Otimize medições diferenciais em interfaces de alta velocidade

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 pontas de prova diferenciais podem medir sinais entre quaisquer dois potenciais, desde que eles estejam dentro da faixa dinâmica da ponta de prova. A ponta de prova 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 ponta de prova diferencial. A figura 1 mostra a configuração de medição simplificada de uma ponta de prova diferencial com tensões de entrada positiva (V_P) e negativa (V_N) medindo um sinal USB 3.1 Gen1. Nesse exemplo, a unidade USB está conectada a um laptop que não está ligado à eletricidade. Ele mostra a tensão diferencial (V_DM= V_P– V_N) e a tensão do modo comum (V_CM= ½ (V_P+ V_N)).

A ponta de prova também tem uma conexão para aterramento. Essa conexão tem uma indutância L_parasitae 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 ponta de prova.

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 ponta de prova 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 ponta de prova modular R&S^®RT-ZM é uma escolha ideal, pois permite que você alterne entre medições de modo diferencial (DM) e modo comum (CM) sem reconectar ou ressoldar a ponta de prova.

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.

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 ponta de prova 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 da 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’).

Quando o aterramento da ponta de prova 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 ponta de prova 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 ponta de prova 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 de valor eficaz 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 de valor eficaz 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 ponta de prova com uma conexão de aterramento.

Fig. 1: Exemplo de uma ponta de prova 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 ponta de prova modular R&S^®RT-ZM oferece funções especiais para realizar medições de DM, CM e extremidade única. 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 ponta de prova 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 pontas de prova diferenciais com aterramento conectado podem garantir alta imunidade a interferências.