以太網高速接口的差分測量方法

一、概述

      高速串行接口一般通過差分信令傳輸數據。信號探測需要用到差分探頭。除了差分輸入端外，這些探頭（尤其是帶寬更高的型號）通常還提供額外的接地端。RT?ZMxx 模塊化多模探頭的接地端可用于改善高速差分接口的測量。

二、測試要求

      您需要測量差分傳輸的高速接口，比如 PCIe、USB 3.1 以及 10GB 以太網。差分信號通道使用相互參考的正端和負端傳輸，而不是只使用一條接地信號線（單端傳輸）。通過正負輸入之間的差值，可以測出差分信號。差分探頭具有高輸入阻抗，能夠測量在探頭動態范圍內的任意兩個差分電位之間的信號。差分探頭能夠測量并放大兩個信號電平的電壓差。

三、測試與測量解決方案

      應仔細挑選差分探頭，以便準確分析高速接口信號。圖 1 顯示簡化的差分探頭測量裝置，該差分探頭具有正 (VP) 和負 (VN) 輸入電壓，以測量 USB 3.1 Gen1 信號。本例中，USB 已連接到未接通電源的筆記本電腦。圖中顯示差分電壓 (VDM= VP– VN) 和共模電壓 (VCM= ? (VP+ VN))。

      該探頭已接地。這種連接存在未知的寄生電感 Lparasitic（取決于接地質量和特性，比如接地長度）。由于共模抑制與頻率有關，較大的接地電感會導致所測高速信號的質量變差。接地有助于提高探頭的共模抑制比 (CMRR)。

四、應用

      根據圖 1 設置，可分析接地對差分測量的影響：

① 將 USB 連接到筆記本電腦

② 將 RT-ZM60 模塊化探頭連接到RTO2064，以檢測傳輸信號

      第一種設置中，在探頭末端模塊上接地。第二種設置中，為了進行比較而沒有接地，以便通過對比顯示接地的影響。

      首先測量兩種設置（接地/不接地）的共模電壓，然后測量差分電壓。R&S®RT-ZM 模塊化探頭是一種理想的選擇，便于用戶切換差模 (DM) 和共模 (CM) 測量，而無需重新連接或重新焊接探頭。

      圖 2 顯示共模電壓測量結果。藍色波形表示接地的測量（設置 1）。黃色波形表示未接地的測量（設置 2）。共模電壓的峰間值 (PTP) 和均方根 (RMS) 顯示在右側的“Meas Results"測量結果框中，便于用戶比較兩種測量設置得到的共模電壓。

      在接地情況下共模電壓的 PTP 和 RMS 測量結果（PTP = 95 mV，RMS = 9 mV）遠低于不接地情況下獲得的測量結果（PTP = 123 mV，RMS = 12.3 mV）。這說明接地對于準確的共模測量至關重要。

                                    圖 3 中的紫色波形舉例說明了在不接地的情況下，可能產生不可預見的未知影響。所示為未接地的測量（圖 2 中的黃色波形），在該設置中筆記本電腦通過電源線接通電源。紫色波形顯示電源單元的開關頻率（約為 55 kHz）也一同被測量，并會影響測量結果。共模電壓的峰間值增至三倍，達到 298 mV（見“Meas Results"結果框中的 PTP 值）。

      在探頭接地的情況下，筆記本電腦連接電源，不會對測量結果產生影響。結果表明探頭接地會影響差分電壓測量。為比較兩種測量設置對數據碼型測量的影響，使用了串行總線的協議觸發功能。

      圖 4 中的藍色波形表示探頭接地獲得的測量結果。黃色波形表示在未接地的情況下獲得的測量值。藍色波形的時間間隔誤差 (TIE) 抖動顯示在底部綠色柱狀圖中。

      接地情況下的 RMS 抖動對應柱狀圖的標準偏差，即 σ = 10.8 ps（紅色箭頭）。在黃色波形上執行同樣的測量，測出 RMS 抖動 σ = 14.5 ps，高出 34%。這與黃色波形的過沖有關，如縮放窗口所示。這些結果表明，在探頭接地的情況下，測量信號保真度更高。

五、總結

      RT-ZM 模塊化探頭具有特殊功能，能夠同時提供差模、共模和單端測量。接地對于差模測量十分重要，可以防止電路浮地，并且確保在差分探頭的測量范圍內獲得穩定且可重現的信號（特別是高頻信號）。

      接地還有助于降低寄生電感，此類寄生電感應盡可能小，以獲得更好的信號完整性。差分探頭接地還能夠確保出色的抗擾性。