不同端口阻抗對SZ參數(shù)和時域仿真的影響

1、不同端口阻抗對S、Z參數(shù)和時域仿真的影響說明：針對不同端口阻抗設置對S參數(shù)、Z參數(shù)和時域仿真的影響，總結(jié)一些仿真經(jīng)驗，對時域仿真的影響從實際仿真結(jié)果進行分析。關鍵字：端口阻抗、S參數(shù)、Z參數(shù)、時域仿真、PowerSI、SystemSI。背景：結(jié)合實際項目經(jīng)驗、仿真結(jié)果和部分理論知識，論述不同端口阻抗設置對S參數(shù)、Z參數(shù)和時域仿真的影響，總結(jié)一些仿真經(jīng)驗，對時域仿真的影響從實際仿真結(jié)果進行分析。一、 不同端口阻抗對S參數(shù)的影響從S參數(shù)的定義上面看：回損：插損：反射的定義為= (Z2-Z1)/(Z2+Z1)，走線阻抗和端口匹配了，反射才會減小。從能量守恒的角度看，反射減少了，插損也會增加。端口阻抗

2、對S參數(shù)有直接影響。下面使用PowerSI仿真一組DDR走線，走線阻抗50 ohm，端口阻抗分別設置為50 ohm和5 ohm，可以看出，不同的端口阻抗對S參數(shù)影響很大。圖1：回損結(jié)果，綠色為50 ohm端口阻抗，紫色為5 ohm端口阻抗圖2：插損結(jié)果，綠色為50 ohm端口阻抗，紫色為5 ohm端口阻抗 從上面的對比結(jié)果可以看出，阻抗匹配時，回損和插損比較好。所以在對走線要求高的應用上，比如DDR走線、eMMC走線，阻抗控制在50 ohm左右，無源參數(shù)會變好。二、 不同端口阻抗對Z參數(shù)的影響阻抗Z = U/I，對應到兩端口網(wǎng)絡上：通常稱Z11為輸入阻抗或者自阻抗，Z12為轉(zhuǎn)移阻抗。阻抗的定義

3、是用端口處的電壓和電流的比值得出，和端口的阻抗設置沒有關系，是二端口網(wǎng)絡自身的特性。使用PowerSI仿真不同端口時的Z參數(shù)，結(jié)果如下：圖3：Z11自阻抗，綠色為50 ohm端口阻抗，紫色為5 ohm端口阻抗圖4：Z12轉(zhuǎn)移阻抗，綠色為50 ohm端口阻抗，紫色為5 ohm端口阻抗 可以看出，兩種波形重疊的很好。不過，有些版本的軟件在幾Hz以下時會有區(qū)別，這個應該是不同版本的軟件算法有區(qū)別或者軟件自身的精度問題導致的。同樣因為這個原因，用嚴重阻抗不匹配的端口提取S參數(shù)，觀察Z參數(shù)特性時Z阻抗在個別頻點可能也會引入微小的誤差，但這種情況很少。在進行PDN AC阻抗仿真時，端口阻抗的設置對Z參數(shù)基

4、本沒有影響，對搭建全鏈路仿真交流阻抗也沒有影響。三、不同端口阻抗對時域仿真的影響我們在提取USB S參數(shù)仿真眼圖時，常把端口阻抗設置為50 ohm，但USB差分線差分阻抗為90 ohm，我們這樣做有沒有問題？差分阻抗是90歐姆，單端阻抗最可能為45歐姆，那這樣用50歐姆端口提取是不是不匹配？我們嘗試進行解釋：差分阻抗為90 ohm，單端阻抗不一定就是45 ohm，根據(jù)差分線的特性，走線阻抗也可能是50 ohm，只要把差分線線間距縮小就可以了；45 ohm和50 ohm差別很小，這點區(qū)別可能對眼圖影響不大。第一種涉及到差分線S參數(shù)的提取問題，這次不深究，我們可能會更傾向于第二種看法，認為端口阻抗

5、差別不大，影響也不大。那如果端口阻抗設置為5 ohm呢？現(xiàn)在用SystemSI觀察不同端口阻抗提取的S參數(shù)搭建的LPDDR3鏈路的仿真結(jié)果，使用的文件為上面提取的50 ohm端口阻抗和5 ohm端口阻抗下的S參數(shù)：圖5：SystemSI LPDDR3鏈路圖圖6：眼圖仿真結(jié)果對比，綠色為50 ohm端口阻抗，紫色為5 ohm端口阻抗圖6為采取時鐘參考時的波形，可以看出兩個波形很接近。如果只查看UI波形，兩種情況下的仿真結(jié)果會吻合的更好：圖7：眼圖仿真結(jié)果對比，UI模式下，綠色為50 ohm端口阻抗，紫色為5 ohm端口阻抗從仿真結(jié)果上面我們可以看出不同的端口阻抗設置對時域仿真結(jié)果影響很小。但到底

6、是影響很小還是一點影響也沒有，這個就需要核對軟件算法進行確認了。我們可以進行初步的猜測：1、不同的S參數(shù)對時域仿真影響很小，但是實際情況是端口歸一化提取的S參數(shù)不同，時域仿真結(jié)果也不同，所以基本上否定這個觀點，我們最多可以說高頻部分的S參數(shù)性能對時域仿真結(jié)果影響較小。2、時域仿真使用的是走線自身的特性，和端口阻抗沒有關系，類似于Z參數(shù)特性。3、時域仿真主要使用走線自身的特性，S參數(shù)只是作為影響較小的因素考慮到了其中，所以表現(xiàn)出來的結(jié)果是影響不大?；氐缴厦鍿ystemSI的仿真上，兩個波形盡管已經(jīng)很接近了，但還是有區(qū)別的，而且UI模式下波形會吻合的更好，這個也是區(qū)別。單獨看每種情況下的眼寬如下：

7、圖8： 50 ohm端口阻抗，眼寬情況圖9： 5 ohm端口阻抗，眼寬情況從這組圖的對比結(jié)果上看，更支持第三種觀點。但這個其實就有些難理解了，S參數(shù)級聯(lián)是根據(jù)歸一化端口阻抗提取的S參數(shù)變換成A參數(shù)，再級聯(lián)的，但這個和端口阻抗其實是沒有必然關系的，不是歸一化的端口阻抗提取的S參數(shù)，可以變換成歸一化端口下的S參數(shù)值。我想可能是S參數(shù)在時域仿真中出現(xiàn)了不收斂的情況，或者是頻域和時域之間的運算有誤差造成的。目前的仿真經(jīng)驗是：ADS仿真USB眼圖，不同端口阻抗提取的S參數(shù)得到的眼圖基本沒區(qū)別；SystemSI使用不同端口阻抗提取信號線得到的眼圖影響較小，SystemSI使用不同端口阻抗提取電源線得到的眼圖影響較大；HSpice使用不同端口阻抗提取信號線得到的眼圖影響很小，HSpice使用不同端口阻抗提取電源線得到的眼圖影響較大。對于DDR走線，使用和走線阻抗匹配的端口阻抗值，雖然S