Optimiser les mesures différentielles sur les interfaces à haut débit

Les interfaces série à haut débit transmettent souvent les données par le biais de signaux différentiels. Pour examiner le signal, des sondes différentielles sont utilisées. En complément des entrées différentielles, ces sondes fournissent souvent une liaison de masse supplémentaire, principalement les modèles possédant les bandes passantes les plus élevées. La liaison de masse présente sur les sondes modulaires multimodes R&S®RT‑ZMxx peut être utilisée pour améliorer les mesures sur les interfaces différentielles haut débit.

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Votre tâche

Votre tâche consiste à mesurer des interfaces haute vitesse telles que PCIe, USB 3.1 et 10 Gbit Ethernet, qui utilisent la transmission différentielle. Les voies relatives aux signaux différentiels utilisent une ligne positive et une ligne négative référencées l'une à l'autre, plutôt qu'une seule ligne de mise à la masse (transmission à terminaison simple). Le signal différentiel mesuré correspond à la différence entre l'entrée négative et l'entrée positive. Grâce à leurs impédances élevées en entrée, les sondes différentielles peuvent mesurer les signaux entre deux potentiels quelconque, tant que ceux-ci appartiennent à la gamme dynamique de la sonde. La sonde différentielle mesure et amplifie la différence de tension des deux niveaux du signal.

Solution T&M

Pour analyser précisément les interfaces haute vitesse, il est important de bien sélectionner la sonde différentielle. La Fig.1 illustre la configuration de mesure simplifiée d'une sonde différentielle avec des tensions d'entrée positive (VP) et négative (VN) mesurant un signal USB 3.1 Gen1. Dans cet exemple, le lecteur USB est connecté à un ordinateur portable qui n'est pas relié au secteur. Il indique la tension différentielle (VDM = VP – VN) et la tension du mode commun (VCM = ½ (VP + VN)).

La sonde possède également une liaison de masse. Cette liaison possède une inductance parasite généralement connue Lparasite qui dépend de la qualité et des propriétés de la masse, par exemple la distance de la masse. Une inductance élevée engendre une détérioration de la qualité du signal haute vitesse mesuré, à cause de la dépendance en fréquence de la réjection en mode commun. Une liaison de masse est nécessaire pour améliorer le taux de réjection en mode commun (CMRR) de la sonde.

Application

L'influence de la liaison de masse sur les mesures différentielles peut être analysée en se basant sur la configuration de la Fig.1:

  • Le lecteur USB est connecté à l'ordinateur portable
  • Le signal de transmission est détecté par la sonde modulaire R&S®RT-ZM60, qui est connectée au R&S®RTO2064

La première configuration utilise la liaison de masse au sein de la pointe. Dans la seconde configuration, aucune liaison de masse n'est établie, à titre de comparaison, afin d'afficher les effets de cette liaison de masse supplémentaire.

Tout d'abord, le mode commun des deux configurations (avec/sans liaison de masse) est mesuré, puis c'est au tour de la tension différentielle. La sonde modulaire R&S®RT-ZM est le choix le plus judicieux car elle vous permet de basculer entre les mesures en mode différentiel (DM) et en mode commun (CM), sans nécessiter de reconnexion ou de nouvelle soudure de la sonde.

La Fig. 2 indique le résultat de la mesure de tension en mode commun. La forme d'onde bleue représente les mesures avec une liaison de masse (configuration 1). La forme d'onde jaune correspond aux mesures sans liaison de masse (configuration 2). Les tensions crête-crête et RMS de la tension en mode commun sont indiquées dans la fenêtre de résultats “Meas Results” sur le côté droit, ce qui permet de comparer la tension en mode commun des deux mesures.

Comparaison des résultats de mesure de tension en mode commun
Type de mesureAvec liaison de masseSans liaison de masse
Taux
Crête-crête 95 mV 123 mV 1.29
RMS 9 mV 12,3 mV 1,37

Les résultats de mesure crête-crête et RMS de la tension en mode commun avec une liaison de masse (Crête-crête = 95 mV, RMS = 9 mV) sont plus faible que les résultats de mesure sans liaison de masse (Crête-crête = 123 mV, RMS = 12.3 mV). Cela signifie que la liaison de masse est nécessaire pour des mesures précises en mode commun.

La forme d'onde mauve sur la Fig. 3 est un exemple de l'influence non prévisible et inconnue, si la masse de la sonde n'est pas reliée. Elle représente la mesure sans liaison de masse (forme d'onde jaune sur la Fig. 2) lorsque l'ordinateur portable est relié au secteur via son alimentation. La forme d'onde mauve indique que la fréquence de commutation (environ 55 kHz) de l'unité d'alimentation est maintenant également mesurée, laquelle impacte le résultat de la mesure. La mesure crête-crête du mode commun triple à 298 mV (valeur crête-crête dans la fenêtre de résultats ‘Meas Results’).

Lorsque la masse de la sonde est reliée, le branchement de l'alimentation de l'ordinateur portable n'a aucun impact sur les résultats de la mesure. Les résultats indiquent que la liaison de masse de la sonde influence également les mesures de la tension différentielle. Afin de comparer les mêmes données pour les deux mesures, un protocole de déclenchement dédié aux bus série est utilisé.

La forme d'onde bleue sur la Fig. 4 représente les résultats de mesure avec une sonde reliée à la masse. La forme d'onde jaune représente la mesure sans liaison de masse. La gigue TIE de la forme d'onde bleue est affichée sur l'histogramme vert juste en-dessous.

La gigue RMS relative à la configuration possédant une liaison de masse, correspond à la déviation standard de l'histogramme σ = 10,8 ps (flèche rouge). La réalisation de la même mesure sur la forme d'onde jaune donne une gigue RMS de σ = 14,5 ps, qui est 34 % supérieure. Cela correspond aux dépassements (overshoots) de la forme d'onde jaune observés dans la fenêtre de zoom. Ces résultats indiquent une meilleure fidélité au signal lorsque les mesures sont effectuées avec une sonde possédant une liaison de masse.

Fig. 1 : Exemple d'une sonde différentielle mesurant le signal USB 3.1 Gen 1 émis

Fig. 2 : Comparaison de mesures CM et crête - crête avec des mesures de tension RMS dans les deux configurations de test.

Fig. 3 : Mesure de tension CM sans connexion de masse, lorsque l'ordinateur portable est connecté au secteur.

Fig. 4 : Comparaison des mesures DM.

Conclusion

La sonde modulaire R&S®RT-ZM propose des fonctions spécifiques permettant de réaliser des mesures en mode différentiel, en mode commun et à terminaison simple. L'utilisation d'une liaison de masse est essentielle pour les mesures en mode différentiel, car elle évite que le circuit ne soit flottant, tout en assurant des signaux stables et reproductibles au sein de la gamme de mesure de la sonde différentielle – en particulier pour les fréquences élevées.

La liaison de masse diminue également l'inductance parasite, qui doit être la plus petite possible afin de maintenir une intégrité de signal élevée. Les sondes différentielles possédant une liaison de masse peuvent assurer une immunité élevée aux interférences.

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