高速連接器和背板測試分析及方案.doc

河南省瑞光印務(wù)股份有限公司提供高速連接器和背板測試分析及方案隨著數(shù)字電路工作速度的提高，PCB、連接器、背板上信號的傳輸速率也越來越高，如HDMI 1.3的信號速率達到3.4Gb/s，USB3.0的信號速率已經(jīng)達到5Gb/s，PCI-E Gen3的信號速率更是高達8Gb/s，SATA下一代的信號速率將達到12Gb/s。在較低數(shù)據(jù)速率時，驅(qū)動器和接收機一般是導致信號完整性問題的主要因素。以往人們通常把印刷電路板、連接器、電纜和過孔當成是簡單的部件，稍加考慮或者無需考慮其他因素就可以很容易地把它們組成一個系統(tǒng)?，F(xiàn)在，從邏輯電平0 到邏輯電平1 的數(shù)據(jù)上升時間已不足100 ps，如此高速的信號在傳輸線路上傳輸時會形成微波傳輸線效應(yīng)，這些傳輸線效應(yīng)對于信號的影響會更加復(fù)雜。很多系統(tǒng)內(nèi)的物理層有許多線性無源元件，它們會因阻抗不連續(xù)而產(chǎn)生反射，或者對于不同頻率成分有不同的衰減，因此作為互連的物理層特性檢驗正變得日益關(guān)鍵。一般用時域分析來描述這些物理層結(jié)構(gòu)的特征，為了獲得一個完整的時域信息，必須要測試反射和傳輸（TDR和TDT）中的階躍和脈沖響應(yīng)。隨著信號頻率的提高，還必須在所有可能的工作模式下進行頻域分析，以全面描述物理層結(jié)構(gòu)的特征。S參數(shù)模型說明了這些數(shù)字電路所展示出的模擬特點，如不連續(xù)點反射、頻率相關(guān)損耗、串擾和EMI等。表1是HDMI對于線纜的阻抗和衰減要求的一個例子： 表1 HDMI對線纜的阻抗和衰減的要求 全面的特性檢定包括前項和后向傳輸和反射、所有可能的工作模式以及頻域和時域，表2是進行物理層檢定通常要測試的時域和頻域參數(shù)。 表2物理層檢定通常需要測試的時域和頻域參數(shù)傳統(tǒng)PCB板的阻抗測試方法不能完全描述信號經(jīng)過傳輸線路后的行為特點，因此對于這些高速傳輸線和連接器的分析也要把時域和頻域結(jié)合起來，采用更高級的分析方法，其中一種很有效的工具就是物理層測試系統(tǒng)(PLTS)。 PLTS系統(tǒng)的功能物理層測試系統(tǒng)（PLTS）適合用于高速連接器、背板、PCB或電纜的信號完整性分析。如圖1所示，PLTS 軟件引導用戶完成硬件設(shè)置、校準和數(shù)據(jù)采集。時域反射計（TDR）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）都可作為測量引擎，它們各自的校準向?qū)⒃试S采用先進的校準技術(shù)，可去除不需要的測試夾具效應(yīng)，比如電纜損耗、連接器不連續(xù)性和印制電路板材料的介電損耗等。用PLTS器件數(shù)據(jù)庫通過許多有用方法觀看器件的性能特性, 可用Novel眼圖綜合引擎完成熟悉的時域分析(TDR 和TDT)。對于高速數(shù)字標準，例如HDMI和SATA，由于高速數(shù)據(jù)的快上升時間沿會在背板通道內(nèi)產(chǎn)生微波傳輸線效應(yīng)，所以現(xiàn)在頻域分析已處于主導地位,因此我們經(jīng)常需要測試輸入差分插入損耗(SDD21)。PLTS提供的虛擬位圖發(fā)生器允許把用戶定義的二進制序列或標準PRBS與測量數(shù)據(jù)相卷積而得到眼圖。此外，PLTS 還使用專利變換算法得到頻域和時域數(shù)據(jù)，正向和反向信號流，以及所有可能工作模式(單端、差分和模式轉(zhuǎn)換)中的傳輸和反射項。 圖1 用于高速連接器、背板、PCB或電纜的信號完整性分析的物理層測試系統(tǒng) PLTS軟件采用專門設(shè)計的用戶界面，使得設(shè)置、校準和測量變得非常直觀，盡量避免了人為差錯。向?qū)С绦驎龑в脩敉瓿伤幸蟮牟襟E，它還會提示用戶連接被測器件、啟動測量。設(shè)置和校準在基于TDR的測試系統(tǒng)與基于VNA的測試系統(tǒng)間略有差異，但是PLTS軟件都提供了直觀的向?qū)С绦?，可以協(xié)助用戶逐步完成操作過程。圖2是一個測量的流程： 圖2 物理層測試系統(tǒng)測量流程 測試案例分析確定了背板通道上的各元件后，就可制作和評估原型。在圖3所示的測量中，連接器作為背板測試的載體，用PLTS 系統(tǒng)測量3種不同長度走線的差分插入損耗(SDD21)。現(xiàn)在，多數(shù)數(shù)字標準都把該SDD 21 作為性能的參照指數(shù)，可把該參數(shù)看成是差分信號沿背板通道傳播時的頻率響應(yīng)。衰減量vs.頻率是判斷性能優(yōu)劣的好方法。實際上，通道越短，作為頻率函數(shù)的衰減就越小。 圖3 差分插入損耗測試分析 延誤高速、高密度PCB板設(shè)計上市時間的最大挑戰(zhàn)之一是通道間存在串擾(在一個差分通道對與相鄰的差分對之間)。當然，差分對內(nèi)的串擾是非常必要的，我們稱之為耦合，這種強耦合提供高共模抑制比(CMRR)，但差分對之間的任何模式轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生串擾。圖4表明物理層器件模式轉(zhuǎn)換的實際應(yīng)用情況。這里示出的是帶有兩塊子卡的XAUI 背板，典型數(shù)據(jù)傳輸率為3.125 Gb/s。該高速差分通道的設(shè)計目標是最小化整個通道長度上相鄰差分電路板走線間的串擾。從差模到共模的任何模式轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生EMI，并把串擾注入其它通道而使性能下降。對于背板設(shè)計來說，有用的調(diào)試工具將精確地找出通道內(nèi)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換的具體位置。從下圖可看到差模至共模轉(zhuǎn)換的時域反射參數(shù)(TCD11)與通道的差分阻抗輪廓(TDD11)在時間上是對準的。把標記放在TCD11的最大幅度峰值上。這是通道內(nèi)產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換的地方，也是最大的串擾源。我們能把TDD11與TCD11在時間上對準，從而在空間上共同定位TDD11上有問題的地方。為把結(jié)構(gòu)與通道相關(guān)聯(lián)，我們把差分阻抗輪廓作為參照。已知TDD11上有兩個電容性的不連續(xù)，分別是子板的過孔和母板的過孔。由于標記是落在TDD11的第二個不連續(xù)處，因此知道母板的過孔是造成相鄰?fù)ǖ纼?nèi)串擾的最大禍首。應(yīng)重新為母板的過孔選路，以減小串擾的產(chǎn)生。這項測量和分析可全部在PLTS工具環(huán)境中完成。 圖4 物理層器件模式轉(zhuǎn)換的實際應(yīng)用情況 在表征用于特定數(shù)字協(xié)議的器件時，眼圖分析是非常有用的。例如我們知道ATCA 背板能在 10Gb/s 時很好的工作，如果眼圖能很好張開，并且數(shù)據(jù)躍變沒有侵入標準模板，我們就能說已符合標準要求。該眼圖是由背板S- 參數(shù)的沖激響應(yīng)與用戶可編程的任意二進制序列的沖激響應(yīng)相卷積合成而來的。這種卷積運算可用于標準 PRBS 碼型， PLTS 允許使用的標準 PRBS碼型可達到2E15-1 的長度。這種建立眼圖的方法與使用帶標準模板的碼型發(fā)生器和采樣示波器的標準符合性測試的標準方法相當一致。 圖5的例子主要是為了評估設(shè)計中應(yīng)該采用通孔還是微通孔更有利于高速信號的傳輸。圖中的 PLTS 眼圖是我們測試載體中標準通孔和微通孔結(jié)構(gòu)得到每種情況下的4 端口 S- 參數(shù)后綜合仿真出的結(jié)果。從圖中可看到微通孔能在 20Gb/s 下工作，微通孔的眼圖比標準通孔有更好的張開度，而標準通孔則達不到這一速度。 圖5 基于PLTS的通孔和微通孔眼圖分析當用戶懷疑連接器有問題時可以用PLTS的時域選通技術(shù)進行仿真驗證。圖6說明了如何使用這一技術(shù)。在這個例子中，頂部圖說明了所測得的差分階躍阻抗和回波損耗。從左上圖可以看到有明顯的阻抗不連續(xù)點。左下圖說明了使用時域選通技術(shù)，去掉軌跡中心連接器造成的阻抗不連續(xù)。右下圖顯示了測得的回波損耗和重新計算的回波損耗，可以看到去掉連接器的影響后使回波損耗在感興趣的頻段內(nèi)改善了10dB以上。 圖6 采用時域選通技術(shù)仿真驗證連接器的問題 PLTS系統(tǒng)可以基于頻域和時域的測量結(jié)果提取出線路的RLCG(電阻、電感、電容、電導)模型，RLCG 模型采用等效電路的方法描述無源傳輸線的電特性，能產(chǎn)生基于測量的耦合傳輸線的精確模型。PLTS 能將RLCG輸出到建模與仿真軟件如Agilent 的ADS, Synopsis的 HSPICE等進行傳輸線和系統(tǒng)仿真,通過仿真可以分析線路故障原因和指導設(shè)計。圖7是PLTS和ADS的接口示意圖。 圖7 PLTS和ADS的接口示意圖 測試系統(tǒng)配置在PLTS中，使用基于TDR的測試系統(tǒng)和基于VNA的測試系統(tǒng)都可以提供比較完整的信息，那么應(yīng)該選擇哪個系統(tǒng)呢？許多信號完整性（SI）實驗室都同時采用了這兩種系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)各有優(yōu)勢，在某些要求得到最大限度的多功能性場合，這兩套系統(tǒng)都可以適當?shù)丶右允褂?。對于需要快速建立一階模型、而且希望測試設(shè)備容易使用和熟悉的工程師來說，基于TDR的測試系統(tǒng)可能是最佳選擇。而基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的測試系統(tǒng)大大提高了帶寬、幅度和相位精度、相位穩(wěn)定性、動態(tài)范圍（信噪比）和先進的校準技術(shù)。在很多情況