“电缆损耗对自动测试设备的影响”讨论了高损耗电缆的信号衰减机制。损耗主要源于两方面:趋肤效应和介质损耗。设备制造商,例如提供自动测试设备(ATE)的制造商,为了降低整个系统成本,大多使用高损耗电缆。随着系统数据传输速率的提高,这些电缆对系统性能的影响已经远远抵消了它们的低成本优势。值得庆幸的是,可以利用电子电路补偿电缆损耗。

 

解决电缆损耗的可行方案
解决电缆高损耗的途径之一是选择高质量、昂贵的电缆,这种电缆对系统性能的负面影响最小。但只有一些特殊的高端系统,比如军用设备,才可能接受这种高质量电缆。高昂的成本严重制约了这类电缆的使用。另外,电缆线径也会限制系统中能够使用的电缆数量,即使高质量电缆也会产生显著的损耗。

 

另一方案是设计适当的电子电路,不仅用于驱动电缆,而且能够均衡电缆损耗。这种方案采用小尺寸引脚电子器件(PE)驱动电缆,从而允许使用线径较细的低成本、高损耗电缆。器件还可补偿 PCB 引线、继电器和连接器造成的损耗。另外,该方案使系统性能接近 PE 所能提供的性能指标,无需考虑电缆损耗问题。

 

最后一种解决方案是结合上述两种方法,但 PE 方案是最切实可行的选择,也是本文所关注的内容。

 

电子方法解决电缆损耗
图 1 和图 2 描述了电缆损耗,损耗导致波形边沿变得平滑,或“磨损”最终信号。正是这些“平滑”信号的边沿降低了系统的有效带宽。带宽损失源于电缆而不是 PE。为了优化系统性能,需要恢复有效的系统带宽。

 

图 1. 驱动器电缆损耗修正的基本原理

 

图 2. 比较器通道的电缆损耗补偿
 

为了修正信号“磨损”、恢复带宽,必须找到一种方法将波形边沿恢复到直接来自驱动器的陡峭、无噪声方波。这种修正必须利用驱动电缆的 PE 实现。图 1 中包含一个附加电路模块“波形整形”,通过增加可控制的过冲幅度,有效修复信号的边沿。边沿修复不是通过简单的过冲电路实现,简单的过冲电路会对边沿产生负面影响,造成幅度波动,过冲量取决于具体加入的过冲。这些不良影响会造成时序、信号偏移等误差,而且这些误差随频率、幅度的变化而变化。

 

图 2 给出了更详细的 Maxim 产品对于修正电缆损耗的方法。图 1 所示为 PE IC 从电缆到被测件(DUT)整个驱动连路的波形修正情况。图 2 列出了类似修正情况,从 DUT 通过电缆,到达 PE 的比较器。驱动器和比较器通路均需要修正。

 

电缆损耗补偿电路在信号中加入两个一阶时间常数衰减的峰值信号。DOVSx 输入电压控制持续时间较短的峰值电平,补偿过冲电压;DOVLx 输入电压控制持续时间较长的峰值,补偿过冲电压。较短或较长持续时间的过冲信号都限制在 10%过冲范围内。两个峰值信号分别固定衰减时间常数。DOVSx 信号的时间常数为 77ps,DOVLx 补偿的时间常数为 1.5ns。如图 2 所示,COVSx 和 COVLx 在比较器通道充当类似功能。

 

MAX9957 双通道 2000Mbps 驱动器和 MAX9955 双通道 2000Mbps 比较器 / 端接器采用双时间常数,如图 1、图 2 所示,两个时间常数可分别调节。

 

MAX9979 双通道 1100Mbps 驱动器 /PMU,具有电平设置校准 DAC,使用单路控制架构(表 1 和图 3 所示)。这种方案同样采用双时间常数,但将双时间常数组合到一个 3 位 DAC 中。

 

表 1. MAX9979 电缆衰减补偿控制
 

 

图 3. MAX9979 电缆补偿

 

不同电缆下的 MAX9979 性能测试
MAX9979 为双通道 PE,集成了驱动器 / 比较器 / 负载(DCL)、PMU 和电平设置校准。每通道功耗为 1.1W,优化工作在 1Gbps、3V 信号,采用 50Ω端接。

 

图 4 至图 9 提供了一组 MAX9979 的测试数据,测试平台与图 3 类似。这些测试数据实在以下条件下获得的:MAX9979 配置在 VDH = 3V、VDL = 0V,为 50Ω负载提供 3V 信号驱动,图中给出了相应的电缆。

 

从图 4 至图 9 测试结果可以看出:补偿电缆与未经补偿的电缆相比具有明显优势。图 8 到图 9 接近于高速测试装置的实际测试结果,可以清楚地看到电平跳变速率或系统带宽,几乎降低了 50%,这些损耗是经过电缆产生的衰减。有些情况下结果可能更糟,因为 ATE 使用的电缆比测试采用的电缆损耗更大。另外,这些测试也包含了信号通道的 PCB 引线、继电器和连接器造成的损耗。Maxim 的 ATE 产品线中的 PE 电缆补偿能够对所有信号通道的损耗进行补偿。

 

图 4. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用固态和半刚性 SMA 电缆
 

图 5. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用固态和半刚性 SMA 电缆
 

图 6. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用 RG58C 电缆
 

图 7. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用 RG58C 电缆
 

图 8. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用 RG174 电缆
 

图 9. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用 RG174 电缆
 

通过对图 4 至图 9 数据的进一步分析显示,电平转换速率的降低和延长的上升时间是导致电缆损耗的关键,从没有补偿的通道更容易看到这一现象。所产生的损耗取决于使用电缆的长度和质量,实际应用中,电缆本身造成的损耗就有可能超过 50%。

 

注:
测试使用的固态 SMA 电缆价格是 130 美元 / 英尺,半刚性电缆价格是 30 美元 / 英尺,RG58 和 RG174 电缆的价格是 5 美元 / 英尺。


价格昂贵的电缆性能很好,传输长度甚至可以达到 36 英寸。但这些价格昂贵的电缆同样需要补偿,以支持最高的数据速率和最小上升时间。


12 英寸、特别是 36 英寸的 RG58 电缆即使在补偿情况下,电平转换速率也明显下降,上升时间较长。未经补偿的电缆损耗更大。


从图 8、图 9 可以看出,没有补偿时,较长的高损耗电缆会大大降低系统性能。对这些电缆进行补偿,可以恢复信号带宽或提高电平转换速率,达到驱动器 90%以上的性能指标。


没有电缆补偿的系统,如果 PE 驱动器可以支持 1000Mpbs 或更高速率,电缆损耗、继电器、连接器和 PCB 引线造成的损耗可能高达 50%。相反,使用具备电缆损耗补偿的 PE 系统,系统性能可以达到 PE 器件本身所能提供指标的 90%。


PE 补偿必须可调,PE 如果只是采用简单的过冲电路,则无法针对特定长度的电缆进行补偿,因为边沿和纹波会随着频率、幅度而改变,从而引入时序误差。


图 10 和图 11 是 6 英尺和 3 英尺 RG174 电缆的实际测量结果。图 8 和图 9 的数据直接从这些结果提取。输出结果包括未经补偿的波形、经过完全补偿的波形,1 位过补偿的波形。

 

图 10. 6 英尺 RG174 电缆输出波形,四个波形分别为:没有补偿、部分补偿、完全补偿和过补偿的情况(请参考图 8 和图 9 相关数据)。
 

图 11. 3 英尺 RG174 电缆输出波形,三个波形分别为:没有补偿、完全补偿和过补偿的情况(请参考图 8 和图 9 相关数据)。
 

上述波形表明,严格的 PE 电缆补偿设计能够保持真实的信号边沿,甚至可以减小幅度波动,从而维持正确的瞬变电平,使系统在任何频率和幅度下获得最佳性能。

 

测试结果总结
图 4 至图 11 所示测试结果证实了上述理论分析和相关讨论。试验中使用的电缆质量优于 ATE 设备使用的电缆。显然,没有电缆补偿电路,系统将无法达到与 PE 同等的性能指标。同样,在 PE 中设计电缆补偿,可以获得几乎 100%的性能指标,非常接近 PE 所能支持的最高速率。

 

在电子驱动器内设计电缆补偿电路,使系统能够使用低成本、高损耗电缆,同时保证整体性能。在驱动器中加入此补偿功能会增加每个引脚的成本。然而,性能的提高和低成本电缆的使用,无疑可以弥补引脚成本的提高,最终降低整体成本。