Microsoft Word - SPARQアプリケーションノートGating_3.docx

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ふみなしまむね
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SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 TECHNICAL BRIEF 伊藤渉 Feb 3, 2014 概要 SMA や K

このフィクスチャの伝送特性を差し引き DUT のみの特性を求めたい場合フィクスチャの伝送特性を抽出することは通常では困難です Teledyne LeCroy

機能を用いることで実際に使用するフィクスチャの測定値からフィクスチャのみの S パラメータを抽出することが可能になりますフィクスチャの例非同軸タイプの DUT

TF-SATA-C このアプリケーションノートでは TF-SATA-C の伝送特性 (S パラメータ ) を抽出する方法を例に解説します図 2:

測定には K コネクタや SMA コネクタ等の同軸タイプの接続が必要です TF- SATA-C-KIT を使用すると SATA

1 SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 TECHNICAL BRIEF 伊藤渉 Feb 3, 2014 概要 SMA や K コネクタ等ではない非同軸タイプのコネクタを使用する DUT をオシロスコープで測定するにはコネクタの変換の為にフィクスチャを使用しますこのフィクスチャの伝送特性を差し引き DUT のみの特性を求めたい場合フィクスチャの伝送特性を抽出することは通常では困難です Teledyne LeCroy のネットワークアナライザ SPARQ の peeling アルゴリズムを使用した Time Domain Gating 機能を用いることで実際に使用するフィクスチャの測定値からフィクスチャのみの S パラメータを抽出することが可能になりますフィクスチャの例非同軸タイプの DUT には例えば SATA 規格のドライブがあります HDD の SATA 信号を測定するには SMA コネクタに変換する以下の様なフィクスチャを使用します図 1: TF-SATA-C このアプリケーションノートでは TF-SATA-C の伝送特性 (S パラメータ ) を抽出する方法を例に解説します図 2: 対向側フィクスチャを含んだ TF-SATA-C-KIT フィクスチャの S パラメータを抽出する S パラメータを測定するにはネットワークアナライザを使用します測定には K コネクタや SMA コネクタ等の同軸タイプの接続が必要です TF- SATA-C-KIT を使用すると SATA コネクタの対向側フィクスチャが付属しており両端を SMA コネクタとして S パラメータを測定することができます図 3: TF-SATA-C-KIT 図 4: TF-SATA-C-KIT 測定例 Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 1 of 8

こうして両側を SMA コネクタにし 4 ポートのネットワークアナライザを使用することで S パラメータの測定が可能ですが得られる S パラメータには本来不要な対向側フィクスチャの特性も含んでいます対向側のフィクスチャ特性を差し引いて TF-SATA-C のみの S パラメータを抽出する必要があります対向側フィクスチャを含んだ S パラメータを半分に分割する?

パラメータを数式的に半分に割ることは可能かどうかを考えます例えばある周波数 1 ポイントでの S パラメータ (B 点 ) を考えますスミスチャートの中心 A 点 (50Ω) から高インピーダンス側にずれた B 点に至るには無数の可能性があります図 5 では 2 つの可能性を示しましたパス 1 ではシリーズに入ったインダクタンスと 50Ω 線路の組み合わせですパス 2

他の周波数ではどうでしょうか高周波シミュレータを使用したフィクスチャの S パラメータ抽出の為には実際の伝送線路で想定される各コンポーネントのジオメトリを完全に予測して広帯域で正確なモデリングをすることが必要ですがこれは至難の技です以下に TF-SATA-C-KIT の両側フィクスチャを含んだシングルエンド S パラメータの S11,S21 のプロットを示します

2 こうして両側を SMA コネクタにし 4 ポートのネットワークアナライザを使用することで S パラメータの測定が可能ですが得られる S パラメータには本来不要な対向側フィクスチャの特性も含んでいます対向側のフィクスチャ特性を差し引いて TF-SATA-C のみの S パラメータを抽出する必要があります対向側フィクスチャを含んだ S パラメータを半分に分割する?~ 高周波シミュレータによるモデリング両側フィクスチャを含んだ S パラメータが得られた後これを半分に分割することは出来るでしょうかもし高周波シミュレータを駆使して両側フィクスチャをモデリングし実測 S パラメータを再現できれば不要な部分を取り除いた S パラメータを抽出できる可能性がありますしかしこの方法にはシミュレーションのテクニックが必要で熟練を要しますまずは簡単に S パラメータを数式的に半分に割ることは可能かどうかを考えます例えばある周波数 1 ポイントでの S パラメータ (B 点 ) を考えますスミスチャートの中心 A 点 (50Ω) から高インピーダンス側にずれた B 点に至るには無数の可能性があります図 5 では 2 つの可能性を示しましたパス 1 ではシリーズに入ったインダクタンスと 50Ω 線路の組み合わせですパス 2 はシリーズに入った抵抗です両パスの中点のインピーダンスは全く異なる事に注意してください図 5: スミスチャート上の 1 点に至る複数のパスその他にもひとつまたは複数の抵抗インダクタキャパシタのパラレルシリアルそれぞれの接続を組み合わせることにより無数の組み合わせが存在します従って解析的に一意にパスを決定することは出来ませんまたもしこの周波数で 1 つのパスを仮定しても他の周波数ではどうでしょうか高周波シミュレータを使用したフィクスチャの S パラメータ抽出の為には実際の伝送線路で想定される各コンポーネントのジオメトリを完全に予測して広帯域で正確なモデリングをすることが必要ですがこれは至難の技です以下に TF-SATA-C-KIT の両側フィクスチャを含んだシングルエンド S パラメータの S11,S21 のプロットを示します高周波シミュレータのモデリングによるディエンベットを行うには S11, S21, S12, S22, S33, S43, S34, S44,S41,S14,S32,S23... それぞれの振幅と位相が必要な帯域全域で実測にあうモデルを作成する必要があります図 6:TF-SATA-C-KIT の S11(DC~20GHz) 図 7: TF-SATA-C-KIT の S21(DC~20GHz) Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 2 of 8

差動インピーダンスを表示して両フィクスチャの中点を同定する TF-SATA-C-KIT は両側フィクスチャの伝送路がほぼ対称なジオメトリで設計されており容易に SATA コネクタ接続点を推測することが出来ますまず差動ポート 1

3 SPARQ による Time Domain Gating を使用した方法 Teledyne LeCroy のシグナルインテグリティネットワークアナライザ SPARQ シリーズを用いてまず全体の S パラメータを測定します SATA コネクタ部分では差動線路としてカップリングしているため差動ポート設定を行って測定を行います図 8: TF-SATA-C-KIT 差動 S パラメータ実測値 (DC~20GHz) 差動インピーダンスを表示して両フィクスチャの中点を同定する TF-SATA-C-KIT は両側フィクスチャの伝送路がほぼ対称なジオメトリで設計されており容易に SATA コネクタ接続点を推測することが出来ますまず差動ポート 1 側から見たインピーダンスプロファイルをみてみます図 9: 差動ポート 1 側から見たインピーダンスプロファイル (Z(SDD11) 図 10: 実際のジオメトリと対応関係 (1) Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 3 of 8

図 11: 差動ポート 2 側から見たインピーダンスプロファイル (Z(SDD22)) 図

ここから SATA コネクタ中点を約 400ps の位置と見積もれます図 13:

4 図 11: 差動ポート 2 側から見たインピーダンスプロファイル (Z(SDD22)) 図 12: 実際のジオメトリと対応関係 (2) 両側からのインピーダンスプロファイルを重ねて表示すると分かりやすくなります対向側フィクスチャの SATA コネクタ基板接続点のインピーダンスの乱れが大きいですがその他はほぼ対称に出来ているのがわかりますここから SATA コネクタ中点を約 400ps の位置と見積もれます図 13: 両側差動インピーダンス表示を重書きする Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 4 of 8

Gating 機能を使用して両側フィクスチャの特性を差し引く先に求めた SATA コネクタ中点の時間位置約 400ps を正確に決定するために Gating 機能を用いて両側から 400ps 差し引きますもし完全に両側のフィクスチャの伝送特性を差し引くことが出来たら SDD21 の振幅 =1 (0dB) 位相 =0

アルゴリズムでは途中のインピーダンスを考慮するため正確なディエンベットが可能になります以下に両側から 400ps 差し引いた結果を示します振幅位相とも若干予想した値からずれています図 14: 両側から 400ps Gating で差し引く微調整を行い Delay を 393ps, Loss を

5 Gating 機能を使用して両側フィクスチャの特性を差し引く先に求めた SATA コネクタ中点の時間位置約 400ps を正確に決定するために Gating 機能を用いて両側から 400ps 差し引きますもし完全に両側のフィクスチャの伝送特性を差し引くことが出来たら SDD21 の振幅 =1 (0dB) 位相 =0 となりますこの際 Peeling を ON にするのを忘れないでくださいまた Peeling 機能は一般に用いられている Port Extension とは異なる事に注意してください Port Extension では理想的な 50Ω( 差動線路では 100Ω) を仮定して位相だけを回します Peeling アルゴリズムでは途中のインピーダンスを考慮するため正確なディエンベットが可能になります以下に両側から 400ps 差し引いた結果を示します振幅位相とも若干予想した値からずれています図 14: 両側から 400ps Gating で差し引く微調整を行い Delay を 393ps, Loss を 150mdB(/GHz/ns) とするとほぼ 12GHz まで SDD21 の振幅 =1 位相 =0 となり, インピーダンスプロファイルも計算誤差程度の小さな凹凸を除きほぼフラットとなりました図 15: 微調整後の結果 Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 5 of 8

パラメータ (Mixed mode S パラメータ ) となっていますオシロスコープ上のディエンベット機能に使用したり PC 上のシミュレータで使用するために一般的なシングルエンド S パラメータ (S4P 形式 ) に変換しますその為には SPARQ ソフトウェアのモード変換機能を用います一旦差動 S パラメータ

6 TF-SATA-C のみの特性にするために対向側のみ Gating を ON にします図 16: 対向側フィクスチャを差し引いた結果差動ポート 1 側は TF-SATA-C 側です SDD11 のインピーダンスプロファイルをみると SMA コネクタ端から始まり SATA コネクタ中点以降ではプロファイルがフラットになっているのがわかります逆に差動ポート 2 側は対向フィクスチャ側です SDD22 のインピーダンスプロファイルは SATA コネクタ中点からはじまるのがわかりますシングルエンド S パラメータへの変換ここで対向側フィクスチャを差し引いた S パラメータは差動 S パラメータ (Mixed mode S パラメータ ) となっていますオシロスコープ上のディエンベット機能に使用したり PC 上のシミュレータで使用するために一般的なシングルエンド S パラメータ (S4P 形式 ) に変換しますその為には SPARQ ソフトウェアのモード変換機能を用います一旦差動 S パラメータ (Mixed mode S- parameter) の形式で保存し再度 Sparameter Import で呼び出し Sparameter Convert 機能でシングルエンド形式に変換します図 17: 差動 S パラメータの読み込みと変換 Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 6 of 8

7 図 18: 差動 S パラメータからシングルエンド S パラメータへの変換設定変換結果 S パラメータ変換機能を用いてシングルエンド S パラメータが得られました図 19: 抽出された TF-SATA-C フィクスチャのシングルエンド S パラメータこうして得られたフィクスチャの S パラメータを用いる事で非同軸タイプのケーブルのケーブルのみの伝送特性を求めたり実測波形データからオシロスコープのディエンベット機能を用いてフィクスチャの影響を取り除いた波形として Eye やジッタの解析を行うことが可能になります Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 7 of 8

8 サマリー非同軸タイプの DUT を測定する場合に使用するフィクスチャの伝送特性を抽出する場合高周波シミュレータを駆使して必要な全帯域において実測 S パラメータにあうモデリングをすることは高度なシミュレーション技術を要し困難です Teledyne LeCroy のネットワークアナライザ SPARQ の peeling アルゴリズムを使用した Time Domain Gating 機能を用いることで実際に使用するフィクスチャの測定値から必要なフィクスチャのみの S パラメータを迅速に抽出することが可能になります Teledyne LeCroy Japan SPARQ を使用したフィクスチャの S パラメータ抽出 page 8 of 8

ディエンベディングとは冶具やケーブルによる観測信号の劣化を S パラメータデータを利用して計算により補正する TX 冶具ケーブル被測定物の出力 De-Embedding 冶具ケーブル等の影響を受けた波形冶具ケーブル等の S パラメータデータ TX 被測定物の出力冶具ケーブル等の影響のない

Keysight Technologies を使用した De-Embedding 2016.4.27 キーサイトテクノロジー計測お客様窓口ディエンベディングとは冶具やケーブルによる観測信号の劣化を S パラメータデータを利用して計算により補正する TX 冶具ケーブル被測定物の出力 De-Embedding 冶具ケーブル等の影響を受けた波形冶具ケーブル等の S パラメータデータ TX 被測定物の出力