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如何分析PCB的阻抗和損耗

來源:pcb 日期:2019-07-15 瀏覽量:
       PCB的阻抗和損耗對于高速信號的傳輸至關重要,為了對這么復雜的傳輸通道進行分析,我們可以通過傳輸通道沖擊響應來研究其對信號的影響。
 
  電路的沖擊響應可以通過傳輸一個窄脈沖得到。理想的窄脈沖應該是寬度無限窄、非常高幅度的一個窄脈沖,當這個窄脈沖沿著傳輸線傳時,脈沖會被展寬,展寬后的形狀和線路的響應有關。從數學上來說,我們可以把通道的沖擊響應和輸入信號卷積得到經通道傳輸以后信號的波形。沖擊響應還可以通過通道的階躍響應得到,由于階躍響應的微分就是沖擊響應,所以兩者是等價的。
 
  看起來我們好像找到了解決問題的方法,但是,在真實情況下,理想窄的脈沖或者無限陡的階躍信號是不存在的,不僅難以產生而且精度不好控制,所以在實際測試中更多地是使用正弦波進行測試得到頻域響應,并通過相應的物理層測試系統軟件得到時域響應。相比其它信號,正弦波更容易產生,同時其頻率和幅度精度更容易控制。矢量網絡分析儀VNA(vector networkanalyzer)可以在高達幾十GHz的頻率范圍內通過正弦波掃頻的方式精確測量傳輸通道對不同頻率的反射和傳輸特性,動態范圍達100dB以上,所以現代在進行高速傳輸通道分析時主要會用矢量網絡分析儀去進行測量。
 
  被測系統對于不同頻率正弦波的反射和傳輸特性可以用S參數(S-parameter)表示,S參數描述的是被測件對于不同頻率的正弦波的傳輸和反射的特性。如果我們能夠得到傳輸通道對于不同頻率的正弦波的反射和傳輸特性,理論上我們就可以預測真實的數字信號經過這個傳輸通道后的影響,因為真實的數字信號在頻域上看可以認為是由很多不同頻率的正弦波組成的。
 
  對于一個單端的傳輸線來說,其包含4個S參數:S11、S22、S21、S12。S11和S22分別反映的是1端口和2端口對于不同頻率正弦波的反射特性,S21反映的是從1端口到2端口的不同頻率正弦波的傳輸特性,S12反映的是從2端口到1端口的不同頻率正弦波的傳輸特性。對于差分的傳輸線來說,由于共有4個端口,所以其S參數更復雜一些,一共有16個。一般情況下會使用4端口甚至更多端口的矢量網絡分析儀對差分傳輸線進行測量以得到其S參數。
 
  如果得到了被測差分線的16個S參數,這對差分線的很多重要特性就已經得到了,比如說SDD21參數就反映了差分線的插入損耗特性、SDD11參數就反映其回波損耗特性。
 
 
  我們還可以進一步通過對這些S參數做過反FFT變換得到更多信息。比如對SDD11參數變換得到時域的反射波形(TDR:Time DomainReflection),通過時域反射波形可以反映出被測傳輸線上的阻抗變化情況。我們還可以對傳輸線的SDD21結果做反FFT變換得到其沖擊響應,從而預測出不同數據速率的數字信號經過這對差分線以后的波形或者眼圖。這對于數字設計工程師都是些非常有用的信息。
 
 
  由此可見,用矢量網絡分析儀(VNA)對數字信號的傳輸通道進行測量,一方面借鑒了射頻微波的分析手段,可以在幾十GHz的頻率范圍內得到非常精確的傳輸通道的特性;另一方面,通過對測量結果進行一些簡單的時域變換,我們就可以分析出通道上的阻抗變化、對真實信號傳輸的影響等,從而幫助數字工程師在前期階段就可以判斷出背板、電纜、連接器、PCB等的好壞,而不必等到最后信號出問題時再去匆忙應對。