通過(guò)示波器探頭響應改善MIPI設計裕量

移動(dòng)行業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟是負責推廣移動(dòng)設備軟硬件標準化的組織。它已經(jīng)發(fā)布了D-PHY規范，該規范可在芯片與設備之間的通信鏈路上實(shí)現高達1.5Gbps(1,500,000,000比特/秒)的數據傳輸率。MIPI聯(lián)盟還計劃在近期發(fā)布M-PHY規范，進(jìn)一步提高數據傳輸率，達到大約6Gbps的水平。隨著(zhù)需要更高數據吞吐量的移動(dòng)應用和特性不斷出現，對傳輸速率的要求也相應提高。這些應用和特性包括：高分辨率照相機捕獲、高清視頻顯示，以及用于下一代長(cháng)期演進(jìn)(LTE)射頻(RF)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的復雜調制方案。

MIPI聯(lián)盟下屬的電氣標準工作組投入了巨大的努力來(lái)制定這些物理層規范，以確保實(shí)際設計可以在移動(dòng)環(huán)境中正常運行。由于移動(dòng)設計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、信號串擾和耦合等問(wèn)題更加突出，工程師在設計過(guò)程中必須謹慎地考慮這些問(wèn)題。此外，數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)更加嚴重。這些新的挑戰可能會(huì )帶來(lái)各種不可預見(jiàn)的問(wèn)題，單憑普通數字設計的經(jīng)驗無(wú)法解決這些問(wèn)題。

圖1，匹配電纜對的頻率響應，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，可能在部分信號內容過(guò)度衰減或放大時(shí)導致波形失真。特別是在第二條匹配電纜對上，可以在5GHz~8GHz之間看到頻率響應凸起

MIPI聯(lián)盟提倡使用一致性測試套件(CTS)對設計進(jìn)行測試，包括對發(fā)射機和接收機電路，以及信號互連進(jìn)行測試。其目的是增強系統的互操作性，或保證不同廠(chǎng)商的設計在一起使用時(shí)能夠良好地配合。特別是在進(jìn)行發(fā)射機測試時(shí)，CTS可以使用探頭和示波器進(jìn)行關(guān)鍵的測量，例如信號幅度、通道內/通道間偏差、轉換速率、抖動(dòng)性能、眼圖和時(shí)間要求。在進(jìn)行測試時(shí)切勿忘記的一個(gè)重要因素是所使用的探測系統的精度，使用不一致的探頭可能會(huì )降低設計的真正性能。例如，不規則的頻率響應和探頭的不匹配偏差有可能造成測量結果出現極大差異，導致盡管設計運行得更好，但是裕量減小。在本文中，您將了解如何通過(guò)現有的解決方案，只使用一臺示波器來(lái)校正和匹配每個(gè)探頭，使其具有相同且經(jīng)過(guò)校正的響應，從而獲得更多的設計裕量。

探頭損耗和偏差對測量結果的影響

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，或與標稱(chēng)值有一定的差距，導致測量結果發(fā)生變化。為了補償固有損耗，示波器廠(chǎng)商通過(guò)數字信號處理(DSP)技術(shù)進(jìn)行探頭校正。供應商使用“最佳”模型，并應用到所有探頭的的補償和校正上。雖然這一策略可以解決某些損耗和變化，但也意味著(zhù)如果一個(gè)探頭的特性發(fā)生了變化、漂移或偏離開(kāi)始使用的模型，那么對這個(gè)探頭進(jìn)行的補償就不再正確了?，F實(shí)中有很多探頭組合連接到探頭放大器上，為了獲得最高測量精度必須對每種探頭組合進(jìn)行測量。最終的結果是，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(zhù)，示波器廠(chǎng)商再也無(wú)法提供“最佳”系統。

對于MIPI D-PHY或M-PHY發(fā)射機測試，最常用的探測方法包括使用有源差分探頭直接焊接到產(chǎn)品信號路徑上和用SMA同軸電纜連接到焊裝有被測芯片的測試板上的信號路徑上(圖1)。由于信號是差分信號，而且必須對信號的電氣性能進(jìn)行單端分析，所以需要使用一對探頭進(jìn)行部分測試。這些測試包括測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)現正確匹配，并且擁有相同的損耗性能特性，這樣所測量的信號才代表了設計的真正性能。

圖2，左側屏幕截圖顯示的探頭在進(jìn)行共模電壓測量時(shí)頻率響應略有不同。結果顯示為75mV，這主要是由探頭頻率響應不精確匹配造成的。在右側屏幕截圖中，使用高度匹配的探頭進(jìn)行同樣的測量，結果顯示共模電壓僅為7mV，這是您的設計的真正性能。

通常，您必須花費昂貴的代價(jià)才能找到匹配的探頭，但無(wú)論花費了多少，它們并不總是相同的，往往存在一定的容限。雖然探頭是當作匹配的探頭對進(jìn)行銷(xiāo)售的，但是其偏差和頻率響應的容限對于測量來(lái)說(shuō)可能太大，致使測試結果合格或不合格。您也許可以通過(guò)校準消除這些電纜的偏差，但是這些電纜的頻率響應特性并不容易校正。如果電纜的特性不完全相同，可能會(huì )導致信號的部分頻率內容發(fā)生衰減或放大，從而使被測信號出現失真。當得到測量結果時(shí)，它可能會(huì )超過(guò)限定范圍，因為信號在頻域內的不均衡放大可能導致測試失敗。

在圖2左側屏幕截圖中，使用了一對匹配不正確、頻率響應特性略有不同的探頭，通過(guò)探測差分信號來(lái)測量共模電壓。您可以觀(guān)察到，兩個(gè)信號的波形特性略有不同，當信號疊加在一起時(shí)，探頭差異導致凸起。電纜頻率響應差異造成的凸起形成了大約75mV的共模誤差，導致測試失敗。相比之下，右側的測量使用了一個(gè)高度匹配的探頭對，共模電壓的測量結果僅大約為7mV，這顯示了設計的真正性能，設計成功通過(guò)了測試。因此，偏差效應和頻率響應對測量精度有很大的影響。

傳統校準方法

典型的示波器提供對探頭的直流和偏差校準。此類(lèi)探頭校正是比較有限的，因為它不會(huì )校正探頭頻率響應。這樣的校準對于有些測量可能是足夠精確的，但是仍然有一定的不準確度。因此，您可能希望校正所使用的探頭的偏差和頻率響應，而不是直接使用示波器廠(chǎng)商提供的響應參數。尤其是測量電壓失配和共模電壓時(shí)，探針校正效果可能會(huì )決定測試結果。

校正頻率響應的一種常用方法是對探頭的頻率響應和損耗特性進(jìn)行去嵌入。大多數示波器能夠采用探頭的S參數模型，并應用去嵌入功能來(lái)消除損耗。這個(gè)任務(wù)可能看起來(lái)微不足道，但實(shí)際上并非如此。首先，您必須生成探頭S參數模型。通常是使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)或時(shí)域反射計(TDR)等專(zhuān)業(yè)儀器來(lái)表征和測量探頭，生成S參數模型。操作這些儀器可能需要非常專(zhuān)業(yè)和熟練的技能，更不用說(shuō)您的實(shí)驗室中是否配備了這些儀器。此外，在示波器中使用和應用S參數模型同樣具有挑戰性，因為您需要知道如何使用去嵌入旋鈕或菜單以獲得最佳結果。

圖3，通過(guò)應用校正濾波器(使用示波器內置的信號源)，對電纜對的不良響應進(jìn)行了適當校正。這種能力可校正和匹配測量中使用的任何探頭的探頭響應。測量中使用的校正將會(huì )保證高質(zhì)量和可重復的測量結果。

難怪許多工程師決定避免校準其電纜，而假定他們在進(jìn)行測量時(shí)探頭是完全匹配的。未校準探頭不僅會(huì )使測量不夠精確，而且在進(jìn)行故障診斷時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生誤導，實(shí)際上問(wèn)題是由探頭造成的。

創(chuàng )新的探頭偏差和頻率響應校正

目前出現了一個(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(wú)需使用VNA或TDR等其它儀器。具體方法是，使用示波器內置的快速校準邊沿階躍響應進(jìn)行校正，然后將校正結果輸入探頭。通過(guò)分析使用和不使用探頭對階躍響應的影響，可以計算出S參數數學(xué)模型，將探頭造成的損耗考慮在內(如圖3)。這種功能可對探頭進(jìn)行全面的交流校準，而不只是直流校準和偏差校正。它可以很快校正相位非線(xiàn)性、幅度不平坦以及探頭負載效應等問(wèn)題。并可分析在設置探測環(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置向導程序，可以引導您完成設置和表征探測元器件，例如探頭、電纜和開(kāi)關(guān)。

這個(gè)功能提供的對探測連接和設置的分析可增加測量裕量，使您可以進(jìn)行最精確的測量。當探頭環(huán)境設置消耗了測量裕量但用戶(hù)沒(méi)有察覺(jué)時(shí)，增加的裕量變得尤為重要。通過(guò)計算基線(xiàn)響應的變化，可以使用校正濾波器來(lái)測量有損電纜，以便獲得經(jīng)過(guò)校正的電纜響應。最重要的是，您不必花費大量資金購買(mǎi)完全匹配的電纜，因為它們并不便宜。相反，這種能力將校正探頭頻率響應，在您使用時(shí)完全匹配。

總結

隨著(zhù)高速MIPI信號的數據傳輸速率達到并超過(guò)6Gbps，探測系統對測量結果的影響變得越來(lái)越重要。探頭可以影響測試結果，特別是當設計正處于測試合格或不合格的邊緣。這對項目成本和進(jìn)度也有著(zhù)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，從而節省大量成本。您在此解決方案上的投資最終將會(huì )帶來(lái)豐厚的回報—產(chǎn)品和設計的質(zhì)量更出色，推向市場(chǎng)的速度更快。