スラスラ読めるsパラメータ - teledyne lecroy |...

Bogatin Enterprises, LLC, a LeCroy Company 2011

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Data Mining S-Parameters

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

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Fall 2011

Bogatin Enterprises andLeCroy CorpNo Myths Allowed Webinar

始める前に:


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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


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詳しい情報はWebへ

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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

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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


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全てのボガティン博士のセミナーで行う実習（シミュレーション・ソフトと演習が提供されます。）

• Quite UniversalCircuit 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


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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

DPD, 2011 年9月 29日、ボストン

EPSI, 2011 年11月 8日-9日、サンノゼ

SPSI, 2011 年11月 10日、サンノゼ

• www.beTheSignal.comでオンライン予約を行うときに、割引きコードNMA1109A を適用


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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

ドライバ基板パッケージ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。


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“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 TDTt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


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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MHzS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

S11=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

S12=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


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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

1 2 3 4 5 6 7 8 90 10

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

Diff

eren

tial R

espo

nse

5 Gbps @ RX

U1

CMOS,3.3V,FAST2

1

V1

TOP

BO...

TL1

83.5 ohms447.547 ps3.000 inStackupTL2

83.5 ohms447.547 ps3.000 inStackup

J2

m1_1234.s4p

Port1 Port2

Port3 Port4

J3

m1_1234.s4p

Port1 Port2

Port3 Port4

U2

CMOS,3.3V,FAST2

1

TL3

83.5 ohms447.547 ps3.000 inCoupled StackupTL4


TL5

83.5 ohms447.547 ps3.000 inStackupTL6


J4

m1_1234.s4p

Port1 Port2

Port3 Port4

1 2 3 4 5 6 7 8 90 10

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

Diff

ere

ntia

l Res

pons

e, d

B

1 2 3 4 5 6 7 8 90 10

-30

-20

-10

-40

0

freq, GHz

Diff

ere

ntia

l Res

pons

e, d

B

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


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ブラックボックスを開ける

どんな仕掛けが入っているのか?


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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。


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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


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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

Z0=50

50Z0=50

VSOURCE

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


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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


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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<505050

Len << 1/4の場合

1/2

S21が最大S11が最小

0

00

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


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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<505050

Len << 1/4の場合

1/2


0

00

0 0

Len =1/4の場合

1/2

S11が最大0

¼+0½+0

1/4

1/23/4

S21

S11

S21が最小


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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<505050

Len << 1/4の場合

1/2


0

0

0

0 0

Len =1/4の場合

1/2

S11が最大 ¼+0

½+0

1/4

1/23/4

S21

S11

Len =1/2の場合

1/2

S11が最小 ½+0

1+01

1/2

S21が最小

S21が最大

11/2


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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=Vout

Vin

Vout(d)=Vine- d =Vin10- 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/lendB/len

20

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

Vin


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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/inchw = 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 milsDk = 4Df = 0.02

attenLen= f + 2.3 x f x Df x Dk1W

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


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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, Lenstub 2 x TD

TD=Len6in

nsec

TD=1 14 fres

fres= =1 14 TD

1.5Len

ここで、fはGHz、 Lenはインチ


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¼ Wave Resonance in theFrequency Domain

Lenstub fres= 1 14 TD

=1.5Len

スタブ長が0.5インチの場合

fres = 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


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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


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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


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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 fres = 0.92 GHz Len = 1.187 インチ fres = 2.5 GHzLen = 0.8 インチ fres = 3.75 GHz

fres = = 12 GHz 3 GHzDk 2 x Len Len


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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


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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

Bob Haller, Enterasys様ご提供データ

どのSパラメータが答えを持っているか?


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モード変換の可能性?

SDD21 SDD11

SCD11

SCD21

モード変換の項目:SCD11, SCD21

SDD11 は反射エネルギーを示すSCD11 は反射モード変換を示すSCD21 は、伝送モード変換を示す


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まとめ

• Sパラメータの中身をしっかり見ることを習慣とする

「しっかり見れば、多くのことが見えてくる。」”, ヨギベラ

• 4つのパターンを探す

リップル

単調な減衰

幅広い落ち込み

幅の狭い落ち込み

• Sパラメータを深読みする際の「氷山の一角」でしかない。


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今後のセミナースケジュール

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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

• セミナーでは以下のツールを使って演習: Quite Universal Circuit

Simulator (QUCS) LeCroy’s SI Studio

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