电缆损耗的来源，如何补偿电缆损耗？

　　“电缆损耗对自动测试设备的影响”讨论了高损耗电缆的信号衰减机制。损耗主要源于两方面：趋肤效应和介质损耗。设备制造商，例如提供自动测试设备（ATE）的制造商，为了降低整个系统成本，大多使用高损耗电缆。随着系统数据传输速率的提高，这些电缆对系统性能的影响已经远远抵消了它们的低成本优势。值得庆幸的是，可以利用电子电路补偿电缆损耗。
　　解决电缆损耗的可行方案
　　解决电缆高损耗的途径之一是选择高质量、昂贵的电缆，这种电缆对系统性能的负面影响最小。但只有一些特殊的高端系统，比如军用设备，才可能接受这种高质量电缆。高昂的成本严重制约了这类电缆的使用。另外，电缆线径也会限制系统中能够使用的电缆数量，即使高质量电缆也会产生显著的损耗。
　　另一方案是设计适当的电子电路，不仅用于驱动电缆，而且能够均衡电缆损耗。这种方案采用小尺寸引脚电子器件（PE）驱动电缆，从而允许使用线径较细的低成本、高损耗电缆。器件还可补偿 PCB 引线、继电器和连接器造成的损耗。另外，该方案使系统性能接近 PE 所能提供的性能指标，无需考虑电缆损耗问题。
　　最后一种解决方案是结合上述两种方法，但 PE 方案是最切实可行的选择，也是本文所关注的内容。
　　电子方法解决电缆损耗
　　图 1 和图 2 描述了电缆损耗，损耗导致波形边沿变得平滑，或“磨损”最终信号。正是这些“平滑”信号的边沿降低了系统的有效带宽。带宽损失源于电缆而不是 PE。为了优化系统性能，需要恢复有效的系统带宽。
　　
　　图 1. 驱动器电缆损耗修正的基本原理
　　
　　图 2. 比较器通道的电缆损耗补偿
　　为了修正信号“磨损”、恢复带宽，必须找到一种方法将波形边沿恢复到直接来自驱动器的陡峭、无噪声方波。这种修正必须利用驱动电缆的 PE 实现。图 1 中包含一个附加电路模块“波形整形”，通过增加可控制的过冲幅度，有效修复信号的边沿。边沿修复不是通过简单的过冲电路实现，简单的过冲电路会对边沿产生负面影响，造成幅度波动，过冲量取决于具体加入的过冲。这些不良影响会造成时序、信号偏移等误差，而且这些误差随频率、幅度的变化而变化。
　　图 2 给出了更详细的 Maxim 产品对于修正电缆损耗的方法。图 1 所示为 PE IC 从电缆到被测件（DUT）整个驱动连路的波形修正情况。图 2 列出了类似修正情况，从 DUT 通过电缆，到达 PE 的比较器。驱动器和比较器通路均需要修正。
　　电缆损耗补偿电路在信号中加入两个一阶时间常数衰减的峰值信号。DOVSx 输入电压控制持续时间较短的峰值电平，补偿过冲电压；DOVLx 输入电压控制持续时间较长的峰值，补偿过冲电压。较短或较长持续时间的过冲信号都限制在 10%过冲范围内。两个峰值信号分别固定衰减时间常数。DOVSx 信号的时间常数为 77ps，DOVLx 补偿的时间常数为 1.5ns。如图 2 所示，COVSx 和 COVLx 在比较器通道充当类似功能。
　　MAX9957 双通道 2000Mbps 驱动器和 MAX9955 双通道 2000Mbps 比较器 / 端接器采用双时间常数，如图 1、图 2 所示，两个时间常数可分别调节。
　　MAX9979 双通道 1100Mbps 驱动器 /PMU，具有电平设置校准 DAC，使用单路控制架构（表 1 和图 3 所示）。这种方案同样采用双时间常数，但将双时间常数组合到一个 3 位 DAC 中。
　　表 1. MAX9979 电缆衰减补偿控制
　　
　　
　　图 3. MAX9979 电缆补偿
　　不同电缆下的 MAX9979 性能测试
　　MAX9979 为双通道 PE，集成了驱动器 / 比较器 / 负载（DCL）、PMU 和电平设置校准。每通道功耗为 1.1W，优化工作在 1Gbps、3V 信号，采用 50Ω端接。
　　图 4 至图 9 提供了一组 MAX9979 的测试数据，测试平台与图 3 类似。这些测试数据实在以下条件下获得的：MAX9979 配置在 VDH = 3V、VDL = 0V，为 50Ω负载提供 3V 信号驱动，图中给出了相应的电缆。
　　从图 4 至图 9 测试结果可以看出：补偿电缆与未经补偿的电缆相比具有明显优势。图 8 到图 9 接近于高速测试装置的实际测试结果，可以清楚地看到电平跳变速率或系统带宽，几乎降低了 50%，这些损耗是经过电缆产生的衰减。有些情况下结果可能更糟，因为 ATE 使用的电缆比测试采用的电缆损耗更大。另外，这些测试也包含了信号通道的PCB 引线、继电器和连接器造成的损耗。Maxim 的 ATE 产品线中的 PE 电缆补偿能够对所有信号通道的损耗进行补偿。
　　
　　图 4. 补偿之前和补偿之后的转换速率，采用固态和半刚性 SMA 电缆
　　
　　图 5. 补偿之前和补偿之后的上升时间，采用固态和半刚性 SMA 电缆
　　
　　图 6. 补偿之前和补偿之后的转换速率，采用 RG58C 电缆
　　
　　图 7. 补偿之前和补偿之后的上升时间，采用 RG58C 电缆
　　
　　图 8. 补偿之前和补偿之后的转换速率，采用 RG174 电缆
　　
　　图 9. 补偿之前和补偿之后的上升时间，采用 RG174 电缆
　　通过对图 4 至图 9 数据的进一步分析显示，电平转换速率的降低和延长的上升时间是导致电缆损耗的关键，从没有补偿的通道更容易看到这一现象。所产生的损耗取决于使用电缆的长度和质量，实际应用中，电缆本身造成的损耗就有可能超过 50%。
　　注：
　　测试使用的固态 SMA 电缆价格是 130 美元 / 英尺，半刚性电缆价格是 30 美元 / 英尺，RG58 和 RG174 电缆的价格是 5 美元 / 英尺。
　　价格昂贵的电缆性能很好，传输长度甚至可以达到 36 英寸。但这些价格昂贵的电缆同样需要补偿，以支持最高的数据速率和最小上升时间。
　　12 英寸、特别是 36 英寸的 RG58 电缆即使在补偿情况下，电平转换速率也明显下降，上升时间较长。未经补偿的电缆损耗更大。
　　从图 8、图 9 可以看出，没有补偿时，较长的高损耗电缆会大大降低系统性能。对这些电缆进行补偿，可以恢复信号带宽或提高电平转换速率，达到驱动器 90%以上的性能指标。
　　没有电缆补偿的系统，如果 PE 驱动器可以支持 1000Mpbs 或更高速率，电缆损耗、继电器、连接器和 PCB引线造成的损耗可能高达 50%。相反，使用具备电缆损耗补偿的 PE 系统，系统性能可以达到 PE 器件本身所能提供指标的 90%。
　　PE 补偿必须可调，PE 如果只是采用简单的过冲电路，则无法针对特定长度的电缆进行补偿，因为边沿和纹波会随着频率、幅度而改变，从而引入时序误差。
　　图 10 和图 11 是 6 英尺和 3 英尺 RG174 电缆的实际测量结果。图 8 和图 9 的数据直接从这些结果提取。输出结果包括未经补偿的波形、经过完全补偿的波形，1 位过补偿的波形。
　　
　　图 10. 6 英尺 RG174 电缆输出波形，四个波形分别为：没有补偿、部分补偿、完全补偿和过补偿的情况（请参考图 8 和图 9 相关数据）。
　　
　　图 11. 3 英尺 RG174 电缆输出波形，三个波形分别为：没有补偿、完全补偿和过补偿的情况（请参考图 8 和图 9 相关数据）。
　　上述波形表明，严格的 PE 电缆补偿设计能够保持真实的信号边沿，甚至可以减小幅度波动，从而维持正确的瞬变电平，使系统在任何频率和幅度下获得最佳性能。
　　测试结果总结
　　图 4 至图 11 所示测试结果证实了上述理论分析和相关讨论。试验中使用的电缆质量优于 ATE 设备使用的电缆。显然，没有电缆补偿电路，系统将无法达到与 PE 同等的性能指标。同样，在 PE 中设计电缆补偿，可以获得几乎 100%的性能指标，非常接近 PE 所能支持的最高速率。
　　在电子驱动器内设计电缆补偿电路，使系统能够使用低成本、高损耗电缆，同时保证整体性能。在驱动器中加入此补偿功能会增加每个引脚的成本。然而，性能的提高和低成本电缆的使用，无疑可以弥补引脚成本的提高，最终降低整体成本。