關(guān)聯(lián)USB Type-C參考通道的仿真和測(cè)量(二)

在本文的第 1 部分中，我們了解了微分 S 參數(shù)背后的基本思想。現(xiàn)在我們可以開(kāi)始探索多通道 Touchstone 文件中的大量信息(圖 1)。雖然起初看起來(lái)很復(fù)雜，但有一些基本的分析方法可以一次又一次地完成，并取得非常成功的結(jié)果。我們現(xiàn)在將討論其中一些分析技巧和技術(shù)，這些技巧和技術(shù)可以幫助您以最快的方式深入了解設(shè)備性能。

圖 1：在 20 端口 .s20p Touchstone 文件的左上象限中，可以一次查看 400 個(gè) S 參數(shù)或一次查看多個(gè)圖。

對(duì)稱是一件美妙的事情分析大型多通道 S 參數(shù)文件的第一步是使用時(shí)域。VNA S 參數(shù)測(cè)量可以使用逆快速傅里葉 (IFFT) 函數(shù)進(jìn)行修改，以提取 TDD11 時(shí)域參數(shù)，這是描述為電阻與時(shí)間的阻抗曲線，時(shí)間表示距離(信號(hào)傳播所需的時(shí)間)并反映電阻變化或不連續(xù)性)。

為什么這比使用 SDD11 頻域數(shù)據(jù)更受歡迎?因?yàn)轭l域不提供任何空間信息。在時(shí)域中，可以快速定位不良電纜、開(kāi)路、短路和其他異常的位置。繪制所有差分通道的差分阻抗曲線是在保存數(shù)據(jù)之前對(duì)測(cè)量設(shè)置進(jìn)行此類“健全性檢查”的一種快速方法。

所有差分通道的圖(圖 2)顯示了所有正向和反向阻抗分布波形之間的美麗對(duì)稱。應(yīng)該有大量鏡像波形，因?yàn)槲覀円呀?jīng)自動(dòng)測(cè)量了每個(gè)通道的正向和反向。這是擁有高端口數(shù)儀器的好處。

圖 2：所有差分通道的圖顯示了所有正向和反向阻抗曲線波形之間的美麗對(duì)稱。

右上角的波形圖例表明我們繪制了 TDD11 到 TDD88。TDD11 是與 TDD22 完全相同的通道的正向差分阻抗分布，除了 TDD22 只是反向差分阻抗分布。所以這兩個(gè)測(cè)量圖應(yīng)該是對(duì)稱的，而且它們是對(duì)稱的。其余的地塊對(duì)也是如此。

正向和反向通道阻抗曲線分析數(shù)據(jù)通道的下一步是在空間上將 USB Type-C 連接器定位在中間。(我們知道它在靠近中間的某個(gè)地方，但確實(shí)需要確切的位置。)為此，我們?cè)俅尾榭磿r(shí)域數(shù)據(jù)，并在物理斷開(kāi)兩個(gè)燈具后簡(jiǎn)單地測(cè)量通道。當(dāng)我們斷開(kāi)兩個(gè)夾具時(shí)，我們將看到一個(gè)夾具的阻抗曲線終止于開(kāi)路。這在連接器所在的時(shí)間位置用一條直線上升到無(wú)窮大阻抗的尖銳垂直線表示(圖 3)。

圖 3：垂直的紅線表示在夾具斷開(kāi)時(shí)的開(kāi)路。這可以深入了解每個(gè)夾具的結(jié)束和開(kāi)始位置。

為了驗(yàn)證和仔細(xì)檢查我們的工作，我們將查看斷開(kāi)夾具的相同阻抗分布，但現(xiàn)在從另一個(gè)方向查看(圖 4)。正如我們之前提到的，TDD22 只是 TDD11 通道的反向阻抗曲線。我們看到相同的垂直紅線準(zhǔn)確地指示了一個(gè)夾具的結(jié)束位置和另一個(gè)夾具的開(kāi)始位置。在查看最后兩個(gè) TDD11 和 TDD22 波形時(shí)，很明顯這兩個(gè)燈具彼此完全不同。

圖 4：將此圖與圖 3 進(jìn)行比較，可以看出燈具之間的差異。

測(cè)量通道從歷史上看，通常有兩種方法用于從被測(cè)設(shè)備或 DUT 中消除測(cè)量夾具的影響(圖 5)。

圖 5：要準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)設(shè)備 (DUT)，必須首先消除夾具的影響。

第一種方法是使用電磁模擬器對(duì)夾具進(jìn)行建模，并使用仿真的 S 參數(shù)結(jié)果來(lái)反嵌夾具的影響。為夾具創(chuàng)建準(zhǔn)確的模型可能需要一些時(shí)間。第二種技術(shù)是在用于制造夾具的同一 PCB 上建立校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

這些傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法將參考平面放置在夾具 PCB 上可以放置定制標(biāo)準(zhǔn)的位置。像 TRL 這樣的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)需要在參考平面上使用 TEM 模式;也就是說(shuō)，機(jī)械結(jié)構(gòu)在參考平面上鏡像。此類校準(zhǔn)的最終結(jié)果通常將匹配的連接器性能作為 DUT 的一部分，例如 USB 主機(jī)、電纜或設(shè)備?？梢詫A具從全路徑測(cè)量中移除，以獲得包含配對(duì)連接器性能的 DUT 的 S 參數(shù)(圖 6)。這通常是需要的，因?yàn)榍乐羞@些不同組件的供應(yīng)商需要證明他們的產(chǎn)品可以與配對(duì)的連接器一起使用。

圖 6：雖然可以從全路徑測(cè)量中移除夾具以獲得包含配對(duì)連接器性能的 DUT 的 S 參數(shù)，但哪種類型的校準(zhǔn)會(huì)將參考平面放置在配對(duì)連接器的中間以提供正確的通道延遲?

但是，雖然在 DUT 中包含配對(duì)連接器非常適合表征和比較通道中不同組件的性能，但在仿真中將組件級(jí)聯(lián)在一起以與測(cè)量的全路徑性能進(jìn)行比較時(shí)會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。對(duì)于觀察者來(lái)說(shuō)，很明顯應(yīng)該在配合面上拆分配合的連接器，只留下插頭或插座作為 DUT 的一部分。困難的問(wèn)題是，什么類型的校準(zhǔn)會(huì)將參考平面放置在配對(duì)連接器的中間?

自動(dòng)夾具移除幾年前推出的一種相對(duì)較新的技術(shù)，稱為自動(dòng)夾具移除 (AFR)，只需要一個(gè)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，而不是 TRL 所需的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)可以是通過(guò)路徑的背靠背 2x 夾具，或者在某些情況下，只是一個(gè)開(kāi)放的 1x 夾具結(jié)構(gòu)。直通只是沒(méi)有 DUT 連接的左半邊和右半邊夾具。這里最大的假設(shè)是通過(guò)必須是對(duì)稱的。在 USB Type-C 連接器的情況下，很難創(chuàng)建背靠背直通路徑，因?yàn)橐粋€(gè)插座不能與另一個(gè)插座配合。

圖 7：比較傳統(tǒng)的 TRL 校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(左)和 AFR 技術(shù)使用的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(右)，AFR 應(yīng)用第二層 AFR 校準(zhǔn)將測(cè)量參考平面移動(dòng)到最終位置。

1-Port AFR 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它能夠自動(dòng)將參考平面放置在 Type-C 插頭和插座的所需配合表面(圖 8)。這會(huì)導(dǎo)致主機(jī)、電纜或設(shè)備的 S 參數(shù)行為模型可以級(jí)聯(lián)到仿真中，從而通過(guò)精確的電延遲改善仿真與測(cè)量的相關(guān)性。

圖 8：1 端口 AFR 技術(shù)自動(dòng)將參考平面放置在 Type-C 插頭和插座的配合面上。

每個(gè)組件的電延遲可以通過(guò)頻域中的群延遲或時(shí)域中脈沖響應(yīng)峰值的到達(dá)來(lái)測(cè)量(圖 9)。插頭夾具時(shí)間延遲和插座夾具時(shí)間延遲的 1 端口 AFR 測(cè)量值加起來(lái)是兩個(gè)插在一起的夾具的測(cè)量全路徑時(shí)間延遲。