高速差分連接器測試方法及分析

陳毓彬，王文雙

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件檢測中心，廣東 廣州 510610）

0 引言

隨著連接器技術的飛速發(fā)展，高速差分連接器作為一種傳輸高速信號的新型連接器，已廣泛地應用于各個高速傳輸領域。相對于傳統的單端傳輸方式而言，高速差分技術具有功耗低、誤碼率低和傳輸速率高等特點。但在實際應用中，影響高速差分連接器信號完整性的因素較多，如阻抗、串擾和數字傳輸率等性能參數。本文通過對高速差分連接器的主要性能參數的測試方法進行研究，綜合地考核了高速差分連接器的信號完整性，從而評價了高速差分連接器傳輸性能的優(yōu)劣。

1 高速差分連接器的測試方法

1.1 特性阻抗測試

特性阻抗測試主要采用TDR測試，其原理主要是當傳輸路徑中阻抗發(fā)生變化時，部分能量會被反射，剩余的能量會繼續(xù)傳輸[1]。注入到高速線路中的能量、反射回來的能量與阻抗的變化有理論上的數學關系。只要知道發(fā)射波的幅度，然后測量反射波的幅度，就可以計算出阻抗的變化。同時只要測量由發(fā)射到反射波再次到達發(fā)射點的時間差就可以計算阻抗變化的位置。特性阻抗可通過信號在傳輸線路上的情況反映出來。一個階躍信號在傳輸線上傳輸時，電信號到達某個位置時，就會令該位置上的電壓發(fā)生變化，傳輸線在此位置對地形成了電流回路，因此就有阻抗的存在[2]。TDR測試方法是基于傳輸線的反射理論，在高速通道中，任何的阻抗不連續(xù)都可以在TDR波形中反映出來，如圖1所示。

圖1 TDR波形

1.2 串擾測試

當信號在傳輸線上傳播時，有些電壓和電流能傳遞到鄰近的靜噪傳輸線上，這些有害的耦合噪聲被稱為串擾[3]；兩條相鄰傳輸線上的噪聲可用圖2所示的測試方法來測量，信號從傳輸線的一端輸入，為了消除末端折射，在遠端端接匹配負載，而噪聲電壓可在相鄰的靜態(tài)線兩端測量，兩端的噪聲明顯的不同。為了區(qū)分這兩個末端，把距離傳輸信號源較近的一端稱為近端串擾 （NEXT），離傳輸信號源較遠的一端稱為遠端串擾 （FEXT）。在高速串擾測試時需要用一個模擬的干擾源向傳輸線上施加快速沿脈沖信號，同時測量相鄰的被干擾線路上遠端和近端的干擾噪聲信號的幅度，通過公式可以計算出近端串擾和遠端串擾。

圖2 傳輸線上的串擾

1.3 數字傳輸率測試

數據傳輸率是指在單位時間內總線上傳送的數據量，即每秒傳送數據的最大穩(wěn)態(tài)數據傳輸率[4]。在高速差分連接器的測試中，串擾對其的影響是不可能完全消除的；而傳輸信號間的串擾問題會嚴重地影響高速傳輸的誤碼率，從而影響到數據傳輸率。到目前為止，業(yè)界還沒有一種科學、有效的統計方式來計算數據傳輸率。而對于數據傳輸率的測試，傳統的測試方法是采用數字示波器來接收信號，觀察差分信號對之間的串擾對連接器高速傳輸性能的影響，從而做出判斷。如果將采集到的數字串行信號的比特位用余輝方式累積顯示結果，那么疊加后的圖形就會看起來和眼睛很像，所以通常把數據傳輸率簡稱為眼圖[5]，如圖3所示。眼圖能直觀地顯示碼間串擾和噪聲的影響，可以評價一個高速傳輸系統性能的優(yōu)劣。

圖3 差分連接器眼圖

2 測試結果及分析

2.1 阻抗測試

本次測試以高速差分連接器為測試對象，每個高速差分連接器樣品由4個差分同軸接觸件組成，每個差分同軸接觸件上對應地安裝有2對差分接觸件。將連接器中的1對差分接觸件的一端按圖4所示接入DSA8200數字串行分析儀中，分析儀的差分TDR模塊端接一對100 Ω的四絞線電纜，被測高速差分連接器的接觸件的另外一端接分析儀的接收端或接負載，將數字串行分析儀設置為差分測試模式。

圖4 特性阻抗測試圖

特性阻抗測試時的測試夾具應具有能及時地確定樣品近端和遠端的特性，即測試時能夠及時地確定測試夾具內樣品的近端和遠端。被測樣品的近端和遠端可通過測量夾具單獨的近端傳輸延遲、裝置單獨的遠端傳輸延遲和裝有樣品夾具的傳輸延遲來確定。近、遠端通常用下面的方法來確定：

a）將TDR設備與標準線路近端連接。觀測顯示器上TDR阻抗曲線急劇下降的時間。記錄該時間作為樣品近端的時間位置。

b）將TDR設備裝有樣品的裝置相連接，并測量傳輸延遲。

c）裝有樣品裝置的傳輸延遲與樣品近端時間位置的差值即為樣品遠端的時間位置。

當受試樣品阻抗與測試設備阻抗不匹配時，應具有阻抗匹配裝置。插合的差分接觸件按圖4-9連接可靠，選擇特性阻抗測試，設置測試上升時間為100 ps（10%～90%），可通過對差分接觸件的阻抗進行疊加來得到差分合阻抗。特性阻抗測試的結果如圖5所示。

由測試結果可得，該差分接觸件的合阻抗為M1=C1+C2，該差分接觸件對的特性阻抗在102.48～115.50 Ω 之間。

在測試過程中，測試裝置的損耗、電路板線路、測試板介質的變化和其他問題都可能引起顯著的測量誤差。在圖5中的TDR阻抗分布曲線中，橫坐標為時間，縱坐標為阻抗；該曲線包括了樣品兩端的SMA轉接器 （標記1、3）、傳輸線 （標記a、b）及被測樣品 （標記2）；根據該TDR阻抗分布曲線，專業(yè)測試人員能夠快速地確定高速差分連接器的起始和終止、被測試高速差分連接器的最大和最小阻抗值，以及樣品的平均阻抗。

圖5 特性阻抗測試結果

在測試過程中，應考慮測試夾具的制作與阻抗匹配的問題。高速傳輸測試平臺提供的是阻抗為50 Ω的SMA接口，測試時需把差分接觸件通過導線轉接成SMA接口或通過轉接印制板轉成SMA接口。由于高速連接器的種類較多，所涉及的測試夾具種類繁多，針對高速連接器、高速傳輸電纜、背板等專門設計了相關的測試夾具，這樣將更有效地提高測試效率及準確性。當測試PCB印制板時，有時會使用差分探頭，但使用探頭的接觸方式往往會由于人為的接觸不均勻或連接不可靠而引起測試結果誤差的增大，而采用SMA接口的連接方式能提供更為可靠、穩(wěn)定的連接。

2.2 串擾測試

主要的串擾測試方法與步驟如下所述。

a）測量系統上升時間。由于夾具增加了激勵階躍上升時間，因此，測量系統的上升時間會大于測試設備的上升時間，需要測量上升時間 （在10%～90%電平范圍內測量）。一般來說，測試系統應包括測試夾具、設備和連接線；若相關標準規(guī)定測量是以激勵線路的輸出而不是輸入為標準，則應連同樣品進行測量，得到實際的測量系統上升時間。

b）將實際的測量系統上升時間與要求的值或表1中的值匹配。記錄測量系統階躍幅度Am。

表1 推薦的測量系統上升時間

c）按圖6所示連接被測樣品，進行測量。

d）輸出測量結果：從傳輸參數中讀取串擾比（幅度相對值），單位dB。

e）再讀取幅度相對值AS，計算串擾比A=AS/Am。

2.2.1 近端串擾

將高速差分連接器中的2對插合的差分接觸件按圖6a所示進行連接，未插合的差分接觸對末端均需端接終端負載進行匹配。設置測試信號上升時間，由數字串行分析儀可讀出接收通道的電壓值，即為串擾電壓。

圖6 串擾測試圖

在對高速差分連接器的差分接觸件進行近端串擾測試時，設置測試上升時間為28 ps（10%～90%），如圖7所示，高速差分連接器的反射曲線中間出現一個干擾信號，測試接收信號的電壓為5.22 mV。近端串擾可以用公式 （1）表示：

式 （1）中：U11——測試信號輸入通道電壓；

U21——接收信號通道測試電壓。

實測近端串擾時，測試信號的上升時間為28 ps（10%～90%）。則根據公式 （1）計算得知，該樣品的近端串擾為39.6 dB。

圖7 近端串擾測試

2.2.2 遠端串擾

將高速差分連接器中的2對插合的差分接觸件按圖6b所示進行連接，輸入不變，未插合的差分信號對末端均需端接終端負載進行匹配。將同一個接觸件與輸入差分對相鄰的差分對導通對應的另一接觸件差分對連接到數字串行分析儀來進行測試。設置測試上升時間為28 ps（10%～90%），如圖8所示，測試接收信號通道的電壓為3.68 mV。

圖8 遠端串擾測試

同樣，遠端串擾也可以用公式 （2）表示：

其中，U11——測試信號輸入通道電壓，U22——輸入差分對相鄰的差分對遠端測試通道電壓；實測遠端串擾時，測試信號上升時間為28 ps（10%～90%）。則根據公式 （2）計算得知，該樣品的遠端串擾為42.7 dB。

高速差分連接器的性能參數、差分接觸件間距、信號輸出端和接收端的電氣特性及端接方式等都對串擾有一定的影響。

2.3 數據傳輸率測試

將1對插合的差分接觸件按圖9所示接入數字串行分析儀，通過眼圖對電連接器的傳輸性能做綜合衡量。

圖9 傳輸性能測試圖

測試時，上升時間設置為200 ps（10%～90%），數據傳輸率為1.65 Gbps；要求輸入電壓為1 V時，測試所得到的高速傳輸連接器差分接觸對的傳輸眼圖中有50%的時間段內的輸出電壓大于408 mV。根據要求，設置相關眼圖模板中的各點的坐標如表2所示：

表2 眼圖模板坐標

按前面的測試方法對高速傳輸連接器進行測試，得到的測試眼圖如圖10所示，從圖中可見眼圖的眼睛 “睜開”得很大。

從測試結果可得，通過數字串行分析儀來處理一個連續(xù)信號的波形，可以顯示出噪聲、眼寬、眼高和抖動等相關信息。通過眼圖的形狀特點可以快速地表征數據傳輸率，眼圖能直觀地表明碼間串擾和噪聲的影響。眼圖脈沖中部的開口面積是數據傳輸質量的指標。眼開度越大，傳輸質量越好，即比特 （bit）誤碼率越低。通過對眼圖進行分析，測試人員能夠準確、快捷地完成測試并對測試結果進行分析，定位問題，找出問題的根本原因。

圖10 實測眼圖

3 結束語

本文討論了高速差分連接器中常用的信號完整性測試方法，包括特性阻抗測試、串擾測試和數據傳輸率測試。以測試方法為基礎，高速差分連接器為測試樣品，得出測試數據，客觀評價高速差分連接器信號完整性的優(yōu)劣，為產品的鑒定檢驗工作提供科學的依據。

[1]YD/T 926.3-2001，大樓通信綜合布線系統第3部分：綜合布線用連接硬件技術要求 [S].

[2]趙宇萍，劉治國.基于TDR技術的連接器高速傳輸性能測試 [J].電子產品可靠性與環(huán)境試驗，2012，30（5）：134-137.

[3]吳伯春，龔清萍.信號完整性分析技術 [J].航空電子技術， 2004， 35 （2）： 20-24.

[4]吳世湘.軍事/航天連接器發(fā)展態(tài)勢研究 [J].電子產品世界， 2008 （2）： 58-63.

[5]ERIC Bogatin.信號完整性分析 [M].李玉山，李麗平，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005：10-13，132-138.