应用笔记4338

电缆损耗

Bernard Hyland, 高级技术人员

摘要:本应用笔记介绍了一种电缆损耗的补偿方法,允许测试设备制造商使用高损耗电缆以降低成本,同时也不会牺牲产品性能。

概述

应用笔记4303:“电缆损耗对自动测试设备的影响”讨论了高损耗电缆的信号衰减机制。损耗主要源于两方面:趋肤效应和介质损耗。设备制造商,例如提供自动测试设备(ATE)的制造商,为了降低整个系统成本,大多使用高损耗电缆。随着系统数据传输速率的提高,这些电缆对系统性能的影响已经远远抵消了它们的低成本优势。值得庆幸的是,可以利用电子电路补偿电缆损耗。

解决电缆损耗的可行方案

解决电缆高损耗的途径之一是选择高质量、昂贵的电缆,这种电缆对系统性能的负面影响最小。但只有一些特殊的高端系统,比如军用设备,才可能接受这种高质量电缆。高昂的成本严重制约了这类电缆的使用。另外,电缆线径也会限制系统中能够使用的电缆数量,即使高质量电缆也会产生显著的损耗。

另一方案是设计适当的电子电路,不仅用于驱动电缆,而且能够均衡电缆损耗。这种方案采用小尺寸引脚电子器件(PE)驱动电缆,从而允许使用线径较细的低成本、高损耗电缆。器件还可补偿PCB引线、继电器和连接器造成的损耗。另外,该方案使系统性能接近PE所能提供的性能指标,无需考虑电缆损耗问题。

最后一种解决方案是结合上述两种方法,但PE方案是最切实可行的选择,也是本文所关注的内容。

电子方法解决电缆损耗

图1图2描述了电缆损耗,损耗导致波形边沿变得平滑,或“磨损”最终信号。正是这些“平滑”信号的边沿降低了系统的有效带宽。带宽损失源于电缆而不是PE。为了优化系统性能,需要恢复有效的系统带宽。

图1. 驱动器电缆损耗修正的基本原理
图1. 驱动器电缆损耗修正的基本原理

图2. 比较器通道的电缆损耗补偿
图2. 比较器通道的电缆损耗补偿

为了修正信号“磨损”、恢复带宽,必须找到一种方法将波形边沿恢复到直接来自驱动器的陡峭、无噪声方波。这种修正必须利用驱动电缆的PE实现。图1中包含一个附加电路模块“波形整形”,通过增加可控制的过冲幅度,有效修复信号的边沿。边沿修复不是通过简单的过冲电路实现,简单的过冲电路会对边沿产生负面影响,造成幅度波动,过冲量取决于具体加入的过冲。这些不良影响会造成时序、信号偏移等误差,而且这些误差随频率、幅度的变化而变化。

图2给出了更详细的Maxim产品对于修正电缆损耗的方法。图1所示为PE IC从电缆到被测件(DUT)整个驱动连路的波形修正情况。图2列出了类似修正情况,从DUT通过电缆,到达PE的比较器。驱动器和比较器通路均需要修正。

电缆损耗补偿电路在信号中加入两个一阶时间常数衰减的峰值信号。DOVSx输入电压控制持续时间较短的峰值电平,补偿过冲电压;DOVLx输入电压控制持续时间较长的峰值,补偿过冲电压。较短或较长持续时间的过冲信号都限制在10%过冲范围内。两个峰值信号分别固定衰减时间常数。DOVSx信号的时间常数为77ps,DOVLx补偿的时间常数为1.5ns。如图2所示,COVSx和COVLx在比较器通道充当类似功能。

MAX9957双通道2000Mbps驱动器和MAX9955双通道2000Mbps比较器/端接器采用双时间常数,如图1、图2所示,两个时间常数可分别调节。

MAX9979双通道1100Mbps驱动器/PMU,具有电平设置校准DAC,使用单路控制架构(表1图3所示)。这种方案同样采用双时间常数,但将双时间常数组合到一个3位DAC中。

表1. MAX9979电缆衰减补偿控制
Serial Interface Bits Droop Compensation (%)
CDRP2_ CDRP1_ CDRP0_
0 0 0 0.0
0 0 1 1.5
0 1 0 3.0
0 1 1 4.5
1 0 0 6.0
1 0 1 7.5
1 1 0 9.0
1 1 1 10.5

图3. MAX9979电缆补偿
图3. MAX9979电缆补偿

不同电缆下的MAX9979性能测试

MAX9979为双通道PE,集成了驱动器/比较器/负载(DCL)、PMU和电平设置校准。每通道功耗为1.1W,优化工作在1Gbps、3V信号,采用50Ω端接。

图4图9提供了一组MAX9979的测试数据,测试平台与图3类似。这些测试数据实在以下条件下获得的:MAX9979配置在VDH = 3V、VDL = 0V,为50Ω负载提供3V信号驱动,图中给出了相应的电缆。

从图4至图9测试结果可以看出:补偿电缆与未经补偿的电缆相比具有明显优势。图8到图9接近于高速测试装置的实际测试结果,可以清楚地看到电平跳变速率或系统带宽,几乎降低了50%,这些损耗是经过电缆产生的衰减。有些情况下结果可能更糟,因为ATE使用的电缆比测试采用的电缆损耗更大。另外,这些测试也包含了信号通道的PCB引线、继电器和连接器造成的损耗。Maxim的ATE产品线中的PE电缆补偿能够对所有信号通道的损耗进行补偿。

图4. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用固态和半刚性SMA电缆
图4. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用固态和半刚性SMA电缆

图5. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用固态和半刚性SMA电缆
图5. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用固态和半刚性SMA电缆

图6. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用RG58C电缆
图6. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用RG58C电缆

图7. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用RG58C电缆
图7. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用RG58C电缆

图8. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用RG174电缆
图8. 补偿之前和补偿之后的转换速率,采用RG174电缆

图9. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用RG174电缆
图9. 补偿之前和补偿之后的上升时间,采用RG174电缆

通过对图4至图9数据的进一步分析显示,电平转换速率的降低和延长的上升时间是导致电缆损耗的关键,从没有补偿的通道更容易看到这一现象。所产生的损耗取决于使用电缆的长度和质量,实际应用中,电缆本身造成的损耗就有可能超过50%。

注:
  1. 测试使用的固态SMA电缆价格是130美元/英尺,半刚性电缆价格是30美元/英尺,RG58和RG174电缆的价格是5美元/英尺。
  2. 价格昂贵的电缆性能很好,传输长度甚至可以达到36英寸。但这些价格昂贵的电缆同样需要补偿,以支持最高的数据速率和最小上升时间。
  3. 12英寸、特别是36英寸的RG58电缆即使在补偿情况下,电平转换速率也明显下降,上升时间较长。未经补偿的电缆损耗更大。
  4. 从图8、图9可以看出,没有补偿时,较长的高损耗电缆会大大降低系统性能。对这些电缆进行补偿,可以恢复信号带宽或提高电平转换速率,达到驱动器90%以上的性能指标。
  5. 没有电缆补偿的系统,如果PE驱动器可以支持1000Mpbs或更高速率,电缆损耗、继电器、连接器和PCB引线造成的损耗可能高达50%。相反,使用具备电缆损耗补偿的PE系统,系统性能可以达到PE器件本身所能提供指标的90%。
  6. PE补偿必须可调,PE如果只是采用简单的过冲电路,则无法针对特定长度的电缆进行补偿,因为边沿和纹波会随着频率、幅度而改变,从而引入时序误差。
图10图11是6英尺和3英尺RG174电缆的实际测量结果。图8和图9的数据直接从这些结果提取。输出结果包括未经补偿的波形、经过完全补偿的波形,1位过补偿的波形。

图10. 6英尺RG174电缆输出波形,四个波形分别为:没有补偿、部分补偿、完全补偿和过补偿的情况(请参考图8和图9相关数据)。
图10. 6英尺RG174电缆输出波形,四个波形分别为:没有补偿、部分补偿、完全补偿和过补偿的情况(请参考图8和图9相关数据)。

图11. 3英尺RG174电缆输出波形,三个波形分别为:没有补偿、完全补偿和过补偿的情况(请参考图8和图9相关数据)。
图11. 3英尺RG174电缆输出波形,三个波形分别为:没有补偿、完全补偿和过补偿的情况(请参考图8和图9相关数据)。

上述波形表明,严格的PE电缆补偿设计能够保持真实的信号边沿,甚至可以减小幅度波动,从而维持正确的瞬变电平,使系统在任何频率和幅度下获得最佳性能。

测试结果总结

图4至图11所示测试结果证实了上述理论分析和相关讨论。试验中使用的电缆质量优于ATE设备使用的电缆。显然,没有电缆补偿电路,系统将无法达到与PE同等的性能指标。同样,在PE中设计电缆补偿,可以获得几乎100%的性能指标,非常接近PE所能支持的最高速率。

在电子驱动器内设计电缆补偿电路,使系统能够使用低成本、高损耗电缆,同时保证整体性能。在驱动器中加入此补偿功能会增加每个引脚的成本。然而,性能的提高和低成本电缆的使用,无疑可以弥补引脚成本的提高,最终降低整体成本。

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