電纜損耗的補償方法
概述
應(yīng)用筆記4303:“電纜損耗對自動測試設(shè)備的影響”討論了高損耗電纜的信號衰減機制。損耗主要源于兩方面:趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗。設(shè)備制造商,例如提供自動測試設(shè)備(ATE)的制造商,為了降低整個系統(tǒng)成本,大多使用高損耗電纜。隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的提高,這些電纜對系統(tǒng)性能的影響已經(jīng)遠遠抵消了它們的低成本優(yōu)勢。值得慶幸的是,可以利用電子電路補償電纜損耗。解決電纜損耗的可行方案
解決電纜高損耗的途徑之一是選擇高質(zhì)量、昂貴的電纜,這種電纜對系統(tǒng)性能的負面影響最小。但只有一些特殊的高端系統(tǒng),比如軍用設(shè)備,才可能接受這種高質(zhì)量電纜。高昂的成本嚴重制約了這類電纜的使用。另外,電纜線徑也會限制系統(tǒng)中能夠使用的電纜數(shù)量,即使高質(zhì)量電纜也會產(chǎn)生顯著的損耗。另一方案是設(shè)計適當(dāng)?shù)碾娮与娐?,不僅用于驅(qū)動電纜,而且能夠均衡電纜損耗。這種方案采用小尺寸引腳電子器件(PE)驅(qū)動電纜,從而允許使用線徑較細的低成本、高損耗電纜。器件還可補償PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。另外,該方案使系統(tǒng)性能接近PE所能提供的性能指標(biāo),無需考慮電纜損耗問題。
最后一種解決方案是結(jié)合上述兩種方法,但PE方案是最切實可行的選擇,也是本文所關(guān)注的內(nèi)容。
電子方法解決電纜損耗
圖1和圖2描述了電纜損耗,損耗導(dǎo)致波形邊沿變得平滑,或“磨損”最終信號。正是這些“平滑”信號的邊沿降低了系統(tǒng)的有效帶寬。帶寬損失源于電纜而不是PE。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能,需要恢復(fù)有效的系統(tǒng)帶寬。圖1. 驅(qū)動器電纜損耗修正的基本原理
圖2. 比較器通道的電纜損耗補償
為了修正信號“磨損”、恢復(fù)帶寬,必須找到一種方法將波形邊沿恢復(fù)到直接來自驅(qū)動器的陡峭、無噪聲方波。這種修正必須利用驅(qū)動電纜的PE實現(xiàn)。圖1中包含一個附加電路模塊“波形整形”,通過增加可控制的過沖幅度,有效修復(fù)信號的邊沿。邊沿修復(fù)不是通過簡單的過沖電路實現(xiàn),簡單的過沖電路會對邊沿產(chǎn)生負面影響,造成幅度波動,過沖量取決于具體加入的過沖。這些不良影響會造成時序、信號偏移等誤差,而且這些誤差隨頻率、幅度的變化而變化。
圖2給出了更詳細的Maxim產(chǎn)品對于修正電纜損耗的方法。圖1所示為PE IC從電纜到被測件(DUT)整個驅(qū)動連路的波形修正情況。圖2列出了類似修正情況,從DUT通過電纜,到達PE的比較器。驅(qū)動器和比較器通路均需要修正。
電纜損耗補償電路在信號中加入兩個一階時間常數(shù)衰減的峰值信號。DOVSx輸入電壓控制持續(xù)時間較短的峰值電平,補償過沖電壓;DOVLx輸入電壓控制持續(xù)時間較長的峰值,補償過沖電壓。較短或較長持續(xù)時間的過沖信號都限制在10%過沖范圍內(nèi)。兩個峰值信號分別固定衰減時間常數(shù)。DOVSx信號的時間常數(shù)為77ps,DOVLx補償?shù)臅r間常數(shù)為1.5ns。如圖2所示,COVSx和COVLx在比較器通道充當(dāng)類似功能。
MAX9957雙通道2000Mbps驅(qū)動器和MAX9955雙通道2000Mbps比較器/端接器采用雙時間常數(shù),如圖1、圖2所示,兩個時間常數(shù)可分別調(diào)節(jié)。
MAX9979雙通道1100Mbps驅(qū)動器/PMU,具有電平設(shè)置校準DAC,使用單路控制架構(gòu)(表1和圖3所示)。這種方案同樣采用雙時間常數(shù),但將雙時間常數(shù)組合到一個3位DAC中。
表1. MAX9979電纜衰減補償控制
Serial Interface Bits | Droop Compensation (%) | ||
CDRP2_ | CDRP1_ | CDRP0_ | |
0 | 0 | 0 | 0.0 |
0 | 0 | 1 | 1.5 |
0 | 1 | 0 | 3.0 |
0 | 1 | 1 | 4.5 |
1 | 0 | 0 | 6.0 |
1 | 0 | 1 | 7.5 |
1 | 1 | 0 | 9.0 |
1 | 1 | 1 | 10.5 |
圖3. MAX9979電纜補償
不同電纜下的MAX9979性能測試
MAX9979為雙通道PE,集成了驅(qū)動器/比較器/負載(DCL)、PMU和電平設(shè)置校準。每通道功耗為1.1W,優(yōu)化工作在1Gbps、3V信號,采用50Ω端接。圖4至圖9提供了一組MAX9979的測試數(shù)據(jù),測試平臺與圖3類似。這些測試數(shù)據(jù)實在以下條件下獲得的:MAX9979配置在VDH = 3V、VDL = 0V,為50Ω負載提供3V信號驅(qū)動,圖中給出了相應(yīng)的電纜。
從圖4至圖9測試結(jié)果可以看出:補償電纜與未經(jīng)補償?shù)碾娎|相比具有明顯優(yōu)勢。圖8到圖9接近于高速測試裝置的實際測試結(jié)果,可以清楚地看到電平跳變速率或系統(tǒng)帶寬,幾乎降低了50%,這些損耗是經(jīng)過電纜產(chǎn)生的衰減。有些情況下結(jié)果可能更糟,因為ATE使用的電纜比測試采用的電纜損耗更大。另外,這些測試也包含了信號通道的PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。Maxim的ATE產(chǎn)品線中的PE電纜補償能夠?qū)λ行盘柾ǖ赖膿p耗進行補償。
圖4. 補償之前和補償之后的轉(zhuǎn)換速率,采用固態(tài)和半剛性SMA電纜
圖5. 補償之前和補償之后的上升時間,采用固態(tài)和半剛性SMA電纜
圖6. 補償之前和補償之后的轉(zhuǎn)換速率,采用RG58C電纜
圖7. 補償之前和補償之后的上升時間,采用RG58C電纜
圖8. 補償之前和補償之后的轉(zhuǎn)換速率,采用RG174電纜
圖9. 補償之前和補償之后的上升時間,采用RG174電纜
通過對圖4至圖9數(shù)據(jù)的進一步分析顯示,電平轉(zhuǎn)換速率的降低和延長的上升時間是導(dǎo)致電纜損耗的關(guān)鍵,從沒有補償?shù)耐ǖ栏菀卓吹竭@一現(xiàn)象。所產(chǎn)生的損耗取決于使用電纜的長度和質(zhì)量,實際應(yīng)用中,電纜本身造成的損耗就有可能超過50%。
注:
- 測試使用的固態(tài)SMA電纜價格是130美元/英尺,半剛性電纜價格是30美元/英尺,RG58和RG174電纜的價格是5美元/英尺。
- 價格昂貴的電纜性能很好,傳輸長度甚至可以達到36英寸。但這些價格昂貴的電纜同樣需要補償,以支持最高的數(shù)據(jù)速率和最小上升時間。
- 12英寸、特別是36英寸的RG58電纜即使在補償情況下,電平轉(zhuǎn)換速率也明顯下降,上升時間較長。未經(jīng)補償?shù)碾娎|損耗更大。
- 從圖8、圖9可以看出,沒有補償時,較長的高損耗電纜會大大降低系統(tǒng)性能。對這些電纜進行補償,可以恢復(fù)信號帶寬或提高電平轉(zhuǎn)換速率,達到驅(qū)動器90%以上的性能指標(biāo)。
- 沒有電纜補償?shù)南到y(tǒng),如果PE驅(qū)動器可以支持1000Mpbs或更高速率,電纜損耗、繼電器、連接器和PCB引線造成的損耗可能高達50%。相反,使用具備電纜損耗補償?shù)腜E系統(tǒng),系統(tǒng)性能可以達到PE器件本身所能提供指標(biāo)的90%。
- PE補償必須可調(diào),PE如果只是采用簡單的過沖電路,則無法針對特定長度的電纜進行補償,因為邊沿和紋波會隨著頻率、幅度而改變,從而引入時序誤差。
圖10. 6英尺RG174電纜輸出波形,四個波形分別為:沒有補償、部分補償、完全補償和過補償?shù)那闆r(請參考圖8和圖9相關(guān)數(shù)據(jù))。
圖11. 3英尺RG174電纜輸出波形,三個波形分別為:沒有補償、完全補償和過補償?shù)那闆r(請參考圖8和圖9相關(guān)數(shù)據(jù))。
上述波形表明,嚴格的PE電纜補償設(shè)計能夠保持真實的信號邊沿,甚至可以減小幅度波動,從而維持正確的瞬變電平,使系統(tǒng)在任何頻率和幅度下獲得最佳性能。
測試結(jié)果總結(jié)
圖4至圖11所示測試結(jié)果證實了上述理論分析和相關(guān)討論。試驗中使用的電纜質(zhì)量優(yōu)于ATE設(shè)備使用的電纜。顯然,沒有電纜補償電路,系統(tǒng)將無法達到與PE同等的性能指標(biāo)。同樣,在PE中設(shè)計電纜補償,可以獲得幾乎100%的性能指標(biāo),非常接近PE所能支持的最高速率。在電子驅(qū)動器內(nèi)設(shè)計電纜補償電路,使系統(tǒng)能夠使用低成本、高損耗電纜,同時保證整體性能。在驅(qū)動器中加入此補償功能會增加每個引腳的成本。然而,性能的提高和低成本電纜的使用,無疑可以彌補引腳成本的提高,最終降低整體成本。
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