S-Parameter und Impedanzprofile TDR und VNA sind in einem Messgerät vereint

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Der WavePulser 40iX von Teledyne LeCroy schließt die Lücke zwischen Time-Domain-Reflektometrie (TDR) und Vektornetzwerkanalyse (VNA). Das Instrument bietet Elektronikentwicklern ein kombiniertes Werkzeug, das sowohl S-Parameter als auch Impedanzprofile von DC bis 40 GHz in einer einzigen Messung liefert.

Beim Design schneller Digitalschaltungen stehen Ingenieure traditionell vor der folgenden Wahl: Um Diskontinuitäten im Impedanzverlauf entlang einer Leiterbahn zu lokalisieren und die physische Position von Fehlstellen mit hoher räumlicher Auflösung zu bestimmen, wird ein TDR (Time Domain Reflectometer) eingesetzt. Um hingegen das Verhalten eines Kanals über die Frequenz zu charakterisieren, beispielsweise Einfügedämpfung (Insertion Loss), Rückflussdämpfung (Return Loss) und Übersprechen (Crosstalk), verwenden Entwickler einen Vektornetzwerkanalysator (VNA), der präzise S-Parameter liefert. Beide Instrumente beantworten also grundsätzlich unterschiedliche Fragen über dieselbe Verbindungsstrecke.

Da serielle Datenraten inzwischen Werte von über 32 GT/s erreichen, erweist sich diese strikte instrumentelle Trennung als zunehmend unpraktisch. Ein PCIe-Gen-5- oder USB4-Kanal muss zwingend in beiden Domänen validiert werden. Dies erfolgt oft durch denselben Ingenieur und unter hohem Zeitdruck.

S-Parameter und Impedanzprofile aus einer Hand

Der WavePulser 40iX ist ein 4-Kanal-Instrument, das beide Welten zusammenführt: Es generiert sowohl Single-Ended- als auch Mixed-Mode-S-Parameter zusammen mit einem vollständigen Impedanzprofil aus einer einzigen Erfassung. Ein entscheidender technischer Vorteil gegenüber reinen VNA-Lösungen zeigt sich bei tiefen Frequenzen. Der WavePulser erfasst die DC-Komponente direkt. Dadurch entfällt die fehleranfällige niederfrequente Extrapolation bis hinunter zu DC (0 Hz), die bei VNA-basierten Verfahren oft zu Kausalitäts- und Passivitätsproblemen in nachgelagerten Simulationsmodellen führt. Gleichzeitig bietet das System eine hohe Frequenzauflösung, die für die genaue Modellierung langer Kanäle erforderlich ist, sowie eine exzellente räumliche Auflösung zur Lokalisierung kleinster Fehler auf der Leiterplatte.

Dazu erklärt Dr. Eric Bogatin, renommierter Experte für Signalintegrität bei Teledyne LeCroy: „Das Instrument vereint den Zeit- und Frequenzbereich und ermöglicht die zuverlässige Erkennung von physikalischen Beeinträchtigungen wie schlecht montierten Steckverbindern, mechanisch beschädigten Kabeln oder Diskontinuitäten im Kanal.“

Vorteile bei der Kalibrierung und Analyse

Eine bekannte Herausforderung beim Einsatz von VNAs ist die komplexe und empfindliche Kalibrierung, die oft durch das nachträgliche Bewegen von Kabeln beeinträchtigt wird. Der WavePulser umgeht dieses Problem durch eine Architektur, die eine vereinfachte und robustere Kalibrierung ermöglicht, was den Messaufbau erheblich beschleunigt und Messfehler im Laboralltag reduziert.

Das System richtet sich an Entwickler, die Kabel, Leiterbahnen, Steckverbinder, Vias und IC-Packages charakterisieren. Es deckt alle gängigen Hochgeschwindigkeits-Protokolle moderner digitaler Systeme ab, darunter PCIe, USB, HDMI, SAS, SATA, Fibre Channel und Automotive Ethernet.

Zusätzlich verfügt das Instrument über integrierte Analysewerkzeuge, die weit über die reine Datenerfassung hinausgehen. Dazu gehören Fixture-De-Embedding, Augendiagramm-Emulation mit Entzerrung (Equalization) sowie Jitter- und PAM4-Analysen. Da das System vollständig programmierbar ist, lässt es sich nahtlos in automatisierte Testumgebungen und kundenspezifische Messabläufe integrieren.

Ein Fazit

Mit stetig steigenden Datenraten und den damit wachsenden Anforderungen an das Budget für die Kanaldämpfung benötigen Hardware-Entwickler Charakterisierungen im Zeit- und Frequenzbereich aus einer Hand. Der WavePulser 40iX adressiert genau diese Anforderung durch die simultane Bereitstellung von S-Parametern und Impedanzprofilen von DC bis 40 GHz. Der integrierte Workflow eignet sich dabei sowohl für komplexe Laboranalysen als auch für den Einsatz in Produktionsumgebungen. (heh)

Referenzen

[1] TL Blog, „WavePulser 40iX vs. Time Domain Reflectometer (TDR) or Vector Network Analyzer (VNA),“ März 2022.

[2] TL Blog, „A Tale of Two Calibrations: Vector Network Analyzer vs. WavePulser 40iX,“ Juli 2022.

[3] WavePulser 40iX Produktseite, Teledyne LeCroy.

[4] TL Pressemitteilung, „WavePulser 40iX High-Speed Interconnect Analyzer,“ Juni 2019.

[5] Pupalaikis, P. J., „Pulser Repetition Rate and Frequency Resolution,“ TL Technical Brief, März 2020.

[6] Pupalaikis, P. J., „Risetime and Spatial Resolution,“ TL Technical Brief, März 2020.

[7] Pupalaikis, P. J., S-Parameters for Signal Integrity, Cambridge University Press, 2020.

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Photonik-Tests: Ein Analysator misst S-Parameter optisch bis 220 GHz

* Ahmad Halawani ist Application Engineer bei Teledyne LeCroy in Heidelberg.

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