采樣示波器帶寬會對高速信號測量帶來影響，你注意到了嗎

示波器會給測量帶來額外的抖動，從而導致意外的設計改變。Inphi公司的Ziad Matni就做了一個這樣的實驗。當用50GHz采樣示波器在50Gbps數據流中測試50Gbps的flip-flop時會導致失真的波形。當測試45Gbps的信號時，Matni發現50GGHz示波器所產生眼圖的抖動（975fs rms）要比65GHz示波器（623fs rms）大的多。

甚至對于20Gbps的信號，示波器帶寬也是有區別的，盡管區別不明顯。50GHz示波器呈現的抖動為426fs，而65GHz示波器為388fs。

差分和單端傳輸線同樣會影響抖動。多數設計采用差分信號，因為差分比單端更穩健，但是差分信號要求匹配的傳輸線，否則就會帶來抖動。比如，信號線對相差1/4英寸，這會引起40Gbps信號1UI（25ps)的失配.

65GHz采樣示波器量測45Gbps信號比低帶寬示波器（50GHz）體現出更小的抖動。

簡介

當通信電路運行在10，25，50Gbps或更高速率上時，而系統集成度又越來越高，正確的測試成為顯著挑戰。

高速電路的輸出波形，是數據眼圖或正弦波，直觀體現了電路性能。輸出眼圖良好和輸出信號完整性是電路性能的底線。半導體設計，封裝設計，PCB設計，測試界面，測試設備設計，所有這一切都成為工程師最終在示波器或其他測量設備上“查看”的關鍵因素。從信號抖動到信號幅度變化、噪聲幅度、下沖/過沖的任何事都被上述考慮所影響。

該文就研究影響高速電路輸出測量讀數的條件，包括采樣頭的選擇，當然也有取決于數據格式選擇的區別，比如單端或差分。

數據眼圖的解剖


理想的眼圖

數據眼圖是數字信號的呈現，典型在示波器中測量。1和0在一個位元周期中疊加。理想的數據眼圖如圖1所示：從高到低數據狀態的光滑過渡真實體現了“高”“低”電平。事實上，數據眼圖會被邊沿抖動，電壓軌噪聲（圖2所示），欠阻尼，過阻尼（圖3所示）和其他失真（比如，阻抗失配或信號長的返回路徑）所污染。這些情況會造成數據眼圖的劣化，通過增加了信噪比，增加了相噪和使得數據眼圖看起來更加“閉合”。


相位和幅度噪聲


過沖和欠沖響應

這些高速數據眼圖的不良特征可以追溯到以下任何或全部根源。
a) 本來的信號噪聲
b) 芯片本身的半導體材料
c) 芯片上的電路設計
d) 芯片封裝
e) 電源和地連接
f) PCB材料
g) PCB設計任何失配的線阻抗，傳輸線帶寬限制，未知的線耦合等
h) PCB上數據鏈路的任何器件：AC耦合電容，終端電阻，DC偏置電感等
i) PCB上的DC電源旁路網絡（通常決定了信號的返回路徑）
j) PCB上的連接器（以及任何適配器）和他們的帶寬限制
k) 連接PCB和測試設備（帶寬有限，會帶來確定性抖動）的同軸電纜
i) 數字采樣頭，在數字示波器中，包含了觸發信號上的任何噪聲

許多次，盡管半導體電路，封裝和PCB經過最佳設計，但觀察到的信號仍然有很大的噪聲。這就是為什么必須在使用連接器，電纜，尤其是采樣頭帶寬上做出正確選擇的原因，為了保證對高速數字信號最干凈的觀察。此外，另外一個必須的考慮是，運行和觀察高速信號時，到底是使用差分還是單端。

數據眼圖展示了低帶寬響應


典型的測試裝置，可能對待測信號造成影響的噪聲源

數據格式

差分信號的2個通道攜有相同的噪聲

使用差分還是單端數據格式都有正方兩方面的原因。任何信號，S(t)，都可描述成“純凈的”信號加上環境噪聲。如果信號以差分存在，理想的，環境噪聲被消除。這是因為差分信號的2個分量帶有一樣的噪聲信號。

通過設計，差分信號通常對于電源噪聲和串擾信號具有更好的穩健性。對電磁干擾或者射頻干擾有更好的抵抗性而且不易受地彈干擾。

然而，對于數據路徑差分信號要求相位匹配的傳輸線。多數PCB材料和同軸電纜的傳播延遲為100～125ps/inch。對應于40Gbps信號位元時間（25ps，或者同軸電纜長度的差別為大約 1/4英寸），準確匹配差分信號2個分量的線長成為首要的考慮。

單端信號具有路由簡單的明顯優勢：不需考慮傳輸線長度匹配。然而，單端信號對噪聲的免疫力卻差。

為了更好的信號完整性和更好的噪聲免疫，差分信號被優先選用。更好的信號完整性意味著在終端的較干凈數據眼圖。更好的噪聲免疫同樣意味著更穩健的數據恢復和更靈活的PCB設計。

測試設備的選擇

數字采樣示波器，今天多數供應商提供杰出的選擇。關鍵是理解采樣輸入帶寬如何影響待測信號。圖7展示了用相同設置端接的同樣信號用不同數字采樣頭（在同一個示波器主機中）：一個具有50GHz帶寬，而另一個具有63GHz帶寬。信號是從Inphi 50700DF,50Gbps D-Flip Flop電路發出的45Gbps PRBS31碼型。


45Gbps的信號分別用63GHz（上）和50GHz（下）的采樣頭觀察

較高帶寬采樣頭上看到的信號展示了具有較低抖動特征的眼圖(測得的抖動有效值是623fs vs 975fs)，較低的信噪比（測得的S/N是 11.72 vs 14.17）和較高的信號幅度（測得的幅度峰峰值是524mV vs 487mV）。

甚至較低頻的信號用不同帶寬的采樣頭測試也有區別。圖8顯示了用相同方式端接的相同在先前使用的2個不同采樣頭下的表現。信號是從Inphi 25700DF，25Gbps D-Flip Flop電路發出的20Gbps PRBS31碼型。


20Gbps的信號分別用63GHz（上）和50GHz（下）的采樣頭觀察

盡管沒有之前45Gbps信號那么明顯，但20Gbps信號在較高帶寬采樣頭仍然顯示了具有較小抖動特征的輕微區別（測得的抖動有效值是388fs vs 426fs），提高的信噪比（具有更好的電壓軌穩定性）。

結論

許多可能的噪聲源和失配引起波形失真，使得原本良好的眼圖變壞。當處理數百兆 bps的速率，直到數 Gbps，這些源的影響很小。但一旦數據速率突破20Gbps，這些源將帶來顯著的影響。良好的測量不僅需要選擇可靠的電路和PCB設計，最重要的，還有數據格式和測試設備。