高速无源电路的精确表征

1、高速无源链路的精确表征2017/05/18目录Page高速数字器件测量的高速无源链路的信号完整性非同轴端口的校准方法更高的测量带宽的需求信号上升时间更快遇到过孔的反射幅度更大需要频域的S参数测量需要用微波传输线理论进行分析Page背板是非常重要的一环多采用差分传输线高速数字链路多采用差分传输线低电压，抗EMI和噪声能力强，有一个虚拟的地Page高速数字规范中的物理层测试要求时域测试连接器阻抗、电缆阻抗ra-pair skew频域测试air skew既要时域TDR测试，也需要频域S参数测试损耗回波损耗NEXTFEXT眼图测试Page示例：1.4 Category 1Page物理层测试系统（PLT

2、S）方便的校准和测量向导强大的数据显示和分析功能多端口器件的校准、测量和数据分析高级校准功能，包含自动夹具移除（AFR）、TRL校准件设计和验证向导、Differential Crosstalk 校准和测量向导信号完整性领域的行业标准PagePLTS选件和主要功能所有选件选件包含功能1XP 基本分析功能，提供主界面和4端口数据分析频域、时域、眼图显示（单端、差分）Marker游标功能四端口数据处理（Gating、去嵌入、端口延伸、端口阻抗变换） Limit Line / Eye mask测试公式编辑器（可导入）文件导入导出数据模板功能1XP, 3XP,5XP, 7XP测试(html、word、

3、pdf)3XP 校准测量功能校准测量向导探针校准功能显示校准原数据、误差项Refresh Cal （快速重校准）X = F，绑定电脑的MAC地址 X = N, 使用license serverX = T, 绑定USB狗5XP 高级校准功能TRL校准件设计验证向导自动夹具移除（AFR）差分TRL校准向导7XP 多端口功能多端口数据显示分析构建多端口数据多端口去嵌入用4端口VNA测量多端口DUT以是为本 以德致远 专注测量75载Page多端口测试方案的种类端口扩展座特点端口扩展座框图每个端口都有定向耦合器只有源和在切换全N x N 端口校准更好的稳定性和性能动态范围仍然会受到开关影响e.g. PN

4、A+U304x/U302x矢量网络分析仪多端口测试技术以是为本 以德致远 专注测量75载Page 10Keysight M937xA PXIe VNA小巧灵活单槽的2端口VNA特点在一个PXI插槽内的完整2端口网络分析仪300 kHz 至 26.5 GHz与PNA/ENA同样可靠的测试技术单机箱可用16个VNA模块实现32端口的全端口测量32端口配置矢量网络分析仪多端口测试技术Page 11多端口测试方案的种类真正的多端口方案（PXI VNA）特点信号同步激励，多量分析网络分析仪内的多真正多端口方案测试框图同步测可实现SynchronizedSynchronizedSourceSourourc

5、e同时并量不会像开关方案那样降低系统动态范围性能R1AR2BR1R2R1AR2BABPort 2Port 1Port 3Port 4Port 5Port 6Module #3Module #1Module #2矢量网络分析仪多端口测试技术Page 12目录Page高速数字器件测量的高速无源链路的信号完整性非同轴端口的校准方法S参数的定义以及其它网络参数DUTIncidentTransmittedRBS 2 1响应S11Reflected激励Ratioed ReflectionRatioed TransmisGroupDelayReturn LossImpedance, Admittance R

6、+jX, G+jBSWRS-Parameters S11, S22Gain/LossInsertion PhaseS-ParametersReflection Coefficient, rS, STransmis2112CoefficientPageTransmitted =BIncidentR Reflected = A IncidentRA信号完整性可以用S参数来描述R1=R2=Z0阻抗匹配ViViZ0Z0R1R2S11低反射S21高传输R1,R2Z0ViVt阻抗失配Z0Z0R1R2S11高反射S21低传输VrPage信号完整性差信号完整性好背板特性的表征 S参数行业测试规范的要求PCI-

7、ExpressDifferentialReturn LossDifferential Insertion LossCrosstalkSDD21Serial-ATA II是德 技国公以是为本 以德致远 专注测量75载Page单端S参数和TDR/TDTPort 1Port 3Port 2Port 4Four-port single-ended deviceReturn Loss or TDR Insertion Loss or TDTNear End Crosstalk (NEXTFar End Crosstalk (FEXT频域参数时域参数FFT or IFFTPage单端和混合模S参数Sing

8、le-endedBalancedBalancedBalancedPort 1Port 3Port 2Port 4port 1port 2SDD11 SDD21SDD12 SDD22SDC11 SDC21SDC12SDC22S11 S21 S31S41S12 S22 S32S42S13 S23 S33S43S14 S24 S34S44Port 2SSSSCD11CD12CC11CC12SSSSCD22CC22CD21CC21Naming Convention:Smode res., mode stim., port res., port stim.Page ResponseCommon- Mod

9、e ResponseDifferential- Mode ResponsePort 1Port 2Port 1StimulusCommon-ModeStimulusPort 1Port 2Differential-Mode StimulusPort 1Port 2传输线特性阻抗:ZoZo 决定信号电压与电流的关系Zo 与传输线物理尺寸及 r1.5有关阻抗为77 ohms时，损耗最小1.4Zo 为常数 e.g. 50 or 75 )系统1.31.250 ohm standard1.11.00.90.8阻抗为 30 ohms时，功率容量最大10203040506070 80 90

10、 100传输线特性阻抗 ()Pagenormalized values频域响应和时域响应VNAFrequency responseSine wave spff00IFFTImpulse inputFFTIFFTImpulse responseFFTtt00egrationegrationDerivationDerivationTDR oscilloscopeStnputStep responset0t0PageDUTDUTDUT不同的阻抗产生不同的时域响应Page时域低通模式模拟传统TDR终止频率=起始频率* 测试点数提供冲击和阶跃两种相应正频率点的响应+推算直流响应+复频率点的响应正频率点的

11、共轭距离分辨率是带通模式的两倍Page目录Page高速数字器件测量的高速无源链路的信号完整性非同轴端口的校准方法物理层测量中的夹具问题IC封装背板USB 连接器物理层器件通常有非同轴的接头，需要测试夹具才能连接到测试仪器上测试夹具的电气特性不透明，有插损和失配，需要提取夹具特性并从DUT测量中去除自动端口延伸（ AutoPortExten概述）适用场合：夹具的相位响应线性，幅频响应基本平坦，例如PCB上的微带线只能补偿夹具的时延，插损，无法消除失配误差精度不高，但操作简单，只需要用到短路，开路标准件典型应用：差分器件测量，PCB上表贴器件测量工作原理步骤1：先在测试电缆的末端进行2端口校准，建

12、立校准参考面步骤2：在夹具的另一端连接短路，开路标准件，测量对应端口的反射系数，校准参考面利用曲线拟合算法得到夹具的插损，时延端口延伸g自动端口延伸（ AutoPortExten）测量实例 （只用开路件进行）“无” 时 测出的是连接头处的Sii“启用”，测出的是微带线处的Sii1423BalancedBalancedBalancedDUTOpensUnbalancedShortsUnbalancedUnbalancedPage无无无TRL校准（ Thru-Reflect-Line）概述Thru-Reflect-Line (TRL)校准 双端口校准技术，适合于非同轴环境测量(夹具，波导，片上晶圆

13、等)对非同轴环境测量具有最高的精度有不同的形式LRL,TRM, LRM等需要根据被测件设计TRL校准件ePagTRL校准件TRL校准的多种形式必须有7个已知条件建立7个方程来获得7项系统误差必须知道特性阻抗，同时必须有端口之间的连接PageTRL & LRL已知Thru或者Line的S参数4个条件反射标准件在端口1和端口2的反射系数相等1个条件已知Line的S11和S22 2个条件TRM&LRM已知Thru或者Line的S参数4个条件反射标准件在端口1和端口2的反射系数相等1个条件已知Match的S11和S22 2个条件TXYZ&LXYZ已知Thru或者Line的S参数4个条件已知反射件(XY

14、Z)在端口1或端口2的反射系数3个条件TXYX&LXYX已知Thru或者Line的S参数4个条件已知反射件(XY)在端口1的反射系数2个条件已知反射件(X)在端口2的反射系数1个条件LRRM已知Line的S参数4个条件反射标准件(RR)在端口1和端口2的反射系数相等1个条件已知Match在端口2的反射系数1个条件TRL 标准件的要求Thru直通标准件: S11,S12,S21,S22电气长度为0时，S21=0dB，匹配尽量好电气长度非0时，具体值必须知道，阻抗Line的阻抗；用作参考测量面时，位于直通的中间Reflect反射标准件: S11S22Snn反射系数的相位最好在正负90度以内，幅值接

15、近于1所有端口上的反射系数必须相同;用作参考测量面时，相位响应必须知道Line延迟线标准件: S11,S22延迟线的特性阻抗作为测量时候的参考阻抗，系统阻抗定义与延迟线系统阻抗一致延迟线和直通之间的相位差在20度至160度之间(或者-20度至-160度)，最优值一般取1/4波长当Fstop:Fstart8时，需使用1条以上的延长线，以便覆盖整个频率范围当频率太高时，1/4波长的延迟线物理尺寸较短，不易制作；此时最好选择非0长度的直通，利用延迟线和非0直通的差值，来增大延迟线的物理尺寸TRL标准件设计时候的考虑：如果是基于PCB设计TRL校准件，那么PCB上连接头的一致性要好，同时插损要低反射标

16、准件最好采用开路标准件，尽管存在边缘电容效应，但实现起来比短路件容易延迟线的相位跟相速，频率，有效介电常数有关设计时，最好多条延迟线频率范围有，以保证能够覆盖整个频率范围Page决定了延迟线的特性阻抗TRL 标准件的设计TRL校准件,频率范围:10MHz-20GHz，采用Rogers4350板材(Er=3.480.05)参考长度2cm,即夹具的长度长度即开路件物理长度负载标准件物理长度有效介电常数Line2的物理长度58.3mm，频率范围设的是从800M-4GHzLine1的物理长度131.4mm，频率范围设的是从160-800MLine3的物理长度43.7mm，频率范围设的是从4GHz-20GHzPage参考也是端口阻抗变换S X 1 S I S 1 X where x1 00 x200000 0 Z 1Z Zn X , xnn Zn 00 改变S参数测试的参考阻抗如用50 Ohm网络仪测量75 Ohm被测件，通过端口阻抗变换得到以75 Ohm为参考阻抗的S参数n 00 xn 1 000 0 Z Z , 2nn 0 nZ Znnn 00Page解决夹具问题的传统方法：TRL校准：制作复杂、需要经验、难以保证校准件的质量（接头一致性、PCB阻抗波动）Page新的方法：Automatic Fixture Removal基于简单的校准标准件（如直通或开路、短路件），使