電纜損耗的補(bǔ)償方法
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概述
應(yīng)用筆記4303：“電纜損耗對(duì)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的影響”討論了高損耗電纜的信號(hào)衰減機(jī)制。損耗主要源于兩方面：趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗。設(shè)備制造商，例如提供自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)的制造商，為了降低整個(gè)系統(tǒng)成本，大多使用高損耗電纜。隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，這些電纜對(duì)系統(tǒng)性能的影響已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)抵消了它們的低成本優(yōu)勢(shì)。值得慶幸的是，可以利用電子電路補(bǔ)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(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響最小。但只有一些特殊的高端系統(tǒng)，比如軍用設(shè)備，才可能接受這種高質(zhì)量電纜。高昂的成本嚴(yán)重制約了這類電纜的使用。另外，電纜線徑也會(huì)限制系統(tǒng)中能夠使用的電纜數(shù)量，即使高質(zhì)量電纜也會(huì)產(chǎn)生顯著的損耗。另一方案是設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾娮与娐?，不僅用于驅(qū)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(qū)動(dòng)電纜，從而允許使用線徑較細(xì)的低成本、高損耗電纜。器件還可補(bǔ)償PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。另外，該方案使系統(tǒng)性能接近PE所能提供的性能指標(biāo)，無(wú)需考慮電纜損耗問(wèn)題。
最后一種解決方案是結(jié)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(nèi)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(dǎo)致波形邊沿變得平滑，或“磨損”最終信號(hào)。正是這些“平滑”信號(hào)的邊沿降低了系統(tǒng)的有效帶寬。帶寬損失源于電纜而不是PE。為了優(yōu)化系統(tǒng)性能，需要恢復(fù)有效的系統(tǒng)帶寬。
圖1. 驅(qū)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(bǔ)償
為了修正信號(hào)“磨損”、恢復(fù)帶寬，必須找到一種方法將波形邊沿恢復(fù)到直接來(lái)自驅(qū)動(dòng)器的陡峭、無(wú)噪聲方波。這種修正必須利用驅(qū)動(dòng)電纜的PE實(shí)現(xiàn)。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(fù)信號(hào)的邊沿。邊沿修復(fù)不是通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)沖電路實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的過(guò)沖電路會(huì)對(duì)邊沿產(chǎn)生負(fù)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(hào)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(xì)的Maxim產(chǎn)品對(duì)于修正電纜損耗的方法。圖1所示為PE IC從電纜到被測(cè)件(DUT)整個(gè)驅(qū)動(dòng)連路的波形修正情況。圖2列出了類似修正情況，從DUT通過(guò)電纜，到達(dá)PE的比較器。驅(qū)動(dòng)器和比較器通路均需要修正。
電纜損耗補(bǔ)償電路在信號(hào)中加入兩個(gè)一階時(shí)間常數(shù)衰減的峰值信號(hào)。DOVSx輸入電壓控制持續(xù)時(shí)間較短的峰值電平，補(bǔ)償過(guò)沖電壓；DOVLx輸入電壓控制持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的峰值，補(bǔ)償過(guò)沖電壓。較短或較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的過(guò)沖信號(hào)都限制在10%過(guò)沖范圍內(nèi)。兩個(gè)峰值信號(hào)分別固定衰減時(shí)間常數(shù)。DOVSx信號(hào)的時(shí)間常數(shù)為77ps，DOVLx補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間常數(shù)為1.5ns。如圖2所示，COVSx和COVLx在比較器通道充當(dāng)類似功能。
MAX9957雙通道2000Mbps驅(qū)動(dòng)器和MAX9955雙通道2000Mbps比較器/端接器采用雙時(shí)間常數(shù)，如圖1、圖2所示，兩個(gè)時(shí)間常數(shù)可分別調(diào)節(jié)。
MAX9979雙通道1100Mbps驅(qū)動(dòng)器/PMU，具有電平設(shè)置校準(zhǔn)DAC，使用單路控制架構(gòu)(表1和圖3所示)。這種方案同樣采用雙時(shí)間常數(shù)，但將雙時(shí)間常數(shù)組合到一個(gè)3位DAC中。
表1. MAX9979電纜衰減補(bǔ)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(bǔ)償
不同電纜下的MAX9979性能測(cè)試
MAX9979為雙通道PE，集成了驅(qū)動(dòng)器/比較器/負(fù)載(DCL)、PMU和電平設(shè)置校準(zhǔn)。每通道功耗為1.1W，優(yōu)化工作在1Gbps、3V信號(hào)，采用50Ω端接。圖4至圖9提供了一組MAX9979的測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試平臺(tái)與圖3類似。這些測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)在以下條件下獲得的：MAX9979配置在VDH = 3V、VDL = 0V，為50Ω負(fù)載提供3V信號(hào)驅(qū)動(dòng)，圖中給出了相應(yīng)的電纜。
從圖4至圖9測(cè)試結(jié)果可以看出：補(bǔ)償電纜與未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娎|相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。圖8到圖9接近于高速測(cè)試裝置的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，可以清楚地看到電平跳變速率或系統(tǒng)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(jié)果可能更糟，因?yàn)锳TE使用的電纜比測(cè)試采用的電纜損耗更大。另外，這些測(cè)試也包含了信號(hào)通道的PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。Maxim的ATE產(chǎn)品線中的PE電纜補(bǔ)償能夠?qū)λ行盘?hào)通道的損耗進(jìn)行補(bǔ)償。
圖4. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的轉(zhuǎn)換速率，采用固態(tài)和半剛性SMA電纜
圖5. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的上升時(shí)間，采用固態(tài)和半剛性SMA電纜
圖6. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的轉(zhuǎn)換速率，采用RG58C電纜
圖7. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的上升時(shí)間，采用RG58C電纜
圖8. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的轉(zhuǎn)換速率，采用RG174電纜
圖9. 補(bǔ)償之前和補(bǔ)償之后的上升時(shí)間，采用RG174電纜
通過(guò)對(duì)圖4至圖9數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析顯示，電平轉(zhuǎn)換速率的降低和延長(zhǎng)的上升時(shí)間是導(dǎo)致電纜損耗的關(guān)鍵，從沒(méi)有補(bǔ)償?shù)耐ǖ栏菀卓吹竭@一現(xiàn)象。所產(chǎn)生的損耗取決于使用電纜的長(zhǎng)度和質(zhì)量，實(shí)際應(yīng)用中，電纜本身造成的損耗就有可能超過(guò)50%。
注：
- 測(cè)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(zhǎng)度甚至可以達(dá)到36英寸。但這些價(jià)格昂貴的電纜同樣需要補(bǔ)償，以支持最高的數(shù)據(jù)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(bǔ)償情況下，電平轉(zhuǎn)換速率也明顯下降，上升時(shí)間較長(zhǎng)。未經(jīng)補(bǔ)償?shù)碾娎|損耗更大。
- 從圖8、圖9可以看出，沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)，較長(zhǎng)的高損耗電纜會(huì)大大降低系統(tǒng)性能。對(duì)這些電纜進(jìn)行補(bǔ)償，可以恢復(fù)信號(hào)帶寬或提高電平轉(zhuǎn)換速率，達(dá)到驅(qū)動(dòng)器90%以上的性能指標(biāo)。
- 沒(méi)有電纜補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)，如果PE驅(qū)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引線造成的損耗可能高達(dá)50%。相反，使用具備電纜損耗補(bǔ)償?shù)腜E系統(tǒng)，系統(tǒng)性能可以達(dá)到PE器件本身所能提供指標(biāo)的90%。
- PE補(bǔ)償必須可調(diào)，PE如果只是采用簡(jiǎn)單的過(guò)沖電路，則無(wú)法針對(duì)特定長(zhǎng)度的電纜進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)檫呇睾图y波會(huì)隨著頻率、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(bǔ)償、部分補(bǔ)償、完全補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r(請(qǐng)參考圖8和圖9相關(guān)數(shù)據(jù))。
圖11. 3英尺RG174電纜輸出波形，三個(gè)波形分別為：沒(méi)有補(bǔ)償、完全補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r(請(qǐng)參考圖8和圖9相關(guān)數(shù)據(jù))。
上述波形表明，嚴(yán)格的PE電纜補(bǔ)償設(shè)計(jì)能夠保持真實(shí)的信號(hào)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(tǒng)在任何頻率和幅度下獲得最佳性能。
測(cè)試結(jié)果總結(jié)
圖4至圖11所示測(cè)試結(jié)果證實(shí)了上述理論分析和相關(guān)討論。試驗(yàn)中使用的電纜質(zhì)量?jī)?yōu)于ATE設(shè)備使用的電纜。顯然，沒(méi)有電纜補(bǔ)償電路，系統(tǒng)將無(wú)法達(dá)到與PE同等的性能指標(biāo)。同樣，在PE中設(shè)計(jì)電纜補(bǔ)償，可以獲得幾乎100%的性能指標(biāo)，非常接近PE所能支持的最高速率。在電子驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)計(jì)電纜補(bǔ)償電路，使系統(tǒng)能夠使用低成本、高損耗電纜，同時(shí)保證整體性能。在驅(qū)動(dòng)器中加入此補(bǔ)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(bǔ)引腳成本的提高，最終降低整體成本。
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評(píng)論