信號完整性基礎(chǔ)--S參數(shù)（一）1
01 S參數(shù)概述
S參數(shù)也叫散射參數(shù)，最初是用來描述射頻電路應(yīng)用中入射波和反射波的關(guān)系，隨著數(shù)字信號的高速化，S參數(shù)在高速數(shù)字信號的應(yīng)用中逐漸普及。
S參數(shù)將被測物當(dāng)作黑匣子，通過測量輸入輸出端口來表現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性，不論哪一個端口有信號進(jìn)入，都能通過測量其他端口散射的信號，來獲得信號信息。
如下圖，將一段傳輸線網(wǎng)絡(luò)封裝成一個二端口S參數(shù)模型，通過時域仿真對比，兩者眼圖的眼寬和眼高基本一致。在一些復(fù)雜的仿真設(shè)計中，我們也可以通過封裝并調(diào)用S參數(shù)模型的方法來優(yōu)化設(shè)計。
S參數(shù)通常用矩陣的形式描述各端口特性。二端口網(wǎng)絡(luò)可以用一個2*2的矩陣表示，如[S11,S12,S21,S22]……
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Gnd孔對串?dāng)_的影響
在數(shù)字信號設(shè)計中，有一些信號過孔幾種區(qū)域，那么這些孔之間的串?dāng)_多有大呢，附近的Gnd過孔對這種串?dāng)_有多少改善作用呢？
我們用如下模型來驗證一下：
模型大概為400mil x 400mil，中間兩個為信號過孔，孔間距為40mil，此時兩個信號孔周圍沒有g(shù)nd過孔，我們來看一下此時兩個過孔的近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_是多少。
首先看一下，當(dāng)參考層完整時的信號S參數(shù)和信號波形：
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容性反射和感性反射
反射是因為阻抗突變，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計中，需要注意阻抗突變的情況有很多，比如封裝引線、信號轉(zhuǎn)換層的過孔、焊盤、樁線、分支結(jié)構(gòu)、返回路徑的跨分割等等。阻抗突變分為容性突變和感性突變，容性突變和感性突變對應(yīng)于容性反射和感性反射。
容性反射
實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計中，常見的容性反射發(fā)生于信號鏈路的過孔和焊盤。為了直觀體現(xiàn)容性反射的容性特征，搭建相關(guān)的電路，如下圖：
仿真得出電容的電壓電流曲線：
仿真的結(jié)果說明，電容上電壓不會突變，電壓曲線是緩慢上升的。也就是說，電容的充放電是需要時間的，很多資料會給出電容充放電電壓和電流的相關(guān)公式：
由仿真結(jié)果和公式可以看出，充電曲線是呈指數(shù)增長的，放電曲線是呈指數(shù)衰減的。經(jīng)過5個時間常數(shù)的時間間隔后，充電電壓向上增長到終值的99%（可認(rèn)為100%），同理也可以推出，放電電流向下衰減，可衰減99%（可認(rèn)為100%），至初值的1%（可認(rèn)為0%）……
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影響串?dāng)_的因素
線間距
近端串?dāng)_，線間距越大，不管是表層走線還是內(nèi)層走線，串?dāng)_越小。
遠(yuǎn)端串?dāng)_，線間距越大，串?dāng)_越小。
在實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計中，相對于串行信號，DDR并行信號是需要更多關(guān)注線間距影響串?dāng)_……
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一三層走線就沒有串?dāng)_么
我們用如下結(jié)構(gòu)仿真說明；
我們用如下模型來驗證一下：
模型為400mil x 200mil，4層結(jié)構(gòu)，傳輸線分別為第一層和第三層，理想情況下第一層和第三層有中間的GND隔開，串?dāng)_幾乎沒有：
而PCB上有時候GND層并不是理想狀態(tài)下完整的平面，如下圖，我們用這個結(jié)構(gòu)來驗證一下此時一三層的串?dāng)_是多少；
此時，我們可以掃描第二層GND層的溝槽距離傳輸線的水平距離，來看一下串?dāng)_的大小；
串?dāng)_S參數(shù)如下……
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近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_的大小
前面說了近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_的耦合電流和方向，那么近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_到底有多大，或者是一個什么樣的量級，這部分就從公式和仿真對比開始。
根據(jù)前文仿真得出的互容互感相互情況，下表列出3W的的仿真數(shù)據(jù)：
容性耦合（3W）
感性耦合（3W）
近端串?dāng)_的大小
根據(jù)前文仿真的相關(guān)數(shù)據(jù)和近端串?dāng)_系數(shù)公式，如下圖：
以此計算得出近端串?dāng)_系數(shù)3W為2% 。根據(jù)前文 容性耦合和感性耦合 仿真得出的互容和互感數(shù)據(jù)，計算得出2W的線間距為4.8%，4W的線間距為1.1%。
為了便于和仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，將輸入電壓調(diào)成1V，便于后面的計算和比較。
仿真得出的曲線和數(shù)據(jù)如下：
……
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信號跨分割的影響
在數(shù)字信號設(shè)計中，信號通常參考完整的地平面，而如果不得已參考平面出現(xiàn)了溝槽，即通常我們說的跨分割，此時信號質(zhì)量會出現(xiàn)什么樣的影響呢？
我們用如下模型來驗證一下：
信號線為表層微帶線，第二層、第三層都是GND，第二層有跨分割溝槽。
首先看一下，當(dāng)參考層完整時的信號S參數(shù)和信號波形：
可以看到信號是非常好的；
下面看一下，信號跨分割時的S參數(shù)和信號質(zhì)量：
可以看到S參數(shù)當(dāng)中存在很大的諧振，同時波形中也存在較大的波動……
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SIPI信號電源完整性之ADS中Vprbs電壓源的高級用法
導(dǎo)讀：在當(dāng)今電子行業(yè)中信號仿真作為信號完整性、電源完整性的重要手段之一，正在被越來越多的企業(yè)和工程師所重視，而ADS在眾多仿真軟件中的作用無疑是舉足輕重的；今天就來介紹一下ADS中時域仿真組件中的Vprbs電壓源的用法；相信大家對于ADS的瞬態(tài)仿真控件并不陌生，這里舉個例子，一筆帶過；
如下波形就是通過時域瞬態(tài)仿真控件得到的波形：
值得說明一下波形是通過時間點(diǎn)、電壓值的形式給出的，這就涉及到仿真的起始和結(jié)束時間，而波形仿真的準(zhǔn)確度，這仿真的時間步長有關(guān)；
下面看一下同樣速率的波形的邊沿如果變緩的話，波形如下：
由此可以看出，波形邊沿對信號質(zhì)量的影響；
PRBS電壓源的用法
上邊對瞬態(tài)仿真控件就簡單介紹到這里，下面來看一下PRBS電壓源的用法；
PRBS碼是Pseudo random binary sequence的縮寫，即偽隨機(jī)碼，由移位寄存器和異或運(yùn)算組成，進(jìn)行異或運(yùn)算的寄存器稱為taps，寄存器的初始值稱為seed，PRBS并不是真正的隨機(jī)碼，而是有一定的規(guī)律可言的，他的重復(fù)bit數(shù)為2的n次方-1，例如PRBS7的碼型長度為2的7次方-1=127個……
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