采样示波器带宽会对高速信号测量带来影响,你注意到了吗

2016-08-23 09:59:24来源: eefocus
示波器带宽影响抖动测量


示波器会给测量带来额外的抖动,从而导致意外的设计改变。Inphi公司的Ziad Matni就做了一个这样的实验。当用50GHz采样示波器在50Gbps数据流中测试50Gbps的flip-flop时会导致失真的波形。当测试45Gbps的信号时,Matni发现50GGHz示波器所产生眼图的抖动(975fs rms)要比65GHz示波器(623fs rms)大的多。

甚至对于20Gbps的信号,示波器带宽也是有区别的,尽管区别不明显。50GHz示波器呈现的抖动为426fs,而65GHz示波器为388fs。

差分和单端传输线同样会影响抖动。多数设计采用差分信号,因为差分比单端更稳健,但是差分信号要求匹配的传输线,否则就会带来抖动。比如,信号线对相差1/4英寸,这会引起40Gbps信号1UI(25ps)的失配.



65GHz采样示波器量测45Gbps信号比低带宽示波器(50GHz)体现出更小的抖动。

简介

当通信电路运行在10,25,50Gbps或更高速率上时,而系统集成度又越来越高,正确的测试成为显著挑战。

高速电路的输出波形,是数据眼图或正弦波,直观体现了电路性能。输出眼图良好和输出信号完整性是电路性能的底线。半导体设计,封装设计,PCB设计,测试界面,测试设备设计,所有这一切都成为工程师最终在示波器或其他测量设备上“查看”的关键因素。从信号抖动到信号幅度变化、噪声幅度、下冲/过冲的任何事都被上述考虑所影响。

该文就研究影响高速电路输出测量读数的条件,包括采样头的选择,当然也有取决于数据格式选择的区别,比如单端或差分。

数据眼图的解剖


理想的眼图

数据眼图是数字信号的呈现,典型在示波器中测量。1和0在一个位元周期中叠加。理想的数据眼图如图1所示:从高到低数据状态的光滑过渡真实体现了“高”“低”电平。事实上,数据眼图会被边沿抖动,电压轨噪声(图2所示),欠阻尼,过阻尼(图3所示)和其他失真(比如,阻抗失配或信号长的返回路径)所污染。这些情况会造成数据眼图的劣化,通过增加了信噪比,增加了相噪和使得数据眼图看起来更加“闭合”。

 
相位和幅度噪声


过冲和欠冲响应

这些高速数据眼图的不良特征可以追溯到以下任何或全部根源。
a) 本来的信号噪声
b) 芯片本身的半导体材料
c) 芯片上的电路设计
d) 芯片封装
e) 电源和地连接
f) PCB材料
g) PCB设计任何失配的线阻抗,传输线带宽限制,未知的线耦合等
h) PCB上数据链路的任何器件:AC耦合电容,终端电阻,DC偏置电感等
i) PCB上的DC电源旁路网络(通常决定了信号的返回路径)
j) PCB上的连接器(以及任何适配器)和他们的带宽限制
k) 连接PCB和测试设备(带宽有限,会带来确定性抖动)的同轴电缆
i) 数字采样头,在数字示波器中,包含了触发信号上的任何噪声

许多次,尽管半导体电路,封装和PCB经过最佳设计,但观察到的信号仍然有很大的噪声。这就是为什么必须在使用连接器,电缆,尤其是采样头带宽上做出正确选择的原因,为了保证对高速数字信号最干净的观察。此外,另外一个必须的考虑是,运行和观察高速信号时,到底是使用差分还是单端。
  
数据眼图展示了低带宽响应


典型的测试装置,可能对待测信号造成影响的噪声源

数据格式

差分信号的2个通道携有相同的噪声

使用差分还是单端数据格式都有正方两方面的原因。任何信号,S(t),都可描述成“纯净的”信号加上环境噪声。如果信号以差分存在,理想的,环境噪声被消除。这是因为差分信号的2个分量带有一样的噪声信号。

通过设计,差分信号通常对于电源噪声和串扰信号具有更好的稳健性。对电磁干扰或者射频干扰有更好的抵抗性而且不易受地弹干扰。

然而,对于数据路径差分信号要求相位匹配的传输线。多数PCB材料和同轴电缆的传播延迟为100~125ps/inch。对应于40Gbps信号位元时间(25ps,或者同轴电缆长度的差别为大约 1/4英寸),准确匹配差分信号2个分量的线长成为首要的考虑。

单端信号具有路由简单的明显优势:不需考虑传输线长度匹配。然而,单端信号对噪声的免疫力却差。

为了更好的信号完整性和更好的噪声免疫,差分信号被优先选用。更好的信号完整性意味着在终端的较干净数据眼图。更好的噪声免疫同样意味着更稳健的数据恢复和更灵活的PCB设计。

测试设备的选择

数字采样示波器,今天多数供应商提供杰出的选择。关键是理解采样输入带宽如何影响待测信号。图7展示了用相同设置端接的同样信号用不同数字采样头(在同一个示波器主机中):一个具有50GHz带宽,而另一个具有63GHz带宽。信号是从Inphi 50700DF,50Gbps D-Flip Flop电路发出的45Gbps PRBS31码型。


45Gbps的信号分别用63GHz(上)和50GHz(下)的采样头观察

较高带宽采样头上看到的信号展示了具有较低抖动特征的眼图(测得的抖动有效值是623fs vs 975fs),较低的信噪比(测得的S/N是 11.72 vs 14.17)和较高的信号幅度(测得的幅度峰峰值是524mV vs 487mV)。

甚至较低频的信号用不同带宽的采样头测试也有区别。图8显示了用相同方式端接的相同在先前使用的2个不同采样头下的表现。信号是从Inphi 25700DF,25Gbps D-Flip Flop电路发出的20Gbps PRBS31码型。


20Gbps的信号分别用63GHz(上)和50GHz(下)的采样头观察

尽管没有之前45Gbps信号那么明显,但20Gbps信号在较高带宽采样头仍然显示了具有较小抖动特征的轻微区别(测得的抖动有效值是388fs vs 426fs),提高的信噪比(具有更好的电压轨稳定性)。

结论

许多可能的噪声源和失配引起波形失真,使得原本良好的眼图变坏。当处理数百兆 bps的速率,直到数 Gbps,这些源的影响很小。但一旦数据速率突破20Gbps,这些源将带来显著的影响。良好的测量不仅需要选择可靠的电路和PCB设计,最重要的,还有数据格式和测试设备。

关键字:采样示波器  带宽  高速信号

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016082316885.html
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