采样示波器带宽会对高速信号测量带来影响，你注意到了吗

示波器会给测量带来额外的抖动，从而导致意外的设计改变。Inphi公司的Ziad Matni就做了一个这样的实验。当用50GHz采样示波器在50Gbps数据流中测试50Gbps的flip-flop时会导致失真的波形。当测试45Gbps的信号时，Matni发现50GGHz示波器所产生眼图的抖动（975fs rms）要比65GHz示波器（623fs rms）大的多。

甚至对于20Gbps的信号，示波器带宽也是有区别的，尽管区别不明显。50GHz示波器呈现的抖动为426fs，而65GHz示波器为388fs。

差分和单端传输线同样会影响抖动。多数设计采用差分信号，因为差分比单端更稳健，但是差分信号要求匹配的传输线，否则就会带来抖动。比如，信号线对相差1/4英寸，这会引起40Gbps信号1UI（25ps)的失配.

65GHz采样示波器量测45Gbps信号比低带宽示波器（50GHz）体现出更小的抖动。

简介

当通信电路运行在10，25，50Gbps或更高速率上时，而系统集成度又越来越高，正确的测试成为显著挑战。

高速电路的输出波形，是数据眼图或正弦波，直观体现了电路性能。输出眼图良好和输出信号完整性是电路性能的底线。半导体设计，封装设计，PCB设计，测试界面，测试设备设计，所有这一切都成为工程师最终在示波器或其他测量设备上“查看”的关键因素。从信号抖动到信号幅度变化、噪声幅度、下冲/过冲的任何事都被上述考虑所影响。

该文就研究影响高速电路输出测量读数的条件，包括采样头的选择，当然也有取决于数据格式选择的区别，比如单端或差分。

数据眼图的解剖


理想的眼图

数据眼图是数字信号的呈现，典型在示波器中测量。1和0在一个位元周期中叠加。理想的数据眼图如图1所示：从高到低数据状态的光滑过渡真实体现了“高”“低”电平。事实上，数据眼图会被边沿抖动，电压轨噪声（图2所示），欠阻尼，过阻尼（图3所示）和其他失真（比如，阻抗失配或信号长的返回路径）所污染。这些情况会造成数据眼图的劣化，通过增加了信噪比，增加了相噪和使得数据眼图看起来更加“闭合”。


相位和幅度噪声


过冲和欠冲响应

这些高速数据眼图的不良特征可以追溯到以下任何或全部根源。
a) 本来的信号噪声
b) 芯片本身的半导体材料
c) 芯片上的电路设计
d) 芯片封装
e) 电源和地连接
f) PCB材料
g) PCB设计任何失配的线阻抗，传输线带宽限制，未知的线耦合等
h) PCB上数据链路的任何器件：AC耦合电容，终端电阻，DC偏置电感等
i) PCB上的DC电源旁路网络（通常决定了信号的返回路径）
j) PCB上的连接器（以及任何适配器）和他们的带宽限制
k) 连接PCB和测试设备（带宽有限，会带来确定性抖动）的同轴电缆
i) 数字采样头，在数字示波器中，包含了触发信号上的任何噪声

许多次，尽管半导体电路，封装和PCB经过最佳设计，但观察到的信号仍然有很大的噪声。这就是为什么必须在使用连接器，电缆，尤其是采样头带宽上做出正确选择的原因，为了保证对高速数字信号最干净的观察。此外，另外一个必须的考虑是，运行和观察高速信号时，到底是使用差分还是单端。

数据眼图展示了低带宽响应


典型的测试装置，可能对待测信号造成影响的噪声源

数据格式

差分信号的2个通道携有相同的噪声

使用差分还是单端数据格式都有正方两方面的原因。任何信号，S(t)，都可描述成“纯净的”信号加上环境噪声。如果信号以差分存在，理想的，环境噪声被消除。这是因为差分信号的2个分量带有一样的噪声信号。

通过设计，差分信号通常对于电源噪声和串扰信号具有更好的稳健性。对电磁干扰或者射频干扰有更好的抵抗性而且不易受地弹干扰。

然而，对于数据路径差分信号要求相位匹配的传输线。多数PCB材料和同轴电缆的传播延迟为100～125ps/inch。对应于40Gbps信号位元时间（25ps，或者同轴电缆长度的差别为大约 1/4英寸），准确匹配差分信号2个分量的线长成为首要的考虑。

单端信号具有路由简单的明显优势：不需考虑传输线长度匹配。然而，单端信号对噪声的免疫力却差。

为了更好的信号完整性和更好的噪声免疫，差分信号被优先选用。更好的信号完整性意味着在终端的较干净数据眼图。更好的噪声免疫同样意味着更稳健的数据恢复和更灵活的PCB设计。

测试设备的选择

数字采样示波器，今天多数供应商提供杰出的选择。关键是理解采样输入带宽如何影响待测信号。图7展示了用相同设置端接的同样信号用不同数字采样头（在同一个示波器主机中）：一个具有50GHz带宽，而另一个具有63GHz带宽。信号是从Inphi 50700DF,50Gbps D-Flip Flop电路发出的45Gbps PRBS31码型。


45Gbps的信号分别用63GHz（上）和50GHz（下）的采样头观察

较高带宽采样头上看到的信号展示了具有较低抖动特征的眼图(测得的抖动有效值是623fs vs 975fs)，较低的信噪比（测得的S/N是 11.72 vs 14.17）和较高的信号幅度（测得的幅度峰峰值是524mV vs 487mV）。

甚至较低频的信号用不同带宽的采样头测试也有区别。图8显示了用相同方式端接的相同在先前使用的2个不同采样头下的表现。信号是从Inphi 25700DF，25Gbps D-Flip Flop电路发出的20Gbps PRBS31码型。


20Gbps的信号分别用63GHz（上）和50GHz（下）的采样头观察

尽管没有之前45Gbps信号那么明显，但20Gbps信号在较高带宽采样头仍然显示了具有较小抖动特征的轻微区别（测得的抖动有效值是388fs vs 426fs），提高的信噪比（具有更好的电压轨稳定性）。

结论

许多可能的噪声源和失配引起波形失真，使得原本良好的眼图变坏。当处理数百兆 bps的速率，直到数 Gbps，这些源的影响很小。但一旦数据速率突破20Gbps，这些源将带来显著的影响。良好的测量不仅需要选择可靠的电路和PCB设计，最重要的，还有数据格式和测试设备。