作者:一博科技
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上篇文章我们介绍了S参数的基本应用,了解了插损与回损的概念,但是S参数中所包含的通道信息远远不止这么多,我们可以通过S参数来评估通道的串扰情况,还可以粗略计算通道的传输延时,查看通道的阻抗一致性等等,这篇文章我们还是通过解答问题的形式来继续聊聊S参数在SI仿真中的应用。# f) n A( d3 _/ s1 T
; G. @2 M6 g/ z/ N& ^ O4 |1、怎样从S参数中看出通道的串扰情况? 串扰指的是相邻信号线之间的电磁干扰,如下图所示的两个相邻信号通道,信号线之间的电磁能量会存在相互耦合的情况。
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图1 # g8 n9 J$ m* D8 p9 i
4 w E) j0 H. S) m& q
, N& S3 ^6 N# j. h& ~8 G7 r如上图所示,当port1与port2之间通信时,port3与port4端口处也会有电流产生,我们称耦合到port3处的能量为近端串扰(S31),耦合到port4处的能量为远端串扰(S41)。我们来做一个实验,如上图所示通道,使用仿真软件提取传输通道的S参数,改变两根传输线之间的耦合距离,S分别为1H,2H和3H(H表示的是信号到参考层之间的距离)。得到的近端串扰S13曲线如下:
M: v$ m4 O" ~2 |: j; ~3 P' Z( w K7 P% F9 l$ ~2 `
图2 : L/ g3 Y- V+ d
9 ^" R4 a. i. @ " H+ c) h7 e4 _+ @5 Q% c
上图中,红色,蓝色,紫色分别代表两根线间距为1H,2H和3H时的近端串扰。这种串扰是用dB的形式表示的,我们将dB换算成百分比,如下:" ~. ~' v. `+ U! R1 H$ G3 k+ O/ t
. s( U5 [0 }5 c, z/ Y可以看到,随着间距的拉开,串扰逐渐变弱,当线间距达到3H的时候,串扰能量是很弱的,如果驱动端电压是1V的话,那么近端串扰感受到的电压幅值只有36mV。我们也可以在时域里面验证下,图1所示通道,在port1处引入一个幅值为1V的5GHz正弦波,改变两线之间的间距,在port3处得到的波形对比如下,其中红色正弦曲线为输入波形) t( X7 a# l% Y9 G
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图3
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E3 u+ [9 p% X( D可以看到,我们采用时域分析的方法得到的信号串扰幅值和频域提取的S参数得到的dB值是非常接近的。所以,只要得到了传输通道的S参数,我们就很容易看出通道的串扰情况。 2、怎样通过S参数得到通道的传输延时? 我们知道,S参数中除了包含通道的损耗信息外,还包含相位信息,下图为传输时延为1nS的单根传输线(2端口)的S12相位波形。- I0 o/ n1 j+ Q& u+ f3 ]
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图4
- T' l& U+ G" ~5 f$ i% P" R. r
* T0 p! n. Y- I( i5 @6 g 如上图所示,通道的相位曲线是一系列的锯齿波,并且呈周期性变化(并不是严格的周期性变化)。要想理解其中的含义,我们首先需要理解相位差的概念。如下图:
! m/ R7 ?$ l. | H9 \4 C' u/ a
3 `+ n0 s1 F( P& P图5
8 y6 n5 }0 ?: g" W6 W 当端口1的正弦波到达端口2时,由于互连结构的延时,两个正弦波之间会存在一个相位差。对于同一个传输通道,不同频率的正弦波对应的相位差不同,如下图,分别为0.25G,0.5G,1G正弦波对应的相位差
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8 U" p- Y8 B3 i; H: N图6 : M Q f* ]/ A- x- A
同样的通道,该通道的相位曲线如下图所示:9 I! W( w: [3 X, F! [$ \
" r. W, P6 | m8 B9 q; F9 A
图7 % t. g3 n; t8 Y& E, ^5 ~ Z0 F
可见,S参数中的相位,与我们直接使用正弦波仿真得到的结果是一样的。当我们理解了相位曲线的含义后,就不难通过相位偏移来计算传输通道的延时了。一般使用以下公式来计算通道延时:
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8 L& ` O+ j" a2 s; G5 N/ G8 ~对于这个通道,我们代入公式,有:& A+ {0 d; S% k) i& ]$ y6 _
6 b2 J: }8 h4 W% c$ T+ Y$ V这样,我们就通过S参数的相位信息计算出了通道的延时。 ! |- ?8 A) e) {! s! ~" h) J
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