電纜損耗的補償方法
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概述
應用筆記4303：“電纜損耗對自動(dòng)測試設備的影響”討論了高損耗電纜的信號衰減機制。損耗主要源于兩方面：趨膚效應和介質(zhì)損耗。設備制造商，例如提供自動(dòng)測試設備(ATE)的制造商，為了降低整個(gè)系統成本，大多使用高損耗電纜。隨著(zhù)系統數據傳輸速率的提高，這些電纜對系統性能的影響已經(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，這種電纜對系統性能的負面影響最小。但只有一些特殊的高端系統，比如軍用設備，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(lèi)電纜的使用。另外，電纜線(xiàn)徑也會(huì )限制系統中能夠使用的電纜數量，即使高質(zhì)量電纜也會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的損耗。另一方案是設計適當的電子電路，不僅用于驅動(dòng)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)驅動(dòng)電纜，從而允許使用線(xiàn)徑較細的低成本、高損耗電纜。器件還可補償PCB引線(xiàn)、繼電器和連接器造成的損耗。另外，該方案使系統性能接近PE所能提供的性能指標，無(wú)需考慮電纜損耗問(wèn)題。
最后一種解決方案是結合上述兩種方法，但PE方案是最切實(shí)可行的選擇，也是本文所關(guān)注的內容。
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的有效帶寬。帶寬損失源于電纜而不是PE。為了優(yōu)化系統性能，需要恢復有效的系統帶寬。
圖1. 驅動(dòng)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”、恢復帶寬，必須找到一種方法將波形邊沿恢復到直接來(lái)自驅動(dòng)器的陡峭、無(wú)噪聲方波。這種修正必須利用驅動(dòng)電纜的PE實(shí)現。圖1中包含一個(gè)附加電路模塊“波形整形”，通過(guò)增加可控制的過(guò)沖幅度，有效修復信號的邊沿。邊沿修復不是通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)沖電路實(shí)現，簡(jiǎn)單的過(guò)沖電路會(huì )對邊沿產(chǎn)生負面影響，造成幅度波動(dòng)，過(guò)沖量取決于具體加入的過(guò)沖。這些不良影響會(huì )造成時(shí)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(gè)驅動(dòng)連路的波形修正情況。圖2列出了類(lèi)似修正情況，從DUT通過(guò)電纜，到達PE的比較器。驅動(dòng)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(gè)一階時(shí)間常數衰減的峰值信號。DOVSx輸入電壓控制持續時(shí)間較短的峰值電平，補償過(guò)沖電壓；DOVLx輸入電壓控制持續時(shí)間較長(cháng)的峰值，補償過(guò)沖電壓。較短或較長(cháng)持續時(shí)間的過(guò)沖信號都限制在10%過(guò)沖范圍內。兩個(gè)峰值信號分別固定衰減時(shí)間常數。DOVSx信號的時(shí)間常數為77ps，DOVLx補償的時(shí)間常數為1.5ns。如圖2所示，COVSx和COVLx在比較器通道充當類(lèi)似功能。
MAX9957雙通道2000Mbps驅動(dòng)器和MAX9955雙通道2000Mbps比較器/端接器采用雙時(shí)間常數，如圖1、圖2所示，兩個(gè)時(shí)間常數可分別調節。
MAX9979雙通道1100Mbps驅動(dòng)器/PMU，具有電平設置校準DAC，使用單路控制架構(表1和圖3所示)。這種方案同樣采用雙時(shí)間常數，但將雙時(shí)間常數組合到一個(gè)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，集成了驅動(dòng)器/比較器/負載(DCL)、PMU和電平設置校準。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的測試數據，測試平臺與圖3類(lèi)似。這些測試數據實(shí)在以下條件下獲得的：MAX9979配置在VDH = 3V、VDL = 0V，為50Ω負載提供3V信號驅動(dòng)，圖中給出了相應的電纜。
從圖4至圖9測試結果可以看出：補償電纜與未經(jīng)補償的電纜相比具有明顯優(yōu)勢。圖8到圖9接近于高速測試裝置的實(shí)際測試結果，可以清楚地看到電平跳變速率或系統帶寬，幾乎降低了50%，這些損耗是經(jīng)過(guò)電纜產(chǎn)生的衰減。有些情況下結果可能更糟，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(xiàn)、繼電器和連接器造成的損耗。Maxim的ATE產(chǎn)品線(xiàn)中的PE電纜補償能夠對所有信號通道的損耗進(jìn)行補償。
圖4. 補償之前和補償之后的轉換速率，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(shí)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換速率，采用RG58C電纜
圖7. 補償之前和補償之后的上升時(shí)間，采用RG58C電纜
圖8. 補償之前和補償之后的轉換速率，采用RG174電纜
圖9. 補償之前和補償之后的上升時(shí)間，采用RG174電纜
通過(guò)對圖4至圖9數據的進(jìn)一步分析顯示，電平轉換速率的降低和延長(cháng)的上升時(shí)間是導致電纜損耗的關(guān)鍵，從沒(méi)有補償的通道更容易看到這一現象。所產(chǎn)生的損耗取決于使用電纜的長(cháng)度和質(zhì)量，實(shí)際應用中，電纜本身造成的損耗就有可能超過(guò)50%。
注：
- 測試使用的固態(tài)SMA電纜價(jià)格是130美元/英尺，半剛性電纜價(jià)格是30美元/英尺，RG58和RG174電纜的價(jià)格是5美元/英尺。
- 價(jià)格昂貴的電纜性能很好，傳輸長(cháng)度甚至可以達到36英寸。但這些價(jià)格昂貴的電纜同樣需要補償，以支持最高的數據速率和最小上升時(shí)間。
- 12英寸、特別是36英寸的RG58電纜即使在補償情況下，電平轉換速率也明顯下降，上升時(shí)間較長(cháng)。未經(jīng)補償的電纜損耗更大。
- 從圖8、圖9可以看出，沒(méi)有補償時(shí)，較長(cháng)的高損耗電纜會(huì )大大降低系統性能。對這些電纜進(jìn)行補償，可以恢復信號帶寬或提高電平轉換速率，達到驅動(dòng)器90%以上的性能指標。
- 沒(méi)有電纜補償的系統，如果PE驅動(dòng)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(xiàn)造成的損耗可能高達50%。相反，使用具備電纜損耗補償的PE系統，系統性能可以達到PE器件本身所能提供指標的90%。
- PE補償必須可調，PE如果只是采用簡(jiǎn)單的過(guò)沖電路，則無(wú)法針對特定長(cháng)度的電纜進(jìn)行補償，因為邊沿和紋波會(huì )隨著(zhù)頻率、幅度而改變，從而引入時(shí)序誤差。
圖10. 6英尺RG174電纜輸出波形，四個(gè)波形分別為：沒(méi)有補償、部分補償、完全補償和過(guò)補償的情況(請參考圖8和圖9相關(guān)數據)。
圖11. 3英尺RG174電纜輸出波形，三個(gè)波形分別為：沒(méi)有補償、完全補償和過(guò)補償的情況(請參考圖8和圖9相關(guān)數據)。
上述波形表明，嚴格的PE電纜補償設計能夠保持真實(shí)的信號邊沿，甚至可以減小幅度波動(dòng)，從而維持正確的瞬變電平，使系統在任何頻率和幅度下獲得最佳性能。
測試結果總結
圖4至圖11所示測試結果證實(shí)了上述理論分析和相關(guān)討論。試驗中使用的電纜質(zhì)量?jì)?yōu)于A(yíng)TE設備使用的電纜。顯然，沒(méi)有電纜補償電路，系統將無(wú)法達到與PE同等的性能指標。同樣，在PE中設計電纜補償，可以獲得幾乎100%的性能指標，非常接近PE所能支持的最高速率。在電子驅動(dòng)器內設計電纜補償電路，使系統能夠使用低成本、高損耗電纜，同時(shí)保證整體性能。在驅動(dòng)器中加入此補償功能會(huì )增加每個(gè)引腳的成本。然而，性能的提高和低成本電纜的使用，無(wú)疑可以彌補引腳成本的提高，最終降低整體成本。
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