원래 S-parameter는 RF 분야에서 사용되는 개념이었는데, 요즘엔(2000년대 이후) 고속 보드 레벨 회로 설계에서도 흔히 사용하는 개념이다. 간략히 설명하자면 회로 네트웍에서 입출력 신호의 비율로서 그 네특웍의 특성을 묘사하기 위해 고안된 것이 S-parameter이다.
S-parameter 모델은 네트웍의 입출력 신호비 만으로 구성되기 때문에 spice에 비해서 시뮬레이션 속도가 빠르며, 모델 자체만으로 네트웍의 특징을 우리에게 비교적 직관적으로 알 수 있게 해준다.
S21(insertion loss)
2포트 짜리 네트웍이 있다고 하자. 포트 1이 입력이고 포트 2가 출력이라고 한다면, 입력으로 들어가서 출력으로 나오는 신호의 비를 S21 혹은 insertion loss 라고 부른다. S 다음의 숫자가 신호가 나오는 포트이고 그 다음 숫자가 들어가는 포트이다.
만약에 S21 = 0dB 이면, 포트 1로 들어간 모든 신호가 손실없이 포트 2로 나온 것을 의미한다. S21 = -3dB 이면, 입력 대비 출력 신호의 파워가 반으로 줄어든 것을 의미한다(전압 기준으로 입력이 1V이면, 출력이 0.71V). S21이 -3dB 이하라면 그 네트웍은 insertion loss가 큰 편에 속한다고 볼 수 있을 것이다.
참고> dB
dB(데시벨)는 어떤 기준 전력에 대한 전력 비의 상용로그 값(벨)에 1/10을 취한 값이다.
S11(return loss)
네트웍의 입력포트로 신호가 들어갈 때, 그 들어간 포트로 다시 돌아 나오는 신호의 비를 S11 혹은 return loss라고 부른다. S11 = 0dB 이면 들어간 모든 신호가 다시 반사되어 나온 것이다. 일반적으로 S11 = -20dB 이하인 네트웍 사용을 권장하는데 -20dB이면 전력비가 1/100이고, 전압으로 본다면 입력 전압이 1V 일 때, 반사되어 나오는 신호는 0.1V인 것을 의미한다.
S41(far end cross-talk)
4포트 짜리 네트웍이 있다고 하자. 포트 1과 포트 3는 입력이고, 포트 2은 네트웍 내부에서 포트 1과 conductor로 연결된 출력이고 포트 4는 포트 2와 conductor로 연결된 출력이라고 하자. 이때 포트 1로 신호가 들어가서 포트 2로 나오면 위에 설명된 S21이 된다. 그런데 포트 1로 신호가 들어가서 포트 4로 나오면, 우리는 그것을 S41라 부르는데, 그것은 우리가 흔히 알고 있는 cross-talk이라고 부르는 신호 성분이다. cross-talk 신호가 관찰되는 곳이 입력의 반대편에 있기 때문에 구체적으로 far end cross-talk(FEXT)이라고 부른다. S41은 S11보다도 더 작은 것이 바람직할 것이다.
S31(near end cross-talk)
포트 1로 들어간 신호 중 포트 3으로 나오는 신호의 비는 S31이라 하는데, 이 것도 S41과 마찬가지로 cross-talk 신호 성분이다. 이 경우는 3번 포트가 1번 포트의 같은편에 있기 때문에 near end cross-talk(NEXT)이라고 부른다. NEXT와 FEXT는 다른 특징을 보인다 - Xtalk 부분 참조.
S-parameter 모델로 적용될 수 있는 곳
IC의 핀 부터 핀까지 interconnect를 구성하는 모든 부분은 s-parameter 모델로 표현될 수 있다. PCB(trace + via), connector, cable 들이 부분별로 S-parameter 모델로 표현될 수 있고, 모두를 합쳐서 표현될 수도 있다.
위상
위에서는 크기만으로 s-parameter 모델을 설명하였지만, s-parameter 모델에는 크기 뿐만하니라 위상 정보도 같이 표현된다. 그래야만 정확히 신호를 묘사할 수 있기 때문이다.
고속 인테페이스에서의 규약
표준 고속 인터페이스에서는 커넥터나 케이블등의 사용에 있어서 S-parameter 규약이 있을 수 있다. 다음은 DDR3 UDIMM 소켓에 관한 표준 spec이다. 마더보드에 사용되는 UDIMM DDR3 소켓은 아래 spec을 만족해야만 신호 품질을 보증할 수 있을 것이다.
| insertion loss |
S21 < -1.2 dB, f <= 3.5 GHz |
| return loss |
S11 < -10.0 dB, f <= 3.5 GHz |
| far end xtalk |
S14 < -13.5 dB, f <= 3.5 GHz |
| near end xtalk |
S13 < -9.5 dB, f <= 3.5 GHz |
