摘要：本應用筆記介紹了一種電纜損耗的補償方法，允許測試設備制造商使用高損耗電纜以降低成本，同時也不會犧牲產品性能。

概述

應用筆記4303：“電纜損耗對自動測試設備的影響”討論了高損耗電纜的信號衰減機制。損耗主要源于兩方面：趨膚效應和介質損耗。設備制造商，例如提供自動測試設備(ATE)的制造商，為了降低整個系統成本，大多使用高損耗電纜。隨著系統數據傳輸速率的提高，這些電纜對系統性能的影響已經遠遠抵消了它們的低成本優勢。值得慶幸的是，可以利用電子電路補償電纜損耗。

解決電纜損耗的可行方案

解決電纜高損耗的途徑之一是選擇高質量、昂貴的電纜，這種電纜對系統性能的負面影響最小。但只有一些特殊的高端系統，比如軍用設備，才可能接受這種高質量電纜。高昂的成本嚴重制約了這類電纜的使用。另外，電纜線徑也會限制系統中能夠使用的電纜數量，即使高質量電纜也會產生顯著的損耗。

另一方案是設計適當的電子電路，不僅用于驅動電纜，而且能夠均衡電纜損耗。這種方案采用小尺寸引腳電子器件(PE)驅動電纜，從而允許使用線徑較細的低成本、高損耗電纜。器件還可補償PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。另外，該方案使系統性能接近PE所能提供的性能指標，無需考慮電纜損耗問題。

最后一種解決方案是結合上述兩種方法，但PE方案是最切實可行的選擇，也是本文所關注的內容。

電子方法解決電纜損耗

圖1和圖2描述了電纜損耗，損耗導致波形邊沿變得平滑，或“磨損”最終信號。正是這些“平滑”信號的邊沿降低了系統的有效帶寬。帶寬損失源于電纜而不是PE。為了優化系統性能，需要恢復有效的系統帶寬。


圖1. 驅動器電纜損耗修正的基本原理


圖2. 比較器通道的電纜損耗補償

為了修正信號“磨損”、恢復帶寬，必須找到一種方法將波形邊沿恢復到直接來自驅動器的陡峭、無噪聲方波。這種修正必須利用驅動電纜的PE實現。圖1中包含一個附加電路模塊“波形整形”，通過增加可控制的過沖幅度，有效修復信號的邊沿。邊沿修復不是通過簡單的過沖電路實現，簡單的過沖電路會對邊沿產生負面影響，造成幅度波動，過沖量取決于具體加入的過沖。這些不良影響會造成時序、信號偏移等誤差，而且這些誤差隨頻率、幅度的變化而變化。

圖2給出了更詳細的Maxim產品對于修正電纜損耗的方法。圖1所示為PE IC從電纜到被測件(DUT)整個驅動連路的波形修正情況。圖2列出了類似修正情況，從DUT通過電纜，到達PE的比較器。驅動器和比較器通路均需要修正。

電纜損耗補償電路在信號中加入兩個一階時間常數衰減的峰值信號。DOVSx輸入電壓控制持續時間較短的峰值電平，補償過沖電壓；DOVLx輸入電壓控制持續時間較長的峰值，補償過沖電壓。較短或較長持續時間的過沖信號都限制在10%過沖范圍內。兩個峰值信號分別固定衰減時間常數。DOVSx信號的時間常數為77ps，DOVLx補償的時間常數為1.5ns。如圖2所示，COVSx和COVLx在比較器通道充當類似功能。

MAX9957雙通道2000Mbps驅動器和MAX9955雙通道2000Mbps比較器/端接器采用雙時間常數，如圖1、圖2所示，兩個時間常數可分別調節。

MAX9979雙通道1100Mbps驅動器/PMU，具有電平設置校準DAC，使用單路控制架構(表1和圖3所示)。這種方案同樣采用雙時間常數，但將雙時間常數組合到一個3位DAC中。

表1. MAX9979電纜衰減補償控制

Serial Interface Bits			Droop Compensation (%)
CDRP2_	CDRP1_	CDRP0_
0	0	0	0.0
0	0	1	1.5
0	1	0	3.0
0	1	1	4.5
1	0	0	6.0
1	0	1	7.5
1	1	0	9.0
1	1	1	10.5

圖3. MAX9979電纜補償

不同電纜下的MAX9979性能測試

MAX9979為雙通道PE，集成了驅動器/比較器/負載(DCL)、PMU和電平設置校準。每通道功耗為1.1W，優化工作在1Gbps、3V信號，采用50Ω端接。

圖4至圖9提供了一組MAX9979的測試數據，測試平臺與圖3類似。這些測試數據實在以下條件下獲得的：MAX9979配置在VDH = 3V、VDL = 0V，為50Ω負載提供3V信號驅動，圖中給出了相應的電纜。

從圖4至圖9測試結果可以看出：補償電纜與未經補償的電纜相比具有明顯優勢。圖8到圖9接近于高速測試裝置的實際測試結果，可以清楚地看到電平跳變速率或系統帶寬，幾乎降低了50%，這些損耗是經過電纜產生的衰減。有些情況下結果可能更糟，因為ATE使用的電纜比測試采用的電纜損耗更大。另外，這些測試也包含了信號通道的PCB引線、繼電器和連接器造成的損耗。Maxim的ATE產品線中的PE電纜補償能夠對所有信號通道的損耗進行補償。


圖4. 補償之前和補償之后的轉換速率，采用固態和半剛性SMA電纜


圖5. 補償之前和補償之后的上升時間，采用固態和半剛性SMA電纜


圖6. 補償之前和補償之后的轉換速率，采用RG58C電纜


圖7. 補償之前和補償之后的上升時間，采用RG58C電纜


圖8. 補償之前和補償之后的轉換速率，采用RG174電纜


圖9. 補償之前和補償之后的上升時間，采用RG174電纜

通過對圖4至圖9數據的進一步分析顯示，電平轉換速率的降低和延長的上升時間是導致電纜損耗的關鍵，從沒有補償的通道更容易看到這一現象。所產生的損耗取決于使用電纜的長度和質量，實際應用中，電纜本身造成的損耗就有可能超過50%。

注：

1. 測試使用的固態SMA電纜價格是130美元/英尺，半剛性電纜價格是30美元/英尺，RG58和RG174電纜的價格是5美元/英尺。
2. 價格昂貴的電纜性能很好，傳輸長度甚至可以達到36英寸。但這些價格昂貴的電纜同樣需要補償，以支持最高的數據速率和最小上升時間。
3. 12英寸、特別是36英寸的RG58電纜即使在補償情況下，電平轉換速率也明顯下降，上升時間較長。未經補償的電纜損耗更大。
4. 從圖8、圖9可以看出，沒有補償時，較長的高損耗電纜會大大降低系統性能。對這些電纜進行補償，可以恢復信號帶寬或提高電平轉換速率，達到驅動器90%以上的性能指標。
5. 沒有電纜補償的系統，如果PE驅動器可以支持1000Mpbs或更高速率，電纜損耗、繼電器、連接器和PCB引線造成的損耗可能高達50%。相反，使用具備電纜損耗補償的PE系統，系統性能可以達到PE器件本身所能提供指標的90%。
6. PE補償必須可調，PE如果只是采用簡單的過沖電路，則無法針對特定長度的電纜進行補償，因為邊沿和紋波會隨著頻率、幅度而改變，從而引入時序誤差。

圖10和圖11是6英尺和3英尺RG174電纜的實際測量結果。圖8和圖9的數據直接從這些結果提取。輸出結果包括未經補償的波形、經過完全補償的波形，1位過補償的波形。


圖10. 6英尺RG174電纜輸出波形，四個波形分別為：沒有補償、部分補償、完全補償和過補償的情況(請參考圖8和圖9相關數據)。


圖11. 3英尺RG174電纜輸出波形，三個波形分別為：沒有補償、完全補償和過補償的情況(請參考圖8和圖9相關數據)。

上述波形表明，嚴格的PE電纜補償設計能夠保持真實的信號邊沿，甚至可以減小幅度波動，從而維持正確的瞬變電平，使系統在任何頻率和幅度下獲得最佳性能。

測試結果總結

圖4至圖11所示測試結果證實了上述理論分析和相關討論。試驗中使用的電纜質量優于ATE設備使用的電纜。顯然，沒有電纜補償電路，系統將無法達到與PE同等的性能指標。同樣，在PE中設計電纜補償，可以獲得幾乎100%的性能指標，非常接近PE所能支持的最高速率。

在電子驅動器內設計電纜補償電路，使系統能夠使用低成本、高損耗電纜，同時保證整體性能。在驅動器中加入此補償功能會增加每個引腳的成本。然而，性能的提高和低成本電纜的使用，無疑可以彌補引腳成本的提高，最終降低整體成本。