如何透過優化探棒接地，精確量測 PCIe/USB 高速介面的差動訊號與共模雜訊
- Sonya Chan
- 10月19日
- 讀畢需時 6 分鐘
在當今資料驅動的世界中，從 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）、USB 3.1 到 10 Gbit 乙太網路，高速串列介面的傳輸速率不斷刷新紀錄，為了在高速下確保訊號的穩健性並有效抑制雜訊，差動訊號 (Differential Signaling) 已成為業界標準；這種技術不使用單一訊號線對地參考，而是使用一對（正、負）訊號線相互參考傳輸，大幅提升了抗干擾能力。
然而，這也為研發工程師帶來了嚴峻的量測挑戰，在高速環境下，任何微小的阻抗不匹配、接地迴路，或來自周邊元件（如交換式電源）的雜訊，都可能導致共模雜訊 (Common Mode Noise) 汙染，進而扭曲差動訊號，引發 TIE 抖動 (Time Interval Error)，最終導致 BLER（區塊錯誤率） 攀升。
工程師的痛點在於，如何精確分離並量測微弱的差動訊號、找出潛在的共模干擾源，並確保探棒本身不會成為量測的干擾因素；尤其是在高頻下，探棒的接地品質對量測結果的影響，遠比想像中更為關鍵，本文將深入探討如何運用 R&S®RT-ZM 模組化多模探棒的接地策略，優化高速差動介面的量測精度。
高速介面差動量測的嚴峻挑戰
您的任務是量測採用差動傳輸的高速介面，例如 PCIe、USB 3.1 和 10 Gbit 乙太網路，這些高速通道採用差動訊號線路，包含一條正極（Positive）和一條負極（Negative）線路，兩者相互參考，而非傳統單端傳輸（Single-ended transmission）的單一訊號線對地參考。
差動訊號的定義是負極輸入與正極輸入之間的電壓差，差動探棒憑藉其高阻抗輸入特性，只要訊號位於探棒的動態範圍內，就能夠量測任意兩點之間的電位差，差動探棒會量測並放大這兩個訊號位準之間的電壓差值。
高速串列介面（如 USB）經常使用差動訊號來傳輸資料，對於這類訊號的探測，通常會使用差動探棒；除了差動輸入端外，這些探棒（特別是高頻寬型號）通常還會提供一個額外的接地連接點，R&S®RT-ZM 模組化多模探棒上的接地連接，便可用於改善高速差動介面的量測品質。
量測與分析解決方案
要精確分析高速介面，仔細選擇差動探棒至關重要，圖 1 顯示了使用差動探棒量測 USB 3.1 Gen1 訊號的簡化量測設置，包含正 (VP) 和負 (VN) 輸入電壓。在此範例中，USB 隨身碟連接到一台未接入市電的筆記型電腦。圖中顯示了差動電壓 (VDM = VP – VN) 和共模電壓 (VCM = ½ (VP + VN))。
探棒同時具有接地連接。此連接會產生一個寄生電感 (Lparasitic)，其數值通常未知，並會受到接地品質與特性（例如接地點距離）的影響。
此寄生電感之所以關鍵，是因為它直接影響探棒的共模斥拒比 (CMRR, Common Mode Rejection Ratio)。CMRR 是衡量差動放大器（探棒的核心）抑制共模訊號（同時出現在正負兩端的雜訊）能力的關鍵指標。在理想情況下，探棒應完全忽略共模雜訊，僅放大差動訊號；但在高頻下，較高的接地電感會導致 CMRR 性能劣化，使得量測到的高速訊號品質下降。因此，一個穩定且低電感的接地連接，對於提升探棒的 CMRR 性能是絕對必要的。
應用實測：接地連接對量測的決定性影響
我們可以依據圖 1 的設置來分析接地連接對差動量測的具體影響：
USB 隨身碟連接至筆記型電腦。
傳輸訊號由 R&S®RT-ZM60 模組化探棒進行偵測，該探棒連接至 R&S®RTO2064 示波器。
第一個設置使用探棒尖端模組上的接地連接。第二個設置則不進行接地連接，以此作為對比，突顯額外接地連接的效果。
實驗首先量測兩種設置（有接地／無接地）的共模 (CM) 電壓，隨後量測差動電壓 (DM)。R&S®RT-ZM 模組化探棒是此應用的理想選擇，因為它允許使用者在 DM 和 CM 量測模式之間切換，無需重新連接或重新焊接探棒。
共模 (CM) 量測結果分析
圖 2 顯示了 CM 電壓量測結果。藍色波形代表有接地連接（設置 1）的量測值；黃色波形則顯示無接地連接（設置 2）的量測值。右側的「Meas Results」量測結果框中，顯示了 CM 電壓的峰對峰值 (PTP, Peak-to-Peak) 和均方根值 (RMS, Root Mean Square)，以便比較兩次量測的 CM 電壓。
表 1：CM 電壓量測結果比較
量測類型 | 有接地連接 | 無接地連接 | 比例 |
峰對峰值 (PTP) (平均) | 95 mV | 123 mV | 1.29 |
均方根值 (RMS) (平均) | 9 mV | 12.3 mV | 1.37 |
從數據中可清晰看到，有接地連接的 CM 電壓量測結果（PTP = 95 mV，RMS = 9 mV）遠低於無接地連接的量測結果（PTP = 123 mV，RMS = 12.3 mV）。這個結果證實了接地連接對於精確的 CM 量測不可或缺。
接地不良導致的外部雜訊耦合
圖 3 中的紫色波形展示了在探棒未接地時，若筆記型電腦透過電源供應器接入市電，會發生什麼不可預測的影響（此波形對應圖 2 中的黃色波形）。
紫色波形顯示，此時電源供應器的交換頻率（約 55 kHz）也被量測到，並嚴重衝擊了量測結果。CM 電壓的峰對峰值量測結果飆升了三倍，達到 298 mV（參見 ‘Meas Results’ 框中的 PTP 值）。
這個現象凸顯了接地的重要性：當探棒正確接地時，來自筆電電源的雜訊被有效抑制，使其對量測結果沒有影響。這也暗示，探棒接地同樣會影響差動電壓的量測。
差動模式 (DM) 量測：對抖動的影響
為了比較兩種設置下的相同資料序列，我們使用串列匯流排的協定觸發功能。
圖 4 中的藍色波形代表探棒接地時的量測結果；黃色波形則代表未接地的量測結果。底部的綠色直方圖顯示了藍色波形的 TIE 抖動分佈。TIE (Time Interval Error) 是評估訊號時序穩定性的關鍵參數，它量測實際訊號邊緣相對於其理想位置的時間偏差，TIE 抖動過高會直接導致資料解碼錯誤。
有接地設置的 RMS 抖動對應於直方圖的標準差 σ = 10.8 ps（紅色箭頭指示）。對黃色波形進行相同的量測，得到的 RMS 抖動為 σ = 14.5 ps，高出了 34 %。
這一結果與縮放視窗中觀察到的黃色波形過衝 (Overshoot) 現象相符。這些結果清楚表明，使用帶有接地連接的探棒進行量測，能獲得更佳的訊號保真度 (Signal Fidelity)。
總結：精確量測的關鍵
R&S®RT-ZM 模組化探棒提供了執行 DM、CM 和單端量測的特殊功能。在執行 DM 量測時，使用接地連接至關重要，因為它能防止電路浮動，並確保在探棒的量測範圍內獲得穩定且可重現的訊號——這對於高頻量測尤其重要。
良好的接地連接還能最大限度地降低寄生電感，這是在探測中維持高訊號完整性的必要條件。總之，具備可靠接地連接的差動探棒，才能確保對干擾的高免疫力，提供最精確的量測結果。
R&S®RT-ZM 模組化探棒系統：專為高速挑戰而生
本文中用於實測的 R&S®RT-ZM 是一款專為應對高頻寬、高動態範圍量測挑戰而設計的模組化探棒系統，其核心特色完美契合了本文所探討的高速差動量測需求：
多模式 (Multimode) 功能： 這是 R&S®RT-ZM 最突出的優勢。工程師無需中斷測試流程、重新焊接或更換探棒，即可在探棒上或示波器介面中，一鍵切換差動 (DM)、共模 (CM) 和單端量測模式。這使得本文中的對比測試（先測 CM 再測 DM）變得極為高效便捷。
模組化與高頻寬： 系統提供從 1.5 GHz 至高達 16 GHz 的放大器模組，以及多種探棒尖端模組（如用於狹小空間的焊接型模組），提供高度彈性與可配置性，滿足不同高速介面（如 PCIe 4.0/5.0）的測試需求。
卓越的訊號保真度： 憑藉優異的電路設計，R&S®RT-ZM 提供了極低的探棒負載與出色的 CMRR 性能，確保如本文實驗所示，即便是微小的 TIE 抖動差異（10.8 ps vs 14.5 ps）也能被精確捕捉。
獨特偏移補償 (±16 V)： 在量測帶有高直流偏壓的訊號時，此功能可補償 DC 成分，讓示波器能專注於訊號的 AC 細節，大幅提升動態範圍與量測解析度。
整合式 R&S®ProbeMeter： 內建的高精度直流電壓錶，可獨立於示波器量測電壓，方便快速確認待測物 (DUT) 的電源軌狀態。
