電路設計使用S參數仿真來(lái)重申信號完整性

2020-10-22

通常的做法是更換有故障的設備，而不是花費大量精力和金錢(qián)進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的維修。但是，對操作故障進(jìn)行故障排除是一項艱巨的工作。從工程師的角度來(lái)看，塑造用戶(hù)友好型解決方案所涉及的工程技術(shù)水平是巨大的-識別內部電路設計出了什么問(wèn)題更加困難。

復雜內部電路的信號完整性在確保設備的可靠運行中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。內部電路之間的正確通信可以使設備按照目錄中的規定運行。每當傳播延遲到來(lái)時(shí)，內部電路之間的相互作用就會(huì )失去兼容性，并且設備可能會(huì )失靈。在電路的高頻操作下，信號質(zhì)量失真的機會(huì )相對更多。

散射參數“ S-參數”仿真強調了高頻電路的信號完整性。在高頻下，電壓和電流分析與S參數分析相比效果不佳。S參數模擬將輸入的交流信號視為電磁“ EM”或射頻“ RF”波，并定義了信號如何在輸入側反射并傳輸到電路的其他部分。為了通過(guò)反射和透射來(lái)表征RF電路，S參數比H，Z和Y參數更有效。 

電路之間的大量互連增加了通信錯誤和設備間延遲的可能性。信號中的延遲，失真和質(zhì)量下降會(huì )影響電路的信號完整性。隨著(zhù)工作頻率從kHz到GHz，電路數量的行為更像是電波。按照高頻的電壓和電流對電路建模不是可行的方法。S參數仿真是最合適的工具，用于在高頻下表征復雜電路以確保其信號完整性。 

S參數仿真是一種交流仿真，它表示在給定溫度，偏置條件和輸入信號下器件的小信號行為。信號的衰減和放大可以借助S參數進(jìn)行解釋。在此仿真中，非線(xiàn)性分量被線(xiàn)性化，以提供電路在不同頻率下的線(xiàn)性特性。 

S參數的級聯(lián)可以看作是S參數仿真的優(yōu)勢之一，特別是在涉及復雜電路時(shí)。例如，您可以分別模擬每個(gè)放大器級的S參數，并且可以使用級聯(lián)的S參數來(lái)分析多級放大器的性能。 

在S參數仿真中，所考慮的電路被轉換為多端口網(wǎng)絡(luò )。您無(wú)需短路并打開(kāi)端口即可進(jìn)行S參數計算，這是確定H，Z和Y參數的步驟。將S參數輕松轉換為H，Z和Y參數，有助于發(fā)現寄生電抗對信號完整性的影響。 

反射和透射系數

在S參數模擬中，n端口網(wǎng)絡(luò )等效值通過(guò)EM波一次激勵一個(gè)端口，并在所有端口上測量EM能量。通常，S參數以矩陣形式（稱(chēng)為S矩陣）表示，線(xiàn)性方程的系數控制電路作為矩陣元素。對于n端口網(wǎng)絡(luò )，S參數形成一個(gè)nxn矩陣。如下圖所示：

 

S矩陣

矩陣?i=j?的對角元素表示反射系數，其他元素?ij?給出透射參數。反射和透射的EM能量分別由反射系數和透射系數表示。S矩陣中的任何元素S ij都會(huì )量化從輸入端口“ j”傳輸到輸出端口“ i”的EM能量。 

S參數是具有振幅和相位值的復數，并且與頻率有關(guān)。S參數wrt隨頻率的變化可以通過(guò)兩種方式繪制：

幅度與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)以及相位與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)-幅度和相位的變化情況繪制在兩個(gè)不同的圖中。盡管S參數是無(wú)量綱的量，但振幅通常以dB表示。

史密斯圓圖-史密斯圓圖是用于指示S參數的流行圖表。圓的半徑是S參數的振幅，相位角沿逆時(shí)針?lè )较蜃兓?nbsp;

下圖顯示了史密斯圓圖上標記的反射系數。反射系數1?0°表示一個(gè)完美的開(kāi)路，信號在沒(méi)有相位變化的情況下被反射回輸入端口。 

 

史密斯圓圖顯示反射系數

與S參數有關(guān)的信號完整性

在構建RF電路時(shí)，我們的目的是將能量有效地從源傳遞到負載。為了使電路無(wú)損，阻抗匹配是必不可少的。阻抗不匹配會(huì )將一些能量反射回輸入端口，并且這種能量損耗與頻率有關(guān)?？偸翘岬椒瓷淠芰?，以便將能量從電源轉發(fā)到負載，以更好地了解能量損失。 

RF電路中常用的表示能量損耗的術(shù)語(yǔ)是：

回波損耗是前向功率和反射功率之間的差。隨著(zhù)反射功率的降低，功率損耗的百分比也會(huì )降低。對于無(wú)損系統，沒(méi)有功率反射回來(lái)，這在史密斯圓圖中已提到為0％反射。就S參數而言，回波損耗可以通過(guò)使用公式found1?找到。

 

其中，S ij代表反射系數。

電壓駐波比“ VSWR”是“前向波+反射波”的最大值與最小值之比。VSWR可以表示為公式?2?：

 

 本的反射系數在方程?1?和?2?可以在源阻抗?Z來(lái)表示0 ?和負載阻抗?Z大號?如下：

 

當Z 0與Z L完全匹配時(shí)，系統變?yōu)闊o(wú)損，并且VSWR取單位值。在反射功率為100％的電路中，VSWR值變?yōu)闊o(wú)窮大。

回波損耗和VSWR之間的關(guān)系可以用公式?4表示。

 

現在，讓我們將信號完整性，阻抗匹配和S參數仿真之間的點(diǎn)連接起來(lái)。

如果要在RF電路中尋找信號完整性，則需要確保信號傳播沒(méi)有任何散射或延遲。該電路條件對應于阻抗匹配。信號完整性可以通過(guò)匹配與源阻抗?Z負載阻抗來(lái)實(shí)現0 = Z大號?。輸入和輸出阻抗匹配可使用反射系數輕松確定，而傳輸S參數存在耦合或串擾。 

如我們所見(jiàn)，S參數如何與RF電路中的反射能量相連，在負載側插入匹配的阻抗網(wǎng)絡(luò )會(huì )產(chǎn)生魔力。當匹配網(wǎng)絡(luò )的等效阻抗和負載阻抗等于源阻抗的共軛時(shí)，信號向輸入端口的反射變?yōu)?％，電路的信號完整性達到最大。