采樣示波器帶寬會(huì)對(duì)高速信號(hào)測(cè)量帶來影響，你注意到了嗎

示波器會(huì)給測(cè)量帶來額外的抖動(dòng)，從而導(dǎo)致意外的設(shè)計(jì)改變。Inphi公司的Ziad Matni就做了一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)用50GHz采樣示波器在50Gbps數(shù)據(jù)流中測(cè)試50Gbps的flip-flop時(shí)會(huì)導(dǎo)致失真的波形。當(dāng)測(cè)試45Gbps的信號(hào)時(shí)，Matni發(fā)現(xiàn)50GGHz示波器所產(chǎn)生眼圖的抖動(dòng)（975fs rms）要比65GHz示波器（623fs rms）大的多。

甚至對(duì)于20Gbps的信號(hào)，示波器帶寬也是有區(qū)別的，盡管區(qū)別不明顯。50GHz示波器呈現(xiàn)的抖動(dòng)為426fs，而65GHz示波器為388fs。

差分和單端傳輸線同樣會(huì)影響抖動(dòng)。多數(shù)設(shè)計(jì)采用差分信號(hào)，因?yàn)椴罘直葐味烁€(wěn)健，但是差分信號(hào)要求匹配的傳輸線，否則就會(huì)帶來抖動(dòng)。比如，信號(hào)線對(duì)相差1/4英寸，這會(huì)引起40Gbps信號(hào)1UI（25ps)的失配.

65GHz采樣示波器量測(cè)45Gbps信號(hào)比低帶寬示波器（50GHz）體現(xiàn)出更小的抖動(dòng)。

簡(jiǎn)介

當(dāng)通信電路運(yùn)行在10，25，50Gbps或更高速率上時(shí)，而系統(tǒng)集成度又越來越高，正確的測(cè)試成為顯著挑戰(zhàn)。

高速電路的輸出波形，是數(shù)據(jù)眼圖或正弦波，直觀體現(xiàn)了電路性能。輸出眼圖良好和輸出信號(hào)完整性是電路性能的底線。半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，封裝設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)，測(cè)試界面，測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)，所有這一切都成為工程師最終在示波器或其他測(cè)量設(shè)備上“查看”的關(guān)鍵因素。從信號(hào)抖動(dòng)到信號(hào)幅度變化、噪聲幅度、下沖/過沖的任何事都被上述考慮所影響。

該文就研究影響高速電路輸出測(cè)量讀數(shù)的條件，包括采樣頭的選擇，當(dāng)然也有取決于數(shù)據(jù)格式選擇的區(qū)別，比如單端或差分。

數(shù)據(jù)眼圖的解剖


理想的眼圖

數(shù)據(jù)眼圖是數(shù)字信號(hào)的呈現(xiàn)，典型在示波器中測(cè)量。1和0在一個(gè)位元周期中疊加。理想的數(shù)據(jù)眼圖如圖1所示：從高到低數(shù)據(jù)狀態(tài)的光滑過渡真實(shí)體現(xiàn)了“高”“低”電平。事實(shí)上，數(shù)據(jù)眼圖會(huì)被邊沿抖動(dòng)，電壓軌噪聲（圖2所示），欠阻尼，過阻尼（圖3所示）和其他失真（比如，阻抗失配或信號(hào)長(zhǎng)的返回路徑）所污染。這些情況會(huì)造成數(shù)據(jù)眼圖的劣化，通過增加了信噪比，增加了相噪和使得數(shù)據(jù)眼圖看起來更加“閉合”。


相位和幅度噪聲


過沖和欠沖響應(yīng)

這些高速數(shù)據(jù)眼圖的不良特征可以追溯到以下任何或全部根源。
a) 本來的信號(hào)噪聲
b) 芯片本身的半導(dǎo)體材料
c) 芯片上的電路設(shè)計(jì)
d) 芯片封裝
e) 電源和地連接
f) PCB材料
g) PCB設(shè)計(jì)任何失配的線阻抗，傳輸線帶寬限制，未知的線耦合等
h) PCB上數(shù)據(jù)鏈路的任何器件：AC耦合電容，終端電阻，DC偏置電感等
i) PCB上的DC電源旁路網(wǎng)絡(luò)（通常決定了信號(hào)的返回路徑）
j) PCB上的連接器（以及任何適配器）和他們的帶寬限制
k) 連接PCB和測(cè)試設(shè)備（帶寬有限，會(huì)帶來確定性抖動(dòng)）的同軸電纜
i) 數(shù)字采樣頭，在數(shù)字示波器中，包含了觸發(fā)信號(hào)上的任何噪聲

許多次，盡管半導(dǎo)體電路，封裝和PCB經(jīng)過最佳設(shè)計(jì)，但觀察到的信號(hào)仍然有很大的噪聲。這就是為什么必須在使用連接器，電纜，尤其是采樣頭帶寬上做出正確選擇的原因，為了保證對(duì)高速數(shù)字信號(hào)最干凈的觀察。此外，另外一個(gè)必須的考慮是，運(yùn)行和觀察高速信號(hào)時(shí)，到底是使用差分還是單端。

數(shù)據(jù)眼圖展示了低帶寬響應(yīng)


典型的測(cè)試裝置，可能對(duì)待測(cè)信號(hào)造成影響的噪聲源

數(shù)據(jù)格式

差分信號(hào)的2個(gè)通道攜有相同的噪聲

使用差分還是單端數(shù)據(jù)格式都有正方兩方面的原因。任何信號(hào)，S(t)，都可描述成“純凈的”信號(hào)加上環(huán)境噪聲。如果信號(hào)以差分存在，理想的，環(huán)境噪聲被消除。這是因?yàn)椴罘中盘?hào)的2個(gè)分量帶有一樣的噪聲信號(hào)。

通過設(shè)計(jì)，差分信號(hào)通常對(duì)于電源噪聲和串?dāng)_信號(hào)具有更好的穩(wěn)健性。對(duì)電磁干擾或者射頻干擾有更好的抵抗性而且不易受地彈干擾。

然而，對(duì)于數(shù)據(jù)路徑差分信號(hào)要求相位匹配的傳輸線。多數(shù)PCB材料和同軸電纜的傳播延遲為100～125ps/inch。對(duì)應(yīng)于40Gbps信號(hào)位元時(shí)間（25ps，或者同軸電纜長(zhǎng)度的差別為大約 1/4英寸），準(zhǔn)確匹配差分信號(hào)2個(gè)分量的線長(zhǎng)成為首要的考慮。

單端信號(hào)具有路由簡(jiǎn)單的明顯優(yōu)勢(shì)：不需考慮傳輸線長(zhǎng)度匹配。然而，單端信號(hào)對(duì)噪聲的免疫力卻差。

為了更好的信號(hào)完整性和更好的噪聲免疫，差分信號(hào)被優(yōu)先選用。更好的信號(hào)完整性意味著在終端的較干凈數(shù)據(jù)眼圖。更好的噪聲免疫同樣意味著更穩(wěn)健的數(shù)據(jù)恢復(fù)和更靈活的PCB設(shè)計(jì)。

測(cè)試設(shè)備的選擇

數(shù)字采樣示波器，今天多數(shù)供應(yīng)商提供杰出的選擇。關(guān)鍵是理解采樣輸入帶寬如何影響待測(cè)信號(hào)。圖7展示了用相同設(shè)置端接的同樣信號(hào)用不同數(shù)字采樣頭（在同一個(gè)示波器主機(jī)中）：一個(gè)具有50GHz帶寬，而另一個(gè)具有63GHz帶寬。信號(hào)是從Inphi 50700DF,50Gbps D-Flip Flop電路發(fā)出的45Gbps PRBS31碼型。


45Gbps的信號(hào)分別用63GHz（上）和50GHz（下）的采樣頭觀察

較高帶寬采樣頭上看到的信號(hào)展示了具有較低抖動(dòng)特征的眼圖(測(cè)得的抖動(dòng)有效值是623fs vs 975fs)，較低的信噪比（測(cè)得的S/N是 11.72 vs 14.17）和較高的信號(hào)幅度（測(cè)得的幅度峰峰值是524mV vs 487mV）。

甚至較低頻的信號(hào)用不同帶寬的采樣頭測(cè)試也有區(qū)別。圖8顯示了用相同方式端接的相同在先前使用的2個(gè)不同采樣頭下的表現(xiàn)。信號(hào)是從Inphi 25700DF，25Gbps D-Flip Flop電路發(fā)出的20Gbps PRBS31碼型。


20Gbps的信號(hào)分別用63GHz（上）和50GHz（下）的采樣頭觀察

盡管沒有之前45Gbps信號(hào)那么明顯，但20Gbps信號(hào)在較高帶寬采樣頭仍然顯示了具有較小抖動(dòng)特征的輕微區(qū)別（測(cè)得的抖動(dòng)有效值是388fs vs 426fs），提高的信噪比（具有更好的電壓軌穩(wěn)定性）。

結(jié)論

許多可能的噪聲源和失配引起波形失真，使得原本良好的眼圖變壞。當(dāng)處理數(shù)百兆 bps的速率，直到數(shù) Gbps，這些源的影響很小。但一旦數(shù)據(jù)速率突破20Gbps，這些源將帶來顯著的影響。良好的測(cè)量不僅需要選擇可靠的電路和PCB設(shè)計(jì)，最重要的，還有數(shù)據(jù)格式和測(cè)試設(shè)備。