SPARQ系列述評之二 ――信號完整性問題與S參數(shù)的關系

摘要：隨著半導體工藝的不斷發(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隨處可見。面對高速設計的新領域，硬件設計工程師們需要改 變傳統(tǒng)的設計理念，他們需要以更加超前的思維去思考自己將要設計的信號的質量，或許在制定產品設計方案的時候就需要進行調研;需要在設計過程的每一個環(huán)節(jié) 去思考信號質量問題，如方案設計環(huán)節(jié)，原理圖設計環(huán)節(jié)，PCB設計環(huán)節(jié)，測試驗證環(huán)節(jié)等等;需要考慮到系統(tǒng)中的每一個構成成分可能給信號質量帶來的影響， 如過孔，電容，電感，阻抗，接插件等等;所有高速設計相關的問題也常被統(tǒng)稱為信號完整性(即SI，Signal Integrity)問題，SI是當前硬件設計工程師們的一個最熱門的話題之一。和SI相關的兩個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，進行初步的信號質量的預測，信號完整性仿真中一個最為重要的模型是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域的信號完整性網絡分析儀SPARQ等進行測試驗證。S參數(shù)模型貫穿于整個信號完整性分析過程，它是一切信號完整性問題的心臟。

關鍵詞： 信號完整性 仿真 S參數(shù) 建立時間 保持時間

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，實際情況是信號經過一個非理想的傳輸通道后會發(fā)生各 種各樣的信號完整性問題。從信號質量角度考慮，主要有過沖、下沖、振鈴、反射等，信號質量問題會導致接收端芯片錯誤的判別接收到的信號的邏輯特性，如將0 電平誤認為是1電平，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤，另外一方面是時序問題，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)和時鐘之間的時序關系，如接收端的時鐘信號和數(shù)據(jù)信號不滿足建立時間和 保持時間。

概括來說，信號完整性問題主要表現(xiàn)為兩個方面，一是信號質量問題;二是時序問題(主要是建立時間和保持時間)。

1、信號質量問題

2、時序問題

建立時間是指在時鐘沿到來之前的一段時間內數(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)，時鐘沿和數(shù)據(jù)開始有效之間的這段時間即為建立時間值;保持時間是指在時鐘沿之后數(shù)據(jù)還必須保持一段有效狀態(tài)的時間，時鐘沿和數(shù)據(jù)開始失效之間的時間即為保持時間值。

當前高性能示波器中都集成有建立時間和保持時間的專用測量參數(shù)，如下圖所示的Lecroy示波器中的建立時間和保持時間測量示例。

二、如何解決信號完整性問題

當前信號完整性工程師面對信號完整性問題主要有兩個方法，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證系統(tǒng)最終的信號完整性性能，二是驗證仿真結果的準確性。

信號完整性仿真是在系統(tǒng)做成實物之前對整個系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)中各個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，在完成實物以后，再使用測試方法進行S參數(shù)的測試驗證以及系統(tǒng)整體性能的驗證，如測試高速信號的眼圖、抖動等。

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鏈路的通道，而整個鏈路的通道響應特性可以由S參數(shù)來衡量。S參數(shù)可以反應通 道中各個組成成分的特性，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果的正確性和可信性。因此，在系統(tǒng)完成后對S參數(shù)進行測試驗 證是非常有必要的。

三、S參數(shù)可反應出所有的信號完整性問題

下圖7所示為一個二端口S參數(shù)中的S11和S21的基本圖示，藍色的表示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表示信號經過通道后的反射情況，S21表示信號經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(S11曲線越接近0dB),損耗越大(S21曲線下降的越大)。反射越強表明系統(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(時域反射計)或者VNA(矢量網絡分析儀)來測量，但這兩者都比較昂貴。尤其是VNA，因為其主要用于微波領域，包含有很多具有微波特性的功能，因此價格往往比較貴，且功能復雜，操作校準都需要一定的專業(yè)知識才不容易出錯，而信號完整性領域的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域的S參數(shù)測量的儀器，叫SPARQ，即信號完整性網絡分析儀，用一句話概括即：SPARQ是一鍵操作式40GHz,4端口信號完整性網絡分析儀，是信號完整性工程師以經濟型投入并能夠快速、方便、準確的測量出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。