Ottimizzazione di misure differenziali su interfacce ad alta velocità

Le interfacce seriali ad alta velocità spesso trasmettono dati tramite segnali differenziali. Per misurare i segnali, si utilizzano sonde differenziali collegate alla traccia di un circuito stampato. Oltre agli ingressi differenziali, queste sonde spesso sono dotate una connessione aggiuntiva per la massa, specialmente i modelli ad ampiezza di banda più elevata. La connessione a massa sulle sonde multimodo modulari R&S®RT‑ZMxx può essere utilizzata per migliorare le misure sulle interfacce differenziali ad alta velocità.

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Attività da eseguire

L'attività da eseguire è la misura di interfacce ad alta velocità quali PCIe, USB 3.1 e 10 Gbit Ethernet, che utilizzano la trasmissione differenziale. I canali di segnale differenziale utilizzano una linea positiva e una negativa, una riferita all'altra, invece di una sola linea di segnale riferita a massa (trasmissione single-ended). Il segnale differenziale misurato è la differenza tra l'ingresso negativo e quello positivo. Grazie ai loro ingressi a impedenza elevata, le sonde differenziali possono misurare segnali tra due potenziali qualsiasi, purché rientrino nella gamma dinamica della sonda. La sonda differenziale misura e amplifica la differenza di potenziale tra i due livelli di segnale.

Soluzione di misura

Per analizzare accuratamente le interfacce ad alta velocità, è importante selezionare attentamente la sonda differenziale. La Fig. 1 mostra la configurazione di misura semplificata di una sonda differenziale con tensioni di ingresso positive (VP) e negative (VN) che misurano un segnale USB 3.1 Gen1. In questo esempio, l'unità USB è connessa a un laptop che non è connesso all'alimentazione di rete. Sono mostrate la tensione differenziale (VDM = VP – VN) e quella di modo comune (VCM = ½ (VP + VN)).

La sonda ha anche una connessione a massa. Questa connessione ha un'induttanza parassita, di solito non nota Lparassita, che dipende dalla qualità e dalle proprietà del collegamento di massa, ad es. dalla distanza dalla massa. Un'elevata induttanza di massa provoca un deterioramento della qualità del segnale misurato ad alta velocità, a causa della dipendenza della frequenza dalla reiezione di modalità comune. Una connessione a massa è necessaria per migliorare il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) della sonda.

Applicazione

L'influenza della connessione a massa sulle misure differenziali può essere analizzato in base all'impostazione in Fig. 1:

  • L'unità USB è connessa al laptop
  • Il segnale di trasmissione è rilevato dalla sonda modulare R&S®RT-ZM60, che è connessa all'oscilloscopio R&S®RTO2064

La prima configurazione utilizza la connessione a massa nel modulo della punta. Nella seconda configurazione la massa non viene collegata, per poter confrontare l'effetto di questa connessione aggiuntiva alla massa.

Per prima cosa viene misurata la tensione di modo comune in entrambe le configurazione (con/senza connessione a massa), successivamente viene misurata la tensione differenziale. La sonda modulare R&S®RT-ZM è una scelta ideale, in quanto consente di commutare fra le misure differenziali (DM) e di modo comune (CM) senza dover riconnettere o risaldare la sonda.

La Fig. 2 mostra il risultato della misura di tensione di modo comune (CM). La forma d'onda blu rappresenta le misure con una connessione a massa (configurazione 1). La forma d'onda gialla mostra le misure senza una connessione a massa (configurazione 2). I valori di tensione picco-picco (PTP) e quadratico medio (RMS) della tensione di modo comune sono mostrati nel riquadro dei risultati di misura “Meas Results” (Risultati misurati) sulla destra, rendendo così possibile confrontare la tensione di modo comune ricavata da entrambe le misure.

Confronto dei risultati di misura della tensione di modo comune
Tipo di misura Con connessione a massa Senza connessione
a massa
Rapporto
Picco-picco (media) 95 mV 123 mV 1,29
Valore quadratico medio (media) 9 mV 12,3 mV 1,37

I risultati di misura PTP e RMS della tensione di modo comune con una connessione a massa (PTP = 95 mV, RMS = 9 mV) sono molto minori dei risultati di misura senza connessione a massa (PTP = 123 mV, RMS = 12,3 mV). Ciò significa che una connessione a massa è necessaria per effettuare misure di modo comune accurate.

La forma d'onda viola in Fig. 3 è un esempio di come i risultati sono influenzati in modo imprevedibile e incognito quando la massa della sonda non è connessa. Rappresenta la misura effettuata senza una connessione a massa (forma d'onda gialla in Fig. 2) quando il laptop è connesso alla rete elettrica tramite il suo alimentatore. La forma d'onda viola mostra che ora viene misurata anche la tensione residua di commutazione (circa 55 kHz) proveniente dall'alimentatore, che influenza il risultato della misura. La misura picco-picco del valore delle tensione di modo comune è triplicata a 298 mV (valore PTP nella casella ‘Meas Results’ (Risultati misurati)).

Quando la massa della sonda è connessa, il collegamento del laptop alla rete elettrica non ha alcuna influenza sui risultati della misura. I risultati indicano che la connessione a massa della sonda influenza anche le misure di tensione differenziale. Per confrontare lo stesso schema di dati di entrambe le misure, si utilizza un trigger di protocollo per un bus seriale.

La forma d'onda blu in Fig. 4 rappresenta i risultati della misura con una sonda connessa a massa. La forma d'onda gialla rappresenta la misura senza una connessione a massa. Il jitter TIE della forma d'onda blu è visualizzato nell'istogramma verde sul fondo.

Il valore del jitter RMS della configurazione con una connessione a massa corrisponde alla deviazione standard dell'istogramma σ = 10,8 ps (freccia rossa). L'esecuzione della stessa misura sulla forma d'onda gialla comporta un valore di jitter RMS di σ = 14,5 ps, che è maggiore del 34%. Ciò è dovuto alle sovraelongazioni (overshoot) che si osservano nella forma d'onda gialla visibile nella finestra dello zoom. Questi risultati mostrano la migliore fedeltà del segnale delle misure quando si utilizza una sonda con una connessione a massa.

Fig. 1: Esempio di una sonda differenziale che misura il segnale trasmesso sull'interfaccia USB 3.1 Gen 1

Fig. 2: Confronto tra le misure di tensione di modo comune e le misure di tensione picco-picco e RMS in entrambe le configurazioni di test.

Fig. 3: Misura della tensione di modo comune senza connessione a massa quando il laptop è connesso alle rete di alimentazione.

Fig. 4: Confronto delle misure differenziali.

Riassunto

La sonda modulare R&S®RT-ZM offre funzioni speciali per eseguire misure in modalità differenziale, di modo comune e riferite a massa (single-ended). L'utilizzo di una connessione a massa è essenziale per effettuare le misure differenziali, in quanto ciò impedisce al circuito di flottare e assicura segnali stabili e riproducibili nell'intervallo di misura della sonda differenziale, specialmente per le frequenze elevate.

La connessione a massa riduce anche l'induttanza parassita, che dovrà essere quanto più bassa possibile al fine di mantenere un'elevata integrità del segnale. Le sonde differenziali con massa connessa possono garantire un'elevata immunità all'interferenza.

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