Optimierung von differenziellen Messungen an Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen

Serielle Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen senden Daten oftmals mit differenzieller Signalübertragung. Zur Messung des Signals werden differenzielle Tastköpfe verwendet. Neben den differenziellen Eingängen bieten diese Tastköpfe häufig einen zusätzlichen Masseanschluss – dies gilt insbesondere für die Modelle mit größeren Bandbreiten. Der Masseanschluss an den modularen Multimode-Tastköpfen R&S®RT‑ZMxx kann dazu verwendet werden, die Messungen an differenziellen Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen zu verbessern.

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Ihre Anforderung

Ihre Anforderung besteht darin, Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen wie PCIe, USB 3.1 und 10-Gbit-Ethernet, die eine differenzielle Übertragung verwenden, zu messen. Differenzielle Signalleitungen nutzen eine positive und eine negative Leitung, die in gegenseitiger Beziehung zueinander stehen, anstatt einer einzelnen Signalleitung mit Massebezug (asymmetrische Übertragung). Das gemessene differenzielle Signal ist die Differenz zwischen negativem und positivem Eingang. Aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz können differenzielle Tastköpfe Signale zwischen zwei beliebigen Potentialen messen, solange sie innerhalb des Dynamikbereichs des Tastkopfs liegen. Der differenzielle Tastkopf misst und verstärkt die Spannungsdifferenz der beiden Signalpegel.

Messtechnische Lösung

Um Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen exakt zu analysieren, ist eine sorgfältige Auswahl des differenziellen Tastkopfs sehr wichtig. Abb. 1 zeigt den vereinfachten Messaufbau eines differenziellen Tastkopfs mit positiven (VP) und negativen (VN) Eingangsspannungen bei der Messung eines USB-3.1-Gen1-Signals. In diesem Beispiel wird das USB-Laufwerk mit einem Laptop verbunden, der nicht an das Stromnetz angeschlossen ist. Dabei ergeben sich die Differenzspannung (VDM = VP – VN) und die Gleichtaktspannung (VCM = ½ (VP + VN)).

Der Tastkopf verfügt auch über einen Masseanschluss. Dieser Anschluss weist eine parasitäre und normalerweise unbekannte Induktivität Lparasitär auf, die von der Qualität der Masseverbindung und weiteren Eigenschaften, z. B. Abstand zur Masse, abhängt. Eine hohe Masseinduktivität führt zu einer Qualitätsverschlechterung des gemessenen Hochgeschwindigkeitssignals aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Gleichtaktunterdrückung. Zur Verbesserung der Gleichtaktunterdrückungsverhältnisses (CMRR) des Tastkopfs wird eine Masseverbindung benötigt.

Applikation

Der Einfluss der Masseverbindung auf differenzielle Messungen lässt sich auf Basis des Messaufbaus in Abb. 1 analysieren:

  • Das USB-Laufwerk ist mit dem Laptop verbunden
  • Das Sendesignal wird vom modularen Tastkopf R&S®RT-ZM60 detektiert, der an das R&S®RTO2064 angeschlossen ist

Beim ersten Messaufbau wird die Masseverbindung im Tastkopfspitzen-Modul verwendet. Beim zweiten Messaufbau wird zu Vergleichszwecken keine Masseverbindung hergestellt, um den Effekt dieser zusätzlichen Masseverbindung zu zeigen.

Zuerst wird der Gleichtakt beider Messaufbauten (mit/ohne Masseverbindung) gemessen, anschließend die Differenzspannung. Der modulare Tastkopf R&S®RT-ZM ist die ideale Wahl, da Sie zwischen Gegentakt- (DM) und Gleichtaktmessungen (CM) umschalten können, ohne den Tastkopf neu anzuschließen oder anzulöten.

Abb. 2 zeigt das Ergebnis der CM-Spannungsmessung. Die blaue Messkurve repräsentiert die Messungen mit einer Masseverbindung (Messaufbau 1). Die gelbe Messkurve repräsentiert die Messungen ohne eine Masseverbindung (Messaufbau 2). Die Spitze-Spitze-Spannung (PTP) und die Effektivspannung (RMS) der CM-Spannung werden im Messergebniskästchen „Meas Results“ rechts angezeigt, sodass man die CM-Spannung beider Messungen vergleichen kann.

Vergleich der CM-Spannungsmessergebnisse
Messart Ohne Masseverbindung Mit Masse-
verbindung
Verhältnis
Spitze-Spitze (gemittelt) 95 mV 123 mV 1,29
Effektiv (gemittelt) 9 mV 12,3 mV 1,37

Die PTP- und RMS-Messergebnisse der CM-Spannung mit einer Masseverbindung (PTP = 95 mV, RMS = 9 mV) sind deutlich niedriger als die Messergebnisse ohne eine Masseverbindung (PTP = 123 mV, RMS = 12,3 mV). Das bedeutet, dass für genaue CM-Messungen eine Masseverbindung erforderlich ist.

Die purpurfarbene Messkurve in Abb. 3 ist ein Beispiel für den unvorhersehbaren und unbekannten Einfluss, wenn der Masseanschluss des Tastkopfs nicht verbunden ist. Sie repräsentiert die Messung ohne eine Masseverbindung (gelbe Messkurve in Abb. 2), wenn der Laptop über das Netzteil an das Stromnetz angeschlossen ist. Die purpurfarbene Messkurve zeigt, dass jetzt auch die Umschaltfrequenz (ca. 55 kHz) des Netzteils gemessen wird. Dies hat einen Einfluss auf das Messergebnis. Die Spitze-Spitze-Messung des CM verdreifacht sich auf 298 mV (PTP-Wert im Kästchen „Meas Results“).

Wenn der Masseanschluss des Tastkopfs verbunden wird, hat die Verbindung des Laptops mit dem Stromnetz keinen Einfluss auf die Messergebnisse. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Masseverbindung des Tastkopfs auch die Messungen der Differenzspannungen beeinflusst. Um das gleiche Datenmuster beider Messungen zu vergleichen, wird ein Protokoll-Trigger für einen seriellen Bus verwendet.

Die blaue Messkurve in Abb. 4 repräsentiert die Messergebnisse mit einem Tastkopf, der an Masse angeschlossen ist. Die gelbe Messkurve repräsentiert die Messung ohne eine Masseverbindung. Der TIE-Jitter der blauen Messkurve wird im grünen Histogramm unten angezeigt.

Der RMS-Jitter des Messaufbaus mit einer Masseverbindung entspricht der Standardabweichung des Histogramms σ = 10,8 ps (roter Pfeil). Führt man die gleiche Messung auf der gelben Messkurve durch, ergibt sich ein RMS-Jitter von σ = 14,5 ps. Das entspricht einer Steigerung um 34 %. Dies hängt mit den Überschwingern der gelben Messkurve, die man im Zoom-Fenster sieht, zusammen. Diese Ergebnisse zeigen die bessere Signaltreue der Messungen, wenn ein Tastkopf mit Masseverbindung verwendet wird.

Abb. 1: Beispiel eines differenziellen Tastkopfs, der das übertragene USB-3.1-Gen1-Signal misst

Abb. 2: Vergleich der CM-Messungen und der Messungen von Spitze-Spitze-Spannung und Effektivspannung bei beiden Messaufbauten

Abb. 3: CM-Spannungsmessung ohne Masseverbindung, wenn der Laptop an das Stromnetz angeschlossen ist

Abb. 4: Vergleich von DM-Messungen

Fazit

Der modulare Tastkopf R&S®RT-ZM bietet Spezialfunktionen, um DM-, CM- und massebezogene Messungen durchzuführen. Die Verwendung einer Masseverbindung ist für DM-Messungen unabdingbar, da sie ein „Floaten“ der Schaltung verhindert und stabile und reproduzierbare Signale im Messbereich des differenziellen Tastkopfs gewährleistet – insbesondere bei hohen Frequenzen.

Die Masseverbindung verringert auch die parasitäre Induktivität, die so klein wie möglich sein sollte, um eine hohe Signalintegrität aufrechtzuerhalten. Differenzielle Tastköpfe mit Masseverbindung garantieren eine hohe Störfestigkeit.

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