高速连接器和背板测试分析及方案

高速连接器和背板测试分析及方案随着数字电路工作速度的提高，PCB、连接器、背板上信号的传输速率也越来越高，如HDMI 1.3的信号速率达到3.4Gb/s，USB3.0的信号速率已经达到5Gb/s，PCI-E Gen3的信号速率更是高达8Gb/s，SATA下一代的信号速率将达到12Gb/s。在较低数据速率时，驱动器和接收机一般是导致信号完整性问题的主要因素。以往人们通常把印刷电路板、连接器、电缆和过孔当成是简单的部件，稍加考虑或者无需考虑其他因素就可以很容易地把它们组成一个系统。现在，从逻辑电平0 到逻辑电平1 的数据上升时间已不足100 ps，如此高速的信号在传输线路上传输时会形成微波传输线效应，这些传输线效应对于信号的影响会更加复杂。很多系统内的物理层有许多线性无源元件，它们会因阻抗不连续而产生反射，或者对于不同频率成分有不同的衰减，因此作为互连的物理层特性检验正变得日益关键。一般用时域分析来描述这些物理层结构的特征，为了获得一个完整的时域信息，必须要测试反射和传输（TDR和TDT）中的阶跃和脉冲响应。随着信号频率的提高，还必须在所有可能的工作模式下进行频域分析，以全面描述物理层结构的特征。S参数模型说明了这些数字电路所展示出的模拟特点，如不连续点反射、频率相关损耗、串扰和EMI等。表1是HDMI对于线缆的阻抗和衰减要求的一个例子： 表1 HDMI对线缆的阻抗和衰减的要求 全面的特性检定包括前项和后向传输和反射、所有可能的工作模式以及频域和时域，表2是进行物理层检定通常要测试的时域和频域参数。 表2物理层检定通常需要测试的时域和频域参数传统PCB板的阻抗测试方法不能完全描述信号经过传输线路后的行为特点，因此对于这些高速传输线和连接器的分析也要把时域和频域结合起来，采用更高级的分析方法，其中一种很有效的工具就是物理层测试系统(PLTS)。 PLTS系统的功能物理层测试系统（PLTS）适合用于高速连接器、背板、PCB或电缆的信号完整性分析。如图1所示，PLTS 软件引导用户完成硬件设置、校准和数据采集。时域反射计（TDR）和矢量网络分析仪（VNA）都可作为测量引擎，它们各自的校准向导将允许采用先进的校准技术，可去除不需要的测试夹具效应，比如电缆损耗、连接器不连续性和印制电路板材料的介电损耗等。用PLTS器件数据库通过许多有用方法观看器件的性能特性, 可用Novel眼图综合引擎完成熟悉的时域分析(TDR 和TDT)。对于高速数字标准，例如HDMI和SATA，由于高速数据的快上升时间沿会在背板通道内产生微波传输线效应，所以现在频域分析已处于主导地位,因此我们经常需要测试输入差分插入损耗(SDD21)。PLTS提供的虚拟位图发生器允许把用户定义的二进制序列或标准PRBS与测量数据相卷积而得到眼图。此外，PLTS 还使用专利变换算法得到频域和时域数据，正向和反向信号流，以及所有可能工作模式(单端、差分和模式转换)中的传输和反射项。 图1 用于高速连接器、背板、PCB或电缆的信号完整性分析的物理层测试系统 PLTS软件采用专门设计的用户界面，使得设置、校准和测量变得非常直观，尽量避免了人为差错。向导程序会引导用户完成所有要求的步骤，它还会提示用户连接被测器件、启动测量。设置和校准在基于TDR的测试系统与基于VNA的测试系统间略有差异，但是PLTS软件都提供了直观的向导程序，可以协助用户逐步完成操作过程。图2是一个测量的流程： 图2 物理层测试系统测量流程 测试案例分析确定了背板通道上的各元件后，就可制作和评估原型。在图3所示的测量中，连接器作为背板测试的载体，用PLTS 系统测量3种不同长度走线的差分插入损耗(SDD21)。现在，多数数字标准都把该SDD 21 作为性能的参照指数，可把该参数看成是差分信号沿背板通道传播时的频率响应。衰减量vs.频率是判断性能优劣的好方法。实际上，通道越短，作为频率函数的衰减就越小。 图3 差分插入损耗测试分析 延误高速、高密度PCB板设计上市时间的最大挑战之一是通道间存在串扰(在一个差分通道对与相邻的差分对之间)。当然，差分对内的串扰是非常必要的，我们称之为耦合，这种强耦合提供高共模抑制比(CMRR)，但差分对之间的任何模式转换都将产生串扰。图4表明物理层器件模式转换的实际应用情况。这里示出的是带有两块子卡的XAUI 背板，典型数据传输率为3.125 Gb/s。该高速差分通道的设计目标是最小化整个通道长度上相邻差分电路板走线间的串扰。从差模到共模的任何模式转换都将产生EMI，并把串扰注入其它通道而使性能下降。对于背板设计来说，有用的调试工具将精确地找出通道内发生模式转换的具体位置。从下图可看到差模至共模转换的时域反射参数(TCD11)与通道的差分阻抗轮廓(TDD11)在时间上是对准的。把标记放在TCD11的最大幅度峰值上。这是通道内产生模式转换的地方，也是最大的串扰源。我们能把TDD11与TCD11在时间上对准，从而在空间上共同定位TDD11上有问题的地方。为把结构与通道相关联，我们把差分阻抗轮廓作为参照。已知TDD11上有两个电容性的不连续，分别是子板的过孔和母板的过孔。由于标记是落在TDD11的第二个不连续处，因此知道母板的过孔是造成相邻通道内串扰的最大祸首。应重新为母板的过孔选路，以减小串扰的产生。这项测量和分析可全部在PLTS工具环境中完成。 图4 物理层器件模式转换的实际应用情况 在表征用于特定数字协议的器件时，眼图分析是非常有用的。例如我们知道ATCA 背板能在 10Gb/s 时很好的工作，如果眼图能很好张开，并且数据跃变没有侵入标准模板，我们就能说已符合标准要求。该眼图是由背板S- 参数的冲激响应与用户可编程的任意二进制序列的冲激响应相卷积合成而来的。这种卷积运算可用于标准 PRBS 码型， PLTS 允许使用的标准 PRBS码型可达到2E15-1 的长度。这种建立眼图的方法与使用带标准模板的码型发生器和采样示波器的标准符合性测试的标准方法相当一致。 图5的例子主要是为了评估设计中应该采用通孔还是微通孔更有利于高速信号的传输。图中的 PLTS 眼图是我们测试载体中标准通孔和微通孔结构得到每种情况下的4 端口 S- 参数后综合仿真出的结果。从图中可看到微通孔能在 20Gb/s 下工作，微通孔的眼图比标准通孔有更好的张开度，而标准通孔则达不到这一速度。 图5 基于PLTS的通孔和微通孔眼图分析当用户怀疑连接器有问题时可以用PLTS的时域选通技术进行仿真验证。图6说明了如何使用这一技术。在这个例子中，顶部图说明了所测得的差分阶跃阻抗和回波损耗。从左上图可以看到有明显的阻抗不连续点。左下图说明了使用时域选通技术，去掉轨迹中心连接器造成的阻抗不连续。右下图显示了测得的回波损耗和重新计算的回波损耗，可以看到去掉连接器的影响后使回波损耗在感兴趣的频段内改善了10dB以上。 图6 采用时域选通技术仿真验证连接器的问题 PLTS系统可以基于频域和时域的测量结果提取出线路的RLCG(电阻、电感、电容、电导)模型，RLCG 模型采用等效电路的方法描述无源传输线的电特性，能产生基于测量的耦合传输线的精确模型。PLTS 能将RLCG输出到建模与仿真软件如Agilent 的ADS, Synopsis的 HSPICE等进行传输线和系统仿真,通过仿真可以分析线路故障原因和指导设计。图7是PLTS和ADS的接口示意图。 图7 PLTS和ADS的接口示意图 测试系统配置在PLTS中，使用基于TDR的测试系统和基于VNA的测试系统都可以提供比较完整的信息，那么应该选择哪个系统呢？许多信号完整性（SI）实验室都同时采用了这两种系统。这两种系统各有优势，在某些要求得到最大限度的多功能性场合，这两套系统都可以适当地加以使用。对于需要快速建立一阶模型、而且希望测试设备容易使用和熟悉的工程师来说，基于TDR的测试系统可能是最佳选择。而基于矢量网络分析仪（VNA）的测试系统大大提高了带宽、幅度和相位精度、相位稳定性、动态范围（信噪比）和先进的校准技术。在很多情况下高动态范围是非常重要的，使用大的动态范围就有可能把非常低的信号串扰测试出来，对于差分器件来说高的动态范围可以识别非常小的模式转换，如由于差分器件设计不对称造成差分信号转换成共模干扰。由于VNA可以直接进行线路或电缆的频域衰减曲线的测量，所以当非常关注测量结果的精度和可重复性，或者希望直接测量频域参数时，最好选择VNA。