Optimización de mediciones 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 voltaje de los dos niveles de señal.

Solución de prueba y medición

Para analizar con precisión interfaces de alta velocidad es importante seleccionar minuciosamente la sonda diferencial. La fig.1 muestra la configuración de medición simplificada de una sonda diferencial con voltajes de entrada positivos (V_P) y negativos (V_N) que miden una señal USB 3.1 Gen1. En este ejemplo, la unidad USB está conectada a una laptop que no está conectada a la red eléctrica. Muestra el voltaje diferencial (V_DM= V_P– V_N) y el voltaje de modo común (V_CM= ½ (V_P+ V_N)).

La sonda está también provista de una conexión tierra masa. Esta conexión tiene una inductancia parasitaria y normalmente desconocida L_parasitariaque depende de la calidad y las características de la conexión a tierra, p. ej. la distancia a la conexión 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 mediciones diferenciales se puede analizar tomando como base la configuración de la figura 1:

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

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

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

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

Los resultados de medición de PTP y RMS del voltaje CM con una conexión a tierra (PTP = 95 mV, RMS = 9 mV) son muy inferiores a los resultados de la medición obtenidos sin una conexión a tierra (PTP = 123 mV, RMS = 12.3 mVEsto demuestra que para obtener mediciones precisas en CM se requiere una conexión a tierra.

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 medición 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 poder también se incluye en la medición, lo cual repercute en el resultado. La medición pico a pico en CM se triplica a 298 mVvalor (PTP en el recuadro «Meas Results»).

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

La traza azul de la figura 4 representa los resultados de la medición con una sonda conectada a tierra. La traza amarilla representa la medición sin conexión a tierra. 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 tierra corresponde a la desviación típica del histograma σ = 10.8 ps(flecha roja). Al llevar a cabo la misma medición en la forma de onda amarilla se obtiene un jitter de RMS de σ = 14.5 ps, lo cual es 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 mediciones es mayor cuando se utiliza una sonda con conexión a tierra.

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 voltaje pico a pico y RMS en ambas configuraciones.

Fig. 3: Medida de voltaje 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 (DM), modo común (CM) y de terminación única. Es fundamental usar una conexión a tierra 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 medición de la sonda diferencial, especialmente cuando se trata de altas frecuencias.

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