示波器探頭-高帶寬探頭挖潛增效和前端選擇

      作為測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，示波器探頭是不言而喻的。即使在今天，一致性測(cè)試也已經(jīng)成為實(shí)時(shí)示波器的主要應(yīng)用領(lǐng)域，使用夾具和電纜的組合來(lái)拾取信號(hào)進(jìn)行開(kāi)路測(cè)試。因?yàn)橄馜DR和MIPI這樣的總線都是測(cè)試的，所以探針還是要連接到被測(cè)電路上進(jìn)行測(cè)試。

　　圖1 DDR 和 MIPI-DPHY 測(cè)試連接典型圖

　　關(guān)于這兩種典型總線在測(cè)試時(shí)對(duì)示波器探頭的要求，有很多文章和討論，包括探頭的帶寬、阻抗容抗、衰減比、電路結(jié)構(gòu)差異等。

　　隨著 LPDDR4 標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)到 4.2Gbps 和 DDR5 從4.8Gbps 起步，您是否發(fā)現(xiàn)前幾年按照 3.2Gbps 速率購(gòu)買(mǎi)的典型的 13 GHz 帶寬的示波器和探頭系統(tǒng)比如 DSAV134A 和 1169A/B 已經(jīng)有點(diǎn)力不從心呢?

　　這時(shí)候你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，早點(diǎn)購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)帶軟件升級(jí)帶寬的示波器是多么明智的事情。購(gòu)買(mǎi)帶寬升級(jí)許可證書(shū)，無(wú)需返廠即可在自己的實(shí)驗(yàn)室完成升級(jí)!然而，根據(jù)平坦響應(yīng)系統(tǒng)的帶寬公式:

　　BWSystem= Min (BWScope，BWProbe)

　　因此即便示波器升級(jí)到更高帶寬，但是如果探頭帶寬依然是13GHz，整個(gè)系統(tǒng)帶寬還是13GHz。

　　那么如何解放 1169B 的生產(chǎn)力發(fā)揮更大作用?

　　關(guān)鍵一 挖潛增效，讓資產(chǎn)升值!

　　Keysight Infiniimax 差分探頭經(jīng)過(guò) DSP 校正，具有平坦的幅度和相位響應(yīng)，可提供極高的精度。選擇要校正到的帶寬通常為未校正帶寬的大約 3 dB 頻點(diǎn)。

　　如果帶寬擴(kuò)展到顯著超過(guò)該值，噪底通常會(huì)增加。如果進(jìn)一步提高，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲失真。

　　N5381A/B 焊入式探頭前端與Infiniimax 1169A/B 探頭放大器結(jié)合，可以順利地將帶寬擴(kuò)展到3 dB 以上，因?yàn)镹5381A/B 的峰值超過(guò)了正常的12 GHz 帶寬，并且探頭前端的峰值有助于補(bǔ)償探頭放大器帶寬的滾降。

　　關(guān)鍵二 細(xì)節(jié)決定成敗，如何善用探頭?

　　除了充分挖掘現(xiàn)有探頭帶寬的潛力，還有哪些防范措施可以從操作層面有效提高信號(hào)連接的帶寬和信號(hào)保真度?很多時(shí)候，我們非常重視示波器的選擇，但是對(duì)于后續(xù)的使用和測(cè)試細(xì)節(jié)卻往往敷衍了事，對(duì)這些小細(xì)節(jié)的忽視往往導(dǎo)致我們事倍功半!細(xì)節(jié)決定成敗!

　　01 從設(shè)計(jì)角度，預(yù)先做好可測(cè)性設(shè)計(jì)(Design For Test)，包括預(yù)留盡可能接近被測(cè)信號(hào)末端的測(cè)試點(diǎn)和地測(cè)試點(diǎn)

　　以MIPI總線測(cè)試為例，由于共模偏置電壓，需要使用差分探針?lè)謩e測(cè)試差分?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的正負(fù)端，然后進(jìn)行差分和共模運(yùn)算，分別得到有效的差分信號(hào)和共模偏置。

　　這一電路特點(diǎn)決定的信號(hào)探測(cè)方法，導(dǎo)致信號(hào)探測(cè)過(guò)程中對(duì)有效的參考接地要求非常嚴(yán)格。

　　因此，比如對(duì) D-PHY推薦在設(shè)計(jì)時(shí)即考慮在DSI總線末端(顯示屏側(cè))或者CSI總線末端(AP側(cè))，除對(duì)差分信號(hào)的正和負(fù)端分別留測(cè)試點(diǎn)外，還要預(yù)留盡可能近的同一地平面的地測(cè)試點(diǎn)。

　　對(duì)其它一般Serdes信號(hào)，也應(yīng)盡可能在被測(cè)線路末端或接收端預(yù)留測(cè)試點(diǎn)，以降低測(cè)試點(diǎn)位于線路中間情況可能引起的反射，另外在高速情況下，線路中間測(cè)試點(diǎn)的過(guò)孔或焊盤(pán)的Stub效應(yīng)和探頭負(fù)載對(duì)線路的影響極大。

　　02 選擇恰當(dāng)?shù)暮附犹筋^前端

　　· 配合 Infiniimax 系列探頭放大器，有很多探頭前端，這些前端之間有何差異?

　　· 比如測(cè)試 DDR 總線，很多工程師非常偏愛(ài)ZIF探頭前端N5425A/B，對(duì)應(yīng)有很多ZIF Tip可以選擇，比如N5426A，N5451A等，有何差異呢?

　　圖2 N5426A(上)和N5451A(下)

　　可見(jiàn)，更長(zhǎng)的焊線，帶寬更低，負(fù)載效應(yīng)也更大，其頻響特性平坦度也會(huì)下降。長(zhǎng)焊線的兩腿之間的角度越大也會(huì)帶來(lái)帶寬下降。

　　除了 ZIF 探頭，還有常用的直接焊接探頭E2677A/B，N2836A 和 N5381A/B 及 N5441A，差別在于前兩者阻尼電阻在探頭前端 PCB 外，后兩者阻尼電阻在焊接 PCB 上。

　　圖3 E2677A/B(左)和N5381A/B(右)

　　表2 直接焊接前端差異

　　針對(duì)焊接探頭前端的阻尼電阻選擇，請(qǐng)參照產(chǎn)品手冊(cè)或者使用手冊(cè)。比如 E2677A/B 有 91? 和 150? 兩種，其中91 提供了全帶寬而 150 則提供中等帶寬能力。

　　對(duì)阻尼電阻在前端 PCB外，如果需要伸入到器件進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)選擇阻尼電阻到測(cè)試點(diǎn)之間的焊線盡量短，以確保最小化 Stub 效應(yīng)。對(duì)于阻尼電阻在前端 PCB 上的，當(dāng)然焊線也應(yīng)盡量短。

　　03 在可測(cè)性設(shè)計(jì)和前端選擇都得到保證的情況下，還有什么因素會(huì)對(duì)信號(hào)探測(cè)環(huán)節(jié)的信號(hào)保真度產(chǎn)生影響呢?

　　完美焊接探頭也是測(cè)試過(guò)程中保證信號(hào)保真的重要步驟，探頭的重復(fù)使用必不可少，也是對(duì)資產(chǎn)的一種應(yīng)有的保護(hù)!

　　首先，為不同的探頭前端選擇合適的焊接頭:

　　有許多方法可以將測(cè)試儀器的探頭連接到被測(cè)設(shè)備(DUT)。其中一種方法是焊接，它可以提供可靠的連接，并通過(guò)保持電纜長(zhǎng)度和連接盡可能短來(lái)最小化寄生檢測(cè)的影響。很多是德科技的高性能示波器探頭都是焊接連接的。隨著探頭和設(shè)備的縮小，為了避免損壞和連接問(wèn)題，使用正確的工具和焊接技巧至關(guān)重要。

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