陳毓彬，王文雙

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件檢測中心，廣東 廣州 510610）

0 引言

隨著連接器技術(shù)的飛速發(fā)展，高速差分連接器作為一種傳輸高速信號(hào)的新型連接器，已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)高速傳輸領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的單端傳輸方式而言，高速差分技術(shù)具有功耗低、誤碼率低和傳輸速率高等特點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，影響高速差分連接器信號(hào)完整性的因素較多，如阻抗、串?dāng)_和數(shù)字傳輸率等性能參數(shù)。本文通過對(duì)高速差分連接器的主要性能參數(shù)的測試方法進(jìn)行研究，綜合地考核了高速差分連接器的信號(hào)完整性，從而評(píng)價(jià)了高速差分連接器傳輸性能的優(yōu)劣。

1 高速差分連接器的測試方法

1.1 特性阻抗測試

特性阻抗測試主要采用TDR測試，其原理主要是當(dāng)傳輸路徑中阻抗發(fā)生變化時(shí)，部分能量會(huì)被反射，剩余的能量會(huì)繼續(xù)傳輸[1]。注入到高速線路中的能量、反射回來的能量與阻抗的變化有理論上的數(shù)學(xué)關(guān)系。只要知道發(fā)射波的幅度，然后測量反射波的幅度，就可以計(jì)算出阻抗的變化。同時(shí)只要測量由發(fā)射到反射波再次到達(dá)發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間差就可以計(jì)算阻抗變化的位置。特性阻抗可通過信號(hào)在傳輸線路上的情況反映出來。一個(gè)階躍信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，電信號(hào)到達(dá)某個(gè)位置時(shí)，就會(huì)令該位置上的電壓發(fā)生變化，傳輸線在此位置對(duì)地形成了電流回路，因此就有阻抗的存在[2]。TDR測試方法是基于傳輸線的反射理論，在高速通道中，任何的阻抗不連續(xù)都可以在TDR波形中反映出來，如圖1所示。

圖1 TDR波形

1.2 串?dāng)_測試

當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，有些電壓和電流能傳遞到鄰近的靜噪傳輸線上，這些有害的耦合噪聲被稱為串?dāng)_[3]；兩條相鄰傳輸線上的噪聲可用圖2所示的測試方法來測量，信號(hào)從傳輸線的一端輸入，為了消除末端折射，在遠(yuǎn)端端接匹配負(fù)載，而噪聲電壓可在相鄰的靜態(tài)線兩端測量，兩端的噪聲明顯的不同。為了區(qū)分這兩個(gè)末端，把距離傳輸信號(hào)源較近的一端稱為近端串?dāng)_ （NEXT），離傳輸信號(hào)源較遠(yuǎn)的一端稱為遠(yuǎn)端串?dāng)_ （FEXT）。在高速串?dāng)_測試時(shí)需要用一個(gè)模擬的干擾源向傳輸線上施加快速沿脈沖信號(hào)，同時(shí)測量相鄰的被干擾線路上遠(yuǎn)端和近端的干擾噪聲信號(hào)的幅度，通過公式可以計(jì)算出近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_。

圖2 傳輸線上的串?dāng)_

1.3 數(shù)字傳輸率測試

數(shù)據(jù)傳輸率是指在單位時(shí)間內(nèi)總線上傳送的數(shù)據(jù)量，即每秒傳送數(shù)據(jù)的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率[4]。在高速差分連接器的測試中，串?dāng)_對(duì)其的影響是不可能完全消除的；而傳輸信號(hào)間的串?dāng)_問題會(huì)嚴(yán)重地影響高速傳輸?shù)恼`碼率，從而影響到數(shù)據(jù)傳輸率。到目前為止，業(yè)界還沒有一種科學(xué)、有效的統(tǒng)計(jì)方式來計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸率。而對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸率的測試，傳統(tǒng)的測試方法是采用數(shù)字示波器來接收信號(hào)，觀察差分信號(hào)對(duì)之間的串?dāng)_對(duì)連接器高速傳輸性能的影響，從而做出判斷。如果將采集到的數(shù)字串行信號(hào)的比特位用余輝方式累積顯示結(jié)果，那么疊加后的圖形就會(huì)看起來和眼睛很像，所以通常把數(shù)據(jù)傳輸率簡稱為眼圖[5]，如圖3所示。眼圖能直觀地顯示碼間串?dāng)_和噪聲的影響，可以評(píng)價(jià)一個(gè)高速傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

圖3 差分連接器眼圖

2 測試結(jié)果及分析

2.1 阻抗測試

本次測試以高速差分連接器為測試對(duì)象，每個(gè)高速差分連接器樣品由4個(gè)差分同軸接觸件組成，每個(gè)差分同軸接觸件上對(duì)應(yīng)地安裝有2對(duì)差分接觸件。將連接器中的1對(duì)差分接觸件的一端按圖4所示接入DSA8200數(shù)字串行分析儀中，分析儀的差分TDR模塊端接一對(duì)100 Ω的四絞線電纜，被測高速差分連接器的接觸件的另外一端接分析儀的接收端或接負(fù)載，將數(shù)字串行分析儀設(shè)置為差分測試模式。

圖4 特性阻抗測試圖

特性阻抗測試時(shí)的測試夾具應(yīng)具有能及時(shí)地確定樣品近端和遠(yuǎn)端的特性，即測試時(shí)能夠及時(shí)地確定測試夾具內(nèi)樣品的近端和遠(yuǎn)端。被測樣品的近端和遠(yuǎn)端可通過測量夾具單獨(dú)的近端傳輸延遲、裝置單獨(dú)的遠(yuǎn)端傳輸延遲和裝有樣品夾具的傳輸延遲來確定。近、遠(yuǎn)端通常用下面的方法來確定：

a）將TDR設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)線路近端連接。觀測顯示器上TDR阻抗曲線急劇下降的時(shí)間。記錄該時(shí)間作為樣品近端的時(shí)間位置。

b）將TDR設(shè)備裝有樣品的裝置相連接，并測量傳輸延遲。

c）裝有樣品裝置的傳輸延遲與樣品近端時(shí)間位置的差值即為樣品遠(yuǎn)端的時(shí)間位置。

當(dāng)受試樣品阻抗與測試設(shè)備阻抗不匹配時(shí)，應(yīng)具有阻抗匹配裝置。插合的差分接觸件按圖4-9連接可靠，選擇特性阻抗測試，設(shè)置測試上升時(shí)間為100 ps（10%～90%），可通過對(duì)差分接觸件的阻抗進(jìn)行疊加來得到差分合阻抗。特性阻抗測試的結(jié)果如圖5所示。

由測試結(jié)果可得，該差分接觸件的合阻抗為M1=C1+C2，該差分接觸件對(duì)的特性阻抗在102.48～115.50 Ω 之間。

在測試過程中，測試裝置的損耗、電路板線路、測試板介質(zhì)的變化和其他問題都可能引起顯著的測量誤差。在圖5中的TDR阻抗分布曲線中，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為阻抗；該曲線包括了樣品兩端的SMA轉(zhuǎn)接器 （標(biāo)記1、3）、傳輸線 （標(biāo)記a、b）及被測樣品 （標(biāo)記2）；根據(jù)該TDR阻抗分布曲線，專業(yè)測試人員能夠快速地確定高速差分連接器的起始和終止、被測試高速差分連接器的最大和最小阻抗值，以及樣品的平均阻抗。

圖5 特性阻抗測試結(jié)果

在測試過程中，應(yīng)考慮測試夾具的制作與阻抗匹配的問題。高速傳輸測試平臺(tái)提供的是阻抗為50 Ω的SMA接口，測試時(shí)需把差分接觸件通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)接成SMA接口或通過轉(zhuǎn)接印制板轉(zhuǎn)成SMA接口。由于高速連接器的種類較多，所涉及的測試夾具種類繁多，針對(duì)高速連接器、高速傳輸電纜、背板等專門設(shè)計(jì)了相關(guān)的測試夾具，這樣將更有效地提高測試效率及準(zhǔn)確性。當(dāng)測試PCB印制板時(shí)，有時(shí)會(huì)使用差分探頭，但使用探頭的接觸方式往往會(huì)由于人為的接觸不均勻或連接不可靠而引起測試結(jié)果誤差的增大，而采用SMA接口的連接方式能提供更為可靠、穩(wěn)定的連接。

2.2 串?dāng)_測試

主要的串?dāng)_測試方法與步驟如下所述。

a）測量系統(tǒng)上升時(shí)間。由于夾具增加了激勵(lì)階躍上升時(shí)間，因此，測量系統(tǒng)的上升時(shí)間會(huì)大于測試設(shè)備的上升時(shí)間，需要測量上升時(shí)間 （在10%～90%電平范圍內(nèi)測量）。一般來說，測試系統(tǒng)應(yīng)包括測試夾具、設(shè)備和連接線；若相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量是以激勵(lì)線路的輸出而不是輸入為標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)連同樣品進(jìn)行測量，得到實(shí)際的測量系統(tǒng)上升時(shí)間。

b）將實(shí)際的測量系統(tǒng)上升時(shí)間與要求的值或表1中的值匹配。記錄測量系統(tǒng)階躍幅度Am。

表1 推薦的測量系統(tǒng)上升時(shí)間

c）按圖6所示連接被測樣品，進(jìn)行測量。

d）輸出測量結(jié)果：從傳輸參數(shù)中讀取串?dāng)_比（幅度相對(duì)值），單位dB。

e）再讀取幅度相對(duì)值A(chǔ)S，計(jì)算串?dāng)_比A=AS/Am。

2.2.1 近端串?dāng)_

將高速差分連接器中的2對(duì)插合的差分接觸件按圖6a所示進(jìn)行連接，未插合的差分接觸對(duì)末端均需端接終端負(fù)載進(jìn)行匹配。設(shè)置測試信號(hào)上升時(shí)間，由數(shù)字串行分析儀可讀出接收通道的電壓值，即為串?dāng)_電壓。

圖6 串?dāng)_測試圖

在對(duì)高速差分連接器的差分接觸件進(jìn)行近端串?dāng)_測試時(shí)，設(shè)置測試上升時(shí)間為28 ps（10%～90%），如圖7所示，高速差分連接器的反射曲線中間出現(xiàn)一個(gè)干擾信號(hào)，測試接收信號(hào)的電壓為5.22 mV。近端串?dāng)_可以用公式 （1）表示：

式 （1）中：U11——測試信號(hào)輸入通道電壓；

U21——接收信號(hào)通道測試電壓。

實(shí)測近端串?dāng)_時(shí)，測試信號(hào)的上升時(shí)間為28 ps（10%～90%）。則根據(jù)公式 （1）計(jì)算得知，該樣品的近端串?dāng)_為39.6 dB。

圖7 近端串?dāng)_測試

2.2.2 遠(yuǎn)端串?dāng)_

將高速差分連接器中的2對(duì)插合的差分接觸件按圖6b所示進(jìn)行連接，輸入不變，未插合的差分信號(hào)對(duì)末端均需端接終端負(fù)載進(jìn)行匹配。將同一個(gè)接觸件與輸入差分對(duì)相鄰的差分對(duì)導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的另一接觸件差分對(duì)連接到數(shù)字串行分析儀來進(jìn)行測試。設(shè)置測試上升時(shí)間為28 ps（10%～90%），如圖8所示，測試接收信號(hào)通道的電壓為3.68 mV。

圖8 遠(yuǎn)端串?dāng)_測試

同樣，遠(yuǎn)端串?dāng)_也可以用公式 （2）表示：

其中，U11——測試信號(hào)輸入通道電壓，U22——輸入差分對(duì)相鄰的差分對(duì)遠(yuǎn)端測試通道電壓；實(shí)測遠(yuǎn)端串?dāng)_時(shí)，測試信號(hào)上升時(shí)間為28 ps（10%～90%）。則根據(jù)公式 （2）計(jì)算得知，該樣品的遠(yuǎn)端串?dāng)_為42.7 dB。

高速差分連接器的性能參數(shù)、差分接觸件間距、信號(hào)輸出端和接收端的電氣特性及端接方式等都對(duì)串?dāng)_有一定的影響。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸率測試

將1對(duì)插合的差分接觸件按圖9所示接入數(shù)字串行分析儀，通過眼圖對(duì)電連接器的傳輸性能做綜合衡量。

圖9 傳輸性能測試圖

測試時(shí)，上升時(shí)間設(shè)置為200 ps（10%～90%），數(shù)據(jù)傳輸率為1.65 Gbps；要求輸入電壓為1 V時(shí)，測試所得到的高速傳輸連接器差分接觸對(duì)的傳輸眼圖中有50%的時(shí)間段內(nèi)的輸出電壓大于408 mV。根據(jù)要求，設(shè)置相關(guān)眼圖模板中的各點(diǎn)的坐標(biāo)如表2所示：

表2 眼圖模板坐標(biāo)

按前面的測試方法對(duì)高速傳輸連接器進(jìn)行測試，得到的測試眼圖如圖10所示，從圖中可見眼圖的眼睛 “睜開”得很大。

從測試結(jié)果可得，通過數(shù)字串行分析儀來處理一個(gè)連續(xù)信號(hào)的波形，可以顯示出噪聲、眼寬、眼高和抖動(dòng)等相關(guān)信息。通過眼圖的形狀特點(diǎn)可以快速地表征數(shù)據(jù)傳輸率，眼圖能直觀地表明碼間串?dāng)_和噪聲的影響。眼圖脈沖中部的開口面積是數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的指標(biāo)。眼開度越大，傳輸質(zhì)量越好，即比特 （bit）誤碼率越低。通過對(duì)眼圖進(jìn)行分析，測試人員能夠準(zhǔn)確、快捷地完成測試并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析，定位問題，找出問題的根本原因。

圖10 實(shí)測眼圖

3 結(jié)束語

本文討論了高速差分連接器中常用的信號(hào)完整性測試方法，包括特性阻抗測試、串?dāng)_測試和數(shù)據(jù)傳輸率測試。以測試方法為基礎(chǔ)，高速差分連接器為測試樣品，得出測試數(shù)據(jù)，客觀評(píng)價(jià)高速差分連接器信號(hào)完整性的優(yōu)劣，為產(chǎn)品的鑒定檢驗(yàn)工作提供科學(xué)的依據(jù)。

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