Optimización de medidas diferenciales en interfaces de alta velocidad

Su misión

Su misión consiste en medir interfaces de alta velocidad tales como PCIe, USB 3.1 y Ethernet 10 Gbit, que utilizan la transmisión diferencial. Las pistas de señales diferenciales utilizan un cable positivo y uno negativo referenciados entre sí, en lugar de un cable de señal a masa (transmisión de terminación única). La señal diferencial medida es la diferencia entre la entrada negativa y positiva. Debido a sus entradas de alta impedancia, las sondas diferenciales pueden medir señales entre dos potenciales cualquiera siempre que se encuentren dentro del rango dinámico de la sonda. La sonda diferencial mide y amplifica la diferencia de tensión de los dos niveles de señal.

Solución de test y medida

Para analizar con precisión interfaces de alta velocidad es importante seleccionar minuciosamente la sonda diferencial. La figura 1 muestra la configuración básica de una sonda diferencial con tensiones de entrada positivas (V_P) y negativas (V_N) midiendo una señal USB 3.1 Gen1. En este ejemplo, la unidad USB está conectada a un ordenador portátil que no está conectado a la red eléctrica. Allí se muestran la tensión diferencial (V_DM= V_P– V_N) y la tensión de modo común (V_CM= ½ (V_P+ V_N)).

La sonda está también provista de una conexión a masa. Esta conexión tiene una inductancia parásita y generalmente desconocida L_parásitaque depende de la calidad de la conexión a masa y sus características, p. ej. la distancia a la puesta a tierra. Una alta inductancia de masa da como resultado un deterioro de la calidad de la señal de alta velocidad medida debido a la dependencia de la frecuencia del rechazo en modo común. Para mejorar el factor de rechazo en modo común (CMRR) de la sonda se requiere una conexión a masa.

Aplicación

La influencia de la conexión a masa en las medidas diferenciales se puede analizar tomando como base la configuración de la figura 1:

• La unidad USB está conectada al portátil
• La sonda modular R&S^®RT-ZM60 , que está conectada al R&S^®RTO2064, detecta la señal de transmisión

La primera configuración utiliza la conexión a masa en el módulo de punta. En la segunda configuración se prescinde de la conexión a masa con fines de comparación para mostrar el efecto de esta conexión a masa adicional.

En primer lugar se mide el modo común de ambas configuraciones (con/sin conexión a masa), seguidamente, la tensión diferencial. La sonda modular R&S^®RT-ZM es la elección ideal, ya que permite cambiar entre medidas en modo diferencial (DM) y en modo común (CM) sin necesidad de establecer de nuevo el contacto o de volver a soldar.

La figura 2 muestra el resultado de la medida de la tensión en CM. La traza azul representa las medidas con una conexión a masa (configuración 1). La traza amarilla muestra las medidas sin conexión a masa (configuración 2). La tensión de pico a pico (PTP) y el valor cuadrático medio (RMS) de la tensión en CM se muestran en la casilla de resultados «Meas Results» situada a la derecha, lo que permite comparar la tensión en CM de ambas medidas.

Los resultados de medida de PTP y RMS de la tensión en CM con una conexión a masa (PTP = 95 mV, RMS = 9 mV) son muy inferiores a los resultados obtenidos sin la conexión a masa (PTP = 123 mV, RMS = 12,3 mV). Esto demuestra que para obtener medidas precisas en CM se requiere una conexión a masa.

La traza en color púrpura de la figura 3 es un ejemplo de la influencia impredecible y desconocida cuando no está conectada la masa de la sonda. Esta representa la medida sin una conexión a masa (traza amarilla en la figura 2) cuando está conectado el portátil al suministro eléctrico con la fuente de alimentación. La traza en color púrpura muestra que ahora, la frecuencia de conmutación (aprox. 55 kHz) de la fuente de alimentación también se incluye en la medida, lo cual repercute en el resultado. La medida pico a pico en CM se triplica con 298 mV(valor PTP en la casilla «Meas Results»).

Cuando está conectada la masa de la sonda, la conexión a la red eléctrica del portátil no influye en los resultados. Los resultados indican que la conexión a masa de la sonda también influye en las medidas de tensión diferenciales. Para comparar el mismo patrón de datos de ambas medidas se utiliza un disparo de protocolo para un bus serie.

La traza azul de la figura 4 representa los resultados de la medida con una sonda conectada a masa. La traza amarilla representa la medida sin conexión a masa. El jitter TIE de la traza azul se muestra en el histograma en color verde de la parte inferior.

El jitter de RMS de la configuración con una conexión a masa corresponde a la desviación típica del histograma σ = 10,8 ps(flecha roja). Ejecutando la misma medida en la traza amarilla se obtiene un jitter de RMS de σ = 14,5 ps, lo que supone un 34 %más. Esto está correlacionado con las sobremodulaciones de la traza amarilla que se aprecian en la ventana ampliada. Estos resultados demuestran que la fidelidad de señal de las medidas es mayor cuando se utiliza una sonda con conexión a masa.

Fig. 1: Ejemplo de una sonda diferencial que mide la señal USB 3.1 Gen 1 transmitida

Fig. 2: Comparación de medidas en CM y medidas de tensión pico a pico y RMS en ambas configuraciones.

Fig. 3: Medida de tensión en CM sin conexión a masa con el portátil conectado a la red eléctrica.

Fig. 4: Comparación de medidas en modo diferencial.

Resumen

La sonda modular R&S^®RT-ZM ofrece funciones especiales para medir en modo diferencial, modo común y de terminación única. Es fundamental usar una conexión a masa al medir en modo diferencial, ya que evita la separación del circuito de la masa y garantiza señales estables y reproducibles en el rango de medida de la sonda diferencial – especialmente cuando se trata de altas frecuencias

La conexión a masa reduce también la inductancia parásita, que debería ser lo más baja posible para mantener una alta integridad de señal. Las sondas diferenciales con conexión a masa pueden garantizar una alta inmunidad a perturbaciones.