【導讀】目前有許多測試公司設計、制造并銷售引腳數(shù)眾多的自動測試設備(ATE)。這些測試設備具有非常復雜的集成電路，用于驅動設備的每個引腳。一臺測試設備的引腳數(shù)可能多達4096個。從圖1可以看出：每個引腳通常都有一個相應的驅動器、比較器、負載，有時甚至需要參數(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，供應商可能會選用質(zhì)量比較差的電纜。而任何電纜，尤其是質(zhì)量較差的電纜，都會產(chǎn)生損耗，從而降低了測試設備的最終性能。
圖1. 測試設備(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：趨膚效應損耗和介電損耗。
圖2. 典型同軸電纜
趨膚效應損耗
高頻信號沿著導體內(nèi)側的表面?zhèn)鬏?圖2所示)，這種現(xiàn)象即為所謂的趨膚效應損耗。趨膚深度(δ)定義為：
式中，ω為頻率，單位為rad/s；µ為導體的導磁率，單位為H/m；ρ為導體的電阻系數(shù)，單位為歐姆•米。趨膚效應使導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。單位長度電阻的計算公式為：
w為導線寬度。對于半徑為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)絕緣體同樣會產(chǎn)生與頻率相關的電纜損耗。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)。因為電介質(zhì)絕緣體會影響電纜的電容，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)導納。這種情況下：
使用泰勒級數(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
通過以上計算，可以得到下面簡單結論：
- 趨膚效應損耗(α1)對于低頻損耗起主導作用(圖4)
- 介電損耗(α2)對于高頻損耗起主導作用(圖4)
實際電纜的H(f)與上述近似公式稍有區(qū)別。對于自動測試設備，該近似公式能夠提供足夠的精度，這些應用中的電纜衰減最大為增加到6dB。
圖4. 電纜趨膚效應損耗(內(nèi)層導體)、介電損耗以及返回路徑(外層導體)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，外層是辮狀金屬導體。每類電纜損耗的特性不同，但變化趨勢與圖4一致。
電纜損耗總結
本應用筆記的目的不是提供一套嚴格的數(shù)學方法計算電纜損耗—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結論：
- 所有電纜都產(chǎn)生損耗，這些損耗最終會限制系統(tǒng)性能。損耗大小取決于電纜質(zhì)量和規(guī)格。
- 電纜損耗主要包括：
a. 趨膚效應損耗，對于低頻信號起主要作用。
b. 介電損耗，對于高頻信號起主要作用。
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對一些電纜的成本和損耗進行了對比。
圖5. 不同電纜的損耗
表1. 柔性同軸電纜的每英尺價格，出自同一制造商
注：
- 與劣質(zhì)電纜相比，高質(zhì)量電纜的價格成倍增長，可能高達20倍(圖5，表1)。
- ATE制造商更愿意使用低成本電纜，但是這樣的電纜會使系統(tǒng)性能變差。
- 如果引腳電子沒有電纜補償，則無法修正電纜損耗。
- 使用大損耗電纜時，需要用高成本、寬帶、大功率的引腳驅動器替代低成本、窄帶、低功耗的驅動器，以改善系統(tǒng)的設計裕量。
- 在一臺測試設備中使用4096條電纜，每米電纜的成本將介于$5325和$92,979之間(表1)。
- 在測試設備中為引腳電子增加電纜補償，以4096引腳設備為例，每臺設備可以節(jié)省$92,979 - $5325，或$87,654。
- 上述成本價格以表1提供的信息為基礎，不同廠商的電纜價格可能會有較大差別。但從這些數(shù)字可以看出電纜產(chǎn)生的昂貴價格。因此，對于設備制造商來說選擇低成本電纜非常重要。
- 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，廠商不會選用。
- 隨著測試設備工作頻率的增加，必須使用電纜補償。目前，高端測試設備的工作速率超過1Gbps。
電纜損耗對性能的影響
對于運行在200Mbps范圍的測試設備，電纜損耗的影響不大。而當速率超過500Mbps時，需要對整個信號路徑、電路、電纜以及引腳的性能進行仔細分析，以保證每個引腳得到正確的測量指標。以下列舉了測試設備的重要指標：
- 波形的直流電平精度
- 上升和下降時間
- 最大的觸發(fā)率
- 最小脈寬
- 邊沿的傳輸延時精度和匹配
- 傳輸偏差，例如，傳輸偏差與最小脈寬、幅度、共模電壓的關系
電纜的選擇會直接影響上述指標。提高觸發(fā)率，不考慮電纜驅動器的帶寬，電纜損耗將成為制約測試設備性能的主要因素。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
圖7. 長電纜/劣質(zhì)電纜的階躍響應
大多數(shù)工程師已經(jīng)了解圖6、圖7所示階躍響應結果，但仍需關注以下事項：
- t0表示上升到波形滿幅50％的時間。根據(jù)經(jīng)驗，10％到90％的上升時間大約為28.6 x t0。從兩個波形可以看出上升時間在兩種不同電纜長度或質(zhì)量下指標相差很大。
- 滾降特性對最大觸發(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路徑的劣化。
- 信號劣化與實際驅動器無關。這種情況下，我們使用了一個具有無限帶寬階躍響應的電路，正是電纜限制了響應的上升時間。
- 速率越高、電纜越長，問題會更嚴重。
- 所有電纜，無論電纜長度、質(zhì)量如何，都會在一定程度表現(xiàn)出圖6、圖7所示特性。
- 必須尋求解決電纜損耗的方案，以充分利用驅動器的帶寬，否則，只能選用高質(zhì)量電纜，而成本的增加又對提高應用的系統(tǒng)性能作用不大。
- 在電路中設計電纜補償可以解決電纜損耗問題。
總結
高速測試設備中使用的電纜會嚴重影響系統(tǒng)的整體性能，最終制約系統(tǒng)指標。由于不同電纜的價格差異較大，高速測試設備大多選用損耗較大的劣質(zhì)電纜。當速率接近或超過1Gbps時，設計人員必須考慮電纜損耗。使用寬帶驅動器也無法補償電纜的損耗，因此，電纜成為限制系統(tǒng)性能的關鍵因素。
為了充分利用帶寬大于1Gbps的測試設備的性能，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償問題的有效方案。
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