Otimize medições diferenciais em interfaces de alta velocidade

As interfaces de série de alta velocidade frequentemente transmitem dados com sinalização diferencial. Para sondar o sinal, são utilizadas sondas diferenciais de rastreio. Além das entradas diferenciais, essas sondas frequentemente fornecem uma conexão adicional para aterramento, principalmente os modelos com largura de banda mais alta. A conexão de aterramento nas sondas multimodo modulares R&S®RT‑ZMxx pode ser utilizada para melhorar as medições em interfaces diferenciais de alta velocidade.

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Sua tarefa

Sua tarefa consiste em medir interfaces de alta velocidade, tais como PCIe, USB 3.1 e Ethernet de 10 Gbit, que utilizam transmissão diferencial. As vias de sinal diferencial utilizam uma linha positiva e uma linha negativa referenciadas entre si em vez de uma linha de sinal para aterramento (transmissão simples). O sinal diferencial medido é a diferença entre a entrada negativa e a entrada positiva. Devido às suas entradas de alta impedância, as sondas diferenciais podem medir sinais entre quaisquer dois potenciais, desde que eles estejam dentro da faixa dinâmica da sonda. A sonda diferencial mede e amplifica a diferença de tensão dos dois níveis de sinal.

Solução de teste e medição

Para analisar com precisão as interfaces de alta velocidade, é importante selecionar cuidadosamente a sonda diferencial. A figura 1 mostra a configuração de medição simplificada de uma sonda diferencial com tensões de entrada positiva (VP) e negativa (VN) medindo um sinal USB 3.1 Gen1. Nesse exemplo, a unidade USB está conectada a um laptop que não está ligado à eletricidade. São exibidas a tensão diferencial (VDM = VP – VN) e a tensão do modo comum (VCM = ½ (VP + VN)).

A sonda também tem uma conexão para aterramento. Essa conexão tem uma indutância Lparasita e geralmente desconhecida que depende da qualidade e das propriedades do aterramento, como por exemplo, a distância do solo. Uma alta indutância de aterramento resulta em uma deterioração da qualidade do sinal de alta velocidade medido devido à dependência de frequência da rejeição do modo comum. Uma conexão de aterramento é necessária para melhorar a taxa de rejeição do modo comum ((CMRR)) da sonda.

Aplicação

A influência da conexão de aterramento em medições diferenciais pode ser analisada com base na configuração da figura 1:

  • A unidade USB está conectada ao laptop
  • O sinal de transmissão é detectado pela sonda modular R&S®RT-ZM60, que está conectada ao R&S®RTO2064

A primeira configuração utiliza a conexão de aterramento no módulo de ponta. Na segunda configuração, não é feita nenhuma conexão de aterramento, para fins de comparação, para mostrar o efeito dessa conexão adicional de aterramento.

Primeiramente é medido o modo comum de ambas as configurações (com/sem conexão de aterramento) e posteriormente, é medida a tensão diferencial. A sonda modular R&S®RT-ZM é uma escolha ideal porque permite que você alterne entre medições de modo diferencial (DM) e modo comum (CM) sem reconectar ou ressoldar a sonda.

A figura 2 mostra o resultado da medição da tensão do CM. A forma de onda azul representa as medições com uma conexão de aterramento (configuração 1). A forma de onda amarela mostra as medições sem uma conexão de aterramento (configuração 2). A tensão de pico a pico (PTP) e o valor quadrático médio (RMS) da tensão do CM são exibidos na caixa de resultados de medições “Meas Results” à direita, tornando possível comparar a tensão do CM de ambas as medições.

Comparação de resultados de medições de tensão do CM
Tipo de medição Com conexão de aterramento Sem conexão de
aterramento
Taxa
Pico a pico (média) 95 mV 123 mV 1,29
Valor quadrático médio (média) 9 mV 12,3 mV 1,37

Os resultados das medições PTP e RMS da tensão do CM com uma conexão de aterramento (PTP = 95 mV, RMS = 9 mV) são muito inferiores aos resultados das medições sem uma conexão de aterramento (PTP = 123 mV, RMS = 12,3 mV). Isso significa que uma conexão de aterramento é necessária para medições de CM precisas.

A forma de onda roxa na figura 3 é um exemplo da influência imprevisível e desconhecida que ocorre se o aterramento da sonda não estiver conectado. Ela representa a medição sem uma conexão de aterramento (forma de onda amarela na figura 2) com o laptop ligado à eletricidade através de uma fonte de alimentação. A forma de onda roxa mostra que, agora, a frequência de comutação (aproximadamente 55 kHz) da unidade de fonte de alimentação também é medida, o que afeta o resultado da medição. A medição de pico a pico do CM triplica para 298 mV (valor PTP na caixa ‘Meas Results’ (Resultados de medição)).

Quando o aterramento da sonda é conectado, a conexão de eletricidade do laptop não tem nenhum impacto nos resultados de medição. Os resultados indicam que a conexão de aterramento da sonda também influencia as medições de tensão diferencial. Para comparar o mesmo padrão de dados de ambas as medições, é usado um disparo de protocolo para um barramento serial.

A forma de onda azul na figura 4 representa os resultados de medições com uma sonda conectada ao aterramento. A forma de onda amarela representa a medição sem uma conexão de aterramento. O jitter do TIE (erro do intervalo de tempo) da forma de onda azul é exibido no histograma verde, na parte inferior.

O jitter do RMS da configuração com uma conexão de aterramento corresponde ao desvio padrão do histograma σ = 10,8 ps (seta vermelha). A realização da mesma medição nos resultados da forma de onda amarela em um jitter do RMS de σ = 14,5 ps, que é 34 % superior. Isso tem correlação com os limites ultrapassados da forma de onda amarela vista na janela de zoom. Esses resultados mostram a melhor fidelidade de sinal das medições feitas ao usar a sonda com uma conexão de aterramento.

Fig. 1: Exemplo de uma sonda diferencial medindo o sinal USB 3.1 Gen 1 transmitido

Fig. 2: Comparação de medições do CM e medições de pico a pico e de tensão de RMS em ambas as configurações de teste.

Fig. 3: Medição de tensão do CM sem conexão de aterramento com o laptop ligado à eletricidade.

Fig. 4: Comparação de medições do DM.

Resumo

A sonda modular R&S®RT-ZM dispõe de funções especiais para realizar medições de DM, CM e simples. A utilização de uma conexão de aterramento é essencial para as medições do DM porque evita que o circuito flutue e garante sinais estáveis e reproduzíveis na faixa de medições da sonda diferencial, especialmente para altas frequências.

A conexão de aterramento também reduz a indutância parasítica, que deve ser a menor possível de modo a manter a integridade do sinal alta. As sondas diferenciais com aterramento conectado podem garantir alta imunidade a interferências.

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