Microsoft PowerPoint - PPT-NMA-855スラスラ読めるSパラメータ pptx

(1)

 Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011 www.beTheSignal.com

スラスラ読める

S

パラメータ

ブラック・ボックス･モデルであるSパラメータ

の中に埋め込まれた情報を引き出す

Dr. Eric Bogatin, Signal Integrity

Evangelist, Bogatin Enterprises a LeCroy

Company

www.beTheSignal.com

Fall 2011

Bogatin Enterprises and

LeCroy Corp

No Myths Allowed Webinar

始める前に:

Slide -2 Data Mining S-Parameters

概要

• Sパラメータは、”ブラックボックス”のビヘイビア・モデル

• 原因探査: 強力な方法論

• ４つの一般的なパターンとそれらの想定される根本原因

• ポップクイズ

(2)

詳しい情報は

Web

へ

WWW.BeTheSignal.com

 最新のドキュメント



My Blog：今月学んだこと

 セミナースケジュール

ボストン: 9月 28日-29日

ハイデラバード: 10月 10日-11日

バンガロール: 10月 13日-14日

シンガポール: 10月 18日

ペナン: 10月 20日

シャー・アラム: 10月 21日

サンノゼ: 11月 8日-10日

Prentice Hallから発刊, 2009

全てのボガティン博士のセミナーで

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（シミュレーション・ソフトと演習が提供されます。）

• Quite Universal

Circuit Simulator

(QUCS)

 回路シミュレータ：過渡応答、周波数軸解析、Sパラメータ

• テレダイン・レクロ

イの

SI Studio

 パラメータ・ビューワー  チャンネルのSパラメータを用いたアイパターンのシミュレーション  シリアル・データ解析

(3)

ウェビナーにご参加頂いた方へ

の特典

• ボストンまたはサンノゼで行われるボガティン・セ

ミナーの受講料を10% 割引:



SPSI, 2011 年9月 28日、ボストン

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DPD, 2011 年9月 29日、ボストン

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EPSI, 2011 年11月 8日-9日、サンノゼ

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SPSI, 2011 年11月 10日、サンノゼ

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でオンライン予約を行うとき

に、割引きコードNMA1109A を適用

現実世界では：

インタコネクトは完全な伝送線路ではない

ドライバパッケージ基板バックプレーン基板パッケージレシーバ

TX

RX

1. S

パラメータを使ってインターコネクトと振る舞いを説明します。

2. S

パラメータからいくつかの「何故？」に答えることができます。

(4)

“高精度”のリファレンス信号が DUTでどのように散乱

するかを見て、インターコネクトの特性評価を行う

S11

S21

入力波

伝送波

TDR

TDT

t

時間軸 t 周波数軸

ｆ

パラメータ= ポートからの出力波ポートへの入力波 Slide -8 Data Mining S-Parameters

S

パラメータとは

?

• (各周波数における)散乱応答の集まり :

 反射サイン波

 伝達サイン波

• 独自のフォーマットで保存: タッチストーンファイル



.s1p: 1ポートデバイスの散乱データ



.s2p: 2ポートデバイスの散乱データ



…

周波数の単位はMHz SパラメータはdBと度で表示リファレンス・インピーダンスは 50 Ω

強度と位相

または

実部と虚部

S

11

=

ポート1から出力されるサイン波

ポート1に入力するサイン波

S

12

=

ポート2から出力されるサイン波

ポート1に入力するサイン波

(5)

S

パラメータ・ビヘイビア・

”

ブラックボックス

”

モデルを使ったシステム・シミュレーション

123456789 0 10 -30 -20 -10 -40 0 freq, GHz D iff erent ia l R es pons e 5 Gbps @ RX U1 CMOS,3.3V,FAST 2 1 V1 TOP BO... TL1 83.5 ohms 447.547 ps 3.000 in Stackup TL2 83.5 ohms 447.547 ps 3.000 in Stackup J2 m1_1234.s4p Port1 Port2 Port3 Port4 J3 m1_1234.s4p Port1 Port2 Port3 Port4 U2 CMOS,3.3V,FAST 2 1 TL3 83.5 ohms 447.547 ps 3.000 in Coupled Stackup TL4 83.5 ohms 447.547 ps 3.000 in Stackup TL5 83.5 ohms 447.547 ps 3.000 in Stackup TL6 83.5 ohms 447.547 ps 3.000 in Stackup J4 m1_1234.s4p Port1 Port2 Port3 Port4 123456789 0 10 -30 -20 -10 -40 0 freq, GHz D iff er en tia l Re sp on se , dB 123456789 0 10 -30 -20 -10 -40 0 freq, GHz D iff er en tia l Re sp on se , dB

Sパラメータのポール・ゼロ・モデルを用いて、Sパラ

メータ・ビヘイビア・モデルをSPICE準拠のデモルに

適用

“broad band SPICE”: Simbeor, HyperLynx, ADS,

Sigrity, SiSoft …などのSPICEベースのシミュレーシ

ョン・ソフトでも使用可能

ブラックボックスを開ける

(6)

根本原因の特定こそ

問題解決の近道

根本原因の特定を間違え

ば、問題の解決は運にま

かせるしかなくなる。

スタン、ほんとうにこれで大丈夫かい？とんがった頭と長い嘴があるから奴らが飛べるっていうのはおかしいと思うんだ。 Slide -12 Data Mining S-Parameters

周波数軸か時間軸かの片側だけを考えずに

周波数軸と時間軸を同時に考える

シングルエンドSパラメータ 差動Sパラメータ 差動Tパラメータ シングルエンドTparame-ta

周波数軸

時間軸

回路シミュレーション

電磁界シミュレーション

計測

(7)

2 ポートの

S

パラメータ

• S11: リターン・ロス  反射特性  インターコネクト全体の50Ωからのインピーダンスミスマッチ  減衰は大きくない • S21: 挿入損失（インサーション・ロス）  伝送特性  インターコネクト全体のインピーダンス・ミスマッチ  大きな減衰

DUT

Magnitude/ phase detector

Z

₀

=50

50

Z

₀

=50

V

SOURCE Magnitude/ phase detector

理想的なインターコネクト

: S11:

大きな負の

dB

値

S21:

小さな負の

dB

値

シングル・エンドSパラメータでも差動Sパラメータでも同じように適用

S11

と

S21

の重要な

4 つのパターン

• S11におけるリップル、時にはS21にもリップル:反射

• S21の単調な減衰: 損失

• 幅広い落ち込み: ¼ 波長スタブの共振

(8)

反射によってリターン・ロスと挿入

損失でリップルを生じるメカニズム

• Len<<1/4の場合

 入口と出口で起きる反射波は、180

度位相が反転している

 合成された反射ははゼロ、全ての伝

送波は同位相で足し合わされる。

S11は非常に大きな負のdB値, S21は

ほとんど

0 db

Z0<50

50

Len << 1/4の場合 1/2

S21が最大

S11が最小

0 0 0 0 0

低い周波数では、インタ

ーコネクトは、のふるまい

は、理想的

S21

S11

長さが

1/4λ

の場合：

S11

が最高値、

S21

が最低値

• Len = (½ x n + ¼ ) の場合



S11が最大、S21が最小

Z0<50

50

Len << 1/4の場合 1/2

S21が最大

S11が最小

0 0 0 0 0 Len =1/4の場合 1/2

S11が最大

0 ¼+0 ½+0 1/4 1/2 3/4

S21

S11

S21が最小

(9)

Z0≠50

の時、多重反射がリップル

の原因となる

• Len = n x ½ の場合

 入り口と出口の反射波は相殺される  反射波は最小  伝送波は、全て同相、S21が最大

• 周波数が増加すると、挿入損失、リター

ン･ロスが増加

 反射の間隔が長くなると、周波数軸でのリップルの間隔が短くなる  インピーダンスの不整合gあ大きくなると、リップルの振幅が大きくなる。 Z0<50

50

Len << 1/4の場合 1/2

S21が最大

S11が最小

0 0 0 0 0 Len =1/4の場合 1/2

S11が最大

¼+0 ½+0 1/4 1/2 3/4

S21

S11

Len =1/2の場合 1/2

S11が最小

½+0 1+0 1 1/2

S21が最小

S21が最大

11/2 Slide -18 Data Mining S-Parameters

減衰と挿入損失

実際の挿入損失では

、振幅は距離とともに指数

関数的に減少する。

S21=

V

out

V

_in

V

_out

(d)=V

_in

e

- d

_=V

in

10

- d

終端のインピーダンス整合がとれていて、伝送線には何もカップリングされてい

ない場合には、

S21

は、減衰を示す。

nepers/len dB/len20

S21[in db]=20 x log =-[dB/in] x d = attenuation

V

out

(10)

50 Ω

の伝送線の

推定される単位長あたりの減衰

粗い推定だけで設計を

終えてはならない。

単純な推定は測定さ

れた振る舞いにだい

たい合致する。

dB/inch

w = 線幅 (mils）

f in （GHz）

Dk = 誘電率

Df = 誘電正接

二つの伝送ライン

で計測された減衰

w = 5 mils

Dk = 4

Df = 0.02

atten

Len

= f + 2.3 x f x Df x Dk

_W

1

attenLen-GHz ͠ -(2.3 x f x Df x Dk )͠ 0.1 dB/inch/GHz

The ¼ Wave Stub Resonance

2 x TD = ½ cycleの場合、受信信号は最小になる

TD = ¼ cycleの場合、4分の1波長共振になる。

例: Len = 0.5インチの場合、fres = 3 GHz

TD, Len

stub

_{2 x TD}

TD=

Len

6

in nsec

TD=

1 1

4 f

_res

f

res

= =

1 1

4 TD

1.5 Len

ここで、fはGHz、 Lenはインチ

(11)

¼ Wave Resonance in the

Frequency Domain

Len

stub

f

_res

=

1 1

4 TD

=

1.5 _Len

スタブ長が

0.5インチの場合

f

res

= 3 GHz

共振したエネルギーはど

こで消費されるのか

もしもナイキスト周波数が

3 GHzならば、

ビットレートが6 Gbpsの信号はアイが開かない

¼

インチ(6.35mm)厚のバックプレーンで計測した

ビア・スタブ有りとなしの挿入損失の比較

7.5GHz

fres= = 1.5 1.5 Len 0.20 0.2インチのビア・スタブ ビア・スタブのないチャネル

(12)

高い

Q

の共振とのカップリング

• 考えられる高いQの共振

 浮いている金属（銅箔）

 各層に空いた穴

4 層基板におけるビアと

キャビティのカップリング

リターン・ビアなしのS21 3.25インチ 1.187インチ 0.8インチ 0.8インチ

層の共振は以下のように推定される

Len = 3.25 インチ

f

_res

= 0.92 GHz

Len = 1.187 インチ

f

res

= 2.5 GHz

Len = 0.8 インチ

f

res

= 3.75 GHz

(13)

S11

と

S21

の重要な

4 つのパターン

• S11におけるリップル、時にはS21にもリップル:反射

• S21の単調な減衰: 損失

• 幅広い落ち込み: ¼ 波長スタブの共振

• 幅の狭い落ち込み (高Q), 共振体とのカップリング

大きな損失の原因は

?

下(青)のラインは上(赤)のラインよりも大きなSDD21を示している。大きな減衰の原因は？ -表面粗さによる導通損? - 低品質の銅メッキ？ - 大きな誘電損？ - ??? 20GHzまで同じ計測を実施 2本の差動ペアのSDD21を10GHzまで計測大きなディップの原因は? - モード変換? - スタブの共振 - 他の導体との共振結合? -ブロッホ波とガラス繊維の織り? - 誘電吸収共振? Dip at 14 GHz

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S11

S21

入力波

伝送波

TDR

TDT

t

ｆ

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