就需要進(jìn)行調(diào)研;需要在設(shè)計(jì)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié) 去思考信號質(zhì)量問題,如方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),原理圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),PCB設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),測試驗(yàn)證環(huán)節(jié)等等;需要考慮到系統(tǒng)中的每一個(gè)構(gòu)成成分可能給信號質(zhì)量帶來的影響, 如過孔,電容,電感,阻抗,接插件等等;所有高速設(shè)計(jì)相關(guān)的問題也常被統(tǒng)稱為信號完整性(即SI,Signal Integrity)問題,SI是當(dāng)前硬件設(shè)計(jì)工程師們的一個(gè)最熱門的話題之一。和SI相關(guān)的兩個(gè)最為重要的工作是信號完整性仿真和信號完整性測試。信號 完整性仿真是指使用仿真軟件將芯片、信號傳輸鏈路的模型連接到一起,進(jìn)行初步的信號質(zhì)量的預(yù)測,信號完整性仿真中一個(gè)最為重要的模型是S參數(shù)模型,它常被 用來模擬傳輸線、過孔、接插件等的模型,在仿真之初S參數(shù)常常是通過電磁場仿真軟件等仿真的方法獲得,然后再用相應(yīng)的測試儀器如TDR、VNA以及力科新推出的新型專用于信號完整性領(lǐng)域的信號完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀SPARQ等進(jìn)行測試驗(yàn)證。S參數(shù)模型貫穿于整個(gè)信號完整性分析過程,它是一切信號完整性問題的心臟。
關(guān)鍵詞: 信號完整性 仿真 S參數(shù) 建立時(shí)間 保持時(shí)間
一、信號完整性的基本概念
SI(Signal Integrity)是指傳輸系統(tǒng)在信號的傳輸過程中保持信號的時(shí)域和頻域特性的能力。
在理想情況下,信號在傳輸過程中不應(yīng)該發(fā)生任何的變化,但是真正理想的傳輸通道是不存在的,實(shí)際情況是信號經(jīng)過一個(gè)非理想的傳輸通道后會(huì)發(fā)生各 種各樣的信號完整性問題。從信號質(zhì)量角度考慮,主要有過沖、下沖、振鈴、反射等,信號質(zhì)量問題會(huì)導(dǎo)致接收端芯片錯(cuò)誤的判別接收到的信號的邏輯特性,如將0 電平誤認(rèn)為是1電平,從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤,另外一方面是時(shí)序問題,主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)和時(shí)鐘之間的時(shí)序關(guān)系,如接收端的時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號不滿足建立時(shí)間和 保持時(shí)間。
概括來說,信號完整性問題主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面,一是信號質(zhì)量問題;二是時(shí)序問題(主要是建立時(shí)間和保持時(shí)間)。
1、信號質(zhì)量問題
2、時(shí)序問題
建立時(shí)間是指在時(shí)鐘沿到來之前的一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)必須要保持有效狀態(tài)(即高電平有效或者低電平有效),時(shí)鐘沿和數(shù)據(jù)開始有效之間的這段時(shí)間即為建立時(shí)間值;保持時(shí)間是指在時(shí)鐘沿之后數(shù)據(jù)還必須保持一段有效狀態(tài)的時(shí)間,時(shí)鐘沿和數(shù)據(jù)開始失效之間的時(shí)間即為保持時(shí)間值。
當(dāng)前高性能示波器中都集成有建立時(shí)間和保持時(shí)間的專用測量參數(shù),如下圖所示的Lecroy示波器中的建立時(shí)間和保持時(shí)間測量示例。
二、如何解決信號完整性問題
當(dāng)前信號完整性工程師面對信號完整性問題主要有兩個(gè)方法,一是信號完整性仿真,二是信號完整性測試。測試的目的的一方面是驗(yàn)證系統(tǒng)最終的信號完整性性能,二是驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。
信號完整性仿真是在系統(tǒng)做成實(shí)物之前對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,系統(tǒng)中各個(gè)部分使用等效的電路模型,如下圖5的高速背板系統(tǒng)可以等效為圖6的模型。芯片使用廠家提供的HSPICE模型或者IBIS模型來等效,通道(包括接插件、過孔、傳輸線等)通常使用S參數(shù)模型來等效。
通道的S參數(shù)模型可以通過仿真軟件提取得到,在完成實(shí)物以后,再使用測試方法進(jìn)行S參數(shù)的測試驗(yàn)證以及系統(tǒng)整體性能的驗(yàn)證,如測試高速信號的眼圖、抖動(dòng)等。
由于硬件工程師無法改變芯片的模型,他們能夠分析研究的主要是整個(gè)鏈路的通道,而整個(gè)鏈路的通道響應(yīng)特性可以由S參數(shù)來衡量。S參數(shù)可以反應(yīng)通 道中各個(gè)組成成分的特性,如損耗、衰減、反射等。因此仿真中S參數(shù)的正確性將直接影響到仿真結(jié)果的正確性和可信性。因此,在系統(tǒng)完成后對S參數(shù)進(jìn)行測試驗(yàn) 證是非常有必要的。
三、S參數(shù)可反應(yīng)出所有的信號完整性問題
下圖7所示為一個(gè)二端口S參數(shù)中的S11和S21的基本圖示,藍(lán)色的表示S11參數(shù)又稱為回波損耗,粉紅色的表示S21系數(shù)又稱為插入損 耗,S11表示信號經(jīng)過通道后的反射情況,S21表示信號經(jīng)過通道后的損耗情況。從圖中可見,隨著頻率的升高(S參數(shù)曲線的橫軸表示頻率,縱軸表示幅 度),反射越來越強(qiáng)(S11曲線越接近0dB),損耗越大(S21曲線下降的越大)。反射越強(qiáng)表明系統(tǒng)的匹配可能沒有做好,通道損耗過大表明走線可能太長 了,曲線不平滑則表明通道的阻抗連續(xù)性不是很好等。
四、S參數(shù)的測量
S參數(shù)通常使用TDR(時(shí)域反射計(jì))或者VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)來測量,但這兩者都比較昂貴。尤其是VNA,因?yàn)槠渲饕糜谖⒉I(lǐng)域,包含有很多具有微波特性的功能,因此價(jià)格往往比較貴,且功能復(fù)雜,操作校準(zhǔn)都需要一定的專業(yè)知識(shí)才不容易出錯(cuò),而信號完整性領(lǐng)域的S參數(shù)測試則完全不需要具有很多功能的VNA或者TDR。力科公司最近推出一款全新概念的專用于信號完整性領(lǐng)域的S參數(shù)測量的儀器,叫SPARQ,即信號完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀,用一句話概括即:SPARQ是一鍵操作式40GHz,4端口信號完整性網(wǎng)絡(luò)分析儀,是信號完整性工程師以經(jīng)濟(jì)型投入并能夠快速、方便、準(zhǔn)確的測量出S參數(shù)和TDR的一種新型儀器。這款儀器非常適合于廣大信號完整性工程師使用。