摘要：目前有許多測試公司設(shè)計(jì)、制造并銷售引腳數(shù)眾多的自動(dòng)測試設(shè)備(ATE)。這些測試設(shè)備具有非常復(fù)雜的集成電路，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備的每個(gè)引腳。一臺(tái)測試設(shè)備的引腳數(shù)可能多達(dá)4096個(gè)。從圖1可以看出：每個(gè)引腳通常都有一個(gè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器、比較器、負(fù)載，有時(shí)甚至需要參數(shù)測試單元(PMU)。這些電路通過電纜連接到測試引腳。為了降低成本，供應(yīng)商可能會(huì)選用質(zhì)量比較差的電纜。而任何電纜，尤其是質(zhì)量較差的電纜，都會(huì)產(chǎn)生損耗，從而降低了測試設(shè)備的最終性能。




圖1. 測試設(shè)備(DUT)典型框圖

電纜損耗定義

圖2所示典型同軸電纜主要有兩種損耗：趨膚效應(yīng)損耗和介電損耗。


圖2. 典型同軸電纜

趨膚效應(yīng)損耗

高頻信號(hào)沿著導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的表面?zhèn)鬏?圖2所示)，這種現(xiàn)象即為所謂的趨膚效應(yīng)損耗。趨膚深度(δ)定義為：



式中，ω為頻率，單位為rad/s；μ為導(dǎo)體的導(dǎo)磁率，單位為H/m；ρ為導(dǎo)體的電阻系數(shù)，單位為歐姆?米。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線每單位長度的電阻Rl和電感Ll隨頻率的平方根而成比例增長。單位長度電阻的計(jì)算公式為：



w為導(dǎo)線寬度。對(duì)于半徑為r的圓形電纜，其寬度為2πr。返回路徑的電阻也需要考慮，由于該阻抗通常遠(yuǎn)小于正向路徑的電阻，可以忽略。

介電損耗

圖2中，電介質(zhì)絕緣體同樣會(huì)產(chǎn)生與頻率相關(guān)的電纜損耗。介電常數(shù)(ε)定義為：



其中，ε'為介電常數(shù)的實(shí)數(shù)部分；tanδ代表虛數(shù)，或損耗正切值，它是電介質(zhì)損耗因數(shù)。因?yàn)殡娊橘|(zhì)絕緣體會(huì)影響電纜的電容，單位長度電纜的等效電容將從(Cl)變?yōu)镃l(1 + jtanδ)。

電纜總損耗

考慮到趨膚效應(yīng)損耗和介電損耗，單位電纜的理想模型可簡化為圖3所示，包含上述損耗。


圖3. 簡化電纜模型

圖3中，我們定義傳輸系數(shù)為jk = √ZK，Z為分布串聯(lián)電阻，Y為分布并聯(lián)導(dǎo)納。這種情況下：



使用泰勒級(jí)數(shù)展開后可以得到近似的簡化方程式，如下所示：



ZO為傳輸線特征阻抗，εr是相對(duì)介電常數(shù)，c為光速。

我們最終需要的是電纜增益，H(f) = e-jkl，其中l(wèi)為電纜長度。使用上式，可以得到：



其中：



并且



通過以上計(jì)算，可以得到下面簡單結(jié)論：

1. 趨膚效應(yīng)損耗(α1)對(duì)于低頻損耗起主導(dǎo)作用(圖4)
2. 介電損耗(α2)對(duì)于高頻損耗起主導(dǎo)作用(圖4)

實(shí)際電纜的H(f)與上述近似公式稍有區(qū)別。對(duì)于自動(dòng)測試設(shè)備，該近似公式能夠提供足夠的精度，這些應(yīng)用中的電纜衰減最大為增加到6dB。


圖4. 電纜趨膚效應(yīng)損耗(內(nèi)層導(dǎo)體)、介電損耗以及返回路徑(外層導(dǎo)體)損耗的典型特性曲線

圖4給出了典型同軸電纜中各種損耗的基本特性曲線。該同軸電纜內(nèi)部是特征阻抗為50Ω銅線，外層是辮狀金屬導(dǎo)體。每類電纜損耗的特性不同，但變化趨勢(shì)與圖4一致。

電纜損耗總結(jié)

本應(yīng)用筆記的目的不是提供一套嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法計(jì)算電纜損耗—這些內(nèi)容可以從教科書中得到。所推到的方程用于證明圖4所示特性曲線。從上述分析可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1. 所有電纜都產(chǎn)生損耗，這些損耗最終會(huì)限制系統(tǒng)性能。損耗大小取決于電纜質(zhì)量和規(guī)格。
2. 電纜損耗主要包括：

   a. 趨膚效應(yīng)損耗，對(duì)于低頻信號(hào)起主要作用。
   b. 介電損耗，對(duì)于高頻信號(hào)起主要作用。
   c. 返回路徑損耗較小，多數(shù)情況下可以忽略。
   d. 連接器、繼電器以及其它輸出節(jié)點(diǎn)或DUT連線的損耗。
   

電纜損耗與電纜成本

圖5給出了各種典型電纜的損耗特性曲線，表1對(duì)一些電纜的成本和損耗進(jìn)行了對(duì)比。


圖5. 不同電纜的損耗

表1. 柔性同軸電纜的每英尺價(jià)格，出自同一制造商

Cable	Loss at 900MHz (dB/m)	Cost per Meter ($)
RG174	0.75	1.3
RG142	0.382	14.6
RG400/U	0.3492	15.11
RG232/U	0.4589	10.4
R393/U	0.296	22.7
RG58 low loss	0.3691	1.46
RG58/U	0.531	1.14
RG8X	0.25	1.79
RG8	0.14	14.3

注：

1. 與劣質(zhì)電纜相比，高質(zhì)量電纜的價(jià)格成倍增長，可能高達(dá)20倍(圖5，表1)。
2. ATE制造商更愿意使用低成本電纜，但是這樣的電纜會(huì)使系統(tǒng)性能變差。
3. 如果引腳電子沒有電纜補(bǔ)償，則無法修正電纜損耗。
4. 使用大損耗電纜時(shí)，需要用高成本、寬帶、大功率的引腳驅(qū)動(dòng)器替代低成本、窄帶、低功耗的驅(qū)動(dòng)器，以改善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裕量。
5. 在一臺(tái)測試設(shè)備中使用4096條電纜，每米電纜的成本將介于$5325和$92,979之間(表1)。
6. 在測試設(shè)備中為引腳電子增加電纜補(bǔ)償，以4096引腳設(shè)備為例，每臺(tái)設(shè)備可以節(jié)省$92,979 - $5325，或$87,654。
7. 上述成本價(jià)格以表1提供的信息為基礎(chǔ)，不同廠商的電纜價(jià)格可能會(huì)有較大差別。但從這些數(shù)字可以看出電纜產(chǎn)生的昂貴價(jià)格。因此，對(duì)于設(shè)備制造商來說選擇低成本電纜非常重要。
8. 表1列舉電纜都是柔性電纜。半剛性和全鋼性電纜的性能最好，這類電纜的價(jià)格大約在每英尺$30，是最好的柔性電纜的3倍甚至更多。由于這些電纜成本過高，廠商不會(huì)選用。
9. 隨著測試設(shè)備工作頻率的增加，必須使用電纜補(bǔ)償。目前，高端測試設(shè)備的工作速率超過1Gbps。

電纜損耗對(duì)性能的影響

對(duì)于運(yùn)行在200Mbps范圍的測試設(shè)備，電纜損耗的影響不大。而當(dāng)速率超過500Mbps時(shí)，需要對(duì)整個(gè)信號(hào)路徑、電路、電纜以及引腳的性能進(jìn)行仔細(xì)分析，以保證每個(gè)引腳得到正確的測量指標(biāo)。以下列舉了測試設(shè)備的重要指標(biāo)：

1. 波形的直流電平精度
2. 上升和下降時(shí)間
3. 最大的觸發(fā)率
4. 最小脈寬
5. 邊沿的傳輸延時(shí)精度和匹配
6. 傳輸偏差，例如，傳輸偏差與最小脈寬、幅度、共模電壓的關(guān)系

電纜的選擇會(huì)直接影響上述指標(biāo)。提高觸發(fā)率，不考慮電纜驅(qū)動(dòng)器的帶寬，電纜損耗將成為制約測試設(shè)備性能的主要因素。從圖6、圖7可以明顯看出這一問題。


圖6. 短電纜/高質(zhì)量電纜的階躍響應(yīng)


圖7. 長電纜/劣質(zhì)電纜的階躍響應(yīng)

大多數(shù)工程師已經(jīng)了解圖6、圖7所示階躍響應(yīng)結(jié)果，但仍需關(guān)注以下事項(xiàng)：

1. t0表示上升到波形滿幅50％的時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，10％到90％的上升時(shí)間大約為28.6 x t0。從兩個(gè)波形可以看出上升時(shí)間在兩種不同電纜長度或質(zhì)量下指標(biāo)相差很大。
2. 滾降特性對(duì)最大觸發(fā)速率、最小脈寬和帶寬影響較大。從上圖可以清晰看出信號(hào)路徑的劣化。
3. 信號(hào)劣化與實(shí)際驅(qū)動(dòng)器無關(guān)。這種情況下，我們使用了一個(gè)具有無限帶寬階躍響應(yīng)的電路，正是電纜限制了響應(yīng)的上升時(shí)間。
4. 速率越高、電纜越長，問題會(huì)更嚴(yán)重。
5. 所有電纜，無論電纜長度、質(zhì)量如何，都會(huì)在一定程度表現(xiàn)出圖6、圖7所示特性。
6. 必須尋求解決電纜損耗的方案，以充分利用驅(qū)動(dòng)器的帶寬，否則，只能選用高質(zhì)量電纜，而成本的增加又對(duì)提高應(yīng)用的系統(tǒng)性能作用不大。
7. 在電路中設(shè)計(jì)電纜補(bǔ)償可以解決電纜損耗問題。

總結(jié)

高速測試設(shè)備中使用的電纜會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體性能，最終制約系統(tǒng)指標(biāo)。由于不同電纜的價(jià)格差異較大，高速測試設(shè)備大多選用損耗較大的劣質(zhì)電纜。當(dāng)速率接近或超過1Gbps時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮電纜損耗。使用寬帶驅(qū)動(dòng)器也無法補(bǔ)償電纜的損耗，因此，電纜成為限制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

為了充分利用帶寬大于1Gbps的測試設(shè)備的性能，必須解決電纜損耗問題。值得慶幸的是，目前已經(jīng)能夠獲得解決電纜補(bǔ)償問題的有效方案。