Unser Ausgangspunkt ist ein einfaches Zwei-Port-Netzwerk, das in Abbildung 1 gezeigt wird. Das zu testende Gerät (DUT) ist ein „Black Box“-Netzwerk, es kann Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Transistoren, Übertragungsleitungen usw. haben jeder „Port“, um das Netzwerk zu charakterisieren, das unsymmetrisch oder differenziell sein kann. Die Lastimpedanz ZL, und die Quellenimpedanz ZS, sind typischerweise einige charakteristische Impedanzen, am häufigsten sind dies 50 Ω, und wir werden diesen Wert für unsere Diskussion verwenden.
Überlegen Sie, was passiert, wenn Strom von einer Sinusquelle angelegt wird. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt. Einfallende Leistung wird vom Generator (a1) zugeführt, etwas Leistung wird am Eingang des DUT (b1) reflektiert. Reflexionen werden durch eine Impedanzfehlanpassung zwischen der Quellenimpedanz und der Impedanz bei Blick in Port 1 verursacht. Etwas Leistung wird am Ausgang des DUT (b2) übertragen.
„Streuungs“- oder „s“-Parameter sind ein Maß für die reflektierte Leistung und die übertragene Leistung in einem Netzwerk als Funktion der Frequenz. Das „Netzwerk“ könnte ein Koaxialkabel, eine passive Antenne, ein aktiver Verstärker, ein Mikrowellenfilter usw. sein. S-Parameter haben Amplitude und Phase. Üblicherweise wird Amplitude in dB und Phase in Grad gemessen.
Das Benennungsschema für S-Parameter hat folgende Form: S
Beispiel S21 = Übertragung von Port 1 nach Port 2
S-Parameter werden typischerweise unter Verwendung eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) gemessen. Der VNA misst S-Parameter über der Frequenz, indem er die Eingangsfrequenz durchläuft, er hat die Fähigkeit, gesendete und reflektierte Leistung unter Verwendung von Richtkopplern für Leistungsmessungen zu trennen. Eine alternative Messung ist die Verwendung eines Zeitbereichsreflektometers (TDR), wie z. B. des ST-20 TDR-Moduls im LeCroy WaveExpert Sampling-Oszilloskop.
„Vorwärts“-S-Parameter können gemessen werden, indem der Eingang angesteuert und der Ausgang abgeschlossen wird:
S11= b1/a1 =Reflektierte Leistung/Einfallsleistung
S11 ist der Eingangsreflexionskoeffizient, wobei der Ausgangsanschluss durch eine angepasste Last abgeschlossen ist.
Abbildung 3 zeigt Beispiele für typische Forward-s-Parameter-Plots. S11 ist die oberste Spur.
S21= b2/a1 =Sende-/Einfallsleistung
S21 ist die Vorwärtsübertragungsverstärkung, wobei der Ausgangsanschluss durch eine angepasste Last abgeschlossen ist.
In Abbildung 3 S21 ist die unterste Spur. Diese Diagramme werden auf dem Oszilloskop angezeigt, indem Sie die Schaltfläche „Antwort anzeigen“ im Dialogfeld „Emulieren“ von Eye Doctor II auswählen. Diese Anzeige zeigt den vom Benutzer ausgewählten S-Parameter.
„Umgekehrte“ S-Parameter werden gemessen, indem der Ausgang angesteuert und der Eingang abgeschlossen wird, wie in Abbildung 4 gezeigt.
S22= b2/a2 =Reflektierte Leistung/Einfallsleistung.
S22 ist der Ausgangsreflexionskoeffizient, wenn der Eingangsport durch eine angepasste Last abgeschlossen ist. S12= b1/a2 = Sende-/Einfallsleistung.
S12 ist die Rückwärtsübertragungsverstärkung, wobei der Eingangsport durch eine angepasste Last abgeschlossen ist.
Abbildung 5 zeigt einen typischen Reverse-s-Parameter-Plot S22 ist die obere Spur und S12 ist Bottomtrace.
Wir können nun die Beziehungen zeigen, die das 2-Port-Gerät in Bezug auf die Eingänge, Ausgänge und S-Parameter vollständig beschreiben.
Diese Beziehungen zusammen mit einer grafischen Beschreibung der Ein- und Ausgänge sind in Abbildung 6 dargestellt.
Bevor wir mit der Diskussion von S-Parametern fortfahren, werden wir Differentialmessungen überprüfen. Stellen Sie sich einen Differenzverstärker vor, der in Abbildung 7 dargestellt ist.
In einem Differenzialsystem wie diesem Verstärker sind Gleichtaktsignale in Phase und Gegentaktsignale um 180° phasenverschoben. Die Eingangsports werden als differenzielle Ein- und Ausgänge behandelt (+ und – Klemmen). Für einen Differenzverstärker:
$$V_{out} =A_D(V_{in+} – V_{in–})+A_{CM}(V_{in+} +V_{in–})/2$$
AD die Gegentaktverstärkung ist; dh die Verstärkung für ein Gegentaktsignal
ACM ist die Gleichtaktverstärkung, dh die Verstärkung für ein Gleichtaktsignal
Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis
CMRR = ACM/AD
CMRR misst, wie viel eines Gleichtakteingangs in den Ausgang umgewandelt wird, dies sollte für einen Differenzverstärker klein sein.
Differenzielle Übertragung wird heute allgemein für die meisten seriellen Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsverbindungen verwendet. Aus diesem Grund werden wir unsere Untersuchung von S-Parametern auf Vier-Tor-Netzwerke ausdehnen, die als 2-Tor-Differential-Netzwerke angesehen werden können. Wir beginnen mit der Betrachtung eines Single-Ended-Netzwerks mit vier Ports, das in Abbildung 8 gezeigt wird.
Single-Ended-S-Parameter-Messungen für ein Vier-Port-Netzwerk sind unkompliziert – genau wie bei einem Zwei-Port-Fall, nur mit mehr S-Parametern. Im Matrixformat sehen die S-Parameter für ein Netzwerk mit vier Anschlüssen folgendermaßen aus:
Differentialmessungen sind komplexer, für diese Messungen benötigen wir „Mixed-Mode“-Sparameter. Ein Messaufbau für Mixed-Mode-S-Parameter ist in Abbildung 9 dargestellt. Diese Messungen erfordern einige Sorgfalt, da die Kopplung zwischen differentiellen Leitungen die Messungen beeinflussen kann. Außerdem beeinflusst die Modusumwandlung, wie viel Gleichtakt in Differenzmodus umgewandelt wird und umgekehrt.
Indem Single-Ended-Messungen mit vier Anschlüssen durchgeführt werden, können Mixed-Mode-S-Parameter unter Verwendung einer Matrixtransformation berechnet werden. Dies ist einfach, liegt aber außerhalb des Rahmens dieses Dokuments und wird hier nicht behandelt. Referenzen sind vorhanden.
Die Ausgabe des Konvertierungsprozesses sieht folgendermaßen aus:
Im Allgemeinen gibt es vier Arten von S-Parametern im gemischten Modus:
Differentialmodus zu Differentialmodus Sdd)
Differentialmodus zu Gleichtakt (Sdc)
Gleichtakt zu Differentialmodus (Scd)
Gleichtakt zu Gleichtakt (Scc)
Zum Beispieldd21 ist die Gegentaktverstärkung von Differenzanschluss 1 zu Differenzanschluss 2
Wir können nun die Beziehung zwischen den Eingängen und Ausgängen einer Differenzmessung mit zwei Toren wie folgt darstellen:
Wobei die Eingänge ad1 der differentielle Eingang zu a1 und ac1 der Gleichtakteingang zu a1 ist. Die Ausgabeterme sind ähnlich kommentiert.
Sie haben gelernt, dass S-Parameter verwendet werden, um ein Netzwerk zu beschreiben. In LeCroy's Eye Doctor II werden S-Parameter verwendet, um Halterungen, Backplanes und andere Schaltungselemente zu beschreiben. Eye Doctor II verwendet diese Beschreibungen, um ausgewählte Schaltungselemente aus der Messung zu entfernen oder zu emulieren. Die Charakterisierung von Schaltungselementen mit S-Parametern kann auf verschiedene Weise erfolgen.
S-Parameter können direkt mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) oder mit einem LeCroy WaveExpert Sampling-Oszilloskop mit Optionen für Zeitbereichsreflektometrie (TDR) und Zeitbereichsübertragung (TDT) gemessen werden. Software wie CAD-Tools (Computer Aided Design) können zur Berechnung von S-Parametern verwendet werden. Beispiele hierfür sind HFSS Field Solve Tools oder der ADS-Simulator.
Alle diese Tools erstellen Touchstone-Dateien, die von Eye Doctor II verwendet werden. Der Touchstone-Standard ist ein Dateiformat, das für Parameterbeschreibungen von Schaltkreisen und Geräten verwendet wird. Es verwendet eine Dateierweiterung der Form: .sNp. Wobei N die Anzahl der gemessenen Ports ist. Ein 2-Port wäre .s2p oder ein 4-Port .s4p usw. Abbildung 10 zeigt eine typische Touchstone-Datei.
Jede Zeile eines 2-Port-Datensatzes hat folgenden Aufbau:11>11>21>21>12>12>22>22>
Eye Doctor II verwendet diese Dateien in der in Abbildung 11 gezeigten Emulate/Deembed-Funktion. Auf die Touchstone-Datei wird über das Feld SParameter Filename in den Dialogfeldern Channel und Deembed verwiesen. Durch Drücken der Schaltfläche „Antwort anzeigen“ im Dialogfeld „Kanal“ wird der Parameter eines Benutzers als Funktion der Frequenz angezeigt.
Wie Sie beobachtet haben, sind S-Parameter eine effiziente Möglichkeit, das Schaltungsverhalten zu beschreiben, und sie werden sehr effektiv im EyeDoctor II Advanced Signal Integrity Tool von LeCroy verwendet.
