- 通過示波器探頭響應(yīng)改善MIPI設(shè)計(jì)裕量
- 采用探頭的S參數(shù)模型
- 使用示波器內(nèi)置的快速校準(zhǔn)邊沿階躍響應(yīng)進(jìn)行校正
移動(dòng)行業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟是負(fù)責(zé)推廣移動(dòng)設(shè)備軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化的組織。它已經(jīng)發(fā)布了D-PHY規(guī)范，該規(guī)范可在芯片與設(shè)備之間的通信鏈路上實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.5Gbps(1,500,000,000比特/秒)的數(shù)據(jù)傳輸率。MIPI聯(lián)盟還計(jì)劃在近期發(fā)布M-PHY規(guī)范，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸率，達(dá)到大約6Gbps的水平。隨著需要更高數(shù)據(jù)吞吐量的移動(dòng)應(yīng)用和特性不斷出現(xiàn)，對(duì)傳輸速率的要求也相應(yīng)提高。這些應(yīng)用和特性包括：高分辨率照相機(jī)捕獲、高清視頻顯示，以及用于下一代長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)射頻(RF)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜調(diào)制方案。
MIPI聯(lián)盟下屬的電氣標(biāo)準(zhǔn)工作組投入了巨大的努力來制定這些物理層規(guī)范，以確保實(shí)際設(shè)計(jì)可以在移動(dòng)環(huán)境中正常運(yùn)行。由于移動(dòng)設(shè)計(jì)的體積受到很大限制，許多元器件都擠在一個(gè)狹小密集的空間中，所以電源供電、散熱、信號(hào)串?dāng)_和耦合等問題更加突出，工程師在設(shè)計(jì)過程中必須謹(jǐn)慎地考慮這些問題。此外，數(shù)字和射頻電路都安裝在這個(gè)狹窄空間中，會(huì)使電磁干擾(EMI)更加嚴(yán)重。這些新的挑戰(zhàn)可能會(huì)帶來各種不可預(yù)見的問題，單憑普通數(shù)字設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)無法解決這些問題。
圖1，匹配電纜對(duì)的頻率響應(yīng)，額定帶寬為18GHz。-3dB截止帶寬實(shí)際上大約為10GHz，低于額定帶寬。除此之外，兩條電纜的特性不相似，可能在部分信號(hào)內(nèi)容過度衰減或放大時(shí)導(dǎo)致波形失真。特別是在第二條匹配電纜對(duì)上，可以在5GHz~8GHz之間看到頻率響應(yīng)凸起
MIPI聯(lián)盟提倡使用一致性測(cè)試套件(CTS)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，包括對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路，以及信號(hào)互連進(jìn)行測(cè)試。其目的是增強(qiáng)系統(tǒng)的互操作性，或保證不同廠商的設(shè)計(jì)在一起使用時(shí)能夠良好地配合。特別是在進(jìn)行發(fā)射機(jī)測(cè)試時(shí)，CTS可以使用探頭和示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測(cè)量，例如信號(hào)幅度、通道內(nèi)/通道間偏差、轉(zhuǎn)換速率、抖動(dòng)性能、眼圖和時(shí)間要求。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)切勿忘記的一個(gè)重要因素是所使用的探測(cè)系統(tǒng)的精度，使用不一致的探頭可能會(huì)降低設(shè)計(jì)的真正性能。例如，不規(guī)則的頻率響應(yīng)和探頭的不匹配偏差有可能造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)極大差異，導(dǎo)致盡管設(shè)計(jì)運(yùn)行得更好，但是裕量減小。在本文中，您將了解如何通過現(xiàn)有的解決方案，只使用一臺(tái)示波器來校正和匹配每個(gè)探頭，使其具有相同且經(jīng)過校正的響應(yīng)，從而獲得更多的設(shè)計(jì)裕量。
探頭損耗和偏差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
探頭和電纜都具有固有的損耗和變化。損耗有時(shí)可能極大，或與標(biāo)稱值有一定的差距，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果發(fā)生變化。為了補(bǔ)償固有損耗，示波器廠商通過數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)進(jìn)行探頭校正。供應(yīng)商使用“最佳”模型，并應(yīng)用到所有探頭的的補(bǔ)償和校正上。雖然這一策略可以解決某些損耗和變化，但也意味著如果一個(gè)探頭的特性發(fā)生了變化、漂移或偏離開始使用的模型，那么對(duì)這個(gè)探頭進(jìn)行的補(bǔ)償就不再正確了。現(xiàn)實(shí)中有很多探頭組合連接到探頭放大器上，為了獲得最高測(cè)量精度必須對(duì)每種探頭組合進(jìn)行測(cè)量。最終的結(jié)果是，您可能會(huì)得到不必要的誤差或探頭與探頭之間的差異。您也可以使用定制的探頭。雖然這提供了很大的便利，但它也意味著，示波器廠商再也無法提供“最佳”系統(tǒng)。
對(duì)于MIPI D-PHY或M-PHY發(fā)射機(jī)測(cè)試，最常用的探測(cè)方法包括使用有源差分探頭直接焊接到產(chǎn)品信號(hào)路徑上和用SMA同軸電纜連接到焊裝有被測(cè)芯片的測(cè)試板上的信號(hào)路徑上(圖1)。由于信號(hào)是差分信號(hào)，而且必須對(duì)信號(hào)的電氣性能進(jìn)行單端分析，所以需要使用一對(duì)探頭進(jìn)行部分測(cè)試。這些測(cè)試包括測(cè)量共模電壓幅度失配等。重要的是，您所使用的探頭必須實(shí)現(xiàn)正確匹配，并且擁有相同的損耗性能特性，這樣所測(cè)量的信號(hào)才代表了設(shè)計(jì)的真正性能。
圖2，左側(cè)屏幕截圖顯示的探頭在進(jìn)行共模電壓測(cè)量時(shí)頻率響應(yīng)略有不同。結(jié)果顯示為75mV，這主要是由探頭頻率響應(yīng)不精確匹配造成的。在右側(cè)屏幕截圖中，使用高度匹配的探頭進(jìn)行同樣的測(cè)量，結(jié)果顯示共模電壓僅為7mV，這是您的設(shè)計(jì)的真正性能。
通常，您必須花費(fèi)昂貴的代價(jià)才能找到匹配的探頭，但無論花費(fèi)了多少，它們并不總是相同的，往往存在一定的容限。雖然探頭是當(dāng)作匹配的探頭對(duì)進(jìn)行銷售的，但是其偏差和頻率響應(yīng)的容限對(duì)于測(cè)量來說可能太大，致使測(cè)試結(jié)果合格或不合格。您也許可以通過校準(zhǔn)消除這些電纜的偏差，但是這些電纜的頻率響應(yīng)特性并不容易校正。如果電纜的特性不完全相同，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的部分頻率內(nèi)容發(fā)生衰減或放大，從而使被測(cè)信號(hào)出現(xiàn)失真。當(dāng)?shù)玫綔y(cè)量結(jié)果時(shí)，它可能會(huì)超過限定范圍，因?yàn)樾盘?hào)在頻域內(nèi)的不均衡放大可能導(dǎo)致測(cè)試失敗。
在圖2左側(cè)屏幕截圖中，使用了一對(duì)匹配不正確、頻率響應(yīng)特性略有不同的探頭，通過探測(cè)差分信號(hào)來測(cè)量共模電壓。您可以觀察到，兩個(gè)信號(hào)的波形特性略有不同，當(dāng)信號(hào)疊加在一起時(shí)，探頭差異導(dǎo)致凸起。電纜頻率響應(yīng)差異造成的凸起形成了大約75mV的共模誤差，導(dǎo)致測(cè)試失敗。相比之下，右側(cè)的測(cè)量使用了一個(gè)高度匹配的探頭對(duì)，共模電壓的測(cè)量結(jié)果僅大約為7mV，這顯示了設(shè)計(jì)的真正性能，設(shè)計(jì)成功通過了測(cè)試。因此，偏差效應(yīng)和頻率響應(yīng)對(duì)測(cè)量精度有很大的影響。
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傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法
典型的示波器提供對(duì)探頭的直流和偏差校準(zhǔn)。此類探頭校正是比較有限的，因?yàn)樗粫?huì)校正探頭頻率響應(yīng)。這樣的校準(zhǔn)對(duì)于有些測(cè)量可能是足夠精確的，但是仍然有一定的不準(zhǔn)確度。因此，您可能希望校正所使用的探頭的偏差和頻率響應(yīng)，而不是直接使用示波器廠商提供的響應(yīng)參數(shù)。尤其是測(cè)量電壓失配和共模電壓時(shí)，探針校正效果可能會(huì)決定測(cè)試結(jié)果。
校正頻率響應(yīng)的一種常用方法是對(duì)探頭的頻率響應(yīng)和損耗特性進(jìn)行去嵌入。大多數(shù)示波器能夠采用探頭的S參數(shù)模型，并應(yīng)用去嵌入功能來消除損耗。這個(gè)任務(wù)可能看起來微不足道，但實(shí)際上并非如此。首先，您必須生成探頭S參數(shù)模型。通常是使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)或時(shí)域反射計(jì)(TDR)等專業(yè)儀器來表征和測(cè)量探頭，生成S參數(shù)模型。操作這些儀器可能需要非常專業(yè)和熟練的技能，更不用說您的實(shí)驗(yàn)室中是否配備了這些儀器。此外，在示波器中使用和應(yīng)用S參數(shù)模型同樣具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槟枰廊绾问褂萌デ度胄o或菜單以獲得最佳結(jié)果。
圖3，通過應(yīng)用校正濾波器(使用示波器內(nèi)置的信號(hào)源)，對(duì)電纜對(duì)的不良響應(yīng)進(jìn)行了適當(dāng)校正。這種能力可校正和匹配測(cè)量中使用的任何探頭的探頭響應(yīng)。測(cè)量中使用的校正將會(huì)保證高質(zhì)量和可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果。
難怪許多工程師決定避免校準(zhǔn)其電纜，而假定他們?cè)谶M(jìn)行測(cè)量時(shí)探頭是完全匹配的。未校準(zhǔn)探頭不僅會(huì)使測(cè)量不夠精確，而且在進(jìn)行故障診斷時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)，實(shí)際上問題是由探頭造成的。
創(chuàng)新的探頭偏差和頻率響應(yīng)校正
目前出現(xiàn)了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案，可以輕松表征和校正電纜和探頭所產(chǎn)生的插入損耗。它只需使用示波器，而無需使用VNA或TDR等其它儀器。具體方法是，使用示波器內(nèi)置的快速校準(zhǔn)邊沿階躍響應(yīng)進(jìn)行校正，然后將校正結(jié)果輸入探頭。通過分析使用和不使用探頭對(duì)階躍響應(yīng)的影響，可以計(jì)算出S參數(shù)數(shù)學(xué)模型，將探頭造成的損耗考慮在內(nèi)(如圖3)。這種功能可對(duì)探頭進(jìn)行全面的交流校準(zhǔn)，而不只是直流校準(zhǔn)和偏差校正。它可以很快校正相位非線性、幅度不平坦以及探頭負(fù)載效應(yīng)等問題。并可分析在設(shè)置探測(cè)環(huán)境時(shí)產(chǎn)生的阻抗和電容。為了幫助您進(jìn)行校正，示波器還提供了軟件設(shè)置向?qū)С绦颍梢砸龑?dǎo)您完成設(shè)置和表征探測(cè)元器件，例如探頭、電纜和開關(guān)。
這個(gè)功能提供的對(duì)探測(cè)連接和設(shè)置的分析可增加測(cè)量裕量，使您可以進(jìn)行最精確的測(cè)量。當(dāng)探頭環(huán)境設(shè)置消耗了測(cè)量裕量但用戶沒有察覺時(shí)，增加的裕量變得尤為重要。通過計(jì)算基線響應(yīng)的變化，可以使用校正濾波器來測(cè)量有損電纜，以便獲得經(jīng)過校正的電纜響應(yīng)。最重要的是，您不必花費(fèi)大量資金購(gòu)買完全匹配的電纜，因?yàn)樗鼈儾⒉槐阋恕Ｏ喾矗@種能力將校正探頭頻率響應(yīng)，在您使用時(shí)完全匹配。
總結(jié)
隨著高速M(fèi)IPI信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到并超過6Gbps，探測(cè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響變得越來越重要。探頭可以影響測(cè)試結(jié)果，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)正處于測(cè)試合格或不合格的邊緣。這對(duì)項(xiàng)目成本和進(jìn)度也有著巨大的影響。因此，能夠僅使用示波器快速方便地進(jìn)行探頭校正是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。這個(gè)功能可以校正探頭之間的差異和定制探頭，以及消除電纜造成的插入損耗。實(shí)踐證明，它們不僅能夠縮短工程時(shí)間，還可使用容限更寬松的部件，從而節(jié)省大量成本。您在此解決方案上的投資最終將會(huì)帶來豐厚的回報(bào)—產(chǎn)品和設(shè)計(jì)的質(zhì)量更出色，推向市場(chǎng)的速度更快。
