电缆损耗对自动测试设备的影响

摘要：目前有许多测试公司设计、制造并销售引脚数众多的自动测试设备(ATE)。这些测试设备具有非常复杂的集成电路，用于驱动设备的每个引脚。一台测试设备的引脚数可能多达4096个。从图1可以看出：每个引脚通常都有一个相应的驱动器、比较器、负载，有时甚至需要参数测试单元(PMU)。这些电路通过电缆连接到测试引脚。为了降低成本，供应商可能会选用质量比较差的电缆。而任何电缆，尤其是质量较差的电缆，都会产生损耗，从而降低了测试设备的最终性能。




图1. 测试设备(DUT)典型框图

电缆损耗定义图2所示典型同轴电缆主要有两种损耗：趋肤效应损耗和介电损耗。


图2. 典型同轴电缆

趋肤效应损耗高频信号沿着导体内侧的表面传输(图2所示)，这种现象即为所谓的趋肤效应损耗。趋肤深度(δ)定义为：



式中，ω为频率，单位为rad/s；µ为导体的导磁率，单位为H/m；ρ为导体的电阻系数，单位为欧姆•米。趋肤效应使导线每单位长度的电阻Rl和电感Ll随频率的平方根而成比例增长。单位长度电阻的计算公式为：



w为导线宽度。对于半径为r的圆形电缆，其宽度为2πr。返回路径的电阻也需要考虑，由于该阻抗通常远小于正向路径的电阻，可以忽略。

介电损耗图2中，电介质绝缘体同样会产生与频率相关的电缆损耗。介电常数(ε)定义为：



其中，ε'为介电常数的实数部分；tanδ代表虚数，或损耗正切值，它是电介质损耗因数。因为电介质绝缘体会影响电缆的电容，单位长度电缆的等效电容将从(Cl)变为Cl(1 + jtanδ)。

电缆总损耗考虑到趋肤效应损耗和介电损耗，单位电缆的理想模型可简化为图3所示，包含上述损耗。


图3. 简化电缆模型

图3中，我们定义传输系数为jk = √ZK，Z为分布串联电阻，Y为分布并联导纳。这种情况下：



使用泰勒级数展开后可以得到近似的简化方程式，如下所示：



ZO为传输线特征阻抗，εr是相对介电常数，c为光速。

我们最终需要的是电缆增益，H(f) = e-jkl，其中l为电缆长度。使用上式，可以得到：



其中：



并且



通过以上计算，可以得到下面简单结论：

1. 趋肤效应损耗(α1)对于低频损耗起主导作用(图4)
2. 介电损耗(α2)对于高频损耗起主导作用(图4)

实际电缆的H(f)与上述近似公式稍有区别。对于自动测试设备，该近似公式能够提供足够的精度，这些应用中的电缆衰减最大为增加到6dB。


图4. 电缆趋肤效应损耗(内层导体)、介电损耗以及返回路径(外层导体)损耗的典型特性曲线

图4给出了典型同轴电缆中各种损耗的基本特性曲线。该同轴电缆内部是特征阻抗为50Ω铜线，外层是辫状金属导体。每类电缆损耗的特性不同，但变化趋势与图4一致。

电缆损耗总结本应用笔记的目的不是提供一套严格的数学方法计算电缆损耗—这些内容可以从教科书中得到。所推到的方程用于证明图4所示特性曲线。从上述分析可以得到以下几个结论：

1. 所有电缆都产生损耗，这些损耗最终会限制系统性能。损耗大小取决于电缆质量和规格。
2. 电缆损耗主要包括：

   a. 趋肤效应损耗，对于低频信号起主要作用。
   b. 介电损耗，对于高频信号起主要作用。
   c. 返回路径损耗较小，多数情况下可以忽略。
   d. 连接器、继电器以及其它输出节点或DUT连线的损耗。
   

电缆损耗与电缆成本图5给出了各种典型电缆的损耗特性曲线，表1对一些电缆的成本和损耗进行了对比。


图5. 不同电缆的损耗

表1. 柔性同轴电缆的每英尺价格，出自同一制造商 Cable Loss at 900MHz (dB/m) Cost per Meter ($) RG174 0.75 1.3 RG142 0.382 14.6 RG400/U 0.3492 15.11 RG232/U 0.4589 10.4 R393/U 0.296 22.7 RG58 low loss 0.3691 1.46 RG58/U 0.531 1.14 RG8X 0.25 1.79 RG8 0.14 14.3
注：

1. 与劣质电缆相比，高质量电缆的价格成倍增长，可能高达20倍(图5，表1)。
2. ATE制造商更愿意使用低成本电缆，但是这样的电缆会使系统性能变差。
3. 如果引脚电子没有电缆补偿，则无法修正电缆损耗。
4. 使用大损耗电缆时，需要用高成本、宽带、大功率的引脚驱动器替代低成本、窄带、低功耗的驱动器，以改善系统的设计裕量。
5. 在一台测试设备中使用4096条电缆，每米电缆的成本将介于$5325和$92,979之间(表1)。
6. 在测试设备中为引脚电子增加电缆补偿，以4096引脚设备为例，每台设备可以节省$92,979 - $5325，或$87,654。
7. 上述成本价格以表1提供的信息为基础，不同厂商的电缆价格可能会有较大差别。但从这些数字可以看出电缆产生的昂贵价格。因此，对于设备制造商来说选择低成本电缆非常重要。
8. 表1列举电缆都是柔性电缆。半刚性和全钢性电缆的性能最好，这类电缆的价格大约在每英尺$30，是最好的柔性电缆的3倍甚至更多。由于这些电缆成本过高，厂商不会选用。
9. 随着测试设备工作频率的增加，必须使用电缆补偿。目前，高端测试设备的工作速率超过1Gbps。

电缆损耗对性能的影响对于运行在200Mbps范围的测试设备，电缆损耗的影响不大。而当速率超过500Mbps时，需要对整个信号路径、电路、电缆以及引脚的性能进行仔细分析，以保证每个引脚得到正确的测量指标。以下列举了测试设备的重要指标：

1. 波形的直流电平精度
2. 上升和下降时间
3. 最大的触发率
4. 最小脉宽
5. 边沿的传输延时精度和匹配
6. 传输偏差，例如，传输偏差与最小脉宽、幅度、共模电压的关系

电缆的选择会直接影响上述指标。提高触发率，不考虑电缆驱动器的带宽，电缆损耗将成为制约测试设备性能的主要因素。从图6、图7可以明显看出这一问题。


图6. 短电缆/高质量电缆的阶跃响应


图7. 长电缆/劣质电缆的阶跃响应

大多数工程师已经了解图6、图7所示阶跃响应结果，但仍需关注以下事项：

1. t0表示上升到波形满幅50％的时间。根据经验，10％到90％的上升时间大约为28.6 x t0。从两个波形可以看出上升时间在两种不同电缆长度或质量下指标相差很大。
2. 滚降特性对最大触发速率、最小脉宽和带宽影响较大。从上图可以清晰看出信号路径的劣化。
3. 信号劣化与实际驱动器无关。这种情况下，我们使用了一个具有无限带宽阶跃响应的电路，正是电缆限制了响应的上升时间。
4. 速率越高、电缆越长，问题会更严重。
5. 所有电缆，无论电缆长度、质量如何，都会在一定程度表现出图6、图7所示特性。
6. 必须寻求解决电缆损耗的方案，以充分利用驱动器的带宽，否则，只能选用高质量电缆，而成本的增加又对提高应用的系统性能作用不大。
7. 在电路中设计电缆补偿可以解决电缆损耗问题。

总结高速测试设备中使用的电缆会严重影响系统的整体性能，最终制约系统指标。由于不同电缆的价格差异较大，高速测试设备大多选用损耗较大的劣质电缆。当速率接近或超过1Gbps时，设计人员必须考虑电缆损耗。使用宽带驱动器也无法补偿电缆的损耗，因此，电缆成为限制系统性能的关键因素。

为了充分利用带宽大于1Gbps的测试设备的性能，必须解决电缆损耗问题。值得庆幸的是，目前已经能够获得解决电缆补偿问题的有效方案。