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          USB3.0線纜和連接器的阻抗和插損測(cè)試

          作者: 時(shí)間:2011-12-06 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          下一代串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采用的高速率已經(jīng)進(jìn)入到微波領(lǐng)域。比如,即將到來(lái)的SuperSpeed ( 3.0)通過(guò)雙絞線對(duì)傳輸速的率就達(dá)到了5Gb/s。通過(guò)傳輸如此高的速率必須考慮通道的不連續(xù)性引起的失真。為了將失真程度保持在一個(gè)可控的水平,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)的阻抗和回波損耗。最新的測(cè)量使用S參數(shù)S11表征而且必須歸一化到線纜的90歐姆差分阻抗。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202413.htm

          當(dāng)測(cè)量 3.0通道的S參數(shù)時(shí),可選的儀器是時(shí)域反射計(jì)或TDR。TDR系統(tǒng)通常往待測(cè)器件注入一個(gè)階躍電壓信號(hào)然后測(cè)量是時(shí)間函數(shù)的反射電壓。差分測(cè)量通過(guò)產(chǎn)生極性相反可相對(duì)定時(shí)的階躍電壓對(duì)實(shí)現(xiàn)。這篇文章中談到的都是差分信號(hào)。

          反射電壓與發(fā)射器和待測(cè)器件之間的阻抗失配成比例,關(guān)系如下式:

          7.jpg

          Z0 是源阻抗,ZL(t)是待測(cè)器件的阻抗,r(t)是反射系數(shù),Vr(t)/Vi(t)是入射和發(fā)射電壓的比率。式(1)假設(shè)到待測(cè)器件的源,線纜和都是匹配的,但事實(shí)上這種情況很少見。為了補(bǔ)償線纜和連接器的不理想,參考平面校正(基線校正)通常進(jìn)行開路,短路,負(fù)載校準(zhǔn)。調(diào)整式 (1)可以得到待測(cè)器件的阻抗和時(shí)間(或距離)的函數(shù),所以可以使用校準(zhǔn)過(guò)的TDR做阻抗測(cè)量。

          圖1展示了USB 3.0 帶有連接器線纜的的阻抗曲線。曲線表明了隨著TDR 階躍信號(hào)在線纜中的行進(jìn)阻抗變化是時(shí)間的函數(shù)。注意軌跡兩頭的阻抗變化,那是由于連接器引起的,當(dāng)使用上升時(shí)間100ps (階躍信號(hào))測(cè)試時(shí)連接器的阻抗規(guī)定是90+/- 7歐。TDR的上升時(shí)間非常重要,因?yàn)樽杩棺兓蚑DR階躍信號(hào)的上升時(shí)間成反比,而規(guī)范規(guī)定的USB 3.0信號(hào)的上升時(shí)間是100 ps,測(cè)量中匹配這個(gè)上升時(shí)間將給出信號(hào)“看到的”阻抗。

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          Figure 1: Differential impedance vs. time measurement for USB3.0 cable and mated connectors
          圖1:USB 3.0帶有連接器線纜的 差分阻抗 vs 時(shí)間 測(cè)量

          回波損耗或S11 是頻域的測(cè)量和反射系數(shù)有關(guān)。歸一化(通過(guò)反射平面校準(zhǔn) 基線校正)反射系數(shù)的傅里葉變換給出了回波損耗是頻率的函數(shù)。圖2給出了USB 3.0線纜和連接器測(cè)量的結(jié)果。圖中的橫軸表示2GHz/div,范圍是0~20GHz,縱軸表示10dB/div。回波損耗在2GHz大約是15dB,但隨著頻率的增加開始變得越來(lái)越小。精細(xì)的空值間隔是由線纜末端的連接器引起的,較大的空值間隔是由于連接器內(nèi)部的阻抗結(jié)構(gòu)決定的。

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          Figure 2: Differential return loss for USB3.0 cable with mated connectors
          圖2: USB 3.0 帶有連接器線纜的差分回波損耗

          回波損耗可以參考圖1中線纜和連接器阻抗是90歐而TDR系統(tǒng)差分阻抗是100歐,由于USB 3.0發(fā)射機(jī)阻抗是90歐,這個(gè)不匹配人為地減少了回波損耗。為了正確的表達(dá)回波損耗,將阻抗轉(zhuǎn)化為測(cè)試到的S11 是非常必要的,轉(zhuǎn)換關(guān)系由下式給出。

          11.jpg and 12.jpg (2)

          轉(zhuǎn)化可以分為兩步。首先,用特征阻抗是100歐姆的測(cè)試系統(tǒng)得出的復(fù)數(shù)S參數(shù)計(jì)算出復(fù)數(shù)的負(fù)載阻抗。其次,用新的90歐姆參考阻抗計(jì)算出負(fù)載阻抗的S參數(shù)?;夭〒p耗是頻率的函數(shù),所以可以計(jì)算出每個(gè)頻點(diǎn)的S參數(shù)。

          舉個(gè)例子,用100歐姆阻抗表征的復(fù)合回波損耗S11 = 0.53 - 0.12J 轉(zhuǎn)換到90歐姆的如下:

          113.jpg

          14.jpg

          式2 用來(lái)將圖2中測(cè)到的插損 轉(zhuǎn)換到90歐姆差分阻抗。圖3中的兩個(gè)曲線給出了100歐姆和90歐姆特征阻抗的的回波損耗。

          10.jpg

          igure 3: Return loss measured with 100 ohm reference (dotted line) and 90 ohm (solid line) reference
          圖3:100 歐姆(虛線)和90歐姆參考(實(shí)線)的回波損耗

          USB 3.0 線纜和連接器的差分阻抗可以使用校正的TDR系統(tǒng)測(cè)量插損而得出。通過(guò)對(duì)連接到待測(cè)器件的參考平面(基線校正)運(yùn)行開路,短路,負(fù)載進(jìn)行校正。通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換測(cè)試系統(tǒng)和待測(cè)器件之間的不同阻抗進(jìn)行插損補(bǔ)償。

          References
          參考:

          [1] “Time Domain Spectrum Analyzer and S Parameter Vector Network Analyzer”, James R. Andrews, Picosecond Pulse Labs application note AN-16a, November 2004

          [2] “converting s-parameters from 50-ohm to 75-ohm Impedance”, Dallas Semiconductor/Maxxim application note November 21, 2003



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