SPARQ系列述评之二 ――信号完整性问题与S参数的关

摘要：随着半导体工艺的不断发展，数字信号的速率也愈来愈高，Gbps以上的高速信号已经随处可见。面对高速设计的新领域，硬件设计工程师们需要改 变传统的设计理念，他们需要以更加超前的思维去思考自己将要设计的信号的质量，或许在制定产品设计方案的时候就需要进行调研;需要在设计过程的每一个环节 去思考信号质量问题，如方案设计环节，原理图设计环节，PCB设计环节，测试验证环节等等;需要考虑到系统中的每一个构成成分可能给信号质量带来的影响， 如过孔，电容，电感，阻抗，接插件等等;所有高速设计相关的问题也常被统称为信号完整性(即SI，Signal Integrity)问题，SI是当前硬件设计工程师们的一个最热门的话题之一。和SI相关的两个最为重要的工作是信号完整性仿真和信号完整性测试。信号 完整性仿真是指使用仿真软件将芯片、信号传输链路的模型连接到一起，进行初步的信号质量的预测，信号完整性仿真中一个最为重要的模型是S参数模型，它常被 用来模拟传输线、过孔、接插件等的模型，在仿真之初S参数常常是通过电磁场仿真软件等仿真的方法获得，然后再用相应的测试仪器如TDR、VNA以及力科新推出的新型专用于信号完整性领域的信号完整性网络分析仪SPARQ等进行测试验证。S参数模型贯穿于整个信号完整性分析过程，它是一切信号完整性问题的心脏。

关键词： 信号完整性 仿真 S参数 建立时间 保持时间

一、信号完整性的基本概念

SI(Signal Integrity)是指传输系统在信号的传输过程中保持信号的时域和频域特性的能力。

在理想情况下，信号在传输过程中不应该发生任何的变化，但是真正理想的传输通道是不存在的，实际情况是信号经过一个非理想的传输通道后会发生各 种各样的信号完整性问题。从信号质量角度考虑，主要有过冲、下冲、振铃、反射等，信号质量问题会导致接收端芯片错误的判别接收到的信号的逻辑特性，如将0 电平误认为是1电平，从而出现数据传输错误，另外一方面是时序问题，主要表现为数据和时钟之间的时序关系，如接收端的时钟信号和数据信号不满足建立时间和 保持时间。

概括来说，信号完整性问题主要表现为两个方面，一是信号质量问题;二是时序问题(主要是建立时间和保持时间)。

1、信号质量问题

2、时序问题

建立时间是指在时钟沿到来之前的一段时间内数据必须要保持有效状态(即高电平有效或者低电平有效)，时钟沿和数据开始有效之间的这段时间即为建立时间值;保持时间是指在时钟沿之后数据还必须保持一段有效状态的时间，时钟沿和数据开始失效之间的时间即为保持时间值。

当前高性能示波器中都集成有建立时间和保持时间的专用测量参数，如下图所示的Lecroy示波器中的建立时间和保持时间测量示例。

二、如何解决信号完整性问题

当前信号完整性工程师面对信号完整性问题主要有两个方法，一是信号完整性仿真，二是信号完整性测试。测试的目的的一方面是验证系统最终的信号完整性性能，二是验证仿真结果的准确性。

信号完整性仿真是在系统做成实物之前对整个系统进行仿真，系统中各个部分使用等效的电路模型，如下图5的高速背板系统可以等效为图6的模型。芯片使用厂家提供的HSPICE模型或者IBIS模型来等效，通道(包括接插件、过孔、传输线等)通常使用S参数模型来等效。

通道的S参数模型可以通过仿真软件提取得到，在完成实物以后，再使用测试方法进行S参数的测试验证以及系统整体性能的验证，如测试高速信号的眼图、抖动等。

由于硬件工程师无法改变芯片的模型，他们能够分析研究的主要是整个链路的通道，而整个链路的通道响应特性可以由S参数来衡量。S参数可以反应通 道中各个组成成分的特性，如损耗、衰减、反射等。因此仿真中S参数的正确性将直接影响到仿真结果的正确性和可信性。因此，在系统完成后对S参数进行测试验 证是非常有必要的。

三、S参数可反应出所有的信号完整性问题

下图7所示为一个二端口S参数中的S11和S21的基本图示，蓝色的表示S11参数又称为回波损耗,粉红色的表示S21系数又称为插入损 耗,S11表示信号经过通道后的反射情况，S21表示信号经过通道后的损耗情况。从图中可见，随着频率的升高(S参数曲线的横轴表示频率，纵轴表示幅 度)，反射越来越强(S11曲线越接近0dB),损耗越大(S21曲线下降的越大)。反射越强表明系统的匹配可能没有做好，通道损耗过大表明走线可能太长 了，曲线不平滑则表明通道的阻抗连续性不是很好等。

四、S参数的测量

S参数通常使用TDR(时域反射计)或者VNA(矢量网络分析仪)来测量，但这两者都比较昂贵。尤其是VNA，因为其主要用于微波领域，包含有很多具有微波特性的功能，因此价格往往比较贵，且功能复杂，操作校准都需要一定的专业知识才不容易出错，而信号完整性领域的S参数测试则完全不需要具有很多功能的VNA或者TDR。力科公司最近推出一款全新概念的专用于信号完整性领域的S参数测量的仪器，叫SPARQ，即信号完整性网络分析仪，用一句话概括即：SPARQ是一键操作式40GHz,4端口信号完整性网络分析仪，是信号完整性工程师以经济型投入并能够快速、方便、准确的测量出S参数和TDR的一种新型仪器。这款仪器非常适合于广大信号完整性工程师使用。