[SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

  • From: Scott McMorrow <Scott@xxxxxxxxxxxxx>
  • To: "C.C. Hwang" <cchwang2013@xxxxxxxxx>
  • Date: Thu, 25 May 2017 00:36:56 +0000

CC
You misread me.  

Again, everything you need to know about a system of interconnect is in the 
differential insertion loss and phase delay difference between two traces. I 
said nothing about the model that is used to derive the values for Cu 
Conductivity, Cu Roughness, Dk and Df.  The insertion loss and phase that I use 
is the generalized perfect match at each frequency.  You do something similar

If your method matches broadband phase response to high accuracy, and the 
broadband attenuation then we're good.  The rest depends on the accuracy of 
your numerical simulation model.

Good for you for having a technique that works.  There are multiple techniques 
that work. I was merely pointing out that phase is your friend.  And as we both 
know, the reality of PCB laminate material characterization is much more 
complex than we both are saying.

How would you propose deriving the dielectric tensor parameters necessary for 
modeling 3-dimensional PCB structures?

Scott


Scott McMorrow, CTO Signal Integrity Group
Samtec
Office 401-284-1827 | +1-800-726-8329
www.samtec.com

-----Original Message-----
From: C.C. Hwang [mailto:cchwang2013@xxxxxxxxx] ;
Sent: Wednesday, May 24, 2017 8:20 PM
To: Scott McMorrow <Scott@xxxxxxxxxxxxx>
Cc: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx; John Lin <johnlinc@xxxxxxxxx>; 
jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; si-list <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
Subject: Re: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Hi Scott,

We matched all single-ended, common and differential S parameters (magnitude 
and phase of IL, RL, NEXT and FEXT) PLUS all single-ended, common and 
differential TDR/TDT.  It is "self-consistent" because of built-in self 
verification.

Matching only idealized insertion loss (i.e., attenuation and phase
delay) from eigenvalue solution is a necessary but not sufficient condition.  
Return loss, for example, is affected by DK and cross-sectional geometry.  The 
cross-sectional geometry in turn affects the surface roughness and DF 
extraction.  It's hard to imagine that matching only idealized insertion loss 
to extract DK/DF will give the same original IL, RL, NEXT, FEXT and TDR/TDT.

Regards,
Ching-Chao Huang

On Wed, May 24, 2017 at 1:39 PM, Scott McMorrow <Scott@xxxxxxxxxxxxx> wrote:

C.C.

I agree with the need for FEXT and NEXT to dial in the characteristics of the 
resin-rich layer between differential pair conductors.  I published this in 
my training years ago.  Another simple way to perform the separation of 
dielectric properties is to use the separation of differential and common 
mode phase delay.

I'm surprised by your omission of phase delay.  Everything you need is 
contained in amplitude and phase.  TDR/TDT is an integration and obscures the 
primary information.  Good for a final check but not the best way to identify 
the primary material parameters.  Of all the measurements you can make, phase 
delay is also the one most free of noise.

Just sayin'.

Scott


Scott McMorrow, CTO Signal Integrity Group Samtec Office 401-284-1827 
| +1-800-726-8329 www.samtec.com

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx 
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of C.C. Hwang
Sent: Wednesday, May 24, 2017 11:54 AM
To: dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx
Cc: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx; John Lin <johnlinc@xxxxxxxxx>; 
jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; si-list <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

For accurate DK/DF extraction, we should measure differential traces and 
match all IL, RL, NEXT, FEXT and TDR/TDT after causal de-embedding.  Because 
the glass/resin composite makes PCB stripline structures inhomogeneous, the 
extracted DK/DF will depend on the cross-sectional model being used.  The 
extracted DK/DF can be considered "effective" values and they are self 
consistent with the model being used when all IL, RL, NEXT, FEXT and TDR/TDT 
are matched.
We showed that FEXT and its polarity, among others, can have profound 
implication in DK/DF extraction in a DesignCon paper:
http://www.ataitec.com/PDF/Paper_AfullyautomatedSIPlatform.pdf and ;
http://www.ataitec.com/PDF/MPX.pdf

Regards,
Ching-Chao Huang
www.ataitec.com



On Wed, May 24, 2017 at 8:28 AM, Bert Simonovich 
<dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> wrote:
John,

To add to the discussion, the roughness of the copper used in the 
fabrication of the core laminate and etching before final lamination 
will affect total phase delay which translates into and effective Dk 
(Dkeff). So the Dkeff you extract is only good for the particular 
geometry measured. It is not the intrinsic Dk of the dielectric material.

See my DesignCon2017 paper,  "A Practical Method to Model Effective 
Permittivity and Phase Delay Due to Conductor Surface Roughness".

http://bit.ly/2qWcHPm

Furthermore, since the dielectric is non-homogeneous, the glass 
style, resin content, number of dielectric layers used and where the 
traces are positioned relative to the glass weave pattern will affect 
results.

Best regards,

Bert Simonovich
Signal/Power Integrity Practitioner | Backplane Specialist | Founder 
LAMSIM Enterprises Inc.
Email:Lsimonovich @lamsimenterprises.com Web Site:
http://lamsimenterprises.com
Blog: http://blog.lamsimenterprises.com/


-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of Yuriy Shlepnev
Sent: 24-May-17 10:37 AM
To: johnlinc@xxxxxxxxx
Cc: jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; 'si-list'
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Hi John,

Let's take a practical case and analyze possible outcomes - such as 
FR408HR in the "Lessons Learned" project - paper #2014_01 at 
http://www.simberian.com/AppNotes.php
The dielectric around the strips is mostly resin.
If we use single ended strip and identify one effective model for 
dielectric, the result is usable for either single-ended strips or 
for loosely coupled differential. Nothing else is needed to cover those 
cases.
If we use tightly coupled differential traces, the complex 
propagation constants for differential and common modes will be 
different due to the resin around the strips (result of the  spatial 
"averaging" of E-field). To identify one dielectric model, we can use 
either differential or common mode for the model identification. The 
model identified with the common model will be close to the 
single-ended case, but not accurate for the differential mode 
analysis - does not matter what solver is used. The dielectric model 
identified with the differential propagation will be different, but 
usable only for the analysis of differential modes in the line with 
similar geometry. It will give wrong result for the common mode 
propagation. Simply put, isotropic one dielectric model will not be 
sufficient for such case.
Two dielectric models are needed - one for layer around the strips
(resin) and one for the rest of the cross-section (three-layer model for 
strips, anisotropic dielectric is an alternative).
Such model will be more accurately for all cases - single-ended, 
loosely and tightly coupled differential for both differential and common 
modes.
Dielectric models for such layered model of the cross-section can be 
identified with the two modes in the tightly coupled differential traces.

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.
2629 Townsgate Rd., Suite #235, Westlake Village, CA 91361, USA 
Office
+1-702-876-2882; Fax +1-702-482-7903 Cell +1-206-409-2368; Virtual
+1-408-627-7706
Skype: shlepnev

www.simberian.com
Simbeor - Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic 
Signal Integrity Software 2010 and 2011 DesignVision Award Winner,
2015 Best In Design&Test Finalist



-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of John Lin
Sent: Tuesday, May 23, 2017 9:27 PM
To: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx
Cc: jose.moreira@xxxxxxxxxxxxx; si-list
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Thank all to shed light on my questions. I appreciate.
 Hi Dr. Yuriy,
          Thank you for your insightful explanation.
       Based on it,  can I conclude that the Dk/Df extraction for 
Single Ended shall be close to the that of loosely coupling 
differential but different from tightly coupling due to the E field 
in between the tightly coupling traces and common mode convention?

If the extracted dk/df are used for simulator to model any 
structures, ie SE, tightly/ loosely coupling differential pair 
...etc., does Dk/Df extracted from SE makes more sense and more 
accurate assuming the tool automatically calculate the E field in 
between two tightly coupling differential traces?

Thanks again for helps.

John Lin





2017Е││5Ф°T24Ф?г 04:04О+-"Yuriy Shlepnev"
<shlepnev@xxxxxxxxxxxxx>Е│LИ│?О+

Hi Jose,

Technically, any structure on PCB with measurable parameters can be 
used to "tune" the material parameters if we can build a model of the 
structure. I agree with your statement that "A simple trace is not a good 
structure".
However, use of Beatty standard with de-embedding may be not the best 
approach either. First of all because of the de-embedding (as I can 
see in your paper) - that is difficult and error-prone for PCB 
materials with inhomogeneous dielectrics and large manufacturing 
variations. Also, the number of parameters to match simulations with 
measurements is also excessive - reflection and transmission 
parameters of the de-embedded structure should be matched 
simultaneously. This problem is common for all material 
identification techniques based on de-embedding - too complicated and 
error-prone for PCBs. So, what is better than a simple trace? - it is 
two simple traces :-) S-parameters of two trace segments can be used 
to extract either reflection-less generalized modal S-parameters - 
the simplest form of S-parameters of a t-line segment for any line 
with any number of traces (not an approximation).  It is just one 
complex transmission for single ended case and two transmissions for 
differential case (reflections and mode transformations are zero by 
definition, not by approximation). It is easy to fit same 
reflection-less model for a t-line segment, to find the material 
properties - the technique is in practical use since 2009 - see
#2010_01 and all papers after that at http://www.simberian.com/AppNotes.php.
The logarithm of the generalized modal transmission parameter divided 
by the length difference is the modal complex propagation constant or 
Gamma - that can be also used for the material identification in the 
same way (sometime called eigenvalue technique). Though, the 
techniques with Gamma, such as SPP light with S-parameters (see
#2016_02 at http://www.simberian.com/AppNotes.php), requires one 
additional step - taking the logarithms. Usually it is easy step and 
produces the same result as the technique with GMS-parameters. And, 
as Scott mentioned, both GMS or Gamma techniques allow easy dielectric and 
conductor loss separation.

Considering the single-ended vs. differential, as Gert already 
mentioned, the identification results can be very different. This is 
because of the layered type of inhomogeneity of the PCB materials. We 
always identify some effective permittivity averaged by the applied 
electric field. Techniques based on a wide strip line resonator have 
preliminary out of plane component of electric field - the identified 
value of Dk are good for structures with primarily out of plane 
electric field. The other extreme is techniques with E parallel to 
dielectric surface - they identify in plane value of Dk. It is 
consequence of the layered structure. A strip line with regular width 
(close to target impedance) has both out of plane and in plane 
electric fields - Dk identified with it will be between the out or plane 
(min value) and in plane (max value).  See more on that and references in 
the "Material World..."
tutorial #2016_01 at
http://www.simberian.com/TechnicalPresentations.php The bottom line ;
is that the end result of the identification should be usable for the 
modeling of traces within the actual interconnects width range.
Which value would be better for that? - the answer is obvious, the 
values identified with the traces used as the actual interconnects.
Values identified with single-ended can be safely used for loosely 
coupled differential, simply because of almost the same structure of 
the electric field. However, tightly coupled differential traces have 
more energy in the out of plane electric field. The space between the 
tightly coupled traces with mostly in plane electric field can be 
filled mostly with the resin and property of the resin may be 
different from the rest of the resin-fiber mixture. That changes the 
identified Dk. The effect shows up as difference in the phase or 
group delay of the differential and common modes or as NEXT on 
single-ended S-parameters. Layered dielectric model should be used in 
such cases to improve accuracy for both differential and common mode 
modeling. Use of differential traces is essential for such cases - 
see examples is at the "Lessons learned..." paper #2014_01 at 
http://www.simberian.com/AppNotes.php

Best regards,
Yuriy

Yuriy Shlepnev, Ph.D.
President, Simberian Inc.
2629 Townsgate Rd., Suite #235, Westlake Village, CA 91361, USA 
Office
+1-702-876-2882; Fax +1-702-482-7903 Cell +1-206-409-2368; Virtual
+1-408-627-7706
Skype: shlepnev

www.simberian.com
Simbeor - Accurate, Productive and Cost-Effective Electromagnetic 
Signal Integrity Software
2010 and 2011 DesignVision Award Winner, 2015 Best In Design&Test 
Finalist



-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of Moreira, Jose
Sent: Tuesday, May 23, 2017 1:36 AM
To: johnlinc@xxxxxxxxx; si-list
Subject: [SI-LIST] Re: Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction


In my opinion differential or single-ended makes no difference for 
Dk/Df extraction. Important is the kind of structure you use. A 
simple trace is not a good structure. I suggest a resonant standard like a 
Beatty Standard.

Check the Designcon 2018 paper "Non-Destructive Analysis and EM Model 
Tuning of PCB Signal Traces using the Beatty Standard"

Jose

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On Behalf Of John Lin
Sent: Dienstag, 23. Mai 2017 05:53
To: si-list <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
Subject: [SI-LIST] Differential vs. SE for PCB Dk/Df extraction

Hi SI gurus,

While using VNA to measurement traces on PCB  for loss and Dk/Df 
extraction, my colleagues say the differential handhold probe head 
can have wider bandwidth than single ended handhold probe head.  Is it true?
Can someone help to explain the reasons?

 Also, for Dk/Df extraction, which is better structure, using single 
ended or  differential traces? Why?

Thank you for helps in advance.

Thanks,
John Lin


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                http://www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                http://www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                http://www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                http://www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu



---
This email has been checked for viruses by AVG.
http://www.avg.com

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                http://www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:
                http://www.freelists.org/archives/si-list

Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu


------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
http://www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                http://www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: