一、差分平衡參數(shù)測(cè)試的應(yīng)用背景

隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求越來越高，就需要信息設(shè)備（如大型服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)和交換機(jī)等）能夠承載的數(shù)據(jù)速率越來越快。目前，信息設(shè)備中均采用差分平衡方式進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的傳輸，信息設(shè)備生產(chǎn)商對(duì)這類高速互連通道的信號(hào)完整性問題也愈發(fā)重視，差分平衡參數(shù)是其中一個(gè)重要測(cè)試項(xiàng)。

二、差分平衡參數(shù)測(cè)試原理

1、平衡器件的定義

傳統(tǒng)的射頻微波器件是單端的，即單輸入單輸出，且輸入輸出接口上的信號(hào)有共同的參考地平面，如圖1所示。

圖1 單端器件

但隨著先進(jìn)的MMIC集成電路的出現(xiàn)，越來越多的射頻電路開始使用差分平衡形式來設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)、服務(wù)器中背板的差分平衡時(shí)鐘速率已到達(dá)上百吉比特每秒，速率如此之高也必須按照射頻和微波器件來考慮。

圖2 平衡器件

平衡器件的輸入或輸出都是兩端口的。平衡器件所傳輸?shù)男盘?hào)是兩個(gè)端口之間電平的差值或平均值，輸入的兩端口或輸出的兩個(gè)端口之間互為參考，而不是以地為參考，如圖2所示。

理想情況下，當(dāng)差分平衡器件的輸入端加上幅度相等、相位相差180度的差模信號(hào)時(shí)，輸出端得到的也是差模信號(hào)，這種工作模式稱為“差模/差模”模式。理想差分傳輸線不會(huì)傳輸幅度相等相位相同的信號(hào)，即共模信號(hào)，對(duì)共模干擾有很好的抑制作用。實(shí)際上差分傳輸線輸入和輸出的信號(hào)都不可能是理想的，輸入和輸出信號(hào)中都有以地為參考的共模信號(hào)存在。由差模信號(hào)激勵(lì)得到共模信號(hào)的工作模式稱為“差模/共模”模式。如果輸入信號(hào)中含有共模信號(hào)，同樣也會(huì)激勵(lì)得到差模和共模信號(hào)，對(duì)應(yīng)的工作模式分別為“共模/差模”和“共模/共模”模式。其中“共模/差模”模式會(huì)在輸出的差模信號(hào)中引入噪聲，于是差分傳輸線抑制由共模信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生差模信號(hào)的能力將是判斷一個(gè)該器件性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的S參數(shù)并不能區(qū)分差模信號(hào)和共模信號(hào)，更不能反映差分傳輸線各模式的傳輸和不同模式的轉(zhuǎn)化特性，因此無法準(zhǔn)確衡量一個(gè)差分平衡器件的性能。為完整表征一個(gè)差分平衡器件的特性，需要知道它在差模和共模激勵(lì)下的響應(yīng)，以及在這兩種激勵(lì)下的模式轉(zhuǎn)換信息，以4端口的平衡參數(shù)為例，混合模S參數(shù)矩陣可以完整表征其特性指標(biāo)。

其中，混合模S參數(shù)用Sabxy的形式表示，前面兩個(gè)下標(biāo)分別表示響應(yīng)和激勵(lì)信號(hào)的模式，d代表差模信號(hào)，c代表共模信號(hào)，后兩位數(shù)字下標(biāo)分別表示響應(yīng)和激勵(lì)的端口。矩陣的左上象限表示傳輸線在差模激勵(lì)下的差模響應(yīng)，右下象限表示傳輸線在共模激勵(lì)下的共模響應(yīng)；矩陣的左下象限表示傳輸線在差模激勵(lì)下的共模響應(yīng)，右上象限表示傳輸線在共模激勵(lì)下的差模響應(yīng)，這兩個(gè)象限描述了差分傳輸線的模式轉(zhuǎn)換信息。

2、3672差分平衡參數(shù)設(shè)置

任何差分平衡參數(shù)測(cè)試，首先需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的混合模S參數(shù)的軌跡。

1) 設(shè)置軌跡運(yùn)算的方法

菜單路徑：[軌跡]→[新建軌跡]→[平衡參數(shù)]，顯示新建軌跡對(duì)話框。

2) 平衡器件拓?fù)湓O(shè)置方法

路徑： [新建軌跡]對(duì)話框→[改變]按鈕，顯示被測(cè)件配置對(duì)話框；邏輯端口是用來描述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀物理測(cè)試端口新的平衡測(cè)試中的映射關(guān)系，具體如下。

1）任意兩個(gè)物理測(cè)試端口可以被映射成一個(gè)平衡邏輯端口；

2）任意一個(gè)物理測(cè)試端口可以被映射成一個(gè)單端邏輯端口

圖3 平衡參數(shù)拓?fù)湓O(shè)置對(duì)話框

四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀支持四種平衡器件拓?fù)湫问剑稍趫D所示對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置，具體如下：

1）平衡/平衡（2個(gè)平衡邏輯端口和四個(gè)物理端口）

2）單端/平衡（2個(gè)邏輯端口和三個(gè)物理端口）

3）平衡/單端（2個(gè)邏輯端口和三個(gè)物理端口）

4）單端-單端/平衡（3個(gè)邏輯端口和三個(gè)物理端口）

三 、差分平衡參數(shù)測(cè)量示例

1、TDR差分阻抗測(cè)試方法

傳統(tǒng)上，TDR差分阻抗測(cè)試是一種通過使用時(shí)域反射計(jì) (TDR) 示波器來評(píng)估傳輸線路的常見方法。而基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 的 TDR 測(cè)量作為一種這種時(shí)域分析的替代方法，越來越受到人們的關(guān)注。兩種方法的測(cè)試原理如下圖所示。

基于采樣示波器的時(shí)域反射計(jì)(TDR)測(cè)試方法噪聲相對(duì)較大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍和快速測(cè)量具有一定難度，雖然通過取平均法可以降低噪聲，但是這會(huì)影響測(cè)量速度。示波器上用于測(cè)量時(shí)序偏差的多個(gè)信號(hào)源之間的抖動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。此外，給TDR示波器設(shè)計(jì)靜電放電(ESD)保護(hù)電路非常困難，因此TDR示波器容易被ESD損壞。這些都可以通過基于VNA的TDR測(cè)試方案得以避免。

2、測(cè)試步驟

步驟1： 復(fù)位3672矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，進(jìn)入下圖界面。

步驟2：設(shè)置所需要的起始和終止頻率。

步驟3：點(diǎn)擊右側(cè)時(shí)域按鈕，進(jìn)入時(shí)域設(shè)置狀態(tài)。

步驟4：點(diǎn)擊時(shí)域變換按鈕，彈出時(shí)域變換對(duì)話框后，在變換模式中選擇低通階躍，然后選中時(shí)域變換。

圖4 時(shí)域變換設(shè)置

步驟5：接上一步，將時(shí)域變換勾除掉。

圖5 去掉時(shí)域變換

步驟6：進(jìn)行全四端口校準(zhǔn)。

首先根據(jù)校準(zhǔn)件和被測(cè)件選擇校準(zhǔn)方式和連接方式；接著進(jìn)行校準(zhǔn)件和被測(cè)件選擇；隨后按照向?qū)Р襟E進(jìn)行四端口校準(zhǔn)，最后點(diǎn)擊完成。

圖6 全四端口校準(zhǔn)

步驟7：點(diǎn)擊新建軌跡，建立差分測(cè)試軌跡Sdd11。

圖7 新建差分測(cè)試軌跡

步驟8：在平衡參數(shù)頁，點(diǎn)擊改變按鈕進(jìn)行平衡拓?fù)湓O(shè)置。

圖8 平衡拓?fù)湓O(shè)置

步驟9：修改平衡拓?fù)湓O(shè)置，選擇平衡到平衡。

圖9 平衡拓?fù)湓O(shè)置對(duì)話框

步驟10：根據(jù)被測(cè)件連接情況設(shè)置平衡端口和網(wǎng)絡(luò)儀端口的關(guān)系，如下兩個(gè)圖。

圖10 端口映射設(shè)置

圖11 實(shí)際的物理連接關(guān)系

步驟11：選擇軌跡Sdd11，點(diǎn)擊確定。

圖12 測(cè)試軌跡選擇

步驟12：選擇阻抗格式。

圖13 選擇阻抗格式

步驟13：【分析】→【時(shí)域】→【時(shí)域變換】→[低通階躍]，并勾選時(shí)域變換，同時(shí)根據(jù)被測(cè)件長(zhǎng)度設(shè)置起始和終止時(shí)間。

圖14 時(shí)域變換設(shè)置

步驟14：設(shè)置光標(biāo)等觀察阻抗曲線。

圖15 觀察曲線的設(shè)置

附錄 1

采用3672的時(shí)域功能+差分參數(shù)測(cè)試功能+Delta光標(biāo)計(jì)算功能還能得到對(duì)內(nèi)延時(shí)（Intra-pair skew）和對(duì)間延時(shí)（Inter-pair skew）。

測(cè)試連接

對(duì)內(nèi)延時(shí)（Intra-pair skew）

對(duì)間延時(shí)（Inter-pair skew）