通過示波器探頭響應改善MIPI設計裕量

移動行業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟是負責推廣移動設備軟硬件標準化的組織。它已經發(fā)布了D-PHY規(guī)范，該規(guī)范可在芯片與設備之間的通信鏈路上實現(xiàn)高達1.5Gbps(1,500,000,000比特/秒)的數據傳輸率。MIPI聯(lián)盟還計劃在近期發(fā)布M-PHY規(guī)范，進一步提高數據傳輸率，達到大約6Gbps的水平。隨著需要更高數據吞吐量的移動應用和特性不斷出現(xiàn)，對傳輸速率的要求也相應提高。這些應用和特性包括：高分辨率照相機捕獲、高清視頻顯示，以及用于下一代長期演進(LTE)射頻(RF)移動通信網絡的復雜調制方案。

MIPI聯(lián)盟下屬的電氣標準工作組投入了巨大的努力來制定這些物理層規(guī)范，以確保實際設計可以在移動環(huán)境中正常運行。由于移動設計的體積受到很大限制，許多元器件都擠在一個狹小密集的空間中，所以電源供電、散熱、信號串擾和耦合等問題更加突出，工程師在設計過程中必須謹慎地考慮這些問題。此外，數字和射頻電路都安裝在這個狹窄空間中，會使電磁干擾(EMI)更加嚴重。這些新的挑戰(zhàn)可能會帶來各種不可預見的問題，單憑普通數字設計的經驗無法解決這些問題。

圖1，匹配電纜對的頻率響應，額定帶寬為18GHz。-3dB截止帶寬實際上大約為10GHz，低于額定帶寬。除此之外，兩條電纜的特性不相似，可能在部分信號內容過度衰減或放大時導致波形失真。特別是在第二條匹配電纜對上，可以在5GHz~8GHz之間看到頻率響應凸起。

MIPI聯(lián)盟提倡使用一致性測試套件(CTS)對設計進行測試，包括對發(fā)射機和接收機電路，以及信號互連進行測試。其目的是增強系統(tǒng)的互操作性，或保證不同廠商的設計在一起使用時能夠良好地配合。特別是在進行發(fā)射機測試時，CTS可以使用探頭和示波器進行關鍵的測量，例如信號幅度、通道內/通道間偏差、轉換速率、抖動性能、眼圖和時間要求。在進行測試時切勿忘記的一個重要因素是所使用的探測系統(tǒng)的精度，使用不一致的探頭可能會降低設計的真正性能。例如，不規(guī)則的頻率響應和探頭的不匹配偏差有可能造成測量結果出現(xiàn)極大差異，導致盡管設計運行得更好，但是裕量減小。在本文中，您將了解如何通過現(xiàn)有的解決方案，只使用一臺示波器來校正和匹配每個探頭，使其具有相同且經過校正的響應，從而獲得更多的設計裕量。

探頭損耗和偏差對測量結果的影響

探頭和電纜都具有固有的損耗和變化。損耗有時可能極大，或與標稱值有一定的差距，導致測量結果發(fā)生變化。為了補償固有損耗，示波器廠商通過數字信號處理(DSP)技術進行探頭校正。供應商使用“最佳”模型，并應用到所有探頭的的補償和校正上。雖然這一策略可以解決某些損耗和變化，但也意味著如果一個探頭的特性發(fā)生了變化、漂移或偏離開始使用的模型，那么對這個探頭進行的補償就不再正確了?，F(xiàn)實中有很多探頭組合連接到探頭放大器上，為了獲得最高測量精度必須對每種探頭組合進行測量。最終的結果是，您可能會得到不必要的誤差或探頭與探頭之間的差異。您也可以使用定制的探頭。雖然這提供了很大的便利，但它也意味著，示波器廠商再也無法提供“最佳”系統(tǒng)。

對于MIPI D-PHY或M-PHY發(fā)射機測試，最常用的探測方法包括使用有源差分探頭直接焊接到產品信號路徑上和用SMA同軸電纜連接到焊裝有被測芯片的測試板上的信號路徑上(圖1)。由于信號是差分信號，而且必須對信號的電氣性能進行單端分析，所以需要使用一對探頭進行部分測試。這些測試包括測量共模電壓幅度失配等。重要的是，您所使用的探頭必須實現(xiàn)正確匹配，并且擁有相同的損耗性能特性，這樣所測量的信號才代表了設計的真正性能。

圖2，左側屏幕截圖顯示的探頭在進行共模電壓測量時頻率響應略有不同。結果顯示為75mV，這主要是由探頭頻率響應不精確匹配造成的。在右側屏幕截圖中，使用高度匹配的探頭進行同樣的測量，結果顯示共模電壓僅為7mV，這是您的設計的真正性能。

通常，您必須花費昂貴的代價才能找到匹配的探頭，但無論花費了多少，它們并不總是相同的，往往存在一定的容限。雖然探頭是當作匹配的探頭對進行銷售的，但是其偏差和頻率響應的容限對于測量來說可能太大，致使測試結果合格或不合格。您也許可以通過校準消除這些電纜的偏差，但是這些電纜的頻率響應特性并不容易校正。如果電纜的特性不完全相同，可能會導致信號的部分頻率內容發(fā)生衰減或放大，從而使被測信號出現(xiàn)失真。當得到測量結果時，它可能會超過限定范圍，因為信號在頻域內的不均衡放大可能導致測試失敗。

在圖2左側屏幕截圖中，使用了一對匹配不正確、頻率響應特性略有不同的探頭，通過探測差分信號來測量共模電壓。您可以觀察到，兩個信號的波形特性略有不同，當信號疊加在一起時，探頭差異導致凸起。電纜頻率響應差異造成的凸起形成了大約75mV的共模誤差，導致測試失敗。相比之下，右側的測量使用了一個高度匹配的探頭對，共模電壓的測量結果僅大約為7mV，這顯示了設計的真正性能，設計成功通過了測試。因此，偏差效應和頻率響應對測量精度有很大的影響。

傳統(tǒng)校準方法

典型的示波器提供對探頭的直流和偏差校準。此類探頭校正是比較有限的，因為它不會校正探頭頻率響應。這樣的校準對于有些測量可能是足夠精確的，但是仍然有一定的不準確度。因此，您可能希望校正所使用的探頭的偏差和頻率響應，而不是直接使用示波器廠商提供的響應參數。尤其是測量電壓失配和共模電壓時，探針校正效果可能會決定測試結果。

校正頻率響應的一種常用方法是對探頭的頻率響應和損耗特性進行去嵌入。大多數示波器能夠采用探頭的S參數模型，并應用去嵌入功能來消除損耗。這個任務可能看起來微不足道，但實際上并非如此。首先，您必須生成探頭S參數模型。通常是使用矢量網絡分析儀(VNA)或時域反射計(TDR)等專業(yè)儀器來表征和測量探頭，生成S參數模型。操作這些儀器可能需要非常專業(yè)和熟練的技能，更不用說您的實驗室中是否配備了這些儀器。此外，在示波器中使用和應用S參數模型同樣具有挑戰(zhàn)性，因為您需要知道如何使用去嵌入旋鈕或菜單以獲得最佳結果。

圖3，通過應用校正濾波器(使用示波器內置的信號源)，對電纜對的不良響應進行了適當校正。這種能力可校正和匹配測量中使用的任何探頭的探頭響應。測量中使用的校正將會保證高質量和可重復的測量結果。

難怪許多工程師決定避免校準其電纜，而假定他們在進行測量時探頭是完全匹配的。未校準探頭不僅會使測量不夠精確，而且在進行故障診斷時可能會產生誤導，實際上問題是由探頭造成的。

創(chuàng)新的探頭偏差和頻率響應校正

目前出現(xiàn)了一個創(chuàng)新的解決方案，可以輕松表征和校正電纜和探頭所產生的插入損耗。它只需使用示波器，而無需使用VNA或TDR等其它儀器。具體方法是，使用示波器內置的快速校準邊沿階躍響應進行校正，然后將校正結果輸入探頭。通過分析使用和不使用探頭對階躍響應的影響，可以計算出S參數數學模型，將探頭造成的損耗考慮在內(如圖3)。這種功能可對探頭進行全面的交流校準，而不只是直流校準和偏差校正。它可以很快校正相位非線性、幅度不平坦以及探頭負載效應等問題。并可分析在設置探測環(huán)境時產生的阻抗和電容。為了幫助您進行校正，示波器還提供了軟件設置向導程序，可以引導您完成設置和表征探測元器件，例如探頭、電纜和開關。

這個功能提供的對探測連接和設置的分析可增加測量裕量，使您可以進行最精確的測量。當探頭環(huán)境設置消耗了測量裕量但用戶沒有察覺時，增加的裕量變得尤為重要。通過計算基線響應的變化，可以使用校正濾波器來測量有損電纜，以便獲得經過校正的電纜響應。最重要的是，您不必花費大量資金購買完全匹配的電纜，因為它們并不便宜。相反，這種能力將校正探頭頻率響應，在您使用時完全匹配。

總結

隨著高速MIPI信號的數據傳輸速率達到并超過6Gbps，探測系統(tǒng)對測量結果的影響變得越來越重要。探頭可以影響測試結果，特別是當設計正處于測試合格或不合格的邊緣。這對項目成本和進度也有著巨大的影響。因此，能夠僅使用示波器快速方便地進行探頭校正是項目成功的關鍵。這個功能可以校正探頭之間的差異和定制探頭，以及消除電纜造成的插入損耗。實踐證明，它們不僅能夠縮短工程時間，還可使用容限更寬松的部件，從而節(jié)省大量成本。您在此解決方案上的投資最終將會帶來豐厚的回報—產品和設計的質量更出色，推向市場的速度更快。

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審核編輯：符乾江