電纜損耗的補(bǔ)償方法

本應(yīng)用筆記介紹了一種電纜損耗的補(bǔ)償方法，允許測試設(shè)備制造商使用高損耗電纜以降低成本，同時(shí)也不會犧牲產(chǎn)品性能。

概述

應(yīng)用筆記4303：“電纜損耗對自動測試設(shè)備的影響”討論了高損耗電纜的信號衰減機(jī)制。損耗主要源于兩方面：趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗。設(shè)備制造商，例如提供自動測試設(shè)備(ATE)的制造商，為了降低整個系統(tǒng)成本，大多使用高損耗電纜。隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，這些電纜對系統(tǒng)性能的影響已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消了它們的低成本優(yōu)勢。值得慶幸的是，可以利用電子電路補(bǔ)償電纜損耗。

解決電纜損耗的可行方案

解決電纜高損耗的途徑之一是選擇高質(zhì)量、昂貴的電纜，這種電纜對系統(tǒng)性能的負(fù)面影響最小。但只有一些特殊的高端系統(tǒng)，比如軍用設(shè)備，才可能接受這種高質(zhì)量電纜。高昂的成本嚴(yán)重制約了這類電纜的使用。另外，電纜線徑也會限制系統(tǒng)中能夠使用的電纜數(shù)量，即使高質(zhì)量電纜也會產(chǎn)生顯著的損耗。

另一方案是設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娮与娐?，不僅用于驅(qū)動電纜，而且能夠均衡電纜損耗。這種方案采用小尺寸引腳電子器件(PE)驅(qū)動電纜，從而允許使用線徑較細(xì)的低成本、高損耗電纜。器件還可補(bǔ)償PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。另外，該方案使系統(tǒng)性能接近PE所能提供的性能指標(biāo)，無需考慮電纜損耗問題。

最后一種解決方案是結(jié)合上述兩種方法，但PE方案是最切實(shí)可行的選擇，也是本文所關(guān)注的內(nèi)容。

電子方法解決電纜損耗

圖1和圖2描述了電纜損耗，損耗導(dǎo)致波形邊沿變得平滑，或“磨損”最終信號。正是這些“平滑”信號的邊沿降低了系統(tǒng)的有效帶寬。帶寬損失源于電纜而不是PE。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，需要恢復(fù)有效的系統(tǒng)帶寬。


圖1. 驅(qū)動器電纜損耗修正的基本原理


圖2. 比較器通道的電纜損耗補(bǔ)償

為了修正信號“磨損”、恢復(fù)帶寬，必須找到一種方法將波形邊沿恢復(fù)到直接來自驅(qū)動器的陡峭、無噪聲方波。這種修正必須利用驅(qū)動電纜的PE實(shí)現(xiàn)。圖1中包含一個附加電路模塊“波形整形”，通過增加可控制的過沖幅度，有效修復(fù)信號的邊沿。邊沿修復(fù)不是通過簡單的過沖電路實(shí)現(xiàn)，簡單的過沖電路會對邊沿產(chǎn)生負(fù)面影響，造成幅度波動，過沖量取決于具體加入的過沖。這些不良影響會造成時(shí)序、信號偏移等誤差，而且這些誤差隨頻率、幅度的變化而變化。

圖2給出了更詳細(xì)的Maxim產(chǎn)品對于修正電纜損耗的方法。圖1所示為PE IC從電纜到被測件(DUT)整個驅(qū)動連路的波形修正情況。圖2列出了類似修正情況，從DUT通過電纜，到達(dá)PE的比較器。驅(qū)動器和比較器通路均需要修正。

電纜損耗補(bǔ)償電路在信號中加入兩個一階時(shí)間常數(shù)衰減的峰值信號。DOVSx輸入電壓控制持續(xù)時(shí)間較短的峰值電平，補(bǔ)償過沖電壓；DOVLx輸入電壓控制持續(xù)時(shí)間較長的峰值，補(bǔ)償過沖電壓。較短或較長持續(xù)時(shí)間的過沖信號都限制在10%過沖范圍內(nèi)。兩個峰值信號分別固定衰減時(shí)間常數(shù)。DOVSx信號的時(shí)間常數(shù)為77ps，DOVLx補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間常數(shù)為1.5ns。如圖2所示，COVSx和COVLx在比較器通道充當(dāng)類似功能。

MAX9957雙通道2000Mbps驅(qū)動器和MAX9955雙通道2000Mbps比較器/端接器采用雙時(shí)間常數(shù)，如圖1、圖2所示，兩個時(shí)間常數(shù)可分別調(diào)節(jié)。

MAX9979雙通道1100Mbps驅(qū)動器/PMU，具有電平設(shè)置校準(zhǔn)DAC，使用單路控制架構(gòu)(表1和圖3所示)。這種方案同樣采用雙時(shí)間常數(shù)，但將雙時(shí)間常數(shù)組合到一個3位DAC中。

表1. MAX9979電纜衰減補(bǔ)償控制

Serial Interface Bits			Droop Compensation (%)
CDRP2_	CDRP1_	CDRP0_
0	0	0	0.0
0	0	1	1.5
0	1	0	3.0
0	1	1	4.5
1	0	0	6.0
1	0	1	7.5
1	1	0	9.0
1	1	1	10.5

圖3. MAX9979電纜補(bǔ)償

不同電纜下的MAX9979性能測試

MAX9979為雙通道PE，集成了驅(qū)動器/比較器/負(fù)載(DCL)、PMU和電平設(shè)置校準(zhǔn)。每通道功耗為1.1W，優(yōu)化工作在1Gbps、3V信號，采用50Ω端接。

圖4至圖9提供了一組MAX9979的測試數(shù)據(jù)，測試平臺與圖3類似。這些測試數(shù)據(jù)實(shí)在以下條件下獲得的：MAX9979配置在VDH = 3V、VDL = 0V，為50Ω負(fù)載提供3V信號驅(qū)動，圖中給出了相應(yīng)的電纜。

從圖4至圖9測試結(jié)果可以看出：補(bǔ)償電纜與未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娎|相比具有明顯優(yōu)勢。圖8到圖9接近于高速測試裝置的實(shí)際測試結(jié)果，可以清楚地看到電平跳變速率或系統(tǒng)帶寬，幾乎降低了50%，這些損耗是經(jīng)過電纜產(chǎn)生的衰減。有些情況下結(jié)果可能更糟，因?yàn)锳TE使用的電纜比測試采用的電纜損耗更大。另外，這些測試也包含了信號通道的PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。Maxim的ATE產(chǎn)品線中的PE電纜補(bǔ)償能夠?qū)λ行盘柾ǖ赖膿p耗進(jìn)行補(bǔ)償。


圖4. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的轉(zhuǎn)換速率，采用固態(tài)和半剛性SMA電纜


圖5. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的上升時(shí)間，采用固態(tài)和半剛性SMA電纜


圖6. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的轉(zhuǎn)換速率，采用RG58C電纜


圖7. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的上升時(shí)間，采用RG58C電纜


圖8. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的轉(zhuǎn)換速率，采用RG174電纜


圖9. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的上升時(shí)間，采用RG174電纜

通過對圖4至圖9數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析顯示，電平轉(zhuǎn)換速率的降低和延長的上升時(shí)間是導(dǎo)致電纜損耗的關(guān)鍵，從沒有補(bǔ)償?shù)耐ǖ栏菀卓吹竭@一現(xiàn)象。所產(chǎn)生的損耗取決于使用電纜的長度和質(zhì)量，實(shí)際應(yīng)用中，電纜本身造成的損耗就有可能超過50%。

注：

1. 測試使用的固態(tài)SMA電纜價(jià)格是130美元/英尺，半剛性電纜價(jià)格是30美元/英尺，RG58和RG174電纜的價(jià)格是5美元/英尺。
2. 價(jià)格昂貴的電纜性能很好，傳輸長度甚至可以達(dá)到36英寸。但這些價(jià)格昂貴的電纜同樣需要補(bǔ)償，以支持最高的數(shù)據(jù)速率和最小上升時(shí)間。
3. 12英寸、特別是36英寸的RG58電纜即使在補(bǔ)償情況下，電平轉(zhuǎn)換速率也明顯下降，上升時(shí)間較長。未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娎|損耗更大。
4. 從圖8、圖9可以看出，沒有補(bǔ)償時(shí)，較長的高損耗電纜會大大降低系統(tǒng)性能。對這些電纜進(jìn)行補(bǔ)償，可以恢復(fù)信號帶寬或提高電平轉(zhuǎn)換速率，達(dá)到驅(qū)動器90%以上的性能指標(biāo)。
5. 沒有電纜補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，如果PE驅(qū)動器可以支持1000Mpbs或更高速率，電纜損耗、繼電器、連接器和PCB引線造成的損耗可能高達(dá)50%。相反，使用具備電纜損耗補(bǔ)償?shù)腜E系統(tǒng)，系統(tǒng)性能可以達(dá)到PE器件本身所能提供指標(biāo)的90%。
6. PE補(bǔ)償必須可調(diào)，PE如果只是采用簡單的過沖電路，則無法針對特定長度的電纜進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)檫呇睾图y波會隨著頻率、幅度而改變，從而引入時(shí)序誤差。

圖10和圖11是6英尺和3英尺RG174電纜的實(shí)際測量結(jié)果。圖8和圖9的數(shù)據(jù)直接從這些結(jié)果提取。輸出結(jié)果包括未經(jīng)補(bǔ)償?shù)牟ㄐ?、?jīng)過完全補(bǔ)償?shù)牟ㄐ危?位過補(bǔ)償?shù)牟ㄐ巍?br>

圖10. 6英尺RG174電纜輸出波形，四個波形分別為：沒有補(bǔ)償、部分補(bǔ)償、完全補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)那闆r(請參考圖8和圖9相關(guān)數(shù)據(jù))。


圖11. 3英尺RG174電纜輸出波形，三個波形分別為：沒有補(bǔ)償、完全補(bǔ)償和過補(bǔ)償?shù)那闆r(請參考圖8和圖9相關(guān)數(shù)據(jù))。

上述波形表明，嚴(yán)格的PE電纜補(bǔ)償設(shè)計(jì)能夠保持真實(shí)的信號邊沿，甚至可以減小幅度波動，從而維持正確的瞬變電平，使系統(tǒng)在任何頻率和幅度下獲得最佳性能。

測試結(jié)果總結(jié)

圖4至圖11所示測試結(jié)果證實(shí)了上述理論分析和相關(guān)討論。試驗(yàn)中使用的電纜質(zhì)量優(yōu)于ATE設(shè)備使用的電纜。顯然，沒有電纜補(bǔ)償電路，系統(tǒng)將無法達(dá)到與PE同等的性能指標(biāo)。同樣，在PE中設(shè)計(jì)電纜補(bǔ)償，可以獲得幾乎100%的性能指標(biāo)，非常接近PE所能支持的最高速率。

在電子驅(qū)動器內(nèi)設(shè)計(jì)電纜補(bǔ)償電路，使系統(tǒng)能夠使用低成本、高損耗電纜，同時(shí)保證整體性能。在驅(qū)動器中加入此補(bǔ)償功能會增加每個引腳的成本。然而，性能的提高和低成本電纜的使用，無疑可以彌補(bǔ)引腳成本的提高，最終降低整體成本。