關(guān)于高速連接器和背板測(cè)試分析及測(cè)試方案詳解

隨著數(shù)字電路工作速度的提高，PCB、連接器、背板上信號(hào)的傳輸速率也越來(lái)越高，如HDMI 1.3的信號(hào)速率達(dá)到3.4Gb/s，USB3.0的信號(hào)速率已經(jīng)達(dá)到5Gb/s，PCI-E Gen3的信號(hào)速率更是高達(dá)8Gb/s，SATA下一代的信號(hào)速率將達(dá)到12Gb/s。

在較低數(shù)據(jù)速率時(shí)，驅(qū)動(dòng)器和接收機(jī)一般是導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)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(guò)孔當(dāng)成是簡(jiǎn)單的部件，稍加考慮或者無(wú)需考慮其他因素就可以很容易地把它們組成一個(gè)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(shí)間已不足100 ps，如此高速的信號(hào)在傳輸線路上傳輸時(shí)會(huì)形成微波傳輸線效應(yīng)，這些傳輸線效應(yīng)對(duì)于信號(hào)的影響會(huì)更加復(fù)雜。很多系統(tǒng)內(nèi)的物理層有許多線性無(wú)源元件，它們會(huì)因阻抗不連續(xù)而產(chǎn)生反射，或者對(duì)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(yàn)正變得日益關(guān)鍵。

一般用時(shí)域分析來(lái)描述這些物理層結(jié)構(gòu)的特征，為了獲得一個(gè)完整的時(shí)域信息，必須要測(cè)試反射和傳輸（TDR和TDT）中的階躍和脈沖響應(yīng)。隨著信號(hào)頻率的提高，還必須在所有可能的工作模式下進(jìn)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(shuō)明了這些數(shù)字電路所展示出的模擬特點(diǎn)，如不連續(xù)點(diǎn)反射、頻率相關(guān)損耗、串?dāng)_和EMI等。

全面的特性檢定包括前項(xiàng)和后向傳輸和反射、所有可能的工作模式以及頻域和時(shí)域。

傳統(tǒng)PCB板的阻抗測(cè)試方法不能完全描述信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸線路后的行為特點(diǎn)，因此對(duì)于這些高速傳輸線和連接器的分析也要把時(shí)域和頻域結(jié)合起來(lái)，采用更高級(jí)的分析方法，其中一種很有效的工具就是物理層測(cè)試系統(tǒng)（PLTS）。

物理層測(cè)試系統(tǒng)（PLTS）適合用于高速連接器、背板、PCB或電纜的信號(hào)完整性分析。PLTS 軟件引導(dǎo)用戶完成硬件設(shè)置、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)采集。時(shí)域反射計(jì)（TDR）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）都可作為測(cè)量引擎，它們各自的校準(zhǔn)向?qū)⒃试S采用先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)，可去除不需要的測(cè)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(kù)通過(guò)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(shí)域分析（TDR 和TDT）。對(duì)于高速數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，例如HDMI和SATA，由于高速數(shù)據(jù)的快上升時(shí)間沿會(huì)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(dǎo)地位，因此我們經(jīng)常需要測(cè)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(jìn)制序列或標(biāo)準(zhǔn)PRBS與測(cè)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(shí)域數(shù)據(jù)，正向和反向信號(hào)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(xiàng)。

PLTS軟件采用專門設(shè)計(jì)的用戶界面，使得設(shè)置、校準(zhǔn)和測(cè)量變得非常直觀，盡量避免了人為差錯(cuò)。向?qū)С绦驎?huì)引導(dǎo)用戶完成所有要求的步驟，它還會(huì)提示用戶連接被測(cè)器件、啟動(dòng)測(cè)量。設(shè)置和校準(zhǔn)在基于TDR的測(cè)試系統(tǒng)與基于VNA的測(cè)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(guò)程。

測(cè)試案例分析

確定了背板通道上的各元件后，就可制作和評(píng)估原型。連接器作為背板測(cè)試的載體，用PLTS 系統(tǒng)測(cè)量3種不同長(zhǎng)度走線的差分插入損耗（SDD21）?，F(xiàn)在，多數(shù)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)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(hào)沿背板通道傳播時(shí)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(shí)際上，通道越短，作為頻率函數(shù)的衰減就越小。

延誤高速、高密度PCB板設(shè)計(jì)上市時(shí)間的最大挑戰(zhàn)之一是通道間存在串?dāng)_（在一個(gè)差分通道對(duì)與相鄰的差分對(duì)之間）。當(dāng)然，差分對(duì)內(nèi)的串?dāng)_是非常必要的，我們稱之為耦合，這種強(qiáng)耦合提供高共模抑制比（CMRR），但差分對(duì)之間的任何模式轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生串?dāng)_。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(jì)目標(biāo)是最小化整個(gè)通道長(zhǎng)度上相鄰差分電路板走線間的串?dāng)_。從差模到共模的任何模式轉(zhuǎn)換都將產(chǎn)生EMI，并把串?dāng)_注入其它通道而使性能下降。對(duì)于背板設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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。差模至共模轉(zhuǎn)換的時(shí)域反射參數(shù)（TCD11） 與通道的差分阻抗輪廓（TDD11）在時(shí)間上是對(duì)準(zhǔn)的。把標(biāo)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?dāng)_源。我們能把TDD11與TCD11在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)，從而在空間上共同定位TDD11上有問(wèn)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(gè)電容性的不連續(xù)，分別是子板的過(guò)孔和母板的過(guò)孔。由于標(biāo)記是落在TDD11的第二個(gè)不連續(xù)處，因此知道母板的過(guò)孔是造成相鄰?fù)ǖ纼?nèi)串?dāng)_的最大禍?zhǔn)?。?yīng)重新為母板的過(guò)孔選路，以減小串?dāng)_的產(chǎn)生。這項(xiàng)測(cè)量和分析可全部在PLTS工具環(huán)境中完成。

在表征用于特定數(shù)字協(xié)議的器件時(shí)，眼圖分析是非常有用的。例如我們知道ATCA 背板能在 10Gb/s 時(shí)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(biāo)準(zhǔn)模板，我們就能說(shuō)已符合標(biāo)準(zhǔn)要求。這種卷積運(yùn)算可用于標(biāo)準(zhǔn) PRBS 碼型， PLTS 允許使用的標(biāo)準(zhǔn) PRBS碼型可達(dá)到2E15-1 的長(zhǎng)度。這種建立眼圖的方法與使用帶標(biāo)準(zhǔn)模板的碼型發(fā)生器和采樣示波器的標(biāo)準(zhǔn)符合性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方法相當(dāng)一致。

當(dāng)用戶懷疑連接器有問(wèn)題時(shí)可以用PLTS的時(shí)域選通技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。PLTS系統(tǒng)可以基于頻域和時(shí)域的測(cè)量結(jié)果提取出線路的RLCG（電阻、電感、電容、電導(dǎo)）模型，RLCG 模型采用等效電路的方法描述無(wú)源傳輸線的電特性，能產(chǎn)生基于測(cè)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(jìn)行傳輸線和系統(tǒng)仿真，通過(guò)仿真可以分析線路故障原因和指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

測(cè)試系統(tǒng)配置

在PLTS中，使用基于TDR的測(cè)試系統(tǒng)和基于VNA的測(cè)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(gè)系統(tǒng)呢？許多信號(hào)完整性（SI）實(shí)驗(yàn)室都同時(shí)采用了這兩種系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì)，在某些要求得到最大限度的多功能性場(chǎng)合，這兩套系統(tǒng)都可以適當(dāng)?shù)丶右允褂?。?duì)于需要快速建立一階模型、而且希望測(cè)試設(shè)備容易使用和熟悉的工程師來(lái)說(shuō)，基于TDR的測(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)范圍（信噪比）和先進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)。在很多情況下高動(dòng)態(tài)范圍是非常重要的，使用大的動(dòng)態(tài)范圍就有可能把非常低的信號(hào)串?dāng)_測(cè)試出來(lái)，對(duì)于差分器件來(lái)說(shuō)高的動(dòng)態(tài)范圍可以識(shí)別非常小的模式轉(zhuǎn)換，如由于差分器件設(shè)計(jì)不對(duì)稱造成差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成共模干擾。由于VNA可以直接進(jìn)行線路或電纜的頻域衰減曲線的測(cè)量，所以當(dāng)非常關(guān)注測(cè)量結(jié)果的精度和可重復(fù)性，或者希望直接測(cè)量頻域參數(shù)時(shí)，最好選擇VNA。