S參數(shù)的應(yīng)用

edadoc · 發(fā)表于 2017-11-17 18:11:38

作者：一博科技

S參數(shù)的全稱為Scatter 參數(shù)，即散射參數(shù)。S參數(shù)描述了傳輸通道的頻域特性，在進(jìn)行串行鏈路SI分析的時候，獲得通道的準(zhǔn)確S參數(shù)是一個很重要的環(huán)節(jié)，通過S參數(shù)，我們能看到傳輸通道的幾乎全部特性。信號完整性關(guān)注的大部分問題，例如信號的反射，串?dāng)_，損耗，都可以從S參數(shù)中找到有用的信息。網(wǎng)上有很多介紹S參數(shù)基本概念的資料，我在這里就不多浪費(fèi)筆墨了，這篇文章我只是從實(shí)際應(yīng)用的角度來討論下S參數(shù)。

問題1：怎樣從S參數(shù)中看出通道的阻抗匹配程度？

這里的匹配指的是端口阻抗與傳輸線阻抗之間的匹配，因?yàn)槌Ｒ?guī)單根線的阻抗一般控50ohm，差分線的阻抗控制為100ohm，所以我們在提取通道S參數(shù)的時候，習(xí)慣將端口阻抗設(shè)置為單根50ohm，差分100ohm。

由S參數(shù)的定義，回波損耗S11或者S22表示能量的反射情況，下面我們來看看，當(dāng)端口阻抗被定義為50ohm，傳輸線阻抗變化時，回波損耗的變化。如下圖：

由上圖我們可以看出，傳輸線阻抗與端口阻抗越接近，回波損耗越小，當(dāng)傳輸線阻抗完全等于端口阻抗的時候，幾乎沒有能量反射。以上僅僅是理想的傳輸線，通常的傳輸鏈路中會包含過孔，連接器等阻抗不連續(xù)的因素，這些阻抗不連續(xù)程度都會反映在S參數(shù)的回?fù)p曲線中。

問題2：S參數(shù)中的插入損耗怎么理解？

S參數(shù)是頻域參數(shù)，在插損曲線中，橫坐標(biāo)表示的是正弦波的頻率，縱坐標(biāo)表示的是正弦波穿過通道后的電壓幅值與發(fā)送端電壓幅值的比值并取對數(shù)。

如上圖所示，這條插損曲線是普通FR4板材下，10inch傳輸線的插損曲線。可以看出在5G的時候，接收與輸入的比值為-8.35dB，10G的時候是-15.455dB，換算成幅度，分別是0.382和0.167，也就是說如果輸入端正弦波的幅值為1V，則接收端5G正弦波的幅值為382mV，10G正弦波的幅值為167mV，我們來驗(yàn)證下，5GHz正弦波的輸入與輸出波形對比如下：

10GHz的正弦波輸入與輸出的波形對比如下：

感興趣的朋友們可以根據(jù)上圖中的數(shù)據(jù)自己計(jì)算下，實(shí)際仿真出的正弦波幅度與插損曲線中對應(yīng)頻率下的幅度基本是一致的，有一點(diǎn)點(diǎn)誤差，原因是通道阻抗沒有做到完全匹配。

我們可以看到，隨著頻率的提高，正弦信號的幅值損失越來越嚴(yán)重。但是我們通常關(guān)注的是數(shù)字信號，那么可以直接從插損曲線中看出數(shù)字信號幅度的損失嗎？當(dāng)然是不可以的。前面的文章也多次提到了通道對數(shù)字信號的影響主要是使波形的上升沿變緩，注意這里是上升沿變緩！并不是像正弦波一樣，直接表現(xiàn)出幅值的損失。而且常規(guī)的數(shù)字信號也不會像正弦波信號那樣整齊，所以通道對數(shù)字信號的影響要比對正弦信號的影響復(fù)雜得多，后期的文章會和大家一起討論這方面的問題。