走线、过孔、IC管脚和电缆障碍

2009-02-09 14:54:27来源: 测试测量世界

       信号完整性测量是高速通信系统开发的基础。信号频率越高,就更易受干扰而劣化。数字信号(尤其是高于1Gbps的信号)在通过连接器、印刷电路板(PCB)走线、过孔IC管脚电缆时,会损失振幅并累积抖动(图1)。因此,传输通道会“伤害”到一个信号的完整性。

 

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  数字电路设计者经常依赖信号完整性(SI)实验室和工程师来描述传输系统的特性,通过创建HSPICE模型,设计者可以仿真单个电路或整体系统的性能。有了这些模型,设计者就可以预测一个元件在时域和频域中的表现。

  图2表示一个信号通过标准FR4 PCB板上一根走线时的劣化情况。一个带有清晰眼图的串行数据流,经过34in走线的传输后,信号已不能识别。设计者可以对造成眼图闭合的失真进行补偿,如为数据接收器增加自适应均衡器,但这样做需要知道眼图的情况。

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连接器与电缆

  连接器、电缆、背板和元件制造商一般是在时域中对自己的产品作测试和建模,如用采样示波器和实时示波器、误码测试仪(BERT),以及时域反射计(TDR)等。他们也会用微波测试设备作频域测量,如频谱分析仪和矢量网络分析仪(VNA)。

  Tyco Electronic

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s是一家制造串行数据流和微波信号连接器的厂商,它的电路测试与设计总监Dave Helster说:“我们在高达12Gbps的数据速率下测试连接器,频率可达20GHz。”该公司的工程师在时域中做TDR测量,以确定一款连接器的阻抗。在频域中,工程师用VNA为自己的连接器生成S参数模型。

  在这种高频下,测试夹具、探头和电缆都会使信号受到损害而劣化。Tyco Electronics的工程师必须用标准来校准自己的测试设置,然后对测试设置的结果作数学补偿,以确保他们测量的是待测设备(DUT)的S参数。当工程师了解到一个测试设置在频域中影响信号的方式时,他们会在自己测量时使用一些校正因数,从中产生一个针对DUT某个特性的模型,如频率响应

  在电缆制造商W.L. Gore & Associates公司,SI工程师要确定微波电缆在110GHz频率下的特性。他们在电缆上用高达10Gbps的数字信号测量S参数。技术开发负责人TameraYost说:“我们测试的数据速率最低是5Gbps。”Gore的SI实验设备可以运行在12Gbps。

  由于很多串行数据流采用差分信令,每根电缆需要测量四个端口的S参数。当使用双端口VNA做四端口测量时,实验室的SI工程师要设计一个使用微波开关的测试箱。尽管电缆的高频衰减高于低频衰减,低频测量仍然很重要,因为串行数据接收机上的均衡器是根据不同的频率来处理信号。所以Gore的SI工程师要用两台VNA来获得一根电缆特性的完整图像。一个VNA覆盖30kHz至1GHz,另一台则覆盖1GHz到20GHz。

  为了分析电缆和连接器在数字信号上增加的抖动,Yost及其同事使用一台有抖动分析软件的数字通信分析仪。Yost指出:“五、六年前,你只需要测量总抖动(Tj),然后将其分解为固定抖动(Dj)和随机抖动(Rj)。但现在不这么简单了。我们必须根据比特模式,测量与数据相关的抖动(DDj)。”DDj测量使工程师能了解到哪种通信协议会影响信号质量。

电路板与背板

  Gore的SI工程师们还要研究PCB材料对高频信号的影响方式。他们知道电路板厚度对信号的影响。PCB越厚,就有更多的过孔变成类似‘树桩’样的传输线,因为它们会辐射干扰,并产生信号的反射,从而降低信号质量。

  Elma Bustronic的工程师们在设计背板时也遇到类似问题。工程总监Bagdan Gavril说:“由于‘树桩’问题,背板厚度现在要小于4mm。”过孔长度应只达到要求的长度,过孔中超长多余的金属会表现得像另一根走线。Gavril指出:“(多余金属所产生的)额外的电容可以毁掉一个信号。”

  Gavril称在高于1GHz的频率下,必须特别注意电路板设计的错误,而在低频时则不重要。超过3GHz 时,每一点瑕疵都很关键。Elma 现在客户指定的数据速率为6.25Gbps,Gavril预计在2007年底前就会有对10Gbps的查询。

  Elma Bustronic的SI工程师用VNA确定背板中传输通道的特性。他们测量阻抗,进行眼图测量,还测量背板的抖动。他们还要测S参数,并为客户生成HSPICE模型,其中包含来自连接器和PCB模型的数据。因此,信号完整性是一个链条,包含从连接器到电路板、有源元件,直到系统。

有源元件

  没有现场可编程门阵列(FPGA)这类IC就不成其为完整的电子系统,FPGA制造商Xilinx的SI工程师向连接器、电缆和背板公司一样要测量很多的参数。该公司的SI工程师负责确定SerDes发射机和接收机的特性,并为客户提供用于系统设计的 HSPICE 模型。


关键字:PCB  过孔  IC管脚  电缆  完整性测试

编辑:赵丽 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2009/0209/article_476.html
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