解決 MIPI M-PHY 連接挑戰(zhàn)以實現(xiàn)更高效的測試

隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向采用MIPI 聯(lián)盟的 M-PHY 標準，設計人員正面臨一些與示波器測量相關的重大挑戰(zhàn)，更具體地說，是探測。這些挑戰(zhàn)包括嚴格的要求，例如總線端接和輸入回波損耗，以及需要限度地減少被測設備 (DUT) 上的共模負載和信號保真度要求，例如寬帶寬、低噪聲和高靈敏度。

本文的目的是提供信息，以增加您獲得準確和可重復測試結(jié)果的機會，以確保符合標準。我們將首先回顧與示波器探測相關的 M-PHY 標準要求，討論 M-PHY 物理層一致性測試套件 (CTS) 中所需的測試，并提供使用當前可用的示波器和探頭進行 M-PHY 探測的實際示例.

M-PHY 總線操作/模式 
MIPI M-PHY 標準支持不同的速度模式、高速 (HS) 和低速 PWM 和 SYS 模式，每種模式具有不同的數(shù)據(jù)速率或 GEAR。在 HS 模式下，規(guī)范針對 GEAR 1 (~1.5 Gb/s)、GEAR 2 (~2.9 Gb/s) 和 GEAR 3 (~5.8 Gb/s) 發(fā)布。

為了提高來自不同制造商的 MIPI M-PHY 設計一起使用時工作的可能性，MIPI 聯(lián)盟建議針對 M-PHY 物理層一致性測試套件 (CTS) 對設計進行測試。隨著 GEAR 4（~11.6 Gb/s）規(guī)范的開發(fā)，測試一致性變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

未端接和端接模式 
M-PHY 標準中指定的電壓測量假設總線具有連接在 M-PHY 發(fā)射器 (M) 的正 (TXDP) 和負 (TXDN) 輸出之間的已知參考負載（圖 1中的 RREF） -TX）。如果線路未終止 (NT) 或電阻終止 (RT)，則參考負載會發(fā)生變化。當 LINE 在 NT 模式下運行時，RREF_NT 被指定為 TXDP 和 TXDN 引腳之間的阻抗 10kΩ。NT 模式常用于低速通信，因為將高速信號驅(qū)動到高阻抗傳輸線可能具有挑戰(zhàn)性。

圖 1. M-PHY 標準中指定的電壓測量假設總線具有連接在 M-TX 的正 (TXDP) 和負 (TXDN) 輸出之間的已知參考負載（圖中的 RREF）。

高速和端接模式 
當 M-PHY LINE 在高速模式 (HS-MODE) 下運行時，它很可能會被端接以化反射并模擬具有已知傳輸線阻抗的接收器連接。對于 LINE 的端接模式，M-PHY 標準將 RREF_RT 定義為 TXDP 和 TXDN 引腳上的浮動 100Ω 阻抗。

雖然 M-PHY 規(guī)范同時定義了 RT 和 NT 狀態(tài)，但 HS-MODE 的一致性測試通常僅為 RT 定義。此外，M-PHY CTS 僅指定 RT 模式下的高速測試，指出高速數(shù)據(jù)測量（例如非端接信號上的抖動）通常不切實際甚至不可能。

需要時，可以使用高阻抗有源或差分探頭測量未端接信號。這些示波器探頭可以滿足或超過 10kΩ 或更高阻抗的規(guī)格，適用于小于幾 MHz 的信號頻率。使用示波器在高速端接模式下測量 LINE 要求示波器或其探頭盡可能靠近所需的 100Ω 差分端接。

浮動 100Ω 終端是理想的，但由于設計中的寄生元件，在實踐中很難實現(xiàn)。因此，已經(jīng)提出了幾種替代方法來實現(xiàn)標稱 100Ω 差分終端以及足夠的回波損耗和高共模阻抗，從而限度地減少發(fā)射器上的直流和交流電流消耗。表 1 列出了理想的端接和其他四種實用的備選方案。

 

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表 1. 此表列出了 M-PHY HS 的理想終端和其他四種實用替代方案。

由于實際組件無法實現(xiàn)理想的浮動 100O，因此測試 M-PHY HS 信號的工程師必須決定其中一種實用的替代方案。每個備選方案都有優(yōu)點和缺點。請注意，浮動 100Ω 終端具有共模阻抗，由于寄生元件，該阻抗在 M-PHY 感興趣的頻率范圍內(nèi)變化很大。共模電流和共模輸入阻抗是備選方案顯著不同的兩個方面。所有替代端接方案都具有理想 100Ω 的差分特性，但表現(xiàn)出其他不良特性，如 25Ω 的高頻共模輸入阻抗。

將 M-TX LINE 直接連接到示波器的兩個通道相當于雙單端方法 (#2)。這種替代方案的缺點是會從發(fā)射器吸取共模電流，這可能會給發(fā)射器帶來問題。在備選方案 #3 中，向雙單端終端添加隔直電容器可解決直流共模電流問題，但必須謹慎選擇電容器以確保終端滿足 M-PHY 回波損耗規(guī)范。此外，使用阻塞電容會阻止 CTS 所需的 TX 上的 DC 測量。

兩個替代方案通過不吸收直流共模電流來模擬理想的 100Ω 電阻器，但具有低共模阻抗 (25Ω)。然而，與浮動 100Ω 終端相比，這種方法允許更好地控制共模阻抗。如果與端接一起使用的電容器（備選方案 4，Cterm）足夠大，交流共模阻抗將標稱恒定在 25Ω。需要 100nF 才能從 1MHz 開始。

直流電壓終端（選項 5，Vterm）功能包括探頭或范圍內(nèi)的直流電源，并提供可調(diào)節(jié)的直流終端參考電平。將 Vterm 設置為 TX 的共模電壓會導致沒有 CM 電流，并且無需直流阻斷器或偏置三通。然而，與直流阻斷器不同的是，信號的直流電壓仍然存在于探頭或示波器輸入端。使用 Vterm 可限度地減少直流負載。通過將端接電壓設置為等于輸入信號的直流偏置電壓，可以消除探頭直流負載。

根據(jù)圖 2 所示的圖形和值，參考負載 ZREF_RT 的回波損耗進一步指定了 GEAR 3 速度和更高速度下的 M-PHY 總線的終端。高回波損耗限制了來自 LINE 的不需要的反射，這些反射可能會 影響測量的質(zhì)量。

圖 2. M-PHY 總線的終端由此處所示的參考負載 ZREF_RT 的回波損耗進一步指定。

可能阻止探頭或夾具滿足回波損耗要求的問題之一是 100Ω 終端上的電容負載?；夭〒p耗規(guī)范對理想 100? 上允許的串聯(lián)和并聯(lián)負載量設置了一些實際限制。終止，如 GEAR 3 的表 2所示 。

表 2. 這些是 GEAR 3 的實際負載限制。

這些約束可以限制使用探頭或示波器進行線路端接的選擇。圖 3 顯示了兩種終止方法和輸入回波損耗。個是帶有 50Ω 差分輸入的探頭（藍色跡線）。第二個是連接到 100Ω 終端夾具（紅色跡線）的高阻抗差分探頭。在此示例中，以藍色顯示的探頭保持在限制線以下，因此符合 M-PHY 規(guī)范。高阻抗夾具和探頭不符合規(guī)范，因為它超過了 2.7 GHz 及以上的限制。

圖 3. 紅色的高阻抗夾具和探針不符合規(guī)范，因為它超過了限制線。

其他發(fā)射機測試要求 
涵蓋 HS-MODE GEARs 1-3 的 M-PHY 發(fā)射機測試包括：通道內(nèi)偏斜、脈沖寬度、共模、總抖動和確定性抖動。M-PHY 發(fā)射器可以支持不同的驅(qū)動強度以努力節(jié)省電力。M-TX 測量在 CTS 中定義，M-TX 在大振幅 (LA) 和小振幅 (SA) 模式下運行。低幅度信號和測量抖動的需要導致要求探頭和示波器獲取具有快速邊沿的低峰峰值電壓信號。

在省電的小振幅模式下，M-PHY 發(fā)射器的輸出峰峰值電壓降至 280mV。必須在 M-TX 中控制轉(zhuǎn)換速率以降低 EMI 噪聲。但是，在高數(shù)據(jù)速率下限度地減少抖動需要邊緣速度，這是 UI 的一小部分。
即使 TX 在大振幅模式下運行，M-PHY 信號的振幅也相對較小，為 0.5Vpp。獲取這些低幅度信號需要具有高靈敏度的高帶寬測量系統(tǒng)。此外，探頭和示波器內(nèi)的低附加噪聲是進行測量的關鍵。

工程師如何才能減少探頭和示波器添加到測量中的噪聲？比較已發(fā)布的噪聲規(guī)格是一個重要參數(shù)，探頭衰減系數(shù)也是如此。高阻抗探頭會在信號進入探頭時衰減信號，以限制 DUT 上的負載。探頭負載對于 M-PHY 不是問題，因為在運行終止模式時，預計總線將具有低阻抗 (100Ω) 差分負載。探頭的衰減因子通過將測量的信噪比降低一個等于探頭衰減值的因子來實現(xiàn)低噪聲輸入的目標。

探頭類型比較 
現(xiàn)在讓我們在 5.8 Gb/s、低幅度（~200 mVpp）數(shù)據(jù)信號的示例測量中比較兩種探頭類型。個探頭使用 50Ω、SMA 式輸入。由于探頭的負載不是問題，因此 SMA 型探頭可用于獲取 M-PHY TX 信號。第二個探頭是高阻抗差分探頭，帶有 100Ω 終端夾具，連接到 TX 輸出，然后連接到探頭輸入，如圖4所示。

圖 4. 在這個例子中，一個帶有 100Ω 終端夾具的高阻抗差分探頭連接到 TX 輸出

SMA 型探頭優(yōu)于高阻抗探頭，因為它們的衰減設置遠低于高阻抗探頭。例如，可用的 SMA 型探頭可以設置為具有 1X 或什至 <1X 的小振幅信號的衰減系數(shù)。具有類似帶寬性能的高阻抗探頭具有 5 倍的衰減。探頭衰減越小，測量結(jié)果越干凈，噪音越低。這種差異可以在眼圖中看到。圖 5 和圖 6 比較了使用 50Ω 低衰減探頭和具有 100kΩ 直流阻抗和 5X 衰減的高阻抗探頭采集的相同 5.8Gb/s 信號。

 

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圖 5. 使用 SMA 型低衰減探頭的 5.8Gbit/s 信號的眼圖。

 

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圖 6. 使用具有 100kΩDC 阻抗和 5X 衰減的高阻抗探頭的 5.8Gbit/s 信號的眼圖。

通過比較兩個眼圖中的“模糊”，您可以看到這兩只眼睛之間的噪聲差異。與使用高阻抗探頭獲取的眼圖相比，使用 SMA 型低衰減探頭獲取的數(shù)據(jù)更清晰、模糊更少。兩個眼圖的測量參數(shù)證實，圖 5中的眼圖比圖 6中所示的眼圖更開放。例如，由于噪聲較高，使用高阻抗探頭時，眼圖張度測量值降低了 18%。

示波器和探頭噪聲性能對于準確測量 M-PHY 信號的特性至關重要。如果沒有低本底噪聲，示波器和探頭的其他功能將毫無用處，因為噪聲會隱藏信號的關鍵特征。對于 M-PHY，測量系統(tǒng)的噪聲性能至關重要，因為規(guī)范中定義了嚴格的幅度要求。在小振幅 (SA) 模式下，M-TX 峰峰值輸出電壓范圍為 160mV 至 280mV。如果示波器和探頭不具有低噪聲且沒有足夠的靈敏度（12-15 mV/div，120 mV 滿刻度），則邏輯電平之間的差異相對較小。

當達到前端硬件的限制時，一定要密切注意通過縮放信號顯示來提高靈敏度的示波器規(guī)格。放大信號會增加信號的可見性，但不會增加靈敏度。縮放操作還會增加屏幕上顯示的噪音。

上升時間 
TX 上升時間 (20%/80%) 的 M-PHY 規(guī)范為 0.1*UI，相當于 GEAR 3 中的 17.2ps。但是，測量點 TX 信號的實際上升時間受電容限制封裝和電路板走線。雖然可能不知道設備的實際電容，但如果其電容高達 CPIN_RX 的指定值 1.5pF，則 GEAR 3 信號的上升時間將從 0.1*UI 增加到接近 0.4*UI 的值（ >70ps)。

理想情況下，探頭和示波器應具有非常低的電容和比被測信號快 3 倍的上升時間。使用 GEAR3 的上升時間值，很難找到上升時間比 17.2 ps (0.1) 快 3 倍的示波器或探頭*用戶界面）。然而，找到上升時間比 70ps (0.4*UI) 快 3 倍的探頭是一項更容易的任務。

由于實際上信號在探測點的上升時間可能比 17.2 ps 慢得多，因此驗證 TX 輸出不超過 M-PHY 規(guī)范中指定的 0.1*UI 限制可能是一項挑戰(zhàn)。CTS 建議進行上升時間測量，然后使用去嵌入過程來消除 PCB 跡線、電纜和連接器中的任何信號損失。使用去嵌入，可以確定信號在 M-TX 引腳的上升時間，并確定 TX 是否滿足標準要求。

從 M-PHY TX 輸出的共模信號AC 和 DC 共模是不受歡迎的 EMI 。因此，測量 TX 輸出端的交流和直流共模信號是 M-PHY CTS 測量的一部分。線路的浮動 100Ω 終端旨在提供一個沒有接地路徑的終端，共模電流可以在其中流動。如前所述，當今的 PCB 材料和組件無法實現(xiàn)這種理想的端接。

所有實用的終端方法都將在 M-PHY 頻率上具有共模負載。此負載會衰減共模信號電平，必須對其進行去嵌入以進行準確的共模測量。共模負載越一致，越容易去嵌入負載效應。圖 7 顯示了前面比較的低衰減 SMA 探頭和高阻抗探頭和夾具的共模輸入阻抗的兩個示例。

圖 7. 對于藍色跡線指示的低衰減探頭，去嵌入要容易得多。

藍線顯示共模阻抗，從 DC 到 5 GHz（感興趣的 M-PHY 頻率范圍）在 25Ω 以上或以下沒有顯著變化。而第二個探頭（紅色跡線）的阻抗在 DC 到 5 GHz 范圍內(nèi)變化很大。盡管在這兩種情況下都會有直流電流流動，但對于共模測量，藍色跡線中顯示的探頭負載的去嵌入只是一個縮放操作?？紤]到 TX 源阻抗的分壓比和探頭的 25Ω 輸入阻抗，使用該探頭測量的共模電壓應乘以 2。高阻抗夾具的共模解嵌任務是一項更復雜的操作。

測量要求總結(jié) 
表 3 總結(jié)了用于測試以 HS 模式運行的 M-PHY 發(fā)射機一致性的測量設備的要求。

表3。這些是用于測試以 HS 模式運行的 M-PHY 發(fā)射機的一致性的測量設備的要求

MIPI M-PHY 標準對示波器和探測提出了重大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)對 HS-MODE 測量提出了嚴格的要求。與高阻抗探頭方法相比，50Ω、SMA 型探頭已被證明可產(chǎn)生更好的結(jié)果，特別是對于 HS-G3 和 G4 速度。因此，版本的 M-PHY CTS 已更新，列出了對“SMA 探針”類型探測解決方案的支持。