PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第57页
第 3 章 低 阻 抗测 量 41 DUT 传 播回 到 源 。 VNA 测 量 从 VNA 出 来 进 入 DUT 散射回来 的 正弦波 与 进 入 DUT 的 波 的 比 值 称 为 散射 参 数 ， 简称 S 参 数 。 图 3-7 显 示 了 VNA 一个 端 口 的示 意图 。 这 也 是 用 来模拟 VNA 测 量的 SPIC E 电路 。 在 这 个 电路 中 ， 信号 源 产 生 一个 正弦 波 。 这 个 电 压 通过…
40
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
执行这种测量的常规仪器是矢量网络分析仪
（
VNA
）
。
3.
4
用
VNA
测量阻抗
矢量网络分析仪中的矢量是指仪器测量波的相位和幅度的特征
。
要想做到这一点
，
它
必须分离出入射和反射信号
，
二者在相同的互连结构中传播
，
尽管方向相反⑴
。
网络分析仪的源阻抗一般是
50
。
。
通常在连接它的同轴电缆末端进行校准
。
VNA
已经
使用了
50
多年
，
并且已经制定了详细的形式来描述它们的测量标准
。
VNA
和
DUT
之间的连接被称为端口
。
VNA
的电子线路将正弦波发送到每个端口
，
同时测量从
DUT
返回到
VNA
端口的任何正弦波
。
DUT
所能看到的每个端口阻抗都被校
准为
50Q,
这包括源端接和精密的同轴电缆
。
只需要测量两个相邻导体之间的电压就能够区分进出
VNA
的波形与普通示波器的不
同
。
但它不能区分测量电压的传播方向
。
图
3-6
显示了在一个正常运行的电路板上
，
信号
和返回导体之间的测量电压
。
板上端子之间的瞬时电压快照没有关于信号在互连传播方向
上的信息
。
如果培训仅是让你作为一名工程师并使用示波器来查看信号
，
那么你将会一直无法看
到电压真正在传导
。
许多示波器信号是在相反方向上传播的两个波的组合
，
并且同时测量
为探测位置处的总电压
。
如果探测点位于互连位置的中间
，
则尤其如此
。
提示
示波器只能测量信号和返回路径之间的总电压
，
而不是信号传播的方向
。
必须
使用进一步的分析来解释示波器上的电压信号
，
并且将互连中各个方向上传播
的信号进行分类
。
VNA
被设计为测量每个端口在两个方向上传播的波的幅度和相位
。
正弦波可以从任何
VNA
端口出来
。
正弦波的一部分进入
DUT,
而另一部分散射出
第
3
章低阻抗测量
41
DUT
传播回到源
。
VNA
测量从
VNA
出来进入
DUT
散射回来的正弦波与进入
DUT
的波的比
值称为散射参数
，
简称
S
参数
。
图
3-7
显示了
VNA
一个端口的示意图
。
这也是用来模拟
VNA
测量的
SPICE
电路
。
在这个电路中
，
信号源产生一个正弦
波
。
这个电压通过一个精确的
500
电阻传输
到精确的
50
。
同轴电缆上
。
我们确切知道传
播到
50
。
电缆的入射电压
。
它正好是正弦波
源电压的一半
，
因为它基于
500
电阻和
50
。
传输线的分压器
。
在实际中
，
我们通过测量图
3-7
所示电路
中另一个分压器上的电压
V.
来间接测量这个
入射电压
。
该电压与传播出
VNA
的入射电压
完全相同
，
它从端口
1
输出至传输线中
。
这是
入射到
DUT
的波形
。
由于与端口的
50
。
源阻抗相比
DUT
的
阻抗会发生变化
，
所以净反射波传播回
DUT
的入射波和从
DUT
传回的散射波
。
从
V
reflected
标准或
参考平面
图
3-7
VNA
端口示意图显示了正弦波发生器
，
包
括
50
。
源阻抗
、
测量反射幅度和相位的内
部电子器件
。
参考平面是端口的边界
。
明
确显示了端口的返回路径和
DUT
的输入
VNA
O
这个单一的净波
（
可能是多个传回
VNA
的正弦波的叠加
）
将通过标记为
Kwi
的内部
测量点
。
我们用精密复杂的电压表测量此点总电压的幅度和相位
。
像任何示波器一样
，
在同一个同轴电缆中
，
这个位置的电压表不能将从左到右传播的
反射电压波与从右向左传播的入射电压波分开
。
只能测量总电压
，
总电压是
incident
+
Vreflected
的总和
。
由于
incident
是在纯电阻分压器中独立测量的
，
所以我们可以很容易地从以
下公式中提取出反射电压
：
V
reflected
=
V
total
V
ref
(3-5)
传播到
VNA
端口
1
的任何反射波都将被
50
。
源电阻端所截止
，
永远不会回到
DUT
O
我们根据测量的匕
。
tai
和
Kef
计算反射系数
，
它相当于
incident
。
因为两个波的相位也被
测量了
，
所以反射系数是复数
。
DUT
的
S
参数由从每个
DUT
端口出来的正弦波与进入每个
DUT
端口的正弦波比值
组合而组成
。
为了跟踪
DUT
端口中出入信号的所有组合
，
每个端口都标有一个索引号
，
S
参数的下标用来标识出端口和入端口
。
S
参数的定义是
：
q
=
从
j
端口出来的正弦波
一进入端口
k
的正弦波
(3-6)
反射系数
S
”
是端口
1
的反射信号与端口
1
的人射信号的比值
。
该参数通常被称为回波
损耗
。
插入损耗是从
DUT
端口
2
出来的正弦波与进入
DUT
端口
1
的正弦波比值的幅度
。
插入损耗是
S21
的幅度大小
，
通常以
dB
为单位
。
42
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
提示
S
参数已成为描述互连结构高频特性的实际标准
。
因此在理解
S
参数上所花费
的努力是值得的
。
在
S
参数的表示形式中
，
S11
与反射系数完全相同
。
由于
VNA
端口的源阻抗为
500,
所以反射
S
参数中
Su
与
DUT
输入阻抗相关
，
为
：
c
Z
dut
-
50
.
r
、
.=Z
dut
+50
⑶
7
）
我们将上式重新排列后
，
基于反射信号的定义
，
DUT
的输入阻抗为
：
Z
dut
=
50c
'+
一
（
3-8
）
1
—
on
这是测量任何
DUT
阻抗的基础
，
其频率可高达
50
GHz
。
一
个代数变换可将测得的复数
Sii
转换成复数阻抗
。
提示
被测设备
（
DUT
）
输入阻抗的另一个定义基于
Sn
。
没有使用假设或模型将设备的
S
”
转换为输入阻抗
，
它只是一个复数代数
。
这个定义完全等同于频域中阻抗的
定义
V/
，
。
它只是开创了测量阻抗的新方法
。
3.5
示例
：
测量
DIP
中两条引线的阻抗
为了展示如何使用
VNA
测量阻抗
，
我们将一个老式的陶瓷
DIP
（
双列直插式封装
）
焊
接到一个
SMA
（
子母版
A
）
连接器上
，
作为与
VNA
连接的夹具
。
测试结构如图
3-8
所示
。
我们选择了两条相邻的引线作为信号和回路连接
。
图
3-8
一个简单的陶瓷
DIP
作为
DUT,
它使用两条相邻的引线作为信号和返回路径
，
并
焊接到
SMA
夹具上
VNA
将正弦波发送到一对引线中
。
它测量通过
VNA
阶跃的每个频率上反射的正弦
波
。
在每个
VNA
频率下测量
S
参数中的
Su
。
图
3-9
显示了利用这个
DUT
测得的
Su
0
封
装的键合架是开放的
，
引脚没有连接到测量的任何东西
。
能看到
SMA
连接器的输入阻抗
最初是在低频下测量的
。