如何分析PCB的阻抗和損耗
PCB的阻抗和損耗對(duì)于高速信號(hào)的傳輸至關(guān)重要，為了對(duì)這么復(fù)雜的傳輸通道進(jìn)行分析，我們可以通過(guò)傳輸通道沖擊響應(yīng)來(lái)研究其對(duì)信號(hào)的影響。
電路的沖擊響應(yīng)可以通過(guò)傳輸一個(gè)窄脈沖得到。理想的窄脈沖應(yīng)該是寬度無(wú)限窄、非常高幅度的一個(gè)窄脈沖，當(dāng)這個(gè)窄脈沖沿著傳輸線傳時(shí)，脈沖會(huì)被展寬，展寬后的形狀和線路的響應(yīng)有關(guān)。從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，我們可以把通道的沖擊響應(yīng)和輸入信號(hào)卷積得到經(jīng)通道傳輸以后信號(hào)的波形。沖擊響應(yīng)還可以通過(guò)通道的階躍響應(yīng)得到，由于階躍響應(yīng)的微分就是沖擊響應(yīng)，所以兩者是等價(jià)的。
看起來(lái)我們好像找到了解決問(wèn)題的方法，但是，在真實(shí)情況下，理想窄的脈沖或者無(wú)限陡的階躍信號(hào)是不存在的，不僅難以產(chǎn)生而且精度不好控制，所以在實(shí)際測(cè)試中更多地是使用正弦波進(jìn)行測(cè)試得到頻域響應(yīng)，并通過(guò)相應(yīng)的物理層測(cè)試系統(tǒng)軟件得到時(shí)域響應(yīng)。相比其它信號(hào)，正弦波更容易產(chǎn)生，同時(shí)其頻率和幅度精度更容易控制。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA（vector networkanalyzer）可以在高達(dá)幾十GHz的頻率范圍內(nèi)通過(guò)正弦波掃頻的方式精確測(cè)量傳輸通道對(duì)不同頻率的反射和傳輸特性，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)100dB以上，所以現(xiàn)代在進(jìn)行高速傳輸通道分析時(shí)主要會(huì)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀去進(jìn)行測(cè)量。
被測(cè)系統(tǒng)對(duì)于不同頻率正弦波的反射和傳輸特性可以用S參數(shù)（S-parameter）表示，S參數(shù)描述的是被測(cè)件對(duì)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(duì)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(yù)測(cè)真實(shí)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)這個(gè)傳輸通道后的影響，因?yàn)檎鎸?shí)的數(shù)字信號(hào)在頻域上看可以認(rèn)為是由很多不同頻率的正弦波組成的。
對(duì)于一個(gè)單端的傳輸線來(lái)說(shuō)，其包含4個(gè)S參數(shù)：S11、S22、S21、S12。S11和S22分別反映的是1端口和2端口對(duì)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(duì)于差分的傳輸線來(lái)說(shuō)，由于共有4個(gè)端口，所以其S參數(shù)更復(fù)雜一些，一共有16個(gè)。一般情況下會(huì)使用4端口甚至更多端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)差分傳輸線進(jìn)行測(cè)量以得到其S參數(shù)。
如果得到了被測(cè)差分線的16個(gè)S參數(shù)，這對(duì)差分線的很多重要特性就已經(jīng)得到了，比如說(shuō)SDD21參數(shù)就反映了差分線的插入損耗特性、SDD11參數(shù)就反映其回波損耗特性。
我們還可以進(jìn)一步通過(guò)對(duì)這些S參數(shù)做過(guò)反FFT變換得到更多信息。比如對(duì)SDD11參數(shù)變換得到時(shí)域的反射波形（TDR:Time DomainReflection），通過(guò)時(shí)域反射波形可以反映出被測(cè)傳輸線上的阻抗變化情況。我們還可以對(duì)傳輸線的SDD21結(jié)果做反FFT變換得到其沖擊響應(yīng)，從而預(yù)測(cè)出不同數(shù)據(jù)速率的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)這對(duì)差分線以后的波形或者眼圖。這對(duì)于數(shù)字設(shè)計(jì)工程師都是些非常有用的信息。
由此可見(jiàn)，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳輸通道進(jìn)行測(cè)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(nèi)得到非常精確的傳輸通道的特性；另一方面，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的時(shí)域變換，我們就可以分析出通道上的阻抗變化、對(duì)真實(shí)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懙?，從而幫助?shù)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(hào)出問(wèn)題時(shí)再去匆忙應(yīng)對(duì)。
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