高頻治具設計的現況與未來

Allion Labs / Paul Chou

隨著科技的日新月異,高速影音資料傳輸的需求也不斷進化,例如 HDMI 的規範從 HDMI 2.0 發展到 HDMI 2.1,傳輸速率由6.0 Gbps 直接發展至 12 Gbps,讓影像傳輸的效率更上一層樓;又如目前 USB 3.2 Gen 2的最大傳輸速度為10 Gbps,但為了讓速度快上加快,USB-IF 協會即將在全新的 USB 4 讓傳輸速度躍升至 20 Gbps,等同於 Thunderbolt3 的傳輸速度。

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高速串流介面所面臨的測試挑戰

現有技術環境
從USB 2.0 High Speed開始,PC匯流排轉向高速Serial Bus,一直演進到目前的PCI Express、HDMI、DisplayPort、SATA等等,只需透過幾條線就可以傳輸大量的資料,相較起以往,不論在傳輸速度上或是容量上,都有顯著的提升。

規格

比較

PCI 2.2

533MB/s

PCI Express x16

3.7GB/s

DVI

7.6 Gbit/s

HDMI

10.2 Gbps at 340 Mhz

Ultra DMA 133

傳輸速度為 133 MByte/s

SATA

SATA-2: 傳輸速度為300MByte/s
SATA-3: 傳輸速度為600MByte/s

 

但是技術的進步,也相對造成測試困難度的提高,特別在量測高速傳輸介面時時,更需要考慮眾多因素,如訊號干擾、衰減或製具的種類…等,才能避免量測上的失真。相關測試儀器製造廠商也為了因應高速串流介面的測試需求,開發出相對應的示波器,以協助廠商進行測試。

眼圖的判斷
談到串流介面的測試,首要之處就是Eye Pattern (眼圖)的分析判斷,因要確定訊號傳輸的穩定性便須觀察眼圖的量測結果,這也是所有的硬體工程師需要克服的第一道難題。因透過正確的眼圖分析,才能發現信號的品質問題、傳輸的穩定性,或是與協會所訂規範的一致性。

眼圖的產生是透過示波器或探棒對產品進行掃描控制,由於掃描週期此時恰為被測信號週期的整數倍,因此在示波器螢光屏上觀察到的就是一個由多個隨機符號波形共同形成的像是眼睛的穩定圖形。符合Pass條件的眼圖不能相接於四周的波形,任一處相接則測試結果將判定為Fail。

但是不同的測試製具、不同的示波器,甚至是不同的探棒,會產生不同情況的眼圖,進而影響到測試的判斷。以USB 2.0為例,根據我們的經驗,需要準備3套的測試環境來搭配參考,以避免因測試環境的影響而造成的測試結果誤判。如下圖案例所示,由製具A所測出的測試結果會判讀為Fail,而製具B所測試出的結果則是Pass,同樣的產品,卻因使用不同的測試工具,而導致測試結果上的差異。

使用不同製具測試USB2.0產品所產生的眼圖

製具A                                                                                  製具B

為了避免上述的情形發生,藉由一些製具的使用讓測試工作可以順利進行或許是個很好的選擇。而為了協助廠商進行測試時的校正工作,百佳泰協同USB協會制定測試環境的校正標準,開始測試製具的開發,確保不同的測試環境都可以產生相當一致的測試結果。而在開發的過程中面臨最大的挑戰就是Trace的長度與規劃以及阻抗匹配與訊號反射的影響。

利用測試製具校正測試環境
以USB 2.0 High Speed測試製具為例,由於USB本身只透過兩條線(D+/ D-)來傳輸訊號,啟動測試波形時,需要使用元件(relay)分別將Host 與 Device本身的訊號分離,所以元件的選擇就決定了製具本身的主要狀況。但元件的選擇並非越高等級越好,還要能確保阻抗匹配與訊號反射的狀況。

目前USB-IF開始要求測試Rising Edge and Falling Edge 的時間,儘管協會允許因不同測試製具跟環境所造成的10%以內的誤差,阻抗匹配還是非常的重要。百佳泰就採用了USB協會與Intel建議的元件,搭配 PCB佈線與阻抗的計算,設計出符合USB測試規範中所要求的90Ohm的製具。希望可以協助廠商用最短的時間來完成測試。

相對於USB的要求,其他的高速傳輸標準如HDMI、DisplayPort以及SATA對於測試製具的要求更高,除了要利用測試儀器量測外,還需搭配校正製具才能調教測試環境,確保示波器、探棒、甚至是SMA cable規格等可以符合測試規範的要求。

其中尤其重要的是SMA Cable與SMA Connect的規格,除了要符合傳輸頻率的條件外,在PCB本身上面的防干擾與線路隔離其實更重要,若您得測試製具需要常常移動,建議可直接把探棒拆下帶走到另外一台的示波器,不要一直拆卸製具上的SMA Cable,這樣除了可以延長製具與SMA Cable的使用週期外,還能確保校正的精準度,否則在RoHS的製程下,SMA Connect本身與PCB連接的穩定度,可能會因為拆卸次數過於頻繁而降低,嚴重影響到測試的準確度。

除此之外,在執行PCI Express量產時的大量測試時,常會因為要快速的更換受測卡而造成卡片的毀損或短路,這樣不必要的耗損可利用具備熱抽換保護電路設計的製具,來加快量測的速度和品質。

<各式高速製具>

文字方塊: Allion USB HS Device SQ Test Fixture
文字方塊: DisplayPort Test Fixture

文字方塊: SATA Test Fixture
文字方塊: HDMI Load Board