如何分析PCB的阻抗和損耗

      PCB的阻抗和損耗對于高速信號的傳輸至關(guān)重要，為了對這么復(fù)雜的傳輸通道進(jìn)行分析，我們可以通過傳輸通道沖擊響應(yīng)來研究其對信號的影響。
 
　　電路的沖擊響應(yīng)可以通過傳輸一個(gè)窄脈沖得到。理想的窄脈沖應(yīng)該是寬度無限窄、非常高幅度的一個(gè)窄脈沖，當(dāng)這個(gè)窄脈沖沿著傳輸線傳時(shí)，脈沖會被展寬，展寬后的形狀和線路的響應(yīng)有關(guān)。從數(shù)學(xué)上來說，我們可以把通道的沖擊響應(yīng)和輸入信號卷積得到經(jīng)通道傳輸以后信號的波形。沖擊響應(yīng)還可以通過通道的階躍響應(yīng)得到，由于階躍響應(yīng)的微分就是沖擊響應(yīng)，所以兩者是等價(jià)的。
 
　　看起來我們好像找到了解決問題的方法，但是，在真實(shí)情況下，理想窄的脈沖或者無限陡的階躍信號是不存在的，不僅難以產(chǎn)生而且精度不好控制，所以在實(shí)際測試中更多地是使用正弦波進(jìn)行測試得到頻域響應(yīng)，并通過相應(yīng)的物理層測試系統(tǒng)軟件得到時(shí)域響應(yīng)。相比其它信號，正弦波更容易產(chǎn)生，同時(shí)其頻率和幅度精度更容易控制。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA（vector networkanalyzer）可以在高達(dá)幾十GHz的頻率范圍內(nèi)通過正弦波掃頻的方式精確測量傳輸通道對不同頻率的反射和傳輸特性，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)100dB以上，所以現(xiàn)代在進(jìn)行高速傳輸通道分析時(shí)主要會用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀去進(jìn)行測量。
 
　　被測系統(tǒng)對于不同頻率正弦波的反射和傳輸特性可以用S參數(shù)（S-parameter）表示，S參數(shù)描述的是被測件對于不同頻率的正弦波的傳輸和反射的特性。如果我們能夠得到傳輸通道對于不同頻率的正弦波的反射和傳輸特性，理論上我們就可以預(yù)測真實(shí)的數(shù)字信號經(jīng)過這個(gè)傳輸通道后的影響，因?yàn)檎鎸?shí)的數(shù)字信號在頻域上看可以認(rèn)為是由很多不同頻率的正弦波組成的。
 
　　對于一個(gè)單端的傳輸線來說，其包含4個(gè)S參數(shù)：S11、S22、S21、S12。S11和S22分別反映的是1端口和2端口對于不同頻率正弦波的反射特性，S21反映的是從1端口到2端口的不同頻率正弦波的傳輸特性，S12反映的是從2端口到1端口的不同頻率正弦波的傳輸特性。對于差分的傳輸線來說，由于共有4個(gè)端口，所以其S參數(shù)更復(fù)雜一些，一共有16個(gè)。一般情況下會使用4端口甚至更多端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對差分傳輸線進(jìn)行測量以得到其S參數(shù)。
 
　　如果得到了被測差分線的16個(gè)S參數(shù)，這對差分線的很多重要特性就已經(jīng)得到了，比如說SDD21參數(shù)就反映了差分線的插入損耗特性、SDD11參數(shù)就反映其回波損耗特性。
 
 
　　我們還可以進(jìn)一步通過對這些S參數(shù)做過反FFT變換得到更多信息。比如對SDD11參數(shù)變換得到時(shí)域的反射波形（TDR:Time DomainReflection），通過時(shí)域反射波形可以反映出被測傳輸線上的阻抗變化情況。我們還可以對傳輸線的SDD21結(jié)果做反FFT變換得到其沖擊響應(yīng)，從而預(yù)測出不同數(shù)據(jù)速率的數(shù)字信號經(jīng)過這對差分線以后的波形或者眼圖。這對于數(shù)字設(shè)計(jì)工程師都是些非常有用的信息。
 
 
　　由此可見，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）對數(shù)字信號的傳輸通道進(jìn)行測量，一方面借鑒了射頻微波的分析手段，可以在幾十GHz的頻率范圍內(nèi)得到非常精確的傳輸通道的特性；另一方面，通過對測量結(jié)果進(jìn)行一些簡單的時(shí)域變換，我們就可以分析出通道上的阻抗變化、對真實(shí)信號傳輸?shù)挠绊懙龋瑥亩鴰椭鷶?shù)字工程師在前期階段就可以判斷出背板、電纜、連接器、PCB等的好壞，而不必等到最后信號出問題時(shí)再去匆忙應(yīng)對。