고속 인터페이스에서 디퍼런셜 측정 최적화

목표

차동 전송을 사용하는 PCIe, USB 3.1, 10 Gbit Ethernet 등의 고속 인터페이스를 측정합니다. 차동 신호 선은 접지에 하나의 라인(싱글 엔드 전송)을 사용하지 않고 서로 참조할 수 있는 양극 및 음극 라인을 사용합니다. 측정된 차동 신호는 음극 입력과 양극 입력 간의 차이와 같습니다. 차동 프로브는 높은 임피던스 입력으로 인해 프로브의 다이내믹 레인지 내에 있는 두 전위 사이의 신호를 측정할 수 있습니다. 차동 프로브는 두 신호 레벨의 전압차를 측정하고 증폭시킵니다.

T&M 솔루션

고속 인터페이스를 정확하게 분석하기 위해서는 세심하게 차동 프로브를 선택하는 것이 중요합니다. 그림 1은 USB 3.1 Gen1 신호를 측정하는 양극(V_P) 및 음극(V_N) 입력 전압을 사용하는 차동 프로브의 간단한 측정 셋업을 나타냅니다. 본 예시에서 USB 드라이브는 메인에 연결되지 않은 랩톱에 연결되어 있습니다. 여기에는 차동 전압(V_DM= V_P– V_N) 및 공통 모드 전압(V_CM= ½ (V_P+ V_N))이 나와 있습니다.

이 프로브는 접지에도 연결되어 있습니다. 이 연결은 접지의 품질과 속성(예: 접지까지의 거리)에 따라 달라지며 일반적으로 잘 알려지지 않은 기생 인덕턴스 L_parasitic이 있습니다. 공통 모드 제거는 주파수에 따라 달라지므로 접지 인덕턴스가 높을 경우 측정된 고속 신호의 품질이 떨어집니다. 프로브의 CMRR(Common Mode Rejection Raio, 공통 모드 제거율)을 개선하려면 접지 연결이 필요합니다.

애플리케이션

접지 연결이 차동 측정에 미치는 영향은 그림 1의 셋업을 기준으로 분석할 수 있습니다.

• USB 드라이브를 랩톱에 연결
• R&S^®RT-ZM60 모듈식 프로브(R&S^®RTO2064에 연결)를 사용하여 송신 신호 탐지

첫 번째는 팁 모듈에 접지 연결을 사용한 셋업입니다. 두 번째 셋업에서는 이 추가 접지 연결의 효과를 보여주기 위한 비교 목적으로 접지 연결을 하지 않았습니다.

가장 먼저 두 셋업(접지 연결 포함/제외)의 공통 모드를 측정한 다음 차동 전압을 측정합니다. 여기서는 프로브를 다시 연결하거나 납땜하지 않고 차동 모드(DM)와 공통 모드(CM) 측정을 전환할 수 있는 R&S^®RT-ZM Modular Probe가 적합합니다.

그림 2는 CM 전압 측정 결과입니다. 파란색 파형은 접지 연결이 있는 측정을 나타냅니다(셋업 1). 노란색 파형은 접지 연결이 없는 측정을 나타냅니다(셋업 2). CM 전압의 PTP(Peak-to-Peak, 피크 대 피크) 및 RMS(Root Mean Square, 실효값) 전압이 오른쪽 측정 결과 상자 "Meas Result"에 표시되어 두 측정의 CM 전압을 비교할 수 있습니다.

접지 연결이 있는 CM 전압의 PTP 및 RMS 측정 결과(PTP = 95 mV, RMS = 9mV)가 접지 연결이 없는 측정 결과(PTP = 123mV, RMS = 12.3mV)보다 훨씬 낮습니다. 즉, CM을 정확히 측정하기 위해서는 접지 연결이 필요하다는 것을 의미합니다.

그림 3의 보라색 파형은 프로브의 접지가 연결되지 않은 경우 예측할 수 없고 알려지지 않은 영향을 나타내는 예입니다. 랩톱을 전원공급장치를 통해 주전원에 연결한 경우 접지에 연결하지 않은 측정을 나타냅니다(그림 2의 노란색 파형). 보라색 파형은 이제 전원공급장치의 스위칭 주파수(약 55 kHz)도 측정되며, 이 값이 측정 결과에 영향을 미침을 보여줍니다. CM의 피크 대 피크 측정값은 3배인 298mV입니다('Meas Results' 상자의 PTP 값).

프로브의 접지가 연결된 경우 랩톱의 주전원 연결은 측정 결과에 영향을 미치지 않습니다. 이 결과는 프로브 접지 연결이 차동 전압 측정에도 영향을 미치는 것을 나타냅니다. 두 측정의 동일한 데이터 패턴을 비교하기 위해 직렬 버스에 프로토콜 트리거를 사용합니다.

그림 4의 파란색 파형은 접지에 연결된 프로브를 사용한 측정 결과를 나타냅니다. 노란색 파형은 접지 연결이 없이 수행한 측정을 나타냅니다. 하단의 녹색 히스토그램에 파란색 파형의 TIE 지터가 표시되어 있습니다.

접지에 연결된 셋업의 RMS 지터는 히스토그램의 표준편차 σ = 10.8 ps(빨간색 화살표)에 해당합니다. 노란색 파형에서 동일한 측정을 수행할 경우 RMS 지터는 σ = 14.5 ps이 되며, 이 수치는 34 % 더 높은 값입니다. 이 결과는 확대 창에 보이는 노란색 파형의 오버슈트에 해당합니다. 이러한 결과는 접지에 연결된 프로브를 사용할 경우 측정의 신호 충실도가 더 높은 것을 나타냅니다.

그림 1: 전송된 USB 3.1 Gen 1 신호를 측정하는 차동 프로브의 예

그림 2: 두 테스트 셋업에서 CM 측정값과 피크 대 피크 및 RMS 전압 측정값 비교

그림 3: 노트북이 주전원에 연결된 경우 접지에 연결하지 않은 CM 전압 측정값

그림 4: DM 측정값 비교

요약

R&S^®RT-ZM Modular Probe는 DM, CM, 싱글 엔드 측정을 수행하는 특수 기능을 제공합니다. DM 측정 시 접지 연결이 필요한 이유는 회로 유동을 방지하고 특히 높은 주파수의 경우 차동 프로브의 측정 범위에서 안정적이며 재현 가능한 신호를 보장하기 때문입니다.

또한 접지 연결은 높은 신호 무결성을 유지할 수 있도록 기생 인덕턴스를 최소 수준으로 줄여줍니다. 접지에 연결된 차동 프로브는 간섭에 대한 높은 면역성을 보장합니다.