解析USB3.0連接器的阻抗和插損測試
發布時間:2013-01-22 責任編輯:hedyxing
【導讀】當測量USB3.0通道的S參數時,可選的儀器是時域反射計或TDR。TDR係(xi)統(tong)通(tong)常(chang)往(wang)待(dai)測(ce)器(qi)件(jian)注(zhu)入(ru)一(yi)個(ge)階(jie)躍(yue)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)然(ran)後(hou)測(ce)量(liang)是(shi)時(shi)間(jian)函(han)數(shu)的(de)反(fan)射(she)電(dian)壓(ya)。差(cha)分(fen)測(ce)量(liang)通(tong)過(guo)產(chan)生(sheng)極(ji)性(xing)相(xiang)反(fan)可(ke)相(xiang)對(dui)定(ding)時(shi)的(de)階(jie)躍(yue)電(dian)壓(ya)對(dui)實(shi)現(xian)。這(zhe)篇(pian)文(wen)章(zhang)中(zhong)談(tan)到(dao)的(de)都(dou)是(shi)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)。
下一代串行數據標準采用的高速率已經進入到微波領域。比如,Super Speed USB(USB3.0)通過雙絞線對線纜傳輸速率就達到了5Gb/s。通過連接器和(he)線(xian)纜(lan)傳(chuan)輸(shu)如(ru)此(ci)高(gao)的(de)速(su)率(lv)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)通(tong)道(dao)的(de)不(bu)連(lian)續(xu)性(xing)引(yin)起(qi)的(de)失(shi)真(zhen)。為(wei)了(le)將(jiang)失(shi)真(zhen)程(cheng)度(du)保(bao)持(chi)在(zai)一(yi)個(ge)可(ke)控(kong)的(de)水(shui)平(ping),標(biao)準(zhun)規(gui)定(ding)了(le)線(xian)纜(lan)和(he)連(lian)接(jie)器(qi)對(dui)的(de)阻(zu)抗(kang)和(he)回(hui)波(bo)損(sun)耗(hao)。最(zui)新(xin)的(de)測(ce)量(liang)使(shi)用(yong)S參數S11表征而且必須歸一化到線纜的90歐姆差分阻抗。
反射電壓與發射器和待測器件之間的阻抗失配成比例,關係如下式:
Z0是源阻抗,ZL(t)是待測器件的阻抗,r(t)是反射係數,Vr(t)/Vi(t)是入射和發射電壓的比率。式(1)假設到待測器件的源,線纜和連接器都是匹配的,但事實上這種情況很少見。為了補償線纜和連接器的不理想,參考平麵校正(基線校正)通常進行開路,短路,負載校準。調整式(1)可以得到待測器件的阻抗和時間(或距離)的函數,所以可以使用校準過的TDR做阻抗測量。
圖1展示了USB3.0帶有連接器線纜的的阻抗曲線。曲線表明了隨著TDR階躍信號在線纜中的行進阻抗變化是時間的函數。注意軌跡兩頭的阻抗變化,那是由於連接器引起的,當使用上升時間100ps(階躍信號)測試時連接器的阻抗規定是90+/-7歐。TDR的上升時間非常重要,因為阻抗變化和TDR階躍信號的上升時間成反比,而規範規定的USB3.0信號的上升時間是100ps,測量中匹配這個上升時間將給出信號“看到的”阻抗。

圖1:USB3.0帶有連接器線纜的差分阻抗vs時間測量
回波損耗或S11是頻域的測量和反射係數有關。歸一化(通過反射平麵校準基線校正)反射係數的傅裏葉變換給出了回波損耗是頻率的函數。圖2給出了USB3.0線纜和連接器測量的結果。圖中的橫軸表示2GHz/div,範圍是0~20GHz,縱軸表示10dB/div。回波損耗在2GHz大約是15dB,但dan隨sui著zhe頻pin率lv的de增zeng加jia開kai始shi變bian得de越yue來lai越yue小xiao。精jing細xi的de空kong值zhi間jian隔ge是shi由you線xian纜lan末mo端duan的de連lian接jie器qi引yin起qi的de,較jiao大da的de空kong值zhi間jian隔ge是shi由you於yu連lian接jie器qi內nei部bu的de阻zu抗kang結jie構gou決jue定ding的de。

圖2:USB3.0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係統差分阻抗是100歐,由於USB3.0發射機阻抗是90歐,這個不匹配人為地減少了回波損耗。為了正確的表達回波損耗,將阻抗轉化為測試到的S11是非常必要的,轉換關係由下式給出。

轉化可以分為兩步。首先,用特征阻抗是100歐姆的測試係統得出的複數S參數計算出複數的負載阻抗。其次,用新的90歐姆參考阻抗計算出負載阻抗的S參數。回波損耗是頻率的函數,所以可以計算出每個頻點的S參數。
舉個例子,用100歐姆阻抗表征的複合回波損耗S11=0.53-0.12J轉換到90歐姆的如下:

式2用來將圖2中測到的插損轉換到90歐姆差分阻抗。圖3中的兩個曲線給出了100歐姆和90歐姆特征阻抗的的回波損耗。

圖3:100歐姆(虛線)和90歐姆參考(實線)的回波損耗
USB3.0線纜和連接器的差分阻抗可以使用校正的TDR係統測量插損而得出。通過對連接到待測器件的參考平麵(基線校正)運行開路,短路,負載進行校正。通過簡單的轉換測試係統和待測器件之間的不同阻抗進行插損補償。
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