Toleranţa la instabilitate (JTOL) pe un receptor de super viteză USB 3.0 poate fi testată utilizând un generator de forme de undă şi un osciloscop pentru a trimite date către receptorul SS (Super Speed). Datele sunt apoi transmise prin reacţie de la transmiţător la instrument. Un generator de date şi un analizor pot îndeplini aceeaşi sarcină. Datele recepţionate pot fi apoi comparate cu cele generate, numărând erorile. Generatorul de date poate introduce de asemenea o instabilitate în datele transmise pentru a vedea cum face faţă receptorul.
Figura 1: Secvenţa de pregătire a buclei.
Procedura de testare
Conexiunile de la generatorul de date la dispozitivul sub testare (DUT) sunt specificate de USB-IF în Specificaţiile de Testare ale Complianţei Electrice. Conectorii SMA de pe generatorul de date ar trebui conectaţi la accesoriile de test USB-IF care au 28 cm (dispozitiv) sau 12,7 cm (gazdă) de traseu PCB mergând către un conector standard USB3. De la acest conector, un cablu USB 3.0 de 3m poate fi conectat la alt accesoriu USB-IF care desparte semnalele transmise de la DUT la analizorul de date prin cabluri SMA, şi combină semnalele transmise şi recepţionate într-un conector USB standard pentru conectare la DUT. Cablurile SMA este important să fie potrivite din punct de vedere al atenuării şi fazei şi conectate la placă utilizând cuplul potrivit (0,56Nm).
Pentru pregătirea buclei, generatorul de date începe fiecare test prin configurarea portului SS pentru intrarea în buclă, după cum se poate observa în figura 1. La început, generatorul de date transmite semnale periodice de joasă frecvenţă (LFPS) pentru a imita comunicaţia SS.
DUT răspunde apoi cu un semnal LFPS de sincronizare. Generatorul de date transmite apoi semnalul cu secvenţa de pregătire (TSEQ) pentru aplicarea zgomotului corespunzător. Acesta lasă trenul de pulsuri DUT semnalului TSEQ şi adaptează filtrele interne pentru a obţine cele mai bune performanţe.
În următorul pas, generatorul de date transmite setul comandat de secvenţa de pregătire cu bitul de buclă activat (TS1). DUT răspunde cu TS1 sau TS2 în timpul pregătirii, apoi trimite 8 semnale TS2 sau TS1 atunci când este gata. Generatorul de date transmite de asemenea TS2 cu stabilirea buclei de 16 ori sau mai mult, iar DUT răspunde cu modele identice TS2. În final, generatorul de date se pregăteşte pentru pachetele de date, iar DUT este în buclă.
Pentru testul de zgomot, după ce DUT este pregătit, generatorul va produce un model de date aleatoriu pentru 6 secunde. DUT trimite pe bucla de reacţie aceleaşi date, iar cele două seturi de date sunt comparate; este permisă numai o singură eroare. Testul se repetă apoi pentru fiecare profil de zgomot.
Calibrare
Înainte ca testul să poată rula, sistemul trebuie să fie calibrat, iar această procedură conţine numeroşi paşi şi numeroase surse de eroare. Întotdeauna este important să se verifice şi să se confirme calibrarea înainte de a porni orice test de conformitate. Calibrarea este făcută diferit pe diferite produse testate. Cu toate că testul fundamental este consistent pe toate platformele, fiecare distribuitor de teste utilizează propriile unelte pentru a calcula reducerii accentuării amplitudinii semnalelor.
În acest caz, generatorul de date este conectat direct la un osciloscop prin cabluri scurte SMA. Osciloscopul măsoară apoi reducerea accentuării pe un pachet mare de date aleatoare, în general 20µs ale unui semnal de 5GHz. Reducerea accentuării este apoi calculată şi reglată pentru a o asigura conform specificaţiilor -3dB.
Figura 2: Pregătirea pentru calibrarea amplitudinii, instabilităţii aleatoare şi sinusoidale.
Această calibrare a reducerii accentuării este importantă deoarece schimbările de formă de undă de-a lungul traseului PCB şi al cablului de testare de 3m, afectează calitatea văzută de la receptor. Receptoarele Microchip de super viteză pot compensa cu succes micile erori de calibrare a reducerii accentuării, prin circuitul de adaptare. Acest lucru permite ca produsele să fie compatibile cu mai multe dispozitive şi lungimi de cablu de pe piaţă. Această variaţie a lungimii cablului şi tipului de receptor nu poate fi testată într-un mediu de conformitate datorită constrângerilor de timp.
Odată ce reducerea accentuării este calibrată, generatorul de date trebuie conectat prin accesoriile de testare certificate ale osciloscopului. Generatorul trebuie reglat să genereze o undă sinusoidală curată, având aplicat numai semnalul de instabilitate aleator (RJ). Unealta USB-IF SigTest poate fi apoi utilizată pentru a procesa semnalul şi a calcula apoi RJ.
RJ trebuie să fie reglat până răspunde specificaţiilor (2,42ps ±10%). Unda sinusoidală oferă semnalul cel mai curat pentru măsurarea unui RJ consistent.
Calibrarea RJ prin accesoriile de testare a conformităţii prezintă câteva dificultăţi. Prima este repetabilitatea; măsurarea instabilităţii are întotdeauna integrate în rezultat şi incertitudini. A doua problemă este aceea că instabilitatea introdusă este aleatoare, ceea ce adaugă incertitudine măsurării. Vor exista variaţii între diferitele capturi de pe osciloscop, chiar dacă toate celelalte sunt constante.
Cu calibrarea la instabilitate sinusoidală (SJ), generatorul de date ar trebui pregătit să genereze un model de date aleatoriu cu instabilitate aleatoare. Semnalul poate fi apoi trecut prin accesoriul de test în osciloscop. SigTest poate calcula din nou instabilitatea totală a semnalului. SJ trebuie să fie apoi aplicată, iar măsurarea repetată. Diferenţa de instabilitate totală pentru ambele măsurări poate fi utilizată pentru a calibra parametri SJ de pe generatorul de date. Cu această procedură, erorile de măsurare sunt adăugate de fiecare dată când este efectuată o măsurare, ceea ce creează o mulţime de variaţii între rulări secvenţiale ale calibrării.
Prima sursă de eroare este aceea că modelul de date este aleatoriu în loc să fie o undă sinusoidală uniformă, ceea ce creează mici diferenţe între măsurătorile instabilităţii totale pentru fiecare captură de osciloscop. A doua sursă de eroare este aceea că instabilitatea este măsurată la capătul accesoriului de testare a conformităţii.
Frecvenţa ridicată pierdută prin traseele PCB şi cablul de 5m conduce la faptul că marginile formelor de undă devin mai netede şi mai mici. Deoarece marginile nu sunt aşa ascuţite, calculul instabilităţii nu va fi aşa consistent, deoarece instabilitatea este calculată pe baza marginii. Se combină aceste incertitudini cu erorile introduse de instabilitatea aleatoare aplicată anterior, iar apoi se măsoară de două ori. Este posibil ca două serii de calibrări să poată conduce la puncte la nivelul generatorului de date de până la 4PS. Acestea acoperă întreg domeniul specificaţiilor.
În cele din urmă, RJ, SJ şi reducerea accentuării ar trebui aplicate unui model de date aleatoriu, iar semnalul trebuie trecut prin accesoriul de testare a conformităţii. SigTest poate calcula diagrama în formă de ochi (eye) a semnalului, iar amplitudinea poate fi reglată pentru a asigura că este generat cel mai mic semnal posibil. Receptorul trebuie testat cu marja minimă admisibilă a diagramei ochi a datelor aleatoare.
Deoarece toate aceste măsurători au variaţii în rezultat, se recomandă rularea calibrării de 3 până la 5 ori, pentru a verifica siguranţa în funcţionare a algoritmului de calibrare. Figura 2 prezintă pregătirea pentru calibrarea amplitudinii, RJ şi SJ.
Zgomot extern
Deoarece testul receptorului introduce zgomot în semnalul care vine în DUT, orice zgomot suplimentar se adaugă zgomotului generat de instrument. Există numeroase surse de zgomot într-un sistem ce poate avea impact asupra toleranţei testate a receptorului. Sursele de tensiune, calitatea conectorilor şi pierderile în PCB pot avea impact asupra rezultatelor testului JTOL.
Dacă tensiunea aplicată cipului conţine zgomot, acesta va fi adăugat semnalului la trecerea prin bufferele receptorului.
Zgomotul adaugă instabilitate semnalului total, făcând ca rezultatele JTOL să fie mai mici decât în cazul unui sistem ideal. Pentru a reduce acest zgomot există câteva tehnici la nivelul PCB ce pot fi utilizate.
Figura 3: Căile traseelor PCB către un conector cu montare prin găuri.
Selectarea unei surse cu zgomot mai redus este primul pas în curăţarea acestui zgomot nedorit. Sistemul poate fi curăţat şi mai mult prin izolarea sursei faţă de celelalte componente ale sistemului printr-un cordon de ferită sau inductor. Acestea trebuie să aibă o rezistenţă redusă pentru a nu apărea căderi de tensiune. În final, adăugarea unui condensator bypass de 0,1µF poate filtra zgomotul de frecvenţă ridicată ce poate încă rămâne pe sursă.
Curăţarea surselor de tensiune este necesară pentru operarea corespunzătoare a receptorului şi a întregului cip.
Deoarece semnalele prin USB 3.0 de super viteză sunt în domeniul 2,5GHz, nu toţi conectorii sunt egali în performanţă.
Calitatea conectorului în ceea ce priveşte impedanţa, izolaţia, diafonia şi aşa mai departe, pot avea un impact puternic asupra nivelului de zgomot ce se adaugă semnalului.
Conectorul standard B este cunoscut că afectează cel mai mult calitatea semnalului. Dimensiunea mare a conectorului B are un potenţial mai mare pentru nepotriviri de impedanţă. De asemenea, calea ce conectează liniile USB la PCB poate varia de la producător la producător, fiecare cu profilul său de zgomot. Calitatea acestor căi poate introduce mai mult zgomot în semnal prin izolarea la masă şi diafonie. Se recomandă încercări ale diferiţilor conectori USB pentru a găsi unul optim pentru sistem.
Conectorul standard A are de asemenea un potenţial de probleme, dar, deoarece profilul este mai redus, distanţa de la linia USB-A la PCB este mult mai mică. Pentru acest conector există de asemenea opţiuni de montare pe suprafaţă ce pot curăţa suplimentar semnalul.
Conectorul micro B are cele mai bune performanţe, datorită factorului său de formă mic şi datorită conectării prin montare pe suprafaţă.
Calea semnalului de la DUT la conector are de asemenea impact asupra rezultatelor JTOL. Cel mai mare impact îl are lungimea traseului în sine şi pierderile în dielectric.
Semnalul de 5Gbyte/s va pierde amplitudine în lungul traseului de la conector la DUT prin materialul dielectric al PCB. Performanţele receptorului sunt legate de amplitudinea semnalului, astfel încât, dacă traseul este scurt, amplitudinea la receptor va fi mai mare, iar receptorul va avea performanţe mai bune. Deoarece testele JTOL cu privire la dispozitive sau porturi în amonte au cele mai mici amplitudini iniţiale, traseele de la DUT la conectori trebuie să fie cele mai mici.
Un alt factor ce poate afecta performanţele JTOL ale unui dispozitiv USB este ramificarea.
Calea ideală a unui semnal trebuie să aibă o sursă şi o destinaţie. Dacă traseul se ramifică semnalul va fi afectat. Dacă traseul se ramifică spre un alt receptor, o mare parte din energia semnalului se va pierde, ceea ce afectează performanţele JTOL. Dacă traseele se ramifică spre un punct de testare neconectat, semnalul va fi reflectat către traseul principal, adăugând zgomot ce va cauza rezultate JTOL sub cele optime. Această racordare în circuit deschis este de asemenea prezentă în conectorii standard cu montare prin găuri, astfel încât modul prin care sunt realizate rutele traseelor către conector este important (vedeţi Figura 3).
Opţiunea ideală ar fi să nu se opteze pentru o conexiune prin găuri, iar traseele să meargă direct de la DUT la conector.
Concluzie
Rezultate optime JTOL pot fi obţinute dacă sunt verificate anumite aspecte. Primul este confirmarea că accesoriile de testare utilizate sunt cabluri şi conectori de înaltă calitate. Lăţimea de bandă a cablurilor SMA trebuie să fie suficient de ridicată pentru a trece semnalele USB3, iar faza cablurilor trebuie să se potrivească. Dacă este ceva în neregulă cu cablurile SMA, întregul test este nevalid.
În al doilea rând trebuie verificat dacă este corectă calibrarea sistemului de testare. Există o mulţime de variaţii în rezultatele de calibrare, astfel încât pentru a avea încredere în rezultatul final pot fi necesare mai multe rulări.
Şi, în final, sistemul USB trebuie să aibă instalaţi conectorii potriviţi, cu cele mai curate şi scurte trasee posibil, care să meargă de la conector la dispozitiv. Pentru a obţine un dispozitiv USB complet conform este necesară o atenţie deosebită asupra proiectării sistemului USB şi asupra mediului de testare ￭
Microchip Technology
www.microchip.com
